CN116697804A - 一种基于三周期极小曲面结构的预冷器 - Google Patents

Abstract

一种基于三周期极小曲面结构的预冷器，包括三周期极小曲面换热芯体；芯体由三周期极小曲面通过周向、径向和轴向阵列组成，同时调整了芯体内高温空气和冷却介质侧的体积比以适应不同的应用环境；芯体的内环和外环区域均与入口分流管和出口分流管对应连通；冷却介质入口接管嘴、入口分流管、出口分流管、出口接管嘴均为轴向布置；入口分流管中通入冷却工质，出口集液环用于收集经由分流管流入换热芯体后经出口分流管的冷却工质；芯体内部有与冷却介质通道相互交叉但不相通的通道，允许高温空气流过与冷却介质逆流换热；本发明能够解决微细管束式预冷器中存在的可靠性低、制造成本高、换热不均匀等各种问题，提高了发动机的性能。

Description

一种基于三周期极小曲面结构的预冷器

技术领域

本发明涉及空气预冷器技术领域，特别涉及一种基于三周期极小曲面结构的预冷器。

背景技术

高超声速飞行器在航空航天领域的应用愈发重要，预冷组合发动机作为常用动力装置之一，为其提供了强大的动力支撑。预冷器作为预冷组合发动机重要的换热设备之一，其以较快的速度将来流高温空气降温，提高压气机进口气体的质量流量，拓宽压气机的高效工作范围，并保障吸气预冷式发动机在高速条件下的动力需求。

现有的预冷器结构多为微细管束式换热器，高温来流空气与微细管内部流动的冷却工质进行热量交换，冷却后的空气进入压气机进行高增压比压缩。例如公开号为CN115506891 A的专利公布了一种仿生分形结构的轻质高效预冷器，其实也是一种微细管束式换热器：冷却介质通过冷却介质入抱环管路进入冷却介质进气抱环，通过冷却介质进气抱环将冷却介质分流至各个螺旋换热单元的冷却介质进气集气管，冷却介质进气集气管将冷却介质分流至大量的螺旋微细管束，冷却介质从内向外沿螺旋微细管束完成与高温空气的逆流换热，之后依次从冷却介质出气集气管路、冷却介质出气抱环、冷却介质出气抱环管路将冷却介质送出。相比于其他类型传统的管束式换热器，微细管束式换热器具有轻质、高效、紧凑等优点，但其也存在以下新的问题：

1、预冷器的微细管壁较薄，在生产完成后普遍存在泄漏的情况，且试验过程中管内压力远高于管外压力，会导致泄漏情况进一步加剧；

2、微细管束式预冷器制造过程中，需要通过焊接工艺将上百根微细管与集气管、支板等焊接在一起，形成换热膜片单元，然后对膜片单元进行焊接并组装，焊接部位非常多，导致预冷器的制造难度大、成本高、可靠性低；

3、微细管的长度较长，管壁很薄，而且发动机在启停、变负荷或机动运行时，进气通道和冷却通道的温度、流量、压力瞬态变化，容易产生较强的流致振动，严重时将导致传热管破损，影响预冷器的换热性能和运行安全；

4、微细管束式预冷器内流体的流动存在严重的分布不均匀现象，工质流量分配不均匀导致换热不均匀，难以满足组合发动机毫秒级反应时间降温超1000℃的需求；

5、预冷器中微细管通常是沿着管长方向按照一定的曲率变化，并交错布置制造，但所用的高温合金超薄超细管的折弯、螺旋等工艺性能较差，安装精度难以保证，焊接装配难度大，同时制造时间过长。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于三周期极小曲面结构的预冷器，采用三周期极小曲面结构，旨在满足预冷器快速响应、密封性好、高功率密度、高效换热、高可靠性、低流阻等要求，并避免微细管束式预冷器中存在的可靠性低、制造成本高、换热不均匀等各种问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为:

一种基于三周期极小曲面结构的预冷器，包括三周期极小曲面换热芯体6，三周期极小曲面换热芯体6的单胞结构分别与其内部布置的冷却介质入口分流管3、外部的冷却介质出口分流管7相连通；三周期极小曲面换热芯体6端部的单胞结构开口均封闭；

冷却介质入口分流管3端口连通冷却介质入口集液环2，冷却介质入口集液环2轴向布置冷却介质入口接管嘴1；

冷却介质出口分流管7端口连通冷却介质出口集液环5，冷却介质出口集液环5轴向布置冷却介质出口接管嘴4。

所述冷却介质入口接管嘴1、冷却介质入口分流管3、冷却介质出口分流管7、冷却介质出口接管嘴4均为轴向布置。

所述三周期极小曲面换热芯体6为一体成型，包含多个相互连接的三周期极小曲面单胞，这些单胞结构通过周向、径向和轴向阵列方式连接为三周期极小曲面换热芯体6，将空间划分为相互交叉的冷流体通道和热流体通道，冷流体通道和热流体通道相互不连通。

所述冷却介质入口接管嘴1和冷却介质出口接管嘴4的个数均为3个。

所述三周期极小曲面单胞结构为Diamond曲面、Gyroid曲面、Schwarez P曲面、F-RD曲面、I-WP曲面、GD杂化曲面、Scherk3曲面、Neovius曲面、Dprime曲面、Split P曲面、Lidinoid曲面、FKS曲面、Double Gyroid曲面、Double SD曲面、第一曲面、第二曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面、第六曲面、第七曲面结构中的任意一种；上述三周期极小曲面的控制方程如下：

其中，x，y，z为三维空间中某一点的三维坐标值，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，c为常数项。

所述常数项c的取值能够调整，调整c值能够改变三周期极小曲面结构内冷却介质通道和高温空气通道的空间占比，使高温空气侧空间体积大于冷却介质侧空间体积。

所述预冷器结构为圆柱体，胞元结构从内环向外逐渐增大。

所述预冷器材质包括铝合金、不锈钢、钛合金、模具钢或镍基高温合金。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

(1)本发明提供的基于三周期极小曲面结构的预冷器中所采用的三周期极小曲面结构不同于人为设计的其他强化换热结构，其极小曲面的张成是自然力分布的直接结果，其势能天然最小，具有优异的力学性能、较大的紧凑度，耐高温高压等优点。

(2)本发明中的三周期极小曲面的平均曲率为零，具有光滑的表面和均匀的曲率半径等特征，在承载时该结构应力分布均匀，具有更突出的机械承载性能，能应用于高温高压场合。同时三周期极小曲面内部每个分离的通道在所有方向上互连互通，内部流体可以自由流动，降低对入口条件的敏感度更快实现流体的再分配，提升整体换热的均匀性。

(3)本发明中的三周期极小曲面将一个三维区域天然划分为两个相互渗透的通道，并提供了较大的表面积-体积比，冷却介质与高温空气的接触面积增大；其次流体在其内不断被结构扰动、改变流动方向和状态，不仅可提高换热效率，还可以防止污垢及微粒附着到壁面上，从而可提高换热器使用寿命。

(4)本发明中的三周期极小曲面皆由简单的隐式函数控制，通过计算机辅助设计曲面结构参数可调控，紧凑度及体积分数等亦可随空间位置发生变化。通过调控参数实现不同的空气侧和冷却介质空间体积比，可以降低空气压力损失满足其低流阻的需求。

(5)本发明中的三周期极小曲面预冷器是自支撑结构，在增材制造过程中三周期极小曲面各层之间几乎可以相互支撑，因此在增材制造过程中无需添加支撑就可以完美地打印出整个结构，具有良好的打印性，而且在增材制造后可以避免去除支撑的耗时过程。

(6)本发明中的预冷器结构简单，且通过3D打印整体一体化成型制造，避免了微细管束式换热器中由焊接带来的泄露、应力开裂等问题，同时缩短了预冷器制造时间并进一步降低了制造成本，提高预冷换热器的安全性、可靠性和使用寿命。

(7)本发明中的预冷器通过一体化成型制造，集液环和分流管作为支撑件，三周期极小曲面芯体机械性能良好使得预冷器整体刚性更好，大大削弱了管束外部横掠空气引起的流致振动强度，不需要增加额外的支撑结构即可取得较好的抗振效果。

附图说明

图1是本发明预冷器正视图；

图2是本发明预冷器整体结构示意图；

图3是本发明中三周期极小曲面结构的三维结构图。

图中：1、入口接管嘴；2、入口集液环；3、入口分流管；4、出口接管嘴；5、出口集液环；6、三周期极小曲面换热芯体；7、出口分流管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图2所示，一种基于三周期极小曲面结构的预冷器，包括三周期极小曲面换热芯体6，是预冷器换热的核心部件，三周期极小曲面换热芯体6的单胞结构分别与其内部布置的冷却介质入口分流管3、外部的冷却介质出口分流管7相连通；三周期极小曲面换热芯体6端部的单胞结构开口均封闭。

冷却介质入口分流管3端口连通冷却介质入口集液环2，是冷却介质进入预冷器的二级管路，用于进行冷却介质的分配，冷却介质入口集液环2上轴向布置冷却介质入口接管嘴1，是冷却介质进入预冷器的总管路，此处设置了三个进口。

冷却介质出口分流管7端口连通冷却介质出口集液环5，冷却介质出口分流管7是冷却介质出气的三级管路，冷却介质出口集液环5轴向布置冷却介质出口接管嘴4；冷却介质出口集液环5用于将冷却介质出口分流管7汇集后从冷却介质出口接管嘴4送出，是冷却介质出气的二级管路；冷却介质出口接管嘴4是冷却介质流出预冷器的总管路，同样设置了三个出口。

冷却介质通过入口接管嘴1流进入口集液环2，通过冷却介质入口集液环2将冷却介质分流至各个入口分流管3，冷却介质通过入口分流管3流入各三周期极小曲面换热芯体6，在换热芯体内通道互联互通，冷却介质快速实现流体的再分配，同时三周期极小曲面结构最外侧不与分流管相接的开口均封闭，实现冷却介质与高温来流空气逆流间壁式换热，之后冷却介质从流入到出口分流管，然后冷却介质在出口集液管5汇集，并从出口接管嘴4流出。

所述冷却介质入口接管嘴1、冷却介质入口分流管3、冷却介质出口分流管7、冷却介质出口接管嘴4均为轴向布置。

如图3，所述三周期极小曲面换热芯体6为一体成型，包含多个相互连接的三周期极小曲面单胞，这些单胞结构通过周向、径向和轴向阵列方式连接为三周期极小曲面换热芯体6。

整个预冷器采用3D打印技术(选择性激光融化SLM)一体化成型制造，材料为铝合金(AlSi10Mg)。其中三周期极小曲面换热芯体6是整个预冷器的核心部件。三周期极小曲面结构将空间划分为相互交叉的冷流体通道和高温空气通道，冷流体通道和高温空气通道交叉但不连通。高温空气由预冷器的外环流经三周期极小曲面热流体通道后，向内环区域汇集；冷却介质由预冷器入口接管嘴1流入内环区域再流经三周期极小曲面冷流体通道后向外环区域汇集。

所述三周期极小曲面单胞结构为Diamond曲面、Gyroid曲面、Schwarez P曲面、F-RD曲面、I-WP曲面、GD杂化曲面、Scherk3曲面、Neovius曲面、Dprime曲面、Split P曲面、Lidinoid曲面、FKS曲面、Double Gyroid曲面、Double SD曲面、第一曲面、第二曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面、第六曲面、第七曲面结构中的任意一种。上述三周期极小曲面的控制方程如下：

其中，x，y，z为三维空间中某一点的三维坐标值，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，c为常数项。

常数项c的取值可调整三周期极小曲面结构内冷却介质通道和高温空气通道的空间占比，通过调整三周期极小曲面控制方程中的常数c，使高温空气侧空间体积要远大于冷却介质侧空间体积，从而改变高温空气的流动速度，以适应不同的应用场合。

由于预冷器结构为圆柱体，所以胞元结构从内环向外逐渐增大。

极小曲面结构最外侧不与分流管相接的开口均封闭。

本发明的工作原理如下：

S1、冷却工质通过入口接管嘴1流进入口集液环2，通过入口集液环2将冷却介质快速分流至入口分流管3；

S2、多个三周期极小曲面换热芯体6的进口与入口分流管3相连，冷却介质可快速流入三周期极小曲面换热芯体6内部；极小曲面内冷流体通道互联互通，阻力分布相对均匀，芯体内能够更快实现流体的再分配，进而更好地控制芯体内的换热均匀性，并且一定的均布阻力能降低芯体对入口条件的敏感度；其次各股流体之间相互掺混，能在重建边界层的基础之上周期性扰动流体，从而大大强化整体换热性能；最后这种类型的芯体由于持续扰动的存在能够有效地降低堵塞的可能性；

S3、三周期极小曲面换热芯体6的侧向开口封闭，所以冷却介质会从预冷器内环经换热芯体6后汇入冷却介质出口分流管7；冷却介质出口集液环5用于将冷却介质出口分流管7汇集后从冷却介质出口接管嘴4送出；

S4、高温来流空气自预冷外环向内环流入，由三周期极小曲面实现高温空气的再分配，并与三周期极小曲面换热芯体6内部由内环向外环流动的冷却介质实现逆流间壁式换热。

需要解释的是，本发明可适用于各种应用到航天发动机预冷器上的冷却工质，本实施例不对冷却工质的类型、流量和温度参数作限定。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这些修改和变形也属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于三周期极小曲面结构的预冷器，其特征在于，包括三周期极小曲面换热芯体(6)，三周期极小曲面换热芯体(6)的单胞结构分别与其内部布置的冷却介质入口分流管(3)、外部的冷却介质出口分流管(7)相连通；

冷却介质入口分流管(3)端口连通冷却介质入口集液环(2)，冷却介质入口集液环(2)轴向布置冷却介质入口接管嘴(1)；

冷却介质出口分流管(7)端口连通冷却介质出口集液环(5)，冷却介质出口集液环(5)轴向布置冷却介质出口接管嘴(4)；

所述冷却介质入口接管嘴(1)、冷却介质入口分流管(3)、冷却介质出口分流管(7)、冷却介质出口接管嘴(4)均为轴向布置。

2.根据权利要求1所述的一种基于三周期极小曲面结构的预冷器，其特征在于，所述冷却介质入口接管嘴(1)和冷却介质出口接管嘴(4)的个数均为3个。

3.根据权利要求1所述的一种基于三周期极小曲面结构的预冷器，其特征在于，所述三周期极小曲面换热芯体(6)为一体成型，包含多个相互连接的三周期极小曲面单胞，这些单胞结构通过周向、径向和轴向阵列方式连接为三周期极小曲面换热芯体(6)，将空间划分为相互交叉的冷流体通道和热流体通道，冷流体通道和热流体通道相互不连通。

4.根据权利要求3所述的一种基于三周期极小曲面结构的预冷器，其特征在于，所述三周期极小曲面单胞结构为Diamond曲面、Gyroid曲面、Schwarez P曲面、F-RD曲面、I-WP曲面、GD杂化曲面、Scherk3曲面、Neovius曲面、Dprime曲面、Split P曲面、Lidinoid曲面、FKS曲面、Double Gyroid曲面、Double SD曲面、第一曲面、第二曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面、第六曲面、第七曲面结构中的任意一种；上述三周期极小曲面的控制方程如下：

其中，x，y，z为三维空间中某一点的三维坐标值，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，c为常数项。

5.根据权利要求4所述的一种基于三周期极小曲面结构的预冷器，其特征在于，所述常数项c的取值能够调整，调整c值能够改变三周期极小曲面结构内冷却介质通道和高温空气通道的空间占比，使高温空气侧空间体积大于冷却介质侧空间体积。

6.根据权利要求1所述的一种基于三周期极小曲面结构的预冷器，其特征在于，所述预冷器结构为圆柱体，胞元结构从内环向外逐渐增大。

7.根据权利要求1所述的一种基于三周期极小曲面结构的预冷器，其特征在于，所述预冷器材质包括铝合金、不锈钢、钛合金、模具钢或镍基高温合金。