CN109737787A - 一种用于航空发动机的蜿蜒通道交叉流空-空换热器结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于航空发动机的蜿蜒通道交叉流空‑空换热器结构，在换热器热流通道内布置展向的三角形肋片，三角形肋片在热流通道内交错排列，所有三角形肋片外表面构成了折线形热流外部通道，热流外部通道与换热器冷流通道采用交叉流式换热；三角形肋片采用一定厚度的肋片，其内部中空，所有三角形肋片的中空内部通道串联形成热流内部通道，热流内部通道呈N字形排列，与换热器冷流通道内流体依次进行顺流和逆流换热，热流内部通道与热流外部通道通过隔板隔开，隔板布置在热流通道两侧，其中一个隔板的一侧为热流内部通道入口，另一个隔板侧面为封闭面。本发明有效提升了换热效果，换热器的重量也大为减轻。

Description

一种用于航空发动机的蜿蜒通道交叉流空-空换热器结构

技术领域

本发明涉及航空发动机换热器技术领域，具体是一种用于航空发动机的蜿蜒通道交叉流空-空换热器结构，通过布置在换热通道内部的上下交错三角形肋片，用以改变流体方向，对一次换热表面提供冲击换热效果。

背景技术

航空发动机换热器冷、热流分别来自于外涵道低温气体和高压压气机引气，高温高压的热气通过一个扁平的通道，与冷气进行换热，冷气通道为一个矩形的通道，热气通道与冷气通道呈十字形交叉，并且热气通道反复穿梭在冷气通道中。通常在冷、热气通道内会布置有平行的平直肋片强化换热，但这会增加换热器重量。航空发动机换热器不同于常规换热器，其要求质量轻，换热量大，压降小，因此需要新型结构满足航空发动机换热器的要求。

为了在不影响换热的情况下减轻换热器重量，本发明提出一种布置在换热通道内部的上下交错三角形肋片，用以提高换热强度、减轻换热器重量。CN105571358A公布了一种一次表面换热器，其流道设置为蜂窝结构，通道内布置有扰流结构。刘荫泽在航空发动机上发表了一篇名为《航空发动机1次表面换热器流动换热性能分析》的论文，文中提出了4种不同结构形式1次表面换热器，但本发明涉及的利用蜿蜒通道对一次换热表面进行冲击换热的结构，目前尚未见有论文和专利发表。

发明内容

为避免现有的管翅式换热器重量大，换热不足的局限性，本发明提出一种用于航空发动机的蜿蜒通道交叉流空-空换热器结构，通过布置在换热通道内部的上下交错三角形肋片，以改变流体方向，对一次换热表面提供冲击换热效果。

本发明的技术方案为：

所述一种用于航空发动机的蜿蜒通道交叉流空-空换热器结构，其特征在于：在换热器热流通道内布置展向的三角形肋片，三角形肋片在热流通道内交错排列，所有三角形肋片外表面构成了折线形热流外部通道，热流外部通道与换热器冷流通道采用交叉流式换热；

所述三角形肋片采用一定厚度的肋片，其内部中空，所有三角形肋片的中空内部通道串联形成热流内部通道，热流内部通道呈N字形排列，与换热器冷流通道内流体依次进行顺流和逆流换热，

热流内部通道与热流外部通道通过隔板隔开，隔板布置在热流通道两侧，其中一个隔板的一侧为热流内部通道入口，另一个隔板侧面为封闭面。

进一步的优选方案，所述一种用于航空发动机的蜿蜒通道交叉流空-空换热器结构，其特征在于：所述三角形肋片在热流内部通道流向上的截面为等腰三角形。

进一步的优选方案，所述一种用于航空发动机的蜿蜒通道交叉流空-空换热器结构，其特征在于：三角形肋片顶角有倒圆，起到导流作用，减小局部损失。

进一步的优选方案，所述一种用于航空发动机的蜿蜒通道交叉流空-空换热器结构，其特征在于：换热器冷流通道内布置有间断叉排肋片，冷流通道内的每个肋片根部与热流通道壁面形成圆倒角。

进一步的优选方案，所述一种用于航空发动机的蜿蜒通道交叉流空-空换热器结构，其特征在于：换热器冷流通道内肋片厚度d相同，相邻肋片间距D相同，叉排肋片在展向的相邻投影的距离为D/2。

进一步的优选方案，所述一种用于航空发动机的蜿蜒通道交叉流空-空换热器结构，其特征在于：换热器冷流通道被换热器热流通道分割为四个小冷流通道，其中相邻热流通道之间的冷流通道高度为L，热流通道与外侧冷流通道壳体内壁面距离为L/2。

有益效果

常规的管翅式换热器为了达到较好的换热效果，往往布置有大量的肋片，但其结构及布局不合理，这些肋片长度较长，边界层沿流向发展较厚，限制了换热效果，常常造成换热器重量的增加，换热效果的提升并未有太大提升。本发明冷流通道内的肋片采用间断叉排肋片分布，间断肋片可以有效破坏边界层，增强换热效果，使用叉排排列后，上一排肋片的尾迹对下一排肋片产生扰动，增大了湍流度，进而增强了换热效果。本发明所采用的三角形肋片结构，在流体转弯处也能避免边界层的发展，并且在一次换热表面形成冲击效果，有效减薄了一次换热面的边界层，增强了换热。本发明所采用的三角形肋片结构相较于常规的平直肋片、波纹肋片等质量并未有太大的提升，但其充分利用了上下三角形肋片组合后形成的冲击通道，强化了一次换热表面的换热效果，虽然增加了部分局部损失，但是可以在保证换热效果的情况下减少通道长度，降低了沿程损失，减轻了换热器重量。

综上所述，本发明采用中空三角形肋片结构，可以让流过的流体对一次换热表面形成冲击而增强换热，而三角形肋片内部通道的流体直接通过一次换热面进行换热，且为顺流逆流交错进行，有效提升了换热效果。此外，三角形肋片结构还起到了类似肋片的作用，作为二次换热面也能提升部分换热效果。增加三角形肋片后，可在保证换热效果的情况下减小换热通道长度，有效减小了流体的沿程损失，可以弥补部分肋结构带来的局部损失，此外，由于通道长度的减小，换热器的重量也大为减轻。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明三维外观示意图。

图2为三角形肋片内部通道转弯处三维切面示意图。

图3为三角形肋片内、外通道隔板处三维切面示意图。

图4为三角形肋片外部通道三维切面示意图。

图5为换热器主视图

图6为换热器右视图

图7为换热器俯视图

图8为换热器A-A截面剖视图以及三角形肋片外部通道流动示意图

图9为换热器C-C截面剖视图

图10为换热器A-A截面剖视图的局部放大图

图11为换热器C-C截面剖视图的局部放大图

图12为换热器E-E截面剖视图

图13为换热器B-B截面剖视图

图14为换热器B-B截面剖视图的局部放大图及三角形肋片内部通道流动示意图

图中：1冷流通道；2热流通道；3冷流通道叉排间断肋片；4三角形肋片外部通道；5三角形肋片内部通道；6三角形肋片内部通道弯管；7三角形肋片内部通道入口；8三角形肋片内、外通道隔板；H为热通道内部高度；h为三角形肋片外部高度；D为平直肋片间距；d为平直肋片和三角形肋片厚度；L为冷通道内部高度。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参阅图1-图14，本发明提出的上下交错三角形肋片布置在热流通道内，三角形肋片内部中空，中间空出部分为三角形肋片内部通道，用来形成交错的顺流、逆流换热方式，三角形肋片外部通道用来形成交叉式换热方式。此外，三角形肋片还作为二次换热表面参与冷、热流体间的换热。

实施实例：

本实施实例是一种常见的管翅式换热器。其换热通道外壁采用现有技术。

其冷流通道内布置有间断叉排肋片，相邻肋片间距D为5.5mm，最外侧两肋片分别距离冷流通道壁面5.25mm，前后两排肋片在流向投影距离为6mm，共有5排平直肋片，每个肋片与热流通道壁面形成半径为0.5mm的圆倒角，每个肋片厚度均为0.5mm。第二排叉排肋片最外侧两肋片分别距离冷流通道壁面2.5mm。冷通道流向长205mm，展向宽200mm，高度62mm。冷流通道由热流通道划分为4个小的冷流通道，其中包括2个14mm高的冷流通道和2个7mm高的冷流通道。

热流通道截面形状为扁椭圆形，高为5mm，其内布置有上下交错的展向三角形肋片，所有三角形肋片型面构成了折线形通道，在每个拐角处会形成对一次换热表面的冲击换热效果。

三角形肋片外部高度为3mm，肋片厚度为0.5mm，三角形外部顶角有半径0.5mm的倒圆，起到导流作用，减小局部损失。三角形肋片内部中空，所有三角形肋片内部通道串联又形成了一条内流通道，这条三角形内部通道为N字形排列，其与冷通道内流体依次进行顺流和逆流换热，有效提升换热效果，增加了出口流体的温度均匀性。

三角形肋片外表面形成的流体通道占据热流流入面积的大部分；三角形外表面和内表面分别形成了两个通道，外部通道与冷流通道为交叉流式换热，内部通道与冷流通道为顺流和逆流式换热，内外通道通过隔板隔开。

本实施例中，热流通道两侧布置有三角形肋片内、外通道的隔板，其中一个隔板的一侧为三角形肋片内部通道入口，另一个隔板侧面为封闭面。两隔板之间为热流体通道入口，入口高2mm。热通道成“N”型穿过冷通道，其每层的有效换热长度为198mm，展向有效换热宽度为150mm。流体在三角形肋片内部的流动顺序为先流入与热通道下壁面相接的内部通道，在内部通道转弯处，再流入与热通道上壁面相接的内部通道。内部通道的转弯处为一小腔室，其连通热通道上下壁面上的三角形肋片内部通道，一侧为下三角形肋片内部通道出口，一侧为上三角形肋片内部通道入口，在下一个转弯处，小腔室的一侧为上三角形肋片内部通道出口，一侧为下三角形肋片内部通道入口，随后按此顺序依次流过。

为了说明本实施例中结构的优势，下面通过数值计算给出了三种不同模型的结果：其中冷流通道均设置为无肋片光滑通道，热流通道分别为光滑通道(case1)、平直肋片通道(case2)和三角形肋片通道(case3)。

为了减少计算量，不失一般性地将通道长度适当缩短，其中冷流通道长度为32mm热流通道长度为50mm。

所有case冷、热流入口边界条件均设置为0.05kg/s，出口条件均为常压。

提取计算结果如下表所示(数值均为面积加权均值)：

换热器效能计算公式如下：

压降相应计算公式如下：

压降：ΔP＝P_h'-P_h"

压降系数：

其中t'_c冷流入口温度，t_c"冷流出口温度，t'_h热流入口温度，t_h"热流出口温度，P_h'热流入口静压，P_h"热流出口静压，热流入口总压，P₀环境压力，取为101325Pa，ε换热器效能，ξ压降系数。

计算结果如下表：

从计算结果可以看到，平直肋片的换热器效能是光滑通道的1.91倍，但是压降系数为25.92倍，三角形肋片的换热器效能是光滑通道的11.76倍，压降系数为156.48倍，可以计算出平直肋片与无肋片的压降系数与换热器效能增长倍数之比为13.57，而三角形肋片与无肋片的压降系数与换热器效能增长倍数之比为13.31，即三角形肋片结构在综合性能上略微高于平直肋片。对于流体压力品质要求不高的换热器来说，三角形肋片通道的换热性能要远好于平直肋片，其换热器效能是平直肋片的6.16倍，但压降系数为6.04倍，因此，使用三角形肋片可以在保证换热以及压力损失不高的情况下大大减轻换热器重量。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种用于航空发动机的蜿蜒通道交叉流空-空换热器结构，其特征在于：在换热器热流通道内布置展向的三角形肋片，三角形肋片在热流通道内交错排列，所有三角形肋片外表面构成了折线形热流外部通道，热流外部通道与换热器冷流通道采用交叉流式换热；

所述三角形肋片采用一定厚度的肋片，其内部中空，所有三角形肋片的中空内部通道串联形成热流内部通道，热流内部通道呈N字形排列，与换热器冷流通道内流体依次进行顺流和逆流换热，

热流内部通道与热流外部通道通过隔板隔开，隔板布置在热流通道两侧，其中一个隔板的一侧为热流内部通道入口，另一个隔板侧面为封闭面。

2.根据权利要求1所述一种用于航空发动机的蜿蜒通道交叉流空-空换热器结构，其特征在于：所述三角形肋片在热流内部通道流向上的截面为等腰三角形。

3.根据权利要求2所述一种用于航空发动机的蜿蜒通道交叉流空-空换热器结构，其特征在于：三角形肋片顶角有倒圆，起到导流作用，减小局部损失。

4.根据权利要求1所述一种用于航空发动机的蜿蜒通道交叉流空-空换热器结构，其特征在于：换热器冷流通道内布置有间断叉排肋片，冷流通道内的每个肋片根部与热流通道壁面形成圆倒角。

5.根据权利要求1所述一种用于航空发动机的蜿蜒通道交叉流空-空换热器结构，其特征在于：换热器冷流通道内肋片厚度d相同，相邻肋片间距D相同，叉排肋片在展向的相邻投影的距离为D/2。

6.根据权利要求1所述一种用于航空发动机的蜿蜒通道交叉流空-空换热器结构，其特征在于：换热器冷流通道被换热器热流通道分割为四个小冷流通道，其中相邻热流通道之间的冷流通道高度为L，热流通道与外侧冷流通道壳体内壁面距离为L/2。