专利名称：航空用涡轮/压气机高速轴承的冷却系统及方法与应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及航空用涡轮/压气机高速轴承的冷却系统及方法与应用，属飞机环境控制技术领域。
背景技术：
随着空气循环机(ACM)的发展，航空业中对轴承提出了越来越高的要求。美国轴承转速普遍能转速能达到1 χ IO5 r/min以上，但国内轴承转速只能达到3 4 χ IO4 r/min 左右，在实际生产应用中可能更低。原因在于美国的轴承润滑多采用空气润滑，而我国由于技术原因，只能采用油脂润滑。而空气润滑技术为美国独有，在短期内，又很难突破空气润滑的技术壁垒。因此如何在现有的油脂润滑的基础上寻求突破，进ー步对其进行改进，从而提高润滑能力，成了提高的轴承性能的关键。轴承的温度与轴承的转速存在正相关的关系， 转速的提高会带来轴承温度的升高，而轴承的工作温度一般来说不能超过70°C。所以如何能有效对轴承进行冷却降温就是研究的关键问题。目前，对于地面或有足够空间的应用场合，可再増加一套制冷冷却系统，采用泵或风机输送液体或气体对轴承进行冷却。显然对于航空系统非常紧凑的空间而言是无法实现的。
发明内容
本发明的目的是提供一种效率高、结构简单的航空用涡轮/压气机高速轴承的冷却系统及方法与应用。一种涡轮/压气机高速轴承的冷却系统，其特征在干该系统由供气端、压气机、 空气散热器、涡轮、热管、换热器、出气端组成；其中压气机和涡轮位于转轴的两端；其中供气端依次与压气机、空气散热器、涡轮、换热器、出口端相联；其中热管的热管冷凝端与换热器相接，热管蒸发端与轴承外圈相接。上述热管可以为单管式热管或环路热管。利用所述涡轮/压气机高速轴承的冷却系统的冷却方法，其特征在于包括以下过程供气首先通过压气机的压縮，然后通过空气散热器进一歩降低温度，此举可提高冷却效果；气体继续通过涡轮的膨胀作用降温后，作为冷源连接热管冷凝端；轴承高速转动产生大量热量，热量由轴承外端传入热管蒸发端，当热管蒸发端受热时，热管内的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压カ差下流向热管冷凝端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回热管蒸发端，如此循环不止，热量由热管蒸发端传至热管冷凝端。从而对轴承进行冷却，为轴承转速的进ー步提高提供条件。所述的涡轮/压气机高速轴承的冷却方法，其特征在于应用于压气机/涡轮构成的两轮系统，或应用于风扇/压气机/涡轮组成的三轮系统，或应用于风扇/压气机/涡轮 /涡轮组成的四轮系统。航空上轴承多采用滚动轴承，而其润滑方式采用油脂润滑，当轴承达到一定转速的时候，会产生大量的热量，从而限制了轴承转速的进ー步提高。利用热管的极高的导热性，将热管引入涡轮/压气机两轮系统中，从而对轴承进行冷却降温。与普通冷却装置相比，热管换热设备较常规设备更安全、可靠，可长期连续运行， 效率高，节能效果显著。具有良好导热性的材料有铝[(λ = 202W/m*°C )]、柴铜[λ = 385W/ m*°C]、和银λ = 410W/ m· °C )]，但其导热系数只能达到102W/m· °C的数量级，远不能满足航空工程中的快速散热和传热需要，而采用热管就解决了这一问题。热管的相当导热系数可达105W/m*°C的数量级。为一般金属材料的数百倍乃至上千倍。因此热管用很小的截面积就能达到金属很大截面的效果，它可将大量热量通过很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。热管是一种传热性极好的人工构件，常用的热管由三部分組成主体为ー根封闭的金属管(管売)，内部空腔内有少量工作介质(工作液)和毛细结构(管芯)，管内的空气及其他杂物必须排除在外。热管工作时利用了三种物理学原理1)在低压状态下，液体的沸点降低；2)同种物质的汽化潜热比显热高的多；3)多孔毛细结构对液体的抽吸カ可使液体流动。从传热状况看，热管沿轴向可分为蒸发段，绝热段和冷凝段三部分。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一端与轴承外圈相接，该段作为热管的蒸发端，另一端接散热器，散热器用来对冷却涡轮冷却的空气进行散热，该段作为冷凝端。轴承高速转动产生大量热量，热量由轴承外端传入热管的蒸发端，毛細管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压カ差下流向冷凝端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。从而可以对轴承进行有效散热，降低轴承温度，从而可以到达进ー步提高轴承转速的目的。
图1是航空用涡轮/压气机高速轴承的冷却系统示意图1中标号名称1、供气、2、压气机、3、空气散热器、4、涡轮、5、热管冷凝端、6、热管蒸发端、7、换热器、8、出气。
具体实施例方式根据图1所示，本发明航空用涡轮/压气机高速轴承的冷却系统，主要包括供气供气1、压气机2、空气散热器3、涡轮4、热管冷凝端5、热管蒸发端6、换热器7、出气8。压气机2和涡轮4构成两轮系统。结合图1说明系统工作过程供气1首先通过压气机2的压縮，然后通过空气散热器3进ー步降低温度，防止气体在热管冷凝端5吸收热量回温，造成制冷性能的下降。接下来气体通过涡轮4对其的冷却作用后作为热管冷凝端5。热管另一端与轴承外圈相接，该段作为热管蒸发端6。轴承高速转动产生大量热量，热量由轴承外端传入热管蒸发端6，热管内的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压カ差下流向冷凝端5，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管蒸发端6传至热管冷凝端5。从而对轴承进行冷却，可为轴承转速的继续提高提供条件。
上述的航空用涡轮/压气机高速轴承冷却方法，亦可应用于航空或地面高速旋转轴承系统。如发动机、发电机、电动机等。其冷源可来自其他地方，如外部空气、制冷系统、 燃油、PCM (相变材料)等。
权利要求
1.ー种航空用涡轮/压气机高速轴承的冷却系统，其特征在于该系统由供气端(1)、压气机(2)、空气散热器(3)、涡轮(4)、热管、换热器(7)、出气端 (8)組成；其中压气机(2)和涡轮(4)位于转轴的两端；其中供气端(1)依次与压气机(2)、空气散热器(3)、涡轮(4)、换热器(7)、出口端(8) 相联；其中热管的热管冷凝端(5)与换热器相接，热管蒸发端(6)与轴承外圈相接。
2.根据权利要求书1所述的航空用涡轮/压气机高速轴承的冷却系统，其特征在于 上述热管为单管式热管或环路热管。
3.根据权利要求1所述航空用涡轮/压气机高速轴承的冷却系统的冷却方法，其特征在于包括以下过程供气(1)首先通过压气机(2)的压縮，然后通过空气散热器(3)进ー步降低温度，此举可提高冷却效果；气体继续通过涡轮(4)的膨胀作用降温后，作为冷源连接热管冷凝端 (5)；轴承高速转动产生大量热量，热量由轴承外端传入热管蒸发端(6)，当热管蒸发端(6) 受热时，热管内的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压カ差下流向热管冷凝端(5)，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回热管蒸发端(6)，如此循环不止，热量由热管蒸发端(6)传至热管冷凝端(5)，从而对轴承进行冷却，为轴承转速的进一步提高提供条件。
4.根据权利要求3所述的航空用涡轮/压气机高速轴承的冷却方法，其特征在于应用于压气机/涡轮构成的两轮系统，或应用于风扇/压气机/涡轮组成的三轮系统，或应用于风扇/压气机/涡轮/涡轮组成的四轮系统。
全文摘要
航空用涡轮/压气机高速轴承的冷却系统，属飞机环境控制技术领域。主要包括供气(1)、压气机(2)、空气散热器(3)、涡轮(4)、热管冷凝端(5)、热管蒸发端(6)、换热器(7)、出气(8)。该冷却的工作方法具有效率高、结构简单等突出优点。该冷却的工作方法利用热管的极高的导热性，将热管引入涡轮/压气机两轮系统中，从而对轴承进行冷却降温。
文档编号F04D29/58GK102562827SQ20121000554
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者夏文庆, 张文涛, 王尘祉 申请人:南京航空航天大学