CN117145973A - 用于滑油封严空气预冷却的阶梯式环管换热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航空发动机领域，提供了一种用于滑油封严空气预冷却的阶梯式环管换热系统，所述阶梯式环管换热系统位于涡轮机匣外涵道内，包括热交换环管、悬臂夹具，所述热交换环管夹持在所述悬臂夹具上，且所述悬臂夹具前段固定在涡轮机匣安装边上。所述热交换环管包括依次连通的入口管、多回路环管、出口管，所述多回路环管包括沿气流方向依次连通的多排半圆形回形管，所述悬臂夹具沿气流方向倾斜设置，使所述多排所述半圆形回形管与涡轮机匣外壁之间的距离沿气流方向依次增大。上述阶梯式环管换热系统的结构简单，可以在引气流路上对轴承腔滑油封严的空气进行预冷却，从而实现稳定且可靠的降低用于轴承腔滑油封严的空气温度。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机领域，涉及滑油封严空气冷却设计技术，具体涉及一种用于滑油封严空气预冷却的阶梯式环管换热系统。
背景技术
航空发动机轴承腔内存在有大量用于轴承润滑冷却的滑油，为了防止滑油向发动机盘腔泄漏，需要在轴承腔与外围空气腔之间设置密封装置，并从发动机压缩部件引出空气通往密封装置，以便在密封装置两侧建立合适的封严压差防止滑油通过密封装置泄漏，上述封严压差过大或过小都会造成不可接受的滑油泄漏。此外，由于轴承腔内滑油工作温度受限，为了防止大量热量传递至滑油系统，用于滑油密封的空气温度不能超过限制温度。
为了同时满足滑油封严对压力和温度的限制要求，当前常用的设计方案是：当发动机处于较小的工作状态或在高空低速飞行时，压气机引气压力较小，可以选择靠近压气机出口位置引气防止轴承腔滑油封严压差过小；当发动机处于较大的工作状态时，压气机引气压力和温度均较高，选择靠近压气机进口位置引气防止轴承腔滑油封严压差过大和温度过高。上述方案需通过结构复杂的引气转换装置来实现，但是由于面临着从靠近压气机出口位置引气时温度高的问题，且需要通过电驱动或液压驱动进行工作，使得引气转换装置在实际应用中常出现高温环境下转换异常的情形，难以满足滑油封严空气温度的可靠调节。
发明内容
为了解决现有引气转换装置在实际应用中带来的系统结构复杂及高温环境下工作可靠性差，难以满足滑油封严空气温度调节的问题，本发明设计了一种用于滑油封严空气预冷却的阶梯式环管换热系统，该阶梯式环管换热系统的结构简单，可以在引气流路上对轴承腔滑油封严的空气进行预冷却，从而实现稳定且可靠的降低用于轴承腔滑油封严的空气温度。
实现发明目的的技术方案如下：一种用于滑油封严空气预冷却的阶梯式环管换热系统，所述阶梯式环管换热系统位于涡轮机匣外涵道内，包括热交换环管、悬臂夹具，所述热交换环管夹持在所述悬臂夹具上，且所述悬臂夹具前段固定在涡轮机匣安装边上。
其中，所述热交换环管包括依次连通的入口管、多回路环管、出口管，所述多回路环管包括沿气流方向依次连通的多排半圆形回形管。
所述悬臂夹具沿气流方向倾斜设置，使多排所述半圆形回形管与涡轮机匣外壁之间的距离沿气流方向依次增大。
进一步的，所述出口管位于所述入口管沿气流方向的后方；所述多回路环管有两组，两组所述多回路环管对称设置在所述入口管或所述出口管两侧。
更进一步的，所述多回路环管为四回路环管。
进一步的，所述多回路环管中第一排所述半圆形回形管与所述涡轮机匣之间具有间距。
更进一步的，所述悬臂夹具为一端开口的板状结构。
优选地，所述悬臂夹具的倾斜角度为5°～30°。
进一步的，所述入口管上设有节流嘴，所述出口管为两端带球头的圆形通气管。
进一步的，所述入口管和所述出口管均为丁字结构的三通管。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计的阶梯式环管换热系统，可以实现航空发动机轴承腔滑油封严空气的预冷却，能够降低用于轴承腔滑油封严的空气温度。同时，沿气流方向倾斜设置的多排半圆形回形管设计能够解决上游环管外侧气流温升及流场弱化下游环管外换热的关键技术问题。
同时，该阶梯式环管换热系统设置在涡轮机匣外侧的凹陷区域，能够避免其对外涵流动影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明具体实施方式中阶梯式环管换热系统的示意图；
图2为本发明具体实施方式中热交换环管的立体图；
其中，1、热交换环管；2、悬臂夹具；11、入口管；12、多回路环管；13、出口管；100、涡轮机匣；121、半圆形回形管；3、螺栓。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
本具体实施方式公开了一种用于滑油封严空气预冷却的阶梯式环管换热系统，参见图1所示，所述阶梯式环管换热系统位于涡轮机匣100外涵道内，包括热交换环管1、悬臂夹具2，所述热交换环管1夹持在所述悬臂夹具2上，且所述悬臂夹具2前段经螺栓3固定在涡轮机匣100安装边上。
在本实施例中，参见图1所示，为了避免所述阶梯式环管换热系统对外涵道中气流流动的影响，将所述阶梯式环管换热系统设置在涡轮机匣100外侧的凹陷区域，也就是机匣壁面距离发动机轴心距离小的位置。
其中，参见图2所示，所述热交换环管1包括依次连通的入口管11、多回路环管12、出口管13，所述多回路环管12包括沿气流方向依次连通的多排半圆形回形管121。
所述悬臂夹具2沿气流方向倾斜设置，使多排所述半圆形回形管与涡轮机匣100外壁之间的距离沿气流方向依次增大，例如，当第一排所述半圆形回形管121与所述涡轮机匣100之间的距离为4～5mm时，沿气流方向后面各排半圆形回形管121与所述涡轮机匣100之间的距离，可以在第一排半圆形回形管121的基础上以1mm幅度依次增加，也可以理解为使所述悬臂夹具2的倾斜角度为5°～30°。
进一步的，所述出口管13位于所述入口管11沿气流方向的后方。参见图2所示，所述多回路环管12有两组，两组所述多回路环管12对称设置在所述入口管11或所述出口管13两侧。
更进一步的，上述多回路环管12为四回路环管。
进一步的，参见图1所示，所述多回路环管12中第一排所述半圆形回形管121与所述涡轮机匣100之间具有间距。在本实施例中，多回路环管12的壁厚为0.5～1.0mm，且第一排所述半圆形回形管121与所述涡轮机匣100之间的距离为4～5mm。
更进一步的，参见图1所示，所述悬臂夹具2为一端开口的板状结构，一端开口的板状结构的悬臂夹具2夹持热交换环管1后，通过螺栓3压紧并悬空固定在涡轮机匣100安装边上。
在一个未展示附图的实施例中，所述入口管11上设有节流嘴，所述出口管13为两端带球头的圆形通气管。
在一个未展示附图的实施例中，所述入口管11和所述出口管13均为丁字结构的三通管。
上述阶梯式环管换热系统在工作时，参见图1和图2所示，高压压气机出口的引气A从入口管11进入热交换环管1内，然后向两边分流分别进入对称的两组多回路环管12，在各组多回路环管12的多排半圆形回形管121内流通，与涡轮机匣100外涵道内冷气B进行热交换使得引气A的温度降低后，从出口管13排出后形成封严用气C用于轴承腔滑油封严。
上述阶梯式环管换热系统，可以实现航空发动机轴承腔滑油封严空气的预冷却，能够降低用于轴承腔滑油封严的空气温度。同时，多排沿气流方向倾斜设置的半圆形回形管设计能够解决上游环管外侧气流温升及流场弱化下游环管外换热的关键技术问题。同时，该阶梯式环管换热系统设置在涡轮机匣外侧的凹陷区域，能够避免其对外涵流动影响。
本具体实施方式还提供了一种阶梯式环管换热分析方法，包括：
S1、采用通用方法建立热交换环管1外壁面冷气流动的二维CFD计算模型；
在二维CFD计算模型中，将热交换环管1的外壁面温度设置为热气进口温度；
S2、通过二维CFD计算模型，获取热交换环管1的外壁面的对流换热系数分布；
S3、依据热交换环管1的周向面积，对流换热系数分布进行加权平均，获取对流换热系数；
S4、采用通用方法建立热交换环管1内部流动的一维网络法计算模型，将对流换热系数作为一维网络法计算模型中热交换环管1外壁面冷气流动的输入参数，输出热交换环管1的外壁面温度，并将这个温度作为二维CFD计算模型中热交换环管外壁面温度输入参数
S5、重复步骤S3和步骤S4进行迭代计算，直至相邻两轮一维网络法计算模型输出的得到的热交换环管1外壁面温度相差不大于1K；
S6、采用通用方法建立热交换环管内壁面热气流动的三维CFD计算模型，对热交换环管内部流动的一维网络法计算结果进行验证。
上述阶梯式环管换热分析方法，能够快速有效的评价所述阶梯式环管换热系统的换热性能，为阶梯式环管换热系统的优化设计提供技术支持。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种用于滑油封严空气预冷却的阶梯式环管换热系统，所述阶梯式环管换热系统位于涡轮机匣(100)外涵道内，其特征在于：包括热交换环管(1)、悬臂夹具(2)，所述热交换环管(1)夹持在所述悬臂夹具(2)上，且所述悬臂夹具(2)前段固定在涡轮机匣(100)安装边上；
所述热交换环管(1)包括依次连通的入口管(11)、多回路环管(12)、出口管(13)，所述多回路环管(12)包括沿气流方向依次连通的多排半圆形回形管；
所述悬臂夹具(2)沿气流方向倾斜设置，使多排所述半圆形回形管与涡轮机匣(100)外壁之间的距离沿气流方向依次增大。
2.根据权利要求1所述的用于滑油封严空气预冷却的阶梯式环管换热系统，其特征在于：所述出口管(13)位于所述入口管(11)沿气流方向的后方；所述多回路环管(12)有两组，两组所述多回路环管(12)对称设置在所述入口管(11)或所述出口管(13)两侧。
3.根据权利要求1或2所述的用于滑油封严空气预冷却的阶梯式环管换热系统，其特征在于：所述多回路环管(12)为四回路环管。
4.根据权利要求1所述的用于滑油封严空气预冷却的阶梯式环管换热系统，其特征在于：所述多回路环管(12)中第一排所述半圆形回形管与所述涡轮机匣(100)之间具有间距。
5.根据权利要求1或4所述的用于滑油封严空气预冷却的阶梯式环管换热系统，其特征在于：所述悬臂夹具(2)为一端开口的板状结构。
6.根据权利要求5所述的用于滑油封严空气预冷却的阶梯式环管换热系统，其特征在于：所述悬臂夹具(2)的倾斜角度为5°～30°。
7.根据权利要求1所述的用于滑油封严空气预冷却的阶梯式环管换热系统，其特征在于：所述入口管(11)上设有节流嘴，所述出口管(13)为两端带球头的圆形通气管。
8.根据权利要求1所述的用于滑油封严空气预冷却的阶梯式环管换热系统，其特征在于：所述入口管(11)和所述出口管(13)均为丁字结构的三通管。
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