一种基于CCA技术的发动机引气再压缩冷却系统

一种基于cca技术的发动机引气再压缩冷却系统
技术领域
1.本发明涉及航空发动机冷却技术领域，别涉及一种基于cca技术的发动机引气再压缩冷却系统。


背景技术：

2.提高推力和热效率始终是航空发动机设计者所追求的目标，根据热力循环基本原理可知，提高增压比和涡轮前温度是提高推力和热效率的关键技术途径。但随着航空发动机的增压比和最高涡轮前温度不断提高，航空发动机的热防护问题面临极大挑战：一方面涡轮前温度的提高使得热端部件的冷却需求加重，另一方面总压比的提高造成冷却空气温度升高，涡轮可用冷气冷却品质进一步降低，两者共同作用使得热端部件的工作环境更加恶劣，仅依靠材料耐温水平和冷却技术的发展已无法满足如此苛刻的热防护需求。在这种背景下，可大幅度提升冷却空气冷却品质并实现发动机能量综合利用的冷却冷却空气(cca) 技术成为了解决上述问题的关键途径之一，得到了学术界和工业界的广泛关注。
3.cca技术，全称为cooled cooling air，也称冷却冷却空气技术，通常cca技术使用的热沉包括发动机外涵空气、航空煤油及冲压空气等，通过上述低温工质从高压压气机(high pressure compressor，hpc)出口引气提取热量，从而提高冷却空气的冷却品质，降低冷却引气流量和涡轮材料温度，提高发动机性能和寿命。
4.目前，国内外学者开展了大量关于cca技术可行性和cca外涵换热器设计及优化技术研究：比如考虑空气-空气和燃油-空气热交换器来冷却压气机引气。虽然采用cca技术能够大幅降低引气温度提高冷却引气品质，然而引气经换热器后会造成压力损失，但涡轮叶片冷却空气必须有足够的压力裕度，才能通过叶片冷却孔进入主流燃气，尤其对涡轮静子叶片冷却而言，引气必须克服流经热交换器的压力损失。一般地，经过空空换热器后引气压力损失通常为5％～20％。目前，有人考虑增加acm系统(由离心压缩机和径向涡轮组成)来提高hpc引气压力，也有人从改变二次空气系统的流动路径，将引气引入换热器的概念设计开始，重点评估实际飞行条件对冷却空气(cca)系统的影响，并对cca换热器在应力温升作用下进行了瞬态分析。但迄今为止，尚未找到理想的既能够使高压压气机引气大幅降低温度，同时能够改善引气总压损失的方法。


技术实现要素：

5.本发明设计出一种基于cca技术的发动机引气再压缩冷却系统，以在降低高压压气机引气温度的同时，改善引气总压损失的问题。
6.为解决上述问题，本发明公开了一种基于cca技术的发动机引气再压缩冷却系统，
7.一种基于cca技术的发动机引气再压缩冷却系统，包括：
8.引气冷却与再压缩流路，其包括换热器和再压缩压气机；
9.来自高压压气机的引气被分成第一部分引气和第二部分引气，其中第一部分引气进入所述引气冷却与再压缩流路中，在所述引气冷却与再压缩流路中进行降温和再压缩处
理后与高压压气机排出的第二部分引气经引射器混合并排出，之后将形成的引气用于冷却高温热端部件。
10.进一步的，所述发动机引气再压缩冷却系统还包括：
11.引气直排流路，其与所述引气冷却与再压缩流路并联，来自高压压气机的第二部分引气进入所述引气直排流路中，流经所述引气直排流路后与所述引气冷却与再压缩流路排出的第一部分引气经引射器混合后排出。
12.进一步的，所述发动机引气再压缩冷却系统还包括：
13.引气输入管，来自高压压气机的引气通过所述引气输入管的入口端进入所述发动机引气再压缩冷却系统；
14.分流阀，所述引气输入管的出口端与所述分流阀的进口连接，所述分流阀的出口分别与所述引气冷却与再压缩流路和引气直排流路连接，来自高压压气机的引气经所述分流阀后被分成所述第一部分引气和第二部分引气。
15.进一步的，所述换热器包括：
16.预冷器，其采用第一冷却介质作为热沉对所述第一部分引气进行冷却；
17.再冷器，其采用第二冷却介质作为热沉对所述第一部分引气进行冷却；
18.所述第一部分引气首先进入所述预冷器进行预冷却，之后进入所述再冷器进行再冷却。
19.进一步的，所述第一冷却介质为外涵气。
20.进一步的，所述第二冷却介质为燃油。
21.进一步的，所述预冷器、再压缩压气机和再冷器依次设置，所述第一部分引气依次流经所述预冷器、再压缩压气机和再冷器。
22.进一步的，所述预冷器为空-空换热器，所述预冷器设置于发动机外涵道内；
23.所述再冷器为空-油换热器，所述再冷器设置在内、外涵道间舱体内。
24.进一步的，所述发动机引气再压缩冷却系统还包括第一冷却介质流路，所述第一冷却介质流路包括：
25.第一冷却介质输入管，第一冷却介质经所述第一冷却介质输入管的进口端输入所述第一冷却介质流路中；
26.分流环，其进口与所述第一冷却介质输入管的出口端连接；
27.第一冷却介质支管一，其进口端与所述分流环的其中一个出口连接，出口端与所述预冷器的冷侧入口连接；
28.第一冷却介质直排管，其进口端与所述分流环的另一个出口连接；
29.第一冷却介质支管二，其进口端与所述预冷器的冷侧出口连接。
30.进一步的，所述发动机引气再压缩冷却系统还包括第二冷却介质流路，所述第二冷却介质流路包括：
31.第二冷却介质输入管，第二冷却介质通过所述第二冷却介质输入管的进口端进入所述第二冷却介质流路，所述第二冷却介质输入管的出口端与所述再冷器的冷侧入口连接；
32.第二冷却介质输出管，其进口端与所述再冷器的冷侧出口连接。
33.本技术所述的基于cca技术的发动机引气再压缩冷却系统具有以下优点：
34.第一、通过将来自高压压气机的引气分成两部分，即第一部分引气和第二部分引气，在实现调整引气温度和压力的同时，一方面可减少换热器和再压缩压气机的尺寸和重量，减小发动机推重比损失，另一方面可增大与外涵气的换热效果，增大换热器的传热有效度及补偿总压损失；
35.第二、将第一部分引气使用空-空预冷器、空-油再冷器进行双级换热，最终能够大幅降低高压压气机整体的引气温度；
36.第三、第一部分引气采用再压缩技术补偿或提高引气总压损失，进而保证引气及外涵空气总压恢复系数，同时再压缩提高了再冷器的换热温差，进而提高了再冷器的换热效果；
37.第四、最终通过提高引气冷却品质，改善发动机热端部件冷却效果，提高发动机的推力性能和热效率。
38.总之，本技术所述的基于cca技术的发动机引气再压缩冷却系统不但能够使高压压气机引气温度大幅降低，同时能够补偿与提高引气总压损失，提高冷却引气品质。
附图说明
39.图1为本发明所述基于cca技术的发动机引气再压缩冷却系统的结构示意图；
40.图2为本发明所述基于cca技术的发动机引气再压缩冷却系统在发动机中的气流分配关系示意图。
41.附图标记说明：
42.1、引气冷却与再压缩流路；11、换热器；111、预冷器；112、再冷器；12、再压缩压气机；13、引气冷却与再压缩支管；131、第一支管；132、第二支管； 133、第三支管；134、第四支管；14、功率输入传动装置；2、引气直排流路； 21、引气直排支管；3、引气输入管；4、分流阀；5、引气输出管；6、第一冷却介质流路；61、第一冷却介质输入管；62、分流环；63、第一冷却介质支管一；64、第一冷却介质直排管；65、第一冷却介质支管二；66、第一冷却介质输出管；7、第二冷却介质流路；71、第二冷却介质输入管；72、第二冷却介质输出管；8、引射器；a、高压涡轮机；b、高压压气机；c、发动机引气再压缩冷却系统；d、混合器一；e、燃烧室；f、风扇；g、混合器二；h、低压涡轮机；j、混合室；k、低压转轴；m、高压转轴。
具体实施方式
43.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
44.实施例1
45.如图1所示，一种基于cca技术的发动机引气再压缩冷却系统，包括：
46.引气冷却与再压缩流路1，其包括换热器11和再压缩压气机12；
47.来自高压压气机的引气被分流组件分成第一部分引气和第二部分引气，其中第一部分引气进入所述引气冷却与再压缩流路1中，在所述引气冷却与再压缩流路1中进行降温和再压缩处理后与高压压气机排出的第二部分引气经引射器8混合并排出，之后将形成的引气用于冷却高温热端部件。
48.在本技术中，通过所述换热器11对第一部分引气进行降温处理，使得最终得到的
引气温度大幅降低；通过所述再压缩压气机12对第一部分引气进行再压缩处理，提高与补偿了引气的总压损失，进而实现了提高引气冷却品质，改善发动机热端部件冷却效果，提高发动机的推力性能和热效率的目的。
49.更为重要的是，在本技术中，通过将来自高压压气机的引气分成两部分，即第一部分引气和第二部分引气，在实现调整引气温度和压力的同时，一方面可减少换热器11和再压缩压气机12的尺寸和重量，减小发动机推重比损失，另一方面可增大与外涵气的换热效果，增大换热器11的传热有效度及补偿总压损失。
50.进一步的，所述基于cca技术的发动机引气再压缩冷却系统还包括：
51.引气直排流路2，其与所述引气冷却与再压缩流路1并联，来自高压压气机的第二部分引气进入所述引气直排流路2中，流经所述引气直排流路2后与所述引气冷却与再压缩流路1排出的第一部分引气经引射器8混合后排出。
52.作为本技术的一些实施例，所述引气直排流路2包括：
53.引气直排支管21，所述引气直排支管21与所述引气冷却与再压缩流路1并联。
54.更进一步的，所述基于cca技术的发动机引气再压缩冷却系统还包括：
55.引气输入管3，来自高压压气机的引气通过所述引气输入管3的入口端进入所述发动机引气再压缩冷却系统；
56.分流阀4，所述引气输入管3的出口端与所述分流阀4的进口连接，所述分流阀4的出口分别与所述引气冷却与再压缩流路1和引气直排流路2连接，来自高压压气机的引气经所述分流阀4后被分成所述第一部分引气和第二部分引气。
57.作为本技术的一些实施例，在使用中，可通过控制所述分流阀4的开度，调节所述第一部分引气和第二部分引气的流量比。
58.更进一步的，所述基于cca技术的发动机引气再压缩冷却系统还包括：
59.引气输出管5，所述引气输出管5的入口端分别与所述引气冷却与再压缩流路1和引气直排支管21的出口端连接，所述引气冷却与再压缩流路1排出的第一部分引气和所述引气直排流路2排出的第二部分经所述引气输出管5混合并排出。
60.作为本技术的一些实施例，所述引气输出管5与所述引气直排支管21可以为分别设置的两根管道，也可以为连续的一根管道，此时，由管道的前段作为所述引气直排支管21，后段作为所述引气输出管5。
61.进一步的，所述换热器11包括：
62.预冷器111，其采用第一冷却介质作为热沉对所述第一部分引气进行冷却；
63.再冷器112，其采用第二冷却介质作为热沉对所述第一部分引气进行冷却；
64.所述第一部分引气首先进入所述预冷器111进行预冷却，之后进入所述再冷器112进行再冷却。
65.优选的，所述第一冷却介质为外涵气，所述第二冷却介质为燃油。
66.更加优选的，所述预冷器111为空-空换热器，所述预冷器111设置于发动机外涵道内，外涵气在预冷器111中与第一部分引气换热以冷却第一部分引气。
67.作为本技术的一些实施例，所述预冷器111包括芯体管束和进出口连接管，所述预冷器111由多个子换热器组成，在外涵道中呈环形分布，需冷却的引气在管内流动，外涵气横掠管束外侧。
68.更加优选的，所述再冷器112为空-油换热器，所述再冷器112设置在内、外涵道间舱体内，燃油在再冷器112中对引气再次冷却，同时提高燃料焓值，提升能量综合利用。
69.作为本技术的一些实施例，所述再冷器112包括芯体管束和进出口连接管，所述再冷器112由多个子换热器组成。
70.更进一步的，所述预冷器111、再压缩压气机12和再冷器112依次设置，所述第一部分引气依次流经所述预冷器111、再压缩压气机12和再冷器112。
71.作为本技术的一些实施例，所述再压缩压气机12由多个单级轴流式子压气机组成，所述的多个子压气机呈圆周分布于外涵道外。
72.进一步的，所述引气冷却与再压缩流路1还包括：
73.引气冷却与再压缩支管13，所述引气冷却与再压缩支管13将所述预冷器 111、再压缩压气机12和再冷器112依次连接在一起，形成所述引气冷却与再压缩流路1。
74.具体的，所述引气冷却与再压缩支管13包括：
75.第一支管131，其进口端与所述分流阀4的其中一个出口连接，出口端与所述预冷器111的热侧入口连接；
76.第二支管132，其进口端与所述预冷器111的热侧出口连接，出口端与所述再压缩压气机12的进气口连接；
77.第三支管133，其进口端与所述再压缩压气机12的排气口连接，出口端与所述再冷器112的热侧入口连接；
78.第四支管134，其进口端与所述再冷器112的热侧出口连接，出口端与所述引气输出管5连接。
79.进一步的，所述引气冷却与再压缩流路1还包括：
80.功率输入传动装置14，其与所述再压缩压气机12连接，并能够带动所述再压缩压气机12工作。
81.更进一步的，所述功率输入传动装置14由发动机低压轴或高压轴取功传动至所述再压缩压气机12，进而驱动所述再压缩压气机12对预冷器111出口的引气进行再次压缩。
82.进一步的，所述发动机引气再压缩冷却系统还包括第一冷却介质流路6，其包括：
83.第一冷却介质输入管61，第一冷却介质经所述第一冷却介质输入管61的进口端输入所述第一冷却介质流路6中；
84.分流环62，其进口与所述第一冷却介质输入管61的出口端连接；
85.第一冷却介质支管一63，其进口端与所述分流环62的其中一个出口连接，出口端与所述预冷器111的冷侧入口连接；
86.第一冷却介质直排管64，其进口端与所述分流环62的另一个出口连接；
87.第一冷却介质支管二65，其进口端与所述预冷器111的冷侧出口连接；
88.第一冷却介质输出管66，其进口端分别与所述第一冷却介质直排管64和第一冷却介质支管二65的出口端连接。
89.通过所述分流环62将所述第一冷却介质分成两部分，其中一部分第一冷却介质通入所述预冷器111中、与所述第一部分引气进行热交换，实现所述第一部分引气的预冷却，另一部分第一冷却介质直接通过所述第一冷却介质直排管 64排出，上述的两部分第一冷却介质在所述第一冷却介质输出管66内混合后排出。
90.作为本技术的一些实施例，所述第一冷却介质直排管64和第一冷却介质输出管66可以为分别设置的两根管道，也可以为连续的一根管道，此时，由管道的前段作为所述第一冷却介质直排管64，后段作为所述第一冷却介质输出管66。
91.更进一步的，可控制外涵道中所述分流环62的几何角变化调控外涵气流经所述预冷器111的流量百分比，使所述预冷器111具有较高的传热有效度和较低的冷热侧气流总压损失。所述分流环62的几何角调控的结果优选为在保证相同的外涵气气流参数下，经过冷却后的第一部分引气与第二部分引气混合后，引气具有最高的温降及合适的总压。此外，还可以调整所述分流环62的位置使得本技术所述的发动机引气再压缩冷却系统能够满足不同发动机工作状态下的换热器11温度工作要求。
92.进一步的，所述发动机引气再压缩冷却系统还包括第二冷却介质流路7，所述第二冷却介质流路7包括：
93.第二冷却介质输入管71，第二冷却介质通过所述第二冷却介质输入管71的进口端进入所述第二冷却介质流路7，所述第二冷却介质输入管71的出口端与所述再冷器112的冷侧入口连接；
94.第二冷却介质输出管72，其进口端与所述再冷器112的冷侧出口连接；
95.所述第二冷却介质经所述第二冷却介质输入管71进入所述再冷器112中，与所述第一部分引气进行热交换，实现所述第一部分引气的再冷却后，通过所述第二冷却介质输出管72排出。
96.实施例2
97.本技术所述的基于cca技术的发动机引气再压缩冷却系统能够用于高压涡轮机叶片及其他高温部件的热防护。
98.作为本技术的一些实施例，可将本技术所述的基于cca技术的发动机引气再压缩冷却系统用于涡扇发动机的冷却。
99.具体的，如图2所示：在图2所示气流分配关系中，由高压压气机b排出的引气经上述实施例1中的发动机引气再压缩冷却系统c进行降温和压缩处理后产生的一部分冷却引气与主流燃气在混合器一d中进行混合，之后用于冷却高压涡轮机a的静子；另一部分冷却引气与主流燃气在混合器二g中进行混合，之后用于冷却高压涡轮机a的转子；同时，功率输入传动装置14由发动机低压转轴k或高压转轴m提取功传动至所述再压缩压气机12，驱动再压缩压气机12 对预冷器111出口的引气进行再压缩，以补偿引气流经换热器11后的总压损失，保证冷却引气对涡轮发动机的叶片具有良好的冷却效果。此外，所述涡扇发动机还包括燃烧室e、风扇f、低压涡轮机h和混合室j等部件。
100.以下对本技术所述基于cca技术的发动机引气再压缩冷却系统的工作过程进行详细说明：
101.从引气输入管3流入高压压气机的引气经分流阀4分别流入引气直排支管 21和预冷器111的热侧入口，在预冷器111中与外涵气换热后，由预冷器111 的热侧出口进入再压缩压气机12，再压缩压气机12受功率输入传动装置14驱动、压缩其内的引气，压缩后的引气进入再冷器112的热侧入口，在再冷器112 中与温度较低的燃油换热后，通过再冷器112的热侧出口流出并与引气直排支管21内的引气经引射器8混合后从引气输出管5流出，用于冷却高温热端部件；
102.同时，第一冷却介质外涵气经分流环62分流后，一部分进入预冷器111的冷侧入口，剩余部分在外涵道中继续流动，其中，进入预冷器111的外涵气与高温引气换热后经预冷器111的冷侧出口流出，与外涵道中的剩余外涵气混合后流向外涵道出口；
103.此外，第二冷却介质燃油由再冷器112的冷侧入口流入，于再冷器112中与压缩后的引气再次换热之后，由再冷器112的冷侧出口流出，最终进入燃烧室e或加力燃烧室燃烧。
104.经验证，流经本技术所述的基于cca技术的发动机引气再压缩冷却系统的引气温度能够降低100～60k，且弥补了引气经换热器11后产生的总压损失，得到的引气具有较高的压力势能，可有效的对发动机涡轮叶片进行冷却。
105.综上所述，不难得到本技术所述的基于cca技术的发动机引气再压缩冷却系统具有以下优点：
106.第一、通过将来自高压压气机的引气分成两部分，即第一部分引气和第二部分引气，在实现调整引气温度和压力的同时，一方面可减少换热器11和再压缩压气机12的尺寸和重量，减小发动机推重比损失，另一方面可增大与外涵气的换热效果，增大换热器11的传热有效度及补偿总压损失；
107.第二、将第一部分引气使用空-空预冷器111、空-油再冷器112进行双级换热，最终能够大幅降低高压压气机整体的引气温度；
108.第三、第一部分引气采用再压缩技术补偿或提高引气总压损失，进而保证引气及外涵空气总压恢复系数，同时再压缩提高了再冷器112的换热温差，进而提高了再冷器112的换热效果；
109.第四、最终通过提高引气冷却品质，改善发动机热端部件冷却效果，提高发动机的推力性能和热效率。
110.综上所述，不难得到本技术所述的基于cca技术的发动机引气再压缩冷却系统不但能够使高压压气机引气温度大幅降低，同时能够补偿与提高引气总压损失，提高冷却引气品质。
111.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。