Топливомасляные теплообменники

В современных ГТД (за исключением ТВД и ТВВД), как правило, в качестве охладителя используют топливо, расходуемое двигателем. Ожидаемая температура масла на входе в двигатель для всех условий работы силовой установки может быть оценена расчетным путем, если известны параметры хладагентов, уровень теплоотдачи в масло и характеристики теплообменника.

Для проведения такого качественного анализа можно принять линейный закон изменения температур топлива и масла в ТМТ. Тогда формула для определения температуры масла на входе в двигатель примет вид:

, (12.1)

где использованы следующие обозначения:

- температура масла на входе в двигатель;

- температура топлива на входе в ТМТ;

- расход топлива через теплообменник;

- расход масла через теплообменник;

- теплоемкость топлива;

- теплоемкость масла;

- величина теплоотдачи в масло;

- коэффициент теплопередачи от масла к топливу;

- площадь поверхности теплообмена;

Анализ этой зависимости показывает, что основными факторами, влияющими на уровень температуры масла, являются:

- температура топлива на входе в ТМТ;

- величина теплоотдачи в масло в двигателе;

- эффективность процесса охлаждения масла в ТМТ (определяемая величинами расходов масла и топлива, а также геометрическими данными теплообменника).

Как показывает опыт создания и эксплуатации авиационных ГТД, определяющее влияние на величину температуры масла на входе в двигатель оказывает уровень температуры топлива на входе в ТМТ. При этом для наиболее сложных условий работы двигателя на взлетном режиме (H=0км) в расчет закладывают максимальную величину указанной температуры топлива на входе в ТМТ, которая будет иметь место в том случае, если его температура в самолетных баках будет равна плюс 45°С. В полетных условиях изменение температуры топлива в баках у ГТД, установленных на дозвуковых и на сверхзвуковых самолетах, будет происходить по-разному.

У дозвуковых самолетов температура топлива в баках и, соответственно, на входе в ТМТ, в процессе полета неизменно понижается (рис.39). Это обусловлено низкой температурой окружающей среды в высотных условиях.

Уровень теплоотдачи в масло у двигателей таких самолетов, в частности, у ТРДД сравнительно невысок. Поэтому у них максимальная величина температуры масла на входе в двигатель, как правило, не превышает 100°С. Причём, наиболее высокий уровень температуры масла бывает на взлетном режиме при температуре атмосферного воздуха 50^ОС и температуре топ­лива в баках 45°С. А в процессе полета снижение рабочей температуры масла происходит не только за счёт охлаждения топлива в баках. Как известно, в высотных условиях на крейсерском режиме потребная тяга ГТД в 3-5 раз меньше по сравнению с тягой на взлетном режиме при Н=0 км. При этом значительно уменьшается и теплонапряженность узлов двигателей, контактирующих с маслом, что приводит к уменьшению величины теплоотдачи в масло.

Та­ким образом, тепловое состояние масла у ГТД, устанавливаемых на дозвуковых самолётах, определяется влиянием указанных факторов на функционирование масляной системы этих двигателей.

Рис.39. Охлаждение топлива в баках дозвуковых самолетов в процессе полета

У двигателей сверхзвуковых самолетов температура топлива в баках в про­цессе полета со скоростями М>1 непрерывно растет вследствие аэродинамиче­ского нагрева (а также за счет возможного перепуска в бак части топлива, подогреваемого в агрегатах самолетной системы и топливо-регулирующей аппаратуры). Так, на самолете Ту-144 температура топлива в баках в конце полета достигала 105°С (при исходной температуре 40°С), и примерно такой же уровень имел место в конце полета на англо-французском сверхзвуковом пассажирском самолете «Конкорд». К тому же, величина теплоотдачи в масло у двигателей при полете на сверхзвуковом крейсерском режиме существенно выше, чем на взлетном режиме в земных условиях. В связи с указанными факторами, температура масла на входе в двигатель при длительном сверхзвуковом полете становится более 150°С, а на выходе издвигателя превышает 200°С. В качестве иллюстрации этого на рис.40 показано изменение указанной температуры в процессе длительного полета самолета «Конкорд».

Рис.40. Диаграмма изменения температуры топлива и масла в двигателе «Олимп»-593

1 – температура топлива в баке; 2 – температура топлива на входе в ТМТ; 3 – температура масла на входе в двигатель; 4 – температура масла на выходе из двигателя.

Для съема тепла в масляных системах современных авиационных двигателей при использовании в качестве хладагента топлива применяют высокоэффективные теплообменники трубчатого типа. Анализ условий охлаждения масла в ТМТ показывает, что дальнейшее улучшение тепловых характеристик существующих аппаратов, или переход на использование теплопередающих элементов пластинчатого типа, не даст существенного выигрыша в снижении температуры масла. Как видно из структуры формулы (12.1), влияние коэффициента теплопередачи в ТМТ не является определяющим, и уровень температуры масла при заданных прокачках хладагентов обусловлен, главным образом, температурой топлива на входе в ТМТ и величиной теплоотдачи в масло.

Для достижения оптимальной скорости протекания масла через щели между трубками (за счет чего зависит эффективность теплообмена) и уменьшения застойных зон в конструкцию теплообменников вводят перегородки, которые разделяют межтрубное пространство на отдельные секции. Каждая перегородка имеет окна, через которые масло попадает из одной секции в другую, проходя все секции и каждый раз меняя свое направление.

Из этих же соображений в топливомасляных теплообменниках в топливную полость также вводят перегородки (рис.41). Поступающее в ТМТ топливо по трубкам одного пучка доходит до полости крышки, разворачивается там и входит в другой пучок. Таким образом, оно изменяет направление своего движения 3-5 раз.

Рис.41. Схема движения хладагентов в ТМТ:

а – масло; б – топливо.

Увеличение скорости движения топлива в теплообменнике приводит к уменьшению размеров и массы агрегата. Однако при этом значительно возрастают гидравлическое сопротивление теплообменника, что приводит к необходимости размещения его в топливной магистрали за насосом высокого давления. В тех случаях, когда ТМТ устанавливают в линии низкого давления топлива, поперечные габаритные размеры теплообменника вынуждены увеличивать из-за ограничения допустимых потерь давления топлива.

Для охлаждения масла наиболее часто применяют кожухотрубчатые теплообменники. Типичная схема такого ТМТ приведена на рис.42. В этом теплообменнике топливо пропускают по трубкам, а масло проходит через межтрубное пространство. Он состоит из двух секций, которые жестко связаны между собой коллекторами. Каждая секция теплообменника состоит из сота, установленного в корпус, закрытого с обеих сторон крышками. Сот состоит из 840 тонкостенных трубок толщиной 0,2 мм, наружным диаметром 2 мм и длиной 318 мм, впаянных в трубные доски, между которыми имеются четыре расчалки и четыре перегородки, служащие для многократного изменения направления движения масла с целью лучшего теплосъема. Расположение перегородок для топлива и масла в матрице и крышках теплообменника определяется схемой организации потоков, образующих смешанный вариант течений хладагентов в нём – перекрестно-противоточный. По схеме движения топлива теплообменник является четырёхходовым, т.е. в каждой из секций оно делает по два хода. Масло в каждой из 12 секций осуществляет поперечное обтекание трубок, причем окна в межсекционных перегородках чередуются: «центральные» и «периферийные». К коллекторам приварены цельноштампованные штуцеры входа и выхода масла. В крышках имеются резьбовые гнезда для подсоединения трубопроводов.

Рис.42. Топливомасляный теплообменник ТМТ 4262ТА

Применение ТМТ, имеющих сравнительно малые массу и габаритные размеры, практически не приводит к увеличению лобового сопротивления силовой установки. Определенным преимуществом использования топливомасляных теплообменников является и то, что при охлаждении масла теплота не рассеивается в окружающем пространстве, а уносится топливом в двигатель (т.е. обеспечивается утилизация тепла, которое подводится в двигателе к маслу).

Подогрев топлива в ТМТ увеличивается с ростом теплоотдачи в масло внутри двигателя. При этом надо учесть следующее. Развитие современного двигателестроения идет по пути непрерывного повышения теплонапряженности ГТД (с целью повышения их экономичности и уменьшения массы). Поэтому у вновь создаваемых двигателей подогрев топлива в ТМТ будет возрастать как из-за увеличения теплоотдачи в масло, так и за счет снижения удельного расхода топлива. Но при этом следует иметь в виду, что по уровню допустимой температуры топлива существует ограничение, связанное с его термостабильностью: в топливорегулирующей аппаратуре (т.е. на входе в камеру сгорания) температура топлива не должна превышать 120°С. Именно это обстоятельство затрудняет возможность эффективного охлаждения масла только за счет располагаемого хладоресурса топлива. В первую очередь это касается ТВД, у которых теплоотдача в масло выше, чем у ТРДД (из-за высокого уровня тепловыделения в редукторе), а удельный расход топлива меньше. Поэтому для охлаждения масла в ТВД применяют воздухомасляные теплообменники.