CN112664323B - 一种可变流程的高速流体换热器结构 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种可变流程的高速流体换热器结构，其为由多个扇形传热单元依次首尾相接组成的环状结构，该环状结构中部形成圆管；每个扇形传热单元均由奇数层传热层叠加组成，该奇数不小于三；传热层包括换热流道块、进口联箱和出口联箱，进口联箱和出口联箱分别连接口连接管和出口连接管，在进口连接管和出口连接管上的指定位置设置一系列进口阀门和出口阀门，并通过开关这些阀门可以实现冷却剂流动的完全并联模式、完全串联模式和混联模式之间的切换；根据发动机的不同飞行阶段采用不同的模式；在加速爬升阶段采用完全并联模式，在匀速平飞巡航阶段采用串联模式。本发明的换热器结构可兼顾高速发动机不同飞行阶段对换热器的不同要求。

Description

一种可变流程的高速流体换热器结构

技术领域

本公开涉及高速发动机预冷换热器技术领域，尤其涉及一种可变流 程的高速流体换热器结构。

背景技术

飞行器的高速化具有极其重要的军用和民用价值。航空涡轮发动机 具有的水平起降、可重复使用和高比冲的特点，是主流的航空发动机方 案。然而，气动加热效应使现代先进航空涡轮发动机的飞行极限通常限 制在Ma2.5。想要进一步提升涡轮机的飞行速度，主要方案之一是采用换 热器结构对冲压进气进行冷却，涡轮机进口气流温度降低，抵消高速飞 行时气动加热效应造成的进气温度升高，使涡轮机可以在更高的速度下 飞行。

英国REI公司的“弯刀”和“佩刀”发动机的预冷***最有代表性，预 冷器(可查阅文献AIAA2011-2244等)，预冷器共由16000根薄壁换热毛细管 组成，换热毛细管直径仅为0.88mm，壁厚0.04mm，总长达到20km；内部为 超临界氦作为冷却剂，具有极高的内部压力。换热系数与通道直径成反比，毛 细管直径减小使其具有极强的冷却能力，但其缺点是加工难度大，尤其是对毛 细管的焊接工艺提出极高的要求，因为一方面管内部压力大(约200bar[Varvill R.Heat exchanger development at Reaction Engines Ltd[R].No.IAC-08-C4.5.2, 2008.])、另一方面毛细管壁厚极小，密布的毛细管焊点对焊接技术提出了巨大 的挑战。

就应用场景而言，高速飞行器的一个飞行周期主要包括“起飞—加 速爬升—匀速平飞巡航—下降”等环节，最关键的是加速爬升和匀速平 飞巡航两个状态。通常在加速爬升过程中要求换热器的热功率是匀速平 飞巡航过程的2～3倍，但由于前者过程时间短(通常为10分钟)，可以 不计冷却剂(即传热***的最终冷源，通常是液氢燃料)流量消耗；而匀速平飞过程时间长(通常为数小时)，要求冷却剂尽可能的升高温度以 减少冷却热沉流量。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种可变流程 的高速流体换热器结构，可根据发动机的不同飞行速度进行模式切换， 能够兼顾高速飞行器的加速爬升和匀速平飞巡航两个阶段对换热器的需 求。

为实现上述目的，本公开采用了如下技术方案：

一种可变流程的高速流体换热器结构，其为由多个扇形传热单元依 次首尾相接组成的环状结构，该环状结构中部形成圆管；每个扇形传热 单元均由奇数层传热层叠加组成，该奇数不小于三；

所述传热层包括换热流道块、进口联箱和出口联箱；换热流道块的 弧面上分布有多条流体通道，换热流道块内部设置有多条冷却剂通道， 流体通道与冷却剂通道相互平行，并向扇形传热单元的轴向延伸；进口 联箱和出口联箱分别连接在换热流道块的两侧，并且分别与各冷却剂通 道的两端相联通；

各层传热层的进口联箱之间通过进口连接管相互联通，由第奇数层 传热层流往第偶数层传热层的进口连接管上设置有进口阀门；

各层传热层的出口联箱之间通过出口连接管相互联通，由第偶数层 传热层流往第奇数层传热层的出口连接管上设置有出口阀门。

根据本公开的至少一个实施方式，所述环状结构上位于同一层传热 层上的各个进口联箱彼此相联通，位于同一层传热层上的各个出口联箱 也彼此相联通。

根据本公开的至少一个实施方式，所述进口连接管与进口联箱的外 侧相接。

根据本公开的至少一个实施方式，所述出口连接管与出口联箱的外 侧相接。

根据本公开的至少一个实施方式，每个传热层由进口联箱、出口联 箱、换热流道块三者一体加工而成。

根据本公开的至少一个实施方式，每个扇形传热单元中各传热层之 间的流体通道均相通。

根据本公开的至少一个实施方式，所述冷却剂通道内流通的换热介 质为液体。

根据本公开的至少一个实施方式，所述流体通道内流通的换热介质 为气体或液体。

相比于现有技术，本公开的优势在于：

本公开揭示的一种可变流程的高速流体换热器结构，用于高速气流 和低温液体工质的换热，在进口连接管和出口连接管上的指定位置设置 一系列进口阀门和出口阀门，并通过开关这些阀门可以实现冷却剂流动 的完全并联模式、完全串联模式和混联模式之间的切换；根据发动机的 不同飞行阶段采用不同的模式；在加速爬升阶段采用完全并联模式，以 实现最大换热功率；在匀速平飞巡航阶段采用串联模式，以实现最小燃 料消耗。本发明的换热器结构可兼顾高速发动机不同飞行阶段对换热器 的不同要求。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本 公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且 附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本发明一种可变流程的高速流体换热器结构的示意图。

图2是图1的侧视图。

图3是图2去掉进口联箱和出口联箱之后的示意图。

图4是本发明中扇形传热单元的示意图。

图5是本发明中进口联箱与进口连接管的连接示意图。

图6是本发明冷却剂流动完全并联模式示意图。

图7是本发明冷却剂流动完全串联模式示意图。

图8是本发明冷却剂流动混联模式示意图。

附图标记：扇形传热单元100，传热层110，换热流道块111，流体 通道1111，冷却剂通道1112，进口联箱112，出口联箱113，进口连接管200，出口连接管300，进口阀门400，出口阀门500。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解 的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开 的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公 开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方 式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明 本公开。

如图1至5所示，一种可变流程的高速流体换热器结构，其为由多 个扇形传热单元100依次首尾相接组成的环状结构，该环状结构中部形 成圆管；每个扇形传热单元100均由奇数层传热层110叠加组成，该奇 数不小于三，可采用3、5或者7层；

传热层110包括换热流道块111、进口联箱112和出口联箱113；每 个传热层由进口联箱112、出口联箱113、换热流道块111三者一体加工 而成；换热流道块111的弧面上分布有多条流体通道1111，换热流道块 内部设置有多条冷却剂通道1112，流体通道1111与冷却剂通道1112相 互平行，并向扇形传热单元的轴向延伸；进口联箱112和出口联箱113 分别连接在换热流道块111的两侧，并且分别与各冷却剂通道1112的两 端相联通；进口联箱112与出口联箱113的结构相同。

各层传热层的进口联箱112之间通过进口连接管200相互联通，由 第奇数层传热层流往第偶数层传热层的进口连接管上设置有进口阀门；

各层传热层的出口联箱113之间通过出口连接管300相互联通，由 第偶数层传热层流往第奇数层传热层的出口连接管上设置有出口阀门。

环状结构上位于同一层传热层上的各个进口联箱112彼此相联通， 位于同一层传热层上的各个出口联箱113也彼此相联通。

进口连接管200与进口联箱112的外侧相接。

出口连接管300与出口联箱113的外侧相接。

每个扇形传热单元中各传热层之间的流体通道1111均相通。

冷却剂通道1112内流通的换热介质为液体，如水、乙二醇、液态金 属等。

流体通道1111内流通的换热介质可以为气体或液体，本实施例以气 体进行说明。

本申请的换热器结构可应用于板翅式换热器、管翅式换热器或管式 换热器中。

当本申请的换热器结构应用于高速航空发动机时，对高速气流的冷 却过程如下：

如图4所示，小箭头代表冷却剂流动方向，大箭头代表气体流动方 向；冷却剂由进口连接管进入到进口联箱中，然后经过冷却剂通道流到 出口联箱中，最后再由出口连接管排出；各层传热层的冷却剂通道之间 通过进口连接管和出口连接管形成平行通路，可供冷却剂流通，用于高 速气流和冷却剂的换热；环状结构外部的高温气体从环状结构外部经过流体通道进行降温后，流入到环状结构中部的圆管中，然后气体再沿着 圆管流入后侧的涡轮发动机，实现对高速气体的换热。

传热层为5层的换热器机构的冷却剂流动模式切换方法：

1、完全并联模式：如图6所示，将进口阀门400和出口阀门500全 部打开；

2、完全串联模式：如图7所示，将进口阀门400和出口阀门500全 部关闭；

3、混联模式：如图8所示，仅打开部分进口阀门400或出口阀门500；

图6至图8中，箭头方向为冷却剂流动方向，“√”代表阀门为打开 状态，“×”代表阀门为关闭状态。

根据发动机的不同飞行阶段采用不同的模式：

在发动机加速爬升阶段采用完全并联模式，冷却剂单向流动，即单 流程换热器，好处是流量大、换热端茶大，换热能力强，以实现冷却剂 的最大换热功率；

在发动机匀速平飞巡航阶段采用完全串联模式，冷却剂折返数次， 形成多流程换热器，好处是冷却剂可以充分的升温以发挥冷却作用，可 以尽可能的减少冷却剂的需求。

在发动机的中间状态，还可以根据需要选择混联模式，兼顾两者的 优点，以满足发动机不同飞行阶段对换热器的不同要求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/ 方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/ 方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少 一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不 必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、 材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书 中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进 行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗 示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第 一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请 的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明 确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明 本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员 而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化 或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (8)

1.一种可变流程的高速流体换热器结构，其特征在于，其为由多个扇形传热单元依次首尾相接组成的环状结构，该环状结构中部形成圆管；每个扇形传热单元均由奇数层传热层叠加组成，该奇数不小于五；

所述传热层包括换热流道块、进口联箱和出口联箱；换热流道块的弧面上分布有多条流体通道，换热流道块内部设置有多条冷却剂通道，流体通道与冷却剂通道相互平行，并向扇形传热单元的轴向延伸；进口联箱和出口联箱分别连接在换热流道块的两侧，并且分别与各冷却剂通道的两端相联通；

各层传热层的进口联箱之间通过进口连接管相互联通，由第奇数层传热层流往第偶数层传热层的进口连接管上设置有进口阀门；

各层传热层的出口联箱之间通过出口连接管相互联通，由第偶数层传热层流往第奇数层传热层的出口连接管上设置有出口阀门；

当航空发动机处于加速爬升状态，所述进口阀门和所述出口阀门均打开，使任意相邻两层所述传热层之间并联；

当航空发动机处于匀速平飞巡航状态，所述进口阀门和所述出口阀门均关闭，使任意相邻两层所述传热层之间串联；

当航空发动机处于中间状态，所述进口阀门和所述出口阀门均至少部分打开，使所述传热层之间混联。

2.如权利要求1所述的可变流程的高速流体换热器结构，其特征在于：所述环状结构上位于同一层传热层上的各个进口联箱彼此相联通，位于同一层传热层上的各个出口联箱也彼此相联通。

3.如权利要求1所述的可变流程的高速流体换热器结构，其特征在于：所述进口连接管与进口联箱的外侧相接。

4.如权利要求1所述的可变流程的高速流体换热器结构，其特征在于：所述出口连接管与出口联箱的外侧相接。

5.如权利要求1所述的可变流程的高速流体换热器结构，其特征在于：每个传热层由进口联箱、出口联箱、换热流道块三者一体加工而成。

6.如权利要求1所述的可变流程的高速流体换热器结构，其特征在于：每个扇形传热单元中各传热层之间的流体通道均相通。

7.如权利要求1所述的可变流程的高速流体换热器结构，其特征在于：所述冷却剂通道内流通的换热介质为液体。

8.如权利要求1所述的可变流程的高速流体换热器结构，其特征在于：所述流体通道内流通的换热介质为气体或液体。

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