СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА В ТУРБОХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ СО СТУПЕНЧАТЫМ ОТБОРОМ ВОЗДУХА ОТ КОМПРЕССОРА ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК F25B11/00 

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано в турбохолодильных установках, предназначенных для холодильных систем, систем жизнеобеспечения и, в частности, для систем кондиционирования воздуха отсеков и герметических кабин летательных аппаратов.

Известен способ получения холода в турбохолодильном агрегате, состоящем из холодильной турбины и тормозного устройства, установленных на одном валу, включающий процесс расширения сжатого воздуха в холодильной турбине с понижением температуры и отдачей механической энергии тормозному устройству - тормозному турбокомпрессору или вентилятору (RU 2188368 С1, 27.08.2002).

Известен способ получения холода в турбохолодильной установке с отбором воздуха от компрессора турбореактивного двигателя путем сжатия атмосферного воздуха в компрессоре двигателя, охлаждения его в воздухо-воздушном теплообменнике продувочным воздухом, поступающим из атмосферы, последующего расширения сжатого воздуха в холодильной турбине с понижением его температуры и отдачей механической энергии тормозному устройству, кинематически связанному с ротором холодильной турбины (RU 2190814 С1, 10.10.2002).

Известен способ получения холода в турбохолодильной установке со ступенчатым отбором воздуха от компрессора турбореактивного двигателя, включающий сжатие атмосферного воздуха в компрессоре двигателя, отбор сжатого воздуха в турбохолодильную установку (ТХУ) от заданной ступени компрессора двигателя, ограничение давления сжатого воздуха в сетевом регуляторе избыточного давления, охлаждение его в воздухо-воздушном теплообменнике продувочным воздухом, поступающим из атмосферы, последующее расширение сжатого воздуха в холодильной турбине с понижением его температуры и отдачей механической энергии тормозному компрессору, кинематически связанному с ротором холодильной турбины (Системы оборудования летательных аппаратов. Под редакцией Матвеенко А.М. и Бекасова В.И. - М.: Машиностроение, 1995, с.65-67 и с.129-133).

Однако известный способ не обеспечивает высокой экономичности получения холода, поскольку отбор воздуха в турбохолодильную установку осуществляют в двух точках отбора от компрессора турбореактивного двигателя (ТРД). Причем отбор воздуха от той или иной группы ступеней компрессора производят только в зависимости от давления воздуха за ступенью отбора, т.е. без учета изменения величины КПД холодильной турбины, значения температуры воздуха за ней и расхода топлива ТРД. В условиях же переменных режимов и изменяющихся параметров окружающей среды, характерных для работы ТРД, и как следствие этого меняющихся рабочих параметров воздухо-воздушного теплообменника, холодильной турбины и тормозного устройства, происходит значительное отклонение величины КПД турбины от максимально возможного значения. Чтобы компенсировать снижение КПД холодильной турбины и наступившее вследствие этого повышение температуры воздуха за турбиной выше заданной, приходится увеличивать количество продувочного воздуха через воздухо-воздушный теплообменник, что и приводит к увеличению расхода топлива двигателем, затрачиваемого на получение холода.

Задача настоящего изобретения заключается в разработке экономичного способа, который обеспечивает снижение расхода топлива, затрачиваемого на производство холода в турбохолодильной установке в широком диапазоне переменных режимов работы ТРД.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе получения холода в турбохолодильной установке со ступенчатым отбором воздуха от компрессора турбореактивного двигателя путем сжатия атмосферного воздуха в компрессоре двигателя, отбора сжатого воздуха в турбохолодильную установку от заданной ступени компрессора двигателя, ограничения давления сжатого воздуха в сетевом регуляторе избыточного давления, охлаждения его в воздухо-воздушном теплообменнике продувочным воздухом, поступающим из атмосферы, последующего расширения сжатого воздуха в холодильной турбине с понижением его температуры и отдачей механической энергии тормозному устройству, кинематически связанному с ротором холодильной турбины, согласно изобретению, турбохолодильную установку снабжают ЭВМ с программой, имитирующей работу системы, включающей в себя турбореактивный двигатель и турбохолодильную установку. Задают значение температуры воздуха за турбиной и устанавливают номинальное значение избыточного давления настройки сетевого регулятора. В процессе работы системы непрерывно измеряют давление и температуру за ступенями отбора воздуха от компрессора двигателя. С помощью имитационной модели системы для каждой ступени отбора производят расчет температуры и давления воздуха на входе в турбину, температуры и давления за турбиной и частоту вращения ее ротора. Определяют степень понижения давления в турбине, текущее значение приведенной частоты вращения ротора и оптимальную величину приведенной частоты вращения ротора, соответствующую максимальному значению КПД турбины. Если текущее расчетное значение приведенной частоты вращения меньше оптимальной величины приведенной частоты вращения, то уменьшают тормозящий момент ротора. Если текущее значение приведенной частоты вращения больше оптимальной величины, то тормозящий момент ротора увеличивают, при этом тормозящий момент ротора изменяют путем воздействия на тормозное устройство до наступления равенства оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины. Если расчетное значение температуры воздуха за турбиной меньше заданного, то уменьшают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и расчетного значений температур. Если расчетное значение температуры воздуха за турбиной больше заданного, то увеличивают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и расчетного значений температур. При наступлении равенства значений указанных температур определяют для каждой из ступеней отбора расход топлива, затраченного двигателем на получение холода. Проводят сравнительный анализ затрат топлива и выбирают ступень для отбора воздуха с наименьшем расходом топлива для заданного режима работы двигателя. Для этой выбранной расчетным путем ступени отбора воздуха с помощью датчиков измеряют температуру и давление на входе в турбину, температуру и давление за турбиной и частоту вращения ее ротора. По результатам этих измерений определяют степень понижения давления в турбине, текущее значение приведенной частоты вращения ротора и оптимальную величину приведенной частоты вращения ротора, соответствующую максимальному значению КПД турбины. Если текущее значение приведенной частоты вращения меньше оптимальной величины приведенной частоты вращения, то уменьшают тормозящий момент ротора. Если текущее значение приведенной частоты вращения больше оптимальной величины, то тормозящий момент ротора увеличивают. Причем тормозящий момент ротора изменяют путем воздействия на тормозное устройство до наступления равенства оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины. Затем, если измеренное значение температуры воздуха за холодильной турбиной меньше заданного, то уменьшают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство измеренного и заданного значений температур. Если измеренное значение температуры воздуха за турбиной больше заданного, то увеличивают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур. При наступлении равенства значений указанных температур определяют действительный расход топлива, затраченного двигателем на получение холода.

Кроме того, предусмотрено, что номинальное значение избыточного давления настройки сетевого регулятора устанавливают в пределах от 0,4 до 0,5 МПа.

Также предусмотрено, что количество продувочного воздуха изменяют путем уменьшения или увеличения степени дросселирования потока продувочного воздуха на входе его в воздухо-воздушный теплообменник.

Наряду с этим предусмотрено также, что количество продувочного воздуха изменяют путем уменьшения или увеличения степени дросселирования потока продувочного воздуха на выходе его из воздухо-воздушного теплообменника.

Рекомендуется в качестве тормозного устройства использовать вентилятор, установленный на одном валу с ротором холодильной турбины, при этом тормозящий момент ротора изменяют, уменьшая или увеличивая сопротивление сети на стороне нагнетания или всасывания вентилятора.

Целесообразно в качестве тормозного устройства использовать тормозной турбокомпрессор, установленный на одном валу с ротором холодильной турбины, при этом тормозящий момент ротора изменяют, уменьшая или увеличивая сопротивление сети на стороне нагнетания или всасывания.

На чертеже приведена схема турбохолодильной установки со ступенчатым отбором воздуха от компрессора турбореактивного двухконтурного двигателя с разделением контурных потоков.

Способ получения холода в турбохолодильной установке осуществляется следующим образом.

Атмосферный воздух сжимается с повышением температуры в компрессоре (1) турбореактивного двигателя и поступает в подсистему отбора (2) воздуха от нескольких ступеней компрессора двигателя.

Подсистема отбора обычно монтируется непосредственно на внешней поверхности двигателя. Затем сжатый воздух из подсистемы отбора по общему трубопроводу направляют в сетевой регулятор избыточного давления (3), поддерживающий после себя избыточное давление не выше установленного номинального. Пройдя регулятор избыточного давления, сжатый воздух подают в воздухо-воздушный теплообменник (4), в котором охлаждается продувочным воздухом. Продувочный (охлаждающий) воздух поступает из атмосферы через воздухозаборный канал (5) и затем, пройдя воздухо-воздушный теплообменник (ВВТ), выбрасывается в окружающую среду (атмосферу). Предварительно охлажденный в ВВТ сжатый воздух направляют на расширение в холодильную турбину (6). В процессе расширения происходит понижение температуры воздуха и отдача механической энергии тормозному устройству, например тормозному турбокомпрессору (7), кинематически связанному валом (8) с ротором холодильной турбины. После турбины (6) холодный воздух по линии (9) подают потребителю, например, в систему охлаждения гермокабины и отсеков оборудования или в систему охлаждения турбины двигателя. Турбохолодильную установку снабжают ЭВМ с программой, имитирующей работу системы, включающей в себя турбореактивный двигатель и турбохолодильную установку, В процессе функционирования турбохолодильной установки задают значение температуры воздуха за турбиной (6) и устанавливают номинальное значение избыточного давления настройки сетевого регулятора. В процессе работы системы непрерывно измеряют давление и температуру за ступенями отбора воздуха от компрессора двигателя. С помощью имитационной модели системы для каждой ступени отбора производят расчет температуры и давления воздуха на входе в турбину, температуры и давления за турбиной и частоту вращения ее ротора. Определяют степень понижения давления в турбине, текущее значение приведенной частоты вращения ротора и оптимальную величину приведенной частоты вращения ротора, соответствующую максимальному значению КПД турбины. Если текущее расчетное значение приведенной частоты вращения меньше оптимальной величины приведенной частоты вращения, то уменьшают тормозящий момент ротора. Если текущее значение приведенной частоты вращения больше оптимальной величины, то тормозящий момент ротора увеличивают, при этом тормозящий момент ротора изменяют путем воздействия на тормозное устройство до наступления равенства оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины. Если расчетное значение температуры воздуха за турбиной меньше заданного, то уменьшают количество продувочного воздуха, проходящего через ВВТ (4), пока не наступит равенство заданного и расчетного значений температур. Если расчетное значение температуры воздуха за турбиной больше заданного, то увеличивают количество продувочного воздуха пока не наступит равенство заданного и расчетного значений температур. При наступлении равенства значений указанных температур определяют для каждой из ступеней отбора расход топлива, затраченного двигателем на получение холода. Проводят сравнительный анализ затрат топлива и выбирают ступень для отбора воздуха с наименьшем расходом топлива для заданного режима работы двигателя. Для этой выбранной расчетным путем ступени отбора воздуха с помощью датчиков измеряют температуру и давление на входе в турбину, температуру и давление за турбиной и частоту вращения ее ротора. По результатам этих измерений определяют степень понижения давления в турбине, текущее значение приведенной частоты вращения ротора и оптимальную величину приведенной частоты вращения ротора, соответствующую максимальному значению КПД турбины. Если текущее значение приведенной частоты вращения меньше оптимальной величины приведенной частоты вращения, то уменьшают тормозящий момент ротора. Если текущее значение приведенной частоты вращения больше оптимальной величины, то тормозящий момент ротора увеличивают.

Причем тормозящий момент ротора изменяют путем воздействия на тормозное устройство до наступления равенства оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины. Затем, если измеренное значение температуры воздуха за холодильной турбиной меньше заданного, то уменьшают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство измеренного и заданного значений температур. Если измеренное значение температуры воздуха за турбиной больше заданного, то увеличивают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур. При наступлении равенства значений указанных температур определяют действительный расход топлива, затраченного двигателем на получение холода.

Номинальное значение избыточного давления настройки сетевого регулятора устанавливают в пределах от 0,4 до 0,5 МПа. Количество продувочного воздуха изменяют путем уменьшения или увеличения степени дросселирования потока продувочного воздуха на входе его в воздухо-воздушный теплообменник или на выходе из воздухо-воздушного теплообменника. Степень дросселирования потока продувочного воздуха изменяют с помощью заслонки (10), установленной соответственно на входе или выходе продувочного воздуха из воздухо-воздушного теплообменника (4).

В качестве тормозного устройства (7) используют вентилятор, установленный на одном валу с ротором холодильной турбины (6), при этом тормозящий момент ротора изменяют, уменьшая или увеличивая сопротивление сети на стороне нагнетания или всасывания вентилятора. В некоторых случаях, зависящих от конструктивных особенностей турбохолодильной установки, в качестве тормозного устройства используют тормозной турбокомпрессор, установленный на одном валу с ротором холодильной турбины, при этом тормозящий момент ротора изменяют, уменьшая или увеличивая сопротивление сети на стороне нагнетания или всасывания. Сопротивление сети изменяют с помощью заслонки (11), установленной соответственно на стороне всасывания или нагнетания турбокомпрессора или вентилятора.

В турбохолодильной установке, реализующей способ, может быть применен электронный блок имитации работы системы, электронный блок обработки сигналов и блок управления, выполненный на базе микропроцессоров, устройств преобразования аналоговых сигналов в цифровые и коммутационных устройств. В блоке управления измеряемые и задаваемые параметры в форме электрических сигналов поступают в микропроцессор (ЭВМ), где суммируются с учетом характеристик турбины, хранящихся в памяти микропроцессора (ЭВМ), выходные сигналы через исполнительный механизмы подаются на тормозное устройство (7) для варьирования величиной тормозного момента ротора турбины (6), на автоматическую заслонку (10) для изменения количества продувочного воздуха и в подсистему отбора (2) для выбора ступени отбора воздуха от компрессора двигателя.

Высокая экономичность предлагаемого способа получения холода в турбохолодильной установке (ТХУ) со ступенчатым отбором воздуха от компрессора турбореактивного двигателя обусловлена поддержанием максимального значения КПД холодильной турбины и заданной температуры воздуха на выходе из турбины в условиях переменных режимов работы ТРД, изменяющихся параметров окружающей среды и тепловых нагрузок на ТХУ с наименьшим расходом топлива, затрачиваемого на производство холода.

Способ относится к холодильной технике. Задают значение температуры воздуха за турбиной. Непрерывно измеряют давление и температуру за ступенями отбора воздуха от компрессора двигателя. С помощью имитационной модели системы для каждой ступени отбора производят расчет температуры и давления воздуха на входе в турбину, температуры и давления за турбиной и частоту вращения ее ротора. Определяют степень понижения давления в турбине, текущее значение приведенной частоты вращения ротора и оптимальную величину приведенной частоты вращения ротора, соответствующую максимальному значению КПД турбины. Тормозящий момент ротора изменяют путем воздействия на тормозное устройство до наступления равенства оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины. Если расчетное значение температуры воздуха за турбиной меньше или больше заданного, то соответственно уменьшают или увеличивают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и расчетного значений температур. При наступлении равенства значений указанных температур определяют для каждой из ступеней отбора расход топлива, затраченного двигателем на получение холода. Проводят сравнительный анализ затрат топлива и выбирают ступень для отбора воздуха с наименьшим расходом топлива для заданного режима работы двигателя. Для этой выбранной расчетным путем ступени отбора воздуха с помощью датчиков измеряют температуру и давление на входе в турбину, температуру и давление за турбиной и частоту вращения ее ротора. По результатам этих измерений вновь определяют упомянутые выше параметры и повторяют приведенную выше последовательность процессов, пока не наступит равенство оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины и равенство заданного и измеряемого значений температур воздуха за турбиной. При наступлении равенства значений указанных температур определяют действительный расход топлива, затраченного двигателем на получение холода. Использование изобретения позволит уменьшить расход топлива, затрачиваемого на получение холода. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения холода в турбохолодильной установке со ступенчатым отбором воздуха от компрессора турбореактивного двигателя путем сжатия атмосферного воздуха в компрессоре двигателя, отбора сжатого воздуха в турбохолодильную установку от заданной ступени компрессора двигателя, ограничения давления сжатого воздуха в сетевом регуляторе избыточного давления, охлаждения его в воздухо-воздушном теплообменнике продувочным воздухом, поступающим из атмосферы, последующего расширения сжатого воздуха в холодильной турбине с понижением его температуры и отдачей механической энергии тормозному устройству, кинематически связанному с ротором холодильной турбины, отличающийся тем, что турбохолодильную установку снабжают ЭВМ с программой, имитирующей работу системы, включающей в себя турбореактивный двигатель и турбохолодильную установку, задают значение температуры воздуха за турбиной и устанавливают номинальное значение избыточного давления настройки сетевого регулятора, в процессе работы системы непрерывно измеряют давление и температуру за ступенями отбора воздуха от компрессора двигателя, с помощью имитационной модели системы для каждой ступени отбора производят расчет температуры и давления воздуха на входе в турбину, температуры и давления за турбиной и частоту вращения ее ротора, определяют степень понижения давления в турбине, текущее значение приведенной частоты вращения ротора и оптимальную величину приведенной частоты вращения ротора, соответствующую максимальному значению КПД турбины, если текущее расчетное значение приведенной частоты вращения меньше оптимальной величины приведенной частоты вращения, то уменьшают тормозящий момент ротора, если текущее значение приведенной частоты вращения больше оптимальной величины, то тормозящий момент ротора увеличивают, при этом тормозящий момент ротора изменяют путем воздействия на тормозное устройство до наступления равенства оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины, если расчетное значение температуры воздуха за турбиной меньше заданного, то уменьшают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и расчетного значений температур, если расчетное значение температуры воздуха за турбиной больше заданного, то увеличивают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и расчетного значений температур, при наступлении равенства значений указанных температур определяют для каждой из ступеней отбора расход топлива, затраченного двигателем на получение холода, проводят сравнительный анализ затрат топлива и выбирают ступень для отбора воздуха с наименьшим расходом топлива для заданного режима работы двигателя, для этой выбранной расчетным путем ступени отбора воздуха с помощью датчиков измеряют температуру и давление на входе в турбину, температуру и давление за турбиной и частоту вращения ее ротора, по результатам этих измерений определяют степень понижения давления в турбине, текущее значение приведенной частоты вращения ротора и оптимальную величину приведенной частоты вращения ротора, соответствующую максимальному значению КПД турбины, если текущее значение приведенной частоты вращения меньше оптимальной величины приведенной частоты вращения, то уменьшают тормозящий момент ротора, если текущее значение приведенной частоты вращения больше оптимальной величины, то тормозящий момент ротора увеличивают, причем тормозящий момент ротора изменяют путем воздействия на тормозное устройство до наступления равенства оптимального и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины, затем, если измеренное значение температуры воздуха за холодильной турбиной меньше заданного, то уменьшают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство измеренного и заданного значений температур, если измеренное значение температуры воздуха за турбиной больше заданного, то увеличивают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур, при наступлении равенства значений указанных температур определяют действительный расход топлива, затраченного двигателем на получение холода.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что номинальное значение избыточного давления настройки сетевого регулятора устанавливают в пределах 0,4-0,5 МПа.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что количество продувочного воздуха изменяют путем уменьшения или увеличения степени дросселирования потока продувочного воздуха на входе его в воздухо-воздушный теплообменник.4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что количество продувочного воздуха изменяют путем уменьшения или увеличения степени дросселирования потока продувочного воздуха на выходе его из воздухо-воздушного теплообменника.5. Способ по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что в качестве тормозного устройства используют вентилятор, установленный на одном валу с ротором холодильной турбины, при этом тормозящий момент ротора изменяют, уменьшая или увеличивая сопротивление сети на стороне нагнетания или всасывания вентилятора.6. Способ по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что в качестве тормозного устройства используют тормозной турбокомпрессор, установленный на одном валу с ротором холодильной турбины, при этом тормозящий момент ротора изменяют, уменьшая или увеличивая сопротивление сети на стороне нагнетания или всасывания.