СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ГОРЯЧИХ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА И ДВИГАТЕЛЬ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, СНАБЖЕННЫЙ ТАКОЙ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК F02C7/12 

Область техники

Изобретение относится к системам охлаждения горячих деталей двигателей летательных аппаратов.

Оно касается, в частности, системы охлаждения с серией теплообменников для охлаждения горячих деталей двигателя летательного аппарата, таких как лопатки турбины высокого давления двигателя летательного аппарата.

Изобретение касается также двигателя летательного аппарата, оборудованного такой системой охлаждения.

Уровень техники

Известна практика размещения теплообменников в двигателе летательного аппарата для охлаждения горячих деталей этого двигателя.

В материалах FR 2400618 описан двигатель летательного аппарата турбокомпрессорного типа, в котором используется система охлаждения "воздух - воздух" и соответствующий ей способ охлаждения. Горячие детали, такие, как неподвижные и подвижные лопатки турбины высокого давления, охлаждаются охлаждающим воздухом, содержащим частично первичный воздух, отобранный на выходе компрессора или между его ступенями. Этот воздух для охлаждения горячих деталей предварительно охлаждается до поступления на охлаждаемые детали, проходя по трубам теплообменника, установленного в потоке более холодного воздуха. Этот поток более холодного воздуха частично содержит поступающий от воздуходувки воздух или вторичный воздух. Он отбирается в канале воздуходувки, в частности в кольцевом проточном пространстве, ограниченном с одной стороны газогенератором и с другой стороны кожухом, охватывающим частично газогенератор по его длине. Эта часть разбавляющего воздуха, отобранная кожухом, поступает в диффузорное отделение, в котором в значительной степени восстанавливается его динамическое давление, затем направляется по теплообменнику, в котором он поглощает тепло охлаждающего воздуха, отобранного на участке компрессора. После того как он охладит воздух для охлаждения горячих деталей, эта часть разбавляющего воздуха поступает обратно в канал воздуходувки, при этом его статическое давление приводится к статическому давлению внутри канала воздуходувки.

В материалах US 5269135 раскрыта система охлаждения типа "воздух - горючее", содержащая, по меньшей мере, один теплообменник, в котором циркулирует топливо. Этот теплообменник расположен на тракте, по которому циркулирует более холодный воздух, отобранный в верхней зоне канала воздуходувки и возвращаемый в нижнюю зону канала. Тракт частично ограничен внутренней стенкой канала воздуходувки.

Описанные системы охлаждения содержат ряд недостатков.

Первый недостаток касается ухода за двигателем, в частности за газогенератором. При отсутствии системы охлаждения уход проводится открыванием капота картера для непосредственного доступа к двигателю, в частности к топливным форсункам. При наличии системы охлаждения, известной из уровня техники, в частности, при наличии кожуха, охватывающего газогенератор, или тракта, жестко связанного с картером, осложняется доступ к некоторым деталям двигателя для ухода за ними.

Второй недостаток известных из уровня техники систем охлаждения заключается в том, что более холодный воздух, используемый для охлаждения жидкости, циркулирующей в теплообменнике, возвращается в нижнюю зону канала воздуходувки. Следовательно, его давление доводится до давления внутри канала воздуходувки на этом участке. Однако имеется риск возникновения ситуации, при которой воздух может начать циркулировать в обратном направлении или вообще не циркулировать, что сделает неэффективной работу теплообменника.

Описание изобретения

Целью изобретения является устранение недостатков, присущих известным из уровня техники системам охлаждения.

Согласно первому аспекту изобретения система охлаждения горячих деталей двигателя летательного аппарата используется в двигателе летательного аппарата, установленном в капоте, при этом поток первичного воздуха поступает в двигатель, а поток вторичного воздуха омывает двигатель внутри капота. Система охлаждения содержит, по меньшей мере, один тракт, посредством которого отбирается холодный воздух в потоке вторичного воздуха, и, по меньшей мере, один расположенный на тракте теплообменник с циркулирующим внутри него горячим воздухом, отобранным от потока первичного воздуха для охлаждения перед его подачей на охлаждение горячих деталей. Указанный, по меньшей мере, единственный тракт содержит три следующих участка:

- систему подводящих каналов, расположенную в верхней зоне упомянутого единственного теплообменника, при этом система подводящих каналов жестко связана с картером;

- систему отводящих каналов, расположенную в нижней зоне единственного теплообменника, причем эта система отводящих каналов жестко связана с картером;

- промежуточный кожух, расположенный между системами подводящих и отводящих каналов, в котором установлен единственный теплообменник, причем промежуточный кожух жестко связан с двигателем.

Оптимально, чтобы промежуточный кожух имел - в продольном сечении - профиль, имеющий вид в основном прямоугольника.

Предпочтительно, чтобы промежуточный кожух имел - в продольном сечении - профиль в виде преимущественно трапеции, большее основание которой расположено напротив двигателя, а меньшее - напротив картера.

Предпочтительно также, чтобы система охлаждения имела дополнительно герметичное соединение в верхней зоне между системой подводящих каналов и промежуточным кожухом, а также герметичное соединение в нижней зоне между промежуточным кожухом и нижней системой каналов.

Согласно изобретению каждый теплообменник соединен:

с, по меньшей мере, одним подводящим патрубком, отбирающим воздух от потока горячего первичного воздуха и подающим его в теплообменник для охлаждения и

с, по меньшей мере, одним отводящим патрубком, принимающим охлажденный в теплообменнике воздух и подающим его к горячим деталям двигателя для охлаждения.

Предпочтительно, чтобы каждый подводящий патрубок содержал на одном из своих концов крепежный фланец для своего крепления на двигателе. Аналогично каждый отводящий патрубок содержит на одном из своих концов крепежный фланец для своего крепления на двигателе. Все эти крепежные фланцы обеспечивают механическое крепление кожуха на двигателе.

Согласно варианту выполнения, по меньшей мере, один из подводящих патрубков снабжен клапаном.

Согласно другому варианту выполнения, по меньшей мере, один из отводящих патрубков снабжен клапаном.

Согласно отдельному варианту выполнения каждый теплообменник соединен с четырьмя подводящими и четырьмя отводящими патрубками.

Согласно изобретению выход системы отводящих каналов трубопровода каждого тракта расположен на уровне выхода выпускного патрубка картера или выше за ним. Таким образом, выходящий из системы отводящих каналов воздух имеет атмосферное давление. В результате предупреждается возникновение рециркуляции воздуха в теплообменнике, а потери напора в нем возрастают.

Согласно предпочтительному варианту выполнения система подводящих каналов каждого тракта имеет выходное сечение, превышающее входное сечение.

Согласно еще одному предпочтительному варианту выполнения система отводящих каналов каждого тракта имеет выходное сечение, которое меньше входного сечения.

Предпочтительно, чтобы система охлаждения содержала, по меньшей мере, два теплообменника, расположенных по окружности вокруг двигателя, причем каждый теплообменник расположен на отдельном тракте. Предпочтительно, чтобы теплообменников было четыре.

Согласно еще одному варианту выполнения система охлаждения содержит только один теплообменник, расположенный по всей окружности двигателя на соответствующем единственном кольцевом тракте.

Согласно другому аспекту изобретение относится к двигателю летательного аппарата, оборудованному системой охлаждения, согласно первому аспекту изобретения.

Краткое описание чертежей

Подробнее изобретение поясняется ниже с помощью своих вариантов выполнения, приведенных единственно в целях информации и не являющихся ограничительными, со ссылками на приложенные чертежи. При этом изображено на:

фиг.1 схематически двигатель летательного аппарата с системой охлаждения согласно изобретению, продольное сечение;

фиг.2 общий вид сзади на задний участок двигателя летательного аппарата с системой охлаждения согласно изобретению;

фиг.3 другой общий вид сзади на двигатель, при этом удален задний участок на участке системы охлаждения и показано расположение теплообменников в разрезе.

Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения

На фиг.1 схематически изображен двигатель 10 летательного аппарата с осью 12 поворота.

Известным образом двигатель 10 летательного аппарата содержит ступени 14 компрессора низкого давления, ступени 16 компрессора среднего давления, ступени 18 компрессора высокого давления, камеру 20 сгорания и турбины 22. Двигатель 10 летательного аппарата размещен в картере 24, оканчивающимся выпускным патрубком 26.

Известным образом поток первичного воздуха, обозначенный стрелками 100, циркулирует внутри двигателя 10. Он нагревается при прохождении через ступени 14, 16, 18 компрессора перед поступлением в турбины 22.

Известным образом поток вторичного воздуха, отмеченный стрелками 200, циркулирует внутри картера 24 вокруг двигателя 10. Вторичный воздух 200, находящийся снаружи двигателя 10, холоднее первичного воздуха. 100, находящегося внутри двигателя 10.

Согласно изобретению двигатель 10 содержит систему 30 охлаждения для охлаждения горячих деталей двигателя 10, таких как, например, лопатки турбин 22. Принцип действия этой системы охлаждения состоит в охлаждении воздуха, поступающего затем на или в охлаждаемые горячие детали.

Система 30 охлаждения содержит, по меньшей мере, один тракт 32, по которому циркулирует воздух (отмечен стрелками 300, 400), отобранный от потока вторичного воздуха в картере 24, а также, по меньшей мере, один теплообменник 34, расположенный на этом тракте 32. Теплообменником 34 может служить, например, трубчатый или пластинчатый теплообменник.

Каждый тракт 32 состоит из трех последовательно расположенных участков:

- системы 322 подводящих каналов, жестко связанной с картером 24 и расположенной в верхней зоне по отношению к направлению потока воздуха (стрелки 100, 200, 300, 400);

- системы 326 отводящих каналов, жестко связанной с картером 24 и расположенной в нижней зоне по отношению к направлению потока воздуха (стрелки 100, 200, 300, 400);

- промежуточного кожуха 324, жестко связанного с двигателем 10 и расположенного между системой 322 подводящих каналов и системой 326 отводящих каналов.

Соединение 342 между системой 322 подводящих каналов и промежуточным кожухом 324 образовано продолжением выходного сечения 323 системы 322 подводящих каналов и входного сечения 328 промежуточного кожуха 324, размеры которых для этой цели заданы существенно одинаковыми. Соединение 342 дополнено верхним герметическим соединением (не показано), согласованным с упомянутыми сечениями.

Аналогичным образом соединение 346 между промежуточным кожухом 324 и системой 326 отводящих каналов образовано продолжением выходного сечения 329 промежуточного кожуха 324 и входного сечения 325 системы 326 отводящих каналов, которые для этой цели выполнены существенно идентичными. Соединение 346 дополнено нижним герметичным соединением (не показано), которое согласовано с указанными сечениями.

Предпочтительно, чтобы концевые сечения промежуточного кожуха 324 на участке соответствующих соединений 342, 346 были выполнены - в продольном разрезе - в виде профиля, имеющего вид преимущественно трапеции, большее основание которой находится напротив двигателя 10, а меньшее - напротив картера 24.

Вход 321 тракта 32, расположенный на уровне входа системы 322 подводящих каналов, может служить входом для статического или динамического воздуха.

Выход 327 тракта 32, являющийся выходом системы 326 отводящих каналов, расположен с возможностью существенного совпадения со свободным концом выпускного патрубка картера 24. Таким образом, отводимый по системе 326 отводящих каналов воздух имеет атмосферное давление.

Теплообменник 34 установлен в промежуточном кожухе 324 тракта 32.

Промежуточный кожух 324 расположен напротив двигателя 10, на некотором расстоянии от него. Он связан с двигателем 10 посредством, по меньшей мере, одного подводящего патрубка 42, предназначенного для подачи (стрелка 420) воздуха, отобранного на выходе из компрессора 14, 16, 18, к теплообменнику 34 на охлаждение, и, по меньшей мере, одного отводящего патрубка 44, служащего для отвода охлажденного воздуха к турбинам 22 (стрелка 440).

На фигурах 2 и 3 подробнее показан пример выполнения системы 30 охлаждения согласно изобретению, содержащей четыре тракта 32, распределенных по периферии картера 24. Для упрощения фигур двигатель 10 на них не показан. Стрелками 200 показано направление истечения вторичного воздуха и, следовательно, показаны верхняя и нижняя зоны трактов 32.

На фиг.2 показан пример выполнения системы охлаждения согласно изобретению, в частности тракты 32, а также их системы подводящих и отводящих каналов соответственно 322 и 326.

Согласно предпочтительному изображенному варианту выполнения системы охлаждения системы 322 подводящих каналов имеют входное сечение 321, которое меньше их выходного сечения 323. Таким образом, воздух (стрелки 300), поступающий из картера 24, замедляется в системах 322 подводящих каналов перед поступлением на участок теплообменников 34, на котором он нагревается от контакта с ними. Аналогичным образом системы 326 отводящих каналов имеют входное сечение 325, которое равно их выходному сечению 327. Таким образом, воздух (стрелки 400), который был нагрет от контакта с теплообменниками 34, не ускоряется в системах отводящих каналов перед своим выходом наружу, что ограничивает потери напора.

На фиг.3 изображены только системы 322 подводящих каналов и промежуточные кожухи 324 трактов 32.

На этой фигуре подробнее показаны промежуточные кожухи 324, в которых расположены теплообменники 34, подводящие патрубки 42 и отводящие патрубки 44. В изображенном примере выполнения подводящие патрубки 42 предусмотрены в количестве четырех штук для одного промежуточного кожуха 324 и расположены в направлении вверх к промежуточным кожухам 324. Аналогичным образом отводящие патрубки предусмотрены в количестве четырех штук для одного промежуточного кожуха 324 и расположены в направлении вниз к промежуточным кожухам 324. Подводящие патрубки 42 и отводящие патрубки 44 оканчиваются со стороны двигателя 10 крепежными фланцами 43 для жесткого крепления промежуточных кожухов 324 с двигателем 10. Таким образом, подводящие патрубки 42 и отводящие патрубки 44 служат одновременно средствами крепления промежуточных кожухов 324 и, следовательно, теплообменников 34, связанных с двигателем 10.

Подводящие патрубки 42 закреплены на каждом промежуточном кожухе 324 на участке распределительного устройства 46, обеспечивающего питание всех труб или пластин теплообменника или теплообменников 34, расположенных в промежуточном кожухе 324. Воздух, охлажденный от контакта с теплообменником или теплообменниками 34, собирается в коллекторе 48, на котором закреплены отводящие патрубки 44.

В примере выполнения подводящие патрубки 42 являются в основном прямолинейными и отбирают воздух непосредственно на выходе из компрессора 14, 16, 18 для подачи его в теплообменники 34. Отводящие патрубки 44 выполнены изогнутыми таким образом, чтобы можно было подавать воздух, поступивший в теплообменники 34, в большей мере в нижнюю зону на вход турбин 22.

Описанная система охлаждения имеет ряд преимуществ.

Первое из них состоит в возможности обеспечения ухода за некоторыми деталями двигателя 10, как, например, топливные форсунки (не показаны). Согласно изобретению система 322 подводящих каналов и система 326 отводящих каналов каждого тракта 32 жестко связаны с картером 24, а промежуточный кожух 324 жестко связан с двигателем 10. В результате этого предпочтительно располагать систему 322 подводящих каналов и систему 326 отводящих каналов таким образом, чтобы они были закреплены на капоте отверстия (не показан) картера 24. Таким образом, при открытии капота указанные обе системы 322, 326 каналов поднимаются одновременно с капотом, в то время как промежуточный кожух 324 с одним или несколькими теплообменниками 34 остается жестко связанным с двигателем 10. Таким образом, упрощается доступ оператора к двигателю даже при наличии тракта 32 благодаря тому, что последний состоит из трех раздельных деталей 322, 324, 326.

Поскольку промежуточный кожух 324 расположен на некотором расстоянии от двигателя 10 в связи с наличием подводящих патрубков 42 и отводящих патрубков 44, то для оператора облегчается доступ к деталям двигателя, даже в зону под промежуточным кожухом 324, через промежуток между подводящими патрубками 42 и отводящими патрубками 44. Следовательно, оказывается достаточным установить промежуточный кожух 324 напротив камеры сгорания 20 для того, чтобы обеспечить легкий доступ к топливным форсункам для уходя за ними.

Другое преимущество связано с трапецеидальной формой профиля промежуточного кожуха 324. Благодаря такой форме достигается положение, при котором во время закрытия капота картера 24 выходное сечение 323 системы 322 подводящих каналов каждого тракта 32 перекрывает входное сечение 328 промежуточного кожуха 324. Аналогичным образом входное сечение 325 системы 326 отводящих каналов перекрывает выходное сечение 329 промежуточного кожуха 324. Такая компоновка позволяет обеспечить точное совпадение системы 322 подводящих каналов и системы 326 отводящих каналов с промежуточным кожухом 324 при закрытии капота и, следовательно, обеспечить надежную герметичность тракта 32 на участке соединений 342 и 346. Такая герметичность может быть повышена путем использования герметичных соединений по периферии соединений 342, 346.

Описанная система охлаждения является пассивной системой охлаждения, т.е. количество воздуха, отобранного на участке компрессора 18 высокого давления (стрелка 420), пропорционально количеству воздуха для охлаждения турбины 22 высокого давления (стрелки 440). Можно предусмотреть, не выходя за рамки настоящего изобретения, активную систему охлаждения, которая будет содержать, по меньшей мере, один клапан (не показан), расположенный на подводящих 42 или отводящих патрубках 44. Таким образом, станет возможным за счет управления открытием и/или закрытием таких клапанов повысить летные характеристики двигателя за счет увеличения его массы и в зависимости от разных полетных режимов.

В описанной системе охлаждения каждый теплообменник связан с четырьмя подводящими и четырьмя отводящими патрубками на выходе. Можно предусмотреть, не выходя за рамки изобретения, чтобы количество подводящих и отводящих патрубков на выходе не равнялось четырем и/или чтобы эти количества отличались между собой.

В описанной системе охлаждения выход тракта совпадает со свободным концом выпускного патрубка картера. Можно предусмотреть, чтобы тракт продолжался далее свободного конца выпускного патрубка в нижнем направлении.

Система охлаждения горячих деталей двигателя летательного аппарата, расположенного в картере, где поток первичного воздуха поступает в двигатель, а поток вторичного воздуха омывает двигатель внутри картера, содержит, по меньшей мере, один тракт, отбирающий холодный воздух от потока вторичного воздуха и, по меньшей мере, один расположенный на тракте теплообменник. В теплообменнике циркулирует горячий воздух, поступающий от потока первичного воздуха для своего охлаждения перед подачей на горячие детали для их охлаждения. По меньшей мере, один тракт содержит три последовательных участка: систему подводящих каналов, расположенную выше, по меньшей мере, одного теплообменника, систему отводящих каналов, расположенную ниже, по меньшей мере, одного теплообменника и промежуточного кожуха. Система подводящих каналов и система отводящих каналов жестко связаны с картером. Промежуточный кожух расположен между системой подводящих каналов и системой отводящих каналов, в котором расположен, по меньшей мере, один теплообменник. Промежуточный кожух жестко связан с двигателем и имеет профиль преимущественно в виде трапеции, большее основание которой расположено напротив двигателя, а меньшее - напротив картера. Изобретение направлено на повышение эффективности работы теплообменника и упрощение ухода за двигателем. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система (30) охлаждения горячих частей двигателя (10) летательного аппарата, причем двигатель (10) расположен в картере (24), поток первичного воздуха (100) поступает в двигатель, а поток вторичного воздуха (200) омывает двигатель (10) внутри картера (24), причем система (30) охлаждения содержит, по меньшей мере, один тракт (32), отбирающий холодный воздух (300) от потока вторичного воздуха (200), и, по меньшей мере, один расположенный на тракте (32) теплообменник (34), в котором циркулирует горячий воздух (420), поступающий от потока первичного воздуха (100) для своего охлаждения перед подачей (440) на горячие детали для их охлаждения, и, по меньшей мере, один тракт (32) содержит три последовательных участка: систему (322) подводящих каналов, расположенную выше, по меньшей мере, одного теплообменника (34), причем эта система (322) подводящих каналов жестко связана с картером (24), систему (326) отводящих каналов, расположенную ниже, по меньшей мере, одного теплообменника (34), причем эта система (326) отводящих каналов жестко связана с картером (24), промежуточный кожух (324), расположенный между системой (322) подводящих каналов и системой (326) отводящих каналов, в котором расположен, по меньшей мере, один теплообменник (34), причем промежуточный кожух (324) жестко связан с двигателем (10) отличающаяся тем, что промежуточный кожух (324) в продольном сечении имеет профиль преимущественно в виде трапеции, большее основание которой расположено напротив двигателя (10), а меньшее - напротив картера (24).

2. Система (30) охлаждения по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит верхнее герметичное соединение между системой (322) подводящих каналов и промежуточным кожухом (324) и нижнее герметичное соединение между промежуточным кожухом (324) и системой (326) отводящих каналов.

3. Система (30) охлаждения по п.1 или 2, отличающаяся тем, что каждый промежуточный кожух (324) соединен, по меньшей мере, с одним подводящим патрубком (42), отбирающим воздух (420) от потока первичного воздуха (100) и подводящим его в теплообменник (34), и, по меньшей мере, с одним отводящим патрубком (44), в который поступает охлажденный в теплообменнике (34) воздух (440) и подается на горячие детали двигателя (10).

4. Система (30) охлаждения по п.3, отличающаяся тем, что каждый подводящий патрубок (42) и каждый отводящий патрубок (44) содержат на одном из своих концов крепежный фланец (43) для своего крепления на двигателе (10).

5. Система (30) охлаждения по п.4, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один подводящий патрубок (42) снабжен клапаном.

6. Система (30) охлаждения по п.5, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один отводящий патрубок (44) снабжен клапаном.

7. Система (30) охлаждения по п.5, отличающаяся тем, что каждый промежуточный кожух (324) соединен с четырьмя подводящими патрубками (42) и четырьмя отводящими патрубками (44).

8. Система (30) охлаждения по п.1, отличающаяся тем, что выход (327) системы (326) отводящих каналов каждого тракта (32) расположен на уровне выхода выпускного патрубка (26) картера (24) или выше за ним.

9. Система (30) охлаждения по п.1, отличающаяся тем, что система (322) подводящих каналов каждого тракта (32) имеет выходное сечение (323), превышающее свое входное сечение (321).

10. Система (30) охлаждения по п.1, отличающаяся тем, что система (326) отводящих каналов каждого тракта (32) имеет выходное сечение (327), одинаковое со своим входным сечением (325).

11. Система охлаждения (30) по п.1, отличающаяся тем, что содержит, по меньшей мере, два теплообменника (34), установленных по окружности вокруг двигателя (10), и что каждый теплообменник (34) расположен на отдельном тракте (32).

12. Система охлаждения (30) по п.1, отличающаяся тем, что содержит только один теплообменник (34), расположенный по всей окружности двигателя (10), и что этот теплообменник (34) расположен на соответствующем единственном кольцевом тракте 932).

13. Двигатель (10) летательного аппарата, отличающийся тем, что оборудован системой (30) охлаждения по любому из пп.1-12.