ТОПЛИВОВОЗДУШНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2004 года по МПК F28D11/02 

При больших сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях полета летательных аппаратов происходит сильный аэродинамический нагрев воздуха на входе в компрессор воздушно-реактивного двигателя, что отрицательно сказывается на его характеристиках. Так при нагреве воздуха на входе в компрессор снижаются степень сжатия компрессора и расход воздуха через него, увеличивается работа, потребная для привода компрессора, уменьшается прочность элементов компрессора и прежде всего его рабочих лопаток.

Известны различные конструктивные схемы авиационных осевых компрессоров (Г.С.Скубачевский. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. - М.: Машиностроение, 1974, с.61-72, рис.3.10-3.23). Недостатком указанных конструкций является то, что теплоотвод от рабочих лопаток ограничен теплоемкостью компрессора и возможностью его охлаждения наружным воздухом.

Известны способы воздушного охлаждения рабочих лопаток газовых турбин (Ю.Н.Нечаев. P.M.Федоров. Теория авиационных газотурбинных двигателей. Ч.I, - М.: Машиностроение, 1977, с.206, рис.5.15). Указанные способы неприемлемы для охлаждения рабочих лопаток компрессора, так как воздух для охлаждения берется в самом компрессоре.

Известны рекуперативные теплообменники (Ю.Н.Нечаев. Силовые установки гиперзвуковых и воздушно-космических летательных аппаратов. - М.: Академия космонавтики им. К.Э.Циолковского, 1996, с.44, рис.25), использование которых позволяет охлаждать воздух на входе в компрессор. Недостатками указанных устройств являются их значительные габариты и вес, а также значительное сопротивление, оказываемое движению воздуха.

Суть изобретения состоит в том, что в топливо-воздушном теплообменнике, содержащем вращающийся барабан с лопатками на внешней поверхности, образующий замкнутую полость, разделенную дисками на отсеки, которые сообщаются между собой через центральные отверстия, на оси вращения барабана со стороны передней стенки установлена топливная центробежная форсунка, направленная внутрь замкнутой полости, а с противоположной стороны установлено несколько форсунок, направленных наружу из указанной полости.

Кроме того, внутри полости барабана могут быть установлены теплопроводящие пластины. Центробежная форсунка, подводящая топливо, может быть выполнена в форме полого вала и имеет каналы, расположенные перпендикулярно оси ее вращения, на передней стенке барабана могут быть выполнены перфорированные отверстия, позволяющие перепускать часть топлива, не более 10% от общего расхода, на вход в компрессор.

На фиг.1 изображена схема топливо-воздушного теплообменника, на фиг.2 изображены процессы сжатия в P-V координатах, на фиг.3 изображена схема топливо-воздушного теплообменника.

Топливо-воздушный теплообменник (фиг.1) состоит из барабана 1, образующего замкнутую полость, центробежной форсунки 2, расположенной на оси вращения со стороны передней стенки барабана 1, дисков 3, разделяющих внутреннюю полость барабана на отсеки (в нашем случае: А, В, С, D) и соединенных между собой через центральные отверстия, лопаток 4, форсунок 5, расположенных со стороны задней стенки барабана 1.

Работа топливо-воздушного теплообменника осуществляется следующим образом. Жидкое (газообразное) топливо под давлением через центробежную форсунку 2 подается в отсек А (фиг.1), где испаряется (расширяется) и под действием центробежных сил прижимается к периферийной части барабана. За счет теплообмена с корпусом барабана температура нижних слоев газообразного топлива повышается и они выдавливаются к центру вращения более холодными (тяжелыми) верхними слоями, обеспечивая тем самым циркуляцию газа и, соответственно, интенсивный теплообмен между корпусом барабана и газообразным топливом. По мере заполнения отсека А топливо через центральное отверстие перетекает в отсек В и далее в осеки С и D (направление движения топлива показано стрелками на фиг.1). При своем движении газообразное топливо контактирует с внутренней поверхностью барабана (дисками), охлаждая ее и, соответственно, лопатки 4. Между наружной поверхностью ротора и воздушным потоком устанавливается разница температур, которая обеспечивает постоянный отвод тепла в корпус ротора, замедляя, тем самым, рост температуры воздуха при его сжатии в компрессоре. Последнее уменьшает потребную работу сжатия воздуха в компрессоре. На фиг.2 в P-V координатах показаны процессы сжатия воздуха в компрессоре без теплоотвода (пунктирная линия) и с теплоотводом (сплошная линия). Видно, что работа сжатия с теплоотводом меньше на величину ΔL. Нагретое в топливо-воздушном теплообменнике топливо отводится через форсунки (форсунку) 5.

Для улучшения теплообмена между воздухом и топливом (хладагентом) контактная поверхность внутри барабана делается увеличенной за счет установки в свободное пространство теплопроводяших пластин 6 (фиг.3), а давление газа внутри барабана поддерживается максимальным из условий прочности барабана.

Для обеспечения заданной интенсивности охлаждения различных ступеней компрессора форсунка, подающая топливо, выполняется в форме полого вала 7 (фиг.3) с каналами, расположенными перпендикулярно оси вращения. Размеры каналов определяют расход хладагента для конкретных ступеней компрессора.

Для более полного использования хладоресурса часть газообразного топлива, не более 10% от общего расхода, перепускается через перфорированные отверстия 8 (фиг.3), выполненные в передней стенке барабана, на вход в компрессор. Количество перепускаемого топлива выбирается из условия невоспламенения топливо-воздушной смеси, образующейся в газовоздушном тракте компрессора (Ю.Н.Нечаев. Силовые установки гиперзвуковых и воздушно-космических летательных аппаратов. - М.: Академия космонавтики им. К.Э.Циолковского, 1996, с.15, табл.1).

Теоретические исследования, выполненные автором, показывают, что применение топливо-воздушных теплообменников для турбоэжекторных двигателей (патент №2190772, МПК F 02 С 3/32), работающих на жидком водороде, позволяет повысить скорость полета летательных аппаратов с чисел Маха пять до чисел Маха шесть.

Топливо-воздушный теплообменник предназначен для охлаждения криогенным топливом рабочих лопаток осевого компрессора, а также воздуха, проходящего через газовоздушный тракт указанного компрессора. В основе организации процессов теплообмена положен принцип организации зон циркуляции хладагента (газообразного топлива) внутри барабана компрессора за счет взаимодействия центробежных и архимедовых сил. Для улучшения теплообмена используется частичный перепуск хладагента в газовоздушный тракт осевого компрессора. Топливо-воздушный теплообменник содержит вращающийся барабан с лопатками на внешней поверхности, образующий замкнутую полость, разделенную дисками на отсеки, которые сообщаются между собой через центральные отверстия. На оси вращения барабана со стороны передней стенки установлена топливная центробежная форсунка, направленная внутрь замкнутой полости, а с противоположной стороны установлено несколько форсунок, направленных наружу из указанной полости. Внутри полости барабана установлены теплопроводящие пластины. Центробежная форсунка, подводящая топливо, выполнена в форме полого вала и имеет каналы, расположенные перпендикулярно оси ее вращения. На передней стенке барабана выполнены перфорированные отверстия, позволяющие перепускать часть топлива, не более 10% от общего расхода, на вход в компрессор. Такое выполнение теплообменников для турбоэжекторных двигателей, работающих на жидком водороде, позволяет повысить скорость полета летательных аппаратов. 3 з.п.ф-лы,3 ил.

1. Топливовоздушный теплообменник, содержащий вращающийся барабан с лопатками на внешней поверхности, образующий замкнутую полость, разделенную дисками на отсеки, которые сообщаются между собой через центральные отверстия, отличающийся тем, что на оси вращения барабана со стороны передней стенки установлена топливная центробежная форсунка, направленная внутрь замкнутой полости, а с противоположной стороны установлено несколько форсунок (форсунка), направленных наружу из указанной полости.2. Топливовоздушный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что внутри полости барабана установлены теплопроводящие пластины.3. Топливовоздушный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что центробежная форсунка, подводящая топливо, выполнена в форме полого вала и имеет каналы, расположенные перпендикулярно оси ее вращения.4. Топливовоздушный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что на передней стенке барабана выполнены перфорированные отверстия, позволяющие перепускать часть топлива, не более 10% от общего расхода, на вход в компрессор.