CN115628137A - 一种涵道换热器 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机空气冷却器领域，具体涉及一种涵道换热器。该空气冷却器安装在发动机外涵道，其具有板翅换热芯体，所述板翅换热芯体底端通过安装座(1)固定在燃烧室机匣上，所述板翅换热芯体包括多个并排设计的隔板(3)，相邻隔板(3)之间具有弯曲延伸的翅片(2)，每个翅片(2)包括第一翅片(21)、第二翅片(22)及第三翅片(23)，第一翅片(21)位于外涵道来流的前侧，其具有自下向上的第一热流通道，第三翅片(23)位于外涵道来流的后侧，其具有自上向下的第三热流通道，第二翅片(22)位于板翅换热芯体上半部分，其具有沿外涵道气流方向延伸的第二热流通道。本申请提高了涵道换热器紧凑度，有效地提升了换热效能。

Description

一种涵道换热器

技术领域

本申请属于航空发动机空气冷却器领域，具体涉及一种涵道换热器。

背景技术

现代航空发动机对高效率和高可靠性的需求不断增强，提高涡轮前燃气进口温度和增加压气机压缩比是实现需求的有效手段，随之而来的是空气冷却品质的大幅度降低，这使得涡轮等高温部件的冷却更加困难，这也给航空发动机热管理系统带来极大的挑战，当涡轮前温度提高到一定程度时，冷却效果不能保证部件达到一定的冷却温度，结果可能直接导致涡轮叶片等热端部件的损坏。在现有的冷却技术和冷却条件下，热端部件的冷却已成为了制约发动机技术发展的瓶颈，因此有学者创新地提出了冷却冷却空气系统(CCA)的概念，通过采用在航空发动机上加装换热器实现对于冷却空气的进一步冷却，但传统的民用换热器体积重量相对较大、紧凑度较低、且具有较大的流动阻力，不能满足航空发动机的工作条件，尤其对于小涵道发动机来说，对于换热器的空间尺寸要求极其苛刻，急需研制一种轻质、高效、高紧凑度的换热器来满足航空发动机冷却冷却空气系统的需求，尤其是对于热侧高温高压流量较大的场景，需要设计多个模块的换热器来解决其问题。

目前国外对于换热器的研究较为深入，但对我国技术封锁。目前我国对于换热器的研究相关技术方案尚不完善，现有国外31F发动机对于热侧大流量下的涵道换热器采用带有多个回弯的管式换热器，安装在发动机外涵对高温空气进行冷却。

航空发动机CCA系统对于换热器的性能要求是：高紧凑度与换热性能、较强的耐压能力以及高温高压气流冲击下较高的可靠性，现有的技术方案应用于CCA系统的针对热侧高温高压大流量条件下的换热器型式为管式换热器，其主要存在以下缺点：

1)由于管式换热器单位体积换热面积小，现有方案换热管径向布置，需要涵道高度大，对于涵道高度小、散热要求高的发动机无法安装及满足散热要求，尤其对于阻力性能的要求。

2)由于管式换热器的主要换热结构是换热管，需要进行连接结构设计使多根换热管某些部位连接在一起来提高整体的刚性，其整体抵抗振动的能力较差，同时其弯管处阻力损失大，加工难度大，强度薄弱，容易发生破坏。

3)由于热侧大流量的条件，因此换热器需要进行模块化设计，管式换热器由于其换热管结构的限制导致其换热效能相比于板翅式换热器来说效能偏低，因此需要的模块数量多。同时，为了解决整机振动以及气流激振所带来的影响，管式换热器必须设计各模块之间的连接弹性结构来减震，增加了额外不需要的重量。

发明内容

为了解决上述问题之一，本申请提供了一种涵道换热器，解决涵道高度小、散热要求高的条件下阻力性能的问题；或者解决连接结构带来的设计困难的问题；或者解决大流量条件下模块数量较多且各模块之间要通过弹性结构相连接的问题。

本申请提供了一种涵道换热器，所述涵道换热器安装在发动机外涵道，其具有板翅换热芯体，所述板翅换热芯体底端通过安装座固定在燃烧室机匣上，所述安装座具有接通燃烧机匣的热流体进口及热流体出口，所述板翅换热芯体包括多个并排设计的隔板，相邻隔板之间具有弯曲延伸的翅片，每个翅片包括第一翅片、第二翅片及第三翅片，第一翅片位于外涵道来流的前侧，其具有自下向上的第一热流通道，第三翅片位于外涵道来流的后侧，其具有自上向下的第三热流通道，第二翅片位于板翅换热芯体上半部分，其具有沿外涵道气流方向延伸的第二热流通道，所述第二热流通道的一端连接在所述第一热流通道末端，第二热流通道的另一端连接在所述第三热流通道起始端，所述第一热流通道起始端在板翅换热芯体底端连通热流体进口，所述第三热流通道末端在板翅换热芯体底端连通热流体出口。

优选的是，所述安装座具有分割所述热流体进口及所述热流体出口的分程隔板，所述分程隔板向板翅换热芯体内部延伸，用于隔离所述第一翅片及所述第三翅片。

优选的是，所述翅片在相邻隔板之间构成锯齿形、三角形或者矩形。

优选的是，所述隔板侧边设置有封条，所述封条与隔板焊接构成所述板翅换热芯体的框架。

优选的是，所述安装座上具有多个螺栓孔板，通过螺栓将所述安装座固定在燃烧室机匣上。

优选的是，板翅换热芯体在沿外涵道气体流向的两侧设置有第一盖板及第二盖板，在与安装座相对的顶侧设置有顶部盖板

同现有的换热器技术方案相比，本发明的增益效果具体如下：

1)结构紧凑，与管式换热器相比，在相同冷热侧进口条件下实现相同换热功率所占的体积大幅减少。在相同外涵道空间内可以布置更多的换热器模块，从而实现更高的换热量。可通过控制翅片参数以及流体流动方向进一步提高紧凑度；

2)本发明换热器不受涵道高度限制，可以通过调整翅片参数以及芯体结构尺寸实现涵道高度变小、同等散热要求下阻力性能不增加；

3)换热器不需要额外的集气腔来实现气流的转弯，靠自身翅片结构实现，与管式换热器相比阻力明显减少；

4)在大流量条件下模块数量减少且各模块之间不需要通过弹性结构相连接。

附图说明

图1为本申请涵道换热器的一优选实施例的立体图。

图2为本申请图1所示实施例的内部翅片安装示意图。

图3为本申请图1所示实施例的翅片结构示意图。

图4为本申请图1所示实施例的涵道换热器工作原理示意图。

其中，1-安装座，11-热流体进口，12-热流体出口，2-翅片，21-第一翅片，22-第二翅片，23-第三翅片，3-隔板，4-封条，5-第一盖板，6-顶部盖板，7-第二盖板，8-分程隔板。

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方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请提供了一种涵道换热器，如图1-图3所示，所述涵道换热器安装在发动机外涵道，其具有板翅换热芯体，所述板翅换热芯体底端通过安装座1固定在燃烧室机匣上，所述安装座1具有接通燃烧机匣的热流体进口11及热流体出口12，所述板翅换热芯体包括多个并排设计的隔板3，相邻隔板3之间具有弯曲延伸的翅片2，每个翅片2包括第一翅片21、第二翅片22及第三翅片23，第一翅片21位于外涵道来流的前侧，其具有自下向上的第一热流通道，第三翅片23位于外涵道来流的后侧，其具有自上向下的第三热流通道，第二翅片22位于板翅换热芯体上半部分，其具有沿外涵道气流方向延伸的第二热流通道，所述第二热流通道的一端连接在所述第一热流通道末端，第二热流通道的另一端连接在所述第三热流通道起始端，所述第一热流通道起始端在板翅换热芯体底端连通热流体进口11，所述第三热流通道末端在板翅换热芯体底端连通热流体出口12。

本申请的板翅换热芯体包含隔板3、翅片2及封条4。隔板3为方形薄金属板，翅片位于隔板两侧，起支撑和强化传热作用，翅片类型为锯齿形，也可以为三角形或者矩形。封条位于隔板两端，多根封条与隔板焊接构成板翅换热芯体框架，同时与隔板和翅片构成流体通道。通过调整翅片2的参数以及冷热流体层数来改变空气冷却器的换热效能，可以根据大流量条件下的具体要求，合理调整板翅换热芯体参数来规划总模块个数，从而使重量、阻力以及换热等指标达到最优。

在一些可选实施方式中，所述安装座1具有分割所述热流体进口11及所述热流体出口12的分程隔板8，所述分程隔板8向板翅换热芯体内部延伸，用于隔离所述第一翅片21及所述第三翅片。

参考图2及图3，翅片2是由三块切割好的翅片拼接而成，与分程隔板8、隔板3通过焊接方式相连接，三块翅片类型可以各不相同，也可以两两相同，可以为锯齿形，也可以为三角形或者矩形。

本申请的板翅式换热器安装位置为发动机外涵道，其功能是通过换热器利用外涵气的热沉冷却需要冷却的高温气流，从而实现热端部件的冷却功能，通常由多个模块均布在外涵中来实现热侧大流量条件下的需求，各个模块之间不需要其他结构相互连接，独立安装。换热器的工作原理如图4所示，高温流体经安装座1上的进口流过板翅换热器芯体，通过翅片2和隔板3与外部低温外涵气换热，热流体通过翅片2和分程隔板8改变流动方向，继续通过翅片2和隔板3与外涵低温空气换热，最后通过安装座1上的出口流出。进口和出口可以相互转换使用，即高温气可以从出口流入，从进口流出。

在一些可选实施方式中，所述安装座1上具有多个螺栓孔板，通过螺栓将所述安装座1固定在燃烧室机匣上。本实施例中，安装座与板翅换热芯体焊接而成，安装座通过螺栓与与发动机机匣例如涡轮机匣相连接。

在一些可选实施方式中，板翅换热芯体在沿外涵道气体流向的两侧设置有第一盖板5及第二盖板7，在与安装座1相对的顶侧设置有顶部盖板6。

通过仿真能够获得换热器热侧流体压力图，热侧压力分布沿流动方向逐渐降低，压力分布合理，未出现漩涡等区域，压降约为4％，相比于现有管式方案压力损失降低约12％。

同现有的换热器技术方案相比，本发明的增益效果具体如下：

1)结构紧凑，与管式换热器相比，在相同冷热侧进口条件下实现相同换热功率所占的体积大幅减少。在相同外涵道空间内可以布置更多的换热器模块，从而实现更高的换热量。可通过控制翅片参数以及流体流动方向进一步提高紧凑度；

2)本发明换热器不受涵道高度限制，可以通过调整翅片参数以及芯体结构尺寸实现涵道高度变小、同等散热要求下阻力性能不增加；

3)换热器不需要额外的集气腔来实现气流的转弯，靠自身翅片结构实现，与管式换热器相比阻力明显减少；

4)在大流量条件下模块数量减少且各模块之间不需要通过弹性结构相连接。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本申请作了详尽的描述，但在本申请基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本申请精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本申请要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种涵道换热器，其特征在于，所述涵道换热器安装在发动机外涵道，其具有板翅换热芯体，所述板翅换热芯体底端通过安装座(1)固定在燃烧室机匣上，所述安装座(1)具有接通燃烧机匣的热流体进口(11)及热流体出口(12)，所述板翅换热芯体包括多个并排设计的隔板(3)，相邻隔板(3)之间具有弯曲延伸的翅片(2)，每个翅片(2)包括第一翅片(21)、第二翅片(22)及第三翅片(23)，第一翅片(21)位于外涵道来流的前侧，其具有自下向上的第一热流通道，第三翅片(23)位于外涵道来流的后侧，其具有自上向下的第三热流通道，第二翅片(22)位于板翅换热芯体上半部分，其具有沿外涵道气流方向延伸的第二热流通道，所述第二热流通道的一端连接在所述第一热流通道末端，第二热流通道的另一端连接在所述第三热流通道起始端，所述第一热流通道起始端在板翅换热芯体底端连通热流体进口(11)，所述第三热流通道末端在板翅换热芯体底端连通热流体出口(12)；

其中，所述安装座(1)具有分割所述热流体进口(11)及所述热流体出口(12)的分程隔板(8)，所述分程隔板(8)向板翅换热芯体内部延伸，用于隔离所述第一翅片(21)及所述第三翅片。

2.如权利要求1所述的涵道换热器，其特征在于，所述翅片(2)在相邻隔板(3)之间构成锯齿形、三角形或者矩形。

3.如权利要求1所述的涵道换热器，其特征在于，所述隔板(3)侧边设置有封条(4)，所述封条(4)与隔板(3)焊接构成所述板翅换热芯体的框架。

4.如权利要求1所述的涵道换热器，其特征在于，所述安装座(1)上具有多个螺栓孔板，通过螺栓将所述安装座(1)固定在燃烧室机匣上。

5.如权利要求1所述的涵道换热器，其特征在于，板翅换热芯体在沿外涵道气体流向的两侧设置有第一盖板(5)及第二盖板(7)，在与安装座(1)相对的顶侧设置有顶部盖板(6)。

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