本發(fā)明涉及一種用于從廢氣回收能量的系統(tǒng)。具體地，本發(fā)明涉及一種用于從來自于渦輪軸發(fā)動機的廢氣回收能量的系統(tǒng)，該渦輪軸發(fā)動機被安裝到例如為直升機的航空器。

背景技術(shù)：

包括直升機的航空器通常安裝有一個或多個渦輪軸發(fā)動機，渦輪軸發(fā)動機的原理是通過燃料所被噴射到其中的氣體的燃燒來驅(qū)動渦輪進行旋轉(zhuǎn)。

在渦輪的出口處，已驅(qū)動渦輪進行旋轉(zhuǎn)、被稱為廢氣的燃燒氣體通過廢氣管被排放到外部。渦輪軸發(fā)動機的循環(huán)使得廢氣溫度為大約600℃。包含在該廢氣流中的理論上的熱能估計為包含在于渦輪入口處被噴射的燃料中的勢能的60％。

因此，嘗試回收該熱能中的一部分以提高渦輪軸發(fā)動機的效率是有利的。為此，提出了使得能夠回收部分熱能的多個解決方案，特別是使用處于渦輪軸發(fā)動機的廢氣管中的熱交換器。該被回收的熱能例如被用于在被供應(yīng)到渦輪軸發(fā)動機的氣體進行燃燒之前對該氣體進行預(yù)加熱，或者用于對來自于次級機械的氣體進行再加熱，為渦輪發(fā)動機或活塞機械類型的該次級機械存在于航空器中。

然而，這些解決方案導(dǎo)致了眾多缺點。這是因為在廢氣管中存在熱交換器導(dǎo)致了壓力損失，該壓力損失影響渦輪的運行。該熱交換器可能導(dǎo)致污垢，該污垢影響渦輪軸發(fā)動機的性能，并且該熱交換器需要合適的清洗程序，而且在發(fā)生葉片損失和葉片脫落時還導(dǎo)致劣化。葉片脫落是針對渦輪軸發(fā)動機的自由渦輪超速的機械保護措施。

另外，使用這種熱交換器需要對渦輪軸發(fā)動機進行調(diào)整，用以與該熱交換器共同運行。在使用熱交換器以對給氣體渦輪供給燃料的氣體進行預(yù)加熱的環(huán)境中，存在熱交換器要求與不具有熱交換器的運行點不同的發(fā)動機運行點，這意味著如果熱交換器未被使用則會嚴重影響發(fā)動機性能。這樣的不使用熱交換器如果是偶然性的(由于熱交換器失效)，則可能另外導(dǎo)致熱交換器劣化和發(fā)動機不運行。

最后，廢氣管中的熱交換器的運行方面的限制(高于或等于600℃的高溫、介于4到8巴之間的壓力，等等)要求對熱交換器進行合適的尺寸設(shè)置(這尤其導(dǎo)致了該熱交換器的尺寸和重量增大)以及使用能夠承受這些限制的材料。然而，適于承受限制的這些材料的熱傳導(dǎo)性能總體而言較差，這降低了效率和熱交換器的有效性。

發(fā)明目的

本發(fā)明的目的在于克服用于從廢氣回收能量的已知的系統(tǒng)的至少某些缺陷。

特別地，本發(fā)明目的還在于在本發(fā)明的至少一個實施例中提供一種能量回收系統(tǒng)，該能量回收系統(tǒng)不會導(dǎo)致影響渦輪軸發(fā)動機的運行的壓力損失。

本發(fā)明目的還在于在至少一個實施例中提供一種能量回收系統(tǒng)，該能量回收系統(tǒng)的失效不會影響渦輪軸發(fā)動機的運行。

本發(fā)明目的還在于在本發(fā)明的至少一個實施例中提供一種能量回收系統(tǒng)，該能量回收系統(tǒng)可被安置就位在現(xiàn)有的渦輪軸發(fā)動機上。

本發(fā)明目的還在于在至少一個實施例中提供一種能量回收系統(tǒng)，該能量回收系統(tǒng)使得能夠使用由具有更好的換熱效率的材料制成的熱交換器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為此，本發(fā)明涉及一種用于從來自于至少一個渦輪軸發(fā)動機的廢氣回收能量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

-渦輪，該渦輪圍繞回收軸被可旋轉(zhuǎn)地安裝，該渦輪適于排出廢氣的至少一部分，該廢氣的至少一部分被稱為排放氣體，并且該渦輪適于使所述排放氣體膨脹以變成處于低于大氣壓力的壓力的膨脹氣體；

-第一熱交換器，該第一熱交換器適于使用冷源來使所述膨脹氣體冷卻，以變成冷卻氣體；

-壓氣機，該壓氣機圍繞所述回收軸被可旋轉(zhuǎn)地安裝，該壓氣機適于將所述冷卻氣體壓縮到大氣壓力；

-風(fēng)扇，該風(fēng)扇被構(gòu)造為使冷源到達第一熱交換器，風(fēng)扇被回收軸驅(qū)動而進行旋轉(zhuǎn)。

因此，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)使得能夠從來自于至少一個渦輪軸發(fā)動機的廢氣回收能量的至少一部分，這與現(xiàn)有技術(shù)不同，是以分支(offset)的方式來實施的。這是因為在這里，廢氣的一部分被排出，以在比現(xiàn)有技術(shù)更有利的條件下經(jīng)由熱交換器實施熱交換，其中熱交換器處于渦輪軸發(fā)動機的廢氣管中。使得能夠排放廢氣的渦輪還使得能夠減小廢氣的壓力，并且因此使得能夠降低廢氣的溫度。因此，熱交換器承受低壓和低溫，使得能夠使用具有更好的換熱效率的材料。同樣地，在渦輪與壓氣機之間流通的氣體的壓力較低、低于大氣壓力的事實總體上限制了這些氣體在能量回收系統(tǒng)的部件上施加的內(nèi)部壓力。

優(yōu)選地，能量回收系統(tǒng)不排出所有廢氣，以主要通過去除高溫氣體來保持良好的效率水平，廢氣中被排出的那部分取決于渦輪軸發(fā)動機的使得能夠排放廢氣的廢氣管的空氣動力學(xué)。有利地，可在廢氣管的彎頭部分中實施排放。這種彎頭部分通常例如存在于被安裝到直升機的渦輪軸發(fā)動機的廢氣管中。

從廢氣回收的能量源自于當(dāng)廢氣穿過渦輪時產(chǎn)生的并且被傳輸?shù)交厥蛰S的機械能量與被回收軸消耗以驅(qū)動壓氣機進行旋轉(zhuǎn)以對被第一熱交換器冷卻的廢氣進行壓縮的能量之間的差。如果有必要，可從該回收的能量獲取使冷源到達交換器所需的任何能量。因此，回收的能量可呈由回收軸傳輸?shù)臋C械能量的形式而被使用?；厥蛰S則例如通過中轉(zhuǎn)箱(relaybox)被連接到其它的軸，以給這些其它的軸提供額外的機械能量。能夠使用回收軸處的回收能量的軸例如為渦輪軸發(fā)動機的自由渦輪的軸、渦輪軸發(fā)動機的氣體發(fā)生器的軸、直升機的主傳動箱的軸、被連接到直升機的尾旋翼的后部軸等等。回收軸處的該回收能量呈機械能量的形式，但之后可被轉(zhuǎn)化為另一形式(電、氣動等等)。

此外，廢氣的排出的部分不會導(dǎo)致渦輪軸發(fā)動機中的壓力損失。與其中交換器處于渦輪軸發(fā)動機的廢氣管中的現(xiàn)有技術(shù)不同，通過渦輪排放廢氣不干擾渦輪軸發(fā)動機的正常運行并且因此限制了壓力損失。另外，能量回收系統(tǒng)的任何失效將不會影響渦輪軸發(fā)動機的運行，該渦輪軸發(fā)動機的所有廢氣將經(jīng)由廢氣管被排放。此外，能量回收系統(tǒng)可以以這種方式而適于現(xiàn)有的渦輪軸發(fā)動機，并且不需要對該能量回收系統(tǒng)被安裝在其上的渦輪軸發(fā)動機的運行點進行任何改變，并且因此不影響該渦輪軸發(fā)動機的性能。

有利地，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)包括第二熱交換器，該第二熱交換器適于在膨脹氣體進入到第一熱交換器中之前對該膨脹氣體實施初步冷卻。

根據(jù)本發(fā)明的這個方面，第二熱交換器使得在廢氣進入到第一熱交換器中之前該廢氣的溫度能夠被降低，以使得能夠額外地減小第一熱交換器的溫度限制，因此該第一熱交換器能夠被設(shè)計成憑借更高效的材料而能夠具有高的換熱性能以及能夠具有減小的尺寸。有利地并且根據(jù)本發(fā)明，第一交換器使用的材料是鋁，使得能夠在良好的換熱性能(熱導(dǎo)率大約為150w/m/℃)與減小的重量(密度大約為2700kg/m³)之間進行良好的折中。

有利地，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)包括外部進氣口，該外部進氣口適于在膨脹氣體進入到第一熱交換器中之前對該膨脹氣體實施初步冷卻。

根據(jù)本發(fā)明的這個方面，進氣口使得膨脹氣體能夠與來自于外部的空氣混合，以降低該膨脹氣體的溫度。下述事實有助于通過進氣口噴射外部空氣：膨脹氣體處于低于外部空氣的大氣壓力的壓力。以這種方式被冷卻的氣體被輸送到第一交換器。進氣口可代替或補充之前所描述的第二交換器。

有利地，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)包括將渦輪連接到多個廢氣管的多個管道，這多個管道用于排出源自于多個渦輪軸發(fā)動機的廢氣。

根據(jù)本發(fā)明的這個方面，單個能量回收系統(tǒng)使得能夠回收源自于多個渦輪軸發(fā)動機的廢氣的能量的一部分。

本發(fā)明還涉及一種渦輪軸發(fā)動機，該渦輪軸發(fā)動機安裝有根據(jù)本發(fā)明的能量回收系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明的渦輪軸發(fā)動機通過由能量回收系統(tǒng)回收呈被包含在廢氣中的熱的形式的勢能的一部分而能夠具有更好的整體運行效率。

有利地，根據(jù)本發(fā)明的渦輪軸發(fā)動機進一步包括氣體發(fā)生器，該氣體發(fā)生器被氣體發(fā)生器軸驅(qū)動而進行旋轉(zhuǎn)，并且回收軸被連接到氣體發(fā)生器軸。

根據(jù)本發(fā)明的這個方面，由能量回收系統(tǒng)回收的機械能量被使用在氣體發(fā)生器軸處，因此提高了渦輪軸發(fā)動機的性能。在能量回收系統(tǒng)發(fā)生失效時，氣體發(fā)生器可正常地運行，僅有的結(jié)果是渦輪軸發(fā)動機的性能降低。

有利地，根據(jù)本發(fā)明的渦輪軸發(fā)動機進一步包括自由渦輪，該自由渦輪驅(qū)動自由渦輪軸進行旋轉(zhuǎn)，并且回收軸被連接到自由渦輪軸。

根據(jù)本發(fā)明的這個方面，由能量回收系統(tǒng)回收的機械能量被使用在自由渦輪軸處，例如用于驅(qū)動螺旋槳進行旋轉(zhuǎn)，因此提高了渦輪軸發(fā)動機的性能。在能量回收系統(tǒng)發(fā)生失效時，氣體發(fā)生器可正常地運行，僅有的結(jié)果是渦輪軸發(fā)動機的性能降低。

本發(fā)明還涉及一種直升機，該直升機包括根據(jù)本發(fā)明的渦輪軸發(fā)動機。

有利地并且根據(jù)本發(fā)明，直升機進一步包括尾旋翼，該尾旋翼被后部軸驅(qū)動，并且回收軸被連接到所述后部軸。

本發(fā)明還涉及一種用于從渦輪軸發(fā)動機廢氣回收能量的方法，該方法包括：

-將廢氣的至少一部分排出的步驟；

-使在排出步驟被排出的廢氣膨脹的步驟；

-使在膨脹步驟被膨脹的廢氣冷卻的步驟；

-對在冷卻步驟被冷卻的廢氣進行壓縮的步驟。

有利地，根據(jù)本發(fā)明的能量回收方法通過根據(jù)本發(fā)明的能量回收系統(tǒng)來實施。

有利地，根據(jù)本發(fā)明的能量回收系統(tǒng)實施根據(jù)本發(fā)明的能量回收方法。

本發(fā)明還涉及一種能量回收系統(tǒng)、一種能量回收方法、一種渦輪軸發(fā)動機和一種直升機，其特征在于，上文或下文所述的全部或部分特征的組合。

附圖說明

通過閱讀下文的完全以非限制性的方式給出并且參照附圖的說明，本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點將變得顯而易見，在附圖中：

-圖1為安裝有根據(jù)本發(fā)明的實施例的能量回收系統(tǒng)的渦輪軸發(fā)動機的圖解視圖；

-圖2為根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的能量回收系統(tǒng)的圖解視圖；

-圖3為根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的能量回收系統(tǒng)的圖解視圖；

-圖4為根據(jù)本發(fā)明的實施例的能量回收方法的圖解表示；

-圖5為包括根據(jù)本發(fā)明的實施例的渦輪軸發(fā)動機的直升機的圖解視圖。

具體實施方式

以下的實施例為示例。雖然說明書提到一個或多個實施例，但這不一定意味著每次參照均涉及同一實施例，或特征僅適于單個實施例。不同實施例的單個特征還可被組合，以提供其它的實施例。

圖1為安裝有根據(jù)本發(fā)明的實施例的能量回收系統(tǒng)12的渦輪軸發(fā)動機10的圖解表示。

能量回收系統(tǒng)12適于回收渦輪軸發(fā)動機10的廢氣的至少一部分14以回收源自于廢氣16的熱能的一部分。這些廢氣16由下述氣體18形成：該氣體經(jīng)由入口管道進入渦輪軸發(fā)動機10，之后與燃料混合并且在渦輪軸發(fā)動機10中燃燒，以在渦輪軸發(fā)動機10的出口處驅(qū)動自由渦輪20進行旋轉(zhuǎn)。燃燒氣體的大部分動能被進行旋轉(zhuǎn)的自由渦輪20回收，剩余的動能使得廢氣16能夠在該自由渦輪20的出口處被排放。廢氣16經(jīng)由廢氣管22被排放，使得能夠在航空器中使用渦輪軸發(fā)動機10的環(huán)境中將廢氣16排放到外面、排放到航空器外部。

能量回收系統(tǒng)12使得能夠例如通過被連接到渦輪軸發(fā)動機10的廢氣管22的排放管道24排出由箭頭14代表的這些廢氣的一部分。排出廢氣的這部分14是憑借渦輪來實施的，該渦輪使得被排出的廢氣能夠膨脹，使得廢氣的在廢氣管中的這部分14能夠被經(jīng)由排放管道24吸出。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，能量回收系統(tǒng)12包括被連接到多個廢氣管的多個排放管道，以排出源自于多個渦輪軸發(fā)動機的廢氣的一部分。

能量回收系統(tǒng)12還包括用于使外部空氣28進入的管道26，使得通過渦輪被排出的氣體能夠通過存在于能量回收系統(tǒng)12中的熱交換器而被冷卻。一旦從廢氣的部分14回收了能量，則出口氣體30通過排放管道32被排放。在外部空氣28進入到熱交換器中之后，該排放管道32還可被用于排放該外部空氣。

圖2為根據(jù)第一實施例的能量回收系統(tǒng)12的圖解表示。在該第一實施例中，渦輪34、壓氣機36和風(fēng)扇38被連接到回收軸40。渦輪34排出來自于廢氣管10的廢氣的一部分14，并且使得這些廢氣能夠膨脹并且因此使得其溫度能夠降低，因此形成了由箭頭42代表的膨脹氣體。由通過渦輪34進行膨脹得到的膨脹氣體42的壓力小于大氣壓力。膨脹氣體42穿過第一熱交換器44，以使得該膨脹氣體能夠冷卻，因此形成了由箭頭46代表的冷卻氣體。在第一熱交換器44處憑借冷源45對膨脹氣體42實施冷卻，在這里通過被回收軸40驅(qū)動而進行旋轉(zhuǎn)并且使得能夠添加外部空氣28的風(fēng)扇38來使該冷源到達第一熱交換器44。

被第一熱交換器44冷卻的氣體46被輸送到壓氣機36，該壓氣機被連接到回收軸40。壓氣機壓縮冷卻氣體46，以得到處于大致等于大氣壓力的壓力的氣體，該氣體被稱為出口氣體30，如之前參照圖1所示，該出口氣體例如通過排放管道32被排放。在冷源45進入到第一熱交換器44中之后，排放管道還使得能夠排出該冷源。通過箭頭48來代表對冷源45和出口氣體30的排放。

由能量回收系統(tǒng)12回收的能量可呈由回收軸40傳輸?shù)臋C械能量的形式而被使用。該被回收的機械能量源自于由于渦輪34因廢氣的部分14通過而發(fā)生的旋轉(zhuǎn)因此而到達回收軸40的機械能量與源自于回收軸40并且被壓氣機36消耗以將冷卻氣體46壓縮到大致等于大氣壓力的壓力的機械能量之間的差。膨脹氣體被第一熱交換器44冷卻使得能夠降低膨脹氣體的溫度，并且因此能夠減少壓氣機36將冷卻氣體壓縮到大氣壓力所需的能量。因此，所回收的能量的量取決于第一熱交換器44進行的冷卻的效率。而且必須從回收的能量獲取由風(fēng)扇38消耗的能量。于是，回收的能量在回收軸40處例如可通過中轉(zhuǎn)箱被傳輸?shù)胶娇掌鞯钠渌妮S或被轉(zhuǎn)化為另一形式的能量。

在某些情況下，膨脹氣體42的溫度在渦輪的出口處仍然較高，并且在該膨脹氣體進入到第一熱交換器44中時仍然較高。結(jié)果，雖然這些高溫度低于在渦輪軸發(fā)動機10的廢氣管22中所經(jīng)受的溫度，但第一熱交換器44的尺寸和材料必須與這些高溫度相容。

為了使得能夠使用更高效的第一熱交換器44，一個解決方案是預(yù)先降低膨脹氣體42的溫度。為此，能量回收系統(tǒng)12包括第二熱交換器50，如參照圖3所示，該第二熱交換器使得膨脹氣體42在進入到第一熱交換器40中之前能夠被冷卻。在圖3中，相對于在圖2中示出的實施例未改變的元件帶有相同的附圖標記。使用第二冷源52來實施第二熱交換器50中的初步冷卻，該第二冷源例如由離開壓氣機的出口氣體30和進入到第一熱交換器44中之后的冷源45構(gòu)成。因此，憑借通過第二熱交換器50進行的該初步冷卻，進入第一熱交換器的氣體53的溫度較低。因此，第一熱交換器44可由下述材料制成：該材料具有更合適的溫度極限并且使得能夠進行更高效的冷卻和/或具有更小的尺寸和更低的重量。

例如，諸如鋼之類的耐高溫的材料具有大約為15w/m/℃的熱導(dǎo)率和大約為7800kg/m³的密度。因此，第二熱交換器50例如可由鋼制成。鋁具有更低的耐高溫性，但是具有大約為150w/m/℃的更高的熱導(dǎo)率和大約為2700kg/m³的密度。因此，為了減小重量，第一熱交換器44例如可由鋁制成，使得能夠?qū)Υ┻^它的氣體53進行更高效的冷卻。

取決于溫度和尺寸方面的限制和期望的性能，可將其它類型的金屬或金屬合金用于制造第一熱交換器44和第二熱交換器50，該限制可根據(jù)渦輪軸發(fā)動機而改變，廢氣的至少一部分從該渦輪軸發(fā)動機被排出，并且根據(jù)實施例，該渦輪軸發(fā)動機具有一個或兩個交換器。優(yōu)選地，對于航空器中的應(yīng)用場合，熱交換器和/或在這些熱交換器中使用的材料已被測試。例如，能量回收系統(tǒng)可使用在航空器艙室空調(diào)系統(tǒng)中使用的類型的熱交換器，對于航空用途，該熱交換器已被測試。

在該實施例中，還通過使用進氣口51來實施在進入到第一熱交換器44中之前的初步冷卻，該進氣口使得能夠?qū)⑼獠靠諝鈬娚涞竭M入第一熱交換器44的氣體中。因此，氣體與外部空氣的混合使得能夠降低溫度。此外，下述事實有助于噴射外部空氣：存在于能量回收系統(tǒng)12中的氣體處于低于大氣壓力的壓力。

取決于實施例，能量回收系統(tǒng)12可僅包括第一熱交換器44、或第一熱交換器44與第二熱交換器50、或該第一熱交換器與進氣口51、或該第一熱交換器與第二熱交換器50和進氣口51的組合。

圖4為根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于能量回收的方法54的圖解表示。能量回收方法54包括排出廢氣的至少一部分的步驟55，該廢氣的至少一部分被稱為排放氣體，如參照圖1所描述的，該排放氣體源自于渦輪軸發(fā)動機。之后在使排放氣體膨脹的步驟56中，排放氣體例如通過如之前所描述的能量回收系統(tǒng)12中的渦輪34而被膨脹。該膨脹步驟56使得能夠形成膨脹氣體，由于壓力減小，該膨脹氣體的溫度低于排放氣體的溫度。之后在冷卻步驟58期間，膨脹氣體被冷卻，以形成冷卻氣體。之后在壓縮步驟60期間，這些冷卻氣體被壓縮。

以這種方式執(zhí)行的能量回收方法54遵循熱力循環(huán)，該熱力循環(huán)為壓力降低的反向布雷頓循環(huán)。通過該循環(huán)回收的機械能量源自于包含在被排出的廢氣中的熱能。

圖5為包括根據(jù)本發(fā)明的實施例的渦輪軸發(fā)動機10的直升機61的圖解表示。渦輪軸發(fā)動機安裝有根據(jù)本發(fā)明的實施例的能量回收系統(tǒng)12。在該實施例中，能量回收系統(tǒng)12被連接到直升機61的后部軸62。該后部軸62使得能夠使直升機61的尾旋翼64進行旋轉(zhuǎn)，使得能夠尤其通過補償由主馬達66施加的扭矩而使直升機穩(wěn)定，該主馬達被渦輪軸發(fā)動機10經(jīng)由主傳動箱驅(qū)動。因此，被能量回收系統(tǒng)12回收的機械能量通過回收軸40被傳輸?shù)街鄙龣C61的后部軸62。

起動能量回收系統(tǒng)12需要回收軸40被連接到渦輪34以及通過增加外部能量源例如通過直升機的后部軸62使壓氣機36預(yù)先進行旋轉(zhuǎn)。因此，在起動期間能量回收系統(tǒng)12為能量接收器。一旦到達了運行點，則能量回收系統(tǒng)12到達均衡狀態(tài)，在該均衡狀態(tài)下，憑借排出廢氣的至少一部分(使得能夠回收機械能量)，該能量回收系統(tǒng)變?yōu)樵瓌有缘摹?/p>

本發(fā)明不是僅限于所描述的實施例。特別地，在交換器或多個交換器處使用的冷源可采用不同的形式，例如經(jīng)由電風(fēng)扇或經(jīng)由泵供應(yīng)的空氣等等。另外，可例如在直升機的主傳動箱處或者通過轉(zhuǎn)化為氣動能量、電能等等而以不同的形式再次使用系統(tǒng)所產(chǎn)生的機械能量。此外，能量回收系統(tǒng)可包括多于兩個交換器。