ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКУЮ ДВИГАТЕЛЬНУЮ УСТАНОВКУ
POWER PLANT AND AIRCRAFT CONTAINING SUCH POWER PLANT

Предлагаемое изобретение относится к теплообменнику, предназначенному для его размещения над пилоном крепления, связывающим турбореактивный двигатель с крылом летательного аппарата, причем этот теплообменник имеет возможность обеспечить охлаждение, по меньшей мере частичное, потока очень горячего воздуха при помощи потока холодного воздуха. Говоря более конкретно, предлагаемое изобретение относится к трубопроводу подачи горячего воздуха и к трубопроводу подачи охлаждающего воздуха, подводящих поток горячего воздуха и поток охлаждающего воздуха в корпус теплообменника. Предлагаемое изобретение относится также к двигательной установке, имеющей в своем составе такой теплообменник. Предлагаемое изобретение относится также к летательному аппарату, содержащему, по меньшей мере, одну двигательную установку в соответствии с этим изобретением.
В области авиации известно использование горячего воздуха, отбираемого от места расположения компрессоров турбореактивных двигателей летательного аппарата, в системах кондиционирования воздуха в кабинах этого летательного аппарата. Поскольку системы кондиционирования воздуха предназначены для кабины экипажа и пассажирских салонов, необходимо охлаждать этот горячий воздух перед его подачей в системы кондиционирования.
Для такого охлаждения используют теплообменник, в котором поток горячего воздуха пересекается с потоком холодного воздуха, отбираемого на выходе вентилятора турбореактивного двигателя. При этом поток холодного воздуха и поток горячего воздуха движутся внутри корпуса теплообменника, обычно имеющего форму параллелепипеда, таким образом, чтобы имел место тепловой обмен между этими потоками.
Обычно поток горячего воздуха поступает через переднюю поверхность в корпус теплообменника и движется в этом корпусе в направлении спереди назад внутри полых пластин. При этом частично охлажденный поток горячего воздуха выходит из корпуса теплообменника через его заднюю поверхность для того, чтобы быть направленным в систему кондиционирования воздуха. Поток холодного воздуха при этом поступает через нижнюю поверхность в корпус теплообменника и движется в нем в направлении снизу вверх между упомянутыми полыми пластинами, после чего выбрасывается за пределы корпуса теплообменника через отверстия, выполненные на его верхней поверхности, для удаления из пилона крепления двигателя.
Потоки холодного воздуха и горячего воздуха, таким образом, движутся в корпусе теплообменника в перпендикулярных направлениях, обеспечивая недостаточно высокий коэффициент полезного действия теплового обмена на выходе из теплообменника.
Горячий воздух, подлежащий охлаждению, отбирается из турбореактивного двигателя, расположенного под пилоном его крепления. Таким образом, для подведения этого потока горячего воздуха к теплообменнику необходимо провести его через конструкцию этого пилона крепления. Для того чтобы не ослаблять конструкцию этого пилона, необходимо в максимально возможной степени сохранить его целостность, исключая, в частности, слишком многочисленные прохождения через него сквозных трубопроводов.
Чаще всего частично нагретый в теплообменнике холодный воздух сразу удаляется за пределы турбореактивного двигателя. Таким образом, он больше не принимает участия в термодинамическом цикле двигателя, что влечет за собой определенное снижение эксплуатационных характеристик этого двигателя. Этот частично нагретый в теплообменнике холодный воздух, выбрасываемый в верхней части пилона крепления, связывающего турбореактивный двигатель с крылом летательного аппарата, нарушает аэродинамическое обтекание этого летательного аппарата. В то же время необходимо использовать материал, способный противостоять воздействию высоких температур, или наносить на капоты турбореактивного двигателя термостойкое покрытие для того, чтобы исключить возможность повреждения этих капотов нагретым в теплообменнике холодным воздухом. Это приводит к увеличению массы двигательной установки, имеющей в своем составе такой теплообменник. Известно также повторное введение потока охлаждающего воздуха, движущегося через теплообменник, в поток газов, создающих тягу турбореактивного двигателя. Для этого канал отведения охлаждающего воздуха должен проходить сквозь пилон крепления для того, чтобы подходить к турбореактивному двигателю, что приводит к ослаблению конструкции этого пилона.
Техническая задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить теплообменник, имеющий относительно небольшие габаритные размеры. Другая техническая задача этого изобретения состоит в том, чтобы предложить такой теплообменник, в котором охлаждающий воздух после его использования мог бы быть направлен в поток газов, создающих тягу турбореактивного двигателя, не вызывая при этом нежелательных последствий для жесткости и массы пилона крепления двигателя. Дополнительная техническая задача этого изобретения состоит в том, чтобы предложить теплообменник, имеющий высокий коэффициент полезного действия теплового обмена. В предлагаемом изобретении также делается попытка улучшить эксплуатационные характеристики двигательной установки, имеющей в своем составе предлагаемый теплообменник.
Для решения этих технических задач трубопровод подачи горячего воздуха и трубопровод удаления холодного воздуха располагают (оба) на задней поверхности корпуса теплообменника. Здесь понятия "передний" и "задний" следует рассматривать по отношению к направлению течения потока воздуха, располагающегося снаружи от корпуса теплообменника. Таким образом, поток холодного воздуха, нагретого в теплообменнике, отводится через трубопроводы в выходную часть корпуса, и имеется возможность направить этот холодный воздух в поток воздуха, принимающего участие в создании тяги двигателя, подводя его в канал вентилятора турбореактивного двигателя. Таким образом, эксплуатационные характеристики турбореактивного двигателя лишь в незначительной степени нарушаются вследствие отбора холодного воздуха для его использования в теплообменнике. Кроме того, капоты турбореактивного двигателя в этом случае могут быть изготовлены из композитных материалов, поскольку они не входят в контакт с потоком нагретого в теплообменнике холодного воздуха. Поскольку теплообменник расположен над пилоном крепления двигателя, трубопровод выхода холодного воздуха, нагретого в теплообменнике, должен проходить через этот пилон для того, чтобы подходить к двигателю. С целью уменьшения габаритных размеров системы трубопроводов в пилоне крепления двигателя предусматривается, что трубопровод, подводящий отобранный из двигателя горячий воздух к корпусу теплообменника, который должен проходить через пилон крепления, и трубопровод выхода нагретого в этом теплообменнике холодного воздуха выполняют коаксиальными. Таким образом, только один трубопровод проходит через пилон крепления двигателя, причем один из этих трубопроводов размещен внутри другого трубопровода. При этом предварительный тепловой обмен может иметь место вдоль двух этих коаксиальных трубопроводов. Предпочтительным образом поток холодного воздуха и поток горячего воздуха движутся в корпусе теплообменника параллельно друг другу и, по меньшей мере частично, в противоположных направлениях. Говоря более конкретно, поток холодного воздуха проходит через корпус теплообменника в направлении спереди назад, а поток горячего воздуха проходит через корпус теплообменника, по меньшей мере, один раз в направлении сзади вперед. Поток горячего воздуха может проходить внутри трубопроводов, проходящих в горизонтальном направлении через корпус теплообменника. Поток холодного воздуха при этом свободно движется между этими трубопроводами. Трубопроводы, в которых проходит горячий воздух, могут формировать петлю таким образом, чтобы поток горячего воздуха имел два направления течения в корпусе теплообменника, соответственно сзади вперед, а затем спереди назад. Кроме того, несколько петель трубопроводов могут быть наложены друг на друга в корпусе теплообменника. Таким образом удается повысить коэффициент полезного действия теплового обмена между потоком холодного воздуха и потоком горячего воздуха, поскольку поверхность теплообмена в корпусе теплообменника при этом увеличивается.
Таким образом, объектом предлагаемого изобретения является теплообменник, содержащий корпус теплового обмена, в котором движутся поток охлаждающего воздуха и поток горячего воздуха, отличающийся тем, что этот теплообменник содержит трубопровод подвода горячего воздуха, расположенный на задней поверхности корпуса и предназначенный для подачи потока горячего воздуха в корпус теплообменника, и трубопровод удаления охлаждающего воздуха, расположенный на задней поверхности корпуса и предназначенный для отведения потока охлаждающего воздуха за пределы корпуса теплообменника, причем упомянутые трубопроводы выполнены концентрическими.
В соответствии с различными примерами реализации данного изобретения предлагаемый теплообменник может обладать всеми или частью следующих дополнительных характеристик:
- трубопровод удаления охлаждающего воздуха охватывает трубопровод подведения горячего воздуха;
- поток охлаждающего воздуха и поток горячего воздуха движутся в корпусе теплообменника в горизонтальном направлении параллельно один другому, причем поток охлаждающего воздуха проникает в корпус теплообменника через переднюю поверхность этого корпуса таким образом, чтобы поток горячего воздуха и поток охлаждающего воздуха двигались в корпусе теплообменника, по меньшей мере частично, в противоположных направлениях;
- корпус теплообменника содержит воздуховоды, в которых движется поток горячего воздуха, причем поток охлаждающего воздуха движется вокруг упомянутых воздуховодов;
- поток охлажденного в теплообменнике горячего воздуха выводится из корпуса теплообменника через переднюю поверхность этого корпуса;
- поток охлажденного в теплообменнике горячего воздуха выводится из корпуса теплообменника через заднюю поверхность этого корпуса, причем поток горячего воздуха движется в корпусе теплообменника сначала сзади вперед, а затем спереди назад;
- теплообменник содержит криволинейные воздуховоды, расположенные в корпусе теплообменника, в которых движется поток горячего воздуха, причем каждый такой воздуховод, по меньшей мере, два раза пересекает корпус теплообменника;
- теплообменник содержит множество воздуховодов, расположенных парами, причем эти пары воздуховодов размещены в корпусе теплообменника одна над другой.
Объектом предлагаемого изобретения также является двигательная установка для летательного аппарата, имеющая в своем составе турбореактивный двигатель, пилон крепления, предназначенный для крепления этого турбореактивного двигателя к крылу летательного аппарата, и теплообменник в соответствии с предлагаемым изобретением, причем корпус этого теплообменника закреплен на верхней поверхности пилона крепления двигателя.
В соответствии с различными примерами реализации данного изобретения предлагаемая двигательная установка может обладать всеми или частью следующих дополнительных характеристик:
- трубопровод удаления охлаждающего воздуха проходит через пилон крепления двигателя таким образом, чтобы выводить поток охлаждающего воздуха в задней части турбореактивного двигателя;
- трубопровод удаления охлаждающего воздуха содержит два сопла выбрасывания, расположенные под пилоном крепления по одну и по другую стороны от турбореактивного двигателя;
- трубопровод подачи горячего воздуха проходит через пилон крепления двигателя таким образом, чтобы подвести поток горячего воздуха от турбореактивного двигателя до задней поверхности корпуса теплообменника, причем трубопровод подачи горячего воздуха и трубопровод удаления холодного воздуха выполнены концентрическими на всем протяжении их прохождения через пилон крепления двигателя;
- трубопровод подачи охлаждающего воздуха, обеспечивающий подведение потока охлаждающего воздуха от турбореактивного двигателя до корпуса теплообменника, проходит над пилоном крепления двигателя;
- трубопровод подачи охлаждающего воздуха отбирает поток охлаждающего воздуха фронтально в турбореактивном двигателе в зоне раздвоения потоков воздуха, расположенной по потоку перед капотами реверса тяги.
Предлагаемое изобретение относится также к летательному аппарату, содержащему, по меньшей мере, одну двигательную установку в соответствии с этим изобретением.
Предлагаемое изобретение очевидно из приведенного ниже описания, не являющегося ограничительным примерами его реализации, приводимыми со ссылками на приложенные фигуры чертежей, на которых:
Фиг.1 - частичный схематический вид двигательной установки, имеющей в своем составе теплообменник, в соответствии с предлагаемым изобретением;
Фиг.2 - схематический вид сзади одного из примеров реализации теплообменника, в соответствии с предлагаемым изобретением;
Фиг.3 - схематический вид в разрезе по плоскости III-III, показанной на Фиг.2;
Фиг.4 - схематический вид в разрезе по плоскости IV-IV, показанной на Фиг.2.
На Фиг.1 представлен теплообменник 1, располагающийся на пилоне 2 крепления, связывающем турбореактивный двигатель 3 с крылом летательного аппарата (на чертежах не показано).
Теплообменник 1 содержит корпус 4 прямоугольной формы, в котором движутся поток охлаждающего воздуха и поток горячего воздуха. Поток охлаждающего воздуха попадает в корпус 4 через трубопровод 5 подачи охлаждающего воздуха на уровне передней поверхности 6 этого корпуса 4. Под передней поверхностью здесь следует понимать поверхность корпуса, ориентированную в направлении вентилятора 8 турбореактивного двигателя 3 и противоположную его задней поверхности 7, ориентированной в сторону задней части турбореактивного двигателя. В примере реализации, представленном на Фиг.1, поток охлаждающего воздуха отбирается фронтально в турбореактивном двигателе, в зоне раздвоения потоков воздуха, располагающейся непосредственно после вентилятора 8. Таким образом, трубопровод подачи охлаждающего воздуха не проходит через конструкцию пилона 2 крепления двигателя, но проходит над пирамидальной конструкцией 10 этого пилона 2. Пирамидальная конструкция 10 представляет собой переднюю вершину пилона 2 крепления двигателя, при помощи которой упомянутый пилон 2 прикреплен к передней части турбореактивного двигателя 3. Поток охлаждающего воздуха также может быть забран более традиционным образом, поперечно в канале течения воздуха, выполненном между турбореактивным двигателем 3 и кожухом гондолы двигателя (на приведенных в приложении фигурах не показана). В этом случае трубопровод 5 подачи холодного воздуха должен иметь изгиб для того, чтобы иметь возможность соединения с передней поверхностью 6 корпуса 4 теплообменника и, в случае необходимости, должен проходить через силовую конструкцию пилона 2. Трубопровод 5 подачи холодного воздуха также может открываться с боковой поверхности корпуса 4 теплообменника, располагающейся с той стороны кожуха, где происходит забор потока охлаждающего воздуха.
Как это более подробно раскрыто далее, поток охлаждающего воздуха движется свободно внутри корпуса 4 теплообменника между воздуховодами, в которых движется поток подлежащего охлаждению горячего воздуха. Таким образом, поток охлаждающего воздуха движется в корпусе 4 в направлении от его передней части к его задней части и отводится на выходе из корпуса 4 через трубопровод 9 удаления охлаждающего воздуха, открывающийся на уровне задней поверхности 7 корпуса 4. Трубопровод 9 удаления охлаждающего воздуха проходит через пилон 2 крепления двигателя по всей высоте этого пилона 2 для соединения с турбореактивным двигателем 3, расположенным под пилоном 2. Под высотой h здесь следует понимать размер пилона 2, измеренный от ее верхней поверхности 11, на которой закреплен корпус 4 теплообменника, до ее нижней поверхности 12, ориентированной в направлении турбореактивного двигателя 3. После прохождения через пилон 2 трубопровод 9 удаления охлаждающего воздуха разделяется на два боковых патрубка, соответственно левый 13 и правый 14. Эти боковые патрубки 13 и 14 расположены по одну и по другую стороны от вертикальной плоскости симметрии турбореактивного двигателя 3 таким образом, чтобы размещаться с левой стороны и с правой стороны от упомянутой плоскости симметрии. Патрубки 13 и 14 ориентированы в направлении задней части турбореактивного двигателя таким образом, чтобы поток охлаждающего воздуха выбрасывался в задней части турбореактивного двигателя 3 вместе с потоком газов, создающих тягу двигателя. Боковое положение патрубков 13 и 14 позволяет не создавать помех в зоне присоединения пилона 2 крепления к задней части турбореактивного двигателя 3.
Поток подлежащего охлаждению горячего воздуха подается в корпус 4 теплообменника через трубопровод 18 подвода горячего воздуха. Этот трубопровод 18 подачи горячего воздуха подводит этот горячий воздух от турбореактивного двигателя 3, расположенного под пилоном 2 крепления, к корпусу 4 теплообменника, расположенному над пилоном 2, проходя при этом через конструкцию этого пилона 2. Трубопровод подвода горячего воздуха, таким образом, также проходит через пилон 2 крепления двигателя по всей ее высоте h. Трубопровод 18 подвода горячего воздуха проходит внутри трубопровода 9 удаления холодного воздуха таким образом, чтобы не требовалось выполнения двух сквозных отверстий в конструкции пилона 2 крепления двигателя.
На Фиг.2 схематически представлен конкретный пример реализации теплообменника 1 в соответствии с предлагаемым изобретением.
Здесь корпус 4 теплообменника 1 содержит воздуховоды 15, в которых движется поток горячего воздуха. Каждый воздуховод 15 содержит вход 16 для воздуха, расположенный на задней поверхности 7 корпуса 4 теплообменника. Эти входы 16 для воздуха совпадают с трубопроводом 18 подачи горячего воздуха. Первая часть 19 воздуховода 15 проходит прямолинейным образом от задней части корпуса 4 теплообменника до его передней части. Изгиб 20 воздуховода 15 позволяет связать первую часть 19 этого воздуховода с его второй частью 21, которая проходит через корпус 4 прямолинейным образом от его передней части к его задней части. Таким образом, поток горячего воздуха дважды проходит по длине корпуса 4 теплообменника. Выход 17 для воздуха позволяет отвести охлажденный в теплообменнике горячий воздух на уровне задней поверхности 7 корпуса 4. В представленном здесь примере реализации воздуховоды 15 содержат только один изгиб 20 таким образом, чтобы эти воздуховоды только два раза пересекали корпус 4 теплообменника. Можно также предусмотреть наличие нескольких изгибов 20 таким образом, чтобы поток горячего воздуха совершал несколько проходов туда и обратно через корпус 4 теплообменника перед тем, как этот поток будет удален из теплообменника. Вдоль всей траектории своего движения в воздуховодах 15 поток горячего воздуха охлаждается в результате контакта с потоком охлаждающего воздуха, движущегося вокруг воздуховодов 15. Тепловой обмен при этом осуществляется за счет конвекции через стенки воздуховодов 15. Поток охлаждающего воздуха движется в корпусе 4 теплообменника от его передней части к его задней части параллельно движению потока горячего воздуха.
Воздуховоды 15 расположены в корпусе 4 теплообменника примыкающими друг к другу парами. Здесь под примыкающими друг к другу парами следует понимать размещение этих воздуховодов рядом друг с другом по ширине корпуса 4 теплообменника. Под шириной здесь следует понимать размер корпуса 4 теплообменника, измеренный между боковыми поверхностями этого корпуса 4. Пары воздуховодов 15 могут быть уложены друг на друга по высоте корпуса 4 теплообменника (см. Фиг.3). Высота корпуса 4 теплообменника имеет величину, которая измеряется между нижней поверхностью корпуса 4, находящейся в контакте с верхней поверхностью 11 пилона 2 крепления двигателя, и верхней поверхностью этого корпуса 4, ориентированной в направлении крыла летательного аппарата (на приведенных чертежах не показано). Пакет воздуховодов 15 должен быть сформирован таким образом, чтобы между этими воздуховодами 15 оставалось некоторое свободное пространство, достаточное для прохождения потока охлаждающего воздуха. Входные части 16 воздуховодов 15 занимают центральное положение, то есть обрамлены выходными частями 17 для воздуха, которые расположены в непосредственной близости от боковых стенок корпуса 4 теплообменника. Таким образом, разделенный надвое трубопровод 22 удаления охлажденного в теплообменнике горячего воздуха (см. Фиг.1) охватывает трубопровод 9 удаления охлаждающего воздуха на уровне задней поверхности 7 корпуса 4. Каждый участок трубопровода удаления охлажденного в теплообменнике горячего воздуха начинается на противоположном краю задней поверхности 7 корпуса 4. Пройдя трубопровод 9 удаления охлаждающего воздуха, два упомянутых участка соединяются друг с другом для формирования единого трубопровода 22, проходящего вдоль верхней поверхности 11 пилона 2 крепления двигателя.
Трубопровод 18 подачи горячего воздуха и трубопровод 9 удаления охлаждающего воздуха расположены (оба) на задней поверхности 7 корпуса 4 теплообменника. Поскольку воздухозаборники 16 воздуховодов 15 имеют центральное положение в корпусе 4 теплообменника, тогда как поток охлаждающего воздуха рассеивается во всем объеме этого корпуса 4, оказывается предпочтительным вводить трубопровод 18 подачи горячего воздуха внутрь трубопровода 9 удаления охлаждающего воздуха. Таким образом, поток горячего воздуха проходит через пилон 2 крепления двигателя снизу вверх для того, чтобы попасть в корпус 4, и поток охлаждающего воздуха проходит через этот пилон 2 сверху вниз для того, чтобы присоединиться к потоку газов, создающих тягу турбореактивного двигателя (см. Фиг.4). В то же время исключается возможность контакта между трубопроводом 18 подачи горячего воздуха, стенка которого имеет достаточно высокую температуру, и внутренней конструкцией пилона 2. Таким образом, в этом случае внутренняя конструкция пилона 2 оказывается менее ослабленной в результате прохождения этого сдвоенного трубопровода, чем в результате прохождения одного трубопровода подачи горячего воздуха в конструкции из существующего уровня техники. Разумеется, в другой конфигурации воздуховодов 15 имеется возможность предусмотреть, чтобы трубопровод 9 подачи горячего воздуха охватывал трубопровод 18 удаления охлаждающего воздуха.
Как это схематически показано на Фиг.4, трубопровод 18 подачи горячего воздуха проходит в осевом направлении внутри трубопровода 9 удаления охлаждающего воздуха, начиная от нижней поверхности 12 и вплоть до верхней поверхности 11 пилона 2 крепления двигателя. Таким образом, удается уменьшить габаритные размеры пространства, связанного с прохождением трубопроводов 9 и 18 в силовой конструкции этого пилона 2. Кроме того, начиная от нижней поверхности 12 пилона 2 и вплоть до задней поверхности 7 корпуса 4 теплообменника, имеет место тепловой обмен, возможный между потоком охлаждающего воздуха и потоком горячего воздуха, соответствующий предварительному охлаждению этого потока горячего воздуха.
В другом примере реализации имеется возможность предусмотреть, чтобы каждый воздуховод содержал четное количество изгибов 20 таким образом, чтобы выход 17 воздуха был расположен на передней поверхности 6 корпуса 4. В этом случае поток горячего воздуха, охлажденного в теплообменнике, выходит на передней части корпуса 4. Трубопровод удаления потока горячего воздуха, охлажденного в теплообменнике, при этом может присоединяться к каналу стартера, располагающемуся над корпусом 4 теплообменника (см. Фиг.1). Кроме того, можно предусмотреть, чтобы воздуховоды 15 были прямыми для того, чтобы заставлять горячий воздух двигаться в одном направлении от задней части корпуса 4 теплообменника к его передней части. В этом случае поток горячего воздуха, охлажденного в теплообменнике, будет выходить на передней поверхности корпуса 4.