CN111577466A - 航空发动机防冰引气预热与涡轮冷却引气预冷系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种航空发动机防冰引气预热与涡轮冷却引气预冷系统，包括换热器，涡轮冷却引气管路及防冰引气管路，所述换热器设于航空发动机外涵道中，所述涡轮冷却引气管路的引气端设于位于内涵道的高压压气机出口处，所述涡轮冷却引气管路的出气端设于位于内涵道的高压涡轮上方，所述换热器设于所述涡轮冷却引气管路上，所述防冰引气管路的引气端设于所述换热器上，所述防冰引气管路的出气端设于航空发动机的易结冰部位。本公开将防冰引气和换热做成一体结构，集多功能于一身。该结构本身就置于外涵气流中，将一股外涵气流引入结构中成为防冰引气。温度较低的外涵引气和防冰引气，温度较高的涡轮冷却引气三股气流交汇、换热。

Description

航空发动机防冰引气预热与涡轮冷却引气预冷系统
技术领域
本公开涉及航空发动机防冰系统的领域，尤其涉及一种航空发动机防冰引气预热与涡轮冷却引气预冷系统。
背景技术
涡扇航空发动机在湿度较高且接近冰点的大气环境下工作时，其进气系统的前整流罩、鼻锥、支板等部位容易发生结冰。进气位置结冰将严重堵塞进气道，引起发动机空气流量减小而导致灾难性后果。常见的防冰技术包括热气防冰、电加热防冰、滑油防冰等。对于涡扇发动机而言应用最广泛的是热气防冰，设计使用最为方便。
热气防冰一般是从高压压气机中间级引气，输送向需要防冰的结构。引气的压力越高，对应的引气温度越高，防冰效果越好；但同时导致发动机引气损失越大。现有大部分热气防冰的专利，都是想方设法提高对引气的利用率，降低引气量需求。CN201611176269.0针对支板进行热气防冰，采用复合材料前缘与冲击射流/气膜缝相结合的方式提高传热效果，减少引气量需求。CN201110447988.2采用导流叶栅使防冰引气尽可能贴体流动，从而减小引气量需求。CN201420003992.9采用具有射流孔的传热结构，采用射流强化换热，从而减少引气量需求。但是，少有专利对于降低引气压力损失进行设计。
采用其他工质进行防冰，US10173780B2采用多个液体/空气换热器，用液体工质进行防冰。US8899009B2采用燃油为工质防冰。这一类防冰技术结构复杂，需要用到多个换热器，增加的尺寸和重量对航空发动机来说很难承受。
还有其他类型的冷却结构。CN201610056437.6采用旋转热管进行鼻锥防冰，优点是无源运行，缺点是热管工作可靠性差。CN201610885085.5采用电火花强化射流的防冰装置，CN201320150958.X对发动机唇口电热防冰，结构复杂，能源利用率低。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种航空发动机防冰引气预热与涡轮冷却引气预冷系统。
根据本公开的一个方面，航空发动机防冰引气预热与涡轮冷却引气预冷系统，包括换热器，涡轮冷却引气管路及防冰引气管路，所述换热器设于航空发动机外涵道中，所述涡轮冷却引气管路的引气端设于位于内涵道的高压压气机出口处，所述涡轮冷却引气管路的出气端设于位于内涵道的高压涡轮上方，所述换热器设于所述涡轮冷却引气管路上，所述防冰引气管路的引气端设于所述换热器上，所述防冰引气管路的出气端设于航空发动机的易结冰部位；
位于外涵道中的一部分外涵气流与所述涡轮冷却引气管路中的涡轮冷却引气在所述换热器换热后，该部分外涵气流温度升高，作为防冰引气，从所述防冰引气管路的引气端输送至所述防冰引气管路的出气端，用于防冰；
所述涡轮冷却引气管路中的涡轮冷却引气经所述换热器后温度降低，输送至位于内涵道的高压涡轮上方，用于冷却涡轮叶片。
根据本公开的至少一个实施方式，所述换热器为板翅式换热器，所述换热器设有相互垂直设置的涡轮冷却引气通道及外涵气流通道，在所述换热器的一侧还设有用于收集防冰引气的集气管，所述集气管与所述防冰引气管路的引气端连接。
根据本公开的至少一个实施方式，所述换热器还设有隔热层，所述隔热层将所述外涵气流通道一分为二，将所述外涵气流通道一部分作为防冰引气通道，所述防冰引气通道与所述集气管连通。
根据本公开的至少一个实施方式，所述换热器为套管翅片式换热器。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是现有技术航空发动机的结构示意图。
图2是本公开的结构示意图。
图3是本公开换热器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
如图1所示，为现有技术中的航空发动机示意图，其中，在风扇100后，包括外涵道200和内涵道300，内涵道300中依次设有低压压气机301，高压压气机302，燃烧室303，高压涡轮304，低压涡轮305及喷管306，空气经过风扇后，分为外涵气流和内涵气流。
如图2所示，根据本公开的一个方面，一种航空发动机防冰引气预热与涡轮冷却引气预冷系统，包括换热器1，涡轮冷却引气管路2及防冰引气管路3，所述换热器1设于航空发动机外涵道200中，所述涡轮冷却引气管路2的引气端21设于位于内涵道300的高压压气机302出口处，所述涡轮冷却引气管路2的出气端22设于位于内涵道300的高压涡轮304上方，所述换热器1设于所述涡轮冷却引气管路2上，所述防冰引气管路3的引气端31设于所述换热器1上，所述防冰引气管路3的出气端32设于航空发动机的易结冰部位307；
位于外涵道200中的一部分外涵气流与所述涡轮冷却引气管路2中的涡轮冷却引气在所述换热器1换热后，该部分外涵气流温度升高，作为防冰引气，从所述防冰引气管路3的引气端31输送至所述防冰引气管路3的出气端32，用于防冰；
所述涡轮冷却引气管路2中的涡轮冷却引气经所述换热器1后温度降低，输送至位于内涵道300的高压涡轮304上方，用于冷却涡轮叶片。
如图3所示，根据本公开的至少一个实施方式，所述换热器1为板翅式换热器，所述换热器1设有相互垂直设置的涡轮冷却引气通道11及外涵气流通道12，在所述换热器的一侧还设有用于收集防冰引气的集气管13，所述集气管13与所述防冰引气管路的引气端连接。
根据本公开的至少一个实施方式，所述换热器还设有隔热层14，所述隔热层14将所述外涵气流通道12一分为二，将所述外涵气流通道12一部分作为防冰引气通道121，所述防冰引气通道121与所述集气管13连通。
根据本公开的至少一个实施方式，所述换热器为套管翅片式换热器。
本公开采用一个置于航空发动机外涵道中涡轮进口截面处的引气/换热一体结构(换热器)，通过该结构在外涵道引出一股气体用于防冰。该股气体在“引气/换热一体结构”中得到加温，增强了防冰的能力；热源是从高压压气机出口位置的引气(称为涡轮冷却引气，最终用于高压涡轮叶片冷却)。对于从高压压气机出口位置的涡轮冷却引气而言，经过此“引气/换热一体结构”温度得到降低，增强了冷却能力。需要说明的是，一般涡轮冷却引气的流量远远大于防冰引气，涡轮冷却引气在换热结构中分为多股，一部分和防冰引气进行热交换，另一部分和外涵道气流进行换热。
本公开将防冰引气和换热做成一体结构，集多功能于一身。该结构本身就置于外涵气流中，将一股外涵气流引入结构中成为防冰引气。温度较低的外涵引气和防冰引气，温度较高的涡轮冷却引气三股气流交汇、换热。本公开的防冰引气从传统的高压压气机中间级，改为外涵道。即热气防冰技术原本需要从高压压气机中间级引气，变为从外涵道引气，并结合换热增温。外涵引气处压力相当于低压压气机后或者风扇后，压力较低，发动机损失小。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (4)

1.一种航空发动机防冰引气预热与涡轮冷却引气预冷系统，其特征在于，包括换热器，涡轮冷却引气管路及防冰引气管路，所述换热器设于航空发动机外涵道中，所述涡轮冷却引气管路的引气端设于位于内涵道的高压压气机出口处，所述涡轮冷却引气管路的出气端设于位于内涵道的高压涡轮上方，所述换热器设于所述涡轮冷却引气管路上，所述防冰引气管路的引气端设于所述换热器上，所述防冰引气管路的出气端设于航空发动机的易结冰部位；
位于外涵道中的一部分外涵气流与所述涡轮冷却引气管路中的涡轮冷却引气在所述换热器换热后，该部分外涵气流温度升高，作为防冰引气，从所述防冰引气管路的引气端输送至所述防冰引气管路的出气端，用于防冰；
所述涡轮冷却引气管路中的涡轮冷却引气经所述换热器后温度降低，输送至位于内涵道的高压涡轮上方，用于冷却涡轮叶片。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换热器为板翅式换热器，所述换热器设有相互垂直设置的涡轮冷却引气通道及外涵气流通道，在所述换热器的一侧还设有用于收集防冰引气的集气管，所述集气管与所述防冰引气管路的引气端连接。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述换热器还设有隔热层，所述隔热层将所述外涵气流通道一分为二，将所述外涵气流通道一部分作为防冰引气通道，所述防冰引气通道与所述集气管连通。
4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述换热器为套管翅片式换热器。
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