多介质多系统耦合的航空发动机综合热管理系统仿真方法

本发明涉及航空发动机综合热管理领域，特别是一种多介质多系统耦合的航空发动机综合热管理系统仿真方法。

背景技术：

1、现如今随着航空事业的快速发展，对飞机发动机的性能要求越来越高，因此就要求飞机有更高的增压比与推重比，这就导致发动机涡轮前温度越来越高。目前过高的涡轮前温度成了阻碍发动机高寿命的重要因素，如今飞机发动机一般都是用空气系统的冷却气对涡轮冷却，然而目前冷却气的品质无法满足高温涡轮的需要。另外，在飞机的飞行过程中，滑油系统因为不断的带走部件摩擦产生的热量，滑油的温度也越来越高，因此，迫切需要一种冷却剂保证滑油系统在飞行过程中始终保持合适的温度，使各传动机件都能有足够的润滑。

2、燃油作为高比热的储能物质，如果合理利用在飞机热管理当中的话，将会大大提高航空发动机的性能。飞机燃油系统作为航空发动机中的供油系统，它除了需要在一切飞行条件和飞机环境下向发动机源源不断的供给燃油，使发动机有充足的动力之外，燃油也可以作为飞机的重要冷却介质。燃油系统中的航空煤油具有较高的比热容，可以吸收较大的热量，利用燃油来冷却空气，提高了涡轮冷却气的冷却品质，便降低了冷却涡轮的引气量，多余的空气则进入燃烧室与航空煤油混合燃烧，也避免了从压气机引入过多的空气。除此之外，燃油同样可以对滑油进行降温，燃油系统中的航空煤油吸收完来自空气系统与滑油系统的热量之后，温度大大升高，进入燃烧室进行燃烧的煤油温度也会大幅度提高，航空发动机燃烧室中的燃烧效率也会提高。

3、因此，利用燃油系统对飞机中的空气系统、滑油系统进行散热，以此提升飞机热管理系统的工作效率，是一种非常具有创新性的耦合仿真方法。但是由于在实际情况下，燃油分别对空气与滑油散热的过程中，两系统之间的换热量不是固定的，且随着流体物性的改变而发生变化，因此，必须确定最终各系统内流经换热器时的流量与温度。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种多介质多系统耦合的航空发动机综合热管理系统仿真方法，基于某燃油系统-滑油系统-空气系统结构模型，对发动机燃油系统、滑油系统、空气系统之间热量排散需求进行匹配，在满足空气系统与滑油系统散热需求的同时，提高燃油热沉的使用效率。

2、本发明的技术方案是：

3、一种多介质多系统耦合的航空发动机综合热管理系统仿真方法，其特征在于：通过燃-滑油换热器与燃-空换热器实现燃油系统与滑油系统、燃油系统与空气系统之间的耦合，最终利用燃油系统实现对滑油系统与空气系统的降温，提高发动机性能；具体如下：

4、燃油在油箱里储存，为燃油系统提供动态的进口压力和进口温度，源源不断的将燃油从油箱通过管道输送到其他各组件中，在经过离心泵增压后，流入燃-滑油换热器与燃-空换热器，分别对滑油与空气进行降温，通过调节燃油系统中燃油的流量，最终燃油流入燃烧室进行燃烧，多余的燃油通过回油管路回到油箱中再次被利用。

5、本发明利用燃油系统分别通过燃-滑油换热器与燃-空换热器与滑油系统与空气系统进行耦合，实现对滑油及空气的降温需求。包括：

6、对于由离心泵、管、阀、燃-空换热器、燃-滑油换热器四种部件组成的燃油系统，燃油自油箱供出，先流经管、离心泵，经离心泵增压后，多余的燃油通过阀门和管重新流入燃油箱；其余燃油继续通过管流入离心泵，增压后多余的燃油经过阀门重新流回管。

7、最终流入燃烧室的燃油不光进入燃烧室为发动机提供动力，还分别通过燃-滑油换热器与燃-空换热器,将燃油系统分别与滑油系统、空气系统耦合，将高比热、低温的燃油作为冷源，分别对高温滑油与高温空气进行冷却，燃油带走了来自滑油与空气的热量后，最终流入燃烧室的温度升高。燃油根据发动机的供油需求流入燃烧室后，避免浪费，剩余的燃油重新经过阀门和管流入燃油箱。

8、滑油系统流路主要由滑油箱、滑油管、滑油泵、燃-滑油换热器、滑油滤、调压活门、喷嘴组成。滑油由油箱流出，流入滑油管后经滑油泵]抽出，经过滑油泵的增压后，流入燃-滑油热交换器，在热交换器中通过温度较低的燃油对滑油进行冷却。

9、滑油通过滑油滤过滤掉滑油中的杂质与碎屑，在流入发动机之前先进入调压活门，调压活门根据压力的大小自动调节活门开度，将适量的滑油从喷嘴喷出，流向发动机中的内部传动装置以及轴承等需要润滑的部件，并且将滑油泵打出的多余滑油，通过旁路回到滑油箱中。

10、流经发动机内部的滑油带走高温零部件的热量温度升高，温度升高后的滑油经过回油重新流入油箱之后，经过泵的增压流经燃-滑油换热器降温，经过燃油冷却后继续流入各部件，在滑油泵上设置调压活门，使发动机在各工作状态下的供油压力与后轴承腔压的压差基本稳定。

11、空气系统流路主要分为两部分，一部分空气从压气机处引气，经过节流孔进入盘腔，之后经过节流孔、封严篦齿等部件，最终通过流向涡轮静子根部处，另一部分空气来自燃烧室外环，经过篦齿封严、盘腔等部件流向高压涡轮缘板。

12、由于换热器较复杂的内部结构，与换热介质燃油、滑油、空气三种流体在不同温度下热物性的差异，导致不同换热器间的换热效率不同。本发明研究在燃油系统中，当燃-滑油换热器安装在燃-空换热器之前时，通过自编程程序计算出经过换热后的燃油系统各节点的温度与流量的变化，并且探究不同的燃油流量与温度对空气系统与滑油系统的流量与温度的影响。

13、本发明一种多介质(燃油、滑油、空气)多系统(燃油系统、空气系统、滑油系统)耦合的航空发动机综合热管理系统仿真方法的突出优势有：

14、1.实现了空气系统与滑油系统的散热要求。2提高了涡轮冷却气的冷却品质，便降低了冷却涡轮的引气量，避免了从压气机引入过多的空气，影响压气机的效率。3.多余的空气进入燃烧室与航空煤油混合燃烧，煤油与空气的燃烧就更加充分。4.燃油系统中的煤油吸收完来自空气系统与滑油系统的热量之后，进入燃烧室进行燃烧的煤油温度大幅度提高，提高了燃烧室中煤油的燃烧效率。

技术特征：

1.一种多介质多系统耦合的航空发动机综合热管理系统仿真方法，其特征在于：通过燃-滑油换热器与燃-空换热器实现燃油系统与滑油系统、燃油系统与空气系统之间的耦合，最终利用燃油系统实现对滑油系统与空气系统的降温，提高发动机性能；具体如下：

2.根据权利要求1所述的多介质多系统耦合的航空发动机综合热管理系统仿真方法，其特征在于：所述滑油系统包括滑油箱、滑油泵、滑油管、燃-滑油换热器、油滤、调压活门、喷嘴；滑油箱内的滑油由油箱经滑油泵抽出，经过滑油泵的增压后，流入经过燃-滑油热交换器，通过温度较低的燃油对滑油进行冷却。

3.根据权利要求2所述多介质多系统耦合的航空发动机综合热管理系统仿真方法，其特征在于：滑油在流入发动机之前先进入调压活门，调压活门根据压力的大小自动调节活门开度，将适量的滑油从喷嘴喷出，流向发动机中的内部传动装置、轴承以及需要润滑的部件，并且将滑油泵打出的多余滑油，通过旁路回到滑油箱中。

4.根据权利要求2所述多介质多系统耦合的航空发动机综合热管理系统仿真方法，其特征在于：在滑油泵上设置有使发动机在各工作状态下的供油压力与后轴承腔压的压差保持稳定的调压活门。

5.根据权利要求1所述多介质多系统耦合的航空发动机综合热管理系统仿真方法，其特征在于：所述的空气系统分为两部分，一部分空气从压气机引气，经过节流孔进入盘腔，之后经过其余节流孔、封严篦齿部件，最终流向涡轮静子根部；另一部分空气来自燃烧室外环，经过篦齿封严、盘腔部件流向高压涡轮缘板，在高压涡轮缘板前加入了燃油与空气进行热交换的燃-空换热器，利用低温燃油对冷却涡轮的空气进行预冷。

6.根据权利要求1所述多介质多系统耦合的航空发动机综合热管理系统仿真方法，其特征在于：由于换热介质燃油、滑油、空气三种流体在不同温度下的热物性不同，导致不同换热器间的换热效率不同，基于自编程技术，计算出燃油系统与空气系统、滑油系统在耦合过程中实际的换热量，利用燃油系统实现对滑油系统与空气系统的降温。

7.根据权利要求6所述多介质多系统耦合的航空发动机综合热管理系统仿真方法，其特征在于：在换热量不确定的情况下，存在高温气体出口温度和低温气体出口温度两个未知数，采用传热效能数与进口气体温度进行计算，换热器的传热效能数为：

技术总结
本发明公开了一种多介质多系统耦合的航空发动机综合热管理系统仿真方法，通过燃‑滑油换热器与燃‑空换热器实现燃油系统与滑油系统、燃油系统与空气系统之间的耦合，最终利用燃油系统实现对滑油系统与空气系统的降温，燃油在油箱里储存，为燃油系统提供动态的进口压力和进口温度，源源不断的将燃油从油箱通过管道输送到其他各组件中，在经过离心泵增压后，流入燃‑滑油换热器与燃‑空换热器，分别对滑油与空气进行降温，通过调节燃油系统中燃油的流量，最终燃油流入燃烧室进行燃烧，多余的燃油通过回油管路回到油箱中再次被利用。本发明不仅实现了空气系统与滑油系统的散热要求，还提高了涡轮冷却气的冷却品质，大大提高了发动机的性能。

技术研发人员：贺振宗,权智,毛军逵,梁爽,王译浩,张经纬
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/12