ВОЗДУШНО-ЖИДКОСТНЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2024 года по МПК F28F1/14 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано при производстве газотурбинных двигателей (ГТД), например, авиационных.

Современные турбореактивные двухконтурные двигатели (ТРДД) с раздельным истечением потоков из сопел содержат турбокомпрессор с газогенератором, внешние и внутренние контура и сопла, центральное тело и прочие компоненты. Условие работы данных типов ГТД находится в области повышенных температур, что обусловлено работой современных двигательных лопаточных машин, механических и электрических агрегатов, а также топлива на предельных режимах, из-за чего появляется необходимость устанавливать теплообменные аппараты для обеспечения передачи тепловой энергии от одной нагретой текучей среды к другой холодной.

Авиационный воздушно-жидкостный теплообменный аппарат (ВЖТА) для охлаждения жидкости, например, масла, предназначен для снижения температуры масла, используемого для смазки и охлаждения подшипников, редукторов и электромашин авиационных двигателей. Охлаждение масла необходимо для повышения его вязкости, снижения износа деталей и уменьшения риска возгорания масла при перегреве.

Существующие ВЖТА для охлаждения масла обычно имеют кожухотрубную или пластинчатую конструкцию, в которой тепло от масла передается воздуху через теплообменную поверхность. Однако такие аппараты имеют ряд недостатков, таких как:

- высокое гидравлическое сопротивление в каналах для масла и воздуха, что требует большой мощности насосов и вентиляторов;

- низкая теплопередача из-за неравномерного распределения потоков по площади теплообменной поверхности и образования отложений на стенках каналов;

- большой вес и габариты аппарата, что затрудняет его размещение на борту летательного аппарата;

- сложность обслуживания и ремонта аппарата из-за необходимости разборки его на отдельные элементы.

В связи с этим существует потребность в создании новой конструкции ВЖТА для охлаждения масла, которая бы обладала более высокой эффективностью, меньшим весом и габаритами.

Известно изобретение ВЖТА, имеющего пластинчатую конфигурацию ребер, с предпочтительным расположением в области передней части разделителя контуров ТРДД. Интегрируя масляный контур в разделитель контуров, ребра ВЖТА обеспечивают теплообмен между маслом и холодным воздушным потоком, поступающим из внешнего контура по втулочной части, который выступает в качестве хладагента для масляного контура [патент EP 2075194 B1, F01D 25/02, F02C 7/14, опубл. 2007.12.27].

Недостатком данного изобретения является то, что он ограничивает применение теплообменника только для турбореактивных двигателей с разделителем контуров воздушных потоков, что снижает универсальность теплообменника. Кроме того, размещение теплообменника в передней зоне разделителя может увеличить риск вытекания масла при повреждении корпуса разделителя.

Известно изобретение ВЖТА, имеющего масляный контур, который представляет собой трубку, которая проходит внутри разделителя воздушных потоков, расположенного в передней части турбореактивного двигателя. Пластинчатые ребра представляют собой тонкие листы металла, которые прикреплены к наружной стенке разделителя и выполнены под угол заходящего потока и имеют большую площадь поверхности и контактируют с холодным воздушным потоком, поступающим из внешнего контура двигателя. Ребра при этом отводят тепло от масла к воздуху, обеспечивая теплообмен между жидкостью и газом [патент EP 2339123 B1, F01D 9/06, F01D 25/14, опубл. 2009.12.23].

Недостатком данного изобретения является отсутствие универсальности применения. Также к недостаткам можно отнести отсутствие учета влияния на поток срыва со стенок ребер при работе двигателя на режимах отличных от номинального, из-за выбранного угла установки ребер, что может привести к повышенным распространяемым вихревым зонам перед направляющим аппаратом.

Также известно изобретение ВЖТА в составе ТРДД. Устройство включает в себя первичную и вторичную жилы, масляный резервуар и поверхностный ВЖТА, расположенные в межжильном отсеке, при этом теплообменник имеет внутреннюю и внешнюю стенки, между которыми проходит поток воздуха, а также сеть лабиринтов, соединенных со стенками и образующих коридоры для прохода потока масла. ВЖТА имеет форму трапециевидной призмы с двумя концами, один из которых соединен с резервуаром, а другой - с насосом для перекачки масла. Имеются варианты различных направлений течений текучих сред с элементами регулирования их потоков [патент FR 3046200 B1, F02C 7/14, опубл. 2015.12.23].

Недостатки изобретения заключаются в том, что оно не описывает способ регулирования температуры масла в зависимости от режима работы двигателя, что может снизить эффективность охлаждения и смазки. Сложность конструкции и установки обменника, который имеет множество элементов, таких как стенки, лопасти, проходы, датчики и регуляторы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является изобретение двухуровневого теплообменника, предназначенного для ТРДД, и включает в себя опорную стенку, которая простирается вдоль продольного направления, и первое множество ребер, которые выходят из радиально наружной поверхности опорной стенки в радиальном направлении. Теплообменник также включает в себя второе множество ребер, которые выходят из радиально внутренней поверхности опорной стенки в противоположном радиальном направлении. Первое и второе множества ребер образуют два уровня теплообмена между двумя текучими средами, которые циркулируют по разным каналам теплообменника [патент WO 2023111466 A1, F28D 9/00, F28F 3/02, опубл. 22.06.2023].

Недостатком прототипа является чрезмерное загромождение проточной части внешнего контура, что может сказаться как на надежности работы, так и на эффективности теплообмена. Помимо этого, приведенная конструкция усложняет стандартное производство, сборку и обслуживание теплообменника, а также увеличивает его вес и размеры.

Задача изобретения - разработка воздушно-жидкостного теплообменного аппарата, который при эквивалентной массе имеет лучшие аэротермические характеристики, отличающегося возможностью эффективного охлаждения текучей среды.

Технический результат - увеличение эффективности теплообмена между охлаждаемой и охладительной текучими средами.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в воздушно-жидкостном теплообменном аппарате для обмена тепла между воздухом и жидкостью, включающем совокупность параллельных ребер, расположенных друг относительно друга таким образом, чтобы образовать проход для циркуляции между ними воздуха, в отличие от прототипа, внутри каждого ребра выполнены три смежных канала с двумя параллельными перегородками в каждом канале с возможностью перемещения потока жидкости последовательно от канала к каналу со сменой направления.

Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами. На фиг. 1 показан изометрический вид устройства в разрезе. На фиг. 2 изображен вид спереди устройства. На фиг. 3 изображен меридиональный разрез устройства. На фиг. 4 изображено сложный поперечный разрез устройства с меридионального вида на фиг 3.

Воздушно-жидкостный теплообменный аппарат содержит короб 1 для протекания в нем воздуха под напором через теплообменный аппарат 2, графитовую вставку 3 для изоляции масла от проточной части и корпус 4 для подвода через него масла. Масло затекает под напором в корпус 4 через входной канал 5 и поступает через распределительную область в совокупность параллельных ребер 6 с внутренними каналами для протекания масла по каналам 7. При этом масло, проходя через каналы 7, разделенные перегородками 8, вытекает через выходной канал 9.

Работа воздушно-жидкостного теплообменного аппарата осуществляется следующим образом.

Воздух под давлением, например, из-за компрессора, подается в короб 1 и проходит через теплообменный аппарат 2, где он соприкасается с ребрами 6 и охлаждает стенки ребер, а, соответственно и масло, протекающее внутри ребер. Масло изолировано от воздуха графитовой вставкой 3, которая предотвращает проникновение масла в проточную часть и обеспечивает равномерное распределение тепла по ребрам 6. Масло циркулирует по внутренним каналам 7 с параллельными перегородками 8 внутри них, образуя проходы, которые увеличивают площадь теплообмена, а, соответственно, и коэффициент теплоотдачи и снижают гидравлическое сопротивление. Масло отдает тепло воздуху и вытекает из корпуса 4 через выходной канал 9. Таким образом, достигается эффективное охлаждение масла путем нагрева нагнетаемого воздуха.

Преимущества приведенной в настоящем изобретении конструкции воздушно-жидкостного теплообменного аппарата заключаются в том, что она обеспечивает высокий коэффициент теплоотдачи за счет интенсивного перемешивания масла в каналах путем перемещения потока последовательно от канала к каналу со сменой направления, а также за счет увеличения площади теплообмена между воздухом и ребрами. Проведенное моделирование численных газодинамических расчетов показало, что применение воздушно-жидкостного теплообменного аппарата для параметров газотурбинного двигателя позволяет снизить среднюю температуру в области выходного канала масла на ~14 К. Кроме того, приведенная конструкция имеет небольшие габариты и массу, а также низкое гидравлическое сопротивление.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет увеличить эффективность теплообмена между охлаждаемой и охладительной текучими средами.

Изобретение может быть использовано для охлаждения масла в системах жидкостного охлаждения бортовой аппаратуры различных технических устройств с высокими скоростями течения воздуха. Поэтому наиболее предпочтительно применение данного ВЖТА в составе высокотемпературных турбокомпрессорах ГТД на борту мобильных платформ или транспортных средств, таких как электробусы, электромобили, морские и воздушные суда.

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано при производстве газотурбинных двигателей (ГТД), например авиационных. Воздушно-жидкостный теплообменный аппарат для обмена тепла между воздухом и жидкостью включает совокупность параллельных ребер, расположенных друг относительно друга таким образом, чтобы образовать проход для циркуляции между ними воздуха, причем внутри каждого ребра выполнены три смежных канала с двумя параллельными перегородками в каждом канале с возможностью перемещения потока жидкости последовательно от канала к каналу со сменой направления. Технический результат - увеличение эффективности теплообмена между охлаждаемой и охладительной текучими средами. 4 ил.

Воздушно-жидкостный теплообменный аппарат для обмена тепла между воздухом и жидкостью, включающий совокупность параллельных ребер, расположенных друг относительно друга таким образом, чтобы образовать проход для циркуляции между ними воздуха, отличающийся тем, что внутри каждого ребра выполнены три смежных канала с двумя параллельными перегородками в каждом канале с возможностью перемещения потока жидкости последовательно от канала к каналу со сменой направления.