CN116242172A - 一种适用于高速气流的低阻板翅换热结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高速气流的低阻板翅换热结构，包括内壁面、外壁面、若干换热平板单元，所述内壁面、外壁面交叠平行设置，若干换热平板单元的两边分别与内壁面、外壁面垂直连接，两个相邻的换热平板单元与内壁面、外壁面围合形成第二流道，所述换热平板单元呈矩形板状，且其内部设有第一流道，所述换热平板单元均布在内壁面、外壁面之间。本发明的换热平板单元采用板状结构，垂直且全均布在内壁面、外壁面之间，形成开放式通路结构的第二流道，即使在第二流体工质处于高速状态下，仍可保持流阻处于较低水平。垂直均布的设置使得整体结构的耐压性、稳定性增强，有效防止环境振动激励对换热结构造成破坏。

Description

一种适用于高速气流的低阻板翅换热结构

技术领域

本发明属于航空换热结构技术领域，具体地说，涉及一种适用于高速气流的低阻板翅换热结构。

背景技术

换热器是工业领域重要的热量交换部件，在航空航天、船舶、化工与能源等领域发挥着关键作用。在航空领域，随着高性能飞行器飞行马赫数的上升，航空发动机热端部件温度已达目前先进材料的温度极限，有必要采用换热器间接对热端部件热量进行疏导；此外，飞行器对高性能的追求，对系统的能量利用效率提出了更高的需求，换热器亦是实现航空发动机内部空气/燃气/滑油/燃油等多股能流间热量输运的关键部件。但是，现有的换热器结构存在耐压差、流阻大等缺点，进而影响航空发动机整机的推力性能与安全性。面对航空领域内普遍涉及的高速气流流动，例如航空发动机外涵流道，传统换热结构的高流阻对航空领域换热器的综合性能有着较大影响。

有鉴于此特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种适用于高速气流的低阻板翅换热结构。为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种适用于高速气流的低阻板翅换热结构，包括内壁面、外壁面、若干换热平板单元，所述内壁面、外壁面交叠平行设置，若干换热平板单元的两边分别与内壁面、外壁面垂直连接，两个相邻的换热平板单元与内壁面、外壁面围合形成第二流道，即第二流道设置为开放式通路结构，所述换热平板单元呈矩形板状，且其内部设有第一流道，所述换热平板单元均布在内壁面、外壁面之间。第一流道内的第一流体工质与第二流道内的第二流体工质进行换热。换热平板单元采用是板状结构，其厚度较小且间距可调，能够有效降低第二流道内第二流体工质的流阻；即使在第二流体工质处于高速状态下，换热结构仍可保持流阻处于较低水平。换热平板单元垂直且均布在内壁面与外壁面之间，增强整体结构的稳定性，增加换热结构的适用范围。

进一步地，还包括第一流道集管，所述第一流道集管呈矩形，且内部设有腔体，第一流道集管通过其侧壁上的集管圆管段与外界连接，换热平板单元的第一流道的进出口均设有第一流道集管，且与第一流道内部腔体连通。第一流体工质先进入第一流道集管内部的空腔中，并聚集，然后进入换热平板单元，并从另一个第一流道集管流出。第一流道集管设置的目的在于对第一流体工质起到一定的缓冲作用，使得进入第一流道集管的第一流体工质更加均匀，有利于后续换热的稳步进行。

进一步地，所述内壁面上设有贯穿的进口接口、出口接口，所述第一流道集管安装在内壁面的侧壁上，远离外壁面设置，所述第一流道的两端分别通过进口接口、出口接口与两个第一流道集管连通，所述第一流道集管连接有若干换热平板单元。第一流道集管与若干换热平板单元连接，一个第一流道集管能够给多个换热平板单元输送第一流体工质，能够简化第一流体工质流入第一流道集管的管路。第一流道出口处的第一流道集管也是如此。

进一步地，所述换热平板单元的两边分别为前缘型面、尾缘型面，所述前缘型面呈圆弧状，所述尾缘型面呈尖角状。前缘型面、尾缘型面的设置能够进一步地降低第二流体工质流入第二流道时的流阻，即使第二流体工质在高速的状态的下，换热结构也能够保持较低的流阻。

进一步地，所述换热结构的壁厚为0.2～0.5mm，降低整体结构的重量。换热平板单元厚度为2～5mm，为第一流体工质提供足够的流动空间。相邻两个换热平板单元的间距为3～15mm。换热平板单元的等距均布的设置也保证了结构的稳定性。

进一步地，所述换热平板单元由上板面、下板面围合形成腔体，其内部设有平直翅片，所述平直翅片的两边分别与换热器平板单元内部的两侧壁连接，所述第一流道为平直翅片划分的矩形通道、折流通道连接形成的蛇形通道。第一流道的设置在于将第一流体工质尽可能多的覆盖换热平板单元的内部表面积。采用矩形通道、折流通道连接形成的蛇形通道，使得第一流体工质覆盖面积最大化。

进一步地，所述第一流道内工质流动方向与第二流道内工质流动方向呈反向设置。整体呈逆流形式，能够最大限度的进行换热。

进一步地，所述内壁面、外壁面均呈环状结构，内壁面、换热平板单元、外壁面由内向外依次设置。航空发动机外涵道内机匣为环状结构，内壁面为其模拟件。

进一步地，所述集管圆管段的另一端设有卡套接头。卡套接头的设置便于外界管路的连接。所述第一流道集管为无盖盒体，其无盖面与内壁面贴合且覆盖进口接口或出口接口设置。第一流体工质在第一流道集管的内腔中聚集，然后从其覆盖的若干内壁面的进口接口进入相应的换热平板单元中，并在充满换热平板单元后，从内壁面的出口接口进入另一个第一流道集管中。

进一步地，在换热平板单元的外侧光滑壁面位置加工延展结构，如矮翅片、表面细纹等，实现第二流体工质侧的换热强化。在保证换热平板单元耐压能力的前提下，换热平板单元内部的平直翅片结构形式，可以选用圆形、翼型、菱形等结构形式翅片，或平直翅片间断式开缝，改变换热平板单元内部第一流道的流动换热特征，以实现流动传热能力的最优选。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

本发明的换热平板单元采用板状结构，垂直且全均布在内壁面、外壁面之间，形成开放式通路结构的第二流道，能够有效降低流体工质穿过第二流道的流阻，即使在第二流体工质处于高速状态下，换热结构仍可保持流阻处于较低水平。垂直均布的设置使得整体结构的稳定性增强。本发明保留了传统板翅换热器动力学结构特性优良的特点，可有效防止环境振动激励对本发明所述换热结构造成破坏。

本发明换热结构壁厚设置为0.2～0.5mm，换热平板单元厚度为2～5mm，相邻两个换热平板单元的间距为3～15mm，即第二流道宽度为3～15mm；换热平板单元内部的折流往复流动结构，可有效利用进口效应提高努塞尔数；在层流条件下可有效提高第二流体工质侧的对流换热系数，增强所述换热结构的换热能力。本发明流阻低、重量轻、结构承力性能良好，并且易于生产加工。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1是本发明整体结构主视示意图；

图2是本发明立体结构及局部放大示意图；

图3是本发明径向剖面结构示意图；

图4是本发明换热平板单元结构示意图；

图5是本发明换热平板单元剖面结构示意图；

图6是本发明第一流道集管结构示意图；

图7是本发明内环壁面示意图；

图8是本发明局部爆炸结构示意图。

图中：1-换热结构内环壁面；101-第一流道进口接口；102-第一流道出口接口；2-换热结构外环壁面；3-换热平板单元；301-换热平板单元进口；302-换热平板单元出口；303-折流通道；304-矩形通道；305-平直翅片；306-前缘型面；307-尾缘型面；4-第一流道进口集管；5-第一流道出口集管；501-集管圆管段；502-第一流道集管流体域；6-卡套接头；7-第二流道进口；8-第二流道出口；9-第一流道进口集管流体域；10-第一流道出口集管流体域。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图1至图8所示，本实施例所述的一种适用于高速气流的低阻板翅换热结构，包括换热结构内环壁面1、换热结构外环壁面2、换热平板单元3、第一流道集管，第一流道集管包括分别设置在换热平板单元进口301、换热平板单元出口302的第一流道进口集管4、第一流道出口集管5。换热平板单元3在换热结构内环壁面1与外环壁面间的环形空间内均匀布置，垂直安装在换热结构内环壁面1的外壁面。第一流道进口集管4与第一流道出口集管5安装在换热结构内环壁面1的内壁面。相邻的换热平板单元3与换热结构内环壁面1、外环壁面形成全环分布的扇形通道，即为开放式通路结构的第二流道通路。

如图3所示，第一流道内的第一流体工质在换热平板单元3内的流动形式为蛇形绕流结构，其整体流体方向向左，在换热平板单元3内存在多处折流；第二流道内的第二流体工质在换热平板单元3外部掠过，其整体流动方向向右。在本实施例中，第一流体工质与第二流体工质为整体逆流形式流动。也可以交换第一流道进口、第一流道出口的位置，实现第一流道内部第一流体工质的反向流动，具体的流动方向根据不同的需求进行灵活的调整。

如图4、图5所示，换热平板单元3的前缘与尾缘分别加工为翼型结构，以降低第二流体工质在第二流道内的流阻。换热平板单元3内部设有平直翅片305，平直翅片305的两边与换热平板单元3内部两侧壁连接，形成折流通道303、矩形通道304。折流通道303、矩形通道304连接形成蛇形的第一流道，即第一流道换热区流体域。如图7所示，换热结构内环壁面1加工两处方形通孔，分别为第一流道进口接口101、第一流道出口接口102，形成第一流体工质径向穿越换热结构内环壁面1的通道。换热平板单元进口301通过第一流道进口接口101与第一流道进口集管4进行安装连接，换热平板单元出口302通过第一流道出口接口102与第一流道出口集管5进行安装连接，由此构成完整第一流道通路。

如图6所示，第一流道集管呈矩形，内部设有腔体，即为第一流道集管流体域502。第一流道集管的侧壁上安装有与其连通的集管圆管段501，集管圆管段501的另一端安装有卡套接头6。与第一流道进口连接的为第一流道进口集管4，与第一流道出口连接的为第一流道出口集管5。第一流道换热区流体域303、304与第一流道集管流体域502构成第一流体工质的完整流体域。

安装于换热结构内环壁面1的第一流道进口集管4或第一流道出口集管5调整至换热结构外环壁面2的外侧，改变换热平板单元3进出口的方向，并将进出换热平板单元3的进出接口相应设置在换热结构外环壁面2上。即可实现板翅换热结构第一流道的流路调整，适应更多应用场景。在保证换热平板单元3耐压能力的前提下，换热平板单元3内部的平直翅片305结构形式，可以选用圆形、翼型、菱形等结构形式翅片，或平直翅片305间断式开缝，改变换热平板单元3内部第一流道的流动换热特征，以实现流动传热能力的最优选。在流阻限制允许的前提下，在换热平板单元3的外侧光滑壁面位置加工延展结构，如矮翅片、表面细纹等，通过增大换热平板单元3的外表面积起到增强换热能力的效果。减小换热结构尺寸，换热结构壁厚约为0.2～0.5mm，使整体结构重量较小；换热平板单元厚度为2～5mm，能够为第一流体工质提供充足的流动空间，同时减少对第二流动工质的流阻；相邻两个换热平板单元3的间距为3～15mm，即第二流道的通道宽度约为3～15mm，流经第二流道的第二流动工质的宽度较小，能够与两边换热平板单元3内的第一流动工质进行充分的换热，即使是在高速流动的情况下，依旧能更均匀的完成换热。

相比于传统板翅换热结构，本实施例的板翅换热结构将第二流道设置为开放式通路结构，并将换热平板单元3的前缘、尾缘分别加工为前缘型面306与尾缘型面307，可有效降低第二流道内第二流体工质的流阻；即使在第二流体工质处于高速状态下，换热结构仍可保持流阻处于较低水平。相比于其他换热结构，本发明的板翅换热结构保留了传统板翅换热器动力学结构特性优良的特点，可有效防止环境振动激励对换热结构造成破坏。换热平板单元3内部的折流往复流动结构，可有效利用进口效应提高努塞尔数，在层流条件下可有效提高第二流体工质侧的对流换热系数，增强换热结构的换热能力。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但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简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种适用于高速气流的低阻板翅换热结构，其特征在于：包括内壁面、外壁面、若干换热平板单元，所述内壁面、外壁面交叠平行设置，若干换热平板单元的两边分别与内壁面、外壁面垂直连接，两个相邻的换热平板单元与内壁面、外壁面围合形成第二流道，所述换热平板单元呈矩形板状，且其内部设有第一流道，所述换热平板单元均布在内壁面、外壁面之间。

2.根据权利要求1所述的一种适用于高速气流的低阻板翅换热结构，其特征在于：还包括第一流道集管，所述第一流道集管呈矩形，且内部设有腔体，第一流道集管通过其侧壁上的集管圆管段与外界连接，换热平板单元的第一流道进出口均设有第一流道集管，且与第一流道内部腔体连通。

3.根据权利要求2所述的一种适用于高速气流的低阻板翅换热结构，其特征在于：所述内壁上设有贯穿的进口接口、出口接口，所述第一流道集管安装在内壁面的侧壁上，远离外壁面设置，所述第一流道的两端分别通过进口接口、出口接口与两个第一流道集管连通，所述第一流道集管连接有若干换热平板单元。

4.根据权利要求1所述的一种适用于高速气流的低阻板翅换热结构，其特征在于：所述换热平板单元的两边分别设为前缘型面、尾缘型面，所述前缘型面呈圆弧状，所述尾缘型面呈尖角状。

5.根据权利要求1所述的一种适用于高速气流的低阻板翅换热结构，其特征在于：所述换热结构的壁厚为0.2～0.5mm，换热平板单元厚度2～5mm，相邻两个换热平板单元的间距为3～15mm。

6.根据权利要求1所述的一种适用于高速气流的低阻板翅换热结构，其特征在于：所述换热平板单元由上板面、下板面围合形成腔体，其内部设有平直翅片，所述平直翅片的两边分别与换热器平板单元内部的两侧壁连接，所述第一流道为平直翅片划分的矩形通道、折流通道连接形成的蛇形通道。

7.根据权利要求1所述的一种适用于高速气流的低阻板翅换热结构，其特征在于：所述第一流道内工质流动方向与第二流道内工质流动方向呈反向设置。

8.根据权利要求1所述的一种适用于高速气流的低阻板翅换热结构，其特征在于：所述内壁面、外壁面均呈环状结构，内壁面、换热平板单元、外壁面由内向外依次设置。

9.根据权利要求3所述的一种适用于高速气流的低阻板翅换热结构，其特征在于：所述集管圆管段的另一端设有卡套接头，所述第一流道集管为无盖盒体，其无盖面与内壁面内侧贴合且覆盖进口接口或出口接口设置。

10.根据权利要求6所述的一种适用于高速气流的低阻板翅换热结构，其特征在于：所述换热平板单元的外侧壁面设有表面细纹或矮翅片，所述平直翅片结构形式为圆形、翼型、菱形或平直翅片间断式开缝。

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