Использование вихревых труб в авиации и на транспорте

Важнейшие требования, предъявляемые к авиацион­ным системам и агрегатам,— высокая надежность при

Минимальной массе и достаточная эффективность. При полетах на сверхзвуковых скоростях радиоэлектронная аппаратура (РЭА) работает в очень тяжелых условиях из-за высокой температуры, обусловленной динамиче­ским нагревом обшивок самолета. Для создания ох­лаждающих устройств ответственных блоков электрон­ных приборов используют] разнообразные технологиче­ские средства, к которым относятся парокомпрессион — ные, дроссельные, турбохолодильные, испарительные системы охлаждения и их комбинации. Вихревые трубы удовлетворяют требованиям, предъявляемым к борто­вым агрегатам: малая масса, высокая надежность, ре­монтопригодность, большой ресурс [15, 16]. Охлаждаю­щие и вентилирующие устройства непосредственно ус­танавливают на борту самолета, а также применяют в технологическом процессе при изготовлении и испыта­нии систем и узлов летательного аппарата.

При работе вихревой трубы в качестве охлаждаю­щего устройства на борту самолета для ее питания можно использовать различные варианты схем в зави­симости от Источника питания сжатым воздухом: воз­дух от компрессора двигателя; скоростной напор набе­гающего потока; воздух, сбрасываемый из гермокабины. В первом варианте следует учитывать, что температура воздуха на входе в вихревую трубу значительно повы­шается вследствие сжатия воздуха в компрессоре. В этом случае необходимо предварительно отводить теп­лоту от сжатого воздуха к продувочному воздуху и топ­ливу или устанавливать несколько вихревых труб, вклю­ченных в каскадные или ступенчатые схемы. Одно из преимуществ этого варианта — возможность работы системы при включенном двигателе и при любых скоро­стях и высотах полета.

Интересный пример использования вихревого охладителя рас­смотрен в работе В. П. Муравьева. В ней приведен сравнительный расчет систем блока РЭА при следующих исходных параметрах:

TOC \o "1-3" \h \z Тепловыделение, кВт…………………………………………………………………………………………………………………………….. 3

Температура иа входе в РЭА, К.*. . . . . .- …… . . . . 293

Параметры окружающей атмосферы:

Температура торможеиня, К…………………………………………………………………………………… 388

Давление заторможенного воздуха, МПа……………………………………………………………………….. 0,14

Параметры объекта;

Скорость V, м/с……………………………………………………………………………………………………….. 400

Коэффициент аэродинамического качества, k……………………………………………………………….. 1,3

Время работы т, ч……………………………………………………………………………………………………… 1

Параметры сжатого воздуха:

Температура, К……………………………… ..-..:…………………………………………………………… 503

Давление, МПа,……………………………………………………………………………………………… … 0,32

Адиабатный КПД вихревой трубы………………………………………………………………………………… 0,32

Нормальное функционирование РЭА обеспечивается последова­тельным охлаждением воздуха в воздухо-воздушном радиаторе (ВВР), топливо-воздушном теплообменнике (ТВТ) и вихревой тру­бе.

Сухая масса агрегатов системы: ВВР — 13 кг, ТВТ — 7 кг, вихре­вой трубы — 6 кг. Общая масса агрегатов Мс = 13+7+6=26 кг.

Масса топлива для транспортирования сухой массы агрегатов М’0 = МС (е’Ат—1) =26(2,722—1) = 166 кг, где Л = 2—аэродинами­ческий коэффициент.

Масса топлива, затрачиваемого на преодоление дополнительного сопротивления от воздухозаборников, M‘N = Axk(EAx 1) = H,3-1,3X Х6,4=94 кг, где Ax=Gnv/G —дополнительное аэродинамическое сопротивление воздухозаборников (G — расход продувочного воз­духа; G — ускорение свободного падения).

Масса топлива, затрачиваемого на сжатие воздуха в компрес­соре, M‘K = GvATak(Q‘/Q)EAx —1) =0,145(503—388) 1,3(1,2/1,6)6,4= = 103 кг, где GK — расход воздуха в вихревой трубе; Д71д — дейст­вительная разность температур воздуха в точке отбора и на входе в компрессор; Q‘ и Q — удельный расход топлива соответственно на сжатие воздуха и создание тяги.

Дополнительная масса конструкции и топлива

Ах

0,1 (166 + 94+ 103)7,4 1 — 0,1-6,4

Где хк — массовый коэффициент объекта.

Мощность, затрачиваемая на транспортирование и функциониро­вание системы охлаждения, N=0,\02Kv(Mc+M‘С+М’п+М’к+Мд) = = 0,102 ■ 1,3 • 400 (26+166+94+103+745) = 60 кВт.

Расчет испарительной системы охлаждения по этой методике показывает, что мощность, затрачиваемая на транспортирование и функционирование испарительной системы охлаждения РЭА, состав­ляет 100 кВт.

В расчете учтены только массы агрегатов.

К обособленным блокам РЭА и другого теплонапря* женного оборудования можно подводить по специаль­ным трубопроводам охлажденный воздух от основногс турбохолодильника. Однако большие массы и объем теплоизолированных трубопроводов, и арматуры, зат­руднения с распределением охлажденного воздуха низкого давления по отдельным потребителям, слож­ность компоновки оборудования на борту делают пред­почтительными применений установок испарительного охлаждения. Из этого следует, что не во всех случаях рационально заменять испарительное охлаждение уста­новками с вихревыми трубами. Трубопроводы сжатого
воздуха и арматура имеют меньшие массу и объем, чем трубопроводы охлажденного воздуха; в первом случае упрощаются монтаж трубопроводов и регулирование расхода. Расход сжатого воздуха через турбохолодиль — ник в 1,5—2,5 раза меньше расхода через вихревую тру­бу, но масса турбохолодильника в несколько раз боль­ше массы вихревой трубы. И главное, современный уро­вень техники не позволяет создавать малые турбохоло — дильники с высокими надежностью и ресурсом работы. В связи с этим для ряда случаев применение систем с вихревыми трубами следует считать как возможное средство улучшения основных характеристик СКВ са­молета.

Положительный опыт применения вихревой трубы получен при разработке холодильников типа ТВХ (табл. 8). Они предназначены для хранения пищевых

Таблица 8 Характеристики холодильников ТВХ Объем, л Холодопроизводн- тельность, Вт Расход охлажден­ного воздуха, кг/с Расход сжатого воздуха, кг/с 50 500 20 30 0,005 0,007 0,02 0,028

Продуктов. Первый работает от бортовой пневмосети с давлением 0,35 МПа, второй — от аэродромной сети с давлением 2,1 МПа.

Холодильники имеют аккумулятор холода и могут функционировать в течение 2 ч без подачи сжатого воз­духа.

Принципиальная особенность авиационных систем кондиционирования и термостатирования состоит в сле_- дующем. В основное время полета температура за бор­том летательного аппарата в невозмущенном потоке воздуха ниже температуры воздуха, подаваемого в кон­диционируемый объем. Процесс обработки подаваемо­го воздуха заключается в сжатии его в заборнике и компрессоре, последовательном охлаждении в теплооб — менных аппаратах и, наконец, снижении температуры за счет отвода механической энергии в турбодетандере.

Таким образом, назначение системы кондиционирования заключается в отводе от воздуха части теплоты, под­веденной к нему непосредственно в системе. Чем выше давление воздуха, тем больше тепловая нагрузка на систему и масса агрегатов, отнесенная к килограмму обрабатываемого воздуха. В связи с этим естественно стремление создавать для РЭА автономные системы термостатирования, работающие от скоростного напора. Такие системы отличаются от известных простотой конструкции, недостаток их — зависимость уровня тер­мостатирования от высоты и скорости полета.

Использование турбохолодильников в системах, ра­ботающих от скоростного напора, затруднено. Измене­ние в широком диапазоне входных параметров воздуха требует создания сложной системы регулирования. Пе­ременное и недостаточно высокое давление не позво­ляет применять подшипники с газовой смазкой. Заме­на турбохолодильника вихревым охладителем дает воз­можность создавать простые системы термостатирова­ния блоков РЭА, с максимальной надежностью.

Особенности расчета и проектирования вихревых ох­ладителей для рассматриваемых систем определяются тем, что температура и давление воздуха на входе в сопло изменяются в широких пределах. Расчет проводят итерационным методом. Вначале определяют размеры охладителя по параметрам выбранного расчетного ре­жима работы. Далее выполняют проверочные расчеты для других режимов,, возможных при различных соче­таниях скорости и высоты полета летательного аппара­та. По результатам расчета вносят изменения в разме­ры охладителя, снова выполняют проверочные расчеты и т. д. При использовании известных рекомендаций по выбору геометрии и размеров отдельных узлов охлади­теля необходимо учитывать, что рекомендации получе­ны для охладителей, испытанных при совпадении дав­ления воздуха на выходе с атмосферным. Охладители рассматриваемых систем работают при разрежении.

Часто скоростной напор недостаточен для обеспече­ния необходимого снижения температуры воздуха. Тог­да используют каскадные) вихревые охладители. Они работают следующим образом: набегающий поток воз­духа через диффузор поступает в первую вихревую тру­бу, из которой нагретый поток выбрасывается в атмос­феру, а охлажденный — поступает в теплообменник для

Рнс. 87. Температурные характеристики

Вихревого охладителя: 1, 5, 9 — однокаскадного; 2, 6, 10 — двухкас — кадного; 3, 7, 11 — трехкаскадного; 4, 8, 12 — Четырехкаскадного; 1—4 — у землн; 5—8 — на высоте 10 км; 9—12 — на высоте 20 км

Охлаждения сжатого воздуха пе­ред подачей в следующие каска­ды. Охлажденный поток из по­следней ступени и направляется в блок РЭА.

Интересные результаты, при­веденные в работе [16], дают на­глядное представление о возможной области при­менения рассматриваемых систем. На рис. 87 дана зависимость расчетной температуры охлажденного по­тока на входе в РЭА от числа М, высоты полета и числа каскадов. Зависимости получены следующим об­разом. Для анализа схемы введены некоторые упроще­ния. Расход сжатого воздуха последующей вихревой трубы принимали равным расходу охлажденного потока предыдущей трубы. Удельную теплоемкость воздуха во всех потоках считали одинаковой. Коэффициент вос­становления давления сд = 0,98, коэффициенты потерь давления во всех теплообменниках фт=0,03. Принима­ли температуру охлажденного воздуха на выходе из противоточного теплообменника выше температуры ох­лаждающего воздуха на входе: Ті = ТХі-і(1+їр), где ф = 0,03.

Степень расширения воздуха в вихревых трубах за­висит от числа каскадов. В общем случае для первой и последней вихревой трубы е = адап(1—фт) (1 + 0,2М2)3’5; для остальных вихревых труб е = адап(1 — фт)2 (1 + + 0,2М2)3’5, где оп — коэффициент восстановления дав­ления после скачка уплотнения на сверхзвуковых режи­мах полета.

Максимальное снижение температуры достигается при одинаковых значениях доли охлажденного потока И = 0,2 во всех ступенях. Полагали, что масштабный фактор не влияет на работу вихревой трубы, давление на выходе равно статическому давлению окружающей атмосферы. В зависимости от располагаемого перепада давлений относительная температура охлажденного по­тока 0 меняется от 0,77 при е=9 до 0,95 при е=1,2.

Температура воздуха, идущего на охлаждение РЭА из последнего каскада, зависит от числа каскадов:

Располагаемая холодопроизводительность системы Qx= Gxicp(Tm — Txi)<

Где Gx І — расход охлажденного потока через блок РЭА; Тт— температура воздуха на выходе из блока.

= 24,8Fciipceq (к)/1/7\Ж,

Где qCk)—газодинамическая функция (ирй критиче­ском перепаде давлений на входе в вихревую трубу

Двухкаскадные вихревые охладители обеспечивают термостабилизацию РЭА при Тт=320 К, трехкаскад — ные — при Тт = 280 К- Специальные требования к конст­рукции вихревой трубы не предъявляются. Экономич­ность схем можно повысить утилизацией нагретых пото­ков нижних каскадов.

Использование воздуха, сбрасываемого из гермока­бины самолета для вентиляции, также открывает пер­спективы для применения вихревой трубы. Для работы такого охладителя можно отбирать незначительную часть выпускаемого из пассажирского салона воздуха. В противном случае нарушается качество регулирова­ния давления в салоне самолета. На вход в вихревую трубу подается воздух температурой Гс= (293+5) К и давлением, равным давлению в кабине самолета. Ста­бильность этих параметров поддерживает система кон­диционирования самолета. В зависимости от програм­мы регулирования давление в кабине превышает давле­ние окружающей среды на различную величину. При­мерно с высоты полета #=4000 м степень расширения в вихревой трубе достигает е= 1,2, и вихревая труба на­чинает давать холодный воздух. Увеличение высоты полета сопровождается ростом степени расширения. Следовательно, вихревая труба работает в более ста­бильном режиме, который практически не зависит от скорости полета. К недостаткам схемы следует отне­сти то, что вихревая система охлаждения начинает ра­ботать с некоторой высоты и не может быть примене­на на самолетах с малым расходом вентиляционного воздуха. Следует отметить также, что во время работы системы меняется є, а следовательно, и Тх. В ряде слу­чаев приходится устанавливать регулятор для поддер­жания заданной температуры воздуха. Наиболее рацио­нально применять рассматриваемую систему. Тогда гра­фики работы охлаждаемого оборудования и изменения холодопроизводительности охладителя синхронны.

Авиация относится к наиболее быстро развиваю­щимся отраслям техники. Все большее значение приоб­ретает проблема проведения ускоренных термоиспыта­ний элементов конструкций самолетов на прочность и долговечность.’ В последнее время возникла необходи­мость проводить испытания при наддуве герметичной кабины самолета воздухом различной температуры. Вре­мя наддува кабины холодным воздухом с Тх = 263 К составляет примерно 20% цикла испытаний.

Анализ различных схем охлаждения [19] позволил сделать вывод о целесообразности применения вихревой системы для получения холодного воздуха. В качестве источника холодного воздуха применен блок охлаждае­мых водой вихревых труб, которые могут работать при относительном расходе охлаждаемого потока ц=1. Ес­ли рабочим телом испытательного цикла| является хо­лодный воздух и применение его периодическое, то вих­ревые охладители могут успешно конкурировать с па — рокомпрессионными и турбохолодильными.

В последнее время вихревые аппараты все чаще при­меняют в наземном транспорте. На железнодорожном транспорте, автобусах, троллейбусах, грузовых автомо­билях устанавливают тормозные пневмосистемы. Рас­ход воздуха в этих системах недостаточен для конди­ционирования, а основные потребители настолько важ­ны для транспортных средств, что компрессоры непре­рывно работают независимо от наполнения расходных баллонов. Расход воздуха, бесполезно сбрасываемого в атмосферу, достаточен для питания вихревого генера­тора холода бытового холодильника. Холодильники для хранения продуктов применяют в первую очередь на локомотивах, где; требования по уровню комфорта об­служивающего персонала выше, чем на других видах транспорта.

Рижский вагоностроительный завод выпускает вих­ревой тепловозный холодильник ТВХ-14, разработанный А. И. Азаровым. В установке (рис. 88) реализуется ре­генеративный цикл с охлаждаемой вихревой трубой. Охлажденный поток при ц = 0,7 подается в теплообмен-

Рнс. 88. Схема тепловозного холодильника ТВХ-14

Ник 1 (выполнен в виде плоского’ сосуда, размещенного у стенки хо­лодильной камеры), а затем в по­лость противоточного теплообменни­ка 2, охлаждающего сжатый воз — 4- дух перед поступлением в вихревую трубу 4. Камера энергетического раз­деления оканчивается соплом 3 для эжекции отработанного охлажден­ного потока. Сжатый газ подается к 7- холодильнику из тормозной систе­мы при давлении не менее 0,7 МПа в те промежутки времени, когда нет подкачки баллонов и не включены тормоза, т. е. в течение периода, превышающего 70 % общего времени работы локомотива. Для интенсифика­ции теплообмена, уменьшения уровня шума и аккуму­лирования холода в полости теплообменников 1 и 2 за­лита жидкость (в данном случае водомасляная смесь), и холодный поток при работе холодильного агрегата барботирует через нее.

Основные параметры ТВХ-14

TOC \o "1-3" \h \z Вместимость, дм3……………………………………………………………………….. 14

Масса, кг…………………………………………………………………………………… 12

Расход сжатого воздуха, кг/ч………………………………………………………….. 5—6

Температура в холодильной камере прн температуре воздуха в кабине, К, не выше!

298 ……………………………………………………………………………………. 276

305 ……………………………………………………………………………………………….. 280

Удельные теплопрнтокн в холодильную камеру, Вт/К…………………….. 0,5

Диаметр вихревой камеры, мм…………………………………………………………….. 5

Площадь сечения соплового ввода, мм2…………………………………………. 2

Совершенствование холодильника ТВХ-14 в проб­лемной лаборатории ОТИХПа выполняют в направле­нии упрощения конструкции и уменьшения расхода сжа­того воздуха, а также удовлетворения особых требова­ний отдельных потребителей.