CN111852658B - 高温、高压管壳式燃滑油散热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于航空发动机燃滑油系统的新型高温、高压管壳式燃滑油散热器，主要由散热芯子组件、滑油进出口组件、燃油进出口封头、燃油进出口组件、带压差信号器的燃油旁路活门、减压活门、滤芯组件和安装支座等组成。本发明解决了工作温度200℃、温差150℃，工作压力达到26MPa，冷热流体在26AMPa高的工作压力、150℃的温差下散热器变形、泄漏、爆裂的风险问题，提高了产品使用的安全性、可靠性和耐久性，使得此类结构的散热器在航空发动机的燃滑油系统中占有重要地位，满足高温流体、高压流体、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

高温、高压管壳式燃滑油散热器

技术领域

本发明属于航空发动机冷却附件系统技术领域，特别是一种用于航空发动机燃滑油系统的新型高温、高压管壳式燃滑油散热器。

背景技术

管壳式燃滑油散热器(以下简称散热器）是为航空发动机的燃滑油系统配套的冷却附件，冷却系统的高温热流体与高压冷流体在散热器中进行热交换，使高温热流体和高压冷流体达到要求的工作温度范围值，高温热流体和高压冷流体采用压力活门进行流体的压力控制，确保航空发动机燃滑油系统在要求的压力和温度下安全可靠地正常工作。

通常此类散热器在常规装备上使用时，工作压力在10MPa以下，工作温度在150℃以下，冷热温差值在100℃以下，工作应力、温度产生的应力和变形对散热器的影响相对较小。

随着超大功率、超远程飞机的研发与市场发展的需要，此类航空发动机燃滑油系统配套的高温、高压燃滑油散热器工作压力达到26MPa,工作温度达到200℃，冷热温差值达到150℃，较高的工作压力、工作温度工况下，大应力、塑性变形可能会导致散热器泄漏、爆裂等故障，散热器的安全性和可靠性受到很大的影响，从而影响航空发动机燃滑油系统的功能性能、安全性、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、高压管壳式燃滑油散热器，解决为超大功率、超远程飞机的发动机燃滑油系统配套的高温、高压燃滑油散热器在工作压力达到26MPa,工作温度达到200℃，冷热温差值达到150℃的严酷工况下工作时的可靠性、稳定性问题，降低产品因高压、高温产生的较大应力和塑性变形导致的泄漏、爆裂的风险，提高产品使用的安全性、可靠性和寿命。

本发明是通过如下技术方案实现的：

根据航空发动机燃滑油系统的工作和使用环境，要求为其配套的散热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，还要求其能承受冷热流体高压、高温、大温差产生的塑性变形及应力的影响，采用的散热芯子结构为强度较高管壳式结构，或类似管壳式结构，材质选择不锈钢、高温合金等传热性能较好、加工工艺性好、抗高压和高温强度衰变慢的材料，结构为满足高压、高温及大温差工况使用要求的不锈钢管壳式散热器或高温合金管壳式散热器。

一种用于航空发动机燃滑油系统的新型高温、高压管壳式燃滑油散热器，包括散热芯子组件、滑油进出口组件、燃油进出口封头、燃油进出口组件、带压差信号器的燃油旁路活门、减压活门、滤芯组件和安装支座。

散热芯子组件为管壳式结构，或类似管壳式结构，散热芯子组件为散热器主体，是产品的关键功能件，也是受高压、高温应力及变形影响最大的主体，散热芯子组件中芯子端盖采用的承高压端盖为带中轴支承杆的球拱形或椭圆形结构，散热管子采用的承高压散热管为局部凹坑或螺旋形的结构，折流板采用弓形板和圆盘形板两种混用，例如采用弓形板和圆盘形板间隔交替排列；为降低流程间的温差，减少热膨胀影响，在高温差侧流程分程采用平行流分程，在应力或变形最大处采用强度拉杆或强度支承板。在高温滑油热流体流经的滑油进出口组件处设计高速、高温缓冲板使流体更均匀的流入管间，降低高速、高温热流体冲刷列管产生热胀冷缩的影响，有助于提高产品的散热效果，高速、高温缓冲板为表面开有通孔的板状结构，通孔在高速、高温缓冲板表面呈阵列分布，通孔为圆孔、椭圆孔或圆角矩形孔，通孔在高速、高温缓冲板表面按照矩形阵列或六边形阵列方式分布。

带压差信号器的燃油旁路活门、减压活门均为散热器的核心控制元件，通过燃油进出口的压力差、滑油进出口的压力差来控制燃滑油的流量和压力以及散热器的散热效果，起到保护燃滑油系统的正常工作，压力活门的感压关键件采用50CrVA高强度的弹簧钢丝，压差信号器采用电信号方式把燃油压差活门信号传输给航空发动机燃滑油系统进行精确的压力控制，以防航空发动机燃滑油系统在高温、高压工况下工作时出现异常、爆裂泄漏等故障，提高航空发动机燃滑油系统在高温、高压工作状态下的安全性、可靠性。

燃油进出口封头设计为椭球形、圆球形等抗压强度好又轻巧的结构，且均为整体成型铸件或机加成形的不锈钢或高温合金材质的零组件，在高压燃油进口组件处设计高压均流缓冲板，当高压燃油进入散热芯体时，防止高压燃油的直接冲刷破坏，起到均流作用，有助于提高产品的散热效果，高压均流缓冲板为表面开有通孔的板状结构，通孔在高压均流缓冲板表面呈阵列分布，通孔为圆孔、椭圆孔或圆角矩形孔，通孔在高压均流缓冲板表面按照矩形阵列或六边形阵列方式分布。

散热芯子组件采用整体真空钎焊，散热芯子组件、滑油进出口组件、燃油进出口封头、燃油进出口组件和安装支座之间通过氩弧焊焊接连接而成散热器核心件，带压差信号器的燃油旁路活门、减压活门、滤芯组件采用装配在散热器核心件上而成新型高温、高压散热器。

与现有技术相比，本发明的用于航空发动机燃滑油系统的新型高温、高压管壳式燃滑油散热器，用于为大功率、航空发动机燃滑油系统配套的高温、高压散热器冷却附件，高温热滑油流体与高压燃油流体在该散热器中进行热交换，使高温热流体和高压冷流体达到要求的工作温度范围值，确保航空发动机燃滑油系统正常工作。

本发明提供了一种新型高温、高压管壳式燃滑油散热器，解决了超大功率、超远程飞机的燃滑油系统所需求的高温、高压燃滑油散热器，该新型高温、高压管壳式燃滑油散热器在工作压力达到26MPa、工作温度达到200℃、冷热温差值达到150℃的严酷工况下工作，降低产品在高温、高压工况下产生的塑性变形、大应力时的泄漏、爆裂风险，在严酷的工作环境下确保产品使用的安全性、可靠性和耐久性，使得此类结构的散热器在航空发动机的燃滑油系统冷却附件上占有重要地位，满足产品在高压、高温、大温差工况下的散热性能高、结构紧凑、重量轻巧以及安全性和可靠性的各种性能、功能需求，材质可以为不锈钢或高温合金等传热性能较好、加工工艺性好、抗高压和高温强度衰变慢的材料，结构为满足高压、高温及大温差工况使用要求的不锈钢管壳式燃滑油散热器或高温合金管壳式燃滑油散热器。

附图说明

图1为本发明的产品结构示意图；

图2为带中轴支承杆的球拱形或椭圆形的承高压端盖结构示意图；

图3-1为带局部凹坑的承高压散热管结构示意图；

图3-2为螺旋形的承高压散热管结构示意图；

图4为折流板采用弓形和圆盘形混用示意图；

图5为各种平行流分程结构示意图；

图6-1为强度拉杆结构示意图；

图6-2为强度支承板结构示意图；

图7为高速、高温缓冲板和高压均流缓冲板结构示意图；

图8为燃油进出口封头椭球形或圆球形结构示意图；

图中：1-散热芯子组件、2-滑油进出口组件、3-燃油进出口封头、4-燃油进出口组件、5-带压差信号器的燃油旁路活门、6-减压活门、7-滤芯组件、8-安装支座、101-承高压端盖、102-承高压散热管、103-弓形板和圆盘形折流板、105-强度拉杆、106-强度支承板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施过程做进一步说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下实施例，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8所示，是一种用于航空发动机燃滑油系统的新型高温、高压管壳式燃滑油散热器，包括散热芯子组件1、滑油进出口组件2、燃油进出口封头3、燃油进出口组件4、带压差信号器的燃油旁路活门5、减压活门6、滤芯组件7和安装支座8组成。散热器散热芯子组件1为管壳式结构，或类似管壳式结构，散热芯子组件1为散热器主体，是产品的关键功能件，也是受高压、高温应力及变形影响最大的主体，芯子组件1为散热器主体，是产品的关键功能件，也是受高压、高温应力及变形影响最大的主体，散热器芯子组件1中芯子端盖采用的承高压端盖101为带中轴支承杆的球拱形或椭圆形结构，散热管子采用的承高压散热管102为局部凹坑或螺旋形的结构，折流板采用弓形板和圆盘形103两种混用，为降低流程间的温差，减少热膨胀影响，燃油高温差侧流程分程采用平行流分程，在应力或变形最大处采用强度拉杆105或强度支承板106。

在高温滑油热流体流经的滑油进出口组件2处设计高速、高温缓冲板使流体更均匀的流入管间，降低高速、高温热流体冲刷列管产生热胀冷缩的影响，有助于提高产品的散热效果。

带压差信号器的燃油旁路活门5、减压活门6均为散热器的核心控制元件，通过燃油进出口的压力差、滑油进出口的压力差来控制燃滑油的流量和压力以及散热器的散热效果，起到保护燃滑油系统的正常工作，压力活门的感压关键件采用50CrVA高强度的弹簧钢丝，压差信号器采用电信号方式把燃油压差活门信号传输给航空发动机燃滑油系统进行精确的压力控制，以防航空发动机燃滑油系统在高温、高压工况下工作时出现异常、爆裂泄漏等故障，提高航空发动机燃滑油系统在高温、高压工作状态下的安全性、可靠性。

燃油进出口封头3设计为椭球形、圆球形等抗压强度好又轻巧的结构，且均为整体成型铸件或机加成形的不锈钢或高温合金材质的零组件，在高压燃油进口封头3处设计高压均流缓冲板，当高压燃油进入散热芯体时，防止高压燃油的直接冲刷破坏，起到均流作用，有助于提高产品的散热效果。

本发明的主要创新点如下：

（1）承高压端盖101：如图2，芯子端盖由通常平板形端盖设计成球拱形或椭圆形结构，在端盖中轴处增加辅助支承杆起加强作用，采用承高压端盖101提高芯子端板的结构强度的同时，可防止端板在承受高温、高压时的变形失稳，提高了芯子组件的承高温、高压的能力，产品的设计压力可达到26MPa，承高压能力提高30%以上。

（2）承高压散热管102，如图3-1和图3-2，散热管子设计成局部为凹坑或螺旋形的结构，不仅能提高30%的承压能力，且能提高5%的散热能力。

（3）混合使用弓形板和圆盘形折流板103：如图4，单独使用弓形折流板作为筒体内流体的流程分隔，工艺方法简单，但对于高温、高压管壳式燃油散热器，弓形板结构的不对称性导到受力和变形存在不对称性，因此采用受力对称的圆盘形板与弓形板交替混合使用，圆盘形板的对称性可减少产品的应力和变形，降低产品变形、泄漏的风险。

（4）平行流分程：如图5，为航空发动机燃滑油系统配套的管壳式燃滑油散热器的燃油侧多数采用3～6个流程来提高散热器的散热能力，然而对于冷、热流体的温差较大时，多流程排布中需考虑各流程间的温差影响，即降低流程间的温差，减少热膨胀影响，因此在流程分程设计中，多采用平行流分程，使流程间的温差最小，热膨胀变形及热应力的影响也最小。图5中的数字1～6表述流程。

（5）强度拉杆105、强度支承板106：如图6-1和图6-2，采用仿真分析方法对散热芯体进行静强度、动强度及热应力分析，找出芯体结构设计中的最大应力、最大变形的薄弱处，在最大薄弱处采用强度拉杆105或强度支承板106提高芯体的强度，降低泄漏、破裂失效破坏的风险。

（6）高速、高温缓冲板：如图7，由于滑油热流体的温度可达到200℃，当高温滑油进入芯体时，高速的高温热流体冲刷散热管可能造成散热管受热应力、热膨胀变形不均，在高温滑油热流体进口组件2处设计高速、高温缓冲板使高速、高温的热流体更均匀的流入管间，减小高速、高温热流体冲刷热应力和热膨胀变形不均的影响，降低散热管失效泄漏的风险，且提高传热效果。

（7）高压均流缓冲板：燃油进出口封头3设计为椭球形、圆球形结构等抗压强度好又轻巧的结构，且均为整体成型铸件或机加成形的不锈钢或高温合金材质的零组件，当高压燃油进入散热芯体时，设计一高压均流缓冲板，如图7，防止高压燃油的直接冲刷芯体端板处的散热管导致两流体串腔、芯体泄漏故障，且起到均流作用，有助于提高产品的散热效果。

（8）燃油进出口封头3：如图8，为降低重量、提高抗压强度，燃油进出口封头3设计为椭球形、圆球形结构，抗压强度好，结构轻巧，可采用整体成型或机加成形的不锈钢或高温合金材质的零件，加工工艺良好。

（9）高温合金管壳式燃滑油散热器：材料全部采用高温合金，高温合金不仅拥有与不锈钢相当的各项特性，且加工工艺性良好，高温合金在高温下的强度衰变速度缓慢、各项性能均优于不锈钢，随着高温合金材料及加工工艺方法的开发与推广应用，近几年来在制造业尤其是航空航天制造业中高温合金的应用得到推广，用于高温、高压的航空发动机燃滑油系统的燃滑油散器采用高温合金材质的管壳式燃滑油散热器是科学技术发展的必然趋势。

本发明的高温、高压管壳式燃滑油散热器在航空发动机的燃滑油系统附件上占有重要地位，满足了航空发动机燃滑油系统在高压、高温、较大温差的工况下，燃滑油散热器散热性能高、结构紧凑轻巧、安全可靠性好的各种功能及性能需求。本发明的散热器材质可以为不锈钢、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，结构为满足高压、高温及大温差工况使用要求的不锈钢管壳式散热器或高温合金管壳式散热器。

Claims (6)

1.高温、高压管壳式燃滑油散热器，其特征在于：包括散热芯子组件（1），

所述散热芯子组件（1）为管壳式结构；

所述散热芯子组件（1）中的承高压端盖（101）为带中轴支承杆的球拱形结构；

所述散热芯子组件（1）中的承高压散热管（102）为局部凹坑或螺旋形结构；

所述散热芯子组件（1）中的折流板包括混合使用的弓形板和圆盘形板(103)；

所述散热芯子组件（1）中高温差侧流程分程采用平行流分程，在应力或变形最大处设置有强度拉杆（105）或强度支承板（106）；

还包括滑油进出口组件（2）、燃油进出口封头（3）、燃油进出口组件（4）、带压差信号器的燃油旁路活门（5）、减压活门（6）、滤芯组件（7）和安装支座（8），且滑油进出口组件（2）、燃油进出口封头（3）、燃油进出口组件（4）安装支座（8）和散热芯子组件（1）之间通过氩弧焊焊接组成散热器核心件，带压差信号器的燃油旁路活门（5）、减压活门（6）和滤芯组件（7）装配在散热器核心件上；

所述滑油进出口组件（2）中设置有高速、高温缓冲板，高速、高温缓冲板为表面开有通孔的板状结构，通孔在高速、高温缓冲板表面呈阵列分布；

所述带压差信号器的燃油旁路活门（5）、减压活门（6）通过燃油进出口的压力差、滑油进出口的压力差来控制燃滑油的流量和压力以及散热器的散热效果；

还包括高压均流缓冲板，高压均流缓冲板位于燃油进出口封头（3）和散热芯子组件（1）之间，高压均流缓冲板为表面开有通孔的板状结构，通孔在高压均流缓冲板表面呈阵列分布。

2.根据权利要求1所述的高温、高压管壳式燃滑油散热器，其特征在于：所述散热芯子组件（1）为整体钎焊结构，所述强度支承板（106）的一个轴向端面为球形面。

3.根据权利要求1所述的高温、高压管壳式燃滑油散热器，其特征在于：所述通孔为圆孔、椭圆孔或圆角矩形孔，通孔在高速、高温缓冲板表面按照矩形阵列或六边形阵列方式分布。

4.根据权利要求1所述的高温、高压管壳式燃滑油散热器，其特征在于：所述带压差信号器的燃油旁路活门（5）中压力活门的感压关键件采用50CrVA高强度的弹簧钢丝。

5.根据权利要求1所述的高温、高压管壳式燃滑油散热器，其特征在于：所述燃油进出口封头（3）为椭球形、圆球形结构，且燃油进出口封头（3）为整体成型铸件或机加成形的不锈钢或高温合金材质的零部件。

6.根据权利要求1所述的高温、高压管壳式燃滑油散热器，其特征在于：所述散热器材质为不锈钢或高温合金。

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