Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВУХКОНТУРНОГО ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к авиадвигателестроению.

Основным трендом для дозвуковых ТРДД является повышение их экономичности (фиг. 1). Достигается это за счет увеличения степеней повышения давления и степеней двухконтурности ТРДД. Степени повышения давления в ТРДД практически достигли своих максимальных значений π_∑=50…60 (ограничены жаропрочностью лопаток компрессора ~1000 К). Степени двухконтурности ТРДД можно повысить двумя путями: а) увеличением диаметра вентилятора, б) уменьшением диаметра компрессора. Первый путь практически исчерпан (диаметры вентиляторов ТРДД достигли трех метров). Остается второй путь - уменьшение диаметра компрессора (внутреннего контура), но для этого необходимо повышать температуру газа перед турбиной.

Решить эту задачу только за счет жаропрочности материалов нельзя (жаропрочные стали работают эффективно до 1200…1300 К), а значит, необходимы эффективные системы охлаждения тех же лопаток.

Эффективность систем охлаждения во многом определяется температурой охлаждающего воздуха.

Известен способ понижения температуры охлаждающего воздуха, заключающийся в использовании теплообменника, установленного во втором контуре двухконтурного турбореактивного двигателя, имеющего степень двухконтурности менее единицы (Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. Под ред. В.А. Сосунова, В.М. Чепкина. - М.: Изд-во МАИ, 2003. С. 656, рис. 22.1). Эффективность способа ограничена хладоресурсом воздуха, проходящего через второй контур, размерами теплообменника, эффективностью теплообменных процессов, происходящих в теплообменнике.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков.

Поставленная задача достигается тем, что во втором контуре ТРДД со степенью двухконтурности более десяти установлен циркуляционный теплообменник, в котором циркулирует воздух высокого давления. Часть этого воздуха используется для охлаждения двигателя. Изъятый из обращения воздух замещается воздухом, поступающим из компрессора двигателя. Циркуляция воздуха обеспечивается центробежным компрессором, замещение воздуха осуществляется в смесителе.

Сущность изобретения заключается в том, что за счет увеличения времени теплообмена (воздух несколько раз проходит через теплообменник), а также площади контактной поверхности теплообменника (размеры ТРДД при заявленных степенях двухконтурности позволяют сделать это) количество тепла q, которое отводится от воздуха, поступающего из компрессора, увеличивается, соответственно, температура воздуха, поступающего в систему охлаждения, уменьшается: Т_х^*=Т_к^*-q/c_p, где Т_к^* - температура воздуха за компрессором, с_р - теплоемкость воздуха при постоянном давлении.

На фиг. 1 показаны тягово-экономические показатели дозвуковых ТРДД;

на фиг. 2 изображен ТРДД с циркуляционным теплообменником во втором контуре;

на фиг. 3 изображен термодинамический цикл ТРДД в P-υ координатах;

на фиг. 4 показаны характеристики эффективности циркуляционного теплообменника;

на фиг. 5 показаны зависимости тяги двигателя R_o от температуры газа Т_г^* и степени двухконтурности m в условиях взлета;

на фиг. 6 показаны зависимости удельного расхода топлива от температуры газа Т_г^* и степени двухконтурности m в условиях взлета;

на фиг. 7 показаны зависимости тяги двигателя R_н от температуры газа Т_г^* и степени двухконтурности m в условиях крейсерского полета;

на фиг. 8 показаны зависимости удельного расхода топлива С_уд от температуры газа Т_г^* и степени двухконтурности m в условиях крейсерского полета.

Система охлаждения ТРДД (фиг. 2) включает: теплообменник 1, центробежный компрессор 2, камеру смешения 3, соединительные каналы.

Работа системы охлаждения осуществляется следующим образом. Горячий воздух отбирается за компрессором двигателя и подается в камеру смешения 3 и далее в теплообменник 1. Охлажденный в теплообменнике 1 воздух поступает в систему охлаждения двигателя и в центробежный компрессор 2, который нагнетает его в камеру смешения 3. В камере смешения охлажденный воздух перемешивается с горячим воздухом, поступающим из двигателя. В результате смешения температура горячего воздуха понижается. Образовавшаяся смесь поступает в теплообменник, и цикл повторяется. Снижение температуры воздуха будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнут тепловой баланс между теплом, поступающим в камеру смешения 3 от двигателя, и теплом, отводимым через теплообменник 1 во второй контур.

На фиг. 3 изображен цикл ТРДД с циркуляционным теплообменником во втором контуре. Цикл состоит из основного и вспомогательного циклов. Основной цикл - цикл Брайтона. Вспомогательный цикл - цикл 1-2-3, работа которого тратится на проталкивание воздуха через каналы теплообменника 1 (фиг. 1). Рабочим телом вспомогательного цикла является воздух, циркулирующий внутри теплообменника 1. Воздух (процесс 1-2) расширяется и охлаждается в теплообменнике (отводится теплота q₂). Охлажденный воздух сжимается до исходного давления (процесс 2-3). При постоянном давлении к воздуху подводится теплота q₁ (процесс 3-1 - осуществляется в смесителе). Цикл повторяется. Количество подведенной и отведенной в цикле теплоты равны (q₁=q₂), так как вся работа расширения (процесс 1-2) преобразуется в теплоту.

Количество отведенной (подведенной) теплоты в цикле 1-2-3 зависит от интенсивности теплообменных процессов и массы рабочего тела цикла.

Интенсивность теплообменных процессов характеризуется коэффициентом интенсивности охлаждения воздуха в теплообменнике

,

где и - температуры воздуха в точках 1 и 2 цикла (фиг. 3),

- температура воздуха на входе в компрессор (за вентилятором).

Масса рабочего тела, участвующего в теплообмене, характеризуется коэффициентом циркуляции воздуха в теплообменнике, который определяется как

,

где G_в - расход воздуха, поступающего из теплообменника в смеситель,

G_вт - расход воздуха, циркулирующего в теплообменнике.

Температуры воздуха в цикле 1-2-3 определяются как

,

,

,

где - степень повышения давления в центробежном компрессоре;

η_с - к.п.д. в процессе сжатия.

На фиг. 4 показано изменение температуры Т₂^* на выходе из теплообменника 1 (фиг. 1) в зависимости от коэффициента интенсивности охлаждения воздуха и коэффициента циркуляции δ_ц при температурах воздуха: на входе в компрессор Т_вк^*=300 К, на выходе из компрессора Т_к^*=900 К (π_цк=1,05). Видно, что при коэффициентах циркуляции δ_ц>0,8 интенсивность охлаждения воздуха (снижение Т₂^*) существенно возрастает, а при коэффициентах циркуляции δ_ц>0,95 степень понижения температуры воздуха в теплообменнике стремится (независимо от коэффициента интенсивности охлаждения ) к теоретическому максимуму - степени повышения температуры воздуха в компрессоре.

Таким образом, циркуляционный теплообменник обладает замечательным свойством - позволяет охлаждать воздух, отбираемый от компрессора, практически до температуры, при которой этот воздух поступает в компрессор.

На фиг. 5…8 показаны характеристики ТРДД с циркуляционным теплообменником во втором контуре. При определении характеристик заданы параметры: степень повышения давления в компрессоре в условиях взлета π_ко=60; диаметр вентилятора d_в=3,5 м; к.п.д. в процессе сжатия η_с=0,84; к.п.д. в процессе расширения η_р=0,94; механический к.п.д. η_m=0,99; лопатки - монокристаллические с пленочным охлаждением. Крейсерский режим полета: Н=11 км; М=0,8. Параметры эффективности теплообменника: коэффициент интенсивности охлаждения воздуха , коэффициент циркуляции δ_ц=0,95.

Использование циркуляционного теплообменника в ТРДД, как показывают исследования, позволит:

при прочих равных условиях повысить экономичность двигателя на 5…10% в зависимости от условий полета;

достичь в условиях крейсерского полета (Н=11 км, М=0,8) общего к.п.д. 40…42% (С_уд=0,48…0,43 кг/кгс⋅ч);

повысить тягу двигателя в условиях взлета до 50 тс и более.

Если оценивать в целом, то использование циркуляционного теплообменника в ТРДД является весьма эффективным и, по-видимому, обязательным.