CN104141527B - 一种涡轮增压器级间换热方法 - Google Patents

一种涡轮增压器级间换热方法 Download PDF

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Abstract

一种涡轮增压器级间换热方法，在两级涡轮增压器级间采用超临界微小尺度换热器对涡轮增压器级间的空气进行冷却；空气通过第一级涡轮增压器压缩，压缩后的空气被超临界微小尺度换热器冷却后，再经过第二级涡轮增压器压缩，压缩后的空气流向气缸；超临界微小尺度换热器包括换热元件和两种工质，两种工质中的一种工质采用超临界状态流体，另一种工质不限；本发明具有换热效率高，响应速度快的特点，同时结合微小尺度孔，单位体积换热面积大的优势，实现微小尺度流动换热，最终实现了超高的换热效率，同时保持了较低的重量。

Description

一种涡轮增压器级间换热方法
技术领域
本发明涉及一种新的涡轮增压器级间换热方法，主要用于对活塞发动机两级涡轮增压器级间空气进行冷却，从而改善活塞发动机的工作性能。
背景技术
进一步增加活塞发动机的功率，同时提高发动机的效率一直是活塞发动机的发展目标。而采用双级涡轮增压器是实现这一目标的有效方法。但采用双级涡轮增压器后，一级涡轮增压器出口的气体温度会大幅提高，从而不利于二级涡轮增压器进行压缩，因此需要对涡轮增压器级间进行冷却。目前常规的涡轮增压器级间冷却方法主要是采用中冷器进行冷却，但这种冷却方式存在着很多缺陷：中冷器的体积和质量较大，换热速度慢，使得整体的冷却效果不佳。
对于航空活塞发动机而言，由于高空气体稀薄，为了增加气缸的进气量，一般都会采用涡轮增压器，而航空发动机对于重量有着极其苛刻的要求，因此采用多孔微尺度换热器，从而提高涡轮级间热效率，同时又降低其重量，对于航空活塞发动机有着非常重要的意义。
发明内容
本发明技术解决问题：在原有的涡轮增压器级间换热布局的基础上，提供一种涡轮增压器级间换热方法，采用新型的多孔微尺度换热器，该方法能够有效实现涡轮增压器级间冷却，并具有重量轻、响应快、换热效率和换热强度高等优点。
本发明所提供的技术方案是：一种涡轮增压器级间换热方法，如图2所示，在两级涡轮增压器级间采用超临界微小尺度换热器对涡轮增压器级间的空气进行冷却；在工作时，空气通过第一级涡轮增压器压缩，压缩后的空气被超临界微小尺度换热器冷却后，再经过第二级涡轮增压器压缩，压缩后的空气流向气缸，完成涡轮增压器级间换热；所述超临界微小尺度换热器包括换热元件和两种工质，所述两种工质通过换热元件进行换热，所述两种工质中的一种工质采用超临界状态流体，另一种工质不限；所述换热元件的尺寸属微小尺度范畴；所述超临界状态流体是指工质的压力至少高于0.5MPa，温度高于临界温度至少200度；所述微小尺度是指基本换热单元的几何尺度不大于2毫米。
所述换热元件的几何结构是圆形、方形或椭圆形。
所述换热器是单个或多个换热元件的组合。
所述多个换热元件的组合选用典型的组合形式中的一种或数种组合形成成，也可选用非典型的几何结构形式；或选用典型的几何结构形式与非典型的结合结构形式相互优化组合形成；所述典型的组合形式包括螺旋形结构和波纹板结构。
所述换热元件的材料为高温合金。
根据需要，在所述换热器表面采用强化换热涂层或表面改性处理以强化换热。
所述强化换热涂层为包含金的涂层；所述表面改性处理采用化学气相沉积方法。
所述冷却工质使用液体或气体工质，但冷却工质应该密封，以保证其洁净，不会造成微尺度小孔的堵塞。
本发明与现有技术相比优点在于：
(1)本发明在传统的涡轮增压器级间冷却基础上，采用新型超临界微小尺度换热器，换热器中使用多孔微小尺度几何结构实现微小尺度流动换热，以使换热面积增加，换热效率提高，同时保持低的重量；换热器结构紧凑体积小质量轻，节约了设备空间，同时也减轻换热器的重量，重量通常仅为传统换热器的10％-20％。
(2)本发明采用超临界微小尺度换热器，降低了第二级涡轮增压器的工作温度，进而降低了压气机对材料、工艺方面的要求，延长了工作寿命，增强了安全性和稳定性。
(3)本发明采用超临界微小尺度换热器，能够最大限度提高气缸的进口流量，从而最大限度提高发动机的功率。
(4)本发明采用超临界微小尺度换热器，能够最大限度的降低第二级涡轮进口的温度，从而使得第二级涡轮增压器更加容易工作，从而可以提高发动机的效率。
附图说明
图1原双级涡轮增压器级间换热示意图；
图2为本发明双级涡轮增压器级间换热示意图；
图3为本发明换热器换热元件的具体几何结构示意图；其中a是方形几何结构示意图，b是椭圆形几何结构示意图，c是圆形几何结构示意图；
图4为换热器换热元件波纹板结构具体组合形式示意图；
图5为换热器换热元件螺旋形结构具体组合形式示意图；
图6为本发明实施例1的换热器结构示意图，A为换热器正向示意图，B为局部放大图。
具体实施方式
本发明可用于所有多级涡轮增压器的活塞发动机。本发明下述实施是在某具有双级涡轮增压器的航空活塞发动机上进行，在原有的流路中将中冷器换成超临界微小尺度换热器，其他条件不变。
该航空活塞发动机在使用多孔微尺度换热器之前，涡轮增压器的换热示意图如图1所示，在使用超临界微小尺度换热器后，本发明的涡轮增压器的换热示意图如图2。在正常工作条件下，该活塞发动机巡航速度128公里，飞行高度在19810米的续航时间为8小时，飞行高度在3660米的续航时间为24小时。若采用图1所示的换热方式，在涡轮增压器进口流量为0.1kg/s时，涡轮增压器级间的温度可下降19.5K；而当采用图2所示的超临界微小尺度换热器，冷却工质为清洁的水时，涡轮增压器的级间温度可下降37K，而且整个涡轮增压器的质量还有所下降。
本发明的原理：超临界状态流体的物理化学性质兼具气态和液态的优点，其粘性系数和扩散系数接近气态，流动损失小；而传热系数和密度等接近液态,热容大，换热能力强。所以用超临界状态介质进行换热可得到流动损失低、换热量大的换热效果。使用超临界状态流体作为工质，使换热工质热容大、换热效率高；响应速度快，能够快速应对温度变化；换热器中使用微小尺度几何结构实现微小尺度流动换热，以使换热面积增加，同时保持低的重量；换热器结构紧凑体积小质量轻，重量通常仅为传统换热器的10％-20％；换热器可以使用高温合金材料，能够在高温和高压下可靠工作；根据需要，可在换热器表面采用强化换热涂层或表面改性处理，强化换热；换热器的具体结构形式由实际情况决定。
超临界状态流体，其特点为：热容较大；容易进入超临界状态；化学成分稳定；环保无污染；安全性好，无毒性无危险性；来源广泛容易获得。所述超临界状态流体包括但不局限于氮、氦、水、二氧化碳等。
如图3所示，换热元件的几何结构可以是方形(图3中的a所示)、椭圆形(图3中的b所示)、圆形(图3中的c所示)等各种形状，其具体形状和尺寸由工作的压力、温度等决定，例如工作压力很高时需要采用圆形结构保持强度，工作压力相对较低时可以采用方形结构节省空间。
换热器可以是单个或多个换热元件的组合，组合形式可以是多样的，可选用典型的组合形式中的一种或数种组合形成，如波纹板结构(如图4所示)、螺旋形结构(如图5所示)等，图中1为主流入口，2为主流出口，3为超临界工质入口，4为超临界工质出口，也可选用非典型的几何结构形式；或选用典型的几何结构形式与非典型的结合结构形式相互优化组合形成。可以通过对具体情况的设计计算及优化得出最佳结构形式。
换热元件，材料可以采用但不限于高温合金，如GH4169等，具体材料牌号可由实际情况决定。
根据需要，可在换热器表面采用强化换热涂层或表面改性处理以强化换热，例如包含金的涂层，化学气相沉积等。
实施例1：
将超临界微尺度换热器用于某型航空活塞发动机的涡轮增压器级间，从而实现对主流空气的冷却。换热器的形状如图6所示，图6中的A为换热器正向示意图，图6中的B为局部放大图。图中1为主流入口，2为主流出口，3为超临界工质入口，4为超临界工质出口，5为换热单元，其中主流为空气，超临界工质为氮。该换热器的一种工质为空气，流量为0.1kg/s，经过换热器后主流空气温度下降37K。换热器进口空气压力为65000Pa，温度为306K，可知其物性参数为：密度0.74kg/m3，比热容1006.3J/(kg*K)，动力粘度1.9E-5，导热系数0.026。换热器使用氦作为另一种工质，氦的临界压力为0.23MPa，临界温度为5.2K，换热器中的氦压力为14MPa,温度为250K，得知其物性参数为：密度39kg/m3，比热容5239J/(kg*K)，动力粘度1.4E-5，导热系数0.11，由换热量计算得所需氦流量为0.07kg/s，温升为10K，采用微小尺度换热单元，考虑到工质的压力较高，采用微小尺度通道形式为圆形细管，超临界氦在细管内流动，基本换热单元的几何尺度即细管外径为1mm，壁厚0.1mm。换热器为多个换热元件的组合，组合方式选用典型组合形式中的螺旋形结构，超临界氦沿螺旋形圆管由内环流入从外环流出，空气沿换热器轴向通过。考虑换热器的应用环境，其总体外径取为0.4m，内径为0.2m，材料为高温合金GH4169，为增强换热，换热器外表面采用含金强化换热涂层。如果不采用微尺度换热器而采用常规的中冷器进行冷却，那么在主流空气流量为0.1kg/s，冷却工质流量为0.07kg/s时，主流空气的温度只能下降19.5K。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
显然，对于本领域的普通技术人员来说，参照上文所述的实施例还可能做出其它的实施方式。上文中的实施例都只是示例性的、而不是局限性的。所有的在本发明的权利要求技术方案的本质之内的修改都属于其所要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种涡轮增压器级间换热方法，其特征在于：在两级涡轮增压器级间采用超临界微小尺度换热器对涡轮增压器级间的空气进行冷却；在工作时，空气通过第一级涡轮增压器压缩，压缩后的空气被超临界微小尺度换热器冷却后，再经过第二级涡轮增压器压缩，压缩后的空气流向气缸，完成涡轮增压器级间换热；所述超临界微小尺度换热器包括换热元件和两种工质，所述两种工质通过换热元件进行换热，所述两种工质中的一种工质采用超临界状态流体，另一种工质不限；所述换热元件由基本换热单元组成；所述超临界状态流体是指工质的压力至少高于0.5MPa，温度高于临界温度至少200度；所述微小尺度是指是指基本换热单元横截面的外径不大于2毫米。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器级间换热方法，其特征在于：所述换热元件的几何结构是圆形、方形或椭圆形。
3.根据权利要求1所述的涡轮增压器级间换热方法，其特征在于：所述换热器是单个或多个换热元件的组合。
4.根据权利要求3所述的涡轮增压器级间换热方法，其特征在于：所述多个换热元件的组合选用典型的组合形式中的一种或数种组合形成，所述典型的组合形式包括螺旋形结构和波纹板结构。
5.根据权利要求1所述的涡轮增压器级间换热方法，其特征在于：所述的换热元件的材料为高温合金。
6.根据权利要求1所述的涡轮增压器级间换热方法，其特征在于：在所述换热器表面采用强化换热涂层或表面改性处理以强化换热。
7.根据权利要求6所述的涡轮增压器级间换热方法，其特征在于：所述强化换热涂层为包含金的涂层；所述表面改性处理采用化学气相沉积方法。
8.根据权利要求1所述的涡轮增压器级间换热方法，其特征在于：所述在两级涡轮增压器级间采用超临界微小尺度换热器对涡轮增压器级间的空气进行冷却时，采用冷却工质进行冷却，所述冷却工质使用液体或气体工质，但冷却工质应该密封，以保证其洁净，不会造成微尺度小孔的堵塞。
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