CN114635799A - 一种径向偏置排布的预冷器 - Google Patents
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Abstract
一种径向偏置排布的预冷器，预冷器芯体包括两个以上环形换热芯组件，环形换热芯组件之间同轴套接，并使相邻环形换热芯体组件的间距大于或等于10mm，以形成径向层叠结构；环形换热芯组件包括沿圆周方向排布的多个垂直式蛇形管并使位于同一环形换热芯组件中的预冷管的管体偏角±15°<α<±75°；相邻的环形换热芯组件中的预冷管交错排列；预冷管上方的冷流体入口和下方的冷流体出口分别与冷媒输入空腔和冷媒输出空腔相连通；本发明的结构简单，实现了预冷器结构制造以预冷管为基本单元的模块化安装，降低了装配难度与制造成本，同时提高了预冷器单位体积内的换热能力，从而提升了空天发动机的整体工作性能。
Description
技术领域
本发明涉及换热设备领域与预冷器技术领域，尤其是一种径向偏置排布的预冷器。
背景技术
随着航空航天行业的发展，具有高马赫数、高的比冲性能和推重比的发动机的需求愈发迫切。因此，设计可以适应上述工况的组合动力发动机，是十分重要的。目前主要的设计方法可分为降低高马赫数飞行时压气机入口空气温度、增大压气机压比、提高燃烧室燃烧效率等几个方面，而设计高效紧凑的预冷器是实现上述性能要求的主要方式。
目前现有的预冷器结构主要为螺旋式结构，即预冷器芯体5a为螺旋排布（如图1所示），采用同轴层叠套装错排的方式增大换热面积。这种结构较为简单，加工制造相对方便，但结构强度的可靠性较低，制造所得的换热合金管折弯能力较差，工艺性要求较高，因此总体制造和安装成本较高，结构仍有较大的改善空间，因此，对于发动机中的轻质高效预冷器进行多种不同结构的设计，是十分重要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、易于制造和装配、减小压降，提高预冷器单位体积内的换热能力的径向偏置排布的预冷器。
本发明解决现有技术问题所采用的技术方案：一种径向偏置排布的预冷器，包括预冷器芯体，预冷器芯体的两端分别设有与预冷器芯体相连通的冷媒输入空腔和冷媒输出空腔；冷媒输入空腔和冷媒输出空腔的外表面上分别开设有冷媒输入集管和冷媒输出集管，所述冷媒输入集管和冷媒输出集管分别与所述冷媒输入空腔和冷媒输出空腔相连通；所述预冷器芯体包括两个以上环形换热芯组件，环形换热芯组件之间同轴套接，并使相邻环形换热芯体组件的间距大于或等于10mm，以形成径向层叠结构；所述环形换热芯组件包括沿圆周方向排布的多个预冷管，所述预冷管为垂直式蛇形管，并使位于同一环形换热芯组件中的预冷管的管体偏角为α，其中，±15°<α<±75°；所述管体偏角为所述垂直式蛇形管所在平面与所述环形换热芯组件的轴向纵切面之间的夹角；相邻的环形换热芯组件中的预冷管之间交错排列，且使相邻环形换热芯组件中的预冷管的管体偏角之差为±90°；垂直式蛇形管的管口分别位于预冷管的上方和下方，预冷管的上方管口为冷流体入口，预冷管的下方管口为冷流体出口；所述冷媒输入空腔和冷媒输出空腔的内表面开设有预冷管安装通孔；预冷管的冷流体入口和冷流体出口通过预冷管安装通孔分别与所述冷媒输入空腔和冷媒输出空腔相连通。
同一环形换热芯组件中的预冷管的管体偏角相同，以使同一环形换热芯组件中的相邻预冷管所在平面间相互平行。
相邻环形换热芯组件中的预冷管以45°、- 45°的管体偏角交替排布。
所述冷流体入口和冷流体出口处均设有延伸管段，所述延伸管段连接至预冷管连接孔中并与冷媒输入空腔和冷媒输出空腔相连通。
所述预冷器芯体包括四个环形换热芯组件，按照套接顺序由内至外依次为第一环形换热芯组件、第二环形换热芯组件、第三环形换热芯组件和第四环形换热芯组件；第四环形换热芯组件中的各预冷管由高温合金材料制成；第三环形换热芯组件中的各预冷管由不锈钢材料制成、第一、第二环形换热芯组件中的预冷管由不锈钢、铜或铝制材料制成。
所述环形换热芯组件中包括100-140个预冷管。
所述垂直式蛇形管为S型往复管件。
本发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明的结构简单，在不提高制造管材成本要求、不增加预冷器总体尺寸的情况下，实现了预冷器结构制造以预冷管为基本单元的模块化安装，降低了装配难度与制造成本，同时通过降低传统预冷器螺旋管跨度提升了预冷器的结构强度；并通过改变螺旋预冷器的同轴层叠错排安装方式为折流，减小入流分叉角度，达到减小压降的目的，提高了预冷器单位体积内的换热能力，从而提升了发动机的整体工作性能。
附图说明
图1是现有的螺旋式预冷器的芯体结构示意图。
图2是本发明的结构示意图。
图3是本发明的分解结构示意图。
图4是本发明预冷器芯体的俯视示意图。
图5是本发明第一环形换热芯组件的结构示意图。
图6是本发明中环形换热芯组件的局部放大示意图。
图7是本发明中预冷管的结构示意图。
图8是本发明中冷媒输出空腔的内表面结构示意图。
图9是本发明实施例与现有预冷器的温降效果对比图。
图中：1-冷媒输入空腔、2-冷媒输出空腔、3-冷媒输入集管、4-冷媒输出集管、5-预冷器芯体、6-空气流经方向、7-延伸管段、501-第一环形换热芯组件、502-第二环形换热芯组件、503-第三环形换热芯组件、504-第四环形换热芯组件、2a-预冷管安装通孔、501a-预冷管、A-冷媒输入空腔与冷媒输出空腔的外表面间距、B-冷媒输入集管的长度、C-预冷器芯体的内径、D-预冷器芯体的外径、E-预冷管的高度、F-延伸管段的长度、r-预冷管的S形弯折部的弧形半径,5a-现有技术中的预冷器芯体。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式对本发明进行说明：
图2-3是本发明一种径向偏置排布的预冷器的结构示意图。一种径向偏置排布的预冷器，包括预冷器芯体5，预冷器芯体5的两端分别设有与预冷器芯体5相连通的冷媒输入空腔1和冷媒输出空腔2；预冷器芯体5包括两个以上环形换热芯组件。如图4所示，预冷器芯体5优选包括四个环形换热芯组件：第一环形换热芯组件501、第二环形换热芯组件502、第三环形换热芯组件503和第四环形换热芯组件504。四个环形换热芯组件之间同轴套接，其中，第一环形换热芯组件501、第二环形换热芯组件502、第三环形换热芯组件503和第四环形换热芯组件504由内至外依次套接，并使相邻的两个环形换热芯体组件的间距大于或等于10mm，以使本发明的预冷器形成径向层叠结构。
如图5-6所示：每个环形换热芯组件具体包括沿圆周方向排布的多个预冷管501a，优选在每一环形换热芯组件中采用100-140个预冷管501a排布而成。
图7示出了预冷管的具体结构：预冷管501a为垂直式蛇形管，垂直式蛇形管具体为S型往复管件。并使得位于同一环形换热芯组件中的预冷管501a的管体偏角为α，其中，±15°<α<±75°（如图4所示）；管体偏角为垂直式蛇形管所在平面与环形换热芯组件的轴向纵切面之间的夹角；同一环形换热芯组件中的预冷管501a的管体偏角相同，以使同一环形换热芯组件中的相邻预冷管501a所在平面间相互平行。而相邻的环形换热芯组件中的预冷管501a之间交错排列，且使相邻环形换热芯组件中的预冷管501a的管体偏角之差为±90°如图4所示：第四环形换热芯组件中的预冷管的管体偏角为α，而与之相邻的第三环形换热芯组件中的预冷管的管体偏角为β ，优选相邻环形换热芯组件中的预冷管501a以45°、- 45°的管体偏角交替排布，即在图4中α=45°、β= - 45°、α-β=90°。
垂直式蛇形管的管口分别位于预冷管501a的上方和下方，预冷管501a的上方管口为冷流体入口，预冷管501a的下方管口为冷流体出口；冷媒输入空腔1和冷媒输出空腔2的内表面开设有预冷管安装通孔2a（如图8）；冷流体入口和冷流体出口处均设有延伸管段7，冷流体入口和冷流体出口通过该延伸管段7分别焊接固定在冷媒输入空腔1和冷媒输出空腔2的预冷管安装通孔2a中，并使预冷管501a与冷媒输入空腔1和冷媒输出空腔2相连通；冷媒输入空腔1和冷媒输出空腔2的外表面上分别开设有冷媒输入集管3和冷媒输出集管4，冷媒输入集管3和冷媒输出集管4分别与冷媒输入空腔1和冷媒输出空腔2相连通。
当预冷管501a中被通入氦气等冷却介质时，高压或高速的冷却介质通过冷媒输入集管3进入冷媒输入空腔1中从而进入与之相连通的环形换热芯组件中的各个预冷管501a中，经过预冷管501a后通过冷媒输出空腔2上的冷媒输出集管4输出。由于本发明的预冷管501a采用的是蛇形管结构，热空气将从最外层的环形换热芯组件中的各个预冷管501a的S型的弯折部形成的间隙由外向内逐层经过第四环形换热芯组件504直至第一环形换热芯组件501，从而实现温降的效果，在这个过程中：冷却介质与预冷器芯体5的工况为从第一环形换热芯组件501到第四环形换热芯组件504中冷却介质的平均温度将逐渐升高，热流体的工况为从第四环形换热芯组件504到第一环形换热芯组件501热流体的平均温度逐渐降低。因此，优选将第一、第二环形换热芯组件502中的预冷管501a由不锈钢、铜或铝制材料制成；第三环形换热芯组件503中的各预冷管501a由不锈钢材料制成；第四环形换热芯组件504中的各预冷管501a由高温合金材料制成。
本发明采用如下尺寸比例的实施例：冷媒输入空腔1和冷媒输出空腔2的外表面间距A为140mm；冷媒输入集管3与冷媒输出集管4的长度B均为100mm；每个环形换热芯组件中均采用120个预冷管501a排布而成；预冷器芯体5的内径C为376mm；预冷器芯体5的外径D为504mm；每个预冷管501a的外径为1.2mm，内径为1mm。延伸管段7的长度F为10mm、预冷管501a的高度E为110mm、预冷管501a的S形弯折部的弧形半径r为1.2mm。
采用计算流体力学（CFD）软件对现有技术，即具有图1所示芯体结构的螺旋管结构换热器，在空气流量相同的条件下与本发明的预冷器进行性能模拟：其中，现有的螺旋管结构换热器冷流体进气内半径为170mm，出气外半径为250mm，螺旋管的外径为1.2mm，内径为1mm，径向总排数为24排。
模拟工况的空气流量为0.002kg/s，压力出口，空气进口温度为1250K，冷流体流经管道壁面吸收的热流密度为70000-200000W/m^2，空气出口压力初始值为3000Pa。
如图9所示：在换热热流密度相同、总体尺寸与径向换热排管数量近似的情况下，换热热流密度为70000 W/m^2时，本发明的预冷器所产生的温降为279.9K，现有的螺旋式预冷器的换热量为160.6K。实验证明：本发明实施例的温降效果明显优于传统螺旋式预冷器。
实际应用中，本发明的预冷器主要放置于组合发动机压气机前，可将多组预冷器并联同时使用，将冷却介质与发动机冷却剂的循环系统相连，起到降低压气机入流温度、提高压气机压比的作用。
以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种径向偏置排布的预冷器，包括预冷器芯体，预冷器芯体的两端分别设有与预冷器芯体相连通的冷媒输入空腔和冷媒输出空腔；冷媒输入空腔和冷媒输出空腔的外表面上分别开设有冷媒输入集管和冷媒输出集管，所述冷媒输入集管和冷媒输出集管分别与所述冷媒输入空腔和冷媒输出空腔相连通；其特征在于，所述预冷器芯体包括两个以上环形换热芯组件，环形换热芯组件之间同轴套接，并使相邻环形换热芯体组件的间距大于或等于10mm，以形成径向层叠结构；所述环形换热芯组件包括沿圆周方向排布的多个预冷管，所述预冷管为垂直式蛇形管，并使位于同一环形换热芯组件中的预冷管的管体偏角为α，其中，±15°<α<±75°；所述管体偏角为所述垂直式蛇形管所在平面与所述环形换热芯组件的轴向纵切面之间的夹角；相邻的环形换热芯组件中的预冷管之间交错排列，且使相邻环形换热芯组件中的预冷管的管体偏角之差为±90°；垂直式蛇形管的管口分别位于预冷管的上方和下方，预冷管的上方管口为冷流体入口，预冷管的下方管口为冷流体出口；所述冷媒输入空腔和冷媒输出空腔的内表面开设有预冷管安装通孔；预冷管的冷流体入口和冷流体出口通过预冷管安装通孔分别与所述冷媒输入空腔和冷媒输出空腔相连通。
2.根据权利要求1所述的一种径向偏置排布的预冷器，其特征在于，同一环形换热芯组件中的预冷管的管体偏角相同，以使同一环形换热芯组件中的相邻预冷管所在平面间相互平行。
3.根据权利要求1所述的一种径向偏置排布的预冷器，其特征在于，相邻环形换热芯组件中的预冷管以45°、- 45°的管体偏角交替排布。
4.根据权利要求1所述的一种径向偏置排布的预冷器，其特征在于，所述冷流体入口和冷流体出口处均设有延伸管段，所述延伸管段连接至预冷管连接孔中并与冷媒输入空腔和冷媒输出空腔相连通。
5.根据权利要求1所述的一种径向偏置排布的预冷器，其特征在于，所述预冷器芯体包括四个环形换热芯组件，按照套接顺序由内至外依次为第一环形换热芯组件、第二环形换热芯组件、第三环形换热芯组件和第四环形换热芯组件；第四环形换热芯组件中的各预冷管由高温合金材料制成；第三环形换热芯组件中的各预冷管由不锈钢材料制成、第一、第二环形换热芯组件中的预冷管由不锈钢、铜或铝制材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种径向偏置排布的预冷器，其特征在于，所述环形换热芯组件中包括100-140个预冷管。
7.根据权利要求1所述的一种径向偏置排布的预冷器，其特征在于，所述垂直式蛇形管为S型往复管件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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