CN101705870A - 一种适用于燃气涡轮发动机的空-油换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明针对航空燃气涡轮发动机技术发展的需要，设计了一种适用于航空燃气涡轮发动机的管壳式空-油换热器，通过利用航空煤油对发动机用冷却空气进行冷却，可以大幅度提高冷却空气的冷却品质，满足高性能航空涡轮发动机高涡轮前温度的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于航空燃气涡轮发动机的空-油换热器，用于对涡轮用冷却空气进行冷却，以提高冷却空气的冷却品质。冷却介质是航空发动机的燃油，燃油吸热后进入燃烧室进行燃烧，它可用于高性能航空燃气涡轮发动机中。
背景技术
航空发动机的发展体现了一个国家的综合国力，在国家的经济建设和国防建设上有着举足轻重的地位。为改善航空发动机的性能，实现更高的推重比、降低油耗以及提高稳定性，在热力学方面的主要方法就是不断提高涡轮前的温度以及在此基础上提高发动机的增压比。图1为航空发动机涡轮前温度以及材料耐温能力的逐年变化趋势。
从图1可以看到，涡轮前平均温度从上个世纪五十年代的1100K发展到今天接近2000K，该温度已经远远超过了目前材料所能承受的范围。为保证涡轮等高温部件能可靠稳定的工作，国内外研究者一直致力于冷却技术的发展与改进，以此提高涡轮前温度。尽管新的冷却技术层出不穷，但是以此来大幅度提高涡轮前温度已经很困难。另一方面，随着未来航空发动机性能的不断提高，涡轮前的温度还在不断升高，预期2020年达到2200K，压比将提升到30以上此时压气机出口引气的温度将可能达到900K。为满足航空发动机所用冷却气体压力的需要，冷却气体一般需要从高压压气机后提取，直接从压气机出口引气来冷却热端部件(增压比30时，压气机出口气体的温度将达到900K)，势必难以达到预期的效果，给航空发动机热端部件的稳定工作带来极大的挑战。采取措施降低航空发动机的冷却空气的温度，提高冷却空气的冷却品质具有重要意义。
换热器是热量交换的通用设备。管壳式换热器由于其适用的操作温度和压力范围较大，制造成本低，清洗方便，工作可靠，成为应用最为广泛的一种换热器。但是民用换热器一般只考虑其换热量大小以及换热效果，往往通过增加体积和重量来增加换热面积，如一般民用换热器在自重200kg条件下仅获得5m2左右的换热面积。航空发动机内部的高温、以及空间小和重量控制的问题，使得民用换热器在航空发动机上的直接应用存在困难，航空发动机换热领域亟需一种高效、小重量的换热器。
发明内容
本发明提出了一种针对航空燃气涡轮发动机高温部件的新的冷却技术思路——采用紧凑的管壳式空-油换热器以高热容航空燃料作为冷源对航空发动机的冷却空气进行冷却，无需改变发动机结构即可提高冷却空气的冷却品质.本发明设计了一种外形为圆柱状的管壳式换热器，包括进出口的混合腔和圆环辐射状排列布置的不锈钢管束，同时以燃烧室内环作为换热器外壳.所述不锈钢管束采用根直径2-4mm、壁厚0.2-0.4mm的钢管组成，不锈钢管束采用叉排布置，该换热器安装于发动机燃烧室之前，航空燃油经换热器进入燃烧室，管内流体为航空燃油，其流动方向与空气流动方向相反，其特征在于：单根不锈钢管轴向形状为蛇形，弯头回转角度为180°，从而每根不锈钢管形成多段换热管，同排的管间夹角为0.667°，蛇形管回转半径为2.2mm，在发动机径向方向的高度为75mm，回转次数为16，换热器在发动机的轴向跨度为72.65mm，管排间距为4.4mm，换热器进出口分别安装有一个圆环形混合腔，换热器外径小于350mm.
工作时，较高温度的空气流过换热器管束，与换热管外壁面进行对流换热，通过换热管的导热以及换热管内壁面与航空燃油的对流换热，空气将热量传递给管内温度较低的航空发动机燃油，从而实现发动机用冷却空气的冷却。
本发明的优点在于：
1.燃料本身具有很大的吸热能力，除其自身物理热沉外，还可以通过其化学反应吸热，以美国JP8军用航空煤油为例，如图2所示，1kg该航空煤油从常温298K加热到800K，吸热量高达1600kJ；
2.采用本发明结构参数设计的换热器，其换热效率比普通的民用管束换热器换热效率大幅度提高，并且结构设计紧凑，完全可以内嵌于燃烧室内环，并在总重不超过15kg的条件下
获得了8m2的换热面积，使得换热器在航空发动机的应用变成现实；
3.采用本申请的换热器，可以适应航空发动机环形腔结构的要求，使发动机本身的结构并不需要改变，可在高性能航空发动机上应用，也可在现有的发动机上直接应用而无需改变结构，延长现有发动机的寿命。
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
附图说明
图1航空发动机涡轮前温度以及材料耐温程度的逐年变化趋势
图2美军用航空煤油JP-8航空煤油的热沉
图3空-油换热器实体图
图4换热蛇形管轴向示意图
图5单排换热管周向布置示意图(局部)
图6换热管叉排布置示意图(局部)
图7换热逆流结构示意图。
图8换热器在发动机内安装位置示意图
具体实施方式
参见图3，换热器包括进出口的混合腔和圆环辐射状排列布置的不锈钢管束，不锈钢管束由直径约2-4mm，壁厚0.2-0.4mm的不锈钢管呈圆环辐射状排列布置组成，为保证各换热管内流体压力温度等参数基本一致，换热管进出口分别设计了一个圆环形混合腔；
参见图4，单根换热管轴向形状为蛇形，弯头回转角度为180°；
参见图5，换热管在发动机周向蛇形弯曲为多段，相邻段的管之间的夹角为0.667°，蛇形管回转半径为2.2mm，径向方向的高度为75mm，回转次数为16，换热器在发动机的轴向跨度为72.65mm，管排间距为4.4mm；
参见图6，根据传热学知识，相同的条件下，由于叉排时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲流动中流动，比顺排时流动扰动剧烈，一般情况下换热比顺排强，由于航空发动机对换热器空间和质量的要求，换热管采用叉排布置；
参见图7，根据传热学原理，相同的进出口条件下，逆流的平均温压最大，顺流的平均温压最小，采用逆流布置，即航空燃油与空气流动方向相反；
参见图8，空-油换热器安装于燃烧室进口之前，并可内嵌于燃烧室中。通过与冷却空气换热后，航空燃油温度可由400K提高到750K，在航空发动机管路5MPa压力下，航空燃油将达到超临界状态。在超临界下，煤油的雾化和燃烧性能会有很大改善，与传统燃烧室相比采用超临界燃烧室不需要对燃油进行雾化，可以缩短其长度，减小燃烧室质量。
表1根据某型发动机的参数，针对管壳式空/油换热器进行了初步参数设计，通过计算表明，采用空有换热器可将发动机冷却空气温度由900K降低到700K，同时将燃烧室入口航空燃料由400K加热到750K，同时空油换热器总重不超过15kg，达到了预期目标。
值得提出的是，基于本发明的设计构思，其换热器外形可以不受本发明公开所限制，其余结构均在本发明的保护范围之内。
表1 空/油换热器设计结构参数
| 计算参数 | 计算结果 |
| 换热管规格 | Φ2.2×0.2 |
| 换热管材料 | 1Cr18Ni9Ti |
| 换热管形状 | 蛇形管 |
| 换热管数目 | 2×540 |
| 管排排列方式 | 叉排 |
| 换热器流动方式 | 逆流 |
| 同排管夹角° | 0.667 |
| 蛇形管总长mm | 1160 |
| 蛇形管回转角度° | 180 |
| 蛇形管回转半径mm | 2.2 |
| 蛇形管回转次数 | 16 |
| 蛇形管高度mm | 75 |
| 蛇形管跨度mm | 72.65 |
| 换热管排间距mm | 4.4 |
| 计算参数 | 计算结果 |
| 换热管总重(kg) | 12.28 |
Claims (2)
1.一种适用于航空燃气涡轮发动机的空-油换热器：包括进出口的混合腔和圆环辐射状排列布置的不锈钢管束，同时以燃烧室内环作为换热器外壳。所述不锈钢管束采用根直径2-4mm、壁厚0.2-0.4mm的钢管组成，不锈钢管束采用叉排布置，该换热器安装于发动机燃烧室之前，航空燃油经换热器进入燃烧室，管内流体为航空燃油，其流动方向与空气流动方向相反，其特征在于：单根不锈钢管轴向形状为蛇形，弯头回转角度为180°，从而每根不锈钢管形成多段换热管，同排的管夹角为0.667°，蛇形管回转半径为2.2mm，在发动机径向方向的高度为75mm，回转次数为16，换热器在发动机的轴向跨度为72.65mm，管排间距为4.4mm，换热器进出口分别安装有一个圆环形混合腔，换热器外径小于350mm。
2.根据权利要求1所述的空-油换热器，其特征在于，换热器安装于燃烧室之前，航空燃料经换热器进入燃烧室。
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Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104101239A (zh) * | 2014-07-02 | 2014-10-15 | 北京航空航天大学 | 一种超临界微小尺度紧凑快速换热器 |
| CN104612834A (zh) * | 2014-11-27 | 2015-05-13 | 北京航空航天大学 | 一种适用于航空发动机的螺旋管式换热器 |
| CN109026398A (zh) * | 2018-05-30 | 2018-12-18 | 四川大学 | 一种航空发动机用冷却气体的获取方法 |
| CN110486818A (zh) * | 2019-08-22 | 2019-11-22 | 青岛海尔空调器有限总公司 | 柜式空调室内机 |
| CN111075573A (zh) * | 2019-12-03 | 2020-04-28 | 哈尔滨工程大学 | 一种舰船燃气轮机柴油闪蒸喷雾*** |
| CN112228226A (zh) * | 2020-10-16 | 2021-01-15 | 中国航发四川燃气涡轮研究院 | 一种航空发动机涡轮转子冷却热管理*** |
| CN112833685A (zh) * | 2021-01-05 | 2021-05-25 | 清华大学 | 适用于航空发动机的螺旋缠绕管空油换热器 |
| CN112833686A (zh) * | 2021-01-05 | 2021-05-25 | 清华大学 | 适用于航空发动机的扁管翅片空油换热器 |
| CN112880446A (zh) * | 2021-01-29 | 2021-06-01 | 华南理工大学 | 一种抑制航空煤油高温结焦的发动机换热管及其应用 |
| CN112963861A (zh) * | 2021-03-11 | 2021-06-15 | 哈尔滨工业大学 | 一种换热面积可分配式双燃料预冷器 |
| CN113722900A (zh) * | 2021-08-20 | 2021-11-30 | 北京航空航天大学 | 一种航空换热器非设计点性能设计与分析方法 |
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Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104101239A (zh) * | 2014-07-02 | 2014-10-15 | 北京航空航天大学 | 一种超临界微小尺度紧凑快速换热器 |
| CN104612834A (zh) * | 2014-11-27 | 2015-05-13 | 北京航空航天大学 | 一种适用于航空发动机的螺旋管式换热器 |
| CN109026398A (zh) * | 2018-05-30 | 2018-12-18 | 四川大学 | 一种航空发动机用冷却气体的获取方法 |
| CN110486818B (zh) * | 2019-08-22 | 2023-03-21 | 青岛海尔空调器有限总公司 | 柜式空调室内机 |
| CN110486818A (zh) * | 2019-08-22 | 2019-11-22 | 青岛海尔空调器有限总公司 | 柜式空调室内机 |
| CN111075573A (zh) * | 2019-12-03 | 2020-04-28 | 哈尔滨工程大学 | 一种舰船燃气轮机柴油闪蒸喷雾*** |
| CN112228226A (zh) * | 2020-10-16 | 2021-01-15 | 中国航发四川燃气涡轮研究院 | 一种航空发动机涡轮转子冷却热管理*** |
| CN112833685A (zh) * | 2021-01-05 | 2021-05-25 | 清华大学 | 适用于航空发动机的螺旋缠绕管空油换热器 |
| CN112833686A (zh) * | 2021-01-05 | 2021-05-25 | 清华大学 | 适用于航空发动机的扁管翅片空油换热器 |
| CN112880446A (zh) * | 2021-01-29 | 2021-06-01 | 华南理工大学 | 一种抑制航空煤油高温结焦的发动机换热管及其应用 |
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Application publication date: 20100512 |