RU2617026C1

RU2617026C1 - Double-flow jet turbine engine cooling method

Info

Publication number: RU2617026C1
Application number: RU2015152902A
Authority: RU
Inventors: Владимир Леонидович Письменный
Original assignee: Владимир Леонидович Письменный
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2017-04-19

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: double-flow jet turbine engine cooling method is in compressing the air used in cooling in the compressor, followed by cooling it in the heat exchanger installed in the second engine circuit. Air enters the heat exchanger from the mixer, wherein the air coming from the compressor is mixed with the air coming from the heat exchanger.

EFFECT: increased economy and engine thrust at takeoff conditions.

4 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к авиадвигателестроению.The invention relates to aircraft engine manufacturing.

Основным трендом для дозвуковых ТРДД является повышение их экономичности (фиг. 1). Достигается это за счет увеличения степеней повышения давления и степеней двухконтурности ТРДД. Степени повышения давления в ТРДД практически достигли своих максимальных значений π_∑=50…60 (ограничены жаропрочностью лопаток компрессора ~1000 К). Степени двухконтурности ТРДД можно повысить двумя путями: а) увеличением диаметра вентилятора, б) уменьшением диаметра компрессора. Первый путь практически исчерпан (диаметры вентиляторов ТРДД достигли трех метров). Остается второй путь - уменьшение диаметра компрессора (внутреннего контура), но для этого необходимо повышать температуру газа перед турбиной.The main trend for subsonic turbojet engines is to increase their efficiency (Fig. 1). This is achieved by increasing the degree of increase in pressure and the bypass degree of the turbofan engine. The degrees of pressure increase in the turbofan engines practically reached their maximum values π _∑ = 50 ... 60 (limited by the heat resistance of the compressor blades ~ 1000 K). The bypass ratio of a turbofan engine can be increased in two ways: a) by increasing the diameter of the fan, b) by reducing the diameter of the compressor. The first path is almost exhausted (the diameters of the turbofan engines reached three meters). The second way remains - reducing the diameter of the compressor (internal circuit), but for this it is necessary to increase the gas temperature in front of the turbine.

Решить эту задачу только за счет жаропрочности материалов нельзя (жаропрочные стали работают эффективно до 1200…1300 К), а значит, необходимы эффективные системы охлаждения тех же лопаток.It is impossible to solve this problem only due to the heat resistance of materials (heat-resistant steels work efficiently up to 1200 ... 1300 K), which means that efficient cooling systems for the same blades are necessary.

Эффективность систем охлаждения во многом определяется температурой охлаждающего воздуха.The effectiveness of cooling systems is largely determined by the temperature of the cooling air.

Известен способ понижения температуры охлаждающего воздуха, заключающийся в использовании теплообменника, установленного во втором контуре двухконтурного турбореактивного двигателя, имеющего степень двухконтурности менее единицы (Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. Под ред. В.А. Сосунова, В.М. Чепкина. - М.: Изд-во МАИ, 2003. С. 656, рис. 22.1). Эффективность способа ограничена хладоресурсом воздуха, проходящего через второй контур, размерами теплообменника, эффективностью теплообменных процессов, происходящих в теплообменнике.A known method of lowering the temperature of cooling air, which consists in using a heat exchanger installed in the second circuit of a dual-circuit turbojet engine with a bypass degree of less than unity (Theory, design and design of aircraft engines and power plants. Edited by V. A. Sosunov, V. M. Chepkina. - M.: Publishing House of the Moscow Aviation Institute, 2003.S. 656, Fig. 22.1). The effectiveness of the method is limited by the cold resource of the air passing through the second circuit, the dimensions of the heat exchanger, the efficiency of the heat exchange processes occurring in the heat exchanger.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков.The objective of the invention is to remedy these disadvantages.

Поставленная задача достигается тем, что во втором контуре ТРДД со степенью двухконтурности более десяти установлен циркуляционный теплообменник, в котором циркулирует воздух высокого давления. Часть этого воздуха используется для охлаждения двигателя. Изъятый из обращения воздух замещается воздухом, поступающим из компрессора двигателя. Циркуляция воздуха обеспечивается центробежным компрессором, замещение воздуха осуществляется в смесителе.The task is achieved in that in the second circuit of the turbofan engine with a bypass ratio of more than ten, a circulation heat exchanger is installed in which high-pressure air circulates. Part of this air is used to cool the engine. Air withdrawn from circulation is replaced by air coming from the engine compressor. Air circulation is provided by a centrifugal compressor, air is replaced in the mixer.

Сущность изобретения заключается в том, что за счет увеличения времени теплообмена (воздух несколько раз проходит через теплообменник), а также площади контактной поверхности теплообменника (размеры ТРДД при заявленных степенях двухконтурности позволяют сделать это) количество тепла q, которое отводится от воздуха, поступающего из компрессора, увеличивается, соответственно, температура воздуха, поступающего в систему охлаждения, уменьшается: Т_х ^*=Т_к ^*-q/c_p, где Т_к ^* - температура воздуха за компрессором, с_р - теплоемкость воздуха при постоянном давлении.The essence of the invention lies in the fact that by increasing the heat transfer time (air passes several times through the heat exchanger), as well as the contact surface area of the heat exchanger (the dimensions of the turbofan engine with the declared bypass ratios allow this) the amount of heat q that is removed from the air coming from the compressor increases, respectively, the temperature of air entering the cooling system is reduced: T ^* _x = T _c ^* -q / c _p, where _k ^* T - temperature of the compressor, with _p - air heat at pos oyannom pressure.

На фиг. 1 показаны тягово-экономические показатели дозвуковых ТРДД;In FIG. 1 shows the traction and economic indicators of subsonic turbofan engines;

на фиг. 2 изображен ТРДД с циркуляционным теплообменником во втором контуре;in FIG. 2 shows a turbofan engine with a circulation heat exchanger in the second circuit;

на фиг. 3 изображен термодинамический цикл ТРДД в P-υ координатах;in FIG. 3 shows the thermodynamic cycle of a turbojet engine in P-υ coordinates;

на фиг. 4 показаны характеристики эффективности циркуляционного теплообменника;in FIG. 4 shows the performance characteristics of a circulation heat exchanger;

на фиг. 5 показаны зависимости тяги двигателя R_o от температуры газа Т_г ^* и степени двухконтурности m в условиях взлета;in FIG. 5 shows the dependence of the engine thrust R _o on the gas temperature T _g ^* and the bypass ratio m under take-off conditions;

на фиг. 6 показаны зависимости удельного расхода топлива

от температуры газа Т_г ^* и степени двухконтурности m в условиях взлета;in FIG. 6 shows the dependence of specific fuel consumption

on the gas temperature T _g ^* and the bypass ratio m under take-off conditions;

на фиг. 7 показаны зависимости тяги двигателя R_н от температуры газа Т_г ^* и степени двухконтурности m в условиях крейсерского полета;in FIG. 7 shows the dependence of the thrust of the engine R _n on the gas temperature T _g ^* and the bypass ratio m under cruising conditions;

на фиг. 8 показаны зависимости удельного расхода топлива С_уд от температуры газа Т_г ^* и степени двухконтурности m в условиях крейсерского полета.in FIG. Figure 8 shows the dependences of the specific fuel consumption C _beat on the gas temperature T _g ^* and the bypass ratio m under cruising conditions.

Система охлаждения ТРДД (фиг. 2) включает: теплообменник 1, центробежный компрессор 2, камеру смешения 3, соединительные каналы.The cooling system of the turbofan engine (Fig. 2) includes: a heat exchanger 1, a centrifugal compressor 2, a mixing chamber 3, connecting channels.

Работа системы охлаждения осуществляется следующим образом. Горячий воздух отбирается за компрессором двигателя и подается в камеру смешения 3 и далее в теплообменник 1. Охлажденный в теплообменнике 1 воздух поступает в систему охлаждения двигателя и в центробежный компрессор 2, который нагнетает его в камеру смешения 3. В камере смешения охлажденный воздух перемешивается с горячим воздухом, поступающим из двигателя. В результате смешения температура горячего воздуха понижается. Образовавшаяся смесь поступает в теплообменник, и цикл повторяется. Снижение температуры воздуха будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнут тепловой баланс между теплом, поступающим в камеру смешения 3 от двигателя, и теплом, отводимым через теплообменник 1 во второй контур.The operation of the cooling system is as follows. Hot air is taken after the engine compressor and fed into the mixing chamber 3 and then to the heat exchanger 1. The air cooled in the heat exchanger 1 enters the engine cooling system and into the centrifugal compressor 2, which pumps it into the mixing chamber 3. In the mixing chamber, the cooled air is mixed with hot air coming from the engine. As a result of mixing, the temperature of the hot air decreases. The resulting mixture enters the heat exchanger, and the cycle repeats. The decrease in air temperature will continue until a thermal balance is reached between the heat entering the mixing chamber 3 from the engine and the heat removed through the heat exchanger 1 to the second circuit.

На фиг. 3 изображен цикл ТРДД с циркуляционным теплообменником во втором контуре. Цикл состоит из основного и вспомогательного циклов. Основной цикл - цикл Брайтона. Вспомогательный цикл - цикл 1-2-3, работа которого тратится на проталкивание воздуха через каналы теплообменника 1 (фиг. 1). Рабочим телом вспомогательного цикла является воздух, циркулирующий внутри теплообменника 1. Воздух (процесс 1-2) расширяется и охлаждается в теплообменнике (отводится теплота q₂). Охлажденный воздух сжимается до исходного давления (процесс 2-3). При постоянном давлении к воздуху подводится теплота q₁ (процесс 3-1 - осуществляется в смесителе). Цикл повторяется. Количество подведенной и отведенной в цикле теплоты равны (q₁=q₂), так как вся работа расширения (процесс 1-2) преобразуется в теплоту.In FIG. 3 shows the cycle of the turbofan engine with a circulation heat exchanger in the second circuit. The cycle consists of the main and auxiliary cycles. The main cycle is the Brighton cycle. Auxiliary cycle - cycle 1-2-3, the work of which is spent on pushing air through the channels of the heat exchanger 1 (Fig. 1). The working fluid of the auxiliary cycle is the air circulating inside the heat exchanger 1. Air (process 1-2) expands and cools in the heat exchanger (heat q ₂ is removed). The cooled air is compressed to the initial pressure (process 2-3). At constant pressure, heat q _{1 is} supplied to the air (process 3-1 is carried out in a mixer). The cycle repeats. The amount of heat supplied and withdrawn in the cycle is equal (q ₁ = q ₂ ), since all the expansion work (process 1-2) is converted to heat.

Количество отведенной (подведенной) теплоты в цикле 1-2-3 зависит от интенсивности теплообменных процессов и массы рабочего тела цикла.The amount of allocated (summed) heat in the cycle 1-2-3 depends on the intensity of the heat transfer processes and the mass of the working fluid of the cycle.

Интенсивность теплообменных процессов характеризуется коэффициентом интенсивности охлаждения воздуха в теплообменникеThe intensity of heat transfer processes is characterized by the coefficient of intensity of air cooling in the heat exchanger

,

где

и

- температуры воздуха в точках 1 и 2 цикла (фиг. 3),Where

and

- air temperature at

points

1 and 2 of the cycle (Fig. 3),

- температура воздуха на входе в компрессор (за вентилятором).

- air temperature at the inlet to the compressor (behind the fan).

Масса рабочего тела, участвующего в теплообмене, характеризуется коэффициентом циркуляции воздуха в теплообменнике, который определяется какThe mass of the working fluid involved in heat transfer is characterized by the coefficient of air circulation in the heat exchanger, which is defined as

,

где G_в - расход воздуха, поступающего из теплообменника в смеситель,where G _in is the flow rate of air coming from the heat exchanger to the mixer,

G_вт - расход воздуха, циркулирующего в теплообменнике.G _W - flow rate of air circulating in the heat exchanger.

Температуры воздуха в цикле 1-2-3 определяются какAir temperatures in a cycle 1-2-3 are defined as

,

,

где

- степень повышения давления в центробежном компрессоре;Where

- the degree of pressure increase in the centrifugal compressor;

η_с - к.п.д. в процессе сжатия.η _s - efficiency in the compression process.

На фиг. 4 показано изменение температуры Т₂ ^* на выходе из теплообменника 1 (фиг. 1) в зависимости от коэффициента интенсивности охлаждения воздуха

и коэффициента циркуляции δ_ц при температурах воздуха: на входе в компрессор Т_вк ^*=300 К, на выходе из компрессора Т_к ^*=900 К (π_цк=1,05). Видно, что при коэффициентах циркуляции δ_ц>0,8 интенсивность охлаждения воздуха (снижение Т₂ ^*) существенно возрастает, а при коэффициентах циркуляции δ_ц>0,95 степень понижения температуры воздуха в теплообменнике стремится (независимо от коэффициента интенсивности охлаждения

) к теоретическому максимуму - степени повышения температуры воздуха в компрессоре.In FIG. 4 shows the temperature change T ₂ ^* at the outlet of the heat exchanger 1 (Fig. 1) depending on the coefficient of air cooling intensity

and the circulation coefficient δ _c at air temperatures: at the compressor inlet T _bk ^* = 300 K, at the compressor outlet T _k ^* = 900 K (π _ck = 1.05). It is seen that with circulation coefficients δ _c > 0.8, the air cooling rate (decrease in T ₂ ^* ) increases significantly, and with circulation coefficients δ _c > 0.95 the degree of decrease in air temperature in the heat exchanger tends (regardless of the coefficient of cooling intensity

) to the theoretical maximum - the degree of increase in air temperature in the compressor.

Таким образом, циркуляционный теплообменник обладает замечательным свойством - позволяет охлаждать воздух, отбираемый от компрессора, практически до температуры, при которой этот воздух поступает в компрессор.Thus, the circulation heat exchanger has a remarkable property - it allows you to cool the air taken from the compressor, almost to the temperature at which this air enters the compressor.

На фиг. 5…8 показаны характеристики ТРДД с циркуляционным теплообменником во втором контуре. При определении характеристик заданы параметры: степень повышения давления в компрессоре в условиях взлета π_ко=60; диаметр вентилятора d_в=3,5 м; к.п.д. в процессе сжатия η_с=0,84; к.п.д. в процессе расширения η_р=0,94; механический к.п.д. η_m=0,99; лопатки - монокристаллические с пленочным охлаждением. Крейсерский режим полета: Н=11 км; М=0,8. Параметры эффективности теплообменника: коэффициент интенсивности охлаждения воздуха

, коэффициент циркуляции δ_ц=0,95.In FIG. 5 ... 8 shows the characteristics of the turbofan engine with a circulation heat exchanger in the second circuit. When determining the characteristics, the following parameters were set: the degree of pressure increase in the compressor under take-off conditions π _ko = 60; fan diameter d _in = 3.5 m; efficiency during compression η _c = 0.84; efficiency in the process of expansion η _p = 0.94; mechanical efficiency η _m = 0.99; blades - monocrystalline with film cooling. Cruising flight mode: N = 11 km; M = 0.8. Heat exchanger efficiency parameters: coefficient of air cooling intensity

, the coefficient of circulation δ _C = 0.95.

Использование циркуляционного теплообменника в ТРДД, как показывают исследования, позволит:The use of a circulation heat exchanger in a turbojet engine, studies show, will allow:

при прочих равных условиях повысить экономичность двигателя на 5…10% в зависимости от условий полета;ceteris paribus, increase engine efficiency by 5 ... 10% depending on flight conditions;

достичь в условиях крейсерского полета (Н=11 км, М=0,8) общего к.п.д. 40…42% (С_уд=0,48…0,43 кг/кгс⋅ч);achieve cruising conditions (H = 11 km, M = 0.8) of the total efficiency 40 ... 42% (With _beats = 0.48 ... 0.43 kg / kgf⋅h);

повысить тягу двигателя в условиях взлета до 50 тс и более.increase engine thrust in take-off conditions to 50 tf or more.

Если оценивать в целом, то использование циркуляционного теплообменника в ТРДД является весьма эффективным и, по-видимому, обязательным.If we evaluate as a whole, then the use of a circulation heat exchanger in a turbofan engine is very effective and, apparently, mandatory.

Claims

1. The method of cooling a dual-circuit turbojet engine, which consists in compressing the air used during cooling in a compressor and then cooling it in a heat exchanger installed in the second circuit of the engine, characterized in that the air enters the heat exchanger from the mixer, in which the air coming from the compressor mixes with the air coming from the heat exchanger.

2. The method of cooling a dual-circuit turbojet engine according to claim 1, characterized in that the coefficient of air circulation in the heat exchanger (the ratio of the air flow coming from the heat exchanger to the mixer to the air flow circulating in the heat exchanger) is more than 0.9.

3. The method of cooling a dual-circuit turbojet engine according to claim 1, characterized in that the degree of dual-circuit engine is more than ten.

4. The method of cooling a dual-circuit turbojet engine according to claim 1, characterized in that the air from the heat exchanger is supplied to the mixer by a centrifugal compressor.