Способ струйного охлаждения поверхностей и устройство для его осуществления


 


Владельцы патента RU 2461720:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" (RU)

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при создании теплообменных устройств, систем охлаждения теплонапряженных элементов энергоустановок. Способ струйного охлаждения поверхностей заключается в создании закрученной струи, натекающей на охлаждаемую поверхность и осуществляющей теплосъем, при этом в центральную часть закрученной струи подается незакрученная осесимметричная струя, формируя тем самым комбинированную струю, периферийная часть которой представляет собой закрученный кольцевой поток, в приосевой части которого движется незакрученная осесимметричная струя. Устройство для осуществления способа содержит закручивающее устройство в виде осесимметричного полого тела, в приосевой части которого размещено центральное осесимметричное сопло, при этом внутренняя поверхность осесимметричного полого тела образует с наружной поверхностью центрального осесимметричного сопла периферийное кольцевое сопло, а закрутка потока осуществляется при помощи выполненных в закручивающем устройстве нескольких тангенциальных подводов. Технический результат - интенсификация теплообмена, снижение неравномерности охлаждения и увеличение среднего и локального коэффициента теплоотдачи. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при создании теплообменных устройств, систем охлаждения теплонапряженных элементов энергоустановок.

Известны способы струйного охлаждения поверхностей [Зысина-Моложен Л.М. Теплообмен в турбомашинах. С.267, рис.114], [патент США 0074325 А1, МПК F28C 7/02], [патент США 5391052, МПК F01D 25/12], [патент США 005467815, МПК F28F 13/12] и устройства для их осуществления [Зысина-Моложен Л.М. Теплообмен в турбомашинах. С.267, рис.114], [патент США 005467815, МПК F28F 13/12], принцип действия которых основан на том, что поток охлаждающей среды направляется на поверхность перпендикулярно или под некоторым углом через щель, отверстие или сопло, расположенные на некотором удалении от охлаждаемой стенки. В зоне удара (вблизи критической точки) и последующего разворота струи, вследствие повышенных градиентов скорости, уменьшается толщина пограничного слоя, что приводит к существенной интенсификации теплообмена. В самой критической точке скорость струйного потока равна нулю, давление и коэффициенты теплоотдачи имеют максимальные значения. По мере удаления от критической точки давление уменьшается, а скорость вначале увеличивается (в пределах зоны разворота), достигает максимума, а затем уменьшается по закону, характерному для пристеночной струи, что в свою очередь приводит к экспоненциальному уменьшению интенсивности теплообмена.

Основными недостатками описанных способов и устройств струйного охлаждения являются значительная неравномерность охлаждения поверхности, малая область воздействия охлаждающей струи, низкие значения среднего по поверхности коэффициента теплоотдачи.

Наиболее близким к изобретению является способ струйного охлаждения, заключающийся в натекании на охлаждаемую поверхность закрученной струи [Kinsella С. Heat transfer enhancement from a horizontal surface by impinging swirl jets. 5th European thermal-sciences conference, 2008]. Использование закрученной струи позволяет снизить неравномерность охлаждения и повысить среднее значение коэффициента теплоотдачи за счет увеличения угла раскрытия струи под действием центробежных сил, действующих на закрученный поток, и расширения области воздействия закрученной струи на поверхность.

Прототипом устройства для осуществления способа является устройство, генерирующее закрученную струю и состоящее из закручивающего устройства, выполненного в виде многоканального лопаточного завихрителя, установленного на выходе из струйного сопла [Kinsella С. Heat transfer enhancement from a horizontal surface by impinging swirl jets. 5th European thermal-sciences conference, 2008].

Недостатком данного способа струйного охлаждения и устройства для его реализации являются низкие локальные коэффициенты теплоотдачи в центре области соударения струи с поверхностью (вблизи критической точки), вследствие низких скоростей в рециркуляционной зоне, формирующейся под действием радиального градиента давления в центральной части закрученной струи, создаваемой закручивающим устройством.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение скорости в приосевой зоне закрученной струи, разрушение рециркуляционной зоны и, как следствие, интенсификация теплообмена в центре области соударения закрученной струи с поверхностью, снижение неравномерности охлаждения, увеличение среднего и локального коэффициента теплоотдачи, расширения области воздействия закрученной струи на поверхность.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе струйного охлаждения поверхностей создается закрученная струя, натекающая на охлаждаемую поверхность, в центральную часть которой подается незакрученная осесимметричная струя, формируя тем самым комбинированную струю, периферийная часть которой представляет собой закрученный кольцевой поток, в приосевой части которого движется незакрученная осесимметричная струя. Наличие незакрученного потока способствует увеличению осевой скорости в центральной части струи, разрушению зоны обратных токов. В результате взаимодействия двух струй - незакрученной осесимметричной и закрученной периферийной, происходит дополнительная турбулизация потока, что позволяет повысить равномерность профиля осевой скорости струи перед поверхностью, на которую осуществляется натекание, и интенсифицировать среднюю и локальную теплоотдачу.

Закручивающее устройства выполнено в виде осесимметричного полого тела, в приосевой части которого размещено центральное осесимметричное сопло. Внутренняя поверхность закручивающего устройства, выполненного в виде осесимметричного полого тела, образует с наружной поверхностью центрального осесимметричного сопла периферийное кольцевое сопло, а закрутка потока осуществляется при помощи выполненных в закручивающем устройстве нескольких тангенциальных подводов.

Сущность предлагаемого способа и устройства для его реализации поясняется на чертеже.

На чертеже изображена комбинированная струя, состоящая из закрученного кольцевого потока 1 и незакрученной осесимметричной струи 2, натекающая на охлаждаемую поверхность 3.

Способ охлаждения осуществляется следующим образом. На охлаждаемую поверхность 3 направляется закрученная струя, в центральную часть которой подается незакрученная осесимметричная струя 2, тем самым формируется комбинированная струя, периферийная часть которой представляет собой закрученный кольцевой поток 1, в приосевой части которого движется незакрученная осесимметричная струя 2. Истекая в пространство перед охлаждаемой стенкой, закрученный кольцевой поток 1 и незакрученная осесимметричная струя 2 взаимодействуют между собой, при этом происходит расширение комбинированной струи, увеличение скорости в центральной части струи и выравнивание эпюры осевой скорости. Струя, натекая на охлаждаемую поверхность 3, осуществляет теплосъем, при этом она разворачивается и продолжает движение в виде радиального пристеночного потока.

Устройство представляет собой комбинированный насадок и содержит закручивающее устройство 4 и размещенное в приосевой его части центральное осесимметричное сопло 5. Закручивающее устройство выполнено в виде осесимметричного полого тела. Периферийное кольцевое сопло образовано наружной поверхностью центрального осесимметричного сопла 5 и внутренней поверхностью закручивающего устройства 4, имеющего несколько тангенциальных подводов.

Принцип работы устройства, реализующего предлагаемый способ струйного охлаждения поверхностей, заключается в следующем. Комбинированная струя создается насадком, имеющим центральное осесимметричное и периферийное кольцевое сопла. Часть охлаждающего потока подается на вход в центральное осесимметричное сопло, из которого истекает в виде незакрученной осевой струи 2. Остальная часть охлаждающего потока поступает в периферийное кольцевое сопло, образованное наружной поверхностью центрального осесимметричного сопла 5 и внутренней поверхностью закручивающего устройства 4, через несколько тангенциальных подводов закручивающего устройства, тем самым приобретает закрутку, истекая в виде закрученного кольцевого потока 1.

1. Способ струйного охлаждения поверхностей, заключающийся в создании закрученной струи, натекающей на охлаждаемую поверхность и осуществляющую теплосъем, отличающийся тем, что в центральную часть закрученной струи подается незакрученная осесимметричная струя, формируя тем самым комбинированную струю, периферийная часть которой представляет собой закрученный кольцевой поток, в приосевой части которого движется незакрученная осесимметричная струя.

2. Устройство для струйного охлаждения поверхностей, содержащее закручивающее устройство, отличающееся тем, что закручивающее устройство выполнено в виде осесимметричного полого тела, в приосевой части которого размещено центральное осесимметричное сопло.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что закручивающее устройство выполнено в виде осесимметричного полого тела, внутренняя поверхность которого образует с наружной поверхностью центрального осесимметричного сопла периферийное кольцевое сопло, а закрутка потока осуществляется при помощи выполненных в закручивающем устройстве нескольких тангенциальных подводов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к газотурбинным двигателям авиационного и наземного применения. .

Изобретение относится к двигателестроению. .

Изобретение относится к системам охлаждения цилиндров низкого давления (ЦНД) паровых турбин. .

Изобретение относится к газовым силовым турбинам газотурбинных двигателей установок наземного применения. .

Изобретение относится к области энергетики, к турбиностроению и может быть использовано при проектировании и модернизации паровых турбин, имеющих двухкорпусный цилиндр с наружным и внутренним корпусом и подвод пара на охлаждение ротора, например, для турбины К-160-130 ХТГЗ.

Изобретение относится к охлаждаемым турбинам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения. .

Кольцевой неподвижный элемент для использования с паровой турбиной (100). Неподвижный элемент содержит радиально наружное первое кольцо (228), радиально внутреннее второе кольцо (226) и, по меньшей мере, одну аэродинамическую поверхность (212). Первое кольцо (228) содержит первую полость (262), образованную в нем, и множество каналов (264) первого кольца, соединенных с первой полостью (262) и продолжающихся радиально от первой полости (262). Второе кольцо (226) содержит вторую полость (242) и, по меньшей мере, одно выпускное отверстие (244), образованные в нем. Вторая полость (242) связана по потоку с выпускным отверстием (244). Второе кольцо (226) расположено радиально внутри первого кольца (228). По меньшей мере, одна аэродинамическая поверхность (212) продолжается между первым кольцом (228) и вторым кольцом (226). Аэродинамическая поверхность содержит проходное отверстие (280), продолжающееся сквозь нее. Проходное отверстие (280) аэродинамической поверхности соединено с, по меньшей мере, одним каналом (264) первого кольца и второй полостью (242). Диаметр (D0) канала (264) первого кольца больше диаметра (DA) проходного отверстия (280). Облегчается охлаждение вращающегося элемента в паровой турбине без изменения внешних геометрий элемента, материалов элемента, и/или температуры, и/или давления пара для обеспечения надежной долгосрочной эксплуатации ротора паровой турбины с лопатками. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению. Турбоагрегат содержит корпус с установленным внутри него на подшипниках валом. На валу закреплено, по крайней мере, одно расширительное рабочее колесо. Подшипники выполнены несмазываемыми из полимерных композиционных материалов. В расширительном рабочем колесе и в валу выполнены каналы. Выполненные каналы сообщают проточную часть расширительного рабочего колеса с зазорами, образованными валом и подшипниками. Изобретение направлено на упрощение конструкции и снижение массогабаритных характеристик турбоагрегата. 1 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях (ТЭС) с конденсационными паровыми турбинами, в том числе имеющими отбор на теплофикацию. Предложена часть низкого давления паровой турбины, включающая входной трубопровод с регулирующим органом и группы ступеней низкого давления с промежуточными камерами, расположенные в отдельных цилиндрах и соединенные выхлопными патрубками с конденсатором. Промежуточные камеры перед последними ступенями одного цилиндра соединены с выхлопным патрубком соседнего цилиндра посредством трубопровода с клапаном. Заявляемое техническое решение позволяет повысить надежность и экономичность паровой турбины при малых расходах пара в цилиндре низкого давления за счет снижения вентиляционного нагрева его проточной части и устранения негативных последствий этого нагрева. 1 ил.

Осевая газовая турбина содержит ротор с чередующимися рядами воздухоохлаждаемых рабочих лопаток и воздухоохлаждаемых теплозащитных экранов ротора и статор с чередующимися рядами воздухоохлаждаемых направляющих лопаток и воздухоохлаждаемых теплозащитных экранов статора, установленных в держателе направляющих лопаток. Статор коаксиально охватывает ротор снаружи с образованием между ними тракта течения горячих газов так, что ряды рабочих лопаток и теплозащитных экранов статора и ряды направляющих лопаток и теплозащитных экранов ротора расположены относительно друг определенным образом соответственно. Ряды направляющих лопаток и следующий ряд рабочих лопаток в направлении вниз по ходу течения потока образуют ступень турбины. Ступень турбины обеспечена средствами для повторного использования охлаждающего воздуха, который уже был использован для охлаждения, в частности, профильных частей направляющих лопаток ступени турбины, с целью охлаждения теплозащитных экранов статора указанной ступени турбины, находящихся ниже по потоку от указанных направляющих лопаток. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения и снижение потребления охлаждающего воздуха. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Осевая газовая турбина содержит ротор с чередующимися рядами воздухоохлаждаемых рабочих лопаток и теплозащитных экранов ротора, и статор с чередующимися рядами воздухоохлаждаемых направляющих лопаток и теплозащитных экранов статора, установленных в держателе направляющих лопаток. Статор коаксиально охватывает ротор снаружи с образованием между ними тракта течения горячих газов так, что ряды рабочих лопаток и теплозащитных экранов статора и ряды направляющих лопаток и теплозащитных экранов ротора расположены напротив друг друга соответственно. Ряд направляющих лопаток и следующий ряд рабочих лопаток в направлении вниз по ходу течения потока образуют ступень турбины. Рабочие лопатки ступени турбины выполнены с внешними платформами на их концах. Ступень турбины содержит средства, направляющие охлаждающий воздух, который уже был использован для охлаждения профильной части направляющих лопаток ступени турбины, в первую полость, находящуюся между внешними платформами рабочих лопаток и расположенными напротив теплозащитными экранами статора, для защиты теплозащитных экранов статора от горячих газов и для охлаждения внешних платформ рабочих лопаток. Каждая из направляющих лопаток содержит внешнюю платформу. Средства для направления охлаждающего воздуха включают в себя вторую полость для поступления охлаждающего воздуха, который выходит из профильной части направляющей лопатки. Кроме того, средства направления охлаждающего воздуха включают в себя средства подачи поступившего охлаждающего воздуха в радиальном направлении в указанную первую полость. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения и на снижение расхода охлаждающего воздуха. 6 з.п.ф-лы, 6 ил.

Выпускной патрубок (110) паровой турбины (10) содержит нижний выпускной патрубок (105), направляющую (24) для пара, отверстие (26) конденсатора, пластину (200) выпускного патрубка и внутренний канал (215). Нижний выпускной патрубок (105) присоединен к паровой турбине (10). Направляющая (24) для пара расположена в нижнем выпускном патрубке (105) и предназначена для направления потока (35) отработанного пара от лопаток (14) последней ступени корпуса паровой турбины (10). Отверстие (26) конденсатора расположено под нижним выпускным патрубком (105) и предназначено для приема потока (35) отработанного пара из указанного патрубка (105). Пластина (200) выпускного патрубка установлена в нижнем выпускном патрубке (105) и предназначена для направления потока (35) отработанного пара от осевого направления к радиальному направлению к отверстию (26) конденсатора. Внутренний канал (215) расположен в пластине (200) выпускного патрубка и предназначен для направления потока теплоносителя внутри нее, а также для охлаждения и конденсации потока (35) отработанного пара вблизи пластины (200). Повышаются характеристики турбины за счёт того, что конденсация в области с низкими скоростями около пластины (200) выпускного патрубка обеспечивает уменьшение пограничного слоя и улучшение потока, проходящего через указанный патрубок. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх