Устройство для охлаждения электрического оборудования газотурбинного двигателя и газотурбинный двигатель
Устройство для охлаждения электрического оборудования в газотурбинном двигателе содержит, по меньшей мере, одну вихревую трубку, имеющую вход, связанный со средствами питания сжатым воздухом, и выход холодного воздуха, соединенный со средствами охлаждения электрического оборудования. Вихревая трубка питается воздухом, через теплообменник, содержащий вторую цепь, питаемую хладагентом с выхода средств охлаждения электрического оборудования или горячим воздухом, выходящим из вихревой трубки. Изобретение направлено на упрощение устройства для охлаждения электрического оборудования, и на повышение его экономичности и эффективности. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение касается устройства для охлаждения электрического или электронного оборудования газотурбинного двигателя.
Газотурбинные двигатели содержат определенное количество оборудования, электрического или электронного, такого как блоки управления работой различной геометрии, которые при работе выделяют большое количество тепла, подлежащего отводу для поддержания приемлемой температуры для электрического оборудования, а также некоторых элементов газотурбинного двигателя, размещенных вблизи этого оборудования.
Известные устройства охлаждения содержат, в основном, средства циркуляции охлаждающей жидкости, такой как масло, углеводороды или воздух, имеют большой объем и являются сложными в эксплуатации.
Задачей изобретения является отличающееся простотой, эффективностью и экономичностью усовершенствование известных технических решений.
Задача решается устройством для охлаждения электрического оборудования в газотурбинном двигателе, содержащим, по меньшей мере, одну вихревую трубку, вход которой соединен со средствами питания сжатым воздухом, а ее выход холодного воздуха соединен со средствами охлаждения электрического оборудования, отличающимся тем, что вихревая трубка питается сжатым воздухом через теплообменник, вторичная цепь которого питается хладагентом с выхода средств охлаждения электрического оборудования или выхода горячего воздуха вихревой трубки.
Известным образом вихревая трубка, называемая также трубкой Ранка, позволяет создать благодаря вихревому эффекту поток холодного воздуха и поток горячего воздуха в зависимости от потока сжатого воздуха при промежуточной температуре. Входной воздух тангенциально впрыскивается в камеру, связанную с трубой, для создания высокоскоростного турбулентного движения, которое направляется к концу трубы, снабженному выходным коническим клапаном. Часть этого воздуха выходит из трубы через этот клапан, а другая часть воздуха отражается от клапана и направляется назад в трубу, турбулизируя встречный поток, снижая его температуру и выходя из противоположного конца трубы.
Устройство охлаждения по изобретению содержит одну или несколько вихревых трубок, которые питаются сжатым воздухом, отбираемым соответствующими средствами с компрессора двигателя, либо с кольцевого трубопровода потока свежего воздуха или вторичного потока газа, такого как трубопровод вентилятора газотурбинного двигателя. Выход холодного воздуха каждой вихревой трубы связан с теплообменником, совмещенным с холодильной машиной или с системой впрыска воздуха в охлаждаемое электрическое оборудование.
Вихревые трубки просты в изготовлении и монтаже и позволяют производить холодный воздух подручными средствами. Они питаются воздухом при давлении в несколько бар (обычно от 5 до 10 бар) и генерируют холодный воздух с температурой, которая может быть примерно на 50°С ниже температуры входного воздуха. Впрочем, вихревые трубки дешевы, надежны и имеют относительно большую продолжительность работы без необходимости специального обслуживания, так как они не содержат движущихся деталей.
Устройство охлаждения может содержать теплообменник, первичная цепь которого соединена с входом, связанным с выходом средств отбора воздуха, и с выходом, связанным с входом вихревой трубы, и, по меньшей мере, вторичная цепь питается хладагентом.
По меньшей мере, часть воздуха, служащая для охлаждения электрического оборудования, может быть направлена во вторичную цепь теплообменника для улучшения охлаждения воздуха, отобранного от газотурбинного двигателя. Кроме того, воздух, выходящий из теплого конца вихревой трубы, может быть направлен во вторичную цепь этого теплообменника для облегчения охлаждения отобранного воздуха, когда его температура ниже температуры воздуха, отобранного от газотурбинного двигателя. Теплообменник содержит также две вторичных цепи охлаждающего воздуха, одна из них выходит из системы охлаждения электрического оборудования, а вторая из вывода горячего воздуха вихревой трубки.
Вихревая трубка может быть выполнена с двойным каналом и содержать второй вход, связанный со средствами питания сжатым воздухом, такое устройство позволяет удвоить производительность.
Можно также использовать несколько вихревых трубок, включенных последовательно или параллельно, для охлаждения электрического или электронного оборудования.
Изобретение касается также газотурбинного двигателя, отличающегося тем, что он содержит устройство охлаждения электрического и электронного оборудования, как было показано выше.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, приводимым со ссылками на сопровождающие чертежи, в числе которых:
Фиг.1 схематично изображает устройство по изобретению для охлаждения электрического оборудования газотурбинного двигателя,
Фиг.2 схематично изображает в аксиальном разрезе вихревую трубку системы охлаждения по изобретению;
Фиг.3 изображает вид в разрезе по линии III-III фиг.2.
Фиг.1 представляет схему устройства по изобретению для охлаждения электрического или электронного оборудования 12 в газотурбинном двигателе 10, содержащего вихревую трубку или трубку Ранка 14, питаемую сжатым воздухом, который поступает на элемент 16 газотурбинного двигателя, причем элемент 16 может быть выполнен в виде трубопровода вентилятора, компрессора высокого или низкого давления, либо осевым компрессором малых размеров, приводимым аксессуарами газотурбинного двигателя.
Вихревая трубка 14 содержит вход 18, который открывается в камеру 20, образованную между концами трубы, которая имеет выход 22 горячего воздуха на одном из концов, а на другом конце выход 24 холодного воздуха. Хорошо известное функционирование вихревой трубки будет детально описано со ссылками на фиг.2 и 3.
В представленном примере устройство охлаждения дополнительно содержит одноступенчатый или многоступенчатый теплообменник 30, содержащий первичную цепь, вход которой 32 связан со средствами поступления воздуха в элемент 16 газотурбинного двигателя и выход которого 36 связан трубопроводом 38 со входом 18 вихревой трубы 14.
Отобранный воздух охлаждается в теплообменнике 30 путем естественной конвекции (а также радиации) и/или теплообменом с хладагентом, проходящим во вторичной цепи 31 теплообменника 30.
Теплообменник 30 может также содержать другую вторичную цепь хладагента, вход которой 40 в данном случае связан трубопроводом 42 с выходом теплообменника 50, служащего для охлаждения электрического оборудования; воздух из выхода 44 вторичной цепи теплообменника 30 может быть использован для охлаждения элементов газотурбинного двигателя.
Более того, выход 22 горячего воздуха вихревой трубки может быть связан трубопроводом 36 с другим входом 34 другой вторичной цепи теплообменника 30.
Выход холодного воздуха вихревой трубки 24 соединен либо с теплообменником 50, либо с системой впрыска воздуха, совмещенной с электрическим оборудованием 12, этот электрический элемент может, например, являться электронным блоком управления изменяемой геометрии газотурбинного двигателя.
Устройство может содержать также средства фильтрации сжатого воздуха, которые могут быть установлены на трубопроводах 32 или 38 для уменьшения износа вихревых трубок, и, соответственно, увеличения продолжительности их работы.
Устройство для охлаждения по изобретению работает следующим образом: сжатый воздух поступает на элемент 16 и проходит далее в первичную цепь теплообменника 30 для охлаждения путем обмена с хладагентом, циркулирующим во вторичной цепи 31, а также с воздухом, циркулирующим во вторичной цепи 40-44 теплообменника 30 и с воздухом, выходящим из отверстия 22 вихревой трубки. Охлажденный воздух, выходящий из теплообменника 30, тангенциально вбрасывается в камеру 20 трубки, которая расположена по соседству с выходом 24 трубки (фиг.2). Камера 20 трубки имеет обычно цилиндрическую форму для того, чтобы привести в движение впрыскиваемый воздух и создать высокоскоростное турбулентное движение 52 внутри трубки, это движение направлено ко второму концу 22 трубки (стрелка 54). Воздух на внешней периферии турбулентного потока является относительно теплым, в то время как воздух, размещенный на внутренней периферии турбулентного потока, является относительно холодным.
Конусный контрольный клапан 56 установлен на втором конце трубки 22 и образует с внутренней поверхностью трубки выходной кольцевой канал для воздуха, размещенный по внешней периферии турбулентного потока, то есть горячего воздуха (стрелка 58). Центральная часть турбулентного потока поступает на клапан 56 и формирует второй турбулентный поток 60, который направлен внутри в сторону, противоположную первому потоку 52 (стрелка 62), отдавая ему тепло до первого конца 24 трубки (стрелка 64).
Вихревая трубка может быть выполнена с двойной циркуляцией и содержать второй вход для воздуха на своем конце 22, противоположном камере 20 для улучшения производительности трубки, как это известно в технике. В представленном примере отверстие 66, коаксиальное трубке, образовано в контрольном клапане 56 и может быть соединено со средствами питания воздухом (стрелка 68), этот воздух может, например, иметь давление и температуру меньшие, чем воздух, поступающий в камеру 20.
Согласно примеру осуществления изобретения расход воздуха, поступающего в элемент 16 и проходящего в теплообменник 30, составляет 2833/min, этот воздух имеет давление в 6,3 бара и температуру 200°С. Хладагент, который питает вторичную цепь 31 теплообменника 30, является воздухом при температуре 90°С и позволяет уменьшить температуру сжатого воздуха, питающего вихревую трубку, до 100°С. Теплообменник 50 питается холодным воздухом с расходом 1840 L/min, этот воздух имеет на входе в теплообменник 50 температуру 57°С, а на выходе теплообменника температура воздуха составляет порядка 80-90°С; этот воздух может быть затем направлен во вторичный трубопровод теплообменника по трубе 42.
Множество вихревых трубок 14 может быть установлено последовательно или параллельно для обеспечения охлаждения одного или нескольких типов электрического или электронного оборудования. Размер каждой вихревой трубки зависит от температуры и расхода холодного воздуха на выходе трубки, которые определяются типом охлаждаемого оборудования.
1. Устройство для охлаждения электрического оборудования (12) в газотурбинном двигателе (10), содержащее, по меньшей мере, одну вихревую трубку (14), имеющую вход (18), связанный со средствами (16) питания сжатым воздухом, и выход (24) холодного воздуха, соединенный со средствами (50) охлаждения электрического оборудования, причем вихревая трубка (14) питается воздухом через теплообменник (30), содержащий вторую цепь, питаемую хладагентом с выхода средств охлаждения электрического оборудования или горячим воздухом, выходящим из вихревой трубки.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство (16) питания сжатым воздухом содержит средства отбора воздуха с кольцевого трубопровода для прохождения потока свежего воздуха или вторичного потока газа газотурбинного двигателя (10).
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средства (16) питания сжатым воздухом содержат средства отбора воздуха с компрессора газотурбинного двигателя.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средства (16) питания сжатым воздухом содержат осевой компрессор, приводимый вспомогательным оборудованием газотурбинного двигателя.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплообменник (14) содержит две вторичных цепи (40, 44), питаемые холодным воздухом, причем одна цепь питается от средств (50) охлаждения оборудования, а вторая - горячим воздухом вихревой трубки.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вихревая трубка (14) питается воздухом под давлением в несколько бар.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что температура холодного воздуха, выходящего из вихревой трубки (14), на 50°С ниже температуры сжатого воздуха.
8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вихревая трубка (14) выполнена с двойной циркуляцией и содержит второй вход (64), соединенный со средствами питания сжатым воздухом.
9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит несколько включенных последовательно или параллельно вихревых трубок.
10. Газотурбинный двигатель, отличающийся тем, что содержит устройство для охлаждения электрического оборудования по п.1.
