Способ получения холода в турбохолодильной установке с отбором воздуха от турбореактивного двигателя

 

Изобретение относится к холодильной технике. Измеряют температуру и давление на входе в турбину, температуру и давление за турбиной и частоту вращения ее ротора. Если текущее значение приведенной частоты вращения меньше или больше заданной оптимальной величины приведенной частоты вращения, то соответственно уменьшают или увеличивают тормозящий момент ротора. При этом тормозящий момент ротора изменяют путем воздействия на тормозное устройство до наступления равенства заданного и текущего значений приведенных частот вращения ротора. Если измеренное значение температуры воздуха за холодильной турбиной меньше или больше заданного, то соответственно уменьшают или увеличивают количество продувочного воздуха пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур. Количество продувочного воздуха можно изменять путем уменьшения или увеличения степени дросселирования потока продувочного воздуха на входе или выходе его из воздухо-воздушного теплообменника. Использование изобретения позволит повысить энергетическую эффективность. 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано в холодильных системах, системах кондиционирования воздуха, системах охлаждения двигателей и герметических кабин и отсеков оборудования летательных аппаратов.

Известны способы получения холода в турбохолодильных установках, включающие сжатие атмосферного воздуха в компрессоре, его охлаждение в воздухо-воздушном теплообменнике воздухом, поступающим из атмосферы, расширение в холодильной турбине с понижением температуры и отдачей механической энергии тормозному устройству - турбокомпрессору или вентилятору (US 2691274 А, 12.12.54; DE 2336500 С3, 06.09.79; DE 2834256 С2, 23.05.85; US 4507939 А, 02.04.85; RU 2084378 C1, 20.07.97).

Известен способ получения холода в турбохолодильной установке с отбором воздуха от турбореактивного двигателя путем сжатия атмосферного воздуха в компрессоре двигателя, охлаждения в воздухо-воздушном теплообменнике с отдачей тепла продувочному воздуху, поступающему из атмосферы (окружающей среды) через воздухозаборный канал, расширения сжатого воздуха в холодильной турбине с понижением его температуры и отдачей механической энергии вращения ротора турбины тормозному устройству (тормозному турбокомпрессору или вентилятору), связанному приводом с ротором турбины (Воронин Г.И., Верба М. И. Кондиционирование воздуха на летательных аппаратах. - М.: Машиностроение, с. 52-57).

В этом способе для поддержания температуры воздуха за холодильной турбиной на заданном уровне поток воздуха, отбираемый от компрессора турбореактивного двигателя (ТРД), разделяют на два потока - один поток направляют через воздухо-воздушный теплообменник (ВВТ) и далее через холодильную турбину, а второй (горячий) поток подают на смешение с первым (холодным) потоком. Однако такое разделение потоков увеличивает количество воздуха, отбираемого от компрессора ТРД и воздухозаборного канала, и, следовательно, повышает расход энергии на производство холода и связанный с этим расход топлива. Кроме того, зависящее от величины рабочих параметров отбираемого от ТРД воздуха уменьшение или увеличение расхода воздуха через холодильную турбину и соответственно уменьшение или увеличение частоты вращения ее ротора относительно расчетного значения приводит к снижению КПД турбины. Чтобы компенсировать снижение КПД холодильной турбины и наступившее вследствие этого резкое повышение температуры воздуха за турбиной, приходится увеличивать количество продувочного воздуха через воздухо-воздушный теплообменник, что в свою очередь также приводит к увеличению расхода энергии ТРД, затрачиваемой на получение холода.

Целью настоящего изобретения является повышение энергетической эффективности получения холода в турбохолодильной установке в условиях переменных режимов работы.

Указанный технический результат (повышение энергетической эффективности) достигается тем, что в известном способе получения холода в турбохолодильной установке с отбором воздуха от турбореактивного двигателя, включающий сжатие атмосферного воздуха в компрессоре двигателя, охлаждение его в воздухо-воздушном теплообменнике продувочным воздухом, поступающим из атмосферы через воздухозаборный канал, последующее расширение сжатого воздуха в холодильной турбине с понижением его температуры и отдачей механической энергии тормозному устройству, кинематически связанному с ротором холодильной турбины, согласно изобретению задают значение температуры воздуха за холодильной турбиной и оптимальную величину приведенной частоты вращения ее ротора, соответствующую максимальному значению КПД турбины. Измеряют температуру и давление на входе в турбину, температуру и давление за турбиной и частоту вращения ротора. Определяют текущее значение приведенной частоты вращения ротора, зависящее от величины давления и температуры воздуха на входе в турбину, давления за турбиной и частоты вращения ротора. Если текущее значение приведенной частоты вращения меньше заданной оптимальной величины приведенной частоты вращения, то уменьшают тормозящий момент ротора. Если текущее значение приведенной частоты вращения больше заданной оптимальной величины, то тормозящий момент ротора увеличивают. При этом тормозящий момент ротора изменяют путем воздействия на тормозное устройство до наступления равенства заданного и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины. Затем, если измеренное значение температуры воздуха за холодильной турбиной меньше заданного, то уменьшают количество продувочного воздуха пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур. Если измеренное значение температуры воздуха за холодильной турбиной больше заданного, то увеличивают количество продувочного воздуха пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур.

Кроме того, предусмотрено, что количество продувочного воздуха изменяют путем уменьшения или увеличения степени дросселирования потока продувочного воздуха на входе его в воздухо-воздушный теплообменник.

Также предусмотрено, что количество продувочного воздуха изменяют путем уменьшения или увеличения степени дросселирования потока продувочного воздуха на выходе его из воздухо-воздушного теплообменника.

Рекомендуется в качестве тормозного устройства использовать гидронасос, при этом тормозящий момент ротора изменяют, уменьшая или увеличивая степень дросселирования рабочей жидкости на стороне нагнетания гидронасоса.

Целесообразно в качестве тормозного устройства использовать турбокомпрессор, при этом тормозящий момент ротора изменяют, уменьшая или увеличивая сопротивление сети на стороне нагнетания турбокомпрессора.

Наряду с этим рекомендуется в качестве тормозного устройства использовать электрогенератор, при этом тормозящий момент ротора изменяют путем увеличения или уменьшения внешней нагрузки электрогенератора.

На чертеже приведена схема турбохолодильной установки с отбором воздуха от компрессора высокого давления турбореактивного двухконтурного двигателя с разделением контурных потоков.

Способ получения холода в турбохолодильной установке осуществляется следующим образом.

Атмосферный воздух сжимается с повышением температуры в компрессоре (1) турбореактивного двигателя и по магистрали (2) высокого давления подается в воздухо-воздушный теплообменник (3), в котором охлаждается продувочным воздухом. Продувочный воздух поступает из атмосферы через воздухозаборный канал (4) и затем, пройдя воздухо-воздушный теплообменник (ВВТ), выбрасывается в окружающую среду (атмосферу). Предварительно охлажденный в ВВТ сжатый воздух направляют на расширение в холодильную турбину (5). В процессе расширения происходят понижение температуры воздуха и отдача механической энергии тормозному устройству, например, тормозному турбокомпрессору (6), кинематически связанному валом (7) с ротором холодильной турбины. После холодильной турбины (5) холодный воздух по линии (8) подается потребителю, например, в систему охлаждения гермокабины и отсеков оборудования или в систему охлаждения турбины двигателя. В процессе функционирования установки задают значение температуры воздуха за холодильной турбиной и оптимальную величину приведенной частоты вращения ее ротора, соответствующую максимальному значению КПД турбины. Измеряют температуру и давление на входе в турбину, температуру и давление за турбиной и частоту вращения ротора. Определяют текущее значение приведенной частоты вращения ротора, зависящее от величины давления и температуры воздуха на входе в турбину, давления за турбиной и частоты вращения ротора. Если текущее значение приведенной частоты вращения меньше заданной оптимальной величины приведенной частоты вращения, то уменьшают тормозящий момент ротора. Если текущее значение приведенной частоты вращения больше заданной оптимальной величины, то тормозящий момент ротора увеличивают. При этом тормозящий момент ротора изменяют путем воздействия на тормозное устройство до наступления равенства заданного и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины. Затем, если измеренное значение температуры воздуха за холодильной турбиной меньше заданного, то уменьшают количество продувочного воздуха пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур. Если измеренное значение температуры воздуха за холодильной турбиной больше заданного, то увеличивают количество продувочного воздуха пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур. В случае нарушения равенства заданного и измеряемого значений температур вновь определяют текущее значение приведенной частоты вращения ротора и изменяют тормозящий момент ротора путем воздействия на тормозное устройство до наступления равенства заданного и текущего значений приведенных частот вращения. Далее в зависимости от измеренного и заданного значений температур воздуха за турбиной соответственно уменьшают или увеличивают количество продувочного воздуха до наступления равенства заданного и измеряемого значений температур.

Количество продувочного воздуха можно изменять путем уменьшения или увеличения степени дросселирования потока продувочного воздуха с помощью заслонки (9) на входе или выходе его из воздухо-воздушного теплообменника.

В качестве тормозного устройства может быть применен гидронасос, или турбокомпрессор (6), или электрогенератор. В случае использования гидронасоса тормозящий момент ротора изменяют, уменьшая или увеличивая степень дросселирования рабочей жидкости на стороне нагнетания. При использовании турбокомпрессора (вентилятора) тормозящий момент ротора изменяют, уменьшая или увеличивая сопротивление сети с помощью дросселя (10) на стороне нагнетания турбокомпрессора (6), а при установке электрогенератора тормозящий момент изменяют путем увеличения или уменьшения внешней нагрузки электрогенератора.

В турбохолодильной установке, реализующей способ, может быть применен блок управления, выполненный на базе микропроцессоров, устройств преобразования аналоговых сигналов в цифровые и коммутационных устройств. В блоке управления измеряемые и задаваемые параметры в форме электрических сигналов поступают в микропроцессор (ЭВМ), где суммируются с учетом характеристик турбины, хранящихся в памяти микропроцессора (ЭВМ), а выходные сигналы через исполнительный механизмы подаются на тормозное устройство (6) для варьирования величиной тормозного момента ротора турбины (5) и соответственно на автоматическую заслонку (9) для изменения количества продувочного воздуха.

Высокая энергетическая эффективность предлагаемого способа получения холода в турбохолодильной установке с отбором воздуха от турбореактивного двигателя обусловлена тем, что осуществляется поддержание максимального значения КПД холодильной турбины и постоянной заданной температуры воздуха на выходе из нее в условиях изменяющихся рабочих параметров и тепловых нагрузок с наименьшими затратами энергии.

Формула изобретения

1. Способ получения холода в турбохолодильной установке с отбором воздуха от турбореактивного двигателя, включающий сжатие атмосферного воздуха в компрессоре двигателя, охлаждение его в воздухо-воздушном теплообменнике продувочным воздухом, поступающим из атмосферы, последующее расширение сжатого воздуха в холодильной турбине с понижением его температуры и отдачей механической энергии тормозному устройству, кинематически связанному с ротором холодильной турбины, отличающийся тем, что задают значение температуры воздуха за холодильной турбиной и оптимальную величину приведенной частоты вращения ее ротора, соответствующую максимальному значению КПД турбины, измеряют температуру и давление на входе в турбину, температуру и давление за турбиной и частоту вращения ротора, определяют текущее значение приведенной частоты вращения ротора, зависящее от величины давления и температуры воздуха на входе в турбину, давления за турбиной и частоты вращения ротора, если текущее значение приведенной частоты вращения меньше заданной оптимальной величины приведенной частоты вращения, то уменьшают тормозящий момент ротора, если текущее значение приведенной частоты вращения больше заданной оптимальной величины, то тормозящий момент ротора увеличивают, при этом тормозящий момент ротора изменяют путем воздействия на тормозное устройство до наступления равенства заданного и текущего значений приведенных частот вращения ротора турбины, затем, если измеренное значение температуры воздуха за холодильной турбиной меньше заданного, то уменьшают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур, если измеренное значение температуры воздуха за холодильной турбиной больше заданного, то увеличивают количество продувочного воздуха, пока не наступит равенство заданного и измеряемого значений температур.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количество продувочного воздуха изменяют путем уменьшения или увеличения степени дросселирования потока продувочного воздуха на входе его в воздухо-воздушный теплообменник.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количество продувочного воздуха изменяют путем уменьшения или увеличения степени дросселирования потока продувочного воздуха на выходе его из воздухо-воздушного теплообменника.

4. Способ по п. 1 или 2, или 3, отличающийся тем, что в качестве тормозного устройства используют гидронасос, при этом тормозящий момент ротора изменяют, уменьшая или увеличивая степень дросселирования рабочей жидкости на стороне нагнетания гидронасоса.

5. Способ по п. 1 или 2, или 3, отличающийся тем, что в качестве тормозного устройства используют турбокомпрессор, при этом тормозящий момент ротора изменяют, уменьшая или увеличивая сопротивление сети на стороне нагнетания турбокомпрессора.

6. Способ по п. 1 или 2, или 3, отличающийся тем, что в качестве тормозного устройства используют электрогенератор, при этом тормозящий момент ротора изменяют путем увеличения или уменьшения внешней нагрузки электрогенератора.

РИСУНКИ

Рисунок 1