ВОЗДУХО-ВОЗДУШНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ОПОР АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПС-90А

ОАО "Авиадвигатель":
Александр Александрович Иноземцев, д.т.н.,
Александр Николаевич Семенов,
Владимир Октябринович Рубинов,
Валерий Евгеньевич Симонов

ООО "Анод - теплообменный центр":
Сергей Борисович Походяев, к.т.н.,
Юрий Иванович Аношкин, к.т.н.,
Александр Алексеевич Пухов

Одно из мероприятий, направленных на повышение надежности и ресурса двигателя ПС-90А - повышение эффективности охлаждения опор подшипников газогенератора, расположенных в теплонапряженных зонах. В первую очередь это касается опоры роликоподшипника турбины высокого давления (ТВД). Анализ возможных путей решения этой задачи показал, что с точки зрения минимизации проектных рисков и затрат на внедрение результатов разработки, наиболее рационально - увеличение расхода воздуха, охлаждающего наружную поверхность масляной полости опоры за счет некоторого повышения давления упомянутого воздуха на входе в воздушную полость опоры.

Однако, все возможности по увеличению давления воздуха в существующей конструкции системы отбора воздуха от компрессора низкого давления (КНД) на момент начала разработки мероприятий были практически исчерпаны. Поэтому было принято решение осуществить более глубокую модернизацию системы охлаждения опоры ТВД. Сущность изменений сводится к построению системы охлаждения опоры по хорошо известной схеме, в которой отбор воздуха производится от "подходящей" по уровню давления промежуточной ступени компрессора высокого давления (КВД) с последующим его дросселированием и охлаждением в воздухо-воздушном теплообменнике (ВВТ).

В подобных схемах для авиационных турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД) теплообменник чаще всего устанавливается в потоке воздуха, протекающего в канале наружного контура (КНК) за вентилятором. Воздух наружного контура при этом используется в качестве охладителя.

Первоначальный вариант ВВТ для двигателя ПС-90А

Очевидно, что надежность и эффективность подобных схем, в значительной степени определяется надежностью и эффективностью применяемых в них ВВТ. Естественно, что основная проблема, с которой сталкиваются разработчики - создание ВВТ, конструкция которого должна отвечать ряду специфических требований: устойчивость к воздействию повышенных аэродинамических, акустических и вибрационных нагрузок; минимальные габаритные размеры ВВТ; относительно большие сечения каналов для прохода охлаждающего воздуха; достаточная механическая прочность, исключающая случайные повреждения теплообменных поверхностей как твердыми частицами, которые могут проходить по КНК с потоком воздуха, так и при проведении работ в этом канале при обслуживании; устойчивость к абразивному износу от мелких твердых частиц, содержащихся в атмосферном воздухе (песок, пыль и пр.).

Немаловажным обстоятельством, во многом определившим дополнительные специфические требования к конструкции ВВТ для ПС-90А, послужило то, что модернизированная система охлаждения опоры ТВД со всеми ее элементами должна быть внедрена с минимально возможными изменениями типовой конструкции серийного двигателя.

Эти требования в основном сводятся к следующим: возможно более низкое расположение центра масс конструкции ВВТ; минимальное затенение зон технического обслуживания в КНК; возможность применения в конструкции ВВТ титановых сплавов.

Последнее требование вызвано очевидным стремлением обеспечить наименьшую массу собственно ВВТ. Максимальная температура охлаждаемого воздуха, поступающего в теплообменник, в данном случае находится в пределах, допустимых для широко применяемых в авиастроении свариваемых титановых сплавов.

Таким образом, для ВВТ, расположенного в КНК двигателя ПС-90А, представляется предпочтительной сварная конструкция с достаточным относительным удлинением и низкорасположенным центром масс.

Проведенный анализ различных вариантов показал, что весьма перспективным с точки зрения соответствия вышеупомянутым требованиям представляется ВВТ конструкции ООО "Анод - теплообменный центр" (Нижний Новгород) с теплообменной поверхностью из витых труб, обжатых кожухом в плотный пучок.

Конструкция - "ноу-хау" ООО "Анод-ТЦ" и его новизна защищена патентами РФ на изобретение.

Опытный образец теплообменника ВВТ-90 в канале наружного контура двигателя ПС-90А

Высокие результаты удается получить за счет увеличения эффективности теплообмена. Это, в свою очередь достигается тем, что: охлаждающий воздух, движущийся по межтрубному пространству, при обтекании пучка трубок разбивается на множество отдельных струек; поскольку процесс теплообмена между средами неотделим от затрат энергии на их прокачку, теплообменная поверхность в виде пучка змеевиков создает такие условия для турбулизации потоков, при которых переход от ламинарного к турбулентному течению в потоке наступает значительно раньше (по сравнению с прямотрубной и пластинчатой поверхностью); для максимальной эффективности использования теплообменной поверхности в схеме циркуляции применен принцип противотока.

Надежность работы теплообменника обеспечивается: применением термопластичной теплообменной поверхности в виде змеевика; конструкцией теплообменника, предусматривающей плотное обжатие пучка змеевиков кожухами; в пучке отсутствуют дистанционирующие решетки, которые обычно служат дополнительным источником истирания; действию давления подвержен только хорошо его выдерживающий трубный пучок и воздушные коллекторы круглого сечения; все соединения теплообменных элементов в трубную систему выполнены сварным методом; применение одинаковых змеевиков в пучке обеспечивает минимальную неравномерность температуры и расхода и, как следствие, напряжений в элементах трубной системы.

Теплообменник ВВТ-90 на электродинамическом стенде ВЭДС-5000

Теплообменник ВВТ-90 располагается в канале наружного контура. Охлаждаемая среда - воздух системы наддува, движется внутри труб. Охлаждающий воздух - в межтрубном пространстве. Масса ВВТ-90 не превышает 5,5 кг.

Заявленные теплотехнические и прочностные характеристики ВВТ-90 были в целом подтверждены исследовательскими испытаниями опытных образцов теплообменников, проведенными на стендах ОАО "Авиадвигатель".

Испытания на вибропрочность ВВТ-90 были проведены на электродинамическом стенде ВЭДС-5000 с отработкой базового количества циклов на каждом из резонансных режимов.

Результаты стендовых испытаний позволили успешно начать опытно-летную эксплуатацию одного из двигателей ПС-90А с теплообменником ВВТ-90 в составе силовой установки грузового самолета Ил-96-300. Общая наработка опытных образцов ВВТ-90 по состоянию на июнь 2007 г. превысила 500 ч. Положительные результаты проведенных работ позволили принять решение о подготовке в ОАО "Пермский моторный завод" серийного производства двигателей ПС-90А с модернизированной системой охлаждения опор с теплообменником ВВТ-90.

Проведенные опытно-конструкторские работы и отработка технологии для серийного изготовления теплообменника ВВТ-90 в дальнейшем будут использованы при разработке и изготовлении других образцов теплообменников.

[Напоминаем, что Интернет-вариант статьи сильно сокращен. Ред.]