Воздухомасляные теплообменники

На самолетах с ТВД применяют воздухомасляные теплообменники, устанавливаемые в специальных туннелях с регулируемым расходом воздуха. В качестве примера на рис. 43 представлен ВМТ и показана схема движения в нем хладагентов. Теплопередающий сот агрегата представляет собой набор упакованных в корпус круглых охлаждающих трубок. Зазоры между трубками служат проходами для масла. Охлаждающий воздух протекает внутри трубок. Поступившее в теплообменник масло, пройдя все межтрубное пространство, направляется в коллектор и далее в патрубок 2 для выхода масла.

Рис.43. Конструктивная схема воздухомасляного теплообменника сотового типа

1 – патрубок входа масла; 2 – патрубок выхода масла; 3– отдельная секция; 4 – перегородка; 5 – сливная пробка.

Для обеспечения равномерного омывания маслом поверхностей трубок сотовый набор разделен на 8 секций перегородками 4. Наличие перегородок удлиняет путь масла и одновременно увеличивает его скорость. Число перегородок ограничено максимально допустимой скоростью протекания масла (0,35…0,45 м/с) во избежание значительного гидравлического сопротивления масляного тракта теплообменника.

На рис.44 представлен еще один тип ВМТ. Он состоит из матрицы 4, прямоугольных фланцев канала продувочного воздуха, крышек и корпуса клапанов 1, где размещены переливной 2 и термостатический 3 клапаны, а также фланцы входа и выхода масла. Принцип действия теплообменника заключается в том, что горячее масло проходит по трубкам с гофрированными пластинами, отдавая свое тепло продувочному воздуху, проходящему по каналам с гофрированными пластинами.

В случае использования ВМТ при работе двигателя на земле иногда не удается обеспечить требуемый температурный режим при заданных размерах и принятой компоновке теплообменной установки (особенно при высоких температурах окружающего воздуха). В связи с этим, вынуждены использовать специальный эжектор для просасывания через теплообменник охлаждающего воздуха из атмосферы. В качестве активной среды в таком эжекторе используют воздух, отбираемый от компрессора двигателя.

Регулирование температуры масла в воздухомасляных теплообменниках обеспечивается за счет изменения расхода охлаждающего воздуха. Расход воздуха увеличивают или уменьшают за счет изменения площади выходного сечения туннеля путем поворота заслонки.

Рис.44. Воздухомасляный теплообменник (ВМТ 6888)

1 – корпус клапанов; 2 – клапан переливной; 3 – клапан термостатический; 4 – матрица.

Интенсивность охлаждения масла в ВМТ существенно зависит от условий работы ГТД, поэтому такие теплообменники всегда оснащают системами регулирования расхода охлаждающего воздуха. При этом в качестве расчетного рассматривают взлетный режим (Н=0 км, М=0, t_Н=+50°С).

12.3. Комбинированные схемы охлаждения масла

Как известно, развитие авиационного двигателестроения идет по пути повышения теплонапряженности ГТД, позволяющей улучшать их экономичность и весовые показатели. В связи с этим у вновь разрабатываемых двигателей вопросы охлаждения масла становятся все более проблематичными, так как рост теплоотдачи в масло вступает в противоречие одновременным уменьшением хладоресурса топлива (из-за снижения его расхода). Поэтому в ряде случаев возникает необходимость в использовании комбинированной схемы охлаждения масла, включающей и топливомасляный и воздухомасляный теплообменники. В первую очередь это касается тех ГТД, в состав которых входят редукторы, одной из отличительных особенностей которых является высокий уровень тепловыделения в них. Достаточно сказать, что у большинства авиационных редукторов механический КПД находится на уровне 0,99, т.е. один процент передаваемой мощности превращается в тепло. Так что, например, у ТВД мощностью 10000 кВт только в редукторе интенсивность теплоподвода к маслу составляет ~ 100 кВт. А ведь у двигателя подвод тепла к маслу происходит также в опорах ротора и в коробках приводов. Учитывая высокую экономичность ТВД, хладоресурса топлива для охлаждения масла однозначно оказывается недостаточно. Поэтому разработчик такого двигателя при его проектировании должен выбрать способ охлаждения масла – либо чисто воздушный, либо комбинированный. Определяющими критериями при этом должны быть приемлемость габаритных размеров маслоохладителей и их массы, простота конструкции и удобство эксплуатации системы охлаждения масла.

В качестве примера на рис.45 приведен возможный вариант схемы охлаждения масла в ТВД. Важной особенностью такой схемы является наличие в ней элементов управления процессом охлаждения в ВМТ (эжектор плюс регулируемая заслонка), что позволяет не только минимизировать потребную размерность этого теплообменника, но и исключить возможность перегрева топлива в ТМТ.

Рис.45. Комбинированная схема охлаждения масла

Оригинальной является схема охлаждения масла, использованная в ТВВД НК-93. При проектировании данного двигателя было сочтено целесообразным масляную систему выполнить двухконтурной с раздельной циркуляцией масла через редуктор и через газогенератор. При этом циркуляция масла в каждом из указанных контуров осуществляется по короткозамкнутой схеме, минуя маслобак, который является для них общим. Проведенные расчеты показали, что хладоресурс топлива, поступающего в камеру сгорания, оказывается достаточным только для охлаждения масла в циркуляционном контуре газогенератора. Что касается контура редуктора, то вследствие высокого уровня теплоотдачи в масло в его узлах (в самом редукторе, в гидравлической схеме управления положением лопастей винтовентилятора и в коробке самолетных агрегатов), превышающего 200 кВт, для охлаждения масла, кроме ВМТ, пришлось установить и ТМТ. Это было обусловлено следующими обстоятельствами. В техническом задании на проектирование масляной системы было выставлено требование, чтобы температура масла на входе в редуктор не превышала 100°С (т.к. при более высокой температуре масла из-за уменьшения его вязкости несущая способность масляной пленки в зоне контакта трущихся пар снижается). Но для обеспечения указанного предельного уровня температуры масла 100°С при высокой температуре окружающей среды плюс 50°С требовался бы ВМТ слишком больших размеров, который невозможно было бы установить на двигатель. Поэтому и было принято решение, кроме ВМТ, использовать для дополнительного охлаждения масла в циркуляционном контуре редуктора и ТМТ. При этом были приняты во внимание два обстоятельства. Во-первых, потребные геометрические размеры ВМТ должны быть выбраны из условия, чтобы в высотных условиях (Н=11км, М=0,8) на крейсерском режиме охлаждение масла в циркуляционном контуре редуктора производилось только воздухом; очевидно, что для указанных условий потребуется минимальная теплопередающая поверхность, т.к. ВМТ будет продуваться холодным воздухом. Во-вторых, поскольку хладоресурса расходуемого двигателем топлива хватает только для ВМТ газогенератора, то в ТМТ редуктора должно подаваться топливо из бака самолета и туда же отводиться из теплообменника. При этом, тепло, накапливаемое в топливном баке во время взлета самолета, затем рассеивается при полете на крейсерском режиме.

Описанная схема охлаждения масла в масляной системе двигателя НК-93 показана на рис.46.

Рис.46. Схема охлаждения масла на двигателе НК-93

Благодаря использованию двухконтурной схемы масляной системы в двигателе НК-93 имеет место два уровня температуры масла: на входе в редуктор она не превышает 100°С (а на выходе не более 125°С), в то время как на входе в газогенератор достигает 140°С (а на выходе до 190°С). Таким образом, в редукторе этого двигателя кинематическая вязкость поступающего к узлам трения масла всегда будет значительно выше, чем в газогенераторе, что имеет важное значение для обеспечения надежной работы зубчатых колес и подшипников редуктора, отличающимися высокими контактными нагрузками.