Experimental investigation of the performance of a loop heat pipe-based cooling system under ultra-high bypass ratio turbojet engine conditions

Abstract

The subject of this article is the heat transfer processes in a loop heat pipe (LHP) to solve the problem of maintaining the temperature regime of the valves of the air-bleeding system of an aircraft engine. The goal was to experimentally substantiate the operability and efficiency of a cooling system based on LHP for the temperature conditions of a perspective aircraft engine with an ultra-high bypass ratio. The task to be solved: to create a test bench for studying heat transfer processes in cooling systems based on LHP. The test bench should reproduce the temperature of the aircraft engine and the orientation of the LHP in the gravitational field. To investigate the operability of the cooling system under different heat loads, heat sink temperatures, orientation in the gravitational field, and additional thermal insulation. The methods used are: experimental approach, test planning, and statistical methods for processing experimental results. The following results were obtained. A test bench was created to investigate the heat transfer processes in a cooling system based on LHP. Toluene is used as a LHP’s coolant. The temperature conditions of the perspective aircraft engine were considered when creating the test bench. The performance of the cooling system was studied under different orientations of the gravitational field, heat sink temperature, and heat load. The obtained experimental results allowed us to analyze the influence of the orientation in the gravitational field, heat sink temperature, and additional vacuum thermal insulation of the evaporator and liquid line on the LHP performance and efficiency. Conclusions. The novelty of the results obtained is as follows: for the first time, the possibility of using a cooling system based on the LHP in temperature conditions of the perspective aircraft engine with an ultra-high bypass ratio was experimentally approved; it was proven that the LHP with toluene as part of the cooling system can effectively operate stably, without pulsations and without overheating of the cooled devices under different heat loads, heat sink temperatures, and orientation in the gravitational field.

Предметом вивчення в статі є процеси теплопередачі в контурній тепловій трубі (КТТ) для вирішення прикладного завдання підтримання температурного режиму роботи клапанів системи відбору повітря авіаційного двигуна. Метою є експериментальне обґрунтування працездатності та ефективності системи охолодження на базі КТТ для температурних умов перспективного авіаційного двигуна з надвисоким ступенем двоконтурності. Завдання: створити експериментальний стенд для дослідження процесів теплопередачі в системі охолодження на базі КТТ, який повинен відтворювати температурні умови роботи КТТ в складі авіаційного двигуна, орієнтацію КТТ в полі сили тяжіння. Дослідити працездатність системи охолодження для різного теплового навантаження, температури тепловідводу, орієнтації в полі сили тяжіння, додаткової теплоізоляції. Використовуваними методами є: експериментальний підхід, планування експерименту, статистичний метод обробки експериментальних результатів. Отримані такі результати. Створено експериментальний стенд для дослідження процесів теплопередачі в системі охолодження на базі КТТ, в якій в якості теплоносія використовується толуол. При створенні стенду враховано температурні умови роботи системи охолодження в складі перспективного авіаційного двигуна. Проведено дослідження працездатності системи охолодження при різних умовах орієнтації в полі сили тяжіння, температурі тепловідводу та різному тепловому навантаженні. В результаті отримані експериментальні результати, які дозволили провести аналіз впливу орієнтації системи охолодження в полі сили тяжіння, температури тепловідводу, додаткової вакуумної теплоізоляції випарника та рідинної магістралі КТТ та її працездатність та ефективність. Висновки. Новизна отриманих результатів полягає в наступному: вперше експериментально обґрунтовано можливість використання системи охолодження на базі КТТ в температурних умовах, характерних для перспективного авіаційного двигуна з надвисоким ступенем двоконтурності; доведено, що КТТ з толуолом в якості теплоносія в складі системи охолодження може ефективно працювати стабільно, без пульсацій та без перегріву охолоджуваних приладів при різному температурному навантаженні, температурі тепловідводу та орієнтації в полі сили тяжіння.