CN111735329A - 一种用于飞机环控系统的新型高温预冷器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于飞机环控系统的新型高温预冷器，属于飞机环控系统技术领域，预冷器芯子为结构紧凑、散热效率较高的板翅式结构，材质为纯镍材料(翅片部位)、高温合金等耐工作温度在400℃以上、工作压力7bar以上的高温热性能好、加工工艺性好、抗高温强度衰变慢且满足使用要求的材料，芯子组件整体采用真空钎焊，结构为满足高温及大温差工况使用要求的镍‑高温合金翅式预冷器、高温合金板翅式预冷器。本发明的应用解决了高温预冷器在高温下工作时变形、泄漏、爆裂的风险问题，提高了产品使用的可靠性和耐久性，使得此类结构的预冷器在飞机的环控系统中占有重要地位，满足高温流体、大温差、热膨胀变形、结构紧凑轻巧的各种功能和性能需求。
Description
技术领域
本发明属于飞机冷却附件系统技术领域，特别是一种用于飞机环控系统的新型高温预冷器。
背景技术
高温预冷器是为飞机的环控系统配套的冷却附件，冷却系统的高温热流体与低温冷流体在预冷器中进行热交换，使高温热流体和低温冷流体达到要求的工作温度范围值，确保飞机环控系统正常工作。
通常，此类预冷器在常规装备上使用时的工作温度在300℃以下，冷热温差值在200℃以下，温度热应力影响相对较小。随着超大功率、超远程飞机的研发与市场需求，此类飞机的功率成倍加大，飞机发动环控系统配套的高温预冷器工作温度在400℃以上，冷热温差值在300℃以上，高温工作压力达到7bar，高温热变形、热应力影响预冷器的泄漏、爆裂的强度功能，预冷器的安全性和可靠性受到较大的影响，从而影响飞机环控系统的功能性能、可靠性及耐久性，严重时出现飞机在空中停车的质量故障。
发明内容
为了解决上述问题，本发明旨在提供一种新型高温预冷器，解决为飞机环控系统配套的高温预冷器在400℃以上，冷热温差值在300℃以上，高温工作压力达到7bar工作时的正常工作问题，降低产品高温产生的变形及热应力导致泄漏、爆裂的风险，提高产品使用的可靠性和寿命，使得此类结构的高温预冷器在飞机的环控系统附件上占有重要地位，满足流体高温、大温差、散热性能高、结构紧凑轻巧的各种功能及性能需求。
本发明的预冷器为结构紧凑、散热效率较高的板翅式高温预冷器，材质可以为镍材(翅片部位)、高温合金等传热性能较好、加工工艺性好、抗高温强度衰变慢的材料，结构为满足高温及大温差工况使用要求的镍-高温合金翅式预冷器、高温合金板翅式预冷器。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于飞机环控系统的新型高温预冷器，包括芯子组件，
所述芯子组件为板翅式结构；
所述芯子组件中热边介质进口侧或冷边介质出口侧的高温部分的侧封条采用开异形槽的封条；
所述芯子组件中最外侧通道以及冷、热流体温差大的部位的通道采用双通道或者通道高度高于其余通道的单通道；
所述芯子组件中热流体高温侧(也称作热边介质进口侧或者热边进口端)以及冷、热流体温差大的部位的翅片采用整条长度的高强度翅片或局部长度的高强度翅片；
所述芯子组件中最外侧通道以及冷、热流体温差大的部位的封条采用开异形槽孔的大封条，此处的最外侧通道不包含热边通道，因为最外侧通道统一设计为冷(侧)边通道；
所述芯子组件冷、热侧芯体端部设置有若干加强筋；
所述芯子组件中最外层通道为冷侧通道。
优选的，所述高强度翅片为：
除厚度更厚外其它规格与其余翅片均相同的翅片；
或者，除强度更高外其它规格与其余翅片均相同的翅片；
或者，除翅片材料采用高温合金外其它规格与其余翅片均相同的翅片。
进一步，所述芯子组件中冷、热侧翅片均采用波纹矩形翅片。
进一步，所述芯子组件中热侧翅片采用锯齿形翅片。
进一步，所述芯子组件中，
当芯体的热边长度≥500mm时，在最外层的中部设置有第一加强封条；
当芯体的冷边长度≥500mm时，在热边中部设置有第二加强封条。
进一步，所述芯子组件为整体真空钎焊结构。
进一步，用于飞机环控系统的新型高温预冷器还包括热边进出口集气罩组件、冷边进出口集气罩组件、安装座组件、隔热罩组件和波纹管式热膨胀补偿接头，且热边进出口集气罩组件、冷边进出口集气罩组件、安装座组件、波纹管式热膨胀补偿接头与芯子组件之间通过氩弧焊焊接连接成预冷器核心件，隔热罩组件通过点焊、铆接或穿戴式方式包裹预冷器核心件，隔热罩组件为7～10mm厚的柔性结构。
进一步，所述预冷器波纹管式热膨胀补偿接头为环形结构或螺旋形结构。
优选的，所述预冷器热边进出口集气罩组件、冷边进出口集气罩组件为整体冲压成型或机加成形的高温合金材质的零组件，其形状为圆拱形、天圆地方或锥台形。
优选的，所述芯子组件中翅片的材质(翅片部位)为纯镍材料或高温合金。
本发明为飞机环控系统配套的高温预冷器,在400℃以上的高温工作时,由于工作温度高达到400℃以上、且因冷热流体300℃以上的大温差产生的热应力可能会导致产品变形、泄漏、爆裂的风险，从而降低产品使用的可靠性和耐久性。
与现有技术相比，本发明所述的一种用于飞机环控系统的新型高温预冷器，用于为大功率飞机环控系统配套的高温预冷器冷却附件，高温热空气与低温冷空气在该预冷器中进行热交换，使高温热空气和低温冷空气达到要求的工作温度范围值，确保飞机环控系统正常工作。本发明提供了一种新型高温预冷器，解决了为大功率飞机环控系统配套的预冷器，在400℃以上，冷热温差值在300℃以上，高温工作压力达到7bar工作时，降低流体高温产生的热变形、热应力时的泄漏、爆裂的风险，在各种工况环镜下提高了产品使用的可靠性和寿命，使得此类结构的预冷器在飞机的环控系统冷却附件上占有重要地位，满足流体高温、大温差工况下的散热性能高、结构紧凑、重量轻巧的各种性能、功能需求，该预冷器为结构紧凑、散热高效的板翅式新型高温预冷器，材质可以为镍材(翅片部位)、高温合金等传热性能较好、加工工艺性好、抗高温强度衰变慢的材料，结构为满足高温及大温差工况使用要求的镍-高温合金翅式预冷器、高温合金板翅式预冷器。
附图说明
图1为本发明的产品结构示意图；
图2为开异形槽以及开异型槽孔的封条结构示意图；
图3为最外侧以及大温差位置采用双通道作为通道的芯子组件结构示意图，其左图为单流程，右图为双流程；
图3-1为最外侧以及大温差位置采用高度较高的单通道作为通道的芯子组件结构示意图，，其左图为单流程，右图为双流程；
图4为局部高强度翅片结构示意图；
图5为波纹矩形(左图)、锯齿形(右图)翅片结构示意图；
图6为加强筋的位置和结构示意图；
图7为第一加强封条109和第二加强封条110的位置结构示意图；
图8为高强度、低阻力集气罩结构示意图；
图9波纹管式热膨胀补偿接头结构示意图；
图中：1-芯子组件，101-开异形槽的封条，102-单通道，103-高强度翅片，104-开异形槽孔的大封条，105-波纹矩形翅片，106-锯齿形翅片，107-加强筋，109-第一加强封条，110-第二加强封条，111-双通道，2-热边进出口集气罩组件，3-冷边进出口集气罩组件，4-安装座组件，5-隔热罩组件，6-波纹管式热膨胀补偿接头，61-连接套，62-接头套，63-波纹管，64-加强环，65-内接头，66-凹接头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本结构发明作进一步的说明，但不应就此理解为本结构发明所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本发明的范围内。
如图1～图9所示，为本发明的一种用于飞机环控系统的新型高温预冷器，包括芯子组件1、热边进出口集气罩组件2、冷边进出口集气罩组件3和安装座组件4、隔热罩组件5和波纹管式热膨胀补偿接头6；预冷器芯子组件1为板翅式结构，芯子组件1为预冷器主体，是产品的关键功能件，也是受高温热应力及变形应力影响最大的主体，预冷器芯子组件1中热边介质进出口侧或冷边介质出口侧的高温部份的侧封条采用开异形槽的封条101(至少保证热边介质进口侧或冷边介质出口侧的高温部份的侧封条采用开异形槽的封条101，当然也可以是所有侧封条均采用开异形槽的封条101)，最外侧通道、冷热流体温差大的部位的通道采用双通道或高度较高的通道102，热流体高温侧、温差大的部位的翅片采用整条高强度翅片或局部高强度翅片103，最外侧、冷热流体温差大的部位封条采用开异形槽孔的大封条104；作为一种选择，冷、热侧翅片均采用流阻较小综合性能较好、钎焊强度好的波纹矩形翅片105，作为另一种选择，热侧翅片可采用热性能较高、流阻适中、钎焊强度好的锯齿形翅片106，冷、热侧芯体端部增加若干加强筋107，最外层通道为冷侧通道，当芯体的热边长度≥500mm时，在最外层的中部增加第一加强封条109，当芯体的冷边长度≥500mm时，在热边中部增加第二加强封条110。
预冷器热边进出口集气罩组件2、冷边进出口集气罩组件3为热流体、冷流体的收集及与系统和散热芯子联通的功能性组件，为整体冲压成型或机加成形的高温合金材质的零组件231，其形状设计成流线形好能能承受高温度热应力、热变形的流阻低、强度较高的圆拱形、天圆地方或锥台形。
如图1(图中只画出了一块隔热罩组件5)，隔热罩组件5为柔性结构，通过与高温预冷器核心件的无间隙贴合，起到高温绝热作用，使500～600℃高温的预冷器经隔热罩组件高温绝热后能降到100℃以下，保护其它零部件不受高温及热辐的影响、避免人员烫伤的危害及火灾事故的发生。
如图9，波纹管式热膨胀补偿接头6为环形结构或螺旋形结构，作为预冷器与其它部件连接的接口。产品在高温工作中，通过波纹管式热膨胀补偿接头6的弹性变形对预冷器高温热膨胀变形量的吸收，从而达到减小预冷器对飞机机体产生的热膨胀载荷，避免因热膨胀变形产生的热应力导致预冷器及飞机机体相连部附件热裂纹故障的发生。
根据飞机环控系统的工作和使用环境，要求为其配套的预冷器不仅具有重量轻巧、结构紧凑、传热效率高、可靠性好的特点，还要求其能承受流体高温、大温差产生的变形及热应力的影响，采用的散热芯子结构为强度较高的板翅式结构，材质可以为镍材(翅片部位)、高温合金等传热性能较好、加工工艺性好、抗高温强度衰变慢的材料，结构为满足高温及大温差工况使用要求的镍-高温合金翅式预冷器、高温合金板翅式预冷器。
芯子组件1采用整体真空钎焊，芯子组件1、热边进出口集气罩组件2、冷边进出口集气罩组件3、安装座组件4、波纹管式热膨胀补偿接头6之间通过氩弧焊焊接连接成预冷器核心件，隔热罩组件5通过点焊、铆接、穿带式等方式包裹预冷器核心件而成新型高温预冷器。
本发明的主要创新和改进如下：
1)开异型槽的封条101：如图2，为开若干类型的开异形槽的封条101结构，图3和图4中全部用作冷、热侧的侧封条，不仅可降低预冷器产品在工作过程中高温及大温差产生的温度热应力、高温膨胀热变形的影响，同时还降低散热芯子在高温钎焊过程中高温热应力及高温膨胀热变形的影响，提高产品的钎焊质量，降低产品的重量，从而提高产品在高温状态下工作时的可靠性和寿命。
2)双通道111或高度较高的通道102：如图3(左图为单流程芯子结构，右图为双流程芯子结构)和图3-1(左图为单流程芯子结构，右图为双流程芯子结构)所示，最外侧通道或大温差部位通道采用双通道111或高度较高的通道102，这两种结构不仅可降低预冷器产品在工作过程中高温及大温差产生的温度热应力、高温膨胀热变形的影响，同时还降低散热芯子在高温钎焊过程中高温热应力及高温膨胀热变形的影响，提高产品的钎焊质量，降低产品的重量，从而提高产品在高温状态下工作时的可靠性和寿命。
3)高强度翅片103：在热流体高温侧、冷热流体温差大的部位的热翅片采用局部长度或整条强度高的翅片，可通过采用同规格的加厚翅片、或同厚度高强度规格、或用高温合金材料替代镍材，实现翅片强度提高的功能，不仅可降低预冷器产品在工作过程中高温及大温差产生的温度热应力、高温膨胀热变形的影响，同时还降低散热芯子在高温钎焊过程中高温热应力及高温膨胀热变形的影响，提高产品的钎焊质量，从而提高产品在高温状态下工作时的可靠性和寿命。这里的整体是指与芯子组件长度等长的翅片，局部是指一条翅片上靠近高温侧位置或温差大位置的部分翅片。
4)开异形槽孔的大封条104：最外侧通道或大温差部位采用开异形槽孔的大封条104结构，不仅可降低预冷器产品在工作过程中高温及大温差产生的温度热应力、高温膨胀热变形的影响，同时还降低散热芯子在高温钎焊过程中高温热应力及高温膨胀热变形的影响，提高产品的钎焊质量，从而提高产品在高温状态下工作时的可靠性和寿命。
5)波纹矩形翅片105：冷侧、热侧流体均优先采用波纹矩形翅片105，不仅满足流阻较小、综合散热性能好的性能要求，同时还满足高温钎焊的工艺性要求，提高产品的钎焊质量和使用的可靠性，从而提高产品在高温状态下工作时的可靠性和寿命。
6)锯齿形翅片106：热侧翅片可采用锯齿形翅片106，不仅满足流阻适中、散热性能好的性能要求，同时还满足高温钎焊的工艺性要求，提高产品的钎焊质量和使用的可靠性，从而提高产品在高温状态下工作时的可靠性和寿命。
7)加强筯107：在冷、热侧芯体端部采用若干加强筋，提高产品抗高温及大温差的强度，可降低预冷器产品在工作过程中高温及大温差产生的温度热应力、高温膨胀热变形的影响，提高产品在高温状态下工作时的可靠性和寿命。
8)最外层通道为冷侧通道：最外层为板翅式结构的强度薄弱层，在高温预冷器结构设计中，冷流体的温度、压力相对于热流体较低，故把最外层通道设计为冷侧通道，不仅可降低预冷器产品在工作过程中高温及大温差产生的温度热应力、高温膨胀热变形的影响，同时还降低散热芯子在高温钎焊过程中高温热应力及高温膨胀热变形的影响，提高产品的钎焊质量，从而提高产品在高温状态下工作时的可靠性和寿命。
9)在最外层的中部增加第一加强封条109：当芯体的热边长度≥500mm时，在最外层的中部增加第一加强封条109，不仅可降低预冷器产品在工作过程中高温及大温差产生的温度热应力、高温膨胀热变形的影响，同时还降低散热芯子在高温钎焊过程中高温热应力及高温膨胀热变形的影响，提高产品的钎焊质量，从而提高产品在高温状态下工作时的可靠性和寿命。
10)在热边中部增加第二加强封条110：当芯体的冷边长度≥500mm时，在热边中部增加第二加强封条110，不仅可降低预冷器产品在工作过程中高温及大温差产生的温度热应力、高温膨胀热变形的影响，同时还降低散热芯子在高温钎焊过程中高温热应力及高温膨胀热变形的影响，提高产品的钎焊质量，从而提高产品在高温状态下工作时的可靠性和寿命。
11)高强度、低阻力集气罩：预冷器热边进出口集气罩组件2、冷边进出口集气罩组件3为热流体、冷流体的收集及与系统和散热芯子联通的功能性组件，为整体冲压成型或机加成形的高温合金材质的零组件，其形状设计成流线形好能能承受高温度热应力、热变形的流阻低、强度较高的圆拱形、天圆地方或锥台形结构，其与芯子组件焊接的焊接段设计为≥7mm的直段，提高焊接强度，进出口管嘴与芯体上流体的流动夹度≤45°，以降低流阻，在集气罩的薄弱处增加加强筋，或冲制加强槽，提高集气罩的强度。不仅可降低预冷器产品在工作过程中高温及大温差产生的温度热应力、高温膨胀热变形的影响，提供抗振动强度能力，同时还降低冷热边流体的流阻，从而提高产品在高温状态下工作时的可靠性和寿命。
12)隔热罩组件5：隔热罩组件5可根据不同的产品结构设计成不同类型的柔性结构件，与预冷器核心件实现无间隙贴合，该隔热罩组件5厚度仅为7～10mm，而同类型的民用隔热罩厚度达到20～30mm以上，隔热罩组件5结构紧凑轻巧、隔热能力强、可拆卸、可回收、可更换、可清洗，能使500～600℃高温的预冷器经隔热罩组件5高温绝热后外表面温度降到100℃以下，保护飞机其它零部件不受高温及热辐射的影响、避免人员烫伤的危害及火灾事故的发生。
13)波纹管式热膨胀补偿接头6：包括连接套61、接头套62、波纹管63、加强环64、内接头65、凹接头66。波纹管式热膨胀补偿接头6设计成截面形状为矩形、圆弧形、椭圆形、三角形等的环形结构或螺旋形结构，产品在高温工作中，通过波纹管式热膨胀补偿接头6的弹性变形对预冷器高温热膨胀变形量的吸收，减缓预冷器在冷热高温气体交互使用下，产品自身产生热膨胀对飞机机体和与之相连接的部附件拉伸和挤压，从而达到减小预冷器对飞机机体产生的热膨胀载荷，避免因热膨胀变形产生的热应力导致预冷器及飞机机体相连部附件热裂纹故障的发生。
Claims (10)
1.一种用于飞机环控系统的新型高温预冷器，包括芯子组件(1)，其特征在于：
所述芯子组件(1)为板翅式结构；
所述芯子组件(1)中热边介质进口侧或冷边介质出口侧的高温部分的侧封条采用开异形槽的封条(101)；
所述芯子组件(1)中最外侧通道以及冷、热流体温差大的部位的通道采用双通道(111)或者通道高度高于其余通道的单通道(102)；
所述芯子组件(1)中热流体高温侧以及冷、热流体温差大的部位的翅片采用整条长度的高强度翅片(103)或局部长度的高强度翅片(103)；
所述芯子组件(1)中最外侧通道以及冷、热流体温差大的部位的封条采用开异形槽孔的大封条(104)；
所述芯子组件(1)冷、热侧芯体端部设置有若干加强筋(107)；
所述芯子组件(1)中最外层通道为冷侧通道。
2.根据权利要求1所述的一种用于飞机环控系统的新型高温预冷器，其特征在于：所述高强度翅片(103)为：
除厚度更厚外其它规格与其余翅片均相同的翅片；
或者，除强度更高外其它规格与其余翅片均相同的翅片；
或者，除翅片材料采用高温合金外其它规格与其余翅片均相同的翅片。
3.根据权利要求1所述的一种用于飞机环控系统的新型高温预冷器，其特征在于：所述芯子组件(1)中冷、热侧翅片均采用波纹矩形翅片(105)。
4.根据权利要求1所述的一种用于飞机环控系统的新型高温预冷器，其特征在于：所述芯子组件(1)中热侧翅片采用锯齿形翅片(106)。
5.根据权利要求1所述的一种用于飞机环控系统的新型高温预冷器，其特征在于：所述芯子组件(1)中，
当芯体的热边长度≥500mm时，在最外层的中部设置有第一加强封条(109)；
当芯体的冷边长度≥500mm时，在热边中部设置有第二加强封条(110)。
6.根据权利要求1所述的一种用于飞机环控系统的新型高温预冷器，其特征在于：所述芯子组件(1)为整体真空钎焊结构。
7.根据权利要求1所述的一种用于飞机环控系统的新型高温预冷器，其特征在于：还包括热边进出口集气罩组件(2)、冷边进出口集气罩组件(3)、安装座组件(4)、隔热罩组件(5)和波纹管式热膨胀补偿接头(6)，且热边进出口集气罩组件(2)、冷边进出口集气罩组件(3)、安装座组件(4)、波纹管式热膨胀补偿接头(6)与芯子组件(1)之间通过氩弧焊焊接连接成预冷器核心件，隔热罩组件(5)通过点焊、铆接或穿戴式方式包裹预冷器核心件，隔热罩组件(5)为7～10mm厚的柔性结构。
8.根据权利要求7所述的一种用于飞机环控系统的新型高温预冷器，其特征在于：所述预冷器热边进出口集气罩组件(2)、冷边进出口集气罩组件(3)为整体冲压成型或机加成形的高温合金材质的零组件，其形状为圆拱形、天圆地方或锥台形。
9.根据权利要求1所述的一种用于飞机环控系统的新型高温预冷器，其特征在于：所述波纹管式热膨胀补偿接头(6)为环形结构或螺旋形结构。
10.根据权利要求1所述的一种用于飞机环控系统的新型高温预冷器，其特征在于：所述芯子组件(1)中翅片的材质为纯镍材料或高温合金。
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