Малоразмерный газотурбинный двигатель с регенерацией тепла

Малоразмерный газотурбинный двигатель с регенерацией тепла содержит компрессор с входным устройством, газовоздушный рекуперативный теплообменник, камеру сгорания, турбину привода компрессора и свободную турбину привода потребителя эффективной мощности, расположенные в едином корпусе с газосборником. Теплообменник установлен после турбин, соединен входом воздуха с выходом компрессора через воздушную полость, а выходами - с входами жаровых труб камеры сгорания и соединен входами газовых каналов с выходом свободной турбины, а выходами - с газосборником двигателя. Камера сгорания выполнена трубчато-кольцевой, а теплообменник - из модулей. Жаровые трубы камеры сгорания и модули теплообменника интегрированы в единый узел. При этом модули теплообменника и жаровые трубы камеры сгорания равномерно расположены по окружности. Жаровые трубы размещены между модулями теплообменника. Выходы воздуха модулей теплообменника гидравлически соединены с входами жаровых труб камеры сгорания через кольцевой воздушный коллектор. Выходы жаровых труб подключены к турбине привода компрессора через индивидуальные газоходы. Вал свободной турбины соединен с потребителем эффективной мощности через редуктор с выводным валом. Изобретение позволяет повысить экономичность, уменьшить габаритные размеры и массу двигателя. 3 ил.

 

Изобретение может быть использовано в двигателях вертолетов и самолетов с большой продолжительностью полета, легких беспилотных летательных аппаратов, наземных транспортных средств, вспомогательных силовых установок (ВСУ) и в качестве мобильных энергетических установок.

Интерес к улучшению экономичности сохраняется на протяжении всего периода развития газотурбинных двигателей (ГТД).

Регенерация тепла выхлопных газов посредством установки в двигателе теплообменника является эффективным средством улучшения экономичности ГТД. Трудности реализации этого технического решения связаны с усложнением конструкции, увеличением габаритов и массы двигателя из-за установки теплообменника (особенно в авиационных малоразмерных газотурбинных двигателях).

Развитие ГТД в рамках традиционной схемы путем повышения параметров цикла (степени повышения полного давления компрессора $${\pi }_{к}^{*}$$ и температуры торможения газа $${Т}_{г}^{*}$$ ), применительно к малоразмерным ГТД (МГТД) приводит к уменьшению проточной части двигателя и уменьшению лопаточных венцов ротора. Вследствие этого увеличиваются относительные зазоры и растут утечки воздуха и гидравлические потери, что ведет к снижению кпд компрессора, турбин и двигателя в целом. Использование регенерации тепла выхлопных газов в таких двигателях оказывает такое же влияние на экономичность двигателя, как и повышение параметров цикла ( $${\pi }_{к}^{*}$$ и $${Т}_{г}^{*}$$ ), однако кпд узлов не уменьшаются (в отдельных случаях даже увеличиваются), а эффективный кпд двигателя также увеличивается.

Предшествующие конструкции теплообменников - большие и тяжелые, поэтому они мало подходили для использования на летательных аппаратах (ЛА). Двигатели для ЛА должны иметь минимальный наружный диаметр и вес, что улучшает их аэродинамическое качество.

Имеется ряд патентов-аналогов, в которых использованы разные схемы компоновки теплообменников в двигателе, например:

- заявка США №2011/0146226 используется применительно к ГТД с выносным теплообменником. Теплообменник является самостоятельным узлом и располагается в отдельном газовоздушном тракте. Такая схема обеспечивает хорошие теплофизические показатели и не требует большой переделки серийного ГТД. Однако компоновка применима только для наземного использования, так как значительно увеличиваются массовые и габаритные параметры двигателя;

- заявка США №2009/0282804 (Honeywell International Inc.) используется применительно к турбовальному ГТД. Традиционный для фирмы Honeywell МГТД с трубчатой камерой сгорания (КС) и обратным током газа после КС. Кольцевой теплообменник является самостоятельным узлом и опоясывает камеру сгорания и турбины. Однако система подвода и отвода теплоносителей сложна. Имеются дополнительные потери давления в подводящих и отводящих патрубках. Увеличены наружный диаметр и масса двигателя;

- патент США №7,961,510 используется применительно к вспомогательной газотурбинной установке (ВСУ). Здесь использован многоходовой трубчатый теплообменник и обеспечивается высокая степень регенерации тепла выхлопных газов. Однако теплообменник соизмерим с базовым двигателем без теплообменника. С теплообменником габаритные размеры и масса двигателя увеличиваются почти вдвое. Система подвода и отвода теплоносителей сложна.

Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение, является газотурбинный двигатель с системой рекуперации тепла (заявка США №2013/0255268 А1). Двигатель содержит компрессор с входным устройством, рекуперативный теплообменник с воздушным и газовым контурами, камеру сгорания, турбину привода компрессора и свободную турбину, расположенные в едином корпусе. Теплообменник установлен после турбин, соединен входом воздушного контура с выходом компрессора, а выходом - с входом камеры сгорания. Теплообменник соединен входом газового контура с выходом свободной турбины, а выходом - с газосборником двигателя. Данная компоновка двигателя способна обеспечить хорошую степень регенерации тепла выхлопных газов и надежную работу теплообменника. Однако при этом значительно увеличиваются габаритные размеры (наружный диаметр, длина) и масса двигателя.

В основу изобретения положено решение следующих задач:

- уменьшение габаритных размеров и массы МГТД с теплообменником;

- повышение экономичности МГТД.

Поставленные задачи решаются тем, что малоразмерный газотурбинный двигатель с регенерацией тепла содержит газотурбинный блок, включающий в себя компрессор с радиальным входным устройством, газовоздушный рекуперативный теплообменник, камеру сгорания, турбину привода компрессора и свободную турбину с валом привода потребителя эффективной мощности. Причем теплообменник установлен после свободной турбины, соединен входом воздуха с выходом компрессора через воздушную полость, а выходом - с входом камеры сгорания и соединен входом газа с выходом свободной турбины, а выходом - с газосборником.

Новым в изобретении является то, что камера сгорания выполнена трубчато-кольцевой, а теплообменник - из отдельных модулей. Жаровые трубы камеры сгорания и модули теплообменника интегрированы в единый узел. При этом модули теплообменника и жаровые трубы камеры сгорания равномерно расположены по окружности. Причем жаровые трубы камеры сгорания размещены между модулями теплообменника. Выходы воздуха модулей теплообменника гидравлически соединены с входами жаровых труб камеры сгорания через кольцевой воздушный коллектор. Выходы жаровых труб камеры сгорания гидравлически соединены с турбиной привода компрессора через индивидуальные газоходы. Кроме того, вал свободной турбины соединен с потребителем эффективной мощности через редуктор с выводным валом.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленных задач, так как:

- трубчато-кольцевая камера сгорания МГТД по сравнению с кольцевой камерой позволяет обеспечить компактное размещение модулей теплообменника и индивидуальных жаровых труб в едином узле двигателя. Это уменьшает габаритные размеры и массу МГТД;

- применение в двигателе теплообменника, который обеспечивает непрерывный подогрев сжатого воздуха из компрессора горячими газами свободной турбины, который затем подается в камеру сгорания, обеспечивая существенное повышение экономичности МГТД;

- формирование жаровых труб камеры сгорания и модулей теплообменника в интегральный узел, ограниченный на входе и выходе кольцевыми стойками и заключенный в единый корпус, где модули теплообменника и жаровые трубы равномерно расположены по окружности, причем жаровые трубы размещены между модулями теплообменника, обеспечивает дополнительный подогрев воздуха в теплообменнике (кроме подогрева воздуха горячими газами из-за свободной турбины), а кольцевые стойки включены в силовую схему двигателя, что обеспечивает хорошую механическую прочность и повышает экономичность МГТД;

- соединение выходов воздушных полостей модулей теплообменника гидравлически с входами жаровых труб камеры сгорания через кольцевой воздушный коллектор и подключение выходов жаровых труб к турбине привода компрессора через индивидуальные газоходы обеспечивает малые потери полного давления и, дополнительно, повышает экономичность МГТД.

Таким образом, реализация предложенных технических решений позволяет решить поставленные в изобретении задачи для МГТД с регенерацией тепла, а также создать модельный ряд высокоэффективных МГТД различной размерности и назначения.

Предложенный МГТД с регенерацией тепла выхлопных газов позволяет:

- повысить экономичность МГТД на 25-30% по сравнению с двигателем без теплообменника;

- обеспечить компактность конструкции МГТД и минимальное увеличение габаритных размеров по сравнению с двигателями-аналогами, имеющими теплообменники.

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием МГТД с регенерацией тепла и его работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг. 1-3, где:

на фиг. 1 изображен продольный разрез МГТД;

на фиг. 2 - поперечный разрез А-А интегрального узла камеры сгорания и теплообменника МГТД на фиг. 1;

на фиг. 3 - продольный разрез интегрального узла камеры сгорания и теплообменника в аксонометрической проекции.

Малоразмерный газотурбинный двигатель с регенерацией тепла содержит (см. фиг. 1-3) компрессор 1 с радиальным входным устройством 2, газовоздушный рекуперативный теплообменник 3, камеру сгорания 4, турбину 5 привода компрессора 1 и свободную турбину 6 с валом 7 привода потребителя эффективной мощности. Теплообменник 3 установлен после свободной турбины 6, соединен входом воздуха с выходом компрессора 1 через воздушную полость 8, а выходом - с входом камеры сгорания 4 и соединен входом газа с выходом свободной турбины 6, а выходом - с газосборником 9. Камера сгорания 4 выполнена трубчато-кольцевой, а теплообменник 3 - из отдельных модулей 10. Жаровые трубы 11 камеры сгорания 4 и модули 10 теплообменника 3 интегрированы в единый узел. При этом модули 10 теплообменника 3 и жаровые трубы 11 камеры сгорания 4 равномерно расположены по окружности. Жаровые трубы 11 камеры сгорания 3 размещены между модулями 10 теплообменника 4. Выходы воздуха модулей 10 теплообменника 3 гидравлически соединены с входами жаровых труб 11 камеры сгорания 4 через кольцевой воздушный коллектор 12. Выходы жаровых труб 11 камеры сгорания 4 гидравлически соединены с турбиной 5 привода компрессора 1 через индивидуальные газоходы 13. Кроме того, вал 7 свободной турбины 6 соединен с потребителем эффективной мощности (не показано) через редуктор 14 с выводным валом 15. Конструкция модулей 10 теплообменника 3 может быть различной, в том числе пластинчатой или трубчатой.

МГТД работает следующим образом (см. фиг. 1). Воздух из атмосферы, поступающий через входное устройство 2 в двигатель, сжимается в компрессоре 1, а затем через воздушную полость 8 направляется на входы воздуха модулей 10 теплообменника 3. Подогретый горячими газами из свободной турбины 6 в модулях 10 теплообменника 3 воздух поступает в воздушный коллектор 12. Из коллектора 12 сжатый и подогретый воздух направляется на входы жаровых труб 11 камеры сгорания 4. Отдельно в форсунки 16 каждой жаровой трубы камеры сгорания 4 подается топливо. В камере сгорания 4 осуществляется образование, воспламенение и сгорание топливовоздушной смеси (ТВС). Газ продуктов сгорания ТВС, нагретый до заданной температуры, через индивидуальные газоходы 13 из жаровых труб 11 камеры сгорания 4 направляется на турбину 5, в которой кинетическая энергия газа преобразуется в механическую работу турбины 5 привода компрессора 1. Далее газ, потерявший часть своей энергии в турбине 5, направляется на свободную турбину 6, в которой его кинетическая энергия преобразуется в механическую работу, которая через вал 7 и редуктор 14 передается на выводной вал 15 привода потребителя эффективной мощности. Расширившись почти до атмосферного давления, но все еще горячий газ продуктов сгорания из свободной турбины 6 через кольцевую газовую полость 17 направляется на входы газа модулей 10 теплообменника 3. Проходящий в газовых полостях модулей теплообменника 3 горячий газ продуктов сгорания подогревает проходящий в воздушных полостях модулей теплообменника 3 сжатый в компрессоре 1 воздух и далее собирается в газосборнике 9. Из газосборника 9 газ выбрасывается в атмосферу (не показано).

Малоразмерный газотурбинный двигатель с регенерацией тепла, содержащий газотурбинный блок, включающий в себя компрессор с радиальным входным устройством, газовоздушный рекуперативный теплообменник, камеру сгорания, турбину привода компрессора и свободную турбину с валом привода потребителя эффективной мощности, причем теплообменник установлен после свободной турбины, соединен входом воздуха с выходом компрессора через воздушную полость, а выходом - с входом камеры сгорания и соединен входом газа с выходом свободной турбины, а выходом - с газосборником, отличающийся тем, что камера сгорания выполнена трубчато-кольцевой, а теплообменник - из отдельных модулей, жаровые трубы камеры сгорания и модули теплообменника интегрированы в единый узел, при этом модули теплообменника и жаровые трубы камеры сгорания равномерно расположены по окружности, причем жаровые трубы камеры сгорания размещены между модулями теплообменника, выходы воздуха модулей теплообменника гидравлически соединены с входами жаровых труб камеры сгорания через кольцевой воздушный коллектор, а выходы жаровых труб камеры сгорания гидравлически соединены с турбиной привода компрессора через индивидуальные газоходы, кроме того, вал свободной турбины соединен с потребителем эффективной мощности через редуктор с выводным валом.