Турбохолодильная установка с отбором воздуха от двухконтурного турбореактивного двигателя

 

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к воздушным турбохолодильным установкам. При работающем двигателе атмосферный воздух по воздухозаборному каналу поступает в продувочную полость теплообменника, где нагревается в процессе теплообмена с охлаждаемым воздухом высокого давления. После теплообменника продувочный воздух сжимается с повышением температуры в тормозном компрессоре и подается по нагнетательному трубопроводу в канал второго контура двигателя. Предусмотрено, что для повышения экономичности часть продувочного воздуха после теплообменника может быть направлена в систему охлаждения выходного сопла двигателя. Установка обеспечивает высокую экономичность, поскольку продувочный воздух, имеющий высокий энергетический потенциал после нагрева в теплообменнике и сжатия в тормозном компрессоре, используется в рабочих процессах двигателя. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к воздушным турбохолодильным установкам для систем охлаждения двигателей, гермокабин и отсеков оборудования летательных аппаратов.

Известны турбохолодильные установки с отбором воздуха от компрессора турбореактивного двигателя, содержащие последовательно установленные в магистрали высокого давления воздухо-воздушный теплообменник с полостями продувочного и охлаждаемого воздуха и холодильную турбину, связанную валом с тормозным компрессором, входной патрубок которого присоединен к выходу воздуха из продувочной полости воздухо-воздушного теплообменника (US, 2618125 A, 18.11.52 и US, 2691274 A, 12.10.54).

В этих установках выход продувочного воздуха из тормозного компрессора соединен непосредственно с окружающей средой (атмосферой) и, следовательно, полезно не используется энергия потока, выбрасываемого в атмосферу.

Известна также турбохолодильная установка с отбором воздуха из турбореактивного двигателя, содержащая магистраль высокого давления с последовательно установленными в ней воздухо-воздушным теплообменником, имеющим полости охлаждаемого и продувочного воздуха, и холодильной, турбиной, и связанный приводом с холодильной турбиной тормозной компрессор, вход которого присоединен к выходу воздуха из продувочной полости теплообменника, а выход сообщается с атмосферой (Системы оборудования летательных аппаратов. Под редакцией А. М. Матвеенко и В.И. Бекасова. -М.: Машиностроение, 1995, с. 94-95).

Недостатком известной турбохолодильной установки является низкая экономичность вследствие больших потерь кинетической и потенциальной энергии потока продувочного воздуха при выбросе его в окружающую среду с высокой температурой после сжатия в тормозном компрессоре.

Цель изобретения - повышение экономичности.

Указанный технический результат достигается тем, что турбохолодильная установка с отбором воздуха от двухконтурного турбореактивного двигателя, содержащая воздухо-воздушный теплообменник с охлаждаемой и продувочной полостями, холодильную турбину, магистраль высокого давления, соединяющую патрубок отбора воздуха от компрессора высокого давления двухконтурного турбореактивного двигателя через охлаждаемую полость воздухо-воздушного теплообменника с входом в холодильную турбину, связанный приводом с холодильной турбиной тормозной компрессор с всасывающим и нагнетательным патрубками, воздухозаборный канал, присоединенный к входу в продувочную полость, трубопровод продувочного воздуха, включенный между выходом воздуха из продувочной полости и всасывающим патрубком тормозного компрессора, и линию холодного воздуха, подключенную входом к выходу из холодильной турбины, а выходом - к системе охлаждения, согласно изобретению снабжена обратным клапаном, установленным в воздухозаборном канале, нагнетательным трубопроводом, соединяющим нагнетательный патрубок тормозного компрессора с каналом второго контура двигателя, перепускным трубопроводом, подключенным входом к трубопроводу продувочного воздуха, воздухозаборным трубопроводом, подключенным входом к каналу второго контура за компрессором низкого давления (вентилятором) двигателя, а выходом - к воздухозаборному каналу между обратным клапаном и входом в продувочную полость теплообменника, автоматической заслонкой, установленной в воздухозаборном трубопроводе, и автоматическим байпасным клапаном, установленным в перепускном трубопроводе.

Кроме того, установка может быть снабжена системой автоматического регулирования, включающей исполнительный механизм, кинематически связанный с заслонкой, и дифференциальное реле давления с двумя датчиками давления, при этом один датчик установлен в канале второго контура двигателя, а другой - в нагнетательном патрубке тормозного компрессора.

Рекомендуется воздухозаборный канал присоединить входом к воздухозаборнику двигателя.

Установка может быть снабжена топливовоздушным теплообменником, включенным в магистраль высокого давления перед входом в холодильную турбину.

Также предусмотрено, что установка может быть снабжена воздушно-испарительным теплообменником, включенным в магистраль высокого давления перед входом в холодильную турбину.

Выход линии холодного воздуха может быть подключен к системе охлаждения гермокабины и отсеков оборудования.

Наряду с этим выход линии холодного воздуха может быть подключен к системе охлаждения турбины двигателя.

Кроме того, выход перепускного трубопровода может сообщаться с атмосферой.

Целесообразно, чтобы выход перепускного трубопровода был подключен к системе охлаждения сопла двигателя.

На чертеже изображена схема турбохолодильной установки с отбором воздуха от двухконтурного турбореактивного двигателя со смешением потоков первого и второго контуров.

Турбохолодильная установка с отбором воздуха от двухконтурного турбореактивного двигателя содержит воздухо-воздушный теплообменник 1 с охлаждаемой и продувочной полостями, холодильную турбину 2, магистраль высокого давления 3, соединяющую патрубок отбора воздуха от компрессора высокого давления 4 двухконтурного турбореактивного двигателя 5 через охлаждаемую полость воздухо-воздушного теплообменника 1 с входом в холодильную турбину 2, тормозной компрессор 6 с всасывающим и нагнетательным патрубками, связанный приводом с холодильной турбиной, воздухозаборный канал 7 набегающего потока (атмосферного воздуха), присоединенный к входу в продувочную полость теплообменника 1, трубопровод продувочного воздуха 8, включенный между выходом из продувочной полости и всасывающим патрубком тормозного компрессора 6, и линию холодного воздуха 9, подключенную входом к выходу из холодильной турбины 2, а выходом - к системе охлаждения гермокабины и отсеков оборудования и/или к системе охлаждения турбины двигателя.

Охлаждение деталей турбины - рабочих и сопловых лопаток, дисков рабочих колес и корпусов сопловых аппаратов, позволяет повысить рабочую температуру силового цикла и, следовательно, повысить экономичность установки в целом.

Турбохолодильная установка также снабжена обратным клапаном 10, установленным в воздухозаборном канале 7, нагнетательным трубопроводом 11, соединяющим нагнетательный патрубок тормозного компрессора 6 с каналом второго контура 12 двигателя 5, перепускным трубопроводом 13, подключенным входом к трубопроводу продувочного воздуха 8, воздухозаборным трубопроводом 14, подключенным входом к каналу второго контура 12 двигателя за компрессором низкого давления 15, а выходом - к воздухозаборному каналу 7 между обратным клапаном 10 и входом воздуха в продувочную полость теплообменника 1, автоматической заслонкой 16, установленной в воздухозаборном трубопроводе 14, и автоматическим байпасным клапаном 17, установленным в перепускном трубопроводе 13.

Для уменьшения потерь энергии, возникающих в результате аэродинамического сопротивления при входе продувочного воздуха в воздухозаборный канал 7, рекомендуется вход воздухозаборного канала присоединить к воздухозаборнику 18 двигателя.

В зависимости от рабочих параметров и технических характеристик охлаждаемого объекта турбохолодильная установка может быть снабжена топливовоздушным или воздушно-испарительным теплообменником, включенным в магистраль 3 высокого давления перед входом в холодильную турбину 2.

Выход перепускного трубопровода 13 сообщается непосредственно с атмосферой. Однако для повышения экономичности, целесообразно выход перепускного трубопровода подключить к системе охлаждения 19 выходного сопла 20 двигателя.

Кроме того, установка может быть снабжена системой автоматического регулирования, которая состоит из исполнительного механизма, связанного кинематически с автоматической заслонкой 16, дифференциального реле давления (реле разности давлений) и двух датчиков давления. Один датчик установлен в канале второго контура 12, а другой - в нагнетательном патрубке тормозного компрессора 6.

Турбохододильная установка работает следующим образом. При работающем двигателе 5 атмосферный воздух из воздухозаборника 18 по воздухозаборному каналу 7 через обратный клапан 10 поступает в продувочную полость воздухо-воздушного теплообменника 1, где нагревается в процессе теплообмена с охлаждаемым воздухом.

Охлаждаемый воздух отбирается от компрессора высокого давления 4 двигателя и по магистрали 3 подается в воздухо-воздушный теплообменник 1, в котором предварительно охлаждается продувочным воздухом. Затем охлаждаемый воздух направляется в холодильную турбину 2, где происходит его расширение с понижением температуры и отдачей механической энергии тормозному компрессору 6. После холодильной турбины холодный воздух по линии 9 подается в систему охлаждения гермокабины и отсеков оборудования летательного аппарата и/или в систему охлаждения турбины двигателя.

При установке в магистрали высокого давления топливовоздушного или воздушно-испарительного теплообменника охлаждаемый воздух, поступающий из воздухо-воздушного теплообменника 1, перед холодильной турбиной дополнительно охлаждается соответственно топливом, подаваемым затем в камеры сгорания двигателя, или испаряющимся хладагентом.

Продувочный воздух после воздухо-воздушного теплообменника сжимается в тормозном компрессоре 6, приводимом во вращение холодильной турбиной 2. Сжатый с повышением температуры в тормозном компрессоре продувочный воздух по нагнетательному трубопроводу 11 подается в канал второго контура 12 двигателя с высокой температурой и после смешения вместе с потоком второго контура через сопло 20 выходит в окружающую среду, создавая дополнительную тягу.

При полете летательного аппарата с большими скоростями может возникнуть "запирание" потока продувочного воздуха на входе в тормозной компрессор. В этом случае открывается автоматический байпасный клапан 17 и часть продувочного воздуха, минуя тормозной компрессор, по перепускному трубопроводу 13 выходит в атмосферу.

Однако для повышения экономичности указанная часть продувочного воздуха может быть направлена в систему охлаждения 19 выходного сопла 20, где смешивается с воздухом, эжектируемым в систему из окружающей среды для отвода тепла от поверхности сопла.

При работе двигателя в режиме полетного или наземного "малого газа" может прекратиться поток продувочного воздуха, поступающего через воздухозаборный канал 7 в воздухо-воздушный теплообменник 1. Тогда открывается автоматическая заслонка 16, закрывается обратный клапан 10 и продувочный воздух подается от компрессора низкого давления 15 по воздухозаборному трубопроводу 14.

Открытие автоматической заслонки 16 может осуществляться системой автоматического регулирования по команде дифференциального реле давления при уменьшении разности давлений между давлением в нагнетательном трубопроводе 11 тормозного компрессора 6 и давлением в канале второго контура 12 ниже заданной величины.

Высокая экономичность турбохолодильной установки обусловлена тем, что продувочный воздух, на отбор которого из окружающей среды затрачивается дополнительная мощность (энергия), возвращается в проточную часть двигателя после нагрева в воздухо-воздушном теплообменнике и сжатия в тормозном компрессоре с более высоким энергетическим потенциалом.

Формула изобретения

1. Турбохолодильная установка с отбором воздуха от двухконтурного турбореактивного двигателя, содержащая воздухо-воздушый теплообменник с охлаждаемой и продувочной полостями, холодильную турбину, магистраль высокого давления, соединяющую патрубок отбора воздуха от компрессора высокого давления двигателя через охлаждаемую полость воздухо-воздушого теплообменника с входом в холодильную турбину, связанный приводом с холодильной турбиной тормозной компрессор с всасывающим и нагнетательными патрубками, воздухозаборный канал, присоединенный к входу в продувочную полость, трубопровод продувочного воздуха, включенный между выходом воздуха из продувочной полости и всасывающим патрубком тормозного компрессора, и линию холодного воздуха, подключенную входом к выходу из холодильной турбины, а выходом к системе охлаждения, отличающаяся тем, что установка снабжена обратным клапаном, установленным в воздухозаборном канале, нагнетательным трубопроводом, соединяющим нагнетательный патрубок тормозного компрессора с каналом второго контура двигателя, перепускным трубопроводом, подключенным входом к трубопроводу продувочного воздуха, воздухозаборным трубопроводом, подключенным входом к каналу второго контура за компрессором низкого давления двигателя, а выходом к воздухозаборному каналу между обратным клапаном и входом в продувочную полость теплообменника, автоматической заслонкой, установленной в воздухозаборном трубопроводе, и автоматическим байпасным клапаном, установленным в перепускном трубопроводе.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена системой автоматического регулирования, включающей исполнительный механизм, кинематически связанный с заслонкой, и дифференциальное реле давления с двумя датчиками давления, при этом один датчик установлен в канале второго контура двигателя, а другой - в нагнетательном патрубке тормозного компрессора.

3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что воздухозаборный канал присоединен входом к воздухозаборнику двигателя.

4. Установка по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что она снабжена топливовоздушным теплообменником, включенным в магистраль высокого давления перед входом в холодильную турбину.

5. Установка по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что она снабжена воздушно-испарительным теплообменником, включенным в магистраль высокого давления перед входом в холодильную турбину.

6. Установка по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающаяся тем, что выход линии холодного воздуха подключен к системе охлаждения гермокабины и отсеков оборудования.

7. Установка по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающаяся тем, что выход линии холодного воздуха подключен к системе охлаждения турбины двигателя.

8. Установка по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающаяся тем, что выход перепускного трубопровода сообщается с атмосферой.

9. Установка по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающаяся тем, что выход перепускного трубопровода подключен к системе охлаждения сопла двигателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1