紧凑翅片管式空气-燃油换热器试验

为实现航空发动机内部热环境与热沉的有效交互，探究换热元件的流动换热特性。以航空发动机燃油系统回油冷却换热器为例，开展了小管径矩形翅片管式空气-燃油换热器流动换热性能试验研究。试验采用高温燃油与常温空气两股工质在换热器中进行能量交换，探究换热器在不同工况下的流动与换热性能，获取矩形翅片管式换热单元管外流动换热经验关联式。结果表明：矩形翅片管式换热单元的表面传热系数约为相同结构参数光滑管束换热单元的44%，且试验结构换热单元阻力系数高于光滑管束单元，在进行翅片管束换热器设计时应综合考虑翅片对流动换热性能的影响。试验获取的翅片管式换热单元管外努塞尔数经验关联式与阻力系数经验关联式拟合偏差均不超过5%，较为准确地反应了换热单元外侧的流动换热特性。     

翅片-泡沫铜复合结构的导热增强作用

由于翅片能够极大提高沿翅片伸展方向的导热能力,因此为满足一些航空大功率元件的散热要求,提出采用翅片-泡沫铜复合结构作为导热增强介质的概念.制作了翅片厚度分别为0.5,0.8mm和1.0mm的翅片-泡沫铜/石蜡实验件.通过瞬态和稳态的方法对实验件的热特性进行了测试,结果表明添加1.0mm翅片后复合材料的等效导热系数达到11.4W/(m·K),分别为泡沫铜/石蜡和纯石蜡的3.7倍和42.2倍;在相同热流密度下,采用翅片的装置热源与散热面的最大温差相对于未采用翅片的装置降低了73.2%~90.0%.实验证明翅片能够显著提高泡沫铜/石蜡的等效导热系数和动态热响应速度.根据实验结果提出了适用于翅片-泡沫铜/石蜡相变过程的无量纲数关联式.      

航空燃气涡轮-电混合动力系统关键技术分析

本文介绍了串联式和并联式混合动力系统的基本原理与性能特点,对混合动力的性能优势来源进行了原理性阐述。针对混合动力的系统架构,分析了性能设计、控制系统、电机设计以及热管理方面的关键技术。航空燃气涡轮-电混合动力技术的发展,有可能对传统航空发动机领域产生颠覆性变革。需要打破原有航空发动机热力机械设计思维,将动力系统所涉及的推进、电能以及热管理进行融合设计,推动航空动力系统效能进一步提升。     

基于翅片板结构的烟气对流冷凝传热性能

在冷凝实验台上对一种用于冷凝式烟气余热回收的翅片板换热器进行实验,研究了该结构的传热和流动性能,分析了烟气温度、流速等对冷凝的影响,得到了Nu-Re和 f-Re曲线,并对该换热结构在干空气风洞实验台上测试的结果进行了比对.结果表明:由于大量不凝性气体的影响(质量分数为92%),冷凝传热对整体传热性能的强化并不明显,伴随有冷凝的烟气表面传热系数约为相同工况下无凝结表面传热系数的1.1～1.2倍.得到了无量纲数冷凝传热准则关联式,可以为冷凝式翅片板换热器的设计提供参考.      

典型涡扇发动机陶瓷基复合材料涡轮叶片概念设计

为了推动先进航空发动机陶瓷基复合材料（CMCs）涡轮叶片设计技术进步,以典型涡扇发动机基准性能参数为原始数据,按照涡轮叶片正向设计流程,从气动设计,到结构设计,再到变形及强度分析,梳理出以材料强度为约束,发动机推力和耗油率为输入值,涡轮叶片叶身模型为结果的概念设计方法。设计了一种陶瓷基复合材料低压涡轮转子叶片,该叶片实心无冷却,设计工况下的气动性能、强度和振动特性仿真结果满足设计要求。安全储备系数可达1.8,涡轮盘外载预估减少50%,验证了陶瓷基复合材料用于先进航空发动机热端部件的可行性。涡轮效率提高0.98%～1.17%表明陶瓷基复合材料具有提升先进航空发动机热端部件性能的潜力。     

航空发动机新型热障涂层研究进展

随着航空发动机使用环境要求不断提升,现有热障涂层技术在热物理性能和热稳定方面难以满足现 代航空发动机的发展需求。本文介绍了热障涂层制备工艺,热障涂层材料的设计和选择,以及热障涂层的失效 机理;归纳了热障涂层新型材料在材料热物理性能及材料稳定性方面的研究进展。指出了后续航空发动机新 型热障涂层的发展趋势,为后续研究提供了方向。     

单程叉流翅片管束式换热器的传热分析

采用对管外流体温度进行加权平均的方法 ,应用 Laplace变换和归纳法 ,对任意 n排单程叉流翅片管束式换热器的换热和温度分布进行了分析。得到了管内 ,管外流体的温度分布和换热器效率的简洁表达式。     

刷式篦齿组合密封性能试验研究

与传统篦齿密封相比,刷式密封作为一种新型密封装置,密封性能改善明显。但在高压差条件下,刷式密封的封严性能提升效果不明显。为满足航空发动机高压差高性能需求,本文设计一种刷式篦齿组合密封来提升刷式密封的综合封严性能。刷式密封和刷式篦齿组合密封泄漏特性的仿真分析及对比试验结果表明,同工况条件下,刷式篦齿组合密封相比刷式密封,其泄漏量可减小（34.7%～68.5%）,封严性能更优异。因而,刷式篦齿组合密封为航空发动机高压差密封提供新的低成本途径,且结构紧凑、泄漏量低。     

螺旋管式空气-空气换热器的设计和实验研究

为解决飞行器高马赫数飞行时,用于冷却航空发动机涡轮叶片和其他高温部件的压气机出口空气温度过高的问题,设计加工了一种以外涵空气为冷源的螺旋管式空气-空气换热器用于预先冷却冷却空气。换热器由48根材料为不锈钢321,外径4 mm,壁厚0.5 mm的螺旋管组成,重量1.91 kg,传热面积密度106 m2/m3。在常温工况下实验研究了换热器管内和管外流体的阻力特性,高温条件下试验验证了换热器设计点性能,压气机出口空气温降达188 K,功重比4.9 kW/kg,换热器展现出较强的换热能力。高温条件下实验研究了两侧空气流量分别单独变化时换热器的热动力性能,拟合了管外换热经验关系式。研究结果可用于未来相似结构换热器的设计。     

基于三维分布参数模型的紧凑式换热器优化

基于翅片通道划分网格并建立微元控制方程,实现了紧凑式换热器的三维分布参数模型.在分布参数模型的基础上,结合熵产最小化原理,应用遗传算法对换热器的外形尺寸及翅片类型、结构参数进行了优化设计.分布参数模型考虑了流体物性参数在换热器内各点的变化,能够应用于湿工况和相变情况下的换热器性能研究.而且基于翅片通道的网格划分方法具有明确的物理意义,避免了单纯数值方法的复杂性,大大提高了计算速度,解决了基于分布参数进行换热器优化的难题,该优化方法可以推广应用于其它类型的换热器或热沉中.      

双U形管束换热器压降和热效率模型实验

在低速风洞上实验研究了双U形管束换热器压降特性以及热效率,着重对比了U形管截面形状和换热器安装角的影响.结果表明:在相同的U形管管内平均速度下,椭圆管换热器的管内压降高于圆管换热器,在较高的管内平均速度下两者的差异更为明显;对于外部流动,换热器安装角增大所诱导的外部流动压降显著增加,在较小的换热器安装角下,椭圆管换热器的管外压降略大于圆管换热器,而在较大的换热器安装角下,椭圆管换热器的管外压降则显著低于圆管换热器;安装角为30°的换热器传热系数较安装角为10°时可以提高约50%,在密流比为0.4时,椭圆管换热器的热效率相对于圆管换热器约有6%的增加.      

串列双U型管束换热器压降与回热效率模型实验

为了研究串列双U型管束换热器的流动和传热特性,开展了模型实验,得到了串列双U型管束换热器布置方式对喷管通道流动压降和换热器回热效率的影响。结果表明:喷管通道流动压降随着换热器安装角的增大而增加,邻近喷管收敛状出口位置的换热器安装角对流动压降的影响最为显著,进口附近的换热器影响次之;相对通道内置单个换热器的情形,串列换热器中前置换热器安装角的变化对流动压降的影响有所减弱;较小的前置换热器安装角度导致其回热效率过低,从而导致平均回热效率难以改善;在本文研究的几种布置方式下,安装角为30°-17°-13°的串列换热器布置方式的流动和传热综合性能相对较优。     

航空发动机1 次表面换热器流动换热性能分析

为了研究航空发动机1次表面换热器流动换热性能,基于传热单元数法并结合其结构特性,建立了换热器热力学设计方法并对经典热力学公式进行了对比分析。同时针对适用于航空发动机的4种不同结构形式1次表面换热器(直通道逆流型和1 5°,30°及45°叉流型),在真实工况下的流动换热特性开展了数值模拟研究。通过对比不同结构换热器在不同工况下的流动换热特点,可以为一次表面换热器芯体核心部件的优化设计提供设计依据和方法。基于数值计算结果,对比分析了不同交错角度θ对换热器的换热性能与流动特性的影响。结果表明:对于直通道逆流换热器,整个换热器内部温度有规律均匀分布;对于叉流换热器,由于波纹板片呈一定角度交替放置,内部流动复杂,局部存在明显的涡流强化换热,气体流动通道内的速度、温度分布极不均匀。随着交错角度的不断增大,叉流换热器的换热性能不断增强,但其冷热两侧压降也大幅增大。     

Zukauskas关系式用于微细管式预冷器适用性的评价与分析

为研究Zukauskas关联式在计算微细换热管束管外换热特性上的适用性,本文利用数值分析方法,在分析空气横掠微细管束换热特性基础上,发现空气横掠管束入口几排换热管的换热尤为强烈,温降过程沿着流动方向呈现由急变缓的特点,剧烈的温度变化造成Zukauskas关联式按照一般均物性方法计算时,计算结果偏高27%以上;对比分析可知,过于剧烈的温度变化使基于换热管束整体给出的对数平均温差作为平均换热温差的处理方法不再适用;根据空气温度变化的特点,按照流动方向将换热区域分成若干部分,再分别利用Zukauskas关联式计算,预测精度得到了极大改善,当换热区域划分成12部分时,平均计算偏差降为了5.8%,鉴于此,在计算骤冷条件下气体横掠管束换热特性时,建议采用适当的分区方法进行计算。     

Airside pressure drop characteristics of three analogous serpentine tube heat exchangers considering heat transfer for aero-engine cooling

This study explores the design, analysis, and air pressure drop assessment of three analogous air–fuel heat exchangers consisting of thin serpentine tube bundles intended for use in high Mach number aero-engines. In high speed flight, the compressor bleed air used to cool high temperature turbine blades and other hot components is too hot. Hence, aviation kerosene is applied to precool the compressor bleed air by means of novel air–fuel heat exchangers. Three light and compact heat exchangers including dozens of in-line thin serpentine tube bundles were designed and manufactured, with little difference existing in aspects of tube pitches and outer diameters among three heat exchangers. The fuel flows inside a series of parallel stainless serpentine tubes (outer diameter: 2.2, 1.8, 1.4 mm with 0.2 mm thickness), while the air externally flows normal to tube bundles and countercurrent with fuel. Experimental studies were carried out to investigate the airside pressure drop characteristics on isothermal states with the variation of air mass flow rates and inlet temperatures. Non-isothermal measurements have also been performed to research the effect of heat transfer on pressure drops. The experimental results show that inlet temperatures have significant influence on pressure drops, and higher temperatures lead to higher pressure drops at the same mass flow rate. The hydraulic resistance coefficient decreases quickly with Reynolds number, and the descent rate slows down when Re > 6000 for all three heat exchangers. Additionally, the pressure drop on heat transfer states is less than that on isothermal states for the same average temperatures. Moreover, the pressure drop through heat exchangers is greatly affected by attack angles and transverse pitches, and an asymmetric M-shaped velocity profile is generated in the cross-section of sector channels.     

涡轮叶片尾缘内冷通道旋流冷却特性

针对简化的叶片尾缘,设计了3种旋流冷却结构,即冷气分别从旋流腔中部射流孔、旋流腔异侧射流孔、旋流腔同侧射流孔进出旋流腔,并与常规凸台扰流柱冷却结构进行了对比数值研究,分析其强化换热机理和效果.结果表明:旋流腔的结构和冷气的进流布置对旋流冷却性能的影响很大,冷气从旋流腔某侧射流孔进出的旋流冷却结构不仅在流向截面产生涡旋,在展向截面也会产生涡旋,从而有效强化对流换热;相比凸台扰流柱冷却结构,旋流冷却结构能够增强换热,平均努塞尔数增大6.8%~22.9%,但流动阻力也随之增加;冷气从旋流腔异侧射流孔进出的冷却结构强化换热能力较高;而冷气从旋流腔同侧射流孔进出的冷却结构流动换热综合系数比凸台扰流柱提高4.2%,综合性能相对较优.      

应用遗传算法优化设计板翅式换热器

本文提出了基于遗传算法的板翅式换热器优化设计方法,该方法不仅能够实现一般的结构优化,而且能够在提供多种类型翅片的情况下,进行翅片类型的优选。根据不同的设计要求,遗传算法能够分别以重量和效率为目标函数进行优化。为了方便翅片类型的优选,建立了一个常用翅片的数据库,库中包含了翅片的几何参数、传热特性和阻力特性,可直接应用于计算机程序的处理。与传统的优化计算结果比较,换热器的重量和体积都有不同程度的减小。本文的优化软件和翅片数据库具有通用性,可应用于一般板翅式换热器的优化设计。