Система охлаждения затурбинных элементов трехконтурного турбореактивного двигателя

Система охлаждения затурбинных элементов трехконтурного турбореактивного двигателя содержит компрессор низкого давления, канал второго контура, вход в который сообщен с выходом из компрессора низкого давления, а выход - с затурбинной полостью. Система охлаждения затурбинных элементов снабжена воздухо-воздушным теплообменником, установленным в канале третьего контура и сообщенным входом и выходом с каналом второго контура. За воздухо-воздушным теплообменником по ходу движения газового потока в канале второго контура установлено устройство для расширения газового потока. Устройство для расширения газового потока выполнено в виде лопаток турбодетандера. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения затурбинных элементов двигателя. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области конструирования турбореактивного двигателя (далее ТРД), а именно к системам охлаждения затурбинных элементов трехконтурного ТРД (далее ТТРД).

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) выбрана система охлаждения затурбинных элементов для трехконтурного турбореактивного двигателя, содержащая компрессор низкого давления (далее КНД), канал второго контура, вход в который сообщен с выходом из компрессора низкого давления, а выход с затурбинной полостью (см. фиг. 3 документа, номер публикации которого: US 2012131902 (А1)).

Недостатком известной системы охлаждения затурбинных элементов трехконтурного турбореактивного двигателя является низкая степень повышения давления в третьем контуре (в наружном кольцевом обводном канале) за наружными компрессорными лопатками по сравнению со степенью повышения давления за компрессором низкого давления. В этом случае давление воздуха передаваемого по третьему контуру (по наружному обводному каналу) к охлаждаемым затурбинным элементам двигателя недостаточно для преодоления давления горячего газового потока обтекающего поверхности охлаждаемых затурбинных элементов двигателя, т.е. система охлаждения не охладит элементы форсажной камеры (при ее наличии), затурбинный кок, элементы дозвуковой части реактивного сопла, но сможет охладить элементы сверхзвуковой части сопла. Кроме того, при сжатии воздуха в ступенях компрессора его температура повышается, что снижает возможность охлаждения затурбинных элементов двигателя.

Техническим результатом, достигаемым заявленным изобретением, является повышение эффективности охлаждения затурбинных элементов ТТРД.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной системе охлаждения затурбинных элементов трехконтурного турбореактивного двигателя, содержащей КНД, канал второго контура, вход в который сообщен с выходом из компрессора низкого давления, а выход с затурбинной полостью, согласно настоящему изобретению, система дополнительно снабжена воздухо-воздушным теплообменником (ВВТ), установленным в канале третьего контура и сообщенным входом и выходом с каналом второго контура, при этом за воздухо-воздушным теплообменником по ходу движения газового потока в канале второго контура установлено устройство для расширения газового потока.

Воздух, поступающий на вход в двигатель при стандартных условиях на уровне земли при скорости полета равной нулю, на входе в двигатель имеет полное давление Р*=1 атм. и полную температуру Т*=288К. В существующих компрессорах низкого давления ТРД воздух сжимается до уровня полного давления 5×Р*=5 атм., при этом нагревается до уровня полной температуры 1,65×Т*=470К, часть воздуха с секундным расходом G2 поступает во второй контур.

Установленный в канале третьего контура с секундным расходом воздуха G3 воздухо-воздушный теплообменник, сообщен входом и выходом с каналом второго контура, позволяет снизить температуру воздуха второго контура. На фигуре 1 показана схема работы ВВТ. При выполнении условия коэффициента эффективности теплообмена равного ожидаемого, например, по патенту RU 2612668, полная температура воздуха второго контура на выходе из ВВТ составит Т*гор. вых=340К, при этом гидравлические потери воздуха второго контура на выходе из ВВТ могут составить порядка 10%, т.е. Р*гор. вых=4,5атм. Воздух третьего контура за ВВТ будет подогрет, полное давление несколько понизится.

По ходу движения газового потока в канале второго контура за ВВТ установлено устройство для расширения газового потока. За счет увеличения площади проходного сечения в канале с дозвуковой скоростью потенциальная энергия газового потока срабатывается в устройстве в кинетическую энергию, вместе с этим снижается давление и понижается полная температура воздуха второго контура.

Срабатывать полное давление нужно до величины, позволяющей преодолеть давление горячего газового потока внутреннего контура, обтекающего поверхности охлаждаемых затурбинных элементов двигателя, например, таких как затурбинный кок, элементы выходного устройства ТТРД. В данном случае воздух в турбодетандере расширяется до Р*=2,2-2,3 атм., полная температура охлаждающего воздуха снижается на величину порядка 15% и составляет Т*=290К.

Таким образом, полная температура охлаждающего воздуха сопоставима с температурой воздуха на входе в двигатель, а давление охлаждающего воздуха позволяет преодолеть давление горячего газового потока внутреннего контура, обтекающего поверхности охлаждаемых затурбинных элементов двигателя.

В частных случаях реализации заявленной системы:

- устройство для расширения газового потока выполнено в виде лопаток турбодетандера, что позволяет скомпоновать лопатки турбодетандера в составе трехъярусной лопатки турбовентилятора, позволяя сократить габаритные размеры и массу конструкции турбовентилятора, преградить путь тепловому потоку, распространяющемуся от «горячей» лопатки турбины к «холодной» лопатке вентилятора.

- расход газового потока в третьем контуре G3 составляет от 2×G2 до 15×G2, где G2 - расход газового потока во втором контуре.

В случае, если G3 менее 2×G2, малое количество газового потока G3 создает тягу двигателя с ухудшением топливной экономичности, большое количество газового потока G2 интенсивно охлаждает затурбинные элементы ТТРД, минует сжатие воздуха в вентиляторе, то есть в малой степени участвует в создании тяги двигателя. ТТРД вырождается как устройство создания тяги, но максимально увеличивается интенсивность охлаждения затурбинных элементов ТТРД.

В случае, если G3 более 15×G2, большое количество газового потока G3 создает тягу ТТРД с улучшением топливной экономичности, малое количество газового потока G2 вяло охлаждает затурбинные элементы ТТРД. При этом компонование второго контура в ТТРД непропорционально усложняет конструкцию, увеличивает ее размеры и массу, снижает надежность работы, таким образом, возможность интенсивного охлаждения затурбинных элементов ТТРД вырождается.

- коэффициент эффективности теплообмена воздухо-воздушного теплообменника составляет 0,5-0,8. При снижении величины коэффициента эффективности теплообмена воздухо-воздушного теплообменника ниже 0,5 воздух не будет охлажден до нужной степени и будет получен частичный предполагаемый полезный эффект, при этом затраты на установку воздухо-воздушного теплообменника в канале третьего контура уже будут произведены и не оправданы. Величина коэффициента эффективности теплообмена воздухо-воздушного теплообменника более 0,8 крайне желательна, но ее достижение в реальных конструкциях проблематично.

- статическое давление охлаждающего газового потока из второго контура, подаваемого к затурбинным элементам трехконтурного турбореактивного двигателя превышает статическое давление газового потока непосредственно обтекающего затурбинные элементы трехконтурного турбореактивного двигателя на величину не менее 0,1 кгс/см2. В случае, если статическое давление охлаждающего газового потока из второго контура будет менее 0,1 кгс/см2, до 0 кгс/см2, то не будут в потребной степени охлаждены затурбинные элементы двигателя, если давление снизится менее 0 кгс/см2, поток горячего газа проникнет в полости подвода охлаждающего воздуха и конструкция затурбинные элмеенты двигателя разрушатся.

Сущность настоящего изобретения поясняется фигурой 2, на которой схематично изображена система охлаждения затурбинных элементов ТТРД, продольный разрез. Движение газового потока из второго контура в затурбинную полость показано стрелками.

Система охлаждения затурбинных элементов ТТРД, содержит компрессор низкого давления 1, канал второго контура 2, вход в который сообщен с выходом из компрессора низкого давления 1, а выход - с затурбинной полостью 3 через полые стойки 4 и сквозные каналы 5, воздухо-воздушный теплообменник 6, установленный в канале третьего контура 7 и сообщенный своими входом и выходом с каналом второго контура 2, при этом за воздухо-воздушным теплообменником 6 по ходу движения газового потока в канале второго контура 2 установлено устройство для расширения газового потока, выполненное в виде лопаток турбодетандера 8, являющихся средней частью трехъярусных лопаток турбовентилятора (раскрытых в патенте RU 2634509) установленных на диске турбины (на чертеже не показан), соединенным в свою очередь со статором посредством опор (на фигуре чертежа не показаны).

Газовый поток на выходе из КНД разделяется две неравные части, первая часть направляется в газогенератор, где к ней подводится тепло при сгорании топлива в камере сгорания, вторая часть попадает во второй контур 2. Воздух второго контура 2 проходит через воздухо-воздушный теплообменник 6, расположенный в третьем контуре 7, отдавая тепло холодному воздуху третьего контура 7. Далее последовательно расширяется в лопатках турбодетандера 8, являющихся конструктивной частью трехъярусной рабочей лопатки турбовентилятора, вращающейся под действием напора горячего газового потока прошедшего через газогенератор. Затем расширившийся и охлажденный газовый поток второго контура 2 через полые стойки 4 и сквозные каналы 5 попадает в затурбинную полость 3, вытекает в проточную часть, охлаждая затурбинные элементы ТТРД и смешивается с газовыми потоками.

1. Система охлаждения затурбинных элементов трехконтурного турбореактивного двигателя, содержащая компрессор низкого давления, канал второго контура, вход в который сообщен с выходом из компрессора низкого давления, а выход - с затурбинной полостью, отличающаяся тем, что она снабжена воздухо-воздушным теплообменником, установленным в канале третьего контура и сообщенным входом и выходом с каналом второго контура, при этом за воздухо-воздушным теплообменником по ходу движения газового потока в канале второго контура установлено устройство для расширения газового потока.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что устройство для расширения газового потока выполнено в виде лопаток турбодетандера.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что расход газового потока в третьем контуре G3 составляет от 2×G2 до 15×G2, где G2 - расход газового потока во втором контуре.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что коэффициент эффективности теплообмена воздухо-воздушного теплообменника составляет 0,5-0,8.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что статическое давление охлаждающего газового потока из второго контура, подаваемого к затурбинным элементам трехконтурного турбореактивного двигателя, превышает статическое давление газового потока, непосредственно обтекающего затурбинные элементы трехконтурного турбореактивного двигателя, на величину не менее 0,1 кгс/см2.



 

Похожие патенты:

Двухконтурная газотурбинная установка состоит из входного устройства, вентилятора, внутреннего контура и внешнего контура. Внутри внутреннего контура расположены компрессор, камера сгорания, турбина, газовые каналы теплообменника-регенератора, выхлопной патрубок.

Двухконтурный турбореактивный двигатель, состоящий из входного устройства, вентилятора, внутреннего контура, внешнего контура. Внутри внутреннего контура расположены компрессор, камера сгорания, турбина, газовые каналы теплообменника-регенератора, выхлопной патрубок.

Изобретение относится к турбореактивным двигателям атомолетов. Ядерный турбореактивный двигатель включает: ядерный реактор с жидкометаллическим теплоносителем, входное устройство, компрессор, двухсекционную камеру нагревания, турбину, сопло, термоэлектрогенераторы и/или термоэмиссионные преобразователи, электронагревательные элементы, насос, форсажную камеру.

Двухконтурный турбореактивный двигатель с раздельными контурами со степенью двухконтурности более десяти состоит из входного устройства, вентилятора; внутреннего контура, внутри которого расположены компрессор (компрессоры), камера сгорания, турбины; внешнего контура, состоящего из кольцевого канала и сопла.

Способ охлаждения двухконтурного турбореактивного двигателя заключается в сжатии воздуха, используемого при охлаждении, в компрессоре с последующим его охлаждением в теплообменнике, установленном во втором контуре двигателя.

Теплообменный модуль системы кондиционирования воздуха самолета содержит воздухо-воздушный теплообменник, соединенный трубопроводами на входе с запорно-регулирующим устройством и с одной из ступеней компрессора высокого давления в двигателе, а на выходе соединенный трубопроводом с системой кондиционирования воздуха.

Изобретение относится к авиадвигателестроению. .

Изобретение относится к области авиационной техники и может быть использовано в трехконтурных двигателях, входящих в состав силовой установки многорежимных летальных аппаратов.

Изобретение относится к авиационной технике, а именно к турбореактивному двигателю самолета с системой охлаждения турбин высокого давления. Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является повышение эффективности охлаждения турбин высокого давления, что способствует повышению мощности турбореактивного двигателя.

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, предназначенным для длительной работы на дозвуковом малозаметном летательном аппарате. Бесфорсажный турбореактивный двигатель включает газогенератор, вентилятор, соединенный с турбиной низкого давления, канал внутреннего контура, соединенный с последней ступенью вентилятора и с компрессором высокого давления, канал наружного контура, соединенный с последней ступенью вентилятора и со смесителем.

Авиационная силовая установка содержит турбокомпрессорный блок, батарею твердооксидных топливных элементов с выходами для анодного и катодного газов, отдельно расположенный тяговый вентилятор, топливный насос.

Авиационная силовая установка содержит турбореактивный двухконтурный двигатель с внешним и внутренним контурами и по меньшей мере один выносной вентиляторный модуль.

Способ работы трехконтурного турбореактивного двигателя с форсажной камерой заключается в том, что сжатый воздух из адаптивного вентилятора разделяют на три потока.

Трехъярусная рабочая лопатка турбовентилятора содержит последовательно расположенные от корпуса турбовентилятора к диску ротора рабочую лопатку вентилятора и рабочую лопатку турбины, соединенные между собой посредством промежуточного элемента с образованием трех проточных газовых каналов.

Изобретение относится к энергетике. Предлагается камера смешения форсажной камеры, которая включает внешний кольцевой корпус, кок-стекатель и оболочку, на которой расположены радиально направленные пилоны-воздуховоды, закрепленные с противоположной стороны на общем разделителе, который делит внутренний контур на центральную и вешнюю части, а также обеспечивает подачу воздуха наружного контура, через полости пилонов, непосредственно в центральную часть внутреннего контура, тем самым обеспечивая равномерное распределение кислорода по радиусу камеры смешения, однородное температурное поле на выходе из камеры смешения и эффективное охлаждение узлов форсунок и стабилизаторов форсажной камеры.

Изобретение относится к авиационным турбореактивным двигателям, включая двигатели для сверхзвуковых многорежимных самолетов. В турбореактивном двигателе с внешней стороны от канала наружного контура выполнен канал третьего контура, образованный на входе в двигатель промежуточными полками входного направляющего аппарата вентилятора и внешним корпусом двигателя и далее ниже по потоку - разделительными полками рабочих и спрямляющих лопаток вентилятора совместно с внешним корпусом двигателя.

Изобретение относится к газотурбинным двигателям и, в частности, к двигателю с изменяемым циклом для энергоснабжения сверхзвуковых самолетов в полете. .

Система охлаждения затурбинных элементов трехконтурного турбореактивного двигателя содержит компрессор низкого давления, канал второго контура, вход в который сообщен с выходом из компрессора низкого давления, а выход - с затурбинной полостью. Система охлаждения затурбинных элементов снабжена воздухо-воздушным теплообменником, установленным в канале третьего контура и сообщенным входом и выходом с каналом второго контура. За воздухо-воздушным теплообменником по ходу движения газового потока в канале второго контура установлено устройство для расширения газового потока. Устройство для расширения газового потока выполнено в виде лопаток турбодетандера. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения затурбинных элементов двигателя. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх