Топливовоздушный теплообменник

 

Топливо-воздушный теплообменник предназначен для охлаждения криогенным топливом рабочих лопаток осевого компрессора, а также воздуха, проходящего через газовоздушный тракт указанного компрессора. В основе организации процессов теплообмена положен принцип организации зон циркуляции хладагента (газообразного топлива) внутри барабана компрессора за счет взаимодействия центробежных и архимедовых сил. Для улучшения теплообмена используется частичный перепуск хладагента в газовоздушный тракт осевого компрессора. Топливо-воздушный теплообменник содержит вращающийся барабан с лопатками на внешней поверхности, образующий замкнутую полость, разделенную дисками на отсеки, которые сообщаются между собой через центральные отверстия. На оси вращения барабана со стороны передней стенки установлена топливная центробежная форсунка, направленная внутрь замкнутой полости, а с противоположной стороны установлено несколько форсунок, направленных наружу из указанной полости. Внутри полости барабана установлены теплопроводящие пластины. Центробежная форсунка, подводящая топливо, выполнена в форме полого вала и имеет каналы, расположенные перпендикулярно оси ее вращения. На передней стенке барабана выполнены перфорированные отверстия, позволяющие перепускать часть топлива, не более 10% от общего расхода, на вход в компрессор. Такое выполнение теплообменников для турбоэжекторных двигателей, работающих на жидком водороде, позволяет повысить скорость полета летательных аппаратов. 3 з.п.ф-лы,3 ил.

При больших сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях полета летательных аппаратов происходит сильный аэродинамический нагрев воздуха на входе в компрессор воздушно-реактивного двигателя, что отрицательно сказывается на его характеристиках. Так при нагреве воздуха на входе в компрессор снижаются степень сжатия компрессора и расход воздуха через него, увеличивается работа, потребная для привода компрессора, уменьшается прочность элементов компрессора и прежде всего его рабочих лопаток.

Известны различные конструктивные схемы авиационных осевых компрессоров (Г.С.Скубачевский. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. - М.: Машиностроение, 1974, с.61-72, рис.3.10-3.23). Недостатком указанных конструкций является то, что теплоотвод от рабочих лопаток ограничен теплоемкостью компрессора и возможностью его охлаждения наружным воздухом.

Известны способы воздушного охлаждения рабочих лопаток газовых турбин (Ю.Н.Нечаев. P.M.Федоров. Теория авиационных газотурбинных двигателей. Ч.I, - М.: Машиностроение, 1977, с.206, рис.5.15). Указанные способы неприемлемы для охлаждения рабочих лопаток компрессора, так как воздух для охлаждения берется в самом компрессоре.

Известны рекуперативные теплообменники (Ю.Н.Нечаев. Силовые установки гиперзвуковых и воздушно-космических летательных аппаратов. - М.: Академия космонавтики им. К.Э.Циолковского, 1996, с.44, рис.25), использование которых позволяет охлаждать воздух на входе в компрессор. Недостатками указанных устройств являются их значительные габариты и вес, а также значительное сопротивление, оказываемое движению воздуха.

Суть изобретения состоит в том, что в топливо-воздушном теплообменнике, содержащем вращающийся барабан с лопатками на внешней поверхности, образующий замкнутую полость, разделенную дисками на отсеки, которые сообщаются между собой через центральные отверстия, на оси вращения барабана со стороны передней стенки установлена топливная центробежная форсунка, направленная внутрь замкнутой полости, а с противоположной стороны установлено несколько форсунок, направленных наружу из указанной полости.

Кроме того, внутри полости барабана могут быть установлены теплопроводящие пластины. Центробежная форсунка, подводящая топливо, может быть выполнена в форме полого вала и имеет каналы, расположенные перпендикулярно оси ее вращения, на передней стенке барабана могут быть выполнены перфорированные отверстия, позволяющие перепускать часть топлива, не более 10% от общего расхода, на вход в компрессор.

На фиг.1 изображена схема топливо-воздушного теплообменника, на фиг.2 изображены процессы сжатия в P-V координатах, на фиг.3 изображена схема топливо-воздушного теплообменника.

Топливо-воздушный теплообменник (фиг.1) состоит из барабана 1, образующего замкнутую полость, центробежной форсунки 2, расположенной на оси вращения со стороны передней стенки барабана 1, дисков 3, разделяющих внутреннюю полость барабана на отсеки (в нашем случае: А, В, С, D) и соединенных между собой через центральные отверстия, лопаток 4, форсунок 5, расположенных со стороны задней стенки барабана 1.

Работа топливо-воздушного теплообменника осуществляется следующим образом. Жидкое (газообразное) топливо под давлением через центробежную форсунку 2 подается в отсек А (фиг.1), где испаряется (расширяется) и под действием центробежных сил прижимается к периферийной части барабана. За счет теплообмена с корпусом барабана температура нижних слоев газообразного топлива повышается и они выдавливаются к центру вращения более холодными (тяжелыми) верхними слоями, обеспечивая тем самым циркуляцию газа и, соответственно, интенсивный теплообмен между корпусом барабана и газообразным топливом. По мере заполнения отсека А топливо через центральное отверстие перетекает в отсек В и далее в осеки С и D (направление движения топлива показано стрелками на фиг.1). При своем движении газообразное топливо контактирует с внутренней поверхностью барабана (дисками), охлаждая ее и, соответственно, лопатки 4. Между наружной поверхностью ротора и воздушным потоком устанавливается разница температур, которая обеспечивает постоянный отвод тепла в корпус ротора, замедляя, тем самым, рост температуры воздуха при его сжатии в компрессоре. Последнее уменьшает потребную работу сжатия воздуха в компрессоре. На фиг.2 в P-V координатах показаны процессы сжатия воздуха в компрессоре без теплоотвода (пунктирная линия) и с теплоотводом (сплошная линия). Видно, что работа сжатия с теплоотводом меньше на величину L. Нагретое в топливо-воздушном теплообменнике топливо отводится через форсунки (форсунку) 5.

Для улучшения теплообмена между воздухом и топливом (хладагентом) контактная поверхность внутри барабана делается увеличенной за счет установки в свободное пространство теплопроводяших пластин 6 (фиг.3), а давление газа внутри барабана поддерживается максимальным из условий прочности барабана.

Для обеспечения заданной интенсивности охлаждения различных ступеней компрессора форсунка, подающая топливо, выполняется в форме полого вала 7 (фиг.3) с каналами, расположенными перпендикулярно оси вращения. Размеры каналов определяют расход хладагента для конкретных ступеней компрессора.

Для более полного использования хладоресурса часть газообразного топлива, не более 10% от общего расхода, перепускается через перфорированные отверстия 8 (фиг.3), выполненные в передней стенке барабана, на вход в компрессор. Количество перепускаемого топлива выбирается из условия невоспламенения топливо-воздушной смеси, образующейся в газовоздушном тракте компрессора (Ю.Н.Нечаев. Силовые установки гиперзвуковых и воздушно-космических летательных аппаратов. - М.: Академия космонавтики им. К.Э.Циолковского, 1996, с.15, табл.1).

Теоретические исследования, выполненные автором, показывают, что применение топливо-воздушных теплообменников для турбоэжекторных двигателей (патент №2190772, МПК F 02 С 3/32), работающих на жидком водороде, позволяет повысить скорость полета летательных аппаратов с чисел Маха пять до чисел Маха шесть.

Формула изобретения

1. Топливовоздушный теплообменник, содержащий вращающийся барабан с лопатками на внешней поверхности, образующий замкнутую полость, разделенную дисками на отсеки, которые сообщаются между собой через центральные отверстия, отличающийся тем, что на оси вращения барабана со стороны передней стенки установлена топливная центробежная форсунка, направленная внутрь замкнутой полости, а с противоположной стороны установлено несколько форсунок (форсунка), направленных наружу из указанной полости.

2. Топливовоздушный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что внутри полости барабана установлены теплопроводящие пластины.

3. Топливовоздушный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что центробежная форсунка, подводящая топливо, выполнена в форме полого вала и имеет каналы, расположенные перпендикулярно оси ее вращения.

4. Топливовоздушный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что на передней стенке барабана выполнены перфорированные отверстия, позволяющие перепускать часть топлива, не более 10% от общего расхода, на вход в компрессор.

РИСУНКИ



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к теплообменным аппаратам, в которых теплоносители не смешиваются друг с другом, и может быть использовано, например, в системах вентиляции и кондиционирования воздуха для теплообмена между заборным и вытяжным воздушными потоками

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к теплообменным аппаратам, преимущественно для нагрева вязких жидкостей, например жидкого топлива типа мазута, перед сжиганием его в котлах

Изобретение относится к области теплопередачи в воздухоподогревателях ГТУ, а также может быть использовано в других областях техники, где применяются воздушно-воздушные теплообменники или теплообменники с газообразными теплоносителями других типов, но имеющие идентичные или близкие по своим значениям теплофизические свойства

Изобретение относится к теплообменнику, в особенности для космических летательных аппаратов, в виде капельного радиатора с генератором капелек, коллектором капелек, а также устройством возврата для охлаждающей жидкости

Изобретение относится к технике кондиционирования воздуха и предназначено для энергосбережения вторичных энергоресурсов

Изобретение относится к теплообменным аппаратам и может быть использовано для регенерации тепла вентиляционного воздуха (для передачи тепла, уносимого воздухом, который удаляется из помещения, воздуху, который подается в помещение)

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в энергетике, теплотехнике, химических технологиях и прочих областях производственной деятельности и в быту

Изобретение относится к вентиляции и кондиционированию воздуха и может быть использовано в устройствах обработки воздуха, устанавливаемых в зданиях и сооружениях различного назначения, в частности в жилых и общественных зданиях, в животноводческих помещениях, для осушения газа, в том числе воздуха, с одновременной его очисткой, а также для очистки других газов и теплообмена

Изобретение относится к вентиляции и кондиционированию воздуха и может быть использовано в устройствах обработки воздуха, устанавливаемых в зданиях и сооружениях различного назначения, в частности в жилых и общественных зданиях, в животноводческих помещениях для осушения газа, в том числе воздуха с одновременной его очисткой от водорастворимых газов, а также для очистки других газов и теплообмена, в том числе для теплообмена с газом при низком давлении

Изобретение относится к вращающимся холодильникам, предназначенным для охлаждения прокаленного кокса, и может быть использовано в нефтеперерабатывающей, коксохимической и электродной отраслях промышленности

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано, в частности, в качестве двигателя летательного аппарата (Л.А.)

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в энергоустановках

Изобретение относится к теплообменному устройству для сушки, нагревания или охлаждения порошкового и гранулярного материалов и к способу производства теплообменного устройства. Теплообменное устройство для порошкового и гранулярного материала в соответствии с настоящим изобретением сконфигурировано так, что по меньшей мере один из множества теплообменников, который должен быть расположен на вале, сформирован как прочный полый дискообразный теплообменник, в котором вырезанное углубление направлено от окружной границы теплообменника к его центру; пластинчатые поверхности, простирающиеся от одной боковой кромки вырезанного углубления к другой боковой кромке следующего вырезанного углубления, сформированы в клинообразную пластинчатую поверхность; выступ, который плавно выступает в горизонтальном направлении, если смотреть сбоку, сформирован в центральной части теплообменника; и отверстие сформировано в вершине выступа, и теплообменник расположен на валу посредством вставки вала в отверстие. Технический результат - повышение эффективности работы устройства и упрощение сборки. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 13 ил.

Устройство содержит индукционный нагреватель, магнитопроводный экран, теплоизоляционный кожух, индукционную обмотку, охватывающую цилиндрическую емкость, выпрямитель переменного тока и инвертор, соединенный с индукционной обмоткой и блоком управления инвертором, датчики температуры входного и выходного потока, соединенные с блоком сравнения температур, который подключен к блоку управления инвертором и блоку управления насосом, соединенному с насосом. Оно снабжено перепускной трубой, один конец которой расположен в сечении входного нагнетательного патрубка, на входе которого механически закреплен насос, а другой конец - в сечении выходного всасывающего патрубка с автоматическим запорно-регулирующим органом, соединенным с блоком управления запорно-регулирующим органом, соединенным с блоком сравнения температура. При этом индукционный нагреватель расположен горизонтально, цилиндрическая емкость выполнена из немагнитного материала с установленной по направлению движения жидкости вертикальной стенкой, а цилиндрический элемент выполнен в виде теплообменной трубы из ферромагнитного материала, которая расположена внутри цилиндрической емкости с зазором и снабжена горизонтальными теплообменными стержнями, установленными внутри трубы в шахматном порядке, теплообменными полусферами, расположенными на ее внешней поверхности в шахматном порядке, и термодатчиком, установленным на внешней поверхности теплообменной трубы и соединенным с блоком сравнения температур. Технический результат - упрощение конструкции нагревателя и повышение надежности и автоматизации работы устройства. 4 ил.
Наверх