CN114180070A - 用于气源系统换热器的双向旋流混合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于飞机气源系统换热器的双向旋流混合装置，该混合装置包括外套筒和内套筒，其中内套筒位于外套筒之内，并且两个套筒相互间隔开；混合装置还包括多个外圈定子叶片，多个外圈定子叶片彼此隔开地固定地连接所述外套筒的内壁面和所述内套筒的外壁面；以及多个内圈定子叶片，多个内圈定子叶片彼此隔开地固定地连接所述内套筒的内壁面；外圈定子叶片和内圈定子叶片相对于内套筒的纵向轴线以不同的角度布置。当外圈叶片和内圈叶片相对于纵向方向以相反的方向倾斜时，双向旋流混合装置能使经过内外两圈叶片的气流够产生相反方向的旋转，从而使两股气流相互缠绕混合，达到快速且高效地实现温度场均匀化的目的。

Description

用于气源系统换热器的双向旋流混合装置

技术领域

本发明涉及飞机环境控制系统，尤其涉及用于环境控制系统中气源系统预冷器的双向旋流混合装置。

背景技术

现代飞机的环控系统主要用于飞机内部环境控制，其能够为航电、燃油和液压系统等系统提供通风，还为飞机提供了了防冰、防雾等功能。

民机环境控制系统具有预冷换热器，该装置用于对发动机高温引气进行冷却，从而满足下游空调、防冰、燃油箱惰化等系统对于引气温度的需求。通常，在预冷器热边出口下游布置有温度传感器，用于闭环控制预冷器冷边流量、调节热边出口温度。预冷器为典型的叉流式板翅式换热器，可分为换热芯部和封头，气流在换热芯部内实现热交换，封头将换热芯部和上下游的管路相连。然而现有的预冷器在其出口封头处会出现明显的温度分层现象。典型工况时温度差超过200℃，导致下游流入空调和机翼防冰两侧的气体温度存在明显偏差，严重影响出口气流分配和温度控制目标测量，甚至导致防冰或空调系统无法达到预期的性能。

预冷器出口温度差导致机翼防冰系统引气温度存在极大不确定性，严重影响防冰系统的温度控制，因此，需要通过混流装置提升下游温度场的均匀性。

为减小预冷器热边出口温度分层差异造成的影响，在预冷器热边出口加装旋流装置。常规旋流器构型如图7所示，该旋流装置具有外套筒、从外套筒向内延伸的叶片以及连接在叶片中心部的内套筒。气体经过该旋流装置后产生旋转掺混。但实际发现气流沿单一方向旋转会导致空调和防冰两侧温度更大不确定性。且预冷器出口到下游管路分支距离较短，因此空气混合装置必须具有更高的换热效率，才能保证空调和防冰两侧温度相同。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明提供了一种用于飞机气源系统换热器的双向旋流混合装置，所述旋流混合装置包括外套筒，所述外套筒包括附连到所述气源系统预冷器的前端和附连到下游管路的后端；所述双向旋流混合装置进一步包括：内套筒，所述内套筒位于所述外套筒之内，并且所述内套筒与所述外套筒间隔开；多个外圈定子叶片，所述多个外圈定子叶片彼此隔开地固定地连接所述外套筒的内壁面和所述内套筒的外壁面；以及多个内圈定子叶片，所述多个内圈定子叶片彼此隔开地固定地连接所述内套筒的内壁面；其中所述外圈定子叶片和所述内圈定子叶片相对于所述内套筒的纵向轴线以不同的角度布置。

根据本发明的一个方面，所述外圈定子叶片和所述内圈定子叶片相对于所述纵向轴线以相反的角度布置，从而使得通过所述内套筒和所述外套筒之间的外圈气流和通过内套筒的空间的内部气流以相反的方向旋转。

根据本发明的另一个方面，所述外套筒和所述内套筒之间设有4－12个所述外圈定子叶片，所述内套筒的所述内表面上设有4-12个所述内圈定子叶片。较佳地，外套筒和内套筒设有5个外圈定子叶片，所述内套筒的内表面上设有8个内圈定子叶片。

根据本发明的再一个方面，所述外套筒和所述内套筒大致为圆柱形，所述外套筒和所述内套筒以同一纵向轴线为中心地布置，在所述纵向轴线方向上，所述内套筒的长度不超过所述外套筒的长度。

根据本发明的再一个方面，所述外圈定子叶片的数量少于所述内圈定子叶片的数量，和/或所述外圈定子叶片的长度与所述内圈定子叶片的长度相当。

根据本发明的再一个方面，所述内套筒具有近端和远端，所述外圈定子叶片和所述内圈定子叶片中的每一个从所述内套筒的所述近端延伸到所述内套筒的所述远端。

根据本发明的再一个方面，所述外套筒包括附连到气源系统的换热器的前端和附连到下游管路的后端，其中所述前端设置法兰边，所述法兰边形成凹部，所述凹部适于填放密封圈。

根据本发明的再一个方面，所述双向旋流混合装置的所述后端的外壁面设有径向向内收缩的倒角部，并且所述旋转装置的外壁面设计形成台阶部。

根据本发明的再一个方面，所述外套筒、所述内套筒、所述外圈定子叶片和所述内圈定子叶片形成为整体件。较佳地，该整体件通过3D打印的方式形成。

采用根据本发明的双向旋流混合装置，气流通过混合装置时将被内套筒分隔成外圈气流和内圈气流。特别是，当外圈叶片和内圈叶片相对于纵向方向以相反的方向倾斜时，双向旋流混合装置能够产生相反旋转方向的气流，从而使两股气流相互缠绕混合，达到快速且高效地实现温度场均匀化的目的。从而有效解决非均匀温度场带来的温度控制问题。

附图说明

为了更完全理解本发明，可参考结合附图来考虑示例性实施例的下述描述，附图中：

图1示出了根据本发明一较佳实施例的旋流混合装置的立体图。

图2示出了根据本发明一较佳实施例的旋流混合装置的侧视图。

图3示出了根据本发明一较佳实施例的旋流混合装置的端视图。

图4示出了根据本发明一较佳实施例旋流混合装置在安装在用于气源系统的换热器下游的局部系统的分解立体图。

图5示出了安装有根据本发明的较佳实施例的旋流混合装置的管路三维仿真温度场分布示意图。

图6示出了采用根据本发明较佳实施例的旋流混合装置和采用原始构型无混合装置时下游防冰和空调系统之间的温差的实验室测试结果对比表。

图7示出了现有技术中的旋流混合装置的立体图。

附图标记列表

10双向旋流混合装置

20外套筒

21前端

22后端

23法兰边

25台阶部

30外圈定子叶片

40内套筒

50内圈定子叶片

60出口封头

71滑动套筒

72下游管路

A纵向轴线

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

在以下描述中，上游和下游以气流从预冷器向下游管路的流动方向作为参照，前侧/前端是指靠近预冷器的侧部或端部，而后侧/后端是指靠近下游管路的侧部或端部，有其他特征的除外。

图1、图2和图3分别示出了根据本发明较佳实施例的双向旋流混合装置10的立体图、侧视图以及端视图，该双向旋流混合装置10通常用于连接到民用飞机环控系统的换热器(未示出)的出口封头60上。特别地，该双向旋流混合装置10构造成能够将通过其的气流分成内外两股旋转方向相反的气流，从而使气流相互“缠绕”掺混，提高对气流的混合作用，增强下游温度的均匀性。

具体地，如图1、图2和图3所示，双向旋流混合装置10包括外套筒20和位于外套筒20内部的内套筒40。

混合装置10的外套筒20构造成双向旋流混合装置10的外壳体，其包括能附连到气源系统预冷器的出口封头60的前端21和附连到下游管路的后端22。混合装置10的内套筒40在外套筒20的内部，内套筒40和外套筒20间隔开。在较佳实施例中，外套筒20和内套筒40均为圆柱形，并且较佳地同纵向中心轴线A布置。

进一步地，双向旋流混合装置10还包括多个外圈定子叶片30和多个内圈定子叶片50。

多个外圈定子叶片30彼此隔开地固定地连接到外套筒20的内壁面和内套筒40的外壁面，这样，每一个外圈定子叶片30的内外两侧边缘都是固定连接的，从而使每一个外圈定子叶片30跨接在外套筒20的内壁面和内套筒40的外壁面之间。可以理解，外圈定子对内套筒40起到的支承作用。

在图3中可以看到，较佳实施例的双向旋流混合装置10具有5个外圈定子叶片30。这5个外圈定子叶片30相对于纵向轴线A以一致的方向倾斜布置，并且相互等间隔地隔开，即，相邻两个外圈定子叶片30之间相隔72°。

多个内圈定子叶片50彼此隔开地固定到内套筒40的内壁面上。每一个内圈定子叶片50从内套筒40的内壁面向套筒20、40的中心纵向轴线A延伸，从而每一个内圈定子叶片50悬置在内套筒40的内壁面上。这样，每一个内圈定子叶片50的外侧边缘固定连接到内套筒40的内壁面上，而每一个内圈定子叶片50的内侧边缘形成自由端。内圈定子叶片50的自由端距离纵向轴线A的径向距离可以占内套筒40的大致1/2。

同样在图3中可以看到，较佳实施例的双向旋流混合装置10具有8个内圈定子叶片50。这8个内圈定子叶片50相对于纵向轴线以一致的方向倾斜布置，并且相互等间隔的隔开，即相邻两个内圈定子叶片50之间相隔45度。

应当理解，内圈定子叶片50和外圈定子叶片30的数量并不限制于较佳实施例，可以在4－12的范围内根据优化设计方案进行选择。

从图1中可以看到，特别地，外圈定子叶片30和内圈定子叶片50相对于纵向轴线A以相反的倾斜方向布置，以使通过内套筒40和外套筒20之间的外圈气流和通过内套筒40的空间的内部气流以相反的方向旋转。

在较佳实施例中，如果外圈定子叶片30的后边缘相对其的前边缘朝逆时针方向偏移，则内圈定子的后边缘相对于其前边缘朝顺时针方向偏移，这样，在内套筒40和外套筒20之间形成的空间中，外圈气流在外圈定子叶片30的作用下形成逆时针旋转的气旋，而从内套筒40中心部通过的内圈气流在内圈定子叶片50的作用下形成顺时针旋转的气旋，从而当两股气流离开混合装置10之后将会在下游管路中相互缠绕混合，从而达到使气流温度均匀的目的。

此外，在较佳实施例的双向旋流混合装置10中，内套筒40在纵向轴线方向上的长度不超过外套筒20的长度，而外圈定子叶片30和内圈定子叶片50在纵向方向上的长度可以与内套筒40的长度相当，即，外圈定子叶片30和内圈定子叶片50中的每一个从内套筒40的近端延伸到内套筒40的远端。

此外，为了将圆柱形的外套筒20的前端21附连到气源系统的换热器，在混合装置10的前端21设置了一个法兰边23，该法兰边23构造成与换热器的出口封头60的出口边缘对接。沿着双向旋流混合装置10的法兰边23形成一圈凹部，该凹部用于填放密封圈，当出口边缘插入到法兰边23的凹部中时，密封圈填装在法兰边23和出口边缘之间，从而形成良好的密封，防止流出换热器出口封头60的气流溢出。

外套筒20的后端22外壁面较佳地设有径向内向收缩的倒角部。较佳地，在安装时，双向旋流混合装置10的外套筒20的后端22被插入滑动套筒71，倒角部将有利于引导插入连接下游管路72的滑动套筒71。

如图2所示，外套筒20的外壁面设有台阶部25，这样，当外套筒20的远端插入滑动套筒时，下游管路的端口将抵接到台阶部25上，从而台阶部25用作下游管路的止动部。

根据本发明的双向旋转混合装置10，其外套筒20、内套筒40、外圈定子叶片50和内圈定子叶片30形成为整体件。该整体件可以通过机加工的方式一体形成，也可以通过3D打印的方式一体形成。

优选地，根据本发明的双向混合装置10可包括以下可设定变量：内外圈定子叶片30、50的数量、内外圈定子叶片30、50相对于纵向方向的倾斜角度、内外圈定子叶片30、50在套筒的径向方向的高度、内外圈定子叶片30、50相对于中心轴线的整体偏转角度等。可以根据提升双向旋流混合装置10下游截面温度均匀度、降低流阻、减小空调和防冰两侧温差等作为优化目标对上述设定变量而进行参数设定，从而通过多目标三维流场自动优化方法确定可实现目标的构型。

采用根据本发明的双向旋流混合装置10对通过其流过的气流进行混合使温度均匀的效果是十分显著的。

发明人通过三维仿真方式对较佳实施例的本发明的双向旋流混合装置10对温度场分布的影响进行了仿真、实验。三维流场温度场仿真结果表明，双向旋流混合装置10在小于0.5m的较短距离内就显著提升了下游温度场的均匀性。在主管路分叉上游安装双向旋流混合装置10后，主管路分叉前截面最大温差从192℃降低到38℃，从而保证空调(图5左侧分支)和防冰(图5右侧分支)系统引气温差在不同工况下都小于3℃。

图6示出了6种不同典型工况条件下根据本发明的双向旋流混合装置10安装前、后防冰系统和空调系统之间的温差的实验室测试比对结果。从图6可以看到，在这6种不同典型工况条件下，在安装双向旋流混合装置前，下游两个系统之间的温度差均超过15℃，最大温度差甚至超过30℃。安装双向旋流混合装置10后，防冰系统和空调系统之间的温差均被保持在2.2℃以内，由此可见，下游各系统的温度均匀性得到了明显改善。

在显著增加温度均匀性的同时，双向混合装置10将流阻尽可能降到最小，在实验中发现，采用双向混合装置10后的流阻相对于图7所示的单向旋流混合装置明显减少。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于飞机气源系统换热器的双向旋流混合装置，所述旋流混合装置包括外套筒，所述外套筒包括附连到所述气源系统预冷器的前端和附连到下游管路的后端；

其特征在于，

所述旋流混合装置进一步包括：

内套筒，所述内套筒位于所述外套筒之内，并且所述内套筒与所述外套筒间隔开；

多个外圈定子叶片，所述多个外圈定子叶片彼此隔开地固定地连接所述外套筒的内壁面和所述内套筒的外壁面；以及

多个内圈定子叶片，所述多个内圈定子叶片彼此隔开地固定地连接所述内套筒的内壁面；

其中所述外圈定子叶片和所述内圈定子叶片相对于所述内套筒的纵向轴线以不同的角度布置。

2.如权利要求1所述的双向旋流混合装置，其特征在于，所述外圈定子叶片和所述内圈定子叶片相对于所述纵向轴线以相反的角度布置，从而使得通过所述内套筒和所述外套筒之间的外圈气流和通过内套筒的空间的内部气流以相反的方向旋转。

3.如权利要求1所述的双向旋流混合装置，其特征在于，所述外套筒和所述内套筒之间设有4－12个所述外圈定子叶片，所述内套筒的所述内表面上设有4－12个所述内圈定子叶片。

4.如权利要求1所述的双向旋流混合装置，其特征在于，所述外套筒和所述内套筒大致为圆柱形，所述外套筒和所述内套筒以同一纵向轴线为中心地布置，在所述纵向轴线方向上，所述内套筒的长度不超过所述外套筒的长度。

5.如权利要求1所述的双向旋流混合装置，其特征在于，所述外圈定子叶片的数量少于所述内圈定子叶片的数量，和/或

所述外圈定子叶片的纵向方向上的长度等于所述内圈定子叶片的长度。

6.如权利要求4所述的双向旋流混合装置，其特征在于，所述内套筒具有近端和远端，所述外圈定子叶片和所述内圈定子叶片中的每一个从所述内套筒的所述近端延伸到所述内套筒的所述远端。

7.如权利要求1所述的双向旋流混合装置，其特征在于，所述外套筒包括附连到气源系统的换热器的前端和附连到下游管路的后端，其中所述前端设置法兰边，所述法兰边形成凹部，所述凹部适于填放密封圈。

8.如权利要求1所述的双向旋流混合装置，其特征在于，所述双向旋流混合装置的所述后端的外壁面设有径向向内收缩的倒角部，并且所述旋流装置的外壁面设计形成台阶部。

9.如权利要求1所述的双向旋流混合装置，其特征在于，所述外套筒、所述内套筒、所述第一定子叶片和所述第二定子叶片形成为整体件。

10.如权利要求9所述的双向旋流混合装置，其特征在于，所述整体件通过3D打印的方式形成。

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