用于小型涡喷发动机的高效燃滑油换热系统的制作方法

1.本发明涉及一种燃滑油换热系统，具体讲是一种用于小型涡喷发动机的高效燃滑油换热系统，属于航空发动机领域。


背景技术：

2.目前，市场上的小型涡喷发动机大多采用独立闭式润滑方式，通过单独的滑油箱和滑油泵实现润滑油在整机系统中的循环供给。但是，由于常规的冷却降温手段(即通过润滑油流经管路时与外部空气自然对流换热实现降温)对润滑油的散热降温手段极为有限，导致供给到轴承处的润滑油无法及时得到充分冷却，使轴系工况相对恶劣，加速了相关部件的磨损老化，影响了发动机的使用寿命和工作的高可靠性。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种能充分降温冷却滑油，可实现涡喷发动机进气区域除冰和提升燃油燃烧效率的用于小型涡喷发动机的高效燃滑油换热系统。
4.为了解决上述技术问题，本发明提供的用于小型涡喷发动机的高效燃滑油换热系统，包括空冷散热器和燃/滑油换热器；
5.所述空冷散热器利用发动机进气道中的高速冷却进气气流对经过空冷散热器的润滑油散热降温，同时加热发动机进气道；
6.所述燃/滑油换热器用于将经过空冷散热器散热降温后的润滑油与低温燃油换热，降低润滑油温度和提升燃油温度。
7.本发明中，所述空冷散热器包括往复式翅片槽道组，所述往复式翅片槽道组沿发动机进气道的周向布置，所述往复式翅片槽道组的外侧安装油路密封套，二者之间密封；
8.所述油路密封套上设有润滑油进油口和润滑油出油口；
9.所述润滑油在往复式翅片槽道组内至少往复折返两次后从润滑油出油口流出。
10.本发明中，所述往复式翅片槽道组包括至少3条流道,所述流道由两条间隔的薄壁隔层组成；
11.所述润滑油进油口处、润滑油出油口处的流道中一薄壁隔层为连续状态，其余薄壁隔层为断开状态；
12.所述连续状态的薄壁隔层将润滑油进油口处、润滑油出油口处分别分割为两个大小不同的独立区域；
13.所述润滑油进油口处连续状态的薄壁隔层与润滑油出油口处连续状态的薄壁隔层的位置相互错开。
14.本发明中，所述燃/滑油换热器包括换热器壳体，所述换热器壳体内设有两个互通的腔室；
15.所述腔室内分别安装散热芯，所述散热芯包括内流道和外流道；
16.所述任一腔室中的散热芯上的内流道与另一腔室中散热芯上的外流道相通，外流道与另一腔室中散热芯上的内流道相通；
17.所述换热器壳体分别设有燃油进口与燃油出口、滑油进口与滑油出口；
18.所述燃油进口与任一腔室中的散热芯上的外流道相通，燃油出口与另一腔室中散热芯上的内流道相通；
19.所述滑油进口与任一腔室中的散热芯上的内流道相通，滑油出口与另一腔室中散热芯上的外流道相通。
20.本发明中，所述散热芯外部为螺旋上升状的周向均布流道，内部采用放射状翅片结构。
21.本发明中，所述散热芯外部流道为三头螺旋槽引导结构。
22.本发明中，所述散热芯内部放射状翅片中各翅片中心处缝隙不低于0.2mm。
23.本发明中，所述两个腔室头尾反向对调布置。
24.本发明的用于小型涡喷发动机的高效燃滑油换热系统还包括压力开启阀，所述压力开启阀进口连接滑油供应单元，出口连接发动机。
25.本发明的有益效果在于：(1)充分利用涡喷发动机工作时产生的高速冷却气流和低温燃油的特性，依托涡喷发动机本体结构对润滑油进行冷却降温，具有结构紧凑、降温效果显著的特点；同时，本发明同样利用发动机运行过程中润滑油高温的特性，与涡喷发动机进气道换热，实现涡喷发动机进气系统除冰的目的，并且通过燃/滑油换热器在进一步降温润滑油的同时，加热燃油来提升雾化品质及燃烧效率，具有功能密度大的优点；经充分冷却后的润滑油进入涡喷发动机，将对发动机轴系起到更佳的保护效果，有助于实现涡喷发动机长寿命、高可靠性工作。(2)将润滑油进油口处连续状态的薄壁隔层与润滑油出油口连续状态的薄壁隔层位置相互错开，这样可以加大润滑油在复式翅片槽道组中往复折返次数，延长与发动机进气道的制热时间和面积，以进一步提升换热效率。(3)润滑油依次流经换热器两个散热芯，使之与低温燃油充分换热，从而实现降低润滑油温度、提升燃油温度改善雾化品质等目的。(4)散热芯和外部采用三头螺旋上升结构，为润滑油及燃油流通提供三条周向均布流道，可在保证充足散热面积的同时，降低管道流通阻力。(5)散热芯内部放射状翅片中各翅片中心处缝隙不低于0.2mm，便于线切割一次性加工成形，这样既在最大程度增加了流体与壁面的接触面积，又保证了加工的工艺性和可实现性。(6)两个腔室头尾反向对调布置，不仅可以有效减小外形结构尺寸，使散热系统结构紧凑，同时还可以依靠两个散热芯分别所在腔室进行相互传热，进一步降低润滑油温度。(7)采用压力开启阀作为并联旁路，当环境温度较低导致润滑油粘度过大时，将触发压力开启阀阀芯作动打开，高粘度润滑油将通过压力开启阀一路直接进入发动机轴系，以此适应不同温度工况需求。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为用于小型涡喷发动机的高效燃滑油换热系统结构原理图；
28.图2为空冷进气道结构轴测图，(a)显示出油区域的轴测图，(b)显示进油区域的轴测图；
29.图3为空冷进气道结构示意图2，(a)平面图，(b)剖视图；
30.图4为空冷散热器结构及装配图；
31.图5为润滑油在往复式翅片槽道循环示意图；
32.图6为燃/滑油换热器壳体结构示意图，(a)内部结构图，(b)轴测图；
33.图7为散热芯结构示意图，(a)外部结构图，(b)侧视图，(c)内部结构图，(d)图(a)中a-a剖视图，(e)翅片布设示意图；
34.图8为燃/滑油换热器装配结构图1，(a)外部结构图，(b)内部结构图1，(c)内部结构图2；
35.图9为燃/滑油换热器装配结构图2，(a)仰视图，(b)左视图，(c)后视图，(d)图(a)中a-a剖视图，(e)图(a)中b-b剖视图；
36.图10为润滑油及燃油流动路径示意图。
37.图中，1-空冷进气道、2-油路密封套、3-o形密封圈、4-进油堵头、5-出油堵头、6-螺钉、7-螺母、8-换热器壳体、9-第一散热芯、10-第二散热芯、11-滑油进油端盖、12-滑油出油嘴、13-燃油进油嘴、14-燃油出油端盖、15-燃油工艺堵头、16-滑油工艺堵头。
具体实施方式
38.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
39.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
42.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
43.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一
体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
45.如图1所示，本实施例中的用于小型涡喷发动机的高效燃滑油换热系统，包滑油箱、滑油泵、空冷散热器、燃/滑油换热器、压力开启阀以及相关连接管路。滑油箱的出口连接滑油泵的进口，滑油泵的出口经管路连接空冷交换器的进油口，空冷交换器的出口经管路连接燃/滑油换热器的滑油进油口，燃/滑油换热器的滑油出口经管路连接发动机进行润滑。发动机再通过管路连通滑油箱的进口，实现滑油循环。燃/滑油换热器的燃油进口连接燃油供应系统，燃油出口连接燃油供应系统。此外，滑油泵的出口经管路连接压力开启阀的进口，开启阀的出口经管路连接发动机，可直接向发动机供应滑油。
46.本实施例的用于小型涡喷发动机的高效燃滑油换热系统具体工作过程如下：采用滑油泵将润滑油从滑油箱中抽出，沿连接管路由润滑油进油口进入空冷散热器，使润滑油在空冷散热器的往复槽道内充分接触并往复流动，与经过强迫对流换热的空冷进气道进行充分热交换，使润滑油温度降低、空冷进气道温度升高，实现润滑油降温、进气道除冰的双重目的。经过热交换的润滑油由润滑油出油口流出，沿连接管路进入燃/滑油换热器。润滑油在燃/滑油换热器内依次流经第一散热芯和第二散热芯，使之与低温燃油进行充分地换热，从而实现降低润滑油温度、提升燃油温度改善雾化品质等目的。与此同时，本实施例在充分考虑到润滑油粘度受温度影响较为明显，即在涡喷发动机初始起动低温工况下润滑油粘度较大，在流经空冷散热器和燃/滑油换热器内部槽道时由于流阻过大无法正常供应，故本实施例在管路中增设一路压力开启阀，与空冷散热器和燃/滑油换热器形成并联关系。当滑油路油压超过压力开启阀打开压力时，将触发压力开启阀阀芯作动打开，高粘度润滑油将通过压力开启阀一路直接进入发动机轴系，待润滑油在发动机轴系内被加热后，粘度大幅下降，则可通过空冷散热器和燃/滑油换热器一路进行散热降温以及循环供应，此设计使本系统能够适应不同温度工况需求。
47.如图2至5所示，空冷散热器包括空冷进气道1、油路密封套2、o形密封圈3、进油堵头4和出油堵头5。空冷进气道1的外表面沿周向设有复式翅片槽道，往复式翅片槽道是通过多个薄壁隔层实现各流道彼此独立隔离，同时通过薄壁隔层增大润滑油接触面积实现高效率换热。将两个o形密封圈3装配于往复式翅片槽道的两侧，再利用与油路密封套2内表面接触压缩对往复式翅片槽道实现密封。利用螺钉6和螺母7将油路密封套2一侧法兰面与空冷进气道1的法兰面进行连接，形成一个整体，而油路密封套2另一侧法兰面则可与涡喷发动机前端进行连接，作为涡喷发动机的进气系统。
48.在油路密封套2上开有润滑油进油口和润滑油出油口，二者轴对称设置。润滑油进油口和润滑油出油口采用垂直相贯孔的形式将润滑油引入和引出翅片槽道，而为加工垂直相贯孔则需要通过工艺孔实现。
49.进油堵头4和出油堵头5则分别用于封堵进、出油口处的工艺孔。
50.在本实施例中，往复式翅片槽道共设置9条流道，流道由两条平行的薄壁隔层间隔设置形成，流道之间相互独立。将润滑油进油口对应位置的形成流道的薄壁隔层进行断开，
保留由外向内排列第3条流道与第4条流道之间薄壁隔层，从而将断开区域分两个大小不同的独立区域，装配时面积大的区域顶部密封；将润滑油出油口对应位置的形成流道的薄壁隔层进行断开，保留由内向外排列第3条流道与第4条流道之间薄壁隔层，从而将断开区域分两个大小不同的独立区域，装配时面积大的区域顶部密封。这样就使得了润滑油进油口连续状态的薄壁隔层与润滑油出油口连续状态的薄壁隔层在位置相互错开。
51.如图2和4所示，润滑油进入进油口后沿第1条至3条流道流动，经过出油口断开区域后沿第1条至6条流道流动；循环到进油口断开区域后，润滑油沿第4条至9条流道流动；再循环至出油口断开区域后，部分润滑油从第6条至9条流道流出出油口。
52.本实施例中的空冷散热器工作原理：润滑油沿润滑油进油口进入空冷进气道1往复式翅片槽道内，受两侧o形密封圈3和油路密封套2的密封作用，润滑油仅能够在往复式翅片槽道内往复流动，待在往复式翅片槽道中往复折返两次后，润滑油沿润滑油出油口流出。当涡喷发动机在工作时，会有大量高速冷却气流流经空冷进气道1内壁面，通过冷却气流与空冷进气道1内壁面强迫对流换热，使空冷进气道1壁面温度迅速降低，当润滑油在流动过程中与槽道薄壁隔层表面积充分接触后，润滑油温度将得到一定程度的降低，同时空冷进气道1以及整个进气区域温度将得到一定范围提升，该过程不仅能降低润滑油的温度，同时还能起到对空冷进气道1的进气区域除冰的效果。
53.如图6至9所示，本实施例中的燃/滑油换热器包括换热器壳体8、第一散热芯9、第二散热芯10、滑油进油端盖11、滑油出油嘴12、燃油进油嘴13、燃油出油端盖14、燃油工艺堵头15和滑油工艺堵头16。换热器壳体8分为并排放置的左右两个腔室，两个腔室相通，两个腔室呈头尾反向对调布置。采用这样的设计，不仅可以有效减小换热器壳体8外形结构尺寸，使散热系统结构紧凑，同时还可以依靠两个散热芯分别所在腔室进行相互传热，进一步降低润滑油温度。
54.在本实施例中，第一散热芯9和第二散热芯10的结构近似，均分为内通道和外通道。外通道采用三头螺旋上升结构，为润滑油及燃油流通提供三条周向均布流道；采用三条螺旋上升的流道，在保证充足的接触换热面积的同时降低管道流通阻力，并使二者在该腔室内彼此间隔但又充分换热。内通道采用放射状翅片结构，各翅片中心处缝隙不低于0.2mm，这样便于线切割一次性加工成形，不仅最大程度增加了流体与壁面的接触面积，又保证了加工的工艺性和可实现性。在装配时，将第一散热芯9首尾两端分别安装o形密封圈3，而后压入其中一个腔室，通过o形密封圈3实现密封第一散热芯9与腔室之间的密封。采用相同方式将第二散热芯10压入另一个腔室，之后再利用螺钉6将带有o形密封圈3的滑油进油端盖11、燃油出油端盖14与与其相对应的第一散热芯9、第二散热芯10和换热器壳体8相连接。利用螺钉6在换热器壳体8对应位置将滑油出油嘴12和燃油进油嘴13安装到位，端面采用o形密封圈3进行密封。换热器壳体8内部加工有两个腔室互通的相贯孔，利用燃油工艺堵头15和滑油工艺堵头16实现对工艺孔的密封。
55.如图10所示，本实施例中，燃/滑油换热器工作原理：润滑油由滑油进口进入，流至第一散热芯9内通道，由于第一散热芯9内部采用放射状翅片结构，可以增加润滑油的散热面积，而此时外通道从燃油进口通有燃油，外通道采用三头螺旋槽引导结构，使二者在该腔室内彼此间隔但又充分换热；而后，润滑油沿第一散热芯9底部经相贯孔进入另一个腔室的第二散热芯10的外通道，而燃油则经过内部相贯孔进到第二散热芯10的底部并流入第二散
热芯10的内通道，由于第二散热芯10与第一散热芯9结构近似，因此在另一腔室内，润滑油沿外通道上三头螺旋槽流动，而燃油沿内通道中放射状翅片结构流动，润滑油和燃油在进行充分换热后，降温后的润滑油由滑油出油口流出，进入涡喷发动机轴系用于润滑，而升温后的燃油则由燃油出油口流出，进入涡喷发动机燃烧室进行燃烧。
56.使用过程中，由于相比于滑油流量而言，燃油流量相对较大，为降低供油过程中的管路损失，故本实施例在设计第一散热芯9时，对三头螺旋槽道的螺距进行了适当放大，在保证换热效果的同时，提高流量。经此过程后，润滑油温度可以得到大幅降低，燃油在带走润滑油热量的同时，也一定程度上完成了燃油自身的升温过程，更有利于后续燃油雾化及组织燃烧。
57.本实施例中，除通过两个散热芯实现润滑油降温目的外，将两个散热芯所在腔室头尾反向对调横向布置，不仅可以有效减小外形结构尺寸，使散热系统结构紧凑，同时还可以依靠两个散热芯分别所在腔室进行相互传热，进一步降低润滑油温度。
58.本实施例中，润滑油在经过空冷散热器和燃/滑油换热器共同作用后，温度可以得到大幅降低。经充分冷却后的润滑油进入涡喷发动机，将对发动机轴系起到更佳的保护效果，有助于实现涡喷发动机长寿命、高可靠性工作。同时，润滑油的降温过程又实现了空冷进气道1的除冰与燃油的升温。
59.本发明提供了一种用于小型涡喷发动机的高效燃滑油换热系统的思路，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

技术特征：
1.一种用于小型涡喷发动机的高效燃滑油换热系统，其特征在于：包括空冷散热器和燃/滑油换热器；所述空冷散热器利用发动机进气道中的高速冷却进气气流对经过空冷散热器的润滑油散热降温，同时加热发动机进气道；所述燃/滑油换热器用于将经过空冷散热器散热降温后的润滑油与低温燃油换热，降低润滑油温度和提升燃油温度。2.根据权利要求1所述用于小型涡喷发动机的高效燃滑油换热系统，其特征在于：所述空冷散热器包括往复式翅片槽道组，所述往复式翅片槽道组沿发动机进气道的周向布置，所述往复式翅片槽道组的外侧安装油路密封套；所述油路密封套上设有润滑油进油口和润滑油出油口；所述润滑油在往复式翅片槽道组内至少往复折返两次后从润滑油出油口流出。3.根据权利要求2所述用于小型涡喷发动机的高效燃滑油换热系统，其特征在于：所述往复式翅片槽道组包括至少3条流道,所述流道由两条间隔的薄壁隔层组成；所述润滑油进油口处、润滑油出油口处的流道中一薄壁隔层为连续状态，其余薄壁隔层为断开状态；所述连续状态的薄壁隔层将润滑油进油口处、润滑油出油口处分别分割为两个大小不同的独立区域；所述润滑油进油口处连续状态的薄壁隔层与润滑油出油口处连续状态的薄壁隔层的位置相互错开。4.根据权利要求1至3任一项所述用于小型涡喷发动机的高效燃滑油换热系统，其特征在于：所述燃/滑油换热器包括换热器壳体，所述换热器壳体内设有两个互通的腔室；所述腔室内分别安装散热芯，所述散热芯包括内流道和外流道；所述任一腔室中的散热芯上的内流道与另一腔室中散热芯上的外流道相通，外流道与另一腔室中散热芯上的内流道相通；所述换热器壳体分别设有燃油进口与燃油出口、滑油进口与滑油出口；所述燃油进口与任一腔室中的散热芯上的外流道/内流道相通，燃油出口与另一腔室中散热芯上的内流道/外流道相通；所述滑油进口与任一腔室中的散热芯上的内流道/外流道相通，滑油出口与另一腔室中散热芯上的外流道/内流道相通。5.根据权利要求4所述用于小型涡喷发动机的高效燃滑油换热系统，其特征在于：所述散热芯外部为螺旋上升状的周向均布流道，内部采用放射状翅片结构。6.根据权利要求5所述用于小型涡喷发动机的高效燃滑油换热系统，其特征在于：所述散热芯外部流道为三头螺旋槽引导结构。7.根据权利要求5所述用于小型涡喷发动机的高效燃滑油换热系统，其特征在于：所述散热芯内部放射状翅片中各翅片中心处缝隙不低于0.2mm。8.根据权利要求4所述用于小型涡喷发动机的高效燃滑油换热系统，其特征在于：所述两个腔室头尾反向对调布置。9.根据权利要求1至3任一项所述用于小型涡喷发动机的高效燃滑油换热系统，其特征在于：还包括压力开启阀，所述压力开启阀进口连接滑油供应单元，出口连接发动机。

技术总结
本发明公开了一种用于小型涡喷发动机的高效燃滑油换热系统，属于航空发动机领域。包括空冷散热器和燃/滑油换热器；空冷散热器利用发动机进气道中的高速冷却进气气流对经过空冷散热器的润滑油散热降温，同时加热发动机进气道；燃/滑油换热器用于将经过空冷散热器散热降温后的润滑油与低温燃油换热，降低润滑油温度和提升燃油温度。利用涡喷发动机工作时产生的高速冷却气流和低温燃油的特性，依托涡喷发动机本体结构对润滑油冷却降温，利用发动机运行过程中润滑油高温的特性，实现发动机进气系统除冰的目的，并且通过燃/滑油换热器在进一步降温润滑油的同时，来加热燃油来提升雾化品质及燃烧效率。化品质及燃烧效率。化品质及燃烧效率。


技术研发人员：李照远 钱松林 陈敏 梁旋 卢坤林 付细辉 张小龙 葛源海
受保护的技术使用者：融通航空发动机科技有限公司
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/6/28