СИСТЕМА ТЕПЛООБМЕННИКА, КОНТУР ЦИРКУЛЯЦИИ ТОПЛИВА ТУРБОМАШИНЫ И ТУРБОМАШИНА
HEAT EXCHANGER SYSTEM, TURBOMACHINE FUEL CIRCULATION CIRCUIT AND TURBOMACHINE

Изобретение относится к системе теплообменника, через которую протекает жидкость. Такая система может быть установлена в любом жидкостном (т.е. гидравлическом) контуре, в частности, в контуре циркуляции топлива или в контуре циркуляции масла.
Данная система может использоваться, например, в контуре циркуляции топлива наземной или авиационной турбомашины (турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель) и, более конкретно, в контуре циркуляции топлива турбореактивного двигателя самолета.
Изобретение относится к системе теплообменника, через которую протекает жидкость, причем система теплообменника содержит теплообменник с входом для жидкости и выходом для жидкости. Во время работы через теплообменник проходит, с одной стороны, топливо, поступающее из топливного бака самолета, причем топливо проходит через указанные вход и выход для жидкости, и, с другой стороны, масло из контура циркуляции масла системы смазки генератора со встроенным приводом самолета, причем масло проходит через другие входы и выходы для жидкости теплообменника.
Топливо имеет температуру ниже температуры масла (которое нагревается при контакте с генератором со встроенным приводом), и теплообменник обеспечивает возможность охлаждения масла.
Далее более подробно рассмотрим, в частности, контур циркуляции топлива, проходящий через теплообменник.
Засорение теплообменника из-за посторонних примесей (также называемых загрязняющие вещества), присутствующих в топливе, является потенциально возможной неисправностью, которая может произойти в любой момент после определенного времени работы турбореактивного двигателя. Частичное засорение теплообменника ведет к потере напора, что может нарушить правильную работу элементов системы, расположенных ниже по потоку относительно теплообменника, и полное засорение теплообменника может разорвать контур циркуляции топлива и тем самым вызвать остановку турбореактивного двигателя.
Среди различных известных типов теплообменников, которые могут использоваться в контуре циркуляции топлива турбореактивного двигателя, следует отметить трубчатые теплообменники и пластинчатые теплообменники.
Трубчатые теплообменники имеют матричную структуру, образованную множеством трубок, которые разделяют две жидкости, проходящие через теплообменник. Проходное сечение трубок должно отвечать требованиям технологической реализуемости. Другими словами, ниже некоторого минимального внутреннего диаметра трубок эти трубки слишком трудно изготовить. Минимальный внутренний диаметр часто заметно больше диаметра примесей, присутствующих в топливе, так что вероятность засорения теплообменника этого типа остается низкой, но она существует. Однако для увеличения тепловой производительности теплообменника трубки обычно имеют штыри на их внутренних поверхностях. Указанные штыри улавливают примеси, и пойманные штырями примеси движутся и постепенно истирают трубку до тех пор, пока в ней не образуются отверстия. Эти отверстия могут повлечь за собой существенные проблемы.
Пластинчатые теплообменники имеют преимущество в том, что они могут иметь проходные сечения для жидкости меньше, чем у трубчатых теплообменников, но чем меньше проходные сечения, тем выше риск засорения. Таким образом, пластинчатые теплообменники сегодня используются в турбореактивных двигателях мало, если вообще используются.
Независимо от типа используемого теплообменника, предпочтительно, чтобы отсутствовала необходимость в контроле засорения теплообменника. Это требует наличия защиты от засорения теплообменника. Поэтому проходные сечения для жидкости в теплообменнике выполняются таким образом, чтобы их размер был больше размера самых больших примесей, которые могут присутствовать в жидкости. Из-за этого указанные проходные сечения, как правило, имеют существенные размеры.
Задачей настоящего изобретения является создание системы теплообменника, обеспечивающей возможность использования, если требуется, теплообменника с небольшими проходными сечениями для жидкости, при этом исключающей контроль засорения теплообменника.
Для решения этой задачи согласно изобретению создана система теплообменника, через которую протекает жидкость, содержащая теплообменник с входом для жидкости и выходом для жидкости, перепускной клапан с входом для жидкости и выходом для жидкости и самоочищающийся фильтр с входом для жидкости и двумя выходами для жидкости, один из которых является выходом для отфильтрованной жидкости и другой является выходом для неотфильтрованной жидкости, причем выход для отфильтрованной жидкости соединен с входом теплообменника, и выход для неотфильтрованной жидкости соединен с входом клапана, причем выход для жидкости теплообменника подсоединен ниже по потоку относительно выхода клапана.
Таким образом, система согласно изобретению содержит самоочищающийся фильтр, соединенный с входом теплообменника. В начале через этот фильтр проходит вся жидкость, поступающая в систему. Вход теплообменника тем самым является входом для жидкости системы. Фильтр улавливает все примеси, имеющие размер больше, чем ячейки переплетения фильтра. Накопление примесей ведет к загрязнению фильтра и тем самым к увеличению потери напора в фильтре. Когда давление на входе перепускного клапана, которое растет, достигает предварительно заданного порогового значения, клапан открывается. Это открытие удерживает потери напора на допустимом уровне и позволяет всей жидкости течь через клапан. Поток жидкости будет заставлять перемещаться примеси, уловленные самоочищающимся фильтром, и тем самым очищать фильтр. Параллельно с этим фильтрующая поверхность, освобожденная от примесей, позволит проходить через нее жидкости, так что потери напора будут уменьшаться. Клапан будет постепенно закрываться, и фильтр возобновит свою нормальную работу.
Независимо от положения (открытое или закрытое) перепускного клапана, теплообменник всегда защищен от примесей с помощью фильтра. Поэтому больше нет риска засорения теплообменника, так что можно исключить контроль его засорения. Более того, в случае трубчатого теплообменника со штырями, указанный риск образования отверстий в трубке также исключается.
Кроме того, вместо трубчатого теплообменника можно использовать пластинчатый теплообменник с небольшими проходными сечениями, который в целом меньше по размерам, легче и имеет большую производительность с точки зрения теплообмена в сравнении с трубчатым теплообменником.
Наконец, так как фильтр является самоочищающимся и теплообменник защищен от примесей, указанные элементы не нужно чистить (или заменять) часто, или возможно даже не нужно чистить совсем, что уменьшает затраты на обслуживание системы.
Другой задачей изобретения является создание контура циркуляции топлива турбомашины, содержащий указанную систему теплообменника. Изобретение применимо для всех типов турбомашин, наземных или авиационных и, в частности, к турбореактивным двигателям самолетов.
Изобретение и его преимущества станут более понятны после прочтения последующего подробного описания, приведенного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - пример контура циркуляции топлива согласно изобретению;
Фиг.2 - самоочищающийся фильтр и перепускной клапан одного варианта осуществления системы согласно изобретению, причем клапан находится в закрытом положении; и
Фиг.3 - вид, подобный фиг.2, когда клапан находится в открытом положении.
Фиг.1 схематично иллюстрирует пример контура 10 циркуляции топлива для турбореактивного двигателя самолета.
В данном описании положения «выше по потоку» и «ниже по потоку» определяются для нормального направления течения жидкости (здесь, топливо), проходящей через контур и систему согласно изобретению.
Контур 10 содержит, если смотреть в направлении от стороны выше по потоку к стороне ниже по потоку: топливный бак 11 (в данном случае топливный бак самолета); насос 12 низкого давления, закачивающий топливо в топливный бак 11; систему 14 теплообменника согласно изобретению, питаемую насосом 12; основной фильтр 16; насос 18 высокого давления; сервомеханизм 20, питаемый топливом насосом 18; регулятор 22 подачи топлива, питаемым насосом 18; и топливные инжекторы 24, расположенные ниже по потоку относительно регулятора 22. Инжекторы 24 располагаются в камере сгорания турбореактивного двигателя.
Фиг.1 также иллюстрирует контур 28 циркуляции масла, обеспечивающей смазку электрического генератора (или генератора со встроенным приводом) 26 самолета. Система 14 теплообменника согласно изобретению содержит самоочищающийся фильтр 2, теплообменник 4 и перепускной клапан 6.
Через теплообменник 4 проходит, с одной стороны, топливо от контура 10 циркуляции топлива, и, с другой стороны, масло из контура 28. Топливо имеет температуру ниже температуры масла во время работы турбореактивного двигателя, и теплообменник 4 обеспечивает возможность охлаждения масла.
Как показано на чертеже, система 14 теплообменника располагается выше по потоку относительно основного фильтра 16 контура 10 и ниже по потоку относительно топливного насоса 12 низкого давления контура 10. Самоочищающийся фильтр 2 имеет вход 2а для жидкости и два выхода для жидкости, из которых один является выходом 2b для отфильтрованной жидкости, а другой является выходом 2с для неотфильтрованной жидкости.
Вход 2а является входом для жидкости системы 14, и вся жидкость, проходящая через систему, проходит через вход 2а. В данном примере этот вход соединен с выходом насоса 12.
Выход 2b для отфильтрованной жидкости соединен с входом 4а теплообменника 4, а выход 2с для неотфильтрованной жидкости соединен с входом 6а клапана 6. Кроме того, выход 4b для жидкости теплообменника располагается ниже по потоку относительно выхода 6b клапана, так что жидкость, выходящая из системы 14, содержит жидкость, вышедшую через выход 6b клапана, и/или жидкость, вышедшую через выход 4b системы.
Фиг.2 и 3 показывают более подробно пример самоочищающегося фильтра 2 и перепускного клапана 6. В данном примере фильтр 2 содержит трубчатую фильтрующую мембрану 30 с осью А. Например, мембрана 30 изготовлена из ткани с плетением типа «простое голландское плетение» или типа «простой репс».
Вход 2а для жидкости фильтра 2 располагается на одном конце мембраны 30. Выход 2с для неотфильтрованной жидкости фильтра 2 располагается на другом конце мембраны 30, выход 2b для отфильтрованной жидкости располагается сбоку мембраны 30. Поток жидкости, проходящий через вход 2а и выходящий через выход 2b для отфильтрованной жидкости, обозначенный на фиг.2 стрелкой F, проходит через мембрану 30 (следуя в направлении, перпендикулярном оси А) и тем самым фильтруется последним. Поток жидкости, проходящей через вход 2а и выходящий через выход 2с для неотфильтрованной жидкости, показанный на фиг.3 стрелкой F, проходит внутри мембраны вдоль оси А.
Когда примеси начинают загрязнять мембрану 30, давление жидкости на выходе 2с для неотфильтрованной жидкости увеличивается, вплоть до некоторого значения, после которого перепускной клапан 6 открывается, чтобы позволить жидкости проходить через него. Поток жидкости (стрелки F'), таким образом, становится направленным вдоль оси А внутри мембраны 30. Этот поток жидкости заставляет перемещаться вместе с ним примеси, присутствующие на внутренней поверхности мембраны 30, которые загрязняют ее. Таким образом, фильтрующий элемент 30 очищается от примесей. Давление на выходе 2с для неотфильтрованной жидкости в результате уменьшается, и перепускной клапан 6 постепенно закрывается, пока он не достигнет своего исходного закрытого положения, показанного на фиг.2.
Когда клапан находится в закрытом положении (см. фиг.2), вся жидкость, проходящая через вход 2а, направляется к теплообменнику 4 через выход 2b для отфильтрованной жидкости.
В контуре циркуляции топлива турбореактивного двигателя самолета размер ячеек плетения основного фильтра 16 как правило составляет от 32 до 36 микрометров.
Размер ячеек плетения самоочищающегося фильтра 2 предпочтительно составляет от 55 до 75 микрометров. Этот размер ячеек плетения обеспечивает фильтрацию частиц большого размера, представляющих опасность для теплообменника 4, как с точки зрения износа, так и с точки зрения засорения. Другими словами, частицы, которым фильтр 2 позволяет проходить, не представляют опасности для теплообменника 4. Следует отметить, что самоочищающийся фильтр 2 располагается выше по потоку относительно основного фильтра 16, что закономерно, так как у него размер ячеек плетения больше, чем у основного фильтра.