ТУРБОРЕАКТИВНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
TURBO-JET PLANT FOR AIRCRAFT

Изобретение касается турбореактивной установки для летательного аппарата. В частности, оно относится к теплообменнику, называемому также поверхностным теплообменником и установленному в турбореактивной установке. Теплообменник в соответствии с настоящим изобретением предназначен, например, для охлаждения текучей среды силовой системы турбореактивной установки, такой как масло, чтобы его можно было повторно нагнетать в упомянутую силовую систему, по меньшей мере, в частично охлажденном состоянии. Изобретение относится также к летательному аппарату, содержащему, по меньшей мере, одну такую турбореактивную установку.
В основном теплообменник в соответствии с настоящим изобретением находит свое применение там, где требуется обеспечить охлаждение масла, предназначенного для циркуляции внутри или на периферии турбореактивной установки.
В области гражданской авиации известно использование вспомогательного теплообменника для охлаждения масла, циркулирующего в двигателе турбореактивной установки. Горячее масло поступает в теплообменник, охлаждается в нем и затем повторно используется в силовой системе.
На фиг.1 в разрезе показана известная турбореактивная установка 1, а также два теплообменника 2 и 12 из предшествующего уровня техники.
Турбореактивная установка 1 содержит гондолу 2, в которой находится двигатель 3. Двигатель 3 закреплен на внутренней стенке 4 гондолы 2 через воздушные отводы 5.
В известных технических решениях, как правило, для теплообменника существуют два возможных положения. Действительно, теплообменник можно разместить на уровне корпуса двигателя 3 или на уровне гондолы 2.
Когда теплообменник (6) установлен на уровне корпуса двигателя 3, то он находится, в частности, во внутреннем объеме 7 между капотом 8 двигателя, охватывающем, по меньшей мере, частично двигатель 3, и самим двигателем 3. Воздухозаборник 9 отбирает холодный воздух из холодного воздушного потока, проходящего через турбореактивную установку 1, для его направления внутрь теплообменника 6. Холодный воздух проходит через пластину теплообменника, в котором циркулирует предназначенное для охлаждения масло. Две текучие среды отделены друг от друга перегородками и не смешиваются. Теплообмен происходит внутри пластины. Частично нагретый воздух выходит из теплообменника 6 через воздушный выход 10 и направляется во вторичный воздушный поток, выходящий из гондолы.
В случае, когда теплообменник 12 расположен на уровне гондолы 2, он находится, в частности, во внутреннем объеме упомянутой гондолы 2. Воздухозаборник 13 отбирает холодный воздух из холодного воздушного потока, проходящего через турбореактивную установку 1, для его направления внутрь теплообменника 12. После прохождения через пластину теплообменника 12 этот воздушный поток либо удаляется наружу гондолы 2 через воздушный выход 14, либо опять направляется во внутренний поток двигателя через специальный воздушный выход (не показан).
Такие теплообменники не обеспечивают оптимального решения с точки зрения коэффициента полезного действия тяги и аэродинамического влияния на двигатель по нескольким причинам. В случае, когда воздух, проходящий через пластину теплообменника, удаляется наружу внутреннего контура двигателя, то есть в случае монтажа в гондоле с воздушным выходом наружу, отбор воздуха становится причиной падения тяги, поскольку он не участвует или участвует в незначительной степени в создании тяги двигателя. В случае, когда воздух, проходящий через пластину теплообменника, опять направляется во внутренний контур двигателя, то есть в случае монтажа в корпусе двигателя, за счет своей внутренней архитектуры пластина теплообменника способствует значительной потере напора в потоке и более или менее существенно возмущает аэродинамический поток на выходе двигателя. Кроме того, наличие воздухозаборника, одного или нескольких внутренних каналов, а также воздушного выхода приводит к потерям напора и в большей или меньшей степени возмущает поток внутри двигателя.
Другим известным решением является использование пластинчатого теплообменника. В частности, известен пластинчатый теплообменник, локально следующий форме внутренней стенки 4 гондолы 2, к которой он прилегает. Верхняя сторона теплообменника прилегает к внутренней стенке 4 гондолы, тогда как нижняя сторона находится в холодном воздушном потоке, проходящем во внутреннем объеме гондолы 2. Тепло, переносимое внутри теплообменника, за счет теплопроводности передается на внутреннюю поверхность пластины, образующую нижнюю сторону упомянутого теплообменника. Эта горячая пластина обдувается холодным воздушным потоком, проходящим в гондоле 2. Таким образом, тепло, накапливаемое в горячей пластине, за счет принудительной конвекции направляется в аэродинамический поток турбореактивной установки 1.
Недостатком этого второго варианта выполнения известного теплообменника является то, что он не совместим с современными требованиями снижения уровня шума на выходе турбореактивной установки. Действительно, чтобы снизить этот шум, как известно, внутреннюю стенку 4 гондолы 2, по меньшей мере, частично оборудуют звукоизоляционным покрытием 11. Как правило, это звукоизоляционное покрытие 11 выполняют на внутренних и наружных стенках гондолы 2 и капота 8 двигателя, поскольку эти стенки находятся друг против друга. Присутствие этого звукоизоляционного покрытия 11 не совместимо с необходимостью прилегания пластинчатого теплообменника к внутренней стенке 4 гондолы 2. Для использования такого пластинчатого теплообменника следовало бы локально убрать звукоизоляционное покрытие 11, что создает проблемы размерности, связанной с требованиями снижения шума.
Настоящее изобретение предлагает альтернативное решение для размещения теплообменников, предназначенных для охлаждения текучей среды, проходящей через упомянутый теплообменник, за счет контакта с тангенциальным газовым потоком.
В связи с этим настоящим изобретением предлагается разместить теплообменник не на уровне холодной стенки гондолы, где может находиться звукоизоляционное покрытие, а на уровне стенки двигателя или гондолы, не содержащей такого звукоизоляционного покрытия. Принимая во внимание современную конфигурацию турбореактивных установок на выходе гондолы, то есть на уровне реактивного сопла упомянутого двигателя, находится только участок наружной стенки двигателя, и на нем можно разместить теплообменник в соответствии с настоящим изобретением. Поскольку этот участок наружной стенки находится на уровне выхода первичного воздушного потока, выходящего из двигателя, он может подвергаться действию очень высоких температур. Поэтому существует опасность, что теплообмен будет происходить не от горячей текучей среды, проходящей через теплообменник, к холодному воздуху, обдувающему упомянутый теплообменник, а от горячей стенки двигателя к менее горячей жидкости, проходящей через теплообменник.
Согласно изобретению, чтобы избежать этого нежелательного теплообмена и сохранить при этом предпочтительное расположение теплообменника на уровне реактивного сопла двигателя, предлагается термически изолировать теплообменник от горячей стенки, на которой он установлен. Для этого между горячей наружной стенкой двигателя и нижней стенкой теплообменника оставляют теплоизолирующий воздушный слой таким образом, чтобы ограничить нежелательные теплообмены между этими двумя стенками. Под нижней стенкой следует понимать стенку теплообменника, направленную к двигателю, в отличие от верхней стенки, направленной к внутренней стенке гондолы. Этот изолирующий слой позволяет избежать прямого контакта между горячей стенкой двигателя и нижней стенкой теплообменника за счет создания повышенного теплового сопротивления между двумя стенками. Предпочтительно вход и выход воздуха на уровне изолирующего воздушного слоя выполняют таким образом, чтобы расход воздуха был достаточным для предупреждения слишком долгого застоя воздуха в пространстве между двумя стенками. Действительно, если расход воздуха является нулевым или недостаточным, застаивающийся здесь изолирующий воздушный слой может нагреваться от горячей стенки двигателя и, следовательно, терять свои теплоизоляционные свойства. Можно также предусмотреть воздушный карман, то есть воздух, застаивающийся в пространстве между двумя стенками, при этом упомянутый воздушный карман регулярно обновляют, например, путем открывания вентиля выпуска горячего воздуха и открывания вентиля, обеспечивающего впуск холодного воздуха. Разумеется, теплообменник в соответствии с настоящим изобретением можно также расположить на входе реактивного сопла или даже на внутренней стенке гондолы. В этом случае изолирующий воздушный слой в меньшей степени выполняет свою функцию, но все же не мешает работе теплообменника.
Таким образом, объектом настоящего изобретения является турбореактивная установка для летательного аппарата, содержащая двигатель, установленный в гондоле, и теплообменник, предназначенный для охлаждения текучей среды, используемой в силовой системе двигателя, отличающаяся тем, что теплообменник расположен на уровне наружной стенки двигателя, при этом между наружной стенкой двигателя и нижней стенкой двигателя оставляют промежуточное пространство, в котором может циркулировать воздух. Под промежуточным пространством следует понимать пространство небольшого объема, соответствующее такому минимальному расстоянию между теплообменником и горячей стенкой двигателя, в частности, чтобы не создавать чрезмерного выступа на уровне наружной поверхности стенки двигателя, который мог бы приводить к аэродинамическим возмущениям. Наружный контур промежуточного пространства в соответствии с настоящим изобретением следует наружному контуру изолируемого им теплообменника.
Теплообменник может быть поверхностным теплообменником, таким как пластинчатый теплообменник, оборудованный одной или несколькими пластинами, в которых циркулирует охлаждаемая текучая среда, при этом охлаждающий воздух циркулирует между пластинами. Теплообменник может также содержать корпус, через который проходит трубопровод, в котором циркулирует охлаждаемая текучая среда, при этом охлаждающий воздух циркулирует вокруг трубопровода.
Предпочтительно теплообменник в соответствии с настоящим изобретением располагают на уровне заднего конца двигателя, где нет никакого звукоизоляционного покрытия, покрывающего наружную стенку упомянутого двигателя.
Согласно примерам выполнения турбореактивной установки в соответствии с настоящим изобретением она может содержать все или часть следующих дополнительных отличительных признаков:
- турбореактивная установка содержит средства крепления теплообменника на наружной стенке двигателя;
- средства крепления содержат, по меньшей мере, одну распорку; распорка или распорки могут быть вертикальными или горизонтальными;
- промежуточное пространство образует воздушный карман, в котором воздух частично застаивается; под частичным застаиванием следует понимать, что время нахождения в гондоле охлаждающего воздуха, проходящего через воздушный карман, превышает время нахождения в гондоле холодного воздуха, проходящего через общий внутренний объем гондолы;
- наружная стенка двигателя содержит выемку, в которой установлен теплообменник, таким образом, чтобы он находился в продолжении двигателя, таким образом, избегают образования любого выступа на поверхности наружной стенки двигателя, который может создавать аэродинамические возмущения;
- теплообменник оборудован воздухозаборником, расположенным на входе корпуса теплообменника и выполненным с возможностью направления воздуха в промежуточное пространство;
- воздухозаборник отбирает воздух во вторичном воздушном потоке, проходящем через гондолу; иначе говоря, воздух можно отбирать в объеме вентиляционного воздуха между корпусом двигателя и капотом двигателя.
- теплообменник содержит воздушный выход, выполненный на выходе теплообменника с возможностью удаления воздушного потока, циркулирующего в промежуточном пространстве, за пределы упомянутого промежуточного пространства, предпочтительно во вторичный поток, проходящий через гондолу; можно также предусмотреть повторное нагнетание воздушного потока в объем вентиляционного воздуха.
Воздухозаборник и воздушный выход для промежуточного пространства можно выполнить в виде простой щели или отверстия; можно также оборудовать упомянутые воздухозаборник и воздушный выход специальными средствами перекрывания, чтобы по мере необходимости регулировать впуск и выпуск воздуха в упомянутом промежуточном пространстве.
- теплообменник выполняют по всему или на части наружного окружного периметра двигателя; можно также выполнить точечный поверхностный теплообменник, то есть перекрывающий только ограниченную часть наружной поверхности горячей стенки двигателя.
Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - вид в поперечном разрезе турбореактивной установки, оборудованной теплообменником согласно уже описанному раскрытому уровню техники;
фиг.2 - схематичный вид с вырезом турбореактивной установки, содержащей теплообменник, согласно примеру выполнения изобретения;
фиг.3А и 3В - схематичный вид в поперечном разрезе, иллюстрирующий расположение теплообменника, в соответствии с настоящим изобретением, на наружной стенке двигателя;
фиг.4А и 4В - увеличенный вид наружной стенки двигателя с двумя примерами выполнения теплообменников в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 показана турбореактивная установка 100, оборудованная теплообменником 107 в соответствии с настоящим изобретением.
Турбореактивная установка 100 содержит гондолу 101, во внутреннем объеме 102 которой находится двигатель 103. Как было указано выше со ссылками на фиг.1 при описании известного технического решения, внутренняя стенка 104 гондолы 101 чаще всего содержит звукоизоляционное покрытие (не показано), так же как и передняя часть наружной стенки 105 двигателя 103, находящаяся напротив внутренней стенки 104 гондолы 101. Что же касается заднего конца 106 двигателя 103, не охваченного гондолой 101, то он не содержит такого звукоизоляционного покрытия. Согласно изобретению предпочтительно теплообменник 107 располагают на уровне заднего конца 106 двигателя 103. Под терминами «задний» и «передний» подразумевают положение относительно прохождения вторичного воздушного потока F, циркулирующего в гондоле.
На фиг.3А и 3В показаны два сечения наружной стенки 105 двигателя 103 на уровне заднего конца 106, оборудованного теплообменником 107.
Наружная стенка 105 двигателя 103 выполнена изогнутой и содержит выемку 18, в которой размещают теплообменник 107. Таким образом, верхняя стенка 110 теплообменника, направленная к внутренней стенке 104 гондолы 102, выполнена заподлицо с наружной поверхностью 111 наружной стенки 105 двигателя 103. Вторичный воздушный поток, проходящий через внутренний объем 102 гондолы 101, не претерпевает аэродинамических возмущений из-за присутствия теплообменника 107.
Согласно изобретению в выемке 108 оставлено промежуточное пространство 116, ограниченное нижней стенкой 112 теплообменника 107 и наружной поверхностью 111 наружной стенки 105 двигателя 103.
В примере, показанном на фиг.3А, теплообменник 107 выполнен в виде корпуса, в котором циркулирует охлаждаемая текучая среда, такая как масло, поступающее из силовой системы двигателя 103.
На фиг.3В показана другая форма теплообменника 107. Контур выемки 108, образованной между наружной поверхностью 111 наружной стенки 105 двигателя 103 и нижней стенкой 112 теплообменника 107, по существу следует наружному контуру упомянутого теплообменника 107. Предпочтительно в соответствующем промежуточном пространстве 116 выполнено узкое горлышко 113 таким образом, чтобы снизить расход воздуха на уровне воздушного выхода 114, выполненного на выходе теплообменника 107. Термины «вход» и выход» следует рассматривать относительно прохождения вторичного воздушного потока F во внутреннем объеме 102 гондолы 101. Таким образом, получают воздушный карман, в котором частично застаивается воздух, образующий изолирующий воздушный слой.
Во всех случаях промежуточное пространство 116 выполняют с возможностью прохождения через него изолирующего воздушного потока f, получаемого, например, из вторичного воздушного потока F, циркулирующего в гондоле 101.
Воздухозаборник 115, расположенный на входе теплообменника 107, ориентирован в направлении прохождения вторичного воздушного потока F, чтобы облегчить впуск воздуха в промежуточное пространство 116.
Предпочтительно воздушный выход 114 выполнен в виде аэродинамического отверстия таким образом, чтобы ограничить лобовое сопротивление и облегчить выпуск изолирующего воздуха f.
Теплообменник 107 закреплен на наружной поверхности 111 наружной стенки 105 двигателя 103, например, при помощи распорок, размеры которых пропорциональны размерам, которые необходимо придать упомянутому промежуточному пространству 116.
В другом примере выполнения, как показано на фиг.2, теплообменник 107 выполняют непосредственно на наружной стенке 105 двигателя 103. Действительно, наружную стенку выполняют с полостью таким образом, чтобы получить сквозную щель между первым и вторыми слоями наружной стенки 105, при этом оба слоя остаются локально неподвижно соединенными друг с другом. Теплообменник 107 выполняют в толще первого слоя или верхнего слоя.
Таким образом, обеспечивают отсутствие какого-либо нарушения нивелирования на наружной поверхности 111 наружной стенки 105 двигателя 103, которое могло бы привести к аэродинамическим возмущениям.
В примере, показанном на фиг.2, теплообменник 107 выполнен по всему наружному периметру двигателя 103. Разумеется, можно также выполнить теплообменник 107 на частичном наружном периметре упомянутого двигателя 103.
На фиг.3В показаны вертикальные распорки 117, соединяющие нижнюю стенку 112 теплообменника с наружной поверхностью 111 наружной стенки 105 двигателя 103. Под вертикальным направлением подразумевают, что распорки расположены радиально от стенки двигателя до теплообменника 107.
На фиг.4А и 4В в увеличенном виде показана наружная стенка 105 двигателя 103 на уровне теплообменника 107 в соответствии с настоящим изобретением. Воздухозаборник 115, показанный на фиг.4А, симметричен воздушному выходу 114. В частности, воздухозаборник 115, как и воздушный выход 114, выполнены в виде продольной щели по всей ширине теплообменника 107. Под шириной следует понимать размер в вертикальном направлении относительно продольной оси турбореактивной установки.
На фиг.4В воздухозаборник 115 является точечным, то есть выполнен на части ширины теплообменника 107. Таким образом, расход изолирующего воздушного потока f, поступающего в промежуточное пространство 116, меньше в примере, показанном на фиг.4В, чем в примере, показанном на фиг.4А.
Во всех случаях изолирующий воздушный поток f, проходящий через промежуточное пространство 116, может поддерживать теплоизоляцию между горячей стенкой 105 двигателя 103 и нижней стенкой 112 теплообменника 107, сводя к минимуму теплообмен между этими двумя стенками.
Как показано на фиг.2, изолирующий воздушный поток f, выходящий через воздушный выход 114, смешивается с вторичным воздушным потоком F, выходящим из внутреннего объема гондолы и с первичным воздушным потоком F', выходящим из реактивного сопла. Поскольку количество воздуха, отбираемое на уровне вторичного воздушного потока F для питания промежуточного пространства, является относительно небольшим, аэродинамический поток внутри внутреннего объема 103 гондолы 101 не нарушается. Кроме того, в случае, когда воздушный поток отбирают в объеме вентиляционного воздуха между капотом и корпусом двигателя, внутри гондолы 101 не происходит аэродинамического возмущения.