CN109736902A - 一种用于主动间隙控制的脉冲射流换热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于主动间隙控制的脉冲射流强化换热系统，包括脉冲信号发生器、电磁阀和冷却管，所述电磁阀设置于冷却管进气端，所述脉冲信号发生器能够产生脉冲信号并基于脉冲信号控制电磁阀的开闭，所述冷却管上设置有朝向机匣靶面的冲击孔。本发明提供的用于主动间隙控制的脉冲射流强化换热系统的优点在于：在同等引气量下，机匣靶面的流向平均冷却效果更好，而且能够根据需要提供不同的脉冲周期，控制精度高，控制范围广。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机叶尖间隙控制技术领域，尤其涉及一种用于主动间隙控制的脉冲射流强化换热系统。
背景技术
航空发动机叶尖间隙，通常是指轴流式发动机转子(压气机和涡轮)叶片叶尖与机匣之间的径向间隙。民用航空发动机换发的主要原因之一是涡轮部件衰退造成涡轮排气温度超过给定裕度和耗油率增加，而涡轮叶尖间隙的增加又是导致涡轮效率衰减的主要因素。研究指出，涡轮叶尖间隙每增加叶片长度的1%，效率会降低1.5%（郭淑芬,徐波.涡轮叶尖径向主动间隙控制研究[J].航空发动机,2000,26(2):48-50.）；高压涡轮间隙减少每0.254mm将使燃油消耗率降低1％，使发动机的排气温度降低10K，从而显著延长了发动机的寿命，同时也极大地减少了NOx、CO以及CO2等的排放（Wiseman M W, Guo T. Aninvestigation of life extending control techniques for gas turbine engines[C]. American Control Conference, Proceedings of the 2001. IEEE,2001:3706-3707.）。由此可见，叶尖间隙的控制对发动机高效、经济、环保、安全且可靠地工作至关重要。
目前，基于热控制的主动间隙控制技术是最为被广泛应用于航空发动机叶尖间隙控制的方法。JT9D、CFM56、PW4000、V2500、GE90等发动机都采用了热控制方法。热控制是在压气机或风扇抽取冷却空气供入一定机械装置，利用机械装置产生冲击射流对机匣或外环进行冷却，通过控制引气的流量和温度，改变机匣或外环的温度和变形，进而实现对间隙的控制。从热控制的工作原理可以看出，在开展ACC系统方法论证时，冲击射流的冷却形式和冷却效果是热控制设计和优化的基础；其关键是最小冷气使用和最佳冷却效果的综合方案分析。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够降低冷气用量并提高冷却效果的脉冲射流强化换热系统。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：通过提供脉冲射流，在同等引起量下，提高了机匣表面的流向平均冷却效果。
一种用于主动间隙控制的脉冲射流强化换热系统，包括脉冲信号发生器、电磁阀和冷却管，所述电磁阀设置于冷却管进气端，所述脉冲信号发生器能够产生脉冲信号并基于脉冲信号控制电磁阀的开闭，所述冷却管上设置有朝向机匣靶面的冲击孔。
优选地，所述脉冲信号发生器还连接有一参数设置模块，所述参数设置模块为信号发生器设置脉冲信号的脉宽和频率以及产生脉冲信号的间隔。
优选地，所述冷却管横截面为矩形，其朝向机匣靶面的侧面沿长度方向设置有一排所述冲击孔。
优选地，所述脉冲信号发生器产生的脉冲信号的周期范围为0-1000ms，脉冲间隔为0-1000ms，最小调节时间为1ms，电磁阀的工作频率范围为0-50Hz。
优选地，所述脉冲信号发生器产生的脉冲信号频率范围为0-50Hz。
优选地，所述脉冲信号发生器产生的脉冲信号频率范围为10-50Hz。
本发明提供的用于主动间隙控制的脉冲射流强化换热系统的优点在于：在同等引气量下，机匣靶面的流向平均冷却效果更好，而且能够根据需要提供不同的脉冲周期，控制精度高，控制范围广。
附图说明
图1是本发明的实施例所提供的用于主动间隙控制的脉冲射流强化换热系统的示意图。
图2是本发明的实施例所提供的用于主动间隙控制的脉冲射流强化换热系统的冷却管示意图。
图3是本发明的实施例所提供的在冷却管进气端测得的气体压力图。
图4是本实施例中雷诺数为15000时的脉冲射流与连续射流的冷却效果对比图。
图5是本实施例中雷诺数为10000时的脉冲射流与连续射流的冷却效果对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本实施例提供了一种用于主动间隙控制的脉冲射流强化换热系统，包括脉冲信号发生器1、电磁阀2和冷却管3；所述电磁阀2设置于冷却管3的进气端，脉冲信号发生器1能够产生脉冲信号并基于该脉冲信号控制电磁阀2的开闭；在使用时电磁阀2连接冷风气源，由于脉冲信号波形不连续，电磁阀2间隔得电，在通电时电磁阀2打开，断电时电磁阀2关闭，因此冷却管3的进气也是间隔的；参考图2，所述冷却管3朝向机匣靶面4的一侧开设有冲击孔31，冲击孔31间隔冲击机匣靶面4，从而为机匣靶面4提供脉冲射流，改变机匣温度，从而改变机匣位移实现叶尖间隙的主动控制。
优选实施例中所述冷却管3的剖面为矩形，其朝向机匣靶面4的侧面沿长度方向设置有一排冲击孔31，图2中为了便于说明，将机匣靶面4和冷却管3均呈现为规则结构，在实际应用中，可以根据应用场景的空间确定冷却管3的具体结构，并保持其表面与机匣靶面4的变化趋势基本相同。
所述脉冲信号发生器1采用单片机（图未示）作为数据处理和控制核心，在脉冲信号的参数确定的情况下，可以设置在脉冲信号发生器1通电时，单片机运行内置程序产生具有该特定参数的脉冲信号；但更多时候我们希望脉冲信号的参数能够根据需要自由调整，所述脉冲信号发生器1还设置有参数设置模块11，用户通过参数设置模块11输入得到的脉冲信号的参数，并将信号传输给所述单片机，单片机对信号进行处理并运行内置程序，产生具有特定参数的脉冲信号，从而提高了所述强化换热系统的适用性；产生脉冲信号的具体程序采用本领域的现有技术即可。
所述参数设置模块11可以选用PC机进行编程和输入，也可以集成在航空飞行器自带的控制系统内，如ACC系统。
优选实施例中，脉冲信号发生器1产生的脉冲信号的周期范围为0~1000ms，脉冲间隔时间范围为0~1000ms，最小调节时间为1ms，从而提高整个系统的灵活性，电磁阀2需要频繁通断电，其工作频率范围为0~50Hz。
在实验室中对本实施例提供的系统进行验证的结果如图3-5所示，图3表面在冷却管的进气端能够获得周期性的脉冲气压信号；从图4和图5可以看出频率在10~50Hz的情况下，脉冲射流的冷却效果明显优于连续射流，且随着脉冲信号频率增大，脉冲射流的冷却效果逐渐增强。
Claims (6)
1.一种用于主动间隙控制的脉冲射流强化换热系统，其特征在于：包括脉冲信号发生器、电磁阀和冷却管，所述电磁阀设置于冷却管进气端，所述脉冲信号发生器能够产生脉冲信号并基于脉冲信号控制电磁阀的开闭，所述冷却管上设置有朝向机匣靶面的冲击孔。
2.根据权利要求1所述的一种用于主动间隙控制的脉冲射流强化换热系统，其特征在于：所述脉冲信号发生器连接有一参数设置模块，所述参数设置模块为信号发生器设置脉冲信号的脉宽和频率以及产生脉冲信号的间隔。
3.根据权利要求1所述的一种用于主动间隙控制的脉冲射流换热系统，其特征在于：所述冷却管横截面为矩形，其朝向机匣靶面的侧面沿长度方向设置有一排所述冲击孔。
4.根据权利要求2所述的一种用于主动间隙控制的脉冲射流强化换热系统，其特征在于：所述脉冲信号发生器产生的脉冲信号的周期范围为0-1000ms，脉冲间隔为0-1000ms，最小调节时间为1ms，电磁阀的工作频率范围为0-50Hz。
5.根据权利要求1所述的一种用于主动间隙控制的脉冲射流强化换热系统，其特征在于：所述脉冲信号发生器产生的脉冲信号频率范围为0-50Hz。
6.根据权利要求1所述的一种用于主动间隙控制的脉冲射流强化换热系统，其特征在于：所述脉冲信号发生器产生的脉冲信号频率范围为10-50Hz。
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2019
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