CN110057591B - 涡轮轴发动机进气加温系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮轴发动机进气加温系统，包括与发动机的转轴相连的测功器，测功器吸收发动机的功率后将其转换成水的热能以输出高温水，测功器连接有能量交换器，能量交换器还与第一空气源连通以引入第一低温空气，能量交换器使引入的高温水与第一低温空气进行热量交换以输出低温水和高温空气。还包括与发动机的进气口连通的混合器，混合器分别与能量交换器连通以引入高温空气，及与第二空气源连通以引入第二低温空气。混合器用于将高温空气和第二低温空气混合以向发动机的进气口输入符合进气温度要求的混合气。本发明的进气加温系统，利用功率测量时产生的废水的热量加热通入发动机进气口中气流的温度，使该气流温度符合进气温度要求。

Description

涡轮轴发动机进气加温系统

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，特别地，涉及一种涡轮轴发动机进气加温系统。

背景技术

航空发动机鉴定或定型等试验中，对发动机进气温度有要求，由于大气环境温度不能满足试验规定要求，故需对发动机进气进行加温。通常情况下，地面试车台通过电加热装置预先对进入发动机的气体进行加热，耗电量大、试验成本高。进一步情况下，利用高空模拟舱进行试验，大气通过加温炉加热并在混合器中与常温大气掺混后再进入试验舱，该方式设备及运行成本巨大，且资源浪费严重。

发明内容

本发明提供了一种涡轮轴发动机进气加温系统，以解决现有技术中对发动机进气进行加温时存在的耗电量大、试验成本高、设备及运行成本大及资源浪费严重的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种涡轮轴发动机进气加温系统，包括与涡轮轴发动机的转轴相连以测量涡轮轴发动机功率的测功器，测功器用于吸收涡轮轴发动机的功率后将功率转换成水的热能以输出高温水，测功器连接有用于将其输出的高温水引入的能量交换器，能量交换器还与第一空气源连通以引入温度低于高温水温度的第一低温空气，能量交换器用于使引入的高温水与第一低温空气进行热量交换以分别输出低温水和高温空气；还包括与涡轮轴发动机的进气口连通的混合器，混合器分别与能量交换器的高温空气输出端连通以引入高温空气，及与温度低于高温空气温度的第二空气源连通以引入第二低温空气；混合器用于将引入的高温空气和第二低温空气混合以向涡轮轴发动机的进气口输入温度符合进气温度要求的混合气。

进一步地，混合器包括沿涡轮轴发动机进气端的轴向布设且呈环形的混气腔，混气腔的出气端与涡轮轴发动机进气端上的进气口连通；能量交换器的高温空气输出端与混气腔的进气端连通；第二空气源从混气腔的侧向连通至混气腔内。

进一步地，涡轮轴发动机进气加温系统还包括流量调节装置，流量调节装置设置在第二空气源与混合器之间的管路上，流量调节装置用于根据混气腔出气端处混合气的温度自动调节进入混气腔的第二低温空气的流量，以使第二低温空气与高温空气混合后形成的混合气的温度符合涡轮轴发动机的进气温度要求。

进一步地，涡轮轴发动机进气加温系统还包括设于第二空气源与混气腔之间的低温空气导管；流量调节装置包括设置在混合器上且伸入混气腔出气端处的测温件，及设置在低温空气导管上用于控制低温空气导管的输出流量大小的流量控制阀，测温件用于测量混气腔出气端处混合气的温度；流量调节装置还包括分别与测温件和流量控制阀相连的控制器，控制器用于采集测温件测得的温度值，并在采集的温度值高于其设定的温度值时控制流量控制阀的开度以调节进入混气腔中第二低温空气的流量。

进一步地，混合器包括空心筒状的内轴筒及套设于内轴筒外的外轴筒，内轴筒和外轴筒之间的环形腔构成混气腔；外轴筒的第一端与内轴筒的对应端密封连接，以密封混气腔的进气端；外轴筒的第二端以及内轴筒的对应端分别与涡轮轴发动机的进气端相连，以使混气腔的出气端与涡轮轴发动机进气端上的进气口连通。

进一步地，外轴筒的外周壁上连接有呈环形的集气环，集气环与外轴筒的外周壁围设成呈环形的集气腔；低温空气导管的出气端与集气腔连通，以使第二低温空气在集气腔内汇集；外轴筒的外周壁上设有用于连通集气腔和混气腔的连通孔。

进一步地，连通孔的数量为多个，多个连通孔沿外轴筒的周向依次间隔设置。

进一步地，涡轮轴发动机进气加温系统还包括用于连通能量交换器和混气腔的高温空气导管件，高温空气导管件包括：与能量交换器的高温空气输出端连通的引风风机，及与引风风机的出气端连通的高温空气导管，高温空气导管的出气端与混气腔的进气端连通。

进一步地，涡轮轴发动机进气加温系统还包括用于连接涡轮轴发动机和测功器的连接轴；连接轴的一端与涡轮轴发动机的转轴相连，连接轴的另一端穿过内轴筒的轴孔并与测功器相连。

进一步地，涡轮轴发动机进气加温系统还包括用于将待进行能量转换的水引入测功器内的进水管、用于将测功器产生的高温水引入能量交换器中的高温水管、用于将能量交换器中产生的低温水向外排出的排水管；进水管的出水端与测功器连通；高温水管的两端分别与测功器和能量交换器连通；排水管的进水端与能量交换器连通。

本发明具有以下有益效果：

本发明的涡轮轴发动机进气加温系统，不仅实现对涡轮轴发动机功率测量的目的，同时利用功率测量时产生的废水的热量加热通入涡轮轴发动机进气口中气流的温度，使该气流温度符合发动机进气温度要求，不仅实现能源的循环利用，同时极大降低加热涡轮轴发动机进气口中气流所需的耗电量，进而极大降低试验所需成本，且本发明的涡轮轴发动机进气加温系统结构简单，设备及运行成本非常低，资源浪费非常小。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的涡轮轴发动机进气加温系统的结构示意图；

图2是图1中混合器的主视结构示意图；

图3是图2中A-A向剖视结构示意图；

图4是图2中B-B向剖视结构示意图。

图例说明

10、涡轮轴发动机；20、测功器；30、能量交换器；40、混合器；401、混气腔；402、集气腔；403、连通孔；50、流量调节装置；51、测温件；52、控制器；53、流量控制阀；60、高温空气导管件；61、引风风机；62、高温空气导管；70、低温空气导管；80、连接轴；90、进水管；110、高温水管；120、排水管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

参照图1，本发明的优选实施例提供了一种涡轮轴发动机进气加温系统，包括与涡轮轴发动机10的转轴相连以测量涡轮轴发动机10功率的测功器20，测功器20用于吸收涡轮轴发动机10的功率后将功率转换成水的热能以输出高温水，测功器20连接有用于将其输出的高温水引入的能量交换器30，能量交换器30还与第一空气源(图未示)连通以引入温度低于高温水温度的第一低温空气，能量交换器30用于使引入的高温水与第一低温空气进行热量交换以分别输出低温水和高温空气。还包括与涡轮轴发动机10的进气口连通的混合器40，混合器40分别与能量交换器30的高温空气输出端连通以引入高温空气，及与温度低于高温空气温度的第二空气源(图未示)连通以引入第二低温空气。混合器40用于将引入的高温空气和第二低温空气混合以向涡轮轴发动机10的进气口输入温度符合进气温度要求的混合气。

本发明的涡轮轴发动机进气加温系统中，首先利用测功器20测量涡轮轴发动机10的功率，测功器20测量涡轮轴发动机10功率的同时将该功率转换成水的热能以输出高温水，再将该高温水接入能量交换器30中，同时将第一空气源的温度低于高温水温度的第一低温空气引入能量交换器30中，高温水和第一低温空气在能量交换器30的作用下进行能量交换后排出低温水和高温空气，再将该高温空气引入混合气40中，同时将第二空气源的温度低于高温空气温度的第二低温空气引入混合器40，高温空气和第二低温空气在混合器40的作用下进行混合后形成温度符合涡轮轴发动机10进气温度要求的混合气，混合器40再将该混合气通入涡轮轴发动机10的进气口中，进而实现对涡轮轴发动机10进气口温度进行加温，以使通入进气口的气流温度符合进气温度要求。

本发明的涡轮轴发动机进气加温系统，不仅实现对涡轮轴发动机功率测量的目的，同时利用功率测量时产生的废水的热量加热通入涡轮轴发动机10进气口中气流的温度，使该气流温度符合发动机进气温度要求，不仅实现能源的循环利用，同时极大降低加热涡轮轴发动机10进气口中气流所需的耗电量，进而极大降低试验所需成本，且本发明的涡轮轴发动机进气加温系统结构简单，设备及运行成本非常低，资源浪费非常小。

具体地，本发明的涡轮轴发动机进气加温系统中，第一空气源和第二空气源均为大气，或者第一空气源为系统中接入的温度低于高温水温度的冷空气，第二空气源为系统中接入的温度低于高温空气温度的冷空气。当第一空气源和第二空气源均为大气时，大气引入简单，可简化本发明的涡轮轴发动机进气加温系统的结构。

具体地，测功器20为市场上常用的用于测量发动机功率的水力测功器。具体地，能量交换器30为市场上常用的用于进行热量交换的热交换器。当测功器20为市场上常用的用于测量发动机功率的水力测功器，能量交换器30为市场上常用的用于进行热量交换的热交换器时，不仅实现对涡轮轴发动机10进气口的气流进行加温，同时使本发明的涡轮轴发动机进气加温系统容易制备、实施，进而降低工作人员的劳动强度。

可选地，如图2所示，混合器40包括沿涡轮轴发动机10进气端的轴向布设且呈环形的混气腔401，混气腔401的出气端与涡轮轴发动机10进气端上的进气口连通。能量交换器30的高温空气输出端与混气腔401的进气端连通。第二空气源从混气腔401的侧向连通至混气腔401内。

可选地，如图1所示，涡轮轴发动机进气加温系统还包括流量调节装置50，流量调节装置50设置在第二空气源与混合器40之间的管路上，流量调节装置50用于根据混气腔401出气端处混合气的温度自动调节进入混气腔401的第二低温空气的流量，以使第二低温空气与高温空气混合后形成的混合气的温度符合涡轮轴发动机10的进气温度要求。由于测功器20排出的高温水的温度在一定范围内变化，该高温水与第一低温空气热交换后形成的高温空气的温度也在一定范围内变化，进而该高温空气与第二低温空气混合后形成的混合气的温度也在一定范围内变化，当混合气的温度高于试验规定的温度值时，将对发动机的鉴定或定型试验产生影响，故而本发明的可选方案中，在第二空气源与混合器40连通的管路中接入流量调节装置50，以根据混气腔401出气端处混合气的温度自动调节进入混气腔401的第二低温空气的流量，以使第二低温空气与高温空气混合后形成的混合气的温度符合涡轮轴发动机10的进气温度要求，进而解决“混合气的温度高于试验规定的温度值时，对发动机的鉴定或定型试验产生影响”的技术问题。

本可选方案的具体实施方式中，如图1所示，涡轮轴发动机进气加温系统还包括用于连通第二空气源和混气腔401的低温空气导管70。流量调节装置50包括设置在混合器40上且伸入混气腔401出气端处的测温件51，及设置在低温空气导管70上用于控制低温空气导管70的输出流量大小的流量控制阀53，测温件51用于测量混气腔401出气端处混合气的温度。流量调节装置50还包括分别与测温件51和流量控制阀53相连的控制器52，控制器52用于采集测温件51测得的温度值，并在采集的温度值高于其设定的温度值时控制流量控制阀53的开度以调节进入混气腔401中第二低温空气的流量。具体地，测温件51为市场上常用的用于测量温度大小的温度传感器；流量控制阀53为市场上常用的用于调节管路的流量大小的电动流量阀。温度传感器采集混气腔401出气端处混合气的温度，并将该温度值发动给控制器52，控制器52根据接收的温度值与其系统设定的温度值的关系，在接收的温度值高于系统设定的温度值时，控制电动流量阀开度的大小，进而控制进入混气腔401中第二低温空气的流量，最终控制混合气温度的高低，使混合气的温度保持在规定值范围内，以满足发动机进气口温度要求。

进一步地，如图2所示，混合器40包括空心筒状的内轴筒及套设于内轴筒外的外轴筒，内轴筒和外轴筒之间的环形腔构成混气腔401。外轴筒的第一端与内轴筒的对应端密封连接，以密封混气腔401的进气端。外轴筒的第二端以及内轴筒的对应端分别与涡轮轴发动机10的进气端相连，以使混气腔401的出气端与涡轮轴发动机10进气端上的进气口连通。

优选地，如图2-4所示，外轴筒的外周壁上连接有呈环形的集气环，集气环与外轴筒的外周壁围设成呈环形的集气腔402。低温空气导管70的出气端与集气腔402连通，以使第二低温空气在集气腔402内汇集。外轴筒的外周壁上设有用于连通集气腔402和混气腔401的连通孔403。集气腔402用于使由低温空气导管70引入的第二低温空气首先进行汇集，然后再通过连通孔403进入混气腔401，以使引入混气腔401的第二低温空气的流量稳定，进而使掺混后形成的混合气的温度稳定，最终提高涡轮轴发动机10进气温度的稳定性。

进一步地，如图3所示，连通孔403的数量为多个，多个连通孔403沿外轴筒的周向依次间隔设置，以使在集气腔402中汇集的第二低温空气均匀的引入混气腔401中，进而提高第二低温空气与高温空气掺混的速度及均匀性，最终提高涡轮轴发动机10进气温度的质量。

可选地，如图1所示，涡轮轴发动机进气加温系统还包括用于连通能量交换器30和混气腔401的高温空气导管件60，高温空气导管件60包括：与能量交换器30的高温空气输出端连通的引风风机61，及与引风风机61的出气端连通的高温空气导管62，高温空气导管62的出气端与混气腔401的进气端连通。引风风机61用于使由能量交换器30排出的高温空气通过高温空气导管62快速、有力的排入混气腔401中，进而提高热风引入混气腔401的速率，并增强热风与第二低温空气混合的均匀性，消除设置能量交换器30带来的涡轮轴发动机10的进气压力损失。

可选地，如图1所示，外轴筒连接有第一法兰盘，高温空气导管62的出气端与第一法兰盘可拆卸式连接；集气环连接有第二法兰盘，低温空气导管70的出气端与第二法兰盘可拆卸式连接。通过法兰盘结构的设置，便于连接处的拆卸和连接，进而降低装、拆的难易程度。

可选地，如图1所示，涡轮轴发动机进气加温系统还包括用于连接涡轮轴发动机10和测功器20的连接轴80。连接轴80的一端与涡轮轴发动机10的转轴相连，连接轴80的另一端穿过内轴筒的轴孔并与测功器20相连。连接轴80的该种连接、布置方式，有利于简化本发明的涡轮轴发动机进气加温系统的结构，并使整个进气加温系统结构紧凑、设置、布局合理，所需安装空间小。

可选地，如图1所示，涡轮轴发动机进气加温系统还包括用于将待进行能量转换的水引入测功器20内的进水管90、用于将测功器20产生的高温水引入能量交换器30中的高温水管110、用于将能量交换器30中产生的低温水向外排出的排水管120。进水管90的出水端与测功器20连通，进水管90的进水端与供给冷水的水源相连。高温水管110的两端分别与测功器20和能量交换器30连通。排水管120的进水端与能量交换器30连通，排水管120的出水端与进水管90的进水端或废水收集设备相连。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种涡轮轴发动机进气加温系统，其特征在于，

包括与涡轮轴发动机（10）的转轴相连以测量所述涡轮轴发动机（10）功率的测功器（20），所述测功器（20）用于吸收所述涡轮轴发动机（10）的功率后将功率转换成水的热能以输出高温水，所述测功器（20）连接有用于将其输出的高温水引入的能量交换器（30），所述能量交换器（30）还与第一空气源连通以引入温度低于高温水温度的第一低温空气，所述能量交换器（30）用于使引入的高温水与第一低温空气进行热量交换以分别输出低温水和高温空气；

还包括与所述涡轮轴发动机（10）的进气口连通的混合器（40），所述混合器（40）分别与所述能量交换器（30）的高温空气输出端连通以引入高温空气，及与温度低于高温空气温度的第二空气源连通以引入第二低温空气；

所述混合器（40）用于将引入的高温空气和第二低温空气混合以向所述涡轮轴发动机（10）的进气口输入温度符合进气温度要求的混合气；

混合器（40）包括沿涡轮轴发动机（10）进气端的轴向布设且呈环形的混气腔（401），混气腔（401）的出气端与涡轮轴发动机（10）进气端上的进气口连通；能量交换器（30）的高温空气输出端与混气腔（401）的进气端连通；第二空气源从混气腔（401）的侧向连通至混气腔（401）内；

涡轮轴发动机进气加温系统还包括流量调节装置（50），流量调节装置（50）设置在第二空气源与混合器（40）之间的管路上，流量调节装置（50）用于根据混气腔（401）出气端处混合气的温度自动调节进入混气腔（401）的第二低温空气的流量，以使第二低温空气与高温空气混合后形成的混合气的温度符合涡轮轴发动机（10）的进气温度要求；由于测功器（20）排出的高温水的温度在一定范围内变化，该高温水与第一低温空气热交换后形成的高温空气的温度也在一定范围内变化，进而该高温空气与第二低温空气混合后形成的混合气的温度也在一定范围内变化，当混合气的温度高于试验规定的温度值时，将对发动机的鉴定或定型试验产生影响，在第二空气源与混合器（40）连通的管路中接入流量调节装置（50），以根据混气腔（401）出气端处混合气的温度自动调节进入混气腔（401）的第二低温空气的流量，以使第二低温空气与高温空气混合后形成的混合气的温度符合涡轮轴发动机（10）的进气温度要求；

涡轮轴发动机进气加温系统还包括用于连通第二空气源和混气腔（401）的低温空气导管（70）；流量调节装置（50）包括设置在混合器（40）上且伸入混气腔（401）出气端处的测温件（51），及设置在低温空气导管（70）上用于控制低温空气导管（70）的输出流量大小的流量控制阀（53），测温件（51）用于测量混气腔（401）出气端处混合气的温度；流量调节装置（50）还包括分别与测温件（51）和流量控制阀（53）相连的控制器（52），控制器（52）用于采集测温件（51）测得的温度值，并在采集的温度值高于其设定的温度值时控制流量控制阀（53）的开度以调节进入混气腔（401）中第二低温空气的流量；测温件（51）采集混气腔（401）出气端处混合气的温度，并将该温度值发动给控制器（52），控制器（52）根据接收的温度值与其系统设定的温度值的关系，在接收的温度值高于系统设定的温度值时，控制流量控制阀（53）开度的大小，进而控制进入混气腔（401）中第二低温空气的流量，最终控制混合气温度的高低，使混合气的温度保持在规定值范围内，以满足发动机进气温度要求。

2.根据权利要求1所述的涡轮轴发动机进气加温系统，其特征在于，

所述混合器（40）包括空心筒状的内轴筒及套设于所述内轴筒外的外轴筒，所述内轴筒和所述外轴筒之间的环形腔构成所述混气腔（401）；

所述外轴筒的第一端与所述内轴筒的对应端密封连接，以密封所述混气腔（401）的进气端；

所述外轴筒的第二端以及所述内轴筒的对应端分别与所述涡轮轴发动机（10）的进气端相连，以使所述混气腔（401）的出气端与所述涡轮轴发动机（10）进气端上的进气口连通。

3.根据权利要求2所述的涡轮轴发动机进气加温系统，其特征在于，

所述外轴筒的外周壁上连接有呈环形的集气环，所述集气环与所述外轴筒的外周壁围设成呈环形的集气腔（402）；

所述低温空气导管（70）的出气端与所述集气腔（402）连通，以使第二低温空气在所述集气腔（402）内汇集；

所述外轴筒的外周壁上设有用于连通所述集气腔（402）和所述混气腔（401）的连通孔（403）。

4.根据权利要求3所述的涡轮轴发动机进气加温系统，其特征在于，

所述连通孔（403）的数量为多个，多个所述连通孔（403）沿所述外轴筒的周向依次间隔设置。

5.根据权利要求4所述的涡轮轴发动机进气加温系统，其特征在于，

所述涡轮轴发动机进气加温系统还包括用于连通所述能量交换器（30）和所述混气腔（401）的高温空气导管件（60），所述高温空气导管件（60）包括：

与所述能量交换器（30）的高温空气输出端连通的引风风机（61），及与所述引风风机（61）的出气端连通的高温空气导管（62），所述高温空气导管（62）的出气端与所述混气腔（401）的进气端连通。

6.根据权利要求2所述的涡轮轴发动机进气加温系统，其特征在于，

所述涡轮轴发动机进气加温系统还包括用于连接所述涡轮轴发动机（10）和所述测功器（20）的连接轴（80）；

所述连接轴（80）的一端与所述涡轮轴发动机（10）的转轴相连，所述连接轴（80）的另一端穿过所述内轴筒的轴孔并与所述测功器（20）相连。

7.根据权利要求1所述的涡轮轴发动机进气加温系统，其特征在于，

所述涡轮轴发动机进气加温系统还包括用于将待进行能量转换的水引入所述测功器（20）内的进水管（90）、用于将所述测功器（20）产生的高温水引入所述能量交换器（30）中的高温水管（110）、用于将所述能量交换器（30）中产生的低温水向外排出的排水管（120）；

所述进水管（90）的出水端与所述测功器（20）连通；

所述高温水管（110）的两端分别与所述测功器（20）和所述能量交换器（30）连通；

所述排水管（120）的进水端与所述能量交换器（30）连通。

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