一种基于CCA技术的发动机核心机试验件冷却系统

摘要

本发明属于航空发动机试验件冷却设计领域，特别涉及一种基于CCA技术的发动机核心机试验件冷却系统，包括空气系统，所述空气系统引气口与压气机出气口连接，供气口与后机匣冷却位置连通；其特征在于，所述空气系统内部设置有换热器，所述换热器包括引气管和冷却结构，所述引气管进口与所述空气系统引气口连通，所述引气管出口与所述空气系统供气口连通；所述冷却结构设置于所述引气管周围以冷却所述引气管内的气体。本发明基于CCA技术理念，在压气机引气位置到后机匣冷却位置之间增加换热器，降低后机匣冷气的温度水平，提升了冷气的品质，保证了后机匣足够的冷却效果，从而避免后机匣被烧蚀，提升了核心机试验的安全性。

说明书

技术领域

本发明属于航空发动机试验件冷却设计领域，特别涉及一种基于冷却冷却空气(cooled cooling air，CCA)技术的发动机核心机试验件冷却系统。

背景技术

目前航空发动机涡轮前温度越来越高，而材料耐高温能力的提升却不足以满足工程需要，因此航空发动机热端部件的冷却问题越来越突出。在航空发动机的核心机试验中，由于核心机只包含航空发动机的高压部分，高压涡轮出口的温度较高，燃气不经过低压涡轮的膨胀放热直接达到后机匣的位置，导致后机匣的工作环境更加恶劣。目前在核心机试验中，后机匣处主流燃气温度超过1500K，这给后机匣的冷却工作带来了挑战。

目前在航空发动机的核心机试验中，一般采用将压气机引气直接引到后机匣的冷却方法来冷却发动机后机匣等热端部件。但随着发动机涡轮前温度越来越高，原本不存在超温问题的后机匣也面临着超温问题，冷却要求越来越高，安全性越来越难以保证。

发明内容

针对上述问题，本发明基于CCA技术理念，在压气机引气位置到后机匣冷却位置之间增加水冷换热器，降低后机匣冷气的温度水平，提升冷气的品质，保证了后机匣足够的冷却效果，从而避免后机匣被烧蚀，提升了核心机试验的安全性。并且这股冷却气流还可以用于其他热端部件的冷却。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于CCA技术的发动机核心机试验件冷却系统，包括空气系统，所述空气系统引气口与压气机出气口连接，供气口与后机匣冷却位置连通；所述空气系统内部设置有换热器，所述换热器包括引气管和冷却结构，所述引气管进口与所述空气系统引气口连通，所述引气管出口与所述空气系统供气口连通；所述冷却结构设置于所述引气管周围以冷却所述引气管内的气体。

在一些实施方式中，所述换热器为水冷换热器，包括冷水容器、一个或多个冷水进口和一个或多个蒸汽出口；所述引气管穿过所述冷水容器且管身浸没于所述冷水容器内的冷水中；所述冷水进口和所述蒸汽出口分别设置于所述冷水容器的侧壁上的不同高度处，所述蒸汽出口高于所述冷水进口且高于所述冷水容器内的冷水水面。

在一些实施方式中，所述引气管中间设置有蛇形通道，所述蛇形通道浸没于所述冷水容器内的冷水中。

在一些实施方式中，所述蛇形通道由铜管制成。

在一些实施方式中，所述冷水进口和所述蒸汽进口分别位于所述冷水容器的相对两个侧壁上。

在一些实施方式中，所述多个冷水进口和所述多个蒸汽出口分别同高度并排设置。

在一些实施方式中，所述多个冷水进口从地面引水供到所述冷水容器。

在一些实施方式中，所述冷却系统包括用于调节冷水供应的冷水流量调节器。

本发明的有益效果：

1)本发明借助地面及无低压系统的便利条件，增加水冷换热器，降低冷气温度，方案简单可靠、操作简单有效；

2)本发明采用水冷换热器，利用水的蒸发吸热来冷却气体，能够有效降低成本，且冷却效果突出。

附图说明

图1是本发明实施例的基于CCA技术的发动机核心机试验件冷却系统组成示意图；

图2是本发明实施例的一种水冷换热器的结构示意图；

图3是本发明实施例的另一种水冷换热器的结构示意图。

附图中：

1-压气机；2-燃烧室；3-涡轮；4-后机匣；5-尾喷管；6-空气系统；7-水冷换热器；71-引气管；72-冷水池；a-压气机出口；b-空气系统引气口；c-引气管进口；d-引气管出口；e-空气系统供气口；f-后机匣冷却口；g-冷水进口；h-蒸汽出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，本实施例提供的基于CCA技术的核心机试验机冷却系统，包括空气系统1和设置于空气系统内部的水冷换热器2，其中，空气系统1引气口b与压气机出口a连接，并且与水冷换热器2的引气管进口c连通；供空气系统供气口e与后机匣冷却口f连通，并且与水冷换热器2的引气管出口d连通。

本发明基于CCA技术，在压气机引气位置到后机匣冷却位置之间增加换热器，能够降低用于后机匣冷却的冷气的温度水平，提升冷气品质，从而提升后机匣冷却效果。特别地，这股冷却气体还可用于其他热端部件的冷却。特别地，由于压气机引气温度通常达到800K，远高于水的沸点，有足够的过热度，因此可以采用水冷换热器，利用水的蒸发吸热来冷却气体，换热量大且成本较低。此外，还可以通过调节冷水供应来调整换热器功率，使换热器满足不同工况的需要。

如图2所示，本实施例的水冷换热器2包括引气管71、冷水池72、3个冷水进口g和3个蒸汽出口h，引气管71具有引气管进口c和引气管出口d。引气管71穿过冷水池72的前后壁且管身浸没于冷水中。冷水进口g和蒸汽出口h分别设置于冷水池的左右两个侧壁上。特别地，蒸汽出口h距冷水池72底部的高度高于冷水进口g距冷水池72底部的高度，且蒸汽出口h高于冷水池72的冷水水面。在本实施例中，3个冷水进口g和3个蒸汽出口h分别同高度并排设置。

有利地，实际中只需要将原有的空气系统的引气管中间适当延长，将其引到冷水池中，然后从地面引水供到冷水池，由于引气管内气体温度可以达到近800K，因此冷水会迅速气化，再以蒸汽的形式从冷水池中排出进行冷却，基于此构造水冷换热器，而不用改变引气管原有的进出口位置。这种方法简单有效的提升了冷气品质。

有利地，可以采用蛇形通道的引气管71’(如图3所示)或其他形式来增大换热面积。

有利地，引气管71,71’进入冷水中的中间段采用铜管等具有良好导热性能的材料。

利用本实施例的冷却系统对发动机核心机试验机进行冷区，试验结果表明，通常后机匣在最大热状态的流量在2kg/s的量级，根据水的汽化潜热进行估算，将冷却气体冷却100K约需要0.1kg/s的水，按照通常沸腾换热的热流密度保守估计需要周向8根半径30mm蛇形换热管，每根不超过1m。应该理解，由于实际情况中引气压力足够大，因此可以允许在换热器中存在一定的压力损失。

对冷却气体未经过热交换器和经过热交换器的冷却试验进行数值模拟，模拟结果如下表1所示，可见采用基于CCA技术的热端部件设计，冷却气体温度降低100K，可以使后机匣整流罩的最大温度和平均温度都可以降低约60K，这对于工作在许用温度边缘甚至超温的后机匣而言，无论是安全性还是寿命都有非常重要的意义。

表1冷却气体未经过热交换器和经过热交换器的冷却试验结果

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。