Устройство для охлаждения двухконтурного турбореактивного двигателя Российский патент 2025 года по МПК F02C7/18 F02K3/115 F02C7/20 

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, в частности, к двухконтурным турбореактивным двигателям.

Современные авиационные двигатели имеют тенденцию к постоянному росту экономичности за счет роста степени двухконтурности, а также повышению характерных температур и давлений в термодинамическом цикле для повышения его к.п.д. Присутствие из-за этого в составе турбореактивных двигателей деталей, работающих при больших температурах и высоких нагрузках, требует для них специальных систем и устройств охлаждения. Для наиболее ответственных деталей, расположенных в области повышенных давлений, прежде всего деталей турбины, применяется охлаждающий воздух высокого давления. Однако, температура сжатого воздуха после компрессора высокого давления или из полости охлаждения камеры сгорания может быть неприемлемо высокой для целей охлаждения. Поэтому перед использованием в качестве охладителя этот воздух должен охлаждаться с использованием дополнительного более низкотемпературного хладоресурса. Источником такого хладоресурса в двухконтурном турбореактивном двигателе является воздух низкого давления, протекающий по наружному контуру двигателя.

Известны устройства для охлаждения двухконтурного турбореактивного двигателя с вентилятором для подачи воздуха в канал наружного контура двигателя, образованный между обечайкой и размещенным в ней корпусом газогенератора, и во внутренний контур двигателя, расположенный в корпусе газогенератора, в котором установлены и последовательно связаны между собой компрессор, камера сгорания с полостью охлаждения и турбина с сопловым аппаратом и воздушным коллектором, содержащие трубчатый рекуперативный теплообменник, расположенный в наружном контуре двигателя и сообщенный с каналами подвода и отвода охлаждаемого воздуха, выполненные в корпусе газогенератора, причем канал отвода охлаждаемого воздуха связан с воздушным коллектором турбины (патент США №3842597, 1974 г.).

В известном устройстве в рекуперативном теплообменнике охлаждается часть нагнетаемого компрессором воздуха, причем охлажденный сжатый воздух подается в камеру сгорания для снижения температуры пламени в зоне первичного горения, а часть его может направляться в турбину для охлаждения. Поток нагретого охлаждающего воздуха из рекуперативного теплообменника возвращается в канал наружного контура, повышая поступательную тягу двигателя.

Схема рекуперации в известном устройстве недостаточно эффективна в связи с большим расстоянием между точками подвода и отвода сжатого воздуха в трубчатый рекуперативный теплообменник в наружном контуре, что приводит к возникновению в нем существенных температурных деформаций. Требуемое из-за этого увеличение толщины трубок снижает теплопередачу, и следовательно, увеличивает потребные габариты теплообменника, что загромождает канал наружного контура, увеличивая сопротивление потоку в нем и снижая тяговое усилие двигателя.

Наиболее близким по технической сути аналогом изобретения является устройство для охлаждения двухконтурного турбореактивного двигателя с вентилятором для подачи воздуха в канал наружного контура двигателя, образованный между обечайкой и размещенным в ней корпусом газогенератора, и во внутренний контур двигателя, расположенный в корпусе газогенератора, в котором установлены и последовательно связаны между собой компрессор, камера сгорания с полостью охлаждения и турбина с сопловым аппаратом и воздушным коллектором, содержащее трубчатый рекуперативный теплообменник, расположенный в канале наружного контура двигателя и сообщенный каналами подвода и отвода охлаждаемого воздуха, выполненными в корпусе газогенератора, с внутренним контуром двигателя, причем трубки рекуперативного теплообменника расположены по окружности канала наружного контура, а каждая трубка сообщена с каналами подвода и отвода охлаждаемого воздуха, выполнена по меньшей мере с одним консольным петлеобразным участком, расположенным вдоль канала наружного контура, и закреплена своими концами на корпусе газогенератора (Справочник ЦИАМ «Иностранные авиационные газотурбинные двигатели», под общей редакцией Г.В. Скворцова, Центральный институт авиационного моторостроения, 1981, стр. 164-166).

В известном устройстве каналы подвода и отвода охлаждаемого воздуха расположены в корпусе газогенератора на относительно небольшом расстоянии один от другого по длине корпуса, поэтому расстояние между точками крепления концов трубок к корпусу газогенератора в осевом направлении также небольшое, чем и вызвана необходимость выполнения трубок с консольными петлеобразными участками, расположенными вдоль канала наружного контура.

Такое выполнение трубок характеризуется свойством снижения нагрузки в точках крепления трубок от тепловых деформаций. Однако длинные консольные петлеобразные участки склонны к провисанию и подвержены колебательным и вибрационным воздействиям, особенно вокруг точек крепления концов трубок, что отрицательно влияет на надежность работы рекуперативного теплообменника. Известны средства для исключения механических, вибрационных и колебательных воздействий на теплообменные трубки, выполненные в виде проволочных бандажей, навитых по спирали на трубки (патент РФ №2543094, 2013 г.). Однако такое выполнение бандажа неприемлимо для консольных петлеобразных трубок, каждая из которых расположена обособленно от остальных трубок.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является механические, колебательные и вибрационные воздействия на консольные петлеобразные участки трубок рекуперативного теплообменника, особенно вокруг точек крепления концов трубок к корпусу газогенератора.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы рекуперативного теплообменника за счет минимизации механических, колебательных и вибрационных воздействий на консольные петлеобразные участки трубок рекуперативного теплообменника, особенно вокруг точек крепления концов трубок к корпусу газогенератора.

Технический результат достигается за счет того, что устройство для охлаждения двухконтурного турбореактивного двигателя с вентилятором для подачи воздуха в канал наружного контура двигателя, образованный между обечайкой и размещенным в ней корпусом газогенератора, и во внутренний контур двигателя, расположенный в корпусе газогенератора, в котором установлены и последовательно связаны между собой компрессор, камера сгорания с полостью охлаждения и турбина с сопловым аппаратом и воздушным коллектором, содержащее трубчатый рекуперативный теплообменник, расположенный в канале наружного контура двигателя и сообщенный каналами подвода и отвода охлаждаемого воздуха, выполненными в корпусе газогенератора, с внутренним контуром двигателя, причем трубки рекуперативного теплообменника расположены по окружности канала наружного контура, а каждая трубка сообщена с каналами подвода и отвода охлаждаемого воздуха, выполнена по меньшей мере с одним консольным петлеобразным участком, расположенным вдоль канала наружного контура, и закреплена своими концами на корпусе газогенератора. Каждая трубка рекуперативного теплообменника сообщена каналом подвода охлаждаемого воздуха с полостью охлаждения камеры сгорания, а каналом отвода охлаждаемого воздуха - с воздушным коллектором турбины, а устройство снабжено гибкими бандажными элементами для консольных частей петлеобразных участков трубок, каждый гибкий бандажный элемент выполнен в виде по меньшей мере одной проволочной растяжки, концами закрепленной на одной из стенок канала наружного контура, а средней частью навитой по меньшей мере на полтора оборота на одну из консольных частей петлеобразного участка трубки рекуперативного теплообменника.

Каждая консольная часть петлеобразных участков трубок может быть снабжена двумя гибкими бандажными элементами, при этом концы проволочной растяжки одного гибкого бандажного элемента закреплены на обечайке, а концы проволочной растяжки другого гибкого бандажного элемента закреплены на корпусе газогенератора.

Гибкий бандажный элемент может быть выполнен в виде пары проволочных растяжек, витки одной из которых расположены внутри витков другой проволочной растяжки, а концы проволочных растяжек расположены Х-образно относительно их витков.

Существенность отличительных признаков устройства для охлаждения двухконтурного турбореактивного двигателя подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающая изобретение, позволяет обеспечить достижение технического результата изобретения - повышение надежности работы рекуперативного теплообменника за счет, минимизации механических, колебательных и вибрационных воздействий на консольные петлеобразные участки трубок рекуперативного теплообменника, особенно вокруг точек крепления концов трубок к корпусу газогенератора.

Предложенное изобретение поясняется описанием конструкции устройства для охлаждения двухконтурного турбореактивного двигателя и его работы со ссылкой на чертежи, где:

на фиг. 1 представлен общий вид устройства для охлаждения двухконтурного турбореактивного двигателя в продольном сечении;

на фиг. 2 показан в изометрии вид канала наружного контура двухконтурного турбореактивного двигателя в поперечном сечении;

на фиг. 3 показан вид В на фиг. 1;

на фиг. 4 показано выполнение гибкого бандажного элемента в виде одной проволочной растяжки для консольной части трубки с одним петлеобразным участком;

на фиг. 5 показано выполнение трубки с двумя петлеобразными участками, консольные части которых снабжены каждая двумя гибкими бандажными элементами, один из которых концами закреплен на обечайке, а другой - на корпусе газогенератора.

Устройство для охлаждения двухконтурного турбореактивного двигателя 1 (фиг. 1) содержит вентилятор 2 для подачи воздуха в канал наружного контура 3 двигателя 1, образованный между обечайкой 4 и размещенным в ней корпусом газогенератора 5, и во внутренний контур 6 двигателя 1, расположенный в корпусе газогенератора 5, в котором установлены и последовательно связаны между собой компрессор 7, камера сгорания 8 с полостью охлаждения 9 и турбина 10 с сопловым аппаратом 11 и воздушным коллектором 12.

Устройство для охлаждения содержит трубчатый рекуперативный теплообменник 13 (фиг. 2), расположенный в канале наружного контура 3 двигателя 1 и сообщенный каналом 14 подвода охлаждаемого воздуха и каналом 15 отвода охлаждаемого воздуха, выполненными в корпусе газогенератора 5, с внутренним контуром 6 двигателя 1 (фиг. 3), причем трубки 16 рекуперативного теплообменника 13 расположены по окружности канала наружного контура 3, а каждая трубка 16 рекуперативного теплообменника 13 сообщена каналом 14 подвода охлаждаемого воздуха с полостью охлаждения 9 камеры сгорания 8, а каналом 15 отвода охлаждаемого воздуха - с воздушным коллектором 12 турбины 10, выполнена по меньшей мере с одним консольным петлеобразным участком 17, расположенным вдоль канала наружного контура 3, и закреплена своими концами 18 и 19 на корпусе газогенератора 5.

Устройство для охлаждения снабжено гибкими бандажными элементами 20 для консольных частей 21 петлеобразных участков 17 трубок 16 (фиг. 4). Каждый гибкий бандажный элемент 20 выполнен в виде по меньшей мере одной проволочной растяжки 22, концами закрепленной на одной из стенок канала наружного контура 3, а средней частью навитой по меньшей мере на полтора оборота на одну из консольных частей 21 петлеобразного участка 17 трубки 16 рекуперативного теплообменника 13. Навивка проволочных растяжек 22 осуществляется без их специальной фиксации относительно трубки 16 в ее осевом направлении.

Соотношение сил трения между проволочной растяжкой 22 и трубкой 16, достаточное для обеспечения продольного взаимного перемещения трубки и бандажа (автокомпенсация температурных расширений), но препятствующее иному перемещению трубки (антивибрационное и противоколебательное крепление), обеспечивается за счет выбора диаметра и формы сечения проволочной растяжки 22, ее материалом и характеристиками поверхности, а также количеством намотанных витков 23, количеством проволочных растяжек 22 в узле крепления, первичным их натяжением и другими технологическими способами. Данное соотношение подбирается экспериментально для каждого конкретного устройства охлаждения.

Как показано на фиг. 5, каждая консольная часть 21 петлеобразных участков 17 трубок 16 может быть снабжена двумя гибкими бандажными элементами 20, при этом концы проволочной растяжки 22 одного гибкого бандажного элемента 20 закреплены на обечайке 4, а концы проволочной растяжки 22 другого гибкого бандажного элемента 20 закреплены на корпусе газогенератора 5.

Гибкий бандажный элемент 20 может быть выполнен в виде пары проволочных растяжек 22, витки 23 одной из которых расположены внутри витков 24 другой проволочной растяжки 22, а концы проволочных растяжек 22 расположены Х-образно относительно их витков 23 и 24.

В процессе работы двухконтурного турбореактивного двигателя 1 воздух высокого давления из компрессора 7 подается в полость охлаждения 9 камеры сгорания 8, из которой по каналам подвода охлаждаемого воздуха 14 поступает в трубки 16 рекуперативного теплообменника 13, расположенные в канале наружного контура 3. Проходя по трубкам 16 воздух высокого давления охлаждается омывающим снаружи трубки 16 холодным воздухом низкого давления, подаваемого в канал наружного контура 3 вентилятором 2, и через канал отвода охлаждающего воздуха 15 подается последовательно через воздушный коллектор 12 и сопловой аппарат 11 турбины 10 к требующим охлаждения деталям двигателя 1.

Петлеобразная форма консольного участка 17 трубок 16 определяется следующими особенностями конструкции двигателя 1. Часть воздуха высокого давления из-за компрессора 7, предназначенная для подачи в теплообменник 13, протекает по полости охлаждения 9 вдоль камеры сгорания 8 вплоть до ее конца. Сопловой аппарат 11 турбины 10, куда подается воздух из теплообменника 13, исходя из своего назначения, непосредственно примыкает к выходу из камеры сгорания 8. Поэтому каналы подвода 14 и отвода 15 охлаждаемого воздуха расположены достаточно близко один от другого. Для снятия в теплообменнике необходимого тепла необходима достаточная площадь теплообменной поверхности. Для увеличения этой площади трубки 16 теплообменника 13 удлиняют, а чтобы разместить их в канале наружного контура 3 изгибают в консольные петлеобразные участки так, что длина петли L много больше расстояния b между каналами подвода 14 и отвода 15 охлаждаемого воздуха.

Жесткость конструкции достигается креплением проволочных растяжек 22 к массивному по сравнению с самими трубками 16 корпусу газогенератора 5 или обечайки 4. Неподвижное крепление проволочных растяжек 22 к корпусу газогенератора 5 или обечайке 4 может осуществляться, например, так, что каждая из проволочных растяжек 22 после обвивки вокруг трубки 16, приваривается к крепежной пластине 25, которая крепятся при сборке двигателя 1 к корпусу газогенератора 5 или обечайке 4.

Таким образом, крепление трубок рекуперативного теплообменника с помощью проволочных растяжек позволяет повысить надежность работы рекуперативного теплообменника за счет минимизации механических, колебательных и вибрационных воздействий на консольные петлеобразные участки трубок рекуперативного теплообменника, особенно вокруг точек крепления концов трубок к корпусу газогенератора.

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, в частности к двухконтурным турбореактивным двигателям. Устройство для охлаждения двухконтурного турбореактивного двигателя с вентилятором для подачи воздуха в канал наружного контура двигателя, образованный между обечайкой и размещенным в ней корпусом газогенератора, и во внутренний контур двигателя, расположенный в корпусе газогенератора, в котором установлены и последовательно связаны между собой компрессор, камера сгорания с полостью охлаждения и турбина с сопловым аппаратом и воздушным коллектором, содержащее трубчатый рекуперативный теплообменник, расположенный в канале наружного контура двигателя и сообщенный каналами подвода и отвода охлаждаемого воздуха, выполненными в корпусе газогенератора, с внутренним контуром двигателя, причем трубки рекуперативного теплообменника расположены по окружности канала наружного контура, а каждая трубка сообщена с каналами подвода и отвода охлаждаемого воздуха, выполнена по меньшей мере с одним консольным петлеобразным участком, расположенным вдоль канала наружного контура, и закреплена своими концами на корпусе газогенератора. Каждая трубка рекуперативного теплообменника сообщена каналом подвода охлаждаемого воздуха с полостью охлаждения камеры сгорания, а каналом отвода охлаждаемого воздуха - с воздушным коллектором турбины, а устройство снабжено гибкими бандажными элементами для консольных частей петлеобразных участков трубок, каждый гибкий бандажный элемент выполнен в виде по меньшей мере одной проволочной растяжки, концами закрепленной на одной из стенок канала наружного контура, а средней частью навитой по меньшей мере на полтора оборота на одну из консольных частей петлеобразного участка трубки рекуперативного теплообменника. Техническим результатом является повышение надежности работы рекуперативного теплообменника за счет минимизации механических, колебательных и вибрационных воздействий на консольные петлеобразные участки трубок рекуперативного теплообменника. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для охлаждения двухконтурного турбореактивного двигателя с вентилятором для подачи воздуха в канал наружного контура двигателя, образованный между обечайкой и размещенным в ней корпусом газогенератора, и во внутренний контур двигателя, расположенный в корпусе газогенератора, в котором установлены и последовательно связаны между собой компрессор, камера сгорания с полостью охлаждения и турбина с сопловым аппаратом и воздушным коллектором, содержащее трубчатый рекуперативный теплообменник, расположенный в канале наружного контура двигателя и сообщенный каналами подвода и отвода охлаждаемого воздуха, выполненными в корпусе газогенератора, с внутренним контуром двигателя, причем трубки рекуперативного теплообменника расположены по окружности канала наружного контура, а каждая трубка сообщена с каналами подвода и отвода охлаждаемого воздуха, выполнена по меньшей мере с одним консольным петлеобразным участком, расположенным вдоль канала наружного контура, и закреплена своими концами на корпусе газогенератора,

отличающееся тем, что каждая трубка рекуперативного теплообменника сообщена каналом подвода охлаждаемого воздуха с полостью охлаждения камеры сгорания, а каналом отвода охлаждаемого воздуха - с воздушным коллектором турбины, а устройство снабжено гибкими бандажными элементами для консольных частей петлеобразных участков трубок, каждый гибкий бандажный элемент выполнен в виде по меньшей мере одной проволочной растяжки, концами закрепленной на одной из стенок канала наружного контура, а средней частью навитой по меньшей мере на полтора оборота на одну из консольных частей петлеобразного участка трубки рекуперативного теплообменника.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждая консольная часть петлеобразных участков трубок снабжена двумя гибкими бандажными элементами, при этом концы проволочной растяжки одного гибкого бандажного элемента закреплены на обечайке, а концы проволочной растяжки другого гибкого бандажного элемента закреплены на корпусе газогенератора.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что гибкий бандажный элемент выполнен в виде пары проволочных растяжек, витки одной из которых расположены внутри витков другой проволочной растяжки, а концы проволочных растяжек расположены Х-образно относительно их витков.