RU2241937C2

RU2241937C2 - Air-and-fuel heat exchanger

Info

Publication number: RU2241937C2
Application number: RU2003100665/06A
Authority: RU
Inventors: В.Л. Письменный (RU); В.Л. Письменный
Original assignee: Письменный Владимир Леонидович
Priority date: 2003-01-08
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2004-12-10

Abstract

FIELD: heat-exchanging equipment, particularly employing moving conduits.

SUBSTANCE: heat-exchanger is used for cooling rotor blades of axial-flow compressor by cryogenic fuel and provides cooling air circulating through air-gas path of axial-flow compressor. Heat exchange is based on principle of forming coolant (gaseous fuel) circulation zones inside compressor drum due to interaction between centrifugal and Archimedean forces. To enhance heat exchange part of coolant is passed into air-gas path of axial-flow compressor. Heat-exchanger has rotary drum with blades formed on outer drum surface. Drum defines closed chamber divided by discs into several cavities communicating one to another through central orifices. Fuel-injection centrifugal nozzle is installed on axis of drum rotation and arranged from front side thereof. Fuel-injection nozzle is directed into closed chamber. Installed on opposite side are several nozzles directed out of above chamber. Heat-supply plates are arranged inside drum chamber. Fuel-injection nozzle is formed as hollow shaft and has channels extending transversely to rotational axis thereof. Front drum side has perforations for directing portion of not more than 10% of total flow to compressor inlet.

EFFECT: increasing speed of aircraft having hydrogen engines.

4 cl, 3 dwg

Description

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.At high supersonic and hypersonic flight speeds of aircraft, there is a strong aerodynamic heating of the air at the inlet to the compressor of the jet engine, which negatively affects its characteristics. So when heating the air at the inlet to the compressor, the compression ratio of the compressor and the air flow through it are reduced, the work required to drive the compressor is increased, the strength of the compressor elements, and especially its working blades, is reduced.

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.There are various structural schemes of aviation axial compressors (G.S. Skubachevsky. Aviation gas turbine engines. Design and calculation of parts. - M.: Mechanical Engineering, 1974, pp. 61-72, Fig. 3.10-3.23). The disadvantage of these designs is that the heat sink from the rotor blades is limited by the heat capacity of the compressor and the possibility of cooling it with outside air.

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.Known methods of air cooling of the working blades of gas turbines (Yu.N. Nechaev. P.M. Fedorov. Theory of aircraft gas turbine engines. Part I., - M .: Mashinostroenie, 1977, p.206, Fig. 5.15). These methods are unacceptable for cooling the compressor blades, since cooling air is taken in the compressor itself.

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.Recuperative heat exchangers are known (Yu.N. Nechaev. Power plants of hypersonic and aerospace aircraft. - M.: KE Tsiolkovsky Academy of Cosmonautics, 1996, p. 44, Fig. 25), the use of which allows cooling the air at the inlet to the compressor. The disadvantages of these devices are their significant dimensions and weight, as well as significant resistance to air movement.

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.The essence of the invention lies in the fact that in a fuel-air heat exchanger containing a rotating drum with blades on the outer surface, forming a closed cavity divided by disks into compartments that communicate with each other through central holes, a fuel centrifugal fuel is installed on the axis of rotation of the drum from the front wall a nozzle directed inward to the closed cavity, and several nozzles directed outward from the specified cavity are installed on the opposite side.

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.In addition, heat-conducting plates can be installed inside the drum cavity. The centrifugal nozzle supplying fuel can be made in the form of a hollow shaft and has channels located perpendicular to the axis of its rotation, perforated holes can be made on the front wall of the drum, allowing to bypass part of the fuel, not more than 10% of the total flow, to the compressor inlet .

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.Figure 1 shows a diagram of a fuel-air heat exchanger, figure 2 shows the compression processes in P-V coordinates, figure 3 shows a diagram of a fuel-air heat exchanger.

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.The fuel-air heat exchanger (Fig. 1) consists of a drum 1 forming a closed cavity, a centrifugal nozzle 2 located on the axis of rotation from the front wall of the drum 1, disks 3, dividing the inner cavity of the drum into compartments (in our case: A, B , C, D) and interconnected through central holes, blades 4, nozzles 5 located on the side of the rear wall of the drum 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 ΔL. Нагретое в топливо-воздушном теплообменнике топливо отводится через форсунки (форсунку) 5.The operation of the fuel-air heat exchanger is as follows. Liquid (gaseous) fuel under pressure through a centrifugal nozzle 2 is fed into compartment A (Fig. 1), where it evaporates (expands) and is pressed against the peripheral part of the drum under the action of centrifugal forces. Due to heat exchange with the drum body, the temperature of the lower layers of gaseous fuel rises and they are squeezed to the center of rotation by the colder (heavier) upper layers, thereby ensuring gas circulation and, accordingly, intensive heat exchange between the drum body and gaseous fuel. As the compartment A is filled, the fuel flows through the central hole into the compartment B and then into the axles C and D (the direction of fuel movement is shown by arrows in Fig. 1). During its movement, gaseous fuel contacts the inner surface of the drum (disks), cooling it and, accordingly, the blades 4. Between the outer surface of the rotor and the air flow, a temperature difference is established that ensures constant heat removal to the rotor body, thereby slowing down the temperature rise air when it is compressed in the compressor. The latter reduces the required work of compressing the air in the compressor. Figure 2 in P-V coordinates shows the processes of air compression in the compressor without heat sink (dashed line) and with heat sink (solid line). It can be seen that the compression work with the heat sink is less by ΔL. The fuel heated in the fuel-air heat exchanger is discharged through nozzles (nozzle) 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.To improve the heat transfer between air and fuel (refrigerant), the contact surface inside the drum is made larger by installing heat-conducting plates 6 in the free space (Fig. 3), and the gas pressure inside the drum is kept at the maximum of the drum strength conditions.

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.To ensure a given cooling intensity of various stages of the compressor, the fuel supply nozzle is made in the form of a hollow shaft 7 (Fig. 3) with channels located perpendicular to the axis of rotation. The dimensions of the channels determine the flow rate of the refrigerant for specific compressor stages.

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).For a more complete use of the cold resource, part of the gaseous fuel, not more than 10% of the total flow rate, is passed through the perforated holes 8 (Fig. 3), made in the front wall of the drum, to the compressor inlet. The amount of bypassed fuel is selected from the condition of non-ignition of the fuel-air mixture generated in the gas-air path of the compressor (Yu.N. Nechaev. Power plants of hypersonic and aerospace aircraft. - M.: Cosmonautics Academy named after K.E. Tsiolkovsky, 1996, p. 15, table 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.Theoretical studies performed by the author show that the use of fuel-air heat exchangers for turbojet engines (patent No. 2190772, IPC F 02 C 3/32) operating on liquid hydrogen, allows to increase the flight speed of aircraft from Mach five to Mach six .

Claims

1. Fuel-air heat exchanger containing a rotating drum with blades on the outer surface, forming a closed cavity, divided by disks into compartments that communicate with each other through central holes, characterized in that a fuel centrifugal nozzle is installed on the axis of rotation of the drum from the front wall, directed inward closed cavity, and on the opposite side there are several nozzles (nozzle) directed outward from the specified cavity.

2. The fuel-air heat exchanger according to claim 1, characterized in that heat-conducting plates are installed inside the drum cavity.

3. The fuel-air heat exchanger according to claim 1, characterized in that the centrifugal nozzle supplying fuel is made in the form of a hollow shaft and has channels located perpendicular to the axis of its rotation.

4. The fuel-air heat exchanger according to claim 1, characterized in that perforated openings are made on the front wall of the drum, allowing part of the fuel to be bypassed, not more than 10% of the total flow, to the compressor inlet.