Схема и описание воздухо-воздушного теплообменника ГТД
В двухконтурных ГТД имеется возможность часть сжатого в компрессоре воздуха в количестве 
, кг/с, с температурой 
, направляемого на охлаждение рабочих лопаток первой ступени турбины, подать в воздухо-воздушный теплообменник наружного контура и там понизить его температуру за счет более холодного воздуха, поступающего в этот контур из вентилятора в количестве 
, кг/с, с температурой 
.
 |
Рисунок 6 - Температурная схема воздухо-воздушного теплообменника
Исходя из реальных возможностей двухконтурных ГТД, можно предложить конструкцию прямоточного кольцевого теплообменника змеевикового типа (рис. 7). С целью уменьшения габаритов и веса теплообменника горячий воздух из компрессора с большим давлением направляется вовнутрь трубок, а холодный воздух после вентилятора – в межтрубное пространство. Пространство, занимаемое теплообменником, ограничено внутренней и внешней цилиндрическими обечайками двигателя длиной L с диаметрами d и D соответственно. Между внутренней и внешней обечайками навиты спиралью трубки с внутренним и внешним диаметрами соответственно 
и 
, внутри которых движется часть сжатого в компрессоре воздуха. Количество трубок в одной навивке полагаем равным 
(рекомендуется принимать 
шт.), а продольный шаг между трубками (между витками) в одной навивке примем равным 
.
Рисунок 7 - Схема кольцевого теплообменника змеевикового типа
Шаг между навивками по радиусу обечайки определяется по результатам расчета величины проходного сечения для охлаждаемого воздуха как
,
где 
- общее количество трубок, округленное до значения, кратного 
. Навивки смещены друг относительно друга таким образом, что образуют шахматный пучок (рис. 8).
Количество воздуха , отбираемого на охлаждение рабочих лопаток первой ступени турбины (направляемого в теплообменник), составляет от общего количества сжатого в компрессоре воздуха 
относительную величину 
, являющуюся сложной функцией температуры газа перед турбиной 
и температуры охлаждающего лопатки воздуха 
: 
. При значениях 
К можно принять 
.
Рисунок 8 - Продольный разрез теплообменника
Отношение количества воздуха 
, сжимаемого в вентиляторе и направляемого в наружный контур, к количеству воздуха , сжимаемого в компрессоре, называется степенью двухконтурности двигателя
,
которая у современных ГТД лежит в диапазоне от 0.5 до 10. В данной работе примем степень двухконтурности двигателя равной трем ( 
). Тогда расходы теплоносителей через теплообменник определяются соотношениями
Видно, что для расчета абсолютных значений расходов теплоносителей достаточно знать производительность компрессора , которую для определенности будем выбирать из соотношения
, кг/с,
где давление воздуха 
выражено в технических атмосферах.
Расчет любого теплообменного аппарата предполагает знание температуры на выходе из него одного из теплоносителей. Для определения, например, температуры зададимся глубиной охлаждения в теплообменнике (радиаторе) 
части сжатого в компрессоре воздуха:
.
Для принятых значений 
величина лежит в диапазоне 
. Тогда температура охлажденного в теплообменнике воздуха определяется по формуле
.
В заключение отметим, что соотношение диаметров внутренней и наружной обечаек для степени двухконтурности 
и общепринятой компоновки компрессора и вентилятора равно 
.