CN114857979A - 用于航空发动机支点封严的串联式换热器热负荷分配方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种用于航空发动机支点封严的串联式换热器热负荷分配方法，所述串联式换热器包括空气‑空气换热器和空气‑燃油换热器，高温高压封严气先通过空气‑空气换热器与低温外涵气进行初步换热，再通过空气‑燃油换热器与低温燃油进一步换热，最终流向滑油系统进行封严，该方法在进行串联式换热器热负荷分配时，使空气‑燃油换热器封严气出口温度不能高于限制值以达到封严功能，同时使空气‑燃油换热器燃油出口温度不能高于限制值以避免燃油结焦。本申请不仅找到一个能够满足设计要求的串联式换热器组合结果，而且找到了能够满足设计要求的串联式换热器组合的可行域，通过在边界线上挑选串联式换热器效能组合，可有效避免过设计。
Description
技术领域
本申请涉及航空发动机换热技术领域，特别涉及一种用于航空发动机支点封严的串联式换热器热负荷分配方法。
背景技术
随着航空发动机技术的不断发展，航空发动机的滑油系统及大功率部件散热的需求大幅增加，需要通过换热器利用低温的外涵空气和燃油对一股高温高压的热空气进行冷却，冷却后的低温高压空气流向轴承腔，用于轴承腔封严避免滑油泄露。该换热器为空气-空气换热器和空气-燃油换热器组合而成，两个换热器串联形式进行连接，空气-空气换热器的热侧出口通向空气-燃油换热器的热侧进口。
在进行换热器设计时，不同状态下安装在发动机上的换热器冷、热侧流体性能参数变化很大，因此不同状态下串联式换热器热负荷分配比例差别很大。为了保证能够进行充分换热，通常从多个状态点中挑选换热量最大的点作为设计点，空气-空气换热器和空气-燃油换热器按照换热量等分的形式分配。但挑选换热量最大的状态点作为设计点并不准确，有时可能存在换热量不大、热侧流量为小流量但更难冷却的情况，换热效率不高。
发明内容
本申请的目的是提供了一种用于航空发动机支点封严的串联式换热器热负荷分配方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
首先，本申请提供了一种用于航空发动机支点封严的串联式换热器热负荷分配方法，所述串联式换热器包括空气-空气换热器和空气-燃油换热器，高温高压封严气先通过空气-空气换热器与低温外涵气进行初步换热，再通过空气-燃油换热器与低温燃油进一步换热，最终流向滑油系统进行封严；
所述方法包括：
假定空气-空气换热器和空气-燃油换热器效能值不受发动机状态点变化的影响，两换热器效能值为换热器的实际换热量与理论上最大可能的换热量之比；
以空气-燃油换热器的封严气出口温度不能高于限制值作为边界条件，以预订间隔依次取空气-空气换热器的效能值找到对应的空气-燃油换热器效能组合下边界；
以空气-燃油换热器的燃油出口温度不能高于限制值作为边界条件，与预订间隔依次取空气-空气换热器的效能值找到对应的空气-燃油换热器效能组合上边界；
确定两散热器的效能上限，所述空气-燃油换热器效能组合下边界、上边界及效能上限所围成的区域构成串联式换热器效能组合可行域；
将所述可行域转化为各自散热器的换热面积；
确定串联式换热器的评价目标，所述评价目标包括串联式换热器散热面积和串联式换热器总重量；
以任一评价目标的最小值对应的串联式换热器效能组合为最优的效能组合。
进一步的，所述效能数值介于0到1之间
进一步的，所述预订间隔为0.1。
进一步的，两换热器的效能上限不超过95％。
进一步的，在所述可行域中，靠近空-空换热器最小效能同时靠近空-油换热器最大效能方向为串联式换热器热负荷分配的最优方向。
进一步的，在将空气-空气换热器和空气-燃油换热器的换热效能转化为换热面积时，两换热器的总传热系数取同类产品的经验数值或试验值。
另外，本申请还提供了一种用于航空发动机支点封严的串联式换热器，所述串联式换热器包括空气-空气换热器和空气-燃油换热器，所述空气-空气换热器和空气-燃油换热器的效能按照如上任一项所述的用于航空发动机支点封严的串联式换热器热负荷分配方法进行分配。
相较于现有技术，本申请的换热器热负荷分配方法不仅找到一个能够满足设计要求的串联式换热器组合结果，而且找到了能够满足设计要求的串联式换热器组合的可行域，通过在边界线上挑选串联式换热器效能组合，可有效避免过设计；同时，通过设置评价目标，以评价目标为导向得到最优的串联换热器组合。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为本申请中的串联式换热器流动示意图。
图2为本申请中的换热器热负荷分配方法流程图。
图3为本申请一实施例中满足设计要求的换热器效能组合可行域。
图4为本申请该实施例中最优组合边界下的换热面积。
图5为本申请该实施例中最优组合边界下的评价目标1。
图6为本申请该实施例中最优组合边界下的单个换热器重量曲线。
图7为本申请该实施例中最优组合边界下的评价目标2。
图8为本申请该实施例中不同评价目标下的最优效能组合。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
为了找到满足设计要求的串联式换热器效能组合，同时对满足设计要求的串联式换热器效能组合进行评价，找到最优的串联换热器组合，完成热负荷的分配，本申请提供了一种能对串联形式的换热器进行热负荷分配的方法。
本申请的对串联形式的换热器进行热负荷分配的方法以空气-燃油换热器的热侧出口温度不超过某一限制值作为条件，找到空气-空气换热器和空气-燃油换热器的效能组合下边界，以空气-燃油换热器的冷侧出口温度不超过某一限制值作为条件，找到两换热器的效能组合上边界，从而找到满足设计要求的可行域，同时设置评价目标，对可行域的边界点进行目标值计算，最终确定设计点得到换热器的最优组合。
如图1所示为用于航空发动机支点封严的串联式换热器流动示意图，高温高压封严气先通过空气-空气换热器与低温外涵气进行初步换热，再通过空气-燃油换热器与低温燃油进一步换热，最终流向滑油系统进行封严。在进行串联式换热器热负荷分配时，使空气-燃油换热器封严气出口温度不能高于限制值以达到封严功能，同时使空气-燃油换热器燃油出口温度不能高于限制值以避免燃油结焦。
如图2所示，本申请提供的用于航空发动机串联式换热器热负荷分配方法，具体步骤如下：
1)假定空气-空气换热器和空气-燃油换热器效能值不受发动机状态点变化的影响，用空气-空气换热器和空气-燃油换热器的效能值组合代表一种热负荷分配结果。换热器效能值为换热器的实际换热量与理论上最大可能的换热量之比，效能数值介于0到1之间。
2)以空气-燃油换热器的封严气出口温度不能高于限制值作为边界条件，以预订间隔依次取空气-空气换热器的效能值，本申请中优选实施例中预订间隔为0.1，即依次取空气-空气换热器的效能值为0、0.1、0.2、…、1，找到对应的空气-燃油换热器效能组合下边界。最终的空气-燃油换热器效能组合下边界应保证不同发动机状态下，空气-燃油换热器的封严气出口温度最大值刚好满足封严气出口温度限制要求，记录封严气出口温度最大时的发动机状态点得到图3中封严气出口温度约束边界。
3)以空气-燃油换热器的燃油出口温度不能高于限制值作为边界条件，以预订间隔依次取空气-空气换热器的效能值，本申请中优选实施例中预订间隔依旧为0.1，即依次取空气-空气换热器的效能值为0、0.1、0.2、…、1，找到对应的空气-燃油换热器效能组合上边界。最终的空气-燃油换热器效能组合上边界应保证不同发动机状态下，空气-燃油换热器的燃油出口温度最大值刚好满足燃油出口温度限制要求，记录燃油出口温度最大时的发动机状态点得到图3中燃油出口温度约束边界。
4)当换热器效能为1时，需要换热面积无限大，对于应用在航空发动机上的换热器而言不宜盲目追求高效能，本申请中选取0.95作为换热器的效能上限。结合步骤2和步骤3，找到满足设计要求的串联式换热器效能组合可行域，该可行域即封严气出口温度约束边界、燃油出口温度约束边界即效能上限所围城的区域，即图3中三角形阴影区域。换热器效能组合可行域的左下边界(即靠近空-空换热器最小效能同时靠近空-油换热器最大效能)为满足设计要求的最优组合边界。
5)为了进一步缩小设计点选取的范围，按照纯逆流假设下的理论公式计算换热器效能组合可行域左下边界，将左下边界的空气-空气换热器和空气-燃油换热器的换热效能转化为换热面积，其中2个换热器的总传热系数取同类产品的经验数值或试验值(空-空换热器可取该类型换热器的经验值200～400W/(m2·K)，同比，空-液换热器可取该类型换热器的经验值500～1000W/(m2·K))，热容比取1或0，热容量取步骤2记录下的状态点N时的热容量，最优组合边界下的空气-空气换热器和空气-燃油换热器换热面积见图4。
6)为了综合评价串联式换热器的表现效果，本申请中设置评价目标，根据不同的使用场景选用不同的评价目标，评价目标包括：
评价目标1——串联式换热器的总面积；
评价目标2——串联式换热器的总重量，单个换热器的重量指标根据选用的换热器类型以面积进行估算。
最优组合边界下的评价目标1见图5所示；
最优组合边界下单个换热器的重量见图6所示，图6对应的评价目标2(总重量)见图7所示。
7)任一评价目标的最小值对应的效能组合为最优的效能组合。
不同的评价目标下的最优效能组合见图8所示，图8中确定的最优串联式换热器效能组合和步骤2中记录的发动机状态点代表最优的热负荷分配结果。
相较于现有技术，本申请的换热器热负荷分配方法不仅找到一个能够满足设计要求的串联式换热器组合结果，而且找到了能够满足设计要求的串联式换热器组合的可行域，通过在边界线上挑选串联式换热器效能组合，可有效避免过设计；同时，通过设置评价目标，以评价目标为导向得到最优的串联换热器组合。
该方法流程简单，在适当简化的前提下能够找到最优的串联换热器效能组合，有效解决发动机多状态点串联换热器热负荷分配的难题。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种用于航空发动机支点封严的串联式换热器热负荷分配方法，其特征在于，所述串联式换热器包括空气-空气换热器和空气-燃油换热器，高温高压封严气先通过空气-空气换热器与低温外涵气进行初步换热，再通过空气-燃油换热器与低温燃油进一步换热，最终流向滑油系统进行封严；
所述方法包括：
假定空气-空气换热器和空气-燃油换热器效能值不受发动机状态点变化的影响，两换热器效能值为换热器的实际换热量与理论上最大可能的换热量之比；
以空气-燃油换热器的封严气出口温度不能高于限制值作为边界条件，以预订间隔依次取空气-空气换热器的效能值找到对应的空气-燃油换热器效能组合下边界；
以空气-燃油换热器的燃油出口温度不能高于限制值作为边界条件，与预订间隔依次取空气-空气换热器的效能值找到对应的空气-燃油换热器效能组合上边界；
确定两散热器的效能上限，所述空气-燃油换热器效能组合下边界、上边界及效能上限所围成的区域构成串联式换热器效能组合可行域；
将所述可行域转化为各自散热器的换热面积；
确定串联式换热器的评价目标，所述评价目标包括串联式换热器散热面积和串联式换热器总重量；
以任一评价目标的最小值对应的串联式换热器效能组合为最优的效能组合。
2.如权利要求1所述的用于航空发动机支点封严的串联式换热器热负荷分配方法，其特征在于，所述效能数值介于0到1之间。
3.如权利要求1所述的用于航空发动机支点封严的串联式换热器热负荷分配方法，其特征在于，所述预订间隔为0.1。
4.如权利要求1所述的用于航空发动机支点封严的串联式换热器热负荷分配方法，其特征在于，两换热器的效能上限不超过95％。
5.如权利要求1所述的用于航空发动机支点封严的串联式换热器热负荷分配方法，其特征在于，在所述可行域中，靠近空-空换热器最小效能同时靠近空-油换热器最大效能方向为串联式换热器热负荷分配的最优方向。
6.如权利要求1所述的用于航空发动机支点封严的串联式换热器热负荷分配方法，其特征在于，在将空气-空气换热器和空气-燃油换热器的换热效能转化为换热面积时，两换热器的总传热系数取同类产品的经验数值或试验值。
7.一种用于航空发动机支点封严的串联式换热器，其特征在于，所述串联式换热器包括空气-空气换热器和空气-燃油换热器，所述空气-空气换热器和空气-燃油换热器的效能按照如权利要求1至6中任一项所述的用于航空发动机支点封严的串联式换热器热负荷分配方法进行分配。
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