Akademik

Охлаждение двигателя

Охлаждение двигателя: газотурбинного — защищает от перегрева основную камеру сгорания, турбину, затурбинное устройство, форсажную камеру сгорания и реактивное сопло. Охлаждаются также масло, циркулирующее в маслосистеме, и опора с подшипниками. Для регулирования радиального зазора между корпусом и рабочими лопатками компрессора в некоторых двигателях охлаждается корпус компрессора. Основным хладагентом является воздух, отбираемый из промежуточных ступеней компрессора или за ним, мотогондола продувается встречным потоком воздуха. Масло охлаждается, как правило, топливом двигателя, реже — встречным потоком воздуха. Охлаждение масла происходит в специальных теплообменниках (см. Масляная система). Для охлаждения стенок жаровых труб в основных камерах сгорания применяется конвективно-плёночная система охлаждения. Охлаждающий воздух подаётся через несколько кольцевых щелей в стенке вдоль внутренней поверхности жаровой трубы. По мере роста параметров рабочего процесса двигателя возрастают лучистые потоки теплоты светящегося пламени в жаровой трубе к её стенкам, в связи с чем растет число поясов охлаждения и увеличивается конвективная составляющая охлаждения. Для снижения температуры стенки жаровой трубы на её внутреннюю поверхность наносятся теплозащитные покрытия. Для тепловой защиты силового корпуса форсажной камеры от высокотемпературных продуктов сгорания применяют ненапряжённые (в силовом отношении) проницаемые экраны. По тракту охлаждения (каналу между корпусом и экраном) протекает газ (или чистый воздух) с относительно низкой температурой. Вытекающий из тракта охлаждения через отверстие или щели в экране газ охлаждает экран, а остальной газ в конце тракта поступает для охлаждения реактивного сопла. В современных авиационных газотурбинных двигателях температура газа перед турбиной значительно превышает уровень температур, допустимый по условиям жаростойкости и жаропрочности применяемых в турбинах материалов. Поэтому требуется интенсивное охлаждение узлов турбины для обеспечения её работоспособности. Наиболее теплонапряжёнными элементами являются сопловые и рабочие лопатки, диски турбин. При умеренном уровне температуры газа перед турбиной (до 1250 К) применялись простейшие схемы воздушного охлаждения — обдув воздухом дисков, корпусов и хвостовиков лопаток. более высокие температуры газа перед турбиной были освоены в результате разработки развитых схем охлаждения турбин и применения новых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе. Для охлаждения используется воздух, отбираемый из компрессора двигателя. Для охлаждения сопловых лопаток первых ступеней турбин чаще всего используется конвективно-плёночная схема с внутренним дефлектором. В сопловых лопатках последующих ступеней применяется чисто конвективная схема охлаждения с внутренним дефлектором. В некоторых конструкциях рабочих лопаток применяется такое же конвективно-пленочное охлаждение, как и в сопловых лопатках. При конвективно-плёночном охлаждении соплового аппарата первой стукни турбины за расчётную температуру газа, определяющую работу турбины, принимается температура смеси газа и охлаждающего воздуха в критическом сечении решётки соплового аппарата.
Тепловое состояние самого соплового аппарата определяется по максимальным локальным значениям температуры газа на входе, которые заметно больше среднемассовой температуры газа из-за неравномерности поля температур на выходе из камеры сгорания. Окружная неравномерность поля температур газа перед сопловым аппаратом не влияет на температуру рабочих лопаток вследствие естественного осреднения поля при вращении рабочего колеса. Для теплового состояния рабочих лопаток и диска большое значение имеет радиальное поле температур газа, осреднённых в каждом коаксиальном сечении проточной части турбины. Обычно максимальное значение температуры газа наблюдается в среднем сечении; в периферийном и корневом сечениях температуры газа снижаются, что создаёт благоприятные условия для охлаждения корпусов и дисков турбины. Охлаждение турбины связано с определённым ухудшением параметров двигателя, которое становится тем большим, чем больше расход воздуха на охлаждение. Уменьшение расхода охлаждающего воздуха достигается путём снижения его температуры в теплообменнике промежуточного охлаждения или при отборе его из промежуточных ступеней компрессора. Повышение эффективности охлаждения, применение новых жаропрочных и жаростойких материалов и теплозащитных покрытий также приводит к уменьшению расхода охлаждающего воздуха или даёт возможность дальнейшего повышения температуры газа перед турбиной. При относительно малых лучистых потоках теплоты от продуктов сгорания к стенкам реактивного сопла их тепловая защита сводится только к оттеснению высокотемпературных продуктов сгорания от стенок, поэтому охлаждение стенок сопла осуществляется с помощью одной завесы воздуха, организуемой в дозвуковой части сопла.
Совершенствование систем охлаждения узлов авиационных газотурбинных двигателей является необходимым условием форсирования его параметров и расширения области применения двигателей по скорости полёта.