СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВУХКОНТУРНОГО ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ
DOUBLE-FLOW JET TURBINE ENGINE COOLING METHOD

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.
х
к
p
к
р
*
*
*
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=Т-q/c, где Т - температура воздуха за компрессором, с - 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;
o
г
*
на фиг. 5 показаны зависимости тяги двигателя R от температуры газа Т и степени двухконтурности m в условиях взлета;
г
*
на фиг. 6 показаны зависимости удельного расхода топлива  от температуры газа Т и степени двухконтурности m в условиях взлета;
н
г
*
на фиг. 7 показаны зависимости тяги двигателя R от температуры газа Т и степени двухконтурности m в условиях крейсерского полета;
уд
г
*
на фиг. 8 показаны зависимости удельного расхода топлива С от температуры газа Т 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.
2
1
1
2
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 q). Охлажденный воздух сжимается до исходного давления (процесс 2-3). При постоянном давлении к воздуху подводится теплота q (процесс 3-1 - осуществляется в смесителе). Цикл повторяется. Количество подведенной и отведенной в цикле теплоты равны (q=q), 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
,
в
где G - расход воздуха, поступающего из теплообменника в смеситель,
вт
G - расход воздуха, циркулирующего в теплообменнике.
Температуры воздуха в цикле 1-2-3 определяются как
,
,
,
где  - степень повышения давления в центробежном компрессоре;
с
η - к.п.д. в процессе сжатия.
2
ц
вк
к
цк
ц
2
ц
*
*
*
*
На фиг. 4 показано изменение температуры Т на выходе из теплообменника 1 (фиг. 1) в зависимости от коэффициента интенсивности охлаждения воздуха  и коэффициента циркуляции δ при температурах воздуха: на входе в компрессор Т=300 К, на выходе из компрессора Т=900 К (π=1,05). Видно, что при коэффициентах циркуляции δ>0,8 интенсивность охлаждения воздуха (снижение Т) существенно возрастает, а при коэффициентах циркуляции δ>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.
ко
в
с
р
m
ц
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=60; диаметр вентилятора d=3,5 м; к.п.д. в процессе сжатия η=0,84; к.п.д. в процессе расширения η=0,94; механический к.п.д. η=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=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;
уд
достичь в условиях крейсерского полета (Н=11 км, М=0,8) общего к.п.д. 40…42% (С=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.