CN113027612B - 一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构及发动机 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构，包括：进气头锥、外部机匣、环形换热器和调节组件，所述环形换热器设置在所述外部机匣内部，且所述环形换热器的外侧面通过支板与所述外部机匣的内侧面固定连接，所述进气头锥设置在所述外部机匣的内部，所述调节组件与所述环形换热器固定连接，所述进气头锥与所述调节组件固定连接；本公开通过调节组件调节环形换热器和外部机匣之间的环形通道的进气量，从而达到了主动调节通过预冷换热器的空气流量的功能的目的。

Description

一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构及发动机
技术领域
本公开涉及发动机预冷换热器领域，尤其涉及一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构及发动机。
背景技术
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，使其成为高速飞行器的优选方案。目前有主要方案是采用进气预冷，即通过预冷换热器或喷水装置将涡轮机进口温度降低，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。
目前国内外在研的预冷换热器，大多是参考英国REL公司类似“游泳圈”的圆环结构的换热器，高温气体从外部沿径向穿过换热器，与之匹配的是带有进气锥的环形进气道，而这种进气道和换热器通常不具有随飞行速度的调节功能。不能主动调节通过预冷换热器的空气流量，就难以很好的满足宽速度范围（如飞行马赫数从0到4）的飞行条件对预冷换热器的要求，因为在低速飞行时空气流经换热器会产生巨大的流动阻力，严重降低发动机的推力。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构及发动机。
根据本公开的一个方面，提供一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构，包括：进气头锥、外部机匣、环形换热器和调节组件，所述环形换热器设置在所述外部机匣内部，且所述环形换热器的外侧面通过支板与所述外部机匣的内侧面固定连接，所述进气头锥设置在所述外部机匣的内部，所述调节组件与所述环形换热器固定连接，所述进气头锥与所述调节组件固定连接；
所述调节组件包括驱动轴、气流引导连杆和气流引导组件，所述驱动轴的前端与所述进气头锥的后端固定连接，所述驱动轴的前段设置在所述环形换热器内，所述环形换热器内设置有径向通道，所述气流引导连杆设置在所述径向通道内，所述气流引导连杆的内端与所述驱动轴可转动连接，所述气流引导连杆的外端与所述气流引导组件可转动连接，所述气流引导组件设置在所述环形换热器与所述外部机匣之间，且与所述环形换热器可转动连接。
具体地，所述进气头锥、所述外部机匣、所述环形换热器和所述调节组件均同轴设置，所述外部机匣与所述环形换热器之间设置有环形通道；
所述支板的数量为多个，且多个所述支板沿所述环形换热器的同轴线环形分布。
作为一个实施例，所述气流引导组件包括多个第一层盖板和多个第二层盖板，所述第一层盖板设置在所述第二层盖板的外侧，所述第一层盖板前端和所述第二层盖板的前端均与所述环形换热器的外侧面可转动连接；
所述驱动轴包括内层套筒和外层套筒，所述内层套筒设置在所述外层套筒内部，且所述内层套筒与所述外层套筒同轴设置，所述外层套筒上设置有多个呈环形分布的直通槽，所述进气头锥与所述外层套筒的前端固定连接；
所述气流引导连杆包括多个第一层连杆和多个第二层连杆，所述第一层连杆的内端与所述外层套筒可转动连接，所述第一层连杆的外端与所述第一层盖板的中部可转动连接，所述第二层连杆的内端穿过所述直通槽与所述内层套筒可转动连接，所述第二层连杆的外端与所述第二层盖板的中部可转动连接。
具体地，所述气流引导组件处于非工作状态时，所述第二层盖板设置在所述第一层盖板的内侧面，且多个所述第一层盖板组成圆筒结构；
所述气流引导组件处于半工作状态时，所述第一层盖板和所述第二层盖板组成伞状结构，所述第一层盖板的后端和所述第二层盖板的后端与所述外部机匣的内侧面之间设置有间隙；
所述气流引导组件处于全工作状态时，所述第一层盖板和所述第二层盖板组成环形结构，所述第一层盖板的后端和所述第二层盖板的后端与所述外部机匣的内侧面贴合。
优选地，所述直通槽沿所述外层套筒的轴向设置，所述直通槽的数量与所述第二层连杆的数量相等，所述直通槽的宽度不小于所述第二层连杆的直径。
优选地，所述第一层盖板和所述第二层盖板依次间隔设置，所述第一层盖板在水平面的投影为矩形结构，所述第二层盖板在水平面的投影为三角结构。
具体地，所述径向通道的数量等于所述第一层连杆和所述第二层连杆的数量之和，所述径向通道的内端与所述环形换热器的内部连通，所述径向通道的外端与所述环形换热器的外部连通，所述径向通道的长度与设置在其内部的第一层连杆或第二层连杆处于非工作状态时在所述环形换热器的内侧面上的投影的长度。
具体地，所述环形换热器包括前圆环、后圆环、进气环和冷却环，所述进气环的外侧面与所述冷却环的内侧面连接，所述前圆环与所述冷却环的前端面固定连接，所述后圆环与所述进气环和所述冷却环的后端面固定连接。
具体地，所述进气环和所述冷却环的长度相等，所述前圆环的外径与所述冷却环的外径相等，所述前圆环的内径与所述冷却环的内径相等，所述后圆环的外径与所述冷却环的外径相等，所述后圆环的内径与所述进气环的内径相等。
一种航空发动机，包括上述的一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构。
根据本公开的至少一个实施方式，本公开通过调节组件调节环形换热器和外部机匣之间的环形通道的进气量，从而达到了主动调节通过预冷换热器的空气流量的功能的目的。
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是根据本公开所述的一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构的结构示意图，图中为非工作状态。
图2是根据本公开所述的一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构的结构示意图，图中为半工作状态。
图3是根据本公开所述的一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构的结构示意图，图中为全工作状态。
图4是根据本公开所述调节组件的结构示意图。
图5是根据本共开所述内层套筒的结构示意图。
图6是根据本共开所述外层套筒的结构示意图。
附图标记：1-进气头锥，2-外部机匣，3-环形换热器，4-驱动轴，41-外层套筒，42-内层套筒，43-直通槽，5-支板，6-气流引导连杆，61-第一层连杆，62-第二层连杆，7-气流引导组件，71-第一层盖板，72-第二次盖板，8-环形通道。
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。
一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构，包括：进气头锥1、外部机匣2、环形换热器3和调节组件，环形换热器3设置在外部机匣2内部，且环形换热器3的外侧面通过支板5与外部机匣2的内侧面固定连接，进气头锥1设置在外部机匣2的内部，调节组件与环形换热器3固定连接，进气头锥1与调节组件固定连接；
进气头锥1为现阶段飞机发动机中已有的技术，即如图所示的结构，为一个圆锥结构，但圆锥的侧面为可以引导气流，降低风阻的曲面，在此不做进一步的说明。
外部机匣2为圆筒结构，且其外侧面和内侧面也为可以引导气流，降低风阻的曲面，为现有技术，不做特殊的说明。
将调节组件的主要调节装置（即流道调节机构）设置在环形换热器3和外部机匣2之间，并将调节组件与进气头锥1运动耦合在一起，使得在进行进气头锥1的控制时，也对调节组件进行了控制，降低了控制复杂度。
调节组件包括驱动轴4、气流引导连杆6和气流引导组件7，驱动轴4的前端与进气头锥1的后端固定连接，驱动轴4的前段设置在环形换热器3内，环形换热器3内设置有径向通道，气流引导连杆6设置在径向通道内，气流引导连杆6的内端与驱动轴4可转动连接，气流引导组件7的外端与气流引导组件7可转动连接，气流引导组件7设置在环形换热器3与外部机匣2之间，且与环形换热器3可转动连接。
通过气流引导连杆6将驱动轴4和气流引导组件7连接，并通过控制驱动轴4来控制进气头锥1的前移或后移，同时因为气流引导连杆6连接驱动轴4和气流引导组件7，从而实现了同时对气流引导组件7的控制。
在环形换热器3内部设置径向通道，可以保证环形换热器3不会对气流引导连杆6产生干涉。
进气头锥1、外部机匣2、环形换热器3和调节组件均同轴设置，外部机匣2与环形换热器3之间设置有环形通道8；
支板5的数量为多个，且多个支板5沿环形换热器3的同轴线环形分布。
同轴设置可以使环形通道8内的风压对进气头锥1、外部机匣2以及环形换热器3在竖直平面上的合力为零，从而能够减少因风压的不平衡，而使结构产生偏移的情况。
气流引导组件7的盖板至少包括两层，以其在展开使能够完全遮盖环形通道8为基本要求，下面提供两个实施例：
实施例一
气流引导组件7包括多个第一层盖板71和多个第二层盖板72，第一层盖板71设置在第二层盖板72的外侧，第一层盖板71前端和第二层盖板72的前端均与环形换热器3的外侧面可转动连接；
第一层盖板71的前端与环形换热器3外侧面可转动连接，第二层盖板72的前端与环形换热器3的外侧面可转动连接，因此，当气流引导连杆6前移时，会对第一层盖板71和第二层盖板72施加一个向前的作用力，然后推动第一层盖板71和第二层盖板72均沿其前端转动。
驱动轴4包括内层套筒42和外层套筒41，内层套筒42设置在外层套筒41内部，且内层套筒42与外层套筒41同轴设置，外层套筒41上设置有多个呈环形分布的直通槽43，进气头锥1与外层套筒41的前端固定连接；
气流引导连杆6包括多个第一层连杆61和多个第二层连杆62，第一层连杆61的内端与外层套筒41可转动连接，第一层连杆61的外端与第一层盖板71的中部可转动连接，第二层连杆62的内端穿过直通槽43与内层套筒42可转动连接，第二层连杆62的外端与第二层盖板72的中部可转动连接。
将驱动轴4设计成为双层结构，并接外层套筒41为主要工作套筒，其推动进气头锥1前移或后移。
当外层套筒41前移时，因为环形换热器3通过支板5固定在外部机匣2内，外层套筒41与环形换热器3发生相对运动，从而实现了进气头锥1相对外部机匣2发生运动。
外层套筒41的前移，使得第一层连杆61前移，从而使得第一层盖板71沿其前端转动，从而使得第一层盖板71张开。
外层套筒41移动到一段距离后，带动内层套筒42前向移动，内层套筒42移动使得第二层连杆62前移，从而使得第二层盖板72沿其前端转动，从而使得第二层盖板72展开，填补第一层盖板71之间的间隙，使其成为一个密闭的整体。
外层套筒41上还开有可供平移运动的直通槽43，该直通槽43是为了保证实现两个套筒可以前伸不同的长度，以解决两层盖板的展开角度随套筒平移距离之比不同的问题，直通槽43的具体长度可以根据实际的实验来获得，只需要定位两个位置，即第一层盖板71和第二层盖板72在闭合的情况下第二层连杆62的内端位置，第一层盖板71和第二层盖板72在完全打开的情况下第二层连杆62的内端的位置，并将两个位置之间的连线挖空，即可完成直通槽43的定位与创立。
第一层盖板71和第二层盖板72依次间隔设置，第一层盖板71在水平面的投影为矩形结构，第二层盖板72在水平面的投影为三角结构。
第二层盖板72的主要功能使用以弥补在第一层盖板71处于展开状态下时，相邻的两个第一层盖板71之间的间隙，因此第一层盖板71的结构和第二层盖板72的的结构都可以任意调整，只要在处于展开状态可以密封即可。
直通槽43沿外层套筒41的轴向设置，直通槽43的数量与第二层连杆62的数量相等，直通槽43的宽度不小于第二层连杆62的直径。
直通槽43用于流出间隙使第二层盖板72与内层套筒42连接，因此直通槽43的数量不能少于第二层连杆62的数量。
下面简要说明一下本公开的各个工作状态：
如图1所示，当低速飞行时（如Ma0-1.5），气流引导组件7处于非工作状态时，第二层盖板72设置在第一层盖板71的内侧面，且多个第一层盖板71组成圆筒结构；
此时第二层盖板72贴合在环形换热器3的外侧面，第一层盖板71也贴合在环形换热器3的外侧面，且进气头锥1的后端抵靠在环形换热器3上，此时气流只从环形通道8内流过，环形换热器3不工作，因此进入常温空气能够满足要求。
如图2所示，当中速飞行时（如Ma1.5-3），气流引导组件7处于半工作状态时，第一层盖板71和第二层盖板72组成伞状结构，第一层盖板71的外端和第二层盖板72的外端与外部机匣2的内侧面之间设置有间隙。
此时第二层盖板72贴合在第一层盖板71的内侧面，但是，第一层盖板71不全部打开，使其如图2中所示的伞状结构，此时，进气头锥1的后端与环形换热器3之间也存在一定的间隙，此时部分气流直接从环形通道8内流过，部分气流沿环形换热器3的前端进入环形换热器3，经环形换热器3冷却后再流出至第一层盖板71的后方，从而实现了对空气的部分冷却，能够降低一部分温度。
如图3所示，当高速飞行时（如＞Ma3），气流引导组件7处于全工作状态时，第一层盖板71和第二层盖板72组成环形结构，第一层盖板71的外端和第二层盖板72的外端与外部机架的内侧面贴合。
达到高速飞行时，第一层盖板71和第二层盖板72组成环形结构，将环形通道8完全封闭，此时所有的进气只能从进气头锥1与环形换热器3之间的间隙进入环形换热器3，在环形换热器3能进行冷却后，排出至第一层盖板71的后侧，实现低温进气。
径向通道的数量等于第一层连杆61和第二层连杆62的数量之和，径向通道的内端与环形换热器3的内部连通，径向通道的外端与环形换热器3的外部连通，径向通道的长度等于处于非工作状态时的第一层连杆61/第二层连杆62在换热器的内侧面上的投影的长度。
径向通道可以使第一层连杆61和第二层连杆62能够有效的控制第一层盖板71和第二层盖板72，使其不能发生干涉。
实施例二
下面再提供一个实施例，
气流引导组件7包括多个一层盖板、多个二层盖板和多个三层盖板，一层盖板设置在二层盖板的外侧，二层盖板设置在三层盖板的外侧，一层盖板前端、二层盖板的前端和三层盖板的前端均与环形换热器3的外侧面可转动连接；
驱动轴4包括内套筒、中套筒、外套筒，外套筒和中套筒上设置有多个呈环形分布的直槽，进气头锥1与外套筒的前端固定连接；
气流引导连杆6包括多个一层连杆、多个二层连杆和多个三层连杆，一层连杆的内端与外套筒可转动连接，一层连杆的外端与一层盖板的中部可转动连接，二层连杆的内端穿过直槽与中套筒可转动连接，二层连杆的外端与二层盖板的中部可转动连接，三层连杆的内端穿过直槽与内套筒可转动连接，三层连杆的外端与三层盖板的中部可转动连接。
具体的工作原理与上一个实施例的两层结构相似，多出的三层盖板主要用于封堵一层盖板和二层盖板之间的间隙，使其密封性更好。
其余的低速、中速、高速的工作原理与实施例一相同。
另外的，还可以为了密封性再增设几层结构，不做特别的规定。
环形换热器3包括前圆环、后圆环、进气环和冷却环，进气环的外侧面与冷却环的内侧面连接，前圆环与冷却环的前端面固定连接，后圆环与进气环和冷却环的后端面固定连接。
进气环和冷却环的长度相等，前圆环的外径与冷却环的外径相等，前圆环的内径与冷却环的内径相等，后圆环的外径与冷却环的外径相等，后圆环的内径与进气环的内径相等。
前圆环不封堵进气环的前端，使得未冷却的空气可以进入。
后圆环封堵进气环的后端，使得进入进气环的空气只能经过冷却环排出，达到了冷却的目的。
一种航空发动机，包括上述的一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构。
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 (10)

1.一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构，其特征在于，包括：进气头锥、外部机匣、环形换热器和调节组件，所述环形换热器设置在所述外部机匣内部，且所述环形换热器的外侧面通过支板与所述外部机匣的内侧面固定连接，所述进气头锥设置在所述外部机匣的内部，所述调节组件与所述环形换热器固定连接，所述进气头锥与所述调节组件固定连接；
所述调节组件包括驱动轴、气流引导连杆和气流引导组件，所述驱动轴的前端与所述进气头锥的后端固定连接，所述驱动轴的前段设置在所述环形换热器内，所述环形换热器内设置有径向通道，所述气流引导连杆设置在所述径向通道内，所述气流引导连杆的内端与所述驱动轴可转动连接，所述气流引导连杆的外端与所述气流引导组件可转动连接，所述气流引导组件设置在所述环形换热器与所述外部机匣之间，且与所述环形换热器可转动连接。
2.如权利要求1所述的一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构，其特征在于，所述进气头锥、所述外部机匣、所述环形换热器和所述调节组件均同轴设置，所述外部机匣与所述环形换热器之间设置有环形通道；
所述支板的数量为多个，且多个所述支板沿所述环形换热器的同轴线环形分布。
3.如权利要求2所述的一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构，其特征在于，所述气流引导组件包括多个第一层盖板和多个第二层盖板，所述第一层盖板设置在所述第二层盖板的外侧，所述第一层盖板前端和所述第二层盖板的前端均与所述环形换热器的外侧面可转动连接；
所述驱动轴包括内层套筒和外层套筒，所述内层套筒设置在所述外层套筒内部，且所述内层套筒与所述外层套筒同轴设置，所述外层套筒上设置有多个呈环形分布的直通槽，所述进气头锥与所述外层套筒的前端固定连接；
所述气流引导连杆包括多个第一层连杆和多个第二层连杆，所述第一层连杆的内端与所述外层套筒可转动连接，所述第一层连杆的外端与所述第一层盖板的中部可转动连接，所述第二层连杆的内端穿过所述直通槽与所述内层套筒可转动连接，所述第二层连杆的外端与所述第二层盖板的中部可转动连接。
4.如权利要求3所述的一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构，其特征在于，所述气流引导组件处于非工作状态时，所述第二层盖板设置在所述第一层盖板的内侧面，且多个所述第一层盖板组成圆筒结构；
所述气流引导组件处于半工作状态时，所述第一层盖板和所述第二层盖板组成伞状结构，所述第一层盖板的后端和所述第二层盖板的后端与所述外部机匣的内侧面之间设置有间隙；
所述气流引导组件处于全工作状态时，所述第一层盖板和所述第二层盖板组成环形结构，所述第一层盖板的后端和所述第二层盖板的后端与所述外部机匣的内侧面贴合。
5.如权利要求4所述的一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构，所述直通槽沿所述外层套筒的轴向设置，所述直通槽的数量与所述第二层连杆的数量相等，所述直通槽的宽度不小于所述第二层连杆的直径。
6.如权利要求5所述的一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构，其特征在于，所述第一层盖板和所述第二层盖板依次间隔设置，所述第一层盖板在水平面的投影为矩形结构，所述第二层盖板在水平面的投影为三角结构。
7.如权利要求5所述的一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构，其特征在于，所述径向通道的数量等于所述第一层连杆和所述第二层连杆的数量之和，所述径向通道的内端与所述环形换热器的内部连通，所述径向通道的外端与所述环形换热器的外部连通，所述径向通道的长度与设置在其内部的第一层连杆或第二层连杆处于非工作状态时在所述环形换热器的内侧面上的投影的长度。
8.如权利要求7所述的一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构，其特征在于，所述环形换热器包括前圆环、后圆环、进气环和冷却环，所述进气环的外侧面与所述冷却环的内侧面连接，所述前圆环与所述冷却环的前端面固定连接，所述后圆环与所述进气环和所述冷却环的后端面固定连接。
9.如权利要求8所述的一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构，其特征在于，所述进气环和所述冷却环的长度相等，所述前圆环的外径与所述冷却环的外径相等，所述前圆环的内径与所述冷却环的内径相等，所述后圆环的外径与所述冷却环的外径相等，所述后圆环的内径与所述进气环的内径相等。
10.一种航空发动机，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的一种用于高速预冷发动机的换热器调节机构。
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