專利名稱：置入渦輪發(fā)動機排氣裝置內(nèi)的熱交換結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到一種熱交換結構，設計該熱交換結構以能夠使渦輪發(fā)動機排氣裝置內(nèi)實現(xiàn)最佳安裝。
背景技術：
此處，渦輪發(fā)動機定義為航空燃氣發(fā)動機，能夠在軸處提供動力。渦輪軸發(fā)動機(直升機發(fā)動機，輔助動力裝置或稱APUs)和渦輪螺旋槳發(fā)動機(飛機，無人駕駛飛機)通
常都屬于這ー類。通常情況下，飛機渦輪發(fā)動機的基本結構包括沿相同主要線路，從上游至下游連 續(xù)順序的具有旋轉對稱性的基本部件單元進氣ロ、至少ー個空氣壓氣機、氣體燃燒室、至少ー個用來通過高壓軸來驅動壓氣機的高壓渦輪，至少ー個將燃燒產(chǎn)生能量轉換可用機械能量的自由渦輪，該自由渦輪與動カ軸相嚙合，從而驅動負載，和將剩余氣體排出的裝置。構成排氣裝置結構單元的形狀取決于渦輪發(fā)動機結構，后者則又取決于動カ輸出端的位置。發(fā)現(xiàn)采用如下結構-裝有貫穿動力軸和前動カ輸出端的渦輪發(fā)動機，-裝有后動カ軸和經(jīng)由外軸的前動カ輸出端的渦輪發(fā)動機，-裝有帶后動カ輸出端的后動カ軸的渦輪發(fā)動機。有利的是，在排出熱氣體的結構單元中置入熱交換裝置，以回收剰余能量，并可將其重新輸入到渦輪發(fā)動機中，從而可以增加軸處可用動力，由此提高發(fā)動機的效能。熱交換器在陸地上燃氣渦輪發(fā)動機上已經(jīng)使用，具有與航空渦輪發(fā)動機相同類型的結構，但是不受質量的限制。此外，對于這些渦輪機來講，部件使用壽命通常要勝過部件的效能。用于陸地渦輪機的這些熱交換器一般都是阻隔類型，布置在排氣裝置內(nèi)，以便所有排出的氣體流過它們。這種熱交換器可以在熱燃氣流出ロ處最大限度地回收能量。但是這種回收會導致重量的大大增加，同時在排氣裝置處有重大的壓降。所以，這些熱交換器不能用在航空渦輪發(fā)動機上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種用于渦輪發(fā)動機的排氣裝置的熱交換結構，適于優(yōu)化這種結構的性能、重量、生產(chǎn)成本和使用成本(消耗、保養(yǎng))之間的總體協(xié)調。為此，本發(fā)明提出了一種熱交換結構，該結構部分地阻隔熱排放燃氣流，無強烈擾動，目的是優(yōu)化排放燃氣熱能的局部回收。根據(jù)所涉及的渦輪發(fā)動機的結構，這種方法可以調整交換結構的參數(shù)(位置、孔隙度、供應、壓力、空氣動カ特性等)，目的是優(yōu)化總體協(xié)調。更確切地說，本發(fā)明的目的是帶有置入用于渦輪發(fā)動機的熱燃氣流的排氣管路中的熱交換器的結構，其中，安裝在構成排氣管路的単元之一內(nèi)的熱交換元件具有能夠引導熱燃氣流的結構。在整體地擴散這些燃氣的環(huán)境下，獲得這些燃氣流的部分阻隔，同時一部分氣流流過這些熱交換元件，從而在排放燃氣中回收ー些剩余熱能量，以增加在渦輪發(fā)動機軸處可用動力，但又不會實質上擾動燃氣流。根據(jù)特定的實施方式-熱交換元件具有其截面為連續(xù)性發(fā)展的結構，這樣，燃氣流移動而不會有擾動；-在截面上，該元件具有相對于排氣管路而被限制的局部結構，流過這些熱交換元件的那部分氣流很少，因此，熱交換元件產(chǎn)生了很小的對排放燃氣流的阻隔。-在截面上，相對于排氣管路，熱交換元件具有基本完整的結構，帶有足夠高的孔隙率或滲透率，使得排放燃氣流的阻隔保持為部分，“完整”的意思是指交換截面會在排氣管路的整個截面上延伸；-在帶有由結構臂支撐的中央錐體的擴散器、排氣噴管、延伸件/偏轉器和端噴射器之間，按上游至下游順序，選擇安裝熱交換元件的排氣裝置；-在環(huán)形中間結構、用徑向板引導氣流的葉片組件/偏轉器的結構、氣流分流器結構，特別是徑向的，有利地在熱燃氣流進氣ロ處具有可變的孔隙率的氣流分流器結構之間，選擇熱交換元件的結構，特別目的是均質燃氣流；因可増加氣流擴散，同時保持排氣的等穩(wěn)定性和等長度，或縮短排氣，但同時保持等擴散性，中間或分流形狀對擴散特性會有影響；-每個熱交換元件包括ー個或幾個獨立的供冷流體的通道，在采用多個管路的情況下，其壓カ會彼此不同；-根據(jù)這些元件的結構和其所安裝的排氣裝置的結構，熱交換元件定位在排氣管路內(nèi)和模制其形狀，或者熱交換元件是獨立的，即位于管路內(nèi)部；-為了在與噴管或延伸件/偏轉器的連接處保持因文丘里效應而產(chǎn)生的噴射器進氣能力，有利的是，可選擇單獨位置，與直接來自端噴射器上游的裝置布置在一起，這種單獨布置可在熱交換器的周圍，和/或在端部噴射器內(nèi)，留下ー股非干擾氣流；由于它們的結構和布置形式，熱交換器元件能夠構成絕緣表面和吸聲材料，這樣，阻力和空氣動カ噪聲會大大地降低。


在下面與具體非限定性實施方式相關的說明并參照附圖，本發(fā)明的其它方面、特性和優(yōu)點會顯現(xiàn)出來，其中附圖分別如下圖I為渦輪發(fā)動機排氣組件部件単元的剖面示意圖；圖2為帶有位于渦輪發(fā)動機噴射器內(nèi)的環(huán)形熱交換元件的結構的剖面示意圖，該渦輪發(fā)動機在渦輪貫通軸處帶有通過減速齒輪的動カ輸出端；圖3為帶有熱交換元件的結構的剖面示意圖，所示熱交換元件形狀適于置于延伸件內(nèi)或部分地置于渦輪發(fā)動機噴射器內(nèi)部，在外螺旋槳軸處帶有前動カ輸出端，該螺旋槳軸經(jīng)由減速齒輪在后部與渦輪軸相嚙合；圖4為帶有熱交換元件的結構的剖面示意圖，所示熱交換元件形狀適于置于渦輪發(fā)動機噴管或噴射器內(nèi)部，所示發(fā)動機帶有后直接動カ輸送端；圖5為排氣裝置剖面示意圖，該排氣裝置在彎曲噴射器內(nèi)部帶有優(yōu)化的熱交換元件的位置；圖6a到6c示出了結構的三個剖面示意圖，該結構包括位于擴散器/噴管內(nèi)部的熱交換元件，該熱交換元件的位置和排氣裝置的結構都適合增加擴散性；圖7a到7d示出了結構的兩個剖面示意圖和兩個透視圖，該結構包括環(huán)形熱交換元件，該環(huán)形熱交換元件帶有位于擴散器/噴管內(nèi)的雙層板子，或者帶有擴散角的増加(圖7a和7c)，或者帶有縮短了噴管(圖7b和7d)；圖8為包括熱交換元件的結構的透視圖，該熱交換元件帶有位于渦輪發(fā)動機擴散器/噴管內(nèi)部的徑向板，以及圖9為彎曲噴管結構的透視圖，包括作為完整徑向板的熱交換元件，其曲度與噴管的主管路相符。
具體實施例方式在下面的說明書中，術語“上游”和“下游”分別表示前和后，這是相對于帶有直線 主軸線X' X的渦輪發(fā)動機燃氣流方向的位置。此外，在所有附圖中，具有相同功能的相同或相似元件都標以相同和密切相關的附圖標記。參考圖1，渦輪發(fā)動機排氣管路10的剖面示意圖，包括在相對于軸線V X的上游至下游方向相繼連接到一起的単元，即擴散器11，包括用于燃氣流I的擴散錐體12，該擴散錐體12沿軸線通過在所示實施例中為徑向的臂13安裝，噴管14，延伸件15，該延伸件通常會使燃氣流I整體偏轉，以及帶有打開的環(huán)形連接接頭17的燃氣噴射器16，以便吸入空氣2。擴散器11和噴管14可構成單個的擴散器-噴管單元18。根據(jù)本發(fā)明的排氣結構的熱交換元件可安裝在任何形式的渦輪發(fā)動機中，特別是在貫通主動軸處帶有前動カ輸出端的渦輪發(fā)動機中，在后嚙合的外主動軸處帶有前動カ輸出端，以及在后渦輪軸處帶有直接動カ輸出端的渦輪發(fā)動機中。圖2到圖4示出了熱交換元件在這些類型渦輪發(fā)動機排氣管路中的最佳布置形式。參照圖2，渦輪發(fā)動機為渦輪軸發(fā)動機20，通常包括燃氣發(fā)生器22，其由壓氣機23、燃氣燃燒室24和經(jīng)由高壓軸26和自由渦輪27驅動壓氣機23的高壓渦輪25組成，本實施例中壓氣機23為離心式。燃氣發(fā)生器22圍繞軸線V X具有旋轉對稱性。自由渦輪27經(jīng)由貫通主動軸28和減速齒輪29來驅動用于負載(螺旋槳轉子，附件等)的動カ軸30。貫通軸28和動カ軸30通過齒輪Pl和P2與減速齒輪29嚙合。通過進氣道40進入的空氣I被壓氣機23壓縮，噴入燃燒室24，以便與燃油混合和產(chǎn)生燃燒。該燃燒提供很高的動能給燃燒室出ロ處的氣體1，旋轉驅動自由渦輪27。剩余氣體I通過擴散器/噴管18排出，然后經(jīng)過端部噴射器16，后者通過打開的連接接頭17而與擴散器/噴管18相連接。環(huán)形板60形式的熱交換器通過任何可能的眾所周知的裝置(隔板，臂等)安裝在噴射器16的軸線對稱的上游進氣部分內(nèi)。這些安裝裝置還可在下面所有示例性結構中使用。熱交換器包括進氣通道61和排氣通道62，二者連接到中央通道6的進氣口和排氣ロ，而中央通道6在環(huán)形板60內(nèi)繞成螺旋形或正弦曲線形狀。通道61和62在其另一端連接到機電或機械裝置上，用來回收和循環(huán)能量，以便改善渦輪發(fā)動機的整體效能。該能量通過在熱交換元件內(nèi)循環(huán)的冷流體來回收，并通過熱剩余氣體噴射時熱剩余氣體I熱量的熱轉移而在中央通道內(nèi)被加熱。這種轉移是由于通過形成孔洞63而獲得的板60的滲透率或孔隙率來實現(xiàn)(如圖7b，7d，8和9所示)。這些孔洞具有適合熱交換元件的位置和結構的恒定或可變的直徑和
山I又o參照圖3的剖面示意圖，渦輪軸發(fā)動機20a的結構在外動カ軸31處帶有前動カ輸出端，外動カ軸31通過減速齒輪29而與渦輪27的軸32在后端嚙合。這種渦輪軸發(fā)動機20a排氣管路包括擴散器/噴管18、延伸件15和軸線對稱噴射器16a。熱交換元件包括板60a，安裝在延伸件15的非軸線對稱部分并連接到進氣和排氣通道61和62上。板60a為準環(huán)形的，帶有平行外面6e和內(nèi)面6i，其形式適合并有利于平行于延伸件15的相對面。作為可替代方案，熱交換元件的板60b部分安裝在延伸件內(nèi)和部分安裝在噴射器內(nèi)，優(yōu)選大部分在軸線對稱的噴射器16a內(nèi)。在這種情況下，板60b為環(huán)形，帶有圓形截面的面6' e和 6' i。如圖4剖面圖所示，在后軸32處帶有直接動カ輸出端的渦輪軸發(fā)動機20b中，SP 沒有減速齒輪，排氣結構包括擴散器11、非軸線對稱的彎曲噴管14'和軸線對稱的噴射器16a。熱交換元件包括準環(huán)形的板60c，安裝在噴管14'的下游部分內(nèi)，面6e和6i平行于噴管14'的形狀。作為可替代的方案，環(huán)形板60b可以安裝在噴射器16a內(nèi)，面6' e和6' i帶圓截面。在所有上述布置中(圖2到圖4)，熱交換元件60或60a至60c的環(huán)形或準環(huán)形板設在靠近排氣單元的面的區(qū)域內(nèi)。在這些條件下，該板可輸入來自燃氣發(fā)生器的熱燃氣，熱燃氣流過層形的板，同時留下了中央和大部分非擾動燃氣流I。如果排氣單元帶有分開的或低馬赫(低燃氣速度)區(qū)域吋，熱交換元件可有利地呈現(xiàn)非環(huán)形形狀。為此，圖5的剖面示意圖涉及到了帶有彎曲噴射器16b的排氣管路。這種噴射器與軸線對稱的擴散器/噴管18a相連接，并帶有大曲度的隔離區(qū)Z1，因為燃氣流在擴散器/噴管18a內(nèi)軸向流動，所以燃氣流I繞過了所述隔離區(qū)域。熱交換元件包括安裝在噴射器16b較低曲度曲線內(nèi)的管狀板60d，位于隔離區(qū)Zl的相對ー側，從而可以接收燃氣流I的良好供應。有利的是，熱交換器可以具有通過改善這種擴散的空氣動カ特性，從而控制和優(yōu)化了燃氣流擴散的結構。圖6a至6c示出了結構的三種不同剖面示意圖，這種結構包括了位于擴散器/噴管內(nèi)的環(huán)形熱交換元件，可以降低熱交換器出口處的靜態(tài)壓力。參照圖6a，熱交換元件包括環(huán)形板60e，安裝在向下游打開的軸線對稱錐形擴散器/噴管18a內(nèi)，和進氣_排氣通道61和62。板60e抵靠位于擴散器/噴管的內(nèi)面18i。作為可替代的方案(圖6b),擴散器/噴管18a帶有準圓柱形部分18c，即稍稍向下游打開，其中，安裝有環(huán)形板60e。然后，擴散器/噴管18a (虛線所示為預先改進部分)帶有更打開的部分18d，從而可以與擴散器/噴管18a的非改動外形相匹配。在這前兩個變化方式中，壓カ的靜態(tài)分量通過非阻隔氣流的較少擴散而在熱交換器60e的排氣ロ處被減小。這樣，有利于流過板60e的燃氣流I的擴散。在圖6c所示情況下，安裝擴散器/噴管18e的環(huán)形交換板60f的部分呈現(xiàn)錐形，在下游會聚。由于擴散器/噴管18a的部分18e縮小，非阻隔燃氣流從而會加速。非阻隔氣流的這種加速給熱交換板60f 輸入燃氣流供應。為了改善擴散特性，熱交換元件可以包括與噴管相連的錐形環(huán)形板，噴管具有相同的形狀。圖7a到7d表示結構的剖面示意圖(圖7a和7c)和透視圖(圖7b和7d)，包括位于擴散器/噴管18內(nèi)帶有兩個同心環(huán)形板60g和60h的所謂“插入”式類型的熱交換元件。相對于擴散器部分11-12，，噴管部分14a帶有較大角度的錐度，例如25°，例如13°，該錐度對應于非改進型噴管14 (虛線部分)的錐度。同心環(huán)形板60g和60h具有角度稍小的錐度，例如，分別為21和15°。通常，噴管14a的長度與非改進型 噴管相同(圖7a)。該項操作實質上會增加擴散，引起更高系數(shù)的靜態(tài)回收，和從而更高效能的渦輪軸發(fā)動機。作為可替代的技術方案(圖7c)，相對于非改進型噴管14，縮短噴管14b，以便該擴散能滿足其初始水平。在這些情況下，在相等擴散時，噴管的縮短會節(jié)省重量，縮小體積。圖7c和7d示出了這種結構的透視圖，包括環(huán)形熱交換元件，所述熱交換元件分別帶有兩個提高擴散的同心環(huán)形板60g和60h，和縮短的噴管14b。這些板通過圓柱形徑向臂7安裝在噴管14a和14b內(nèi)。該臂可以包括板60g和60h的進氣通道61和排氣通道62。圖7b和7d(以及下面的圖8和圖9)可見擴散器部分11，其包括由徑向臂13保持的擴散錐體12，以及自由渦輪27，剩余熱燃氣經(jīng)由該渦輪而膨脹，和空氣流動孔洞63，這些均可在板的下游截面上看到。熱交換元件還可以包括許多徑向板，目的是形成葉片組件形式的熱交換器，用來引導氣流。于是，圖8示出了排氣結構的透視圖，包括在擴散器/噴管18的噴管部分14內(nèi)的8個徑向平面板9，通過任何可能的眾所周知的固定方式(焊接、螺絲連接、鉚接、接頭、臂、隔板固定)安裝在噴管的內(nèi)面14i處。徑向板9通過在渦輪排氣ロ處引導燃氣流I而可以增加噴管14的壓カ回收系數(shù)。進氣通道61和排氣通道62均連續(xù)地從ー個板連接至另ー個板，并連接到能量回收裝置上。作為可替代的方案，可以通過各自進氣-排氣通道和共同輸送和返回模塊平行地給板供應燃氣。上面已經(jīng)介紹的其它單元在該附圖中出現(xiàn)帶有擴散錐體12的擴散器部分11、徑向臂13、自由渦輪27。在圖9的帶有彎曲噴管的排氣結構的透視圖中示出了帶有氣流分流器結構的熱交換元件。該結構的形式為完整的徑向板60i，其曲度與噴管18和噴射器16的平均曲度相符。另外，該附圖還出現(xiàn)了已經(jīng)描述的單元(進氣-排氣通道61和62、擴散器11和擴散錐體12、徑向臂13、自由渦輪27)。不論該噴管是直的還是彎曲的(如圖9所示)，這種分流板結構對擴散特性會有影響與插入板一祥，會因為排氣的等穩(wěn)定性和等長度而增加氣流的擴散，或縮短排氣的等擴散性。另外，通過在渦輪出口處引導燃氣流1，還會增加噴管18的壓カ回收系數(shù)。在確保噴氣偏轉功能的彎曲噴管的情況下(參見圖9)，這種分流板的結構還會通過確保噴流的良好導向來參與偏轉。本發(fā)明并不限于所述和所示的實施例。例如，可以提供具有交叉或星形結構的熱交換板以便形成分流器。此外，排氣管路可以限定為噴管，或包括所安裝的附加排氣單元的全部或部分擴散器、延伸件、偏轉器和/或噴射器。此外，每個熱交換元件都包括一個或幾個獨立的冷流體循環(huán)通道，在采用多個管路的情況下，其壓カ彼此不同。
權利要求
1.帶有置入用于渦輪發(fā)動機的熱燃氣流(I)的排氣管路(10)內(nèi)的熱交換器的渦輪發(fā)動機的結構，其特征在于安裝在構成排氣管路(10)的單元(11，14，14a，14b，15，16，16a，16b，18，18a，18c)中一個單元內(nèi)的熱交換元件^0，60a到60i ；9)具有在整體地擴散這些燃氣的環(huán)境中能夠引導熱燃氣流(I)和獲得該燃氣流的部分阻隔的結構，同時，一部分燃氣流流過這些熱交換元件，這些熱交換元件與排放氣體(I)的剩余熱能量回收和循環(huán)的機械或機電裝置來連接，以增加渦輪發(fā)動機(20，20a，20b)軸(30，31)處可用動力，而不會實質上擾動燃氣流(l，la)。
2.根據(jù)權利要求I所述的帶有置入式熱交換器的結構，其中熱交換元件(60g，60h，60e,60f)具有其截面以連續(xù)方式漸變的結構。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的帶有置入式熱交換器的結構，其中熱交換元件^0，60a至Ij60i ；9)在截面上帶有局部結構，其相對于它們安裝在其中的排氣管路(10)而受到限制，和流過這些熱交換元件的氣流(I)部分是少數(shù)，以便熱交換元件產(chǎn)生排放燃氣流(1，Ia)的很小阻隔。
4.根據(jù)權利要求I所述的帶有置入式熱交換器的結構，其中相對于排氣管路(10)，熱交換元件(60i)在截面上帶有基本完整的結構，帶有足夠高的孔隙率或滲透率，以便排放氣體流保持部分被阻隔。
5.根據(jù)前面任一權利要求所述的帶有置入式熱交換器的結構，其中在帶有由結構臂(13)支撐的中央錐體(12)的擴散器(11)、排氣噴管(14，14a，14b)、延伸件/偏轉器(15)和端部噴射器(16，16a，16b)之間，按照從上游至下游順序選擇其中安裝熱交換元件(60，60a到60i ；9)的排氣單元。
6.根據(jù)權利要求I所述的帶有置入式熱交換器的結構，其中在環(huán)形中間結構(60g，60h)、用徑向板(9)引導氣流的葉片組件/偏轉器結構、燃氣流分流器(60i)的結構，特別是徑向的，在熱燃氣流(I)進氣口處帶有變化孔隙率的燃氣流分流器(60i)的結構之間選擇熱交換元件的結構。
7.根據(jù)前面權利要求所述的帶有置入式熱交換器的結構，其中中間或分流器形狀(60i)可以增加燃氣流的擴散，同時保持排氣的等穩(wěn)定性和等長度(14a)，或者縮短排氣，同時保持等擴散性(14b)。
8.根據(jù)前面任一權利要求所述的帶有置入式熱交換器的結構，其中每個熱交換元件(60，60a到60i ；9)包括一個或幾個單獨的冷流體通道。
9.根據(jù)前面任一權利要求所述的帶有置入式熱交換器的結構，其中熱交換元件(9;60e,60f)可以定位在排氣管路(10)內(nèi)和模制安裝它們的單元的形狀或者熱交換元件為獨立式的(60,60a 到 60d，60g 到 60i ；9)。
10.根據(jù)前面任一權利要求所述的帶有置入式熱交換器的結構，其中熱交換元件(60，60a到60i ；9)，由于其結構和設置，能夠構成絕緣表面和吸聲材料以大大降低阻力和空氣動力噪聲。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種用于渦輪發(fā)動機排氣裝置的熱交換結構，適合優(yōu)化性能、重量和使用成本之間的總體協(xié)調。為此，本發(fā)明提出了熱交換元件，能夠部分地阻隔排放氣體的熱氣流，從而確保最佳回收。在置入用于渦輪發(fā)動機燃氣流(1)的排氣管路(10)內(nèi)的結構的一個實施例中，渦輪發(fā)動機為渦輪軸發(fā)動機(20)，包括燃氣發(fā)生器(22)和經(jīng)由貫通軸(28)和上游減速齒輪(29)，向軸(30)提供動力的自由渦輪(27)。環(huán)形板形狀的交換器(60)安裝在噴射器(16)的軸線對稱部分內(nèi)。交換器包括進氣通道(61)和排氣通道(62)，連接到中央通道(6)的進氣口和排氣口，所述中央通道在環(huán)形板(60)內(nèi)繞成螺旋形或正弦彎曲形狀的。通道(61)和(62)在其另一端連接到用于能量回收和循環(huán)的機械或機電裝置上，從而改善了渦輪發(fā)動機的整體性能。能量經(jīng)由冷流體而回收，所述冷流體在中央通道(6)內(nèi)通過來自剩余氣體(1)的熱量傳輸而被加熱。
文檔編號F02C7/08GK102959205SQ201180031604
公開日2013年3月6日 申請日期2011年7月5日 優(yōu)先權日2010年7月6日
發(fā)明者雷納·托馬斯 申請人:渦輪梅坎公司