ТЕПЛООБМЕННИК И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2019 года по МПК F28F13/00 F28F27/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области теплообменников и к их применению для охлаждения текучих сред газотурбинного двигателя, такого как турбореактивный или турбовинтовой двигатель, при этом теплообменник расположен, в частности, на стенке газотурбинного двигателя или на стенке его гондолы.

Уровень техники

Уровень техники представлен документами US-A1-2011/030337, US-A1-2009/314265 и US-A1-2003/043531.

Как известно, в многоконтурных турбореактивных двигателях устанавливают теплообменники, такие как поверхностные теплообменники типа воздух-воздух, в проточном тракте вторичного контура для охлаждения текучих сред, циркулирующих в двигателе, например, воздуха, отбираемого на уровне компрессоров. Речь идет о профилировании повышенных коэффициентов теплообмена, возникающих в результате циркуляции на высокой скорости наружного холодного воздушного потока в этом проточном тракте.

Однако элементы теплообменника, входящие в контакт с этим потоком для обеспечения теплообмена, создают потери напора в потоке. Эти потери отрицательно сказываются на характеристиках двигателя, тем более что потребность в охлаждении не обязательно совпадает с фазами полета с повышенными весовыми коэффициентами с точки зрения характеристик. Так, во время фаз полета на крейсерской скорости двигатель не обязательно требует очень большого охлаждения, тогда как фазы взлета длятся всего несколько минут и характеризуются большой потребностью в охлаждении.

Заявитель поставил перед собой задачу уменьшения потерь напора, которые теплообменник может создавать во вторичном воздушном потоке, когда потребность в охлаждении является меньшей. В целом, заявитель поставил задачу выполнения теплообменника, в котором теплообменом между движущимися текучими средами можно управлять таким образом, чтобы уменьшить влияние деталей теплообменника на характеристики потока одной из текучих сред, когда в этом возникает необходимость.

Раскрытие изобретения

Для решения этих задач предложен теплообменник между первой текучей средой и второй текучей средой, содержащий диафрагму, разделяющую две текучие среды, и теплопроводящий элемент, входящий в тепловой контакт с диафрагмой, с одной стороны, и с первой текучей средой, с другой стороны, при этом упомянутый теплопроводящий элемент выполнен подвижным между активным положением и неактивным положением таким образом, что способность теплообмена с первой текучей средой является более низкой в неактивном положении, чем в активном положении, отличающийся тем, что упомянутый элемент подпружинен в активном положении, и переход из активного положения в неактивное положение происходит за счет прогиба диафрагмы.

Заявленное решение состоит, таким образом, в изменении положения теплопроводящего элемента относительно первой текучей среды, чтобы уменьшить сопротивление ее потоку.

В настоящей заявке под прогибом диафрагмы следует понимать, что на диафрагму действует сила, предпочтительно сжатия, которая приводит к изгибу и к деформации диафрагмы, как правило, в направлении, перпендикулярном к направлению приложения силы (переход из состояния сжатия в состояние изгиба).

Предпочтительно упомянутый элемент подпружинен на сжатие вдоль оси, по существу параллельной оси, вокруг которой происходил изгиб диафрагмы во время ее прогиба.

Согласно варианту выполнения, теплопроводящий элемент выполнен в виде пластины. Пластина неподвижно соединена с диафрагмой соединительным краем и в активном положении отходит от диафрагмы, входя в контакт с первой текучей средой своими двумя сторонами.

В частности, в неактивном положении пластина расположена одной стороной вблизи диафрагмы. В этом положении предпочтительно пластина входит в контакт с первой текучей средой только одной стороной, что уменьшает теплообмены с текучей средой.

Кроме того, в активном положении пластина имеет изогнутую форму, отходя от диафрагмы, начиная от соединительного края. Таким образом, можно просто и эффективно управлять теплообменами между этими двумя положениями.

Согласно другому отличительному признаку, соединительный край является прямолинейным, и пластина изогнута вокруг соединительного края в активном положении. В частности, переход из активного положения в неактивное положение происходит за счет деформации диафрагмы вдоль края соединения пластины с диафрагмой. Деформация диафрагмы, образующей опору для пластины, приводит к деформации пластины между двумя состояниями: первым состоянием, в котором пластина изогнута в направлении, параллельном линии, образованной соединительным краем, и вторым состоянием, в котором пластина изогнута перпендикулярно к соединительному краю. В частности, пластина прилегает к диафрагме, если последняя имеет форму участка цилиндра.

Согласно еще одному отличительному признаку, деформацию диафрагмы получают за счет приложения силы, параллельной к плоскости диафрагмы. Предпочтительно эта сила является силой сжатия. Предпочтительно эту деформацию получают при помощи усилия элемента, образующего поршень.

Изобретение относится также к применению теплообменника для охлаждения текучей среды в газотурбинном двигателе, таком как турбореактивный двигатель.

Описание фигур

Изобретение, его другие задачи, детали, отличительные признаки будут более очевидны из нижеследующего подробного описания варианта выполнения изобретения, представленного исключительно в качестве не ограничительного примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 - схематичный вид двухконтурного турбореактивного двигателя, в который можно встроить заявленный теплообменник.

Фиг. 2 - заявленный теплообменник в состоянии, когда теплопроводящие элементы приподняты в активном положении.

Фиг. 3 - теплообменник, показанный на фиг. 2, в состоянии, в котором теплопроводящие элементы откинуты в неактивное положение.

Фиг. 4 - заявленный теплообменник, вид сверху со стороны коллекторов текучей среды.

Фиг. 5 - детальный вид теплообменника, показанного на фиг.2, с теплопроводящим элементом в активном положении, при этом внутреннее пространство показано за счет прозрачности.

Фиг. 6 - детальный вид теплообменника, показанного на фиг.3, с теплопроводящим элементом в неактивном положении, при этом внутреннее пространство показано за счет прозрачности.

Подробное описание варианта выполнения изобретения

Турбореактивный двигатель содержит на входе воздухозаборник, через который воздух всасывается в двигатель, и реактивное сопло на выходе, через которое горячие газы, производимые при сгорании топлива, выбрасываются для получения по меньшей мере части тяги. Между воздухозаборником и реактивным соплом выпуска газов всасываемый воздух сжимается средствами сжатия, нагревается и расширяется в турбинах, которые вращают средства сжатия. Кроме того, многоконтурные турбореактивные двигатели содержат по меньшей мере одно рабочее колесо вентилятора, перемещающее большую массу воздуха, образующую вторичный поток и создающую основную часть тяги, при этом первичный поток является частью потока всасываемого воздуха, которая нагревается, затем расширяется в турбине, после чего выбрасывается через сопло первичного потока. Показанный на фиг.1 турбореактивный двигатель является двухконтурным и двухвальным и содержит последовательно в направлении прохождения воздуха в двигателе воздухозаборник 1 на входе, вентилятор 2, направляющий воздух в кольцевой канал 3 вторичного потока и в компрессоры 4 первичного потока в центре, камеру 5 сгорания и турбинные ступени 6. В данном случае вторичный поток выбрасывается отдельно через сопло вторичного потока. В выходной части двигателя роторы находятся в выпускном картере 7. Первичный поток выбрасывается через сопло 8 первичного потока на выходе выпускного картера. Поток является кольцевым, и проточный тракт первичного потока ограничен внутри выпускным конусом 9. Конус 9 является полой деталью по существу усеченной конусной формы и неподвижно соединен с выпускным картером.

Как было указано выше и как известно, во вторичном проточном тракте 3 располагают теплообменник 10 для охлаждения текучей среды, которая может быть воздухом, отбираемым из компрессора. Пример теплообменника, который может выполнять эту функцию, содержит контур, в котором циркулирует охлаждаемая текучая среда. Этот контур входит в тепловой контакт с диафрагмой теплообмена с холодной текучей средой, циркулирующей во вторичном проточном тракте. Как правило, на диафрагме со стороны обменной поверхности, обращенной к холодному потоку, предусмотрены ребра для увеличения способности теплообмена и улучшения охлаждения. Эти ребра расположены перпендикулярно к диафрагме во вторичном потоке и создают в нем потерю напора.

Чтобы контролировать потерю напора во вторичном потоке, изобретением предложено сделать ребра подвижными между активном положением оптимального обмена и положением, которое называют неактивным и в котором теплообмены являются менее эффективными, но при этом потеря напора, создаваемая по причине присутствия теплообменника, уменьшается.

Заявленный теплообменник 10 показан на фиг. 2-6. Он содержит кожух со стенкой 11 дна, множество перегородок 13, перпендикулярных к стенке 11 дна и ограничивающих вместе с дном множество параллельных между собой каналов 12. Эти каналы накрыты диафрагмами 15 и сообщаются с первым коллектором 12а на одном конце и с вторым коллектором 12b на другом конце кожуха. Кожух питается текучей средой через первый коллектор. Пройдя в каналах 12, текучая среда может поступать во второй коллектор 12b на другом конце кожуха. Кожух предназначен для размещения в данном случае вдоль вторичного проточного тракта 3 турбореактивного двигателя таким образом, чтобы диафрагмы входили в контакт с текучей средой при разной температуре для теплообмена между текучей средой, циркулирующей в каналах, и текучей средой, обдувающей наружную поверхность диафрагм. В рассмотренном варианте применения текучая среда, циркулирующая снаружи каналов, является первой текучей средой, и текучая среда, циркулирующая в каналах, является второй текучей средой. Первая текучая среда образует холодный вторичный поток, и вторая текучая среда является охлаждаемой текучей средой.

Для улучшения теплообменов между двумя текучими средами на диафрагмах со стороны первой текучей среды установлены теплопроводящие элементы 17; речь идет о металлических пластинах 171, имеющую большую поверхность контакта при небольшом габарите. Эти пластины 171 закреплены на диафрагмах 15 вдоль соединительного края 173, например, посредством сварки или пайки. Две стороны большего размера пластин 171 образуют главные поверхности теплообмена с первой текучей средой, в которую они погружены. Предпочтительно соединительные края проходят параллельно направлению потока текучей среды, с которой пластины производят теплообмен.

Согласно изобретению, эти пластины 171 выполнены подвижными между активным положением, в котором они приподняты относительно поддерживающей их диафрагмы, и неактивным положением, в котором они откинуты на диафрагму. В приподнятом положении их обе стороны обращены к первой текучей среде для максимального теплообмена между двумя текучими средами. В неактивном положении, поскольку пластины 171 прилегают к диафрагме или по меньшей мере проходят вдоль нее, они имеют меньшую способность теплообмена, чем в активном положении, так как поверхность обмена ограничена одной стороной пластины. Сопротивление потоку является тоже меньшим, чем в активном положении, по той же причине.

Одним из аспектов изобретения является средство для обеспечения перехода пластин 171 из одного положения в другое.

Диафрагмы 15, накрывающие каналы, закреплены с одной стороны 151 вдоль одной перегородки 13 и с другой стороны на противоположной перегородке 13. Эти диафрагмы 15 соединены с элементом 153, образующим поршень. Образующий поршень элемент 153 может перемещаться внутри камеры 131 домкрата, выполненной вдоль кожуха. Поршень может перемещаться параллельно плоскости диафрагмы в поперечном направлении относительно каналов 12. Перемещением поршня управляет рабочая текучая среда, поступающая через трубопровод 133 на входе камеры. В целом домкрат образован поршнем, и камера домкрата содержит любой рабочий орган, который может действовать силой сжатия на диафрагму параллельно ее плоскости. Энергия привода рабочего органа или домкрата может обеспечиваться воздухом под давлением, отбираемым на последних ступенях компрессора.

Предпочтительно диафрагма 15 выполнена из материала, предпочтительно металлического материала, с учетом его свойств теплопроводности и способности к упругой деформации. Диафрагма расположена таким образом, чтобы ее можно было деформировать при перемещении поршня между первым положением, в котором на него не действует давление рабочей текучей среды, и вторым положением, в котором он выталкивается рабочей текучей средой, поступающей в камеру домкрата. В первом положении поршня диафрагма является плоской, как показано на фиг. 2. Во втором положении диафрагма изогнута, как показано на фиг. 3. Она приняла форму в виде участка цилиндра.

Теплопроводящие элементы 17 тоже предпочтительно выполнены из металлического материала, учитывая его свойства теплопроводности и способности к упругой деформации. В качестве не ограничительных примеров можно назвать алюминий или сплав на основе никеля. Предпочтительно выбирают алюминий для температур ниже 200°С и сплавы на основе никеля, такие как Inconel®, для более высоких температур.

Пластины 171, образующие элементы 17, имеют изогнутую форму вокруг края соединения пластин 171 с диафрагмой. Эту изогнутую форму получают посредством пластической деформации вокруг оси, параллельной линии соединительного края. Согласно варианту выполнения, пластина представляет собой ламинарный композит, выполненный путем наложения друг на друга двух листов. После возврата к окружающей температуре и после склеивания композитная пластина оказывается подпружиненной. Этот пример не является ограничительным. Для этих целей может подойти простая сложенная или полученная путем штамповки пластина, если она может занимать два положения.

Как показано на фиг. 2-6, диафрагма 15, накрывающая каналы 12, оснащена множеством пластин 171, закрепленных вдоль соединительных краев, перпендикулярных к направлению каналов.

В состоянии покоя, когда на диафрагму не действует рабочая среда, она является плоской, и соединительные края являются прямолинейными. При этом пластины 171 находятся в состоянии покоя и изогнуты вокруг соединительных краев 173.

Когда в камеры 133 домкратов поступает рабочая текучая среда, поршни выталкиваются в направлении противоположной перегородки, что приводит к деформации диафрагмы 15, которая принимает форму впадины. Поскольку соединительные края неподвижно соединены с диафрагмой, они следуют ее деформации. Деформация соединительных краев приводит к деформации пластин, кривизна которых следует кривизне диафрагмы. Таким образом, получают простое и надежное средство перемещения пластин, образующих теплопроводящие элементы, между активным положением, в котором они приподняты относительно диафрагмы, и неактивным положением, в котором теплопроводящая поверхность становится меньше.

Такой теплообменник можно использовать внутри вторичного проточного тракта двухконтурного турбореактивного двигателя. Холодный воздух проточного тракта является первой текучей средой. Охлаждаемая текучая среда циркулирует внутри каналов, образуя вторую текучую среду. Когда охлаждение второй текучей среды является приоритетным, диафрагма теплообменника сохраняет плоское положение, при этом теплопроводящие элементы находятся в активном положении. Когда охлаждение не является приоритетным, рабочая среда поступает в камеру домкрата, что приводит к перемещению поршня, к деформации диафрагмы и к изменению кривизны пластин; они занимают неактивное положение.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано, в частности, для охлаждения текучей среды во вторичном проточном тракте многоконтурного турбореактивного двигателя. Объектом изобретения является теплообменник (10) между первой текучей средой и второй текучей средой, содержащий диафрагму, разделяющую две текучие среды, и теплопроводящий элемент (17), входящий в тепловой контакт с диафрагмой, с одной стороны, и с первой текучей средой, с другой стороны, отличающийся тем, что упомянутый теплопроводящий элемент (17) выполнен подвижным между активным положением и неактивным положением таким образом, что способность теплообмена с первой текучей средой является более низкой в неактивном положении, чем в активном положении. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Теплообменник между первой текучей средой и второй текучей средой, содержащий диафрагму (15), разделяющую две текучие среды, и теплопроводящий элемент (17), входящий в тепловой контакт с диафрагмой (15), с одной стороны, и с первой текучей средой, с другой стороны, при этом упомянутый теплопроводящий элемент (17) выполнен подвижным между активным положением и неактивным положением таким образом, что способность теплообмена с первой текучей средой является более низкой в неактивном положении, чем в активном положении, отличающийся тем, что упомянутый элемент предварительно напряжен в активном положении, и переход из активного положения в неактивное положение происходит за счет прогиба диафрагмы.

2. Теплообменник по п. 1, в котором теплопроводящий элемент (17) выполнен в виде пластины (171), при этом пластина неподвижно соединена с диафрагмой соединительным краем (173) и в активном положении отходит от диафрагмы (15), входя в контакт с первой текучей средой своими двумя сторонами.

3. Теплообменник по п. 2, в котором в неактивном положении пластина (171) расположена одной стороной вблизи диафрагмы (15).

4. Теплообменник по одному из пп. 2 и 3, в котором в активном положении пластина (171) имеет изогнутую форму, отходя от диафрагмы (15), начиная от соединительного края (173).

5. Теплообменник по п. 4, в котором соединительный край является прямолинейным, и пластина изогнута вокруг соединительного края в активном положении.

6. Теплообменник по п. 4, в котором переход из активного положения в неактивное положение происходит за счет деформации диафрагмы вдоль края соединения пластины с диафрагмой.

7. Теплообменник по п. 6, в котором деформация диафрагмы происходит за счет приложения силы параллельно к плоскости диафрагмы.

8. Теплообменник по п. 6 или 7, в котором деформация диафрагмы происходит за счет приложения силы сжатия.

9. Теплообменник по п. 7, содержащий поршень, при помощи которого происходит приложение силы к диафрагме.

10. Газотурбинный двигатель, содержащий теплообменник по одному из предыдущих пунктов.