高热流密度紧凑式三角肋片中冷器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及换热器高空应用技术领域，具体涉及一种高热流密度紧凑式三角肋片 中冷器。
【背景技术】
[0002] 中冷器是高空涡轮增压发动机增压系统的关键部件之一，本质是一种空-空换热 器。其作用一是防止发动机爆燃。通过飞行冷风来流对增压后的高温热空气进行换热冷 却，使进气温度降低到发动机可承受的范围，确保汽油发动机不发生爆振燃烧；作用二是降 低增压空气的温度，进一步提高增压空气的密度，确保增压器在匹配设计点工作，不发生喘 振和堵塞，使发动机达到所需的高空功率。
[0003] 国立中兴大学机械工程研宄所，作者田绍炜学位论文《涡轮增压引擎高空性能的 模拟试验与分析计算》中分析研宄指出（无具体实物）：航空飞行器匹配同一款增压器于同 一高度飞行，若配备理想的中冷器则输出的功率会更大。以增压器效率η。= 0.75来估算， 当航空飞行器爬升到IOkm高度时，大气密度只有海平面的35%，若要使用涡轮增压器将进 气密度恢复到海平面的水准，并配备理想的中间冷却器（冷却效率ε =1)，则进气增压应 为2. 85倍，实际的进气压力将成为79. 2KPa，进气温度为零下40°C。若没有配中间冷却器 (ε = 0)，则进气增压应为5. 37倍，实际的进气压力将成为149. 3KPa，实际的进气温度将成 为139°C。而实际使用中，中间冷却器的0< ε <1，故要达到相同的功率输出，会大大增 加涡轮增压器的设计难度。
[0004] 空-空中冷器主要应用于赛车用汽油机，部分应用于民用增压柴油机。日本赛车 用空-空中冷器业界认为是设计水平较高的，体现在性能和结构尺寸、重量方面的优势，上 述特点对于飞行器应用较为适用。但由于汽车的结构特点，中冷器前置安装，迎风面积都较 大，长度通常都在600_左右，基本达到飞行器发动机舱体最大宽度，安装困难。由于安装 结构限制，无法通过增加迎风面积进一步提高冷却效率。
【发明内容】
[0005] (一）要解决的技术问题
[0006] 本发明要解决的技术问题是：如何在安装条件限制下设计出一种结构紧凑的中冷 器，并使其具有良好的传热效率、较小流阻，能与涡轮增压发动机匹配，适应高空飞行环境。
[0007] (二）技术方案
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高热流密度紧凑式三角肋片中冷器， 包括封头体1和芯体3,所述封头体1焊接在芯体3上，用于对热流进行导流；所述芯体3 由多组冷边翅片、多组热边翅片、多个隔板、两个侧板，多个冷边封条，以及多个热边封条组 成；所述冷边翅片和热边翅片均为三角形平直翅片，且冷边翅片与热边翅片交叉放置实现 叉流换热，相邻的两个翅片之间设有隔板；其中一侧板设置于顶端翅片的上侧，另一侧板设 置于底端翅片的下侧；冷边封条设置于冷边翅片的侧面，热边封条设置于热边翅片的侧面。
[0009] 优选地，所述中冷器还包括焊接在芯体3上的连接法兰4,用于与外部部件连接。
[0010] 优选地，所述中冷器还包括接头2,所述接头2与芯体3采用氩弧焊连接。
[0011] 优选地，每个冷边翅片或热边翅片包括多个重复单元，每个重复单元称为一节，每 一节的纵截面为三角形。
[0012] 优选地，在中冷器外廓尺寸为326X247. 5X90mm、热边、冷边翅片，热边、冷边封条 和隔板材料为3A21，以及封头材料为5A06的条件下，计算芯体，热边、冷边翅片，隔板，热 边、冷边封条以及侧板的尺寸，使得冷热边流比为I. 1时，设计点效率达到多0. 51，热边阻 力达到< 3. OkPa，冷边阻力达到< I. 5kPa。
[0013] 优选地，芯体尺寸设计为180X180X90mm，芯体中，对于冷边翅片，其节距为 2. 7mm，翅高为6. 0mm，厚度为0. 12mm ;对于热边翅片，其节距为2. 0mm，翅高为4. 0mm，厚度为 0. 12mm〇
[0014] 优选地，所述隔板的厚度为0. 5mm。
[0015] 优选地，所述侧板的厚度为I. 5mm。
[0016] 优选地，所述冷边封条与热边封条的宽度均为5mm。
[0017] (三）有益效果
[0018] 本发明通过结构、尺寸设计，使得中冷器具有良好的传热效率和较高的强度，此外 还应具有较小的流阻。设计完成后的中冷器匹配到高空涡轮增压活塞发动机系统中，通过 飞行冷风来流对增压后的高温热空气进行换热冷却，使进气温度降低到涡轮增压活塞发动 机可承受的范围，能避免发动机发生爆振燃烧，同时提高进气密度，使发动机达到所需的高 空功率。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明的中冷器结构平面示意图；
[0020] 图2为本发明的中冷器中芯体结构示意图；
[0021] 图3为全环境高空舱中冷器试验原理图；
[0022] 图4为高空性能结果曲线图。
【具体实施方式】
[0023] 为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的
【具体实施方式】作进一步详细描述。
[0024] 如图1所示，本发明提供了一种高热流密度紧凑式三角肋片中冷器，包括封头体1 和芯体3,所述封头体1焊接在芯体3上，用于对热流进行导流；所述中冷器还包括焊接在 芯体3上的连接法兰4,用于与外部部件连接。所述中冷器还包括接头2,所述接头2与芯 体3采用氩弧焊连接。
[0025] 如图2所示，所述芯体3由多组冷边翅片304(即传热芯体的冷通道的传热翅片， 本发明中为8个）、多组热边翅片306 (传热芯体3的热通道的传热翅片，本发明中为7个）、 多个隔板305、两个侧板301，多个冷边封条302,以及多个热边封条303组成；为保证效率 和阻力等指标都满足设计要求，本发明热边采用传热效率较高、节距较小的三角形平直翅 片，冷边采用阻力损失较小、节距较大的三角形平直翅片，每个冷边翅片或热边翅片包括多 个重复单元，每个重复单元称为一节，每一节的纵截面为三角形。冷边翅片与热边翅片交叉 放置实现叉流换热。相邻的两个翅片之间设有隔板；其中一侧板设置于顶端翅片的上侧，另 一侧板设置于底端翅片的下侧；冷边封条设置于冷边翅片的侧面，热边封条设置于热边翅 片的侧面。采用这种单流程叉流板翅式结构方案，空气从芯体的两个交叉通道中各自流过 实现换热，其实现功能的基本原理是冷、热边流体存在温差，通过翅片和隔板导热，从而达 到热量传递的效果。具体而言，热流先通过其中一个封头体1均匀引导到热边翅片的通道 中，冷流直接进入冷边翅片的通道中，冷、热流换热，热流温度被降低后形成低温流从另一 封头体1流出。
[0026] 在本发明的结构基本确定以后，由于本发明的结构尺寸受到安装空间的限制，冷、 热边进出口连接形式已定，结构外廓尺寸改变的自由度很小。所以本发明只能在限定的尺 寸范围中，根据实际空间布局按最大迎风面尺寸设计，对热边翅片、冷边翅片及隔板等进行 选择。依据飞行器在高升限进行低速爬升时的冷风来流条件，设计该型中冷器，满足性能指 标如下：在中冷器外廓尺寸为326X247. 5X90mm、热边、冷边翅片，热边、冷边封条和隔板 材料为3A21，以及封头材料为5A06的条件下，计算芯体，热边、冷边翅片，隔板，热边、冷边 封条以及侧板的尺寸，使得冷热边流比为I. 1时，设计点效率（换热效率）达到多〇. 51，热 边阻力达到< 3. OkPa，冷边阻力达到< I. 5kPa。
[0027] 计算芯体，热边、冷边翅片，隔板，热边、冷边封条以及侧板的尺寸的方法如下：在 已知中冷器外廓尺寸、热边、冷边翅片，热边、冷边封条、封头、隔板材料、雷诺数、当量直径、 动力粘度、传热因子、质量流速、比热、翅片导热系数、质量流量、冷热边热容比、摩擦因子、 沿气流方向翅片长度、端盖损失系数等的条件下，根据热力学原理，计算热冷边出口数据及 阻力、重量。如结果达不到技术指标不符，返回初始状态改变数值，重复计算过程，计算过程 中考虑封头对流体阻力影响。部分相关公式如下，符号含义见表1。
[0028] 雷诺数：Re = 〇de/μ ⑴
【主权项】
1. 一种高热流密度紧凑式三角肋片中冷器，其特征在于，包括封头体（1)和芯体（3)， 所述封头体（1)焊接在芯体（3)上，用于对热流进行导流；所述芯体（3)由多组冷边翅片、 多组热边翅片、多个隔板、两个侧板，多个冷边封条，以及多个热边封条组成；所述冷边翅片 和热边翅片均为三角形平直翅片，且冷边翅片与热边翅片交叉放置实现叉流换热，相邻的 两个翅片之间设有隔板；其中一侧板设置于顶端翅片的上侧，另一侧板设置于底端翅片的 下侧；冷边封条设置于冷边翅片的侧面，热边封条设置于热边翅片的侧面。
2. 如权利要求1所述的高热流密度紧凑式三角肋片中冷器，其特征在于，所述中冷器 还包括焊接在芯体（3)上的连接法兰（4)，用于与外部部件连接。
3. 如权利要求1所述的高热流密度紧凑式三角肋片中冷器，其特征在于，所述中冷器 还包括接头（2)，所述接头（2)与芯体（3)采用氩弧焊连接。
4. 如权利要求3所述的高热流密度紧凑式三角肋片中冷器，其特征在于，每个冷边翅 片或热边翅片包括多个重复单元，每个重复单元称为一节，每一节的纵截面为三角形。
5. 如权利要求4所述的高热流密度紧凑式三角肋片中冷器，其特征在于，在中冷器外 廓尺寸为326X247. 5X90mm、热边、冷边翅片，热边、冷边封条和隔板材料为3A21，以及封 头体（1)材料为5A06的条件下，计算芯体（3)，热边、冷边翅片，隔板，热边、冷边封条以及侧 板的尺寸，使得冷热边流比为1. 1时，设计点效率达到彡0. 51，热边阻力达到< 3. OkPa，冷 边阻力达到< 1. 5kPa。
6. 如权利要求5所述的高热流密度紧凑式三角肋片中冷器，其特征在于，所述芯体（3) 尺寸设计为180X180X90mm，芯体中，对于冷边翅片，其节距为2. 7mm，翅高为6. 0mm，厚度 为0. 12mm ;对于热边翅片，其节距为2. 0mm，翅高为4. 0mm，厚度为0. 12mm。
7. 如权利要求6所述的高热流密度紧凑式三角肋片中冷器，其特征在于，所述隔板的 厚度为〇. 5mm。
8. 如权利要求7所述的高热流密度紧凑式三角肋片中冷器，其特征在于，所述侧板的 厚度为1. 5mm。
9. 如权利要求8所述的高热流密度紧凑式三角肋片中冷器，其特征在于，所述冷边封 条与热边封条的宽度均为5mm。
【专利摘要】本发明涉及一种高热流密度紧凑式三角肋片中冷器，属于换热器高空应用技术领域。本发明设计的中冷器具有良好的传热效率和较高的强度，此外还应具有较小的流阻。设计完成后的中冷器匹配到高空涡轮增压活塞发动机系统中，通过飞行冷风来流对增压后的高温热空气进行换热冷却，使进气温度降低到涡轮增压活塞发动机可承受的范围，能避免发动机发生爆振燃烧，同时提高进气密度，使发动机达到所需的高空功率。
【IPC分类】F02B29-04
【公开号】CN104612813
【申请号】CN201510102961
【发明人】李娜, 刘汉斌, 姜云峰, 甘斌林, 王绍卿, 赵庆隆
【申请人】北京动力机械研究所
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年3月9日