CN114104297A - 用于气源***换热器的旋流混合装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于飞机气源***换热器的旋流混合装置。一该旋流混合装置包括套筒，套筒包括附连到所述气流***预冷器的前端和附连到下游管路的后端；其中旋流混合装置包括多个定子叶片，多个定子叶片固定地设置在套筒的内周壁上，相邻的定子叶片沿套筒的内周面彼此隔开，每一个定子叶片相对于气流方向具有迎风面，迎风面相对于气流方向成一倾斜夹角。采用根据本发明的旋流混合装置，换热器出口封头处的加速非均匀温度场的混合，有效解决非均匀温度场带来的温度控制问题，且优化的旋流结构流阻小，降低对性能的影响。

Description

用于气源***换热器的旋流混合装置

技术领域

本发明涉及飞机环境控制***，尤其涉及用于环境控制***中气源***预冷器的旋流混合装置。

背景技术

现代飞机的环控***主要用于飞机内部环境控制，其能够为客舱、驾驶舱、货舱、电子设备舱等区域提供通风，还为飞机提供了防冰、除雨等功能。

民机环境控制***具有预冷换热器，该装置用于对发动机高温引气进行冷却，从而满足下游空调***、防冰***、燃油箱惰化***等对于引气温度的需求。通常，在预冷器热边出口下游布置有温度传感器，用于闭环控制预冷器冷边流量、调节热边出口温度。预冷器为典型的叉流式板翅式换热器，可分为核心体和封头，见下图5，核心体用于气体热交换，封头用于连接核心体和高压导管。由于预冷器的叉流式结构原因，预冷器出口会出现明显的温度分层现象。在典型工况时温度分层可到100℃～400℃，将严重影响出口气流分配和温度控制目标测量。

图6示出了换热器出口下游的被输送出的气流温度的分层情况，其中高温气流相对集中在管路的上层，而低温气流相对集中在管路的下层，两个管路分支的温差超过15℃，如果测得的温度比实际温度高，即供到下游的引气温度过低，有可能导致防冰效果丧失；如果测得的温度比实际温度低，即供到下游的引气温度过高，有可能损坏下游设备，或空调无法满足温控性能。

目前在役飞机中气源***预冷器热边出口温控目标值测量和温度场的混合常采用以下三种方式：

1)不采取任何构型处理，只经过CFD温度场分析和地面台架试验，选取能够代表平均温度值的点作为温控测点。该方案需要依赖于大量的仿真分析和试验验证工作，如果存在用户引气接口位于温控测点上游，则会导致供给该用户的引气温度严重偏离，无法满足性能需求；

2)在出口管路中增加多个弯管结构，加速流场混合，并将温度传感器安装至较远的区域。该方案需确保换热器下游有足够的安装布置空间，在民机实际安装过程中，为避免干涉，管路走向受到很大约束；

3)在出口增加旋流装置，加速气流的旋转扰动。旋流结构会影响气流有效流通面积，既增加重量，也会带来额外的流动阻力，从而影响***性能。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明提供了一种用于飞机气源***换热器的旋流混合装置，所述旋流混合装置包括套筒，所述套筒包括附连到所述气流***预冷器的前端和附连到下游管路的后端；其中，所述旋流混合装置包括多个定子叶片，所述多个定子叶片固定到所述套筒的内周壁上，相邻的所述定子叶片沿套筒的内周面彼此隔开，每一个定子叶片相对于气流方向具有迎风面，所述迎风面相对于气流方向成一倾斜夹角。

根据本发明的一个方面，迎风面相对于气流方向成的倾斜夹角在25度到35度之间，或者所述倾斜夹角为30度。

根据本发明的另一个方面，所述定子叶片具有固定于所述套筒的所述内周壁的第一边缘、远离所述第一边缘的第二边缘、连接所述第一边缘的前端和所述第二边缘的前端的前缘以及连接所述第一边缘的后端和所述第二边缘的后端的后缘，其中，所述第二边缘的宽度小于所述第一边缘的宽度，其中所述第一边缘的前端相比所述第二边缘的前端更靠近所述套筒的前端，使定子叶片的所述前缘相对于所述套筒的横截面倾斜布置；第一边缘的后端相比第二边缘的后端更靠近所述套筒的前侧，使定子叶片的所述后缘相对于套筒的所述横截面倾斜布置。

根据本发明的再一个方面，多个所述定子叶片围绕所述内周壁均匀地分布。

根据本发明的再一个方面，所述旋流混合装置包括8个定子叶片，所述定子叶片的每一个的迎风面相对于气流方向具有相同的夹角，各定子叶片在径向间隔45度均匀排布在所述内周壁上。

根据本发明的再一个方面，套筒包括附连到气流***的换热器的前端和附连到下游管路的后端，其中所述前端设置法兰，所述法兰形成凹槽，所述凹槽适于填放密封圈。

根据本发明的再一个方面，旋流混合装置的所述后端的外表面设有径向向内收缩的倒角部，并且所述旋转装置的外表面设计形成台阶部。这些结构能够便于旋流混合装置的安装

根据本发明的再一个方面，套筒和所述定子叶片形成为一体。较佳地，所述套筒和所述定子叶片通过3D打印一体成形。

采用根据本发明的旋流混合装置，换热器出口封头处的加速非均匀温度场的混合，有效解决非均匀温度场带来的温度控制问题，且优化的旋流结构流阻小，降低对性能的影响。

附图说明

为了更完全理解本发明，可参考结合附图来考虑示例性实施例的下述描述，附图中：

图1示出了根据本发明较佳实施例的用于气源***换热器的旋流混合装置的剖视图。

图2示出了根据本发明较佳实施例的用于气源***换热器的旋流混合装置的端视图。

图3示出了根据本发明较佳实施例的旋流混合装置安装在用于气源***的换热器下游的局部***的立体图。

图4示出了采用根据本发明较佳实施例的旋流混合装置的热力仿真示图。

图5示出了适配根据本发明较佳实施例的旋流混合装置的示例换热器的立体图。

图6示出了未采用旋流混合装置时换热器下游的热力仿真示图。

附图标记列表

10旋流混合装置

A纵向轴线

20套筒

21前端

211凹槽

22后端

221倒角部

23台阶部

30定子叶片

31第一边缘

32第二边缘

33前缘

34后缘

35迎风面

50滑动套筒

60换热器

61出口封头

62冷端入口封头

63热端入口封头

70下游管路

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

在以下描述中，上游和下游以气流从换热器向下游管路的流动方向作为参照，前侧/前端是指靠近换热器的侧部或端部，而后侧/后端是指靠近下游管路的侧部或端部，有其他特征别明的除外。

图1和图2示出了一种适于安装到民用飞机环控***中的换热器60的热端出口的旋流混合装置10。旋流混合装置10构造成端接在换热器60的热端出口封头和下游管路70之间，用于加速热端出口封头出口气流的掺混，以利于下游多路管路的温度的测量和气流的分配。

具体地，用于气源***换热器60的旋流混合装置10包括套筒20，套筒20通常构造成圆柱形，该圆柱形套筒20构造成互连上游的换热器60和下游的分流管路。特别地，旋流混合装置10包括多个定子叶片30，这些定子叶片30固定地设置在套筒20的内周壁上，相邻定子叶片30沿套筒20的内周面彼此隔开地布置。

较佳地，根据本发明的圆柱形套筒20包括附连到气流***的换热器60的前端21和附连到下游管路70的后端。22在旋流混合装置10的前端21设置有法兰，该法兰构造成与换热器60的出口封头的出口边缘对接。在一较佳实施例中，沿着旋流混合装置10的法兰形成一圈凹槽211，该凹槽211用于填放密封圈，当出口边缘***到法兰的凹槽211中时，密封圈填装在法兰和出口边缘之间，从而形成良好的密封，防止流出换热器60出口封头的气流溢出。

在套筒20的后端22处，如图1右端所示，后端22的外表面设有径向内向收缩的倒角部221。较佳地，在安装时，旋流混合装置10的套筒20的后端22被***下游管路70内部，这时，倒角部的设置将有利于引导连接下游管路70的滑动套筒50***。

进一步，套筒20外表面设有台阶部23，这样，当套筒20的第二端***滑动套筒50时，下游管路70的端口将抵接到台阶部23上，这时台阶部23用作下游管路70的止动部。较佳地，台阶部23可以设置在套筒20外表面的大致中间位置，如图1所示，或者更靠近前端，这样，套筒20沿其纵向轴线A的相对较大的一部分将被***到下游管路70的内部。

如图2所示，在较佳实施例中，旋流混合装置10包括8个定子叶片30，每个定子叶片30均一体地固定到套筒20的内周壁上。这些定子叶片30围绕着套筒20的内周壁是等角度分隔开的，对于8个定子叶片30，相邻定子叶片30之间围绕纵向轴线A相隔45度角。

但应当理解，定子叶片30的数量也可以变化，可以更多或更小。

套筒20内的定子叶片30朝向气流方向形成迎风面35，该迎风面35相对于气流方向成一夹角，较佳地，夹角在25度到35度之间，在一特定实施例中，该夹角更佳地被设定为30度。在本发明中，气流方向定义为从换热器60的热端出口处流出的大部分气流的流动方向，对于圆柱形套筒20，气流方向通常平行于圆柱形套筒20的纵向中心轴线A。

每一个定子叶片30具有固定于套筒20的所述内周壁的第一边缘31和远离所述第一边缘31的、悬置的第二边缘32。这里的悬置是指第二边缘32不受到其他构件约束。第二边缘32的宽度小于所述第一边缘31的宽度。第一边缘31的前端通过定子叶片30的前缘33连到第二边缘32的前端，第二边缘32的后端通过定子叶片30的后缘34连接到第二边缘32的后端。在较佳实施例中，第一边缘31的前端相比第二边缘32的前端更靠近前侧，从而定子叶片30的前缘33相对于套筒20的截面倾斜布置；第一边缘31的后端相比第二边缘32的后端更靠近前侧，从而定子叶片30的后缘34也相对于套筒20的截面倾斜布置。

每一个定子叶片30从套筒20的内周壁起倾斜地向着套筒20内部延伸，较佳地，定子叶片30第二边缘32相对于纵向轴线A在径向方向的半径位置基本在套筒20内径的1/3-1/2的位置中。

经过模拟实验，如此设定的定子叶片30的形状对于混合的均匀性而言是优选的。

接着，参照图3说明根据本发明较佳实施例的旋流混合装置10在换热器上的安装。

图3的左侧示出了换热器60的出口封头61，将旋流混合装置10的法兰与封头的出口边缘对接，使出口边缘嵌入法兰的凹槽211中，与凹槽211内的密封圈抵接，随后采用例如卡箍固定法兰与封头出口边缘之间的连接部。图3的右侧示出了连接用的滑动套筒50及下游管路70，当旋流混合装置10的后端22套入滑动套筒50，通过台阶部23随定滑动套筒50的位置，从而避免与下游管路70的碰撞。

图4示出了在换热器60和下游管路70之间增加了旋流装置后的效果图。

在结合本发明的旋流混合装置10的环控***运行的过程中，经过换热器60换热之后的气流从换热器60热端出口封头61流出，随即经过旋流混合装置10的，当气流流过旋流混合装置10的套筒20的内部通道时，当气流冲击到定子叶片30的倾斜布置的迎风面35上，引起气流旋转，从而定子叶片30对气流形成了迅速的掺混效果，有效解决预冷器出口温度分层问题，在模拟工况条件下，下游的两条管路分支的温差在5℃以内。

另一方面，经过实验评估，当采用旋流混合装置10之后，流体的流量被设定在0.9kg/s～1.5kg/s范围中，此时，旋流混合装置10带来的流阻在0.2～0.6psi之间，也就是说，根据本发明的旋流混合装置对气流流通的整体性能影响很小。

采用根据本发明的旋流混合装置10，换热器60的出口封头61处能够加速对非均匀温度场的混合，有效解决非均匀温度场带来的温度控制问题，且优化的旋流结构流阻小，降低对性能的影响。

包括套筒和定子叶片在内的旋流混合装置10可以通过模制的方式一体成形，也可以采用3D打印的方式一体成形。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于飞机气源***换热器的旋流混合装置，所述旋流混合装置包括套筒，所述套筒包括附连到所述气流***预冷器的前端和附连到下游管路的后端；

其特征在于，所述旋流混合装置包括多个定子叶片，所述多个定子叶片固定到所述套筒的内周壁上，每一个定子叶片从所述套筒的内周壁朝着套筒中心延伸，从而每一个所述定子叶片具有固定到套筒的内周壁的第一边缘、远离所述第一边缘、悬置的第二边缘，

其中相邻的所述定子叶片沿套筒的内周面彼此隔开，每一个定子叶片相对于气流方向具有迎风面，所述迎风面相对于气流方向成一倾斜夹角。

2.如权利要求1所述的旋流混合装置，其特征在于，所述倾斜夹角在25度到35度之间，或者所述倾斜夹角为30度。

3.如权利要求1所述的旋流混合装置，其特征在于，所述定子叶片具有连接所述第一边缘的前端和所述第二边缘的前端的前缘以及连接所述第一边缘的后端和所述第二边缘的后端的后缘，其中，所述第二边缘的宽度小于所述第一边缘的宽度，

其中所述第一边缘的前端相比所述第二边缘的前端更靠近所述套筒的前端，使定子叶片的所述前缘相对于所述套筒的横截面倾斜布置；第一边缘的后端相比第二边缘的后端更靠近所述套筒的前侧，使定子叶片的所述后缘相对于套筒的所述横截面倾斜布置。

4.如权利要求1－3中任一项所述的旋流混合装置，其特征在于，多个所述定子叶片围绕所述内周壁均匀地分布。

5.如权利要求1－3所述的旋流混合装置，其特征在于，所述旋流混合装置包括8个定子叶片，所述定子叶片的每一个的迎风面相对于气流方向具有相同的夹角，各定子叶片在径向间隔45度均匀排布在所述内周壁上。

6.如权利要求1所述的旋流混合装置，其特征在于，所述套筒包括附连到气流***的换热器的前端和附连到下游管路的后端，其中所述前端设置法兰，所述法兰形成凹槽，所述凹槽适于填放密封圈。

7.如权利要求1所述的旋流混合装置，其特征在于，所述旋流混合装置的所述后端的外表面设有径向向内收缩的倒角部，并且所述旋转装置的外表面设计形成台阶部。

8.如权利要求1所述的旋流混合装置，其特征在于，所述套筒和所述定子叶片形成为一体。

9.如权利要求8所述的旋流混合装置，其特征在于，所述套筒和所述定子叶片通过3D打印一体成形。

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