Матвеенко А.М. (ред.) - Системы оборудования летательных аппаратов - 2005

122	Авиационные системы кондиционирования воздуха

Рис. 4.8. Схемы продувки ВВТ:

а — продувка вентилятором; 6 — продувка воз­ духом из канала; в — комбинированная продув­ ка; г — продувка в канальном ТО; 1 — ВВТ; 2 — воздухозаборник; 3, 4 — входной и выходной патрубки охлаждаемого воздуха; 5, 6, 7 — вход­ ной и выходной патрубки охлаждающего возду­ ха; 8 ~ обратный клапан; 9 — турбина; 10 —вен­ тилятор; 11 — стенка канала

лета может оказаться «узким местом», ограничивающим расход и не позволяющим достигнуть максимально возможной эффек­ тивности ВВТ. Для преодоления указанного недостатка схема мо­ жет быть модернизирована введением обводной линии (вокруг вентилятора), соединяющей выходную полость ТО через ОК с ат­ мосферой. Увеличением расхода продувочного воздуха удается получить коэффициент эффективности радиатора 0,8...0,85.

На сверхзвуковых самолетахустановка вентилятора влинии про­ дувочного воздуха за ВВТ приводит к воздействию (через кор­ пус вентилятора) на ТХ высоких температур (более 250 °С при М > 2). На таких самолетах для продувки ВВТ иногда использу­ ют воздух из канала воздухозаборника двигателя (см. рис. 4.8, б). В этой схеме продувка ВВТ обеспечивается на малых скоростях по­ лета (М < 0,5) вследствие разрежения, а при больших скоростях — за счет избыточного давления в канале воздухозаборника. Характер изменения давления в канале изображен на рис. 4.9.

На схеме, приведенной на рис. 4.8, в, показан продув за счет скоростного напора и выхода воздухалибо в атмосферу, либо в ка­ нал воздухозаборника двигателя в зависимости от того, где в дан­ ный момент установилось меньшее давление. Переключение на­

Основные элементы СКВ, их устройство и принцип действия

123

правления потока осуществляется доста­

точно просто с помощью имеющихся в	+йр
обеих ветвях обратных клапанов. Н а не­
которых самолетах в выходном патрубке
ВВ Т размещают эжектор, который созда­
ет разрежение в патрубке и обеспечивает
необходимый расход холодного воздуха.
И з рассмотренных схем установки
компактного ВВ Т видно, что охлаждение	Рис. 4.9. Характер измене­
горячего воздуха происходит вследствие	ния давления воздуха в ка­
нагрева забортного воздуха, поступающе­	нале воздухозаборника
го из атмосферы через воздушный забор-	в зависимости от числа М

ни к. Забортный воздух тормозится, на­ гревается и выбрасывается в атмосферу, при этом сх самолета уве­

личивается. Для компенсации этого увеличения сопротивления затрачивается дополнительное топливо.

В разд. 1.3 приводится понятие «стартовой массы». В основе этого понятия лежит идея о неэквивалентности установочной массы системы или агрегата с суммарной затратой массы на са­ молете, учитывающей расход топлива на работу системы или аг­ регата и на транспортировку их на борту JIA. Так, например, для работы В В Т необходимо из общего потока отобрать какую -то часть воздуха, изменить направление его скорости и саму величи­ ну скорости, нагреть этот поток и выпустить в атмосферу. П о оценке, приведенной в работе [57], стартовая масса отбора воздуха может превышать массу Т О примерно в 20 раз. Отсюда вытекает важность оптимального выбора параметров ТО .

КАНАЛЬНЫЕ ВВТ

Вместо ком пактны х Т О на некоторых самолетах применяются поверхностные — канальные Т О (см. рис. 4.8, г), в которых стенка канала воздухозаборника представляет собой теплопередающую поверхность. Эта поверхность обдувается воздухом, поступающим в двигатель самолета. Вследствие большого расхода воздуха в ка ­ нале (50...200 к г /с ) происходит интенсивная теплопередача и ве­ личина лввт = 0,95. Сложность ком поновки самолета с таким ра­ диатором (его длина должна составлять для системы с расходом 2500 к г /ч около 1,5 м) и большая масса Т О не позволяют его при ­ менять на любом самолете.

Канальны й Т О (рис. 4.10) выполняется из тонких стальных (Х 1 8 Н 9 Т ) листов, соединенных роликовой сваркой, и состоит из внутренней обечайки 1 , к которой роликовой сваркой присоеди­ нен гофрированный лист 2 . П о каналам, образованным внутрен­ ней обечайкой и гофрированным листом, проходит горячий воз-

124	Авиационные системы кондиционирования воздуха

Рис. 4.10. Канальный ВВТ:

1 — внутренняя обечайка; 2 — гофрированный лист (гофр); 3 — входной коллектор; 4 — вы­ ходной коллектор; 5 — входной патрубок горячего воздуха; 6 — выходной патрубок горячего воздуха; 7, 8 — входное и выходное отверстия для дополнительного продувочного воздуха; 9 — внешняя обечайка; 10— защитная сетка; 11 — фланец стыковки с двигателем; 12 — фла­ нец стыковки с каналом

Основные элементы СКВ, их устройство и принцип действия

125

дух через входной и выходной коллекторы. Между гофрирован­ ным листом и внешней обечайкой проходит дополнительно про­ дувочный воздух, отводимый из канала воздухозаборника и выпускаемый в атмосферу.

Охлаждение горячего воздуха в основном происходит через внутреннюю обечайку в результате передачи тепла воздуху, пос­ тупающему в ТРД. Добавочное охлаждение горячего воздуха про­ исходит через гофрированную поверхность продувочным возду­ хом, проходящим по гофрам под наружной обшивкой.

ТОПЛИВОВОЗДУШНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

Увеличение тепловых нагрузок на СКВ привело к использо­ ванию теплоемкости топлива при охлаждении горячего воздуха в ТВТ. Применение топливного ТО ограничивается температурой воздуха на входе. При соприкосновении топлива с поверхностью, нагретой до температуры 250°С, при недостаточном расходе воз­ можно образование в топливе продуктов разложения, загрязнение теплопередающей поверхности и засорение топливных фильтров, поэтому необходимо производить тщательный расчет температу­ ры стенки.

К конструкции и технологии изготовления ТВТ предъяв­ ляются повышенные требования по обеспечению герметично­

сти топливной и воздушной полостей.
Проникновение воздуха в топливо и топ­		1	I
лива в воздух одинаково недопустимо.
Для предотвращения взаимного про­
никновения теплоносителей некоторые
конструкции ТО имеют промежуточ­
ную полость —буферную зону. Буфер­
ная зона создается перемычками между
разделительными поверхностями. Обра­
зовавшаяся полость соединяется с атмо­
сферой. Теплопередача осуществляется
вследствие теплопроводности перемы­
чек. Эту полость можно использовать для
охлаждения третьего теплоносителя —
антифриза системы охлаждения ра­	Рис. 4.11. Схемы подачи
диооборудования. На рис. 4.11 показа­	топлива в ТВТ:
ны возможные схемы включения ТВТ	а — теплое топливо поступает
в топливную магистраль. По схеме а	в трубопровод; б — теплое топ­
	ливо	поступает в	расходный
ТВТ устанавливается параллельно ос­	бак;	1 — топливный бак; 2 —
новной топливной магистрали, из ко­	топливннй насос; 3 — ТВТ; 4 —
торой дополнительным насосом топли­	основной топливный насос; 5 —
	термопара; 6 — кран перепуска;
во с нужным расходом подается в ТВТ,	7 — двигатель

126 Авиационные системы кондиционирования воздуха

где нагревается и возвращается в магистраль, в трубопроводе смешивается с холодным топливом и поступает для сжигания в двигатель.

По схеме бтопливо, нагретое в ТВТ, возвращается врасходный бак, разогревая топливо в баке.

Воздушная________________________________________ ^	-^ Т о п л и в н а я
т п ' т
Вход	Выход
воздуха	воздуха

Рис. 4.12. Пластинчато-реб­ ристый, перекрестно-противо- точный четырехходовый ТВТ с буферной зоной:

а — схема; б — конструкция ТО; 1 — корпус; 2 — воздушные патруб­ ки; 3 — топливные патрубки; 4 — межходовые крышки; 5, 6 — теплообменные секции; 7— боковина; 8, 9 — профили; 10 — кронштейн крепления; 11 — тегоюобменный блок; 12 — воздушные трубные до­ ски; 13 — топливные трубные до­ ски; 14 — воздушные трубки; 15 — топливные трубки; 16 — буферные пластины; 17 — треугольный гофр воздушных трубок; 18 — прямо­ угольный гофр топливных трубок; 19 — дренажный штуцер буферной

Ю зоны; 20 — дренажный штуцер топливной полости

Основные элементы С О , их устройство и принцип действия

127

На рис. 4.12 показаны схема (а) и конструкция (б) пластин­ чато-ребристого, перекрестно-противоточного ТВТ с буферной зоной.

Другой разновидностью конструктивного исполнения ТВТ яв­ ляется трубчатая конструкция, изображенная на рис. 4.13.

	Выход	Влад
Воздуха		Воздуха
' " щ —	f

Влод

топ/тиба

Вшод

гпогглида

Рис. 4.13. Трубчатый ТВТ:

1 — крышка; 2, 4 — трубные доски; 3 — корпус; 5 — крышка; 6 — дренажный штуцер; 7 трубка; 8, 10 — топливные патрубки; 9, 11 — перегородки; 12, 13 — воздушные патрубки

128	Авиационные системы кондиционирования воздуха

ВОЗДУХО-ЖИДКОСТНЫЕ ИСПАРИТЕЛЬНЫЕ ТО

Использование скрытой теплоты парообразования является одним из широко применяемых способов охлаждения воздуха в СКВ. В настоящее время большинство самолетов в составе СКВ имеют воздухо-водяные или воздухо-водоспиртовые испа­ рительные ТО.

В испарительных ТО охлаждаемый воздух, проходя по кана­ лам, передает тепло жидкости через стенки. Жидкость нагревается и при достижении насыщения при данном давлении начинает ки­ петь, интенсивно испаряясь.

Воздухо-водяные испарительные ТО имеют коэффициент эф­ фективности 0,85...0,9.

Наибольшее распространение в качестве хладагента получила во­ да, несмотря на ее крупный недостаток — замерзание при отрица­ тельных температурах. Широкое распространение, дешевизна, боль­ шая теплота парообразования заставляют конструкторов находить способы защиты конструкции от разрушения при замерзании воды.

Для борьбы с замерзанием воды в испарительном ТО иногда в воду добавляют 30 % этилового спирта. При этом температура замерзания уменьшается до —45 °С. Величина теплоты парообра-

Рис. 4.14. Трубчатый водовоздушный испарительный ТО:

1 — корпус; 2 — предохранительный конус; 3 — пакет теплообменных трубок; 4 — стойка; 5 — кран сливной; 6 — сепарирующее устройство; 7 — седло клапана; 8 — шариковый кла­ пан; 9 — кронштейн; 10 — паровой патрубок; 11 — фланец; 12 — короб; 13 — заливной шту­ цер; 14 — трубка; 15 — перегородка

Основные элементы СКВ, их устройство и принцип действия 129

зования смеси уменьшается до 1930 кДж/кг (при р = 20 кПа), а общий запас жидкости увеличивается на 20...25 %. Это увеличе­ ние массы жидкости заставляет конструкторов стремиться приме­ нять чистую воду и защищать конструкцию подогревом воды, теп­ лоизоляцией трубопроводов и т. д.

На рис. 4.14 показаны общий вид и конструкция трубчатого водовоздушного испарительного ТО.

В некоторых конструкциях испарительных ТО поддерживается постоянный уровень испаряющейся жидкости подпиткой жид­ костью из дополнительного бачка. С этой целью в конструкцию испарителя вводится регулятор уровня, представляющий собой поплавок и запорное устройство.

С целью понижения выходной температуры воздуха на паро­ вом патрубке можно установить эжектирующее устройство, кото­ рое под действием скоростного напора забортного воздуха создаст разрежение в корпусе ТО и понизит температуру кипения.

ВОЗДУХО-ВОДОВОЗДУШНЫЕ ИСПАРИТЕЛЬНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

С целью повышения эффективности охлаждения горячего воз­ духа в испарительных ТО и уменьшения выходной температуры в ряде систем применяется способ охлаждения за счет увлажне­ ния продувочного воздуха.

Испарение воды в потоке воздуха приводит к существенному снижению его температуры, которая значительно ниже точки ки­ пения воды.

В качестве испарительного ТО с впрыском (рис. 4.15) применя­ ют обычные ВВТ как пластинчато-ребристые, так и трубчатые.

Во входном патрубке продувочной линии устанавливается фор­ сунка, через которую впрыскивается вода или водоспиртовая смесь. Расход жидкости зависит от тепловой нагрузки на ТО, тем­ пературы продувочного воздуха и выходной температуры горяче­ го воздуха, как правило, выше 45 °С.

Рис. 4.15. Схема возду- хо-водовоздушного испари­ тельного ТО:

^ — Т О ; 2 — воздухозаборник; 3 ~ ф орсунка; 4 — запорны й кран; 5 — водяной бак; 6 — ох­ л аж денны й воздух; 7 — го р я ­ ч и й воздух; 8 — эпю ра тем п е ­ ратуры продувочного воздуха

5 - 1 1 3 6 2

130	Авиационные системы кондиционирования воздуха

ТУРБОХОЛОДИЛЬНИКИ

Турбохолодильники в современных авиационных СКВ явля­ ются одними из основных элементов. Они устанавливаются за ТО и представляют собой агрегаты, использующие для дальнейшего охлаждения воздуха свойство газов охлаждаться при расширении.

Турбохолодильник (ТХ) имеет в своей конструкции воздушную турбину (Т), в которой потенциальная (внутренняя) энергия сжа­ того газа при расширении преобразуется в механическую работу.

Авиационные ТХ состоят из двух основных частей: холодиль­ ной турбины и ее загрузочного устройства — вентилятора, закреп­ ленных на одном валу. Существуют ТХ, которые устанавливаются прямо на двигателе, и вся энергия, вырабатываемая турбиной, пе­ редается на вал двигателя. Широкого распространения такой тип ТХ не получил из-за неудобства компоновки на самолете, так как необходимо транспортировать холодный воздух через весь самолет.

ВТХ сжатый горячий воздух (как правило, с температурой 50... 110 °С) подводится в сопловой аппарат турбины, адиабатичес­ ки расширяется и поступает на лопатки рабочего колеса. На ко­ лесе кинетическая энергия газа превращается в механическую, которая через вал передается вентилятору. В процессе превраще­ ния потенциальной энергии в кинетическую воздух охлаждается.

ВТХ расширение практически происходит без теплопритока извне.

Из термодинамики для адиабатического процесса известно

1 - к 1- к

TlP2k = W •

Обозначив Pq/p2 = ят — степень расширения (понижения дав­ ления) воздуха, температуру на выходе из идеальной турбины можно определить из выражения

1 - к
Twl = 7 ^ к .	(4.21)

В действительности работа ТХ связана с несовершенством процесса расширения, процесс протекает не по адиабате, а по по­ литропе, все эти потери можно учесть КПД

„	= A L =	TQ - Ti	(4.22)
^ТХ	д гр	т _ т

•* о

а д 2