СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF GAS TURBINE ENGINE COOLING

Изобретение относится к авиадвигателестроению.
Развитие авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) идет по пути повышения температур рабочего тела, что требует создания эффективных способов охлаждения ГТД.
Эффективность существующих систем охлаждения ГТД (Теория авиационных двигателей. Под ред. П.К. Казанджана. - М.: Машиностроение, 1983. C.188-l97, рис.11.1, 11.3, 11.4, 11.5, 11.8) при степенях повышения давления воздуха более 25 резко снижается, что связано с ростом температуры воздуха, используемого при охлаждении.
Целью изобретения является понижение температуры воздуха, используемого при охлаждении ГТД.
Известен способ понижения температуры охлаждающего воздуха, заключающийся в использовании теплообменника, установленного во втором контуре двухконтурного турбореактивного двигателя (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).
Известен способ охлаждения воздуха, заключающийся в его сжатии в компрессоре с последующим охлаждением в теплообменнике и механически связанным с компрессором турбодетандере (Патент RU 2120586 С1, 1998).
Поставленная цель достигается тем, что во входном канале ГТД устанавливаются: компрессор, поперечные размеры которого меньше поперечных размеров входного канала ГТД, а степень повышения давления больше, чем в компрессоре ГТД, теплообменник и механически связанный с компрессором турбодетандер, образующие турбохолодильную установку (ТХУ). В турбодетандере сжатый воздух расширяется до заданного давления (охлаждается), после чего поступает в ГТД, который приводит в действие ТХУ.
Сущность изобретения заключается в том, что за счет механической работы, генерируемой ГТД, осуществляется передача теплоты от воздуха, используемого для охлаждения ГТД, воздуху, поступающему в компрессор ГТД.
Предпочтительным давлением воздуха на выходе из турбодетандера следует считать давление, соответствующее давлению воздуха за компрессором ГТД (стандартное техническое условие для обеспечения работоспособности систем воздушного охлаждения ГТД).
Для увеличения степени охлаждения воздуха (за счет повышения предельной степени сжатия воздуха в компрессоре ТХУ), часть охлажденного воздуха, выходящего из турбодетандера, следует перепускать на вход в компрессор ТХУ.
Предельная степень повышения давления воздуха в компрессоре ТХУ определяется как
М
где Т - предельно допустимая температура для компрессора теплообменника ТХУ (здесь и далее по тексту используются температуры торможения);
В
Т - температура воздуха на входе в компрессор ТХУ;
К
η - коэффициент полезного действия компрессора.
С целью повышения коэффициента интенсивности охлаждения воздуха в теплообменнике (доля отведенной теплоты от теплоты, которую можно теоретически отвести) расход воздуха через компрессор ТХУ должен составлять не более 10% от расхода воздуха через компрессор ГТД.
Для согласования частот вращения компрессоров ТХУ и ГТД между ТХУ и ГТД может устанавливаться редуктор.
На фиг.1 изображена схема ГТД с ТХУ на входе;
на фиг.2 изображен термодинамический процесс в Ρ-υ координатах;
на фиг.3 показаны зависимости температур охлажденного воздуха для ГТД с различными степенями повышения давления в компрессоре;
на фиг.4 показана характеристика эффективности предлагаемого способа.
ГТД (фиг.1) состоит из входного устройства 1, входного устройства турбохолодильной установки 2, осецентробежного компрессора 3, теплообменника 4, турбодетандера 5, ресивера 6, турбокомпрессора 7, выходного устройства 8. Турбокомпрессор 7 состоит из компрессора ГТД, камеры сгорания и турбины привода компрессора ГТД. Поперечные размеры канала входного устройства 1 больше поперечных размеров компрессора 3. Компрессор 3, турбодетандер 5 и турбокомпрессор 7 соединены между собой полым валом, внутренняя полость которого соединяет полости: входного устройства ТХУ, ресивера 6 и каналов системы охлаждения ГТД.
Способ охлаждения ГТД осуществляется следующим образом. Воздух через входное устройство 1 попадает в ГТД и делится на два потока.
Первый поток проходит через теплообменник 4 и попадает в компрессор ГТД.
Второй поток поступает во входное устройство ТХУ, смешивается с холодным воздухом, поступающим через полый вал, и попадает в компрессор 1. В компрессоре воздух сжимается до заданного давления и нагревается. Нагретый воздух поступает в теплообменник 4, где охлаждается воздухом наружного контура. Охлажденный воздух под давлением поступает в турбодетандер, где расширяется до заданного давления, равного давлению воздуха за компрессором ГТД, и охлаждается до требуемой температуры.
Х
Требуемая температура на выходе их ТХУ поддерживается за счет частичного перепуска холодного воздуха (через полый вал) на вход в компрессор 1. Уменьшение температуры воздуха на входе в компрессор 1 позволяет при прочих равных условиях иметь более высокую степень повышения давления в компрессоре ТХУ и, соответственно, более высокую степень охлаждения воздуха в турбодетандере - более низкую температуру Т.
Холодный воздух из ресивера 6 (через полый вал) поступает в систему охлаждения ГТД. Привод ТХУ осуществляется газотурбинным двигателем.
На фиг.2 изображен термодинамический процесс в Ρ-υ координатах, показывающий энергетические превращения воздуха при его прохождении через ТХУ. Буквами обозначены состояния воздуха: В - на входе в компрессор ТХУ; К - при давлении, равном давлению за компрессором ГТД; М - на выходе из компрессора ТХУ; Д - на входе в турбодетандер; X - на выходе из турбодетандера. Видно, что на выходе из турбодетандера давление воздуха равно давлению воздуха за компрессором ГТД, а его температура меньше температуры воздуха на входе в компрессор ТХУ (компрессор ГТД).
Если допустить, что температура воздуха на входе в ТХУ близка к температуре воздуха на входе в компрессор ГТД, то температура холодного воздуха (фиг.2) может быть определена как
,
где  - коэффициент интенсивности охлаждения воздуха в теплообменнике ТХУ;
К
π - степень повышения давления в компрессоре ГТД.
К
В
М
На фиг.3 показаны значения температур холодного воздуха для ГТД, имеющих разные π и разные ϑ, при температурах воздуха: Т=288 K, Т=1000 K, полученные в соответствии с представленным выше соотношением.
Еще более наглядно эффективность предлагаемого способа иллюстрируется относительной температурой холодного воздуха , которая показывает, какую степень понижения температуры позволяет реализовать способ по отношению к традиционному отбору воздуха за компрессором ГТД. Относительная температура холодного воздуха определяется как
.
М
В
В
На фиг.4 показана зависимость  от температуры воздуха на входе в ТХУ для различных коэффициентов ϑ при Т=1000 K. Видно, что уменьшение Τ (например, Τ=200 Κ и менее), которое может быть достигнуто перепуском холодного воздуха на вход в ТХУ, позволяет реализовать, по сути, любую степень понижения температуры .
Исходя из возможностей способа (фиг.4), его применение позволяет решить проблему высоких температур в ГТД, включая температуру газа перед турбиной. Максимальные температуры газа, которые могут быть реализованы в ГТД, составляют порядка 2600 K (при больших температурах происходит диссоциация продуктов сгорания). Предлагаемый способ охлаждения ГТД позволяет в случае необходимости достичь 2600 K.