CN116878326A - 一种适用于航空发动机板翅式换热器的进出口导流结构 - Google Patents

一种适用于航空发动机板翅式换热器的进出口导流结构 Download PDF

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庞晓冬
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周建军
梁义强
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Abstract

本申请属于航空发动机换热器设计领域，为一种适用于航空发动机板翅式换热器的进出口导流结构，包括外壳和换热芯体。外壳上设有热端进口接头、热端出口接头、冷端进口接头和冷端出口接头，换热芯体设于外壳的中心位置，热端进口接头与热端出口接头对应设置，冷端进口接头和冷端出口接头对应设置。通过设置导流结构，热流体和冷流体本别从不同的导流板位置处进入到换热芯体内进行热交换，使得进入到各个导流板之间的热流体或者冷流体流速增加并在导流板喷出后快速降低，同时压力减少、进出口压比增大，在极短的空间内对换热器进口流体进行扩散，便于进口冷热流体均匀的流入冷却通道，具有导流结构的换热器内部几乎不存在流动死区以及漩涡。

Description

一种适用于航空发动机板翅式换热器的进出口导流结构
技术领域
本申请特别涉及一种适用于航空发动机板翅式换热器的进出口导流结构。
背景技术
换热器是成熟的工业热交换设备，在石油化工等行业应用广泛。最近十几年，随着航空发动机对高推重比和高可靠性的不断追求，换热器开始被大规模的应用到航空发动机设计中。由于航空发动机的特殊性，所以对换热器而言，需要其具有高效、轻质的特点。该发明提出了一种具有进出口导流结构的板翅式换热器，通过添加导流结构，减小换热器进出口尺寸，提高了换热器的紧凑度。
目前航空发动机用板翅式换热器进出口为了充分扩压，使流体均匀分布到换热器芯体中，往往需要将换热器进出口布置得较长，而较长的进出口段会增加换热器结构尺寸以及重量，不利于航空发动机减重以及结构紧凑性。增加加长的进口段，也会增加流体流过的阻力，从而增大换热器进出口压差。
因此如何在减少换热器结构尺寸的同时保证换热性能是一个需要解决的问题。
发明内容
本申请的目的是提供了一种适用于航空发动机板翅式换热器的进出口导流结构，以解决现有技术中的换热器难以同时兼顾换热器的尺寸与换热性能的问题。
本申请的技术方案是：一种适用于航空发动机板翅式换热器的进出口导流结构，包括外壳和换热芯体；所述外壳上设有热端进口接头、热端出口接头、冷端进口接头和冷端出口接头，所述换热芯体设于外壳的中心位置，所述热端进口接头与热端出口接头对应设置，所述冷端进口接头和冷端出口接头对应设置，所述热端进口接头和热端出口接头内均设有热端水平扩散导流板和热端垂直扩散导流板，所述热端水平扩散导流板设置至少一组并沿着热端进口接头或者热端出口接头的方向间隔设置，所述热端垂直扩散导流板设置有至少两组并且特段垂直扩散导流板的数量为偶数，多组热端垂直扩散导流板沿着热端进口接头或者热端出口接头的轴线对称设置，所述热端水平扩散导流板与热端垂直扩散导流板与换热芯体之间具有间隔；所述冷端进口接头和冷端出口接头内均设有冷端水平扩散导流板和冷端垂直扩散导流板，所述冷端水平扩散导流板设置至少一组并沿着冷端进口接头或者冷端出口接头的方向间隔设置，所述冷端垂直扩散导流板设置有至少两组并且冷端垂直扩散导流板的数量为偶数，多组冷端垂直扩散导流板沿着冷端进口接头或者冷端出口接头的轴线对称设置，所述冷端水平扩散导流板与冷端垂直扩散导流板与换热芯体之间具有间隔
优选地，所述外壳横截面呈菱形结构，所述换热芯体呈矩形结构，所述换热芯体的每个角均与外壳每个菱形边的中部密封贴合，将外壳上的四个接头分隔成四个独立的腔室，所述热端水平扩散导流板、热端垂直扩散导流板、冷端水平扩散导流板和冷端垂直扩散导流板均设于对应的腔室内。
优选地，所述壳体对应热端进口接头和热端出口接头腔室的位置处形成热端封头，所述壳体对应冷端进口接头和冷端出口接头腔室的位置处形成冷端封头，所述热端封头和冷端封头均形成从相邻接头至换热芯体方向设置的锥体结构。
优选地，当热端水平扩散导流板或冷端水平扩散导流板均有两组、热端垂直扩散导流板具有四组、冷端垂直扩散导流板具有两组时，所述热端水平扩散导流板或冷端水平扩散导流板与水平方向之间的夹角为15°；所述热端垂直扩散导流板与对应接头轴线之间的夹角分别为60°和45°，所述冷端垂直扩散导流板与对应接头轴线之间的夹角为30°。
优选地，所述外壳热侧或冷侧的长宽分别为L、W，长宽比λ定义为：L/W；所述外壳热侧的长宽比为λ1＝2，冷侧的长宽比为λ2＝1.5，所述热端封头或冷端封头的入口端与换热芯体之间的距离h大于50mm，所述热端封头或冷端封头入口到换热芯体之间的距离与宽度β＝h/W，0.5<β<1。
优选地，所述热端水平扩散导流板、热端垂直扩散导流板、冷端水平扩散导流板或冷端垂直扩散导流板的沿下游长度均为20mm。
本申请的一种适用于航空发动机板翅式换热器的进出口导流结构，包括外壳和换热芯体。外壳上设有热端进口接头、热端出口接头、冷端进口接头和冷端出口接头，换热芯体设于外壳的中心位置，热端进口接头与热端出口接头对应设置，冷端进口接头和冷端出口接头对应设置。通过设置导流结构，热流体和冷流体本别从不同的导流板位置处进入到换热芯体内进行热交换，使得进入到各个导流板之间的热流体或者冷流体流速增加并在导流板喷出后快速降低，同时压力减少、进出口压比增大，在极短的空间内对换热器进口流体进行扩散，便于进口冷热流体均匀的流入冷却通道，具有导流结构的换热器内部几乎不存在流动死区以及漩涡。
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为本申请换热器截面结构示意图；
图2为本申请换热器整体结构轴测图；
图3为本申请换热器剖视结构的轴测图；
图4为本申请热端封头内部结构示意图；
图5为本申请冷端封头内部结构示意图；
图6为本申请有导流结构的热侧流速分布示意图；
图7为本申请有导流结构的热侧压力分布示意图；
图8为本申请有导流结构的热侧流线分布示意图；
图9为本申请导流结构对进出口压比的影响示意图。
1、外壳；2、换热芯体；3、热端进口接头；4、热端出口接头；5、冷端进口接头；6、冷端出口接头；7、热端水平扩散导流板；8、热端垂直扩散导流板；9、冷端水平扩散导流板；10、冷端垂直扩散导流板；11、热端封头；12、冷端封头。
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。
一种适用于航空发动机板翅式换热器的进出口导流结构，如图1-3所示，包括外壳1和换热芯体2。
外壳1上设有热端进口接头3、热端出口接头4、冷端进口接头5和冷端出口接头6，换热芯体2设于外壳1的中心位置，热端进口接头3与热端出口接头4对应设置，冷端进口接头5和冷端出口接头6对应设置。
结合图4-5，热端进口接头3和热端出口接头4内均设有热端水平扩散导流板7和热端垂直扩散导流板8，热端水平扩散导流板7设置至少一组并沿着热端进口接头3或者热端出口接头4的方向间隔设置，热端垂直扩散导流板8设置有至少两组并且特段垂直扩散导流板的数量为偶数，多组热端垂直扩散导流板8沿着热端进口接头3或者热端出口接头4的轴线对称设置，热端水平扩散导流板7与热端垂直扩散导流板8与换热芯体2之间具有间隔。热端进口接头3、热端出口接头4、冷端进口接头5和冷端出口接头6均为螺纹接头。
冷端进口接头5和冷端出口接头6内均设有冷端水平扩散导流板9和冷端垂直扩散导流板10，冷端水平扩散导流板9设置至少一组并沿着冷端进口接头5或者冷端出口接头6的方向间隔设置，冷端垂直扩散导流板10设置有至少两组并且冷端垂直扩散导流板10的数量为偶数，多组冷端垂直扩散导流板10沿着冷端进口接头5或者冷端出口接头6的轴线对称设置，冷端水平扩散导流板9与冷端垂直扩散导流板10与换热芯体2之间具有间隔，形成混合区。
通过设置导流结构，当热流体从热端进口接头3进入，而后热流体到达热端水平扩散导流板7对热流体进行分隔，形成多股热流体，多股热流体进入到导流板与换热芯体2之间再次混合之后，进入到换热芯体2内；冷流体从冷端出口接头6进入，而后冷流体到达冷端水平扩散导流板9对冷流体进行分隔，形成多股冷流体，多股冷流体进入到导流板与换热芯体2之间再次混合之后，进入到换热芯体2内。
换热芯片内的冷流体和热流体进行热交换，对热流体进行冷却，交换完成的热流体和冷流体再从对应的另一侧的出口流出。
结合图6-8，各导流板与外壳1之间通过焊接连接，通过将热流体或者冷流体通过水平和垂直方向结合的导流板的引导，使得进入到各个导流板之间的热流体或者冷流体流速增加并在导流板喷出后快速降低，同时压力减少、进出口压比增大，在极短的空间内对换热器进口流体进行扩散，便于进口冷热流体均匀的流入冷却通道，具有导流结构的换热器内部几乎不存在流动死区以及漩涡。
同时由于水平扩散导流板和垂直扩散导流板交错设置，有效节省了混合的空间，使得换热器的体积显著减小。与传统板翅换热器相比，在相同工况下降低了流体阻力损失，减小了进口段的尺寸，提升了换热器的紧凑度。
图9给出了导流结构对于换热器阻力损失的影响，可以看出，当增加进出口导流结构后，进出口压比有明显提高，说明增加导流结构能有效降低换热器进出口阻力。
优选地，外壳1横截面呈菱形结构，换热芯体2呈矩形结构，换热芯体2的每个角均与外壳1每个菱形边的中部密封贴合，将外壳1上的四个接头分隔成四个独立的腔室，热端水平扩散导流板7、热端垂直扩散导流板8、冷端水平扩散导流板9和冷端垂直扩散导流板10均设于对应的腔室内。外壳1菱形结构的设计对热流体和流体在进入到换热芯体2之前和之后均给出了充足的自混合空间，保证混合均匀性。
优选地，壳体对应热端进口接头3和热端出口接头4腔室的位置处形成热端封头11，壳体对应冷端进口接头5和冷端出口接头6腔室的位置处形成冷端封头12，热端封头11和冷端封头12均形成从相邻接头至换热芯体2方向设置的锥体结构。通过将热端封头11和冷端封头12均形成锥体结构，内部的锥形空腔能够更加高效快速地减少流体的压力，并在热流体或冷流体从对应的导流板喷出后，速度同样快速降低，能够在混合区快速降低至低于流体进入到各进口接头入口时的压力和速度，并且导流板的交错设置能够使得喷出的流体快速而均匀地填满封头内的锥形空腔，从而有效提升混合均匀性。
优选地，外壳1热侧或冷侧的长宽分别为L、W，长宽比λ定义为：L/W；外壳1热侧的长宽比为λ1＝2，冷侧的长宽比为λ2＝1.5，热端封头11或冷端封头12的入口端与换热芯体2之间的距离h大于50mm，热端封头11或冷端封头12入口到换热芯体2之间的距离与宽度β＝h/W，0.5<β<1。
当热端水平扩散导流板7或冷端水平扩散导流板9均有两组、热端垂直扩散导流板8具有四组、冷端垂直扩散导流板10具有两组时，热端水平扩散导流板7或冷端水平扩散导流板9与水平方向之间的夹角为15°，适用于0.5<β<1；热端垂直扩散导流板8与对应接头轴线之间的夹角分别为60°和45°，适用于进出口长宽比2<λ<3.5，冷端垂直扩散导流板10与对应接头轴线之间的夹角为30°，适用于进出口长宽比1<λ<2。
壳体对应冷侧处所留有的空间更大，因此冷端垂直扩散导流板10的角度更小，对应热侧所留有的空间更小，因此热端垂直扩散导流板8的角度更大，以方便更加高效地填充至封头的各个角落。
优选地，热端水平扩散导流板7、热端垂直扩散导流板8、冷端水平扩散导流板9或冷端垂直扩散导流板10的沿下游长度均为20mm，以保证位于同一腔室内的流体能够同步地从导流板喷出。
以上，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 (6)

1.一种适用于航空发动机板翅式换热器的进出口导流结构，其特征在于：包括外壳(1)和换热芯体(2)；所述外壳(1)上设有热端进口接头(3)、热端出口接头(4)、冷端进口接头(5)和冷端出口接头(6)，所述换热芯体(2)设于外壳(1)的中心位置，所述热端进口接头(3)与热端出口接头(4)对应设置，所述冷端进口接头(5)和冷端出口接头(6)对应设置，所述热端进口接头(3)和热端出口接头(4)内均设有热端水平扩散导流板(7)和热端垂直扩散导流板(8)，所述热端水平扩散导流板(7)设置至少一组并沿着热端进口接头(3)或者热端出口接头(4)的方向间隔设置，所述热端垂直扩散导流板(8)设置有至少两组并且特段垂直扩散导流板的数量为偶数，多组热端垂直扩散导流板(8)沿着热端进口接头(3)或者热端出口接头(4)的轴线对称设置，所述热端水平扩散导流板(7)与热端垂直扩散导流板(8)与换热芯体(2)之间具有间隔；所述冷端进口接头(5)和冷端出口接头(6)内均设有冷端水平扩散导流板(9)和冷端垂直扩散导流板(10)，所述冷端水平扩散导流板(9)设置至少一组并沿着冷端进口接头(5)或者冷端出口接头(6)的方向间隔设置，所述冷端垂直扩散导流板(10)设置有至少两组并且冷端垂直扩散导流板(10)的数量为偶数，多组冷端垂直扩散导流板(10)沿着冷端进口接头(5)或者冷端出口接头(6)的轴线对称设置，所述冷端水平扩散导流板(9)与冷端垂直扩散导流板(10)与换热芯体(2)之间具有间隔。
2.如权利要求1所述的适用于航空发动机板翅式换热器的进出口导流结构，其特征在于：所述外壳(1)横截面呈菱形结构，所述换热芯体(2)呈矩形结构，所述换热芯体(2)的每个角均与外壳(1)每个菱形边的中部密封贴合，将外壳(1)上的四个接头分隔成四个独立的腔室，所述热端水平扩散导流板(7)、热端垂直扩散导流板(8)、冷端水平扩散导流板(9)和冷端垂直扩散导流板(10)均设于对应的腔室内。
3.如权利要求2所述的适用于航空发动机板翅式换热器的进出口导流结构，其特征在于：所述壳体对应热端进口接头(3)和热端出口接头(4)腔室的位置处形成热端封头(11)，所述壳体对应冷端进口接头(5)和冷端出口接头(6)腔室的位置处形成冷端封头(12)，所述热端封头(11)和冷端封头(12)均形成从相邻接头至换热芯体(2)方向设置的锥体结构。
4.如权利要求3所述的适用于航空发动机板翅式换热器的进出口导流结构，其特征在于：当热端水平扩散导流板(7)或冷端水平扩散导流板(9)均有两组、热端垂直扩散导流板(8)具有四组、冷端垂直扩散导流板(10)具有两组时，所述热端水平扩散导流板(7)或冷端水平扩散导流板(9)与水平方向之间的夹角为15°；所述热端垂直扩散导流板(8)与对应接头轴线之间的夹角分别为60°和45°，所述冷端垂直扩散导流板(10)与对应接头轴线之间的夹角为30°。
5.如权利要求3所述的适用于航空发动机板翅式换热器的进出口导流结构，其特征在于：所述外壳(1)热侧或冷侧的长宽分别为L、W，长宽比λ定义为：L/W；所述外壳(1)热侧的长宽比为λ1＝2，冷侧的长宽比为λ2＝1.5，所述热端封头(11)或冷端封头(12)的入口端与换热芯体(2)之间的距离h大于50mm，所述热端封头(11)或冷端封头(12)入口到换热芯体(2)之间的距离与宽度β＝h/W，0.5<β<1。
6.如权利要求1所述的适用于航空发动机板翅式换热器的进出口导流结构，其特征在于：所述热端水平扩散导流板(7)、热端垂直扩散导流板(8)、冷端水平扩散导流板(9)或冷端垂直扩散导流板(10)的沿下游长度均为20mm。
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