一种低流阻高效紧凑型预冷器及其制造方法与流程

本发明属于预冷动力技术领域，具体涉及一种低流阻高效紧凑型预冷器结构及其制造方法。

背景技术：

预冷发动机是借助预冷器及其相关部件和系统通过将空气压气机进口的来流气体进行预先冷却，降低空气压气机进口的气体温度，提高压气机进口气体的质量流量，拓宽压气机的高效工作范围，使发动机能够适应飞行器在高速条件下的动力需求，是空天飞行器动力的重要发展方向之一。

预冷器作为预冷发动机最为核心的部件，对于拓宽发动机工作速域、提高发动机的推重比等性能参数起着十分重要的作用。为满足预冷发动机的工程应用要求，预冷发动机所使用的预冷器需要具有换热功率大、功率密度高、轻量化、高紧凑性、低流阻等特点。预冷器在工作过程中，一侧为高温空气、一侧为低温工质，工作温度梯度大，工作载荷环境复杂，特别是在飞行器高马赫数的飞行条件下，预冷器的工作环境变得尤为严酷，承受着高温、高压来流空气的高速冲击。因此，预冷器不仅要求具有良好的换热性能，而且还要求具有高可靠性，能够保证预冷器高效换热性能的有效发挥。

现有的预冷器普遍采用由微细管膜片换热单元组装而成的环形结构，具体为：首先，按设计尺寸将微细管进行切割并成型为具有渐开线的形状特征；然后，通过焊接工艺将几十根甚至上百根直径相同的微细管与集气管、支板等焊接在一起，形成预冷器的换热膜片单元；最后，将若干个换热膜片单元组装在一起，形成完整的预冷器结构。在现有的预冷器结构中，被冷却空气沿径向方向由外而内进入预冷器，冷却工质则从换热膜片单元的靠近中心一侧的集气管进入预冷器中的微细管内部，并从外侧集气管流出。现有的预冷器结构虽然可以实现高效换热，具有高紧凑、高功率密度等特点，但是由于被冷却空气沿径向方向垂直于轴线进入预冷器并沿轴向流出，预冷器流阻较大；同时，由于需要对微细管进行较为复杂成型工艺和对膜片单元进行焊接并组装，导致预冷器的制造难度大、成本高；此外，预冷器通过多个换热膜片单元上的集气管与外部的冷却工质管路相连，使得预冷器的外围连接管路复杂、密封部位较多、体积和重量较大，而且不利于预冷器的结构可靠性。

针对预冷发动机对预冷器的高效换热、高功率密度、低流阻、高可靠性等要求，需要结合空天动力对预冷器的需求，合理设计预冷器的换热结构、优化被冷却气体和冷却工质的流通路径、简化预冷器的外部连接接口、降低预冷器的制造难度，以实现预冷器的高性能与高可靠性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种低流阻高效紧凑型预冷器及其制造方法，该结构具体由进气导流盖、进气支承罩、换热管、隔板罩、承力柱、间隔套、支承罩、端面导流盖、缝合螺钉、缝合螺母和锁紧螺母组成。根据预冷器换热功率、被冷却工质的进出口温度与压力、冷却工质的进出口温度与压力等参数，确定预冷器组成零部件的结构尺寸参数及螺纹装配拧紧力矩，在完成零部件制造的基础上，首先进行换热管和支承罩的装配、支承罩和端面导流盖的装配以及承力柱同支承罩和端面导流盖的装配，其次进行隔板罩和间隔套同换热管与承力柱的装配，然后进行进气支承罩同换热管和承力柱的装配，最后进行进气导流盖同进气支承罩、承力柱的装配，形成完整的预冷器结构，具有结构紧凑、流阻小、制造难度低等特点。

一种低流阻高效紧凑型预冷器结构，包括进气导流盖、进气支承罩、换热管、隔板罩、承力柱、间隔套、支承罩、端面导流盖、缝合螺钉、缝合螺母和锁紧螺母；所述进气导流盖为锥形结构，所述进气导流盖的外锥面设有冷却工质进出预冷器的集气管路，所述进气导流盖的内锥面设有导流槽，所述进气导流盖的导流槽之间的环形凸棱与进气支承罩的环形槽之间配合安装，所述进气导流盖的内缘端面和外缘端面设有同承力柱和缝合螺钉相装配的通孔；

所述进气支承罩为锥形结构，所述进气支承罩的锥面设有与换热管装配的通孔，所述进气支承罩的外锥面设有环形槽，所述进气支承罩的环形槽可以按照冷却工质的流量要求确定环形槽之间所间隔的换热管的排数，所述进气支承罩的内缘端面和外缘端面设有同承力柱和缝合螺钉相装配的通孔；

所述换热管安装在进气支承罩、隔板和支承罩上，所述换热管采用直径不同的微细管，所述换热管的直径按照冷却工质的导流要求沿预冷器的径向方向逐渐增大，所述换热管沿预冷器的径向方向采用交叉排布方式安装；所述隔板罩为锥形结构，所述隔板罩的锥面设有与换热管装配的通孔，所述隔板罩的内缘端面和外缘端面设有与承力柱相装配的通孔；

所述承力柱为变截面杆，所述承力柱的较短一端为同支承罩和端面导流盖的端面通孔相装配并在端部带有一段螺纹的杆，所述承力柱的较长一端为同隔板罩、间隔套、进气支承罩和进气导流盖的端面通孔相装配并在端部带有一段螺纹的杆，所述承力柱的中间光杆直径大于支承罩和隔板罩的内缘端面及外缘端面通孔直径；所述间隔套的中心有与承力柱的光杆相装配的通孔，所述间隔套安装在承力柱上以及隔板罩或进气支承罩之间；

所述支承罩的锥面设有与换热管装配的通孔，所述支承罩的内锥面设有环形槽，所述支承罩的环形槽可以按照冷却工质的流量要求确定环形槽之间所间隔的换热管的排数，所述支承罩的内缘端面和外缘端面设有同承力柱和缝合螺钉相装配的通孔；

所述端面导流盖为锥形结构，所述端面导流盖的外锥面设有导流槽，所述端面导流盖的导流槽之间的环形凸棱与支承罩的环形槽之间配合安装，所述端面导流盖的内缘端面和外缘端面设有同承力柱和缝合螺钉相装配的通孔；

所述缝合螺钉安装在端面导流盖和支承罩以及进气导流盖和进气支承罩的内缘端面与外缘端面的通孔中；所述缝合螺母安装在缝合螺钉上；所述锁紧螺母安装在承力柱的光杆螺纹段上。

一种低流阻高效紧凑型预冷器的制造方法，包括以下步骤：

a、确定预冷器及其组成零部件的结构尺寸参数与螺纹装配力矩：根据预冷器换热功率、被冷却工质的进出口温度与压力、冷却工质的进出口温度与压力等参数，确定预冷器及其组成零部件的结构尺寸参数，并根据密封与结构强度要求，确定缝合螺母和锁紧螺母的拧紧力矩；

b、进行预冷器组成零部件的制造：按照步骤a确定的预冷器的结构尺寸参数，制造预冷器的进气导流盖、进气支承罩、换热管、隔板罩、承力柱、间隔套、支承罩、端面导流盖、缝合螺钉、缝合螺母和锁紧螺母；

c、进行换热管和支承罩的装配：采用焊接方式将换热管安装在支承罩的通孔中，保证换热管的端面与支承罩的内锥面对齐；

d、进行支承罩和端面导流盖的装配：将支承罩的内锥面及端面分别同端面导流盖的外锥面及端面贴紧，使端面导流盖的导流槽之间的环形凸棱与支承罩的环形槽之间配合，对齐支承罩和端面导流盖的内缘端面和外缘端面的通孔，将缝合螺钉穿过支承罩和端面导流盖的内缘端面和外缘端面的通孔，并将缝合螺母安装在缝合螺钉上，按照步骤a确定的力矩拧紧，实现紧固；

e、承力柱同支承罩和端面导流盖的装配：将承力柱的较短一端安装在支承罩和端面导流盖的内缘端面和外缘端面的通孔中，并将锁紧螺母安装在承力柱较短一端的外螺纹上，按照步骤a确定的力矩拧紧进行固定；

f、进行隔板罩和间隔套同换热管与承力柱的装配：依次将隔板罩锥面上与换热管装配的通孔穿过换热管，同时将隔板罩的内缘端面和外缘端面的通孔穿过承力柱，然后将间隔套安装在承力柱上；

g、进行进气支承罩同换热管和承力柱的装配：将进气支承罩锥面上与换热管装配的通孔穿过换热管，同时将进气支承罩的内缘端面和外缘端面的通孔穿过承力柱，采用焊接方式实现进气支承罩锥面通孔与换热管之间的装配；

h、进行进气导流盖同进气支承罩、承力柱的装配：将进气支承罩的外锥面及端面分别同进气导流盖的内锥面及端面贴紧，使进气导流盖的导流槽之间的环形凸棱与进气支承罩的环形槽之间配合，进气导流盖的内缘端面和外缘端面的通孔穿过承力柱，然后将锁紧螺母安装在承力柱上，按照步骤a确定的力矩拧紧，最后将缝合螺钉穿过进气支承罩和进气导流盖的内缘端面和外缘端面的通孔，并将缝合螺母安装在缝合螺钉上，按照步骤a确定的力矩拧紧。

有益效果：

本发明的一种低流阻高效紧凑型预冷器结构及其制造工艺，采用直径不同的微细管一方面可以提高预冷器的换热效率和功率密度，另一方面可以有效降低冷却工质的流阻；进气支承罩、隔板罩和支承罩采用锥面结构，可以有效降低被冷却工质在预冷器内的流动阻力，减小从进气道进入预冷器的被冷却工质经过预冷器的流动损失；采用隔板罩可以提高预冷器结构的可靠性，防止换热管在被冷却工质的气流冲击等外部载荷激励下发生共振；进气导流盖的外锥面设有冷却工质进出预冷器的集气管路，可以实现冷却工质集中进入和流出预冷器，减少进出管路接口，同时提高进入预冷器冷却工质的流动均匀性；采用承力柱与间隔套的结构，不仅可以提高预冷器的结构强度，而且便于装配；该预冷器焊接部位较少，可以有效降低预冷器的制造难度，实现高可靠性

附图说明

图1是本发明实施例所述低流阻高效紧凑型预冷器结构示意图。

图2是本发明实施例所述进气导流盖结构示意图。

图3是本发明实施例所述进气支承罩结构示意图。

图4是本发明实施例所述隔板罩结构示意图。

图5是本发明实施例所述承力柱结构示意图。

图6是本发明实施例所述间隔套结构示意图。

图7是本发明实施例所述支承罩结构示意图。

图8是本发明实施例所述端面导流盖结构示意图。

其中：1进气导流盖2进气支承罩3换热管4隔板罩5承力柱6间隔套7支承罩8端面导流盖9缝合螺钉10缝合螺母11锁紧螺母12冷却工质流入集气管13冷却工质流出集气管14进气导流盖的导流槽15进气导流盖内缘端面和外缘端面通孔16进气支承罩的锥面通孔17进气支承罩的环形槽18进气支承罩的内缘端面和外缘端面通孔19隔板罩的锥面通孔20隔板罩的内缘端面和外缘端面通孔21承力柱较短带有螺纹的杆22承力柱较长带有螺纹的杆23承力柱中间光杆24间隔套通孔25支承罩锥面通孔26支承罩环形槽27支承罩的内缘端面和外缘端面通孔28端面导流盖导流槽29端面导流盖的内缘端面和外缘端面通孔。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明提供了一种低流阻高效紧凑型预冷器结构，包括进气导流盖1、进气支承罩2、换热管3、隔板罩4、承力柱5、间隔套6、支承罩7、端面导流盖8、缝合螺钉9、缝合螺母10和锁紧螺母11；如附图2所示，所述进气导流盖1为锥形结构，所述进气导流盖1的外锥面设有冷却工质进出预冷器的集气管路12和13，所述进气导流盖1的内锥面设有导流槽14，所述进气导流盖1的导流槽之间的环形凸棱与进气支承罩2的环形槽之间配合安装，所述进气导流盖1的内缘端面和外缘端面设有同承力柱和缝合螺钉相装配的通孔15；

如附图3所示，所述进气支承罩2为锥形结构，所述进气支承罩2的锥面设有与换热管装配的通孔16，所述进气支承罩2的外锥面设有环形槽17，所述进气支承罩2的环形槽可以按照冷却工质的流量要求确定环形槽之间所间隔的换热管的排数，所述进气支承罩2的内缘端面和外缘端面设有同承力柱和缝合螺钉相装配的通孔18；

所述换热管3安装在进气支承罩2、隔板4和支承罩7上，所述换热管3采用直径不同的微细管，所述换热管3的直径按照冷却工质的导流要求沿预冷器的径向方向逐渐增大，所述换热管3沿预冷器径向方向采用交叉排布方式安装；

如附图4所示，所述隔板罩4为锥形结构，所述隔板罩4的锥面设有与换热管3装配的通孔19，所述隔板罩4的内缘端面和外缘端面设有与承力柱相装配的通孔20；

如附图5所示，所述承力柱5为变截面杆，所述承力柱5的较短一端21为同支承罩和端面导流盖的端面通孔相装配并在端部带有一段螺纹的杆，所述承力柱5的较长一端22为同隔板罩4、间隔套6、进气支承罩2和进气导流盖1的端面通孔相装配并在端部带有一段螺纹的杆，所述承力柱5的中间光杆23的直径大于支承罩和隔板罩的内缘端面及外缘端面通孔直径；

如附图6所示，所述间隔套6的中心有与承力柱5相装配的通孔24，所述间隔套6安装在承力柱5上以及隔板罩4或进气支承罩2之间；

如附图7所示，所述支承罩7的锥面设有与换热管装配的通孔25，所述支承罩7的内锥面设有环形槽26，所述支承罩7的环形槽可以按照冷却工质的流量要求确定环形槽之间所间隔的换热管的排数，所述支承罩7的内缘端面和外缘端面设有同承力柱和缝合螺钉相装配的通孔27；

如附图8所示，所述端面导流盖8为锥形结构，所述端面导流盖8的外锥面设有导流槽28，所述端面导流盖8的导流槽之间的环形凸棱与支承罩的环形槽之间配合安装，所述端面导流盖8的内缘端面和外缘端面设有同承力柱5和缝合螺钉9相装配的通孔29；

所述缝合螺钉9安装在端面导流盖8和支承罩7以及进气导流盖1和进气支承罩2的内缘端面与外缘端面的通孔中；所述缝合螺母10安装在缝合螺钉9上；所述锁紧螺母11安装在承力柱5的光杆螺纹段上。

一种低流阻高效紧凑型预冷器的制造方法，包括以下步骤：

a、确定预冷器及其组成零部件的结构尺寸参数与螺纹装配力矩：根据预冷器换热功率、被冷却工质的进出口温度与压力、冷却工质的进出口温度与压力等参数，确定预冷器及其组成零部件的结构尺寸参数，并根据密封与结构强度要求，确定缝合螺母和锁紧螺母的拧紧力矩；例如，某预冷发动机对预冷器的换热功率、空气进出口参数和冷却工质进出口参数，为降低预冷器的留住，确定的预冷器进气支承罩、隔板罩和支承罩的锥面角为90°，确定的缝合螺母和锁紧螺母的拧紧力矩为60n·m。

b、进行预冷器组成零部件的制造：按照步骤a确定的预冷器的结构尺寸参数，制造预冷器的进气导流盖1、进气支承罩2、换热管3、隔板罩4、承力柱5、间隔套6、支承罩7、端面导流盖8、缝合螺钉9、缝合螺母10和锁紧螺母11；

c、进行换热管3和支承罩7的装配：采用焊接方式将换热管3安装在支承罩7的通孔25中，保证换热管3的端面与支承罩7的内锥面对齐；

d、进行支承罩7和端面导流盖8的装配：将支承罩7的内锥面及端面分别同端面导流盖8的外锥面及端面贴紧，使端面导流盖8的导流槽之间的环形凸棱与支承罩7的环形槽26之间配合，对齐支承罩7和端面导流盖8的内缘端面和外缘端面的通孔，将缝合螺钉9穿过支承罩7和端面导流盖8的内缘端面和外缘端面的通孔，并将缝合螺母10安装在缝合螺钉9上，按照步骤a确定的力矩拧紧，实现紧固；

e、承力柱5同支承罩7和端面导流盖8的装配：将承力柱5的较短一端21安装在支承罩7和端面导流盖8的内缘端面和外缘端面的通孔中，并将锁紧螺母11安装在承力柱5较短一端的21外螺纹上，按照步骤a确定的力矩拧紧进行固定；

f、进行隔板罩4和间隔套6同换热管3与承力柱5的装配：依次将隔板罩4锥面上与换热管装配的通孔19穿过换热管3，同时将隔板罩4的内缘端面和外缘端面的通孔20穿过承力柱5，然后将间隔套6安装在承力柱5上；

g、进行进气支承罩2同换热管3和承力柱5的装配：将进气支承罩2锥面上与换热管装配的通孔16穿过换热管3，同时将进气支承罩2的内缘端面和外缘端面的通孔18穿过承力柱5，采用焊接方式实现进气支承罩2锥面通孔16与换热管3之间的装配；

h、进行进气导流盖1同进气支承罩2、承力柱5的装配：将进气支承罩2的外锥面及端面分别同进气导流盖1的内锥面及端面贴紧，使进气导流盖1的导流槽14之间的环形凸棱与进气支承罩2的环形槽17之间配合，进气导流盖1的内缘端面和外缘端面的通孔15穿过承力柱5，然后将锁紧螺母11安装在承力柱5上，按照步骤a确定的力矩拧紧，最后将缝合螺钉9穿过进气支承罩2和进气导流盖1的内缘端面和外缘端面的通孔，并将缝合螺母10安装在缝合螺钉9上，按照步骤a确定的力矩拧紧。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。