專利名稱：航空用渦輪/壓氣機(jī)高速軸承的冷卻系統(tǒng)及方法與應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航空用渦輪/壓氣機(jī)高速軸承的冷卻系統(tǒng)及方法與應(yīng)用，屬飛機(jī)環(huán)境控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著空氣循環(huán)機(jī)(ACM)的發(fā)展，航空業(yè)中對(duì)軸承提出了越來(lái)越高的要求。美國(guó)軸承轉(zhuǎn)速普遍能轉(zhuǎn)速能達(dá)到1 χ IO5 r/min以上，但國(guó)內(nèi)軸承轉(zhuǎn)速只能達(dá)到3 4 χ IO4 r/min 左右，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中可能更低。原因在于美國(guó)的軸承潤(rùn)滑多采用空氣潤(rùn)滑，而我國(guó)由于技術(shù)原因，只能采用油脂潤(rùn)滑。而空氣潤(rùn)滑技術(shù)為美國(guó)獨(dú)有，在短期內(nèi)，又很難突破空氣潤(rùn)滑的技術(shù)壁壘。因此如何在現(xiàn)有的油脂潤(rùn)滑的基礎(chǔ)上尋求突破，進(jìn)ー步對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，從而提高潤(rùn)滑能力，成了提高的軸承性能的關(guān)鍵。軸承的溫度與軸承的轉(zhuǎn)速存在正相關(guān)的關(guān)系， 轉(zhuǎn)速的提高會(huì)帶來(lái)軸承溫度的升高，而軸承的工作溫度一般來(lái)說(shuō)不能超過70°C。所以如何能有效對(duì)軸承進(jìn)行冷卻降溫就是研究的關(guān)鍵問題。目前，對(duì)于地面或有足夠空間的應(yīng)用場(chǎng)合，可再増加一套制冷冷卻系統(tǒng)，采用泵或風(fēng)機(jī)輸送液體或氣體對(duì)軸承進(jìn)行冷卻。顯然對(duì)于航空系統(tǒng)非常緊湊的空間而言是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的航空用渦輪/壓氣機(jī)高速軸承的冷卻系統(tǒng)及方法與應(yīng)用。一種渦輪/壓氣機(jī)高速軸承的冷卻系統(tǒng)，其特征在干該系統(tǒng)由供氣端、壓氣機(jī)、 空氣散熱器、渦輪、熱管、換熱器、出氣端組成；其中壓氣機(jī)和渦輪位于轉(zhuǎn)軸的兩端；其中供氣端依次與壓氣機(jī)、空氣散熱器、渦輪、換熱器、出口端相聯(lián)；其中熱管的熱管冷凝端與換熱器相接，熱管蒸發(fā)端與軸承外圈相接。上述熱管可以為單管式熱管或環(huán)路熱管。利用所述渦輪/壓氣機(jī)高速軸承的冷卻系統(tǒng)的冷卻方法，其特征在于包括以下過程供氣首先通過壓氣機(jī)的壓縮，然后通過空氣散熱器進(jìn)一歩降低溫度，此舉可提高冷卻效果；氣體繼續(xù)通過渦輪的膨脹作用降溫后，作為冷源連接熱管冷凝端；軸承高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生大量熱量，熱量由軸承外端傳入熱管蒸發(fā)端，當(dāng)熱管蒸發(fā)端受熱時(shí)，熱管內(nèi)的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓カ差下流向熱管冷凝端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回?zé)峁苷舭l(fā)端，如此循環(huán)不止，熱量由熱管蒸發(fā)端傳至熱管冷凝端。從而對(duì)軸承進(jìn)行冷卻，為軸承轉(zhuǎn)速的進(jìn)ー步提高提供條件。所述的渦輪/壓氣機(jī)高速軸承的冷卻方法，其特征在于應(yīng)用于壓氣機(jī)/渦輪構(gòu)成的兩輪系統(tǒng)，或應(yīng)用于風(fēng)扇/壓氣機(jī)/渦輪組成的三輪系統(tǒng)，或應(yīng)用于風(fēng)扇/壓氣機(jī)/渦輪 /渦輪組成的四輪系統(tǒng)。航空上軸承多采用滾動(dòng)軸承，而其潤(rùn)滑方式采用油脂潤(rùn)滑，當(dāng)軸承達(dá)到一定轉(zhuǎn)速的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，從而限制了軸承轉(zhuǎn)速的進(jìn)ー步提高。利用熱管的極高的導(dǎo)熱性，將熱管引入渦輪/壓氣機(jī)兩輪系統(tǒng)中，從而對(duì)軸承進(jìn)行冷卻降溫。與普通冷卻裝置相比，熱管換熱設(shè)備較常規(guī)設(shè)備更安全、可靠，可長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行， 效率高，節(jié)能效果顯著。具有良好導(dǎo)熱性的材料有鋁[(λ = 202W/m*°C )]、柴銅[λ = 385W/ m*°C]、和銀λ = 410W/ m· °C )]，但其導(dǎo)熱系數(shù)只能達(dá)到102W/m· °C的數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)不能滿足航空工程中的快速散熱和傳熱需要，而采用熱管就解決了這一問題。熱管的相當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)105W/m*°C的數(shù)量級(jí)。為一般金屬材料的數(shù)百倍乃至上千倍。因此熱管用很小的截面積就能達(dá)到金屬很大截面的效果，它可將大量熱量通過很小的截面積遠(yuǎn)距離地傳輸而無(wú)需外加動(dòng)力。熱管是一種傳熱性極好的人工構(gòu)件，常用的熱管由三部分組成主體為ー根封閉的金屬管(管売)，內(nèi)部空腔內(nèi)有少量工作介質(zhì)(工作液)和毛細(xì)結(jié)構(gòu)(管芯)，管內(nèi)的空氣及其他雜物必須排除在外。熱管工作時(shí)利用了三種物理學(xué)原理1)在低壓狀態(tài)下，液體的沸點(diǎn)降低；2)同種物質(zhì)的汽化潛熱比顯熱高的多；3)多孔毛細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)液體的抽吸カ可使液體流動(dòng)。從傳熱狀況看，熱管沿軸向可分為蒸發(fā)段，絕熱段和冷凝段三部分。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內(nèi)部是被抽成負(fù)壓狀態(tài)，充入適當(dāng)?shù)囊后w，這種液體沸點(diǎn)低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯，其由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成。熱管一端與軸承外圈相接，該段作為熱管的蒸發(fā)端，另一端接散熱器，散熱器用來(lái)對(duì)冷卻渦輪冷卻的空氣進(jìn)行散熱，該段作為冷凝端。軸承高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生大量熱量，熱量由軸承外端傳入熱管的蒸發(fā)端，毛細(xì)管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓カ差下流向冷凝端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)不止，熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環(huán)是快速進(jìn)行的，熱量可以被源源不斷地傳導(dǎo)開來(lái)。從而可以對(duì)軸承進(jìn)行有效散熱，降低軸承溫度，從而可以到達(dá)進(jìn)ー步提高軸承轉(zhuǎn)速的目的。


圖1是航空用渦輪/壓氣機(jī)高速軸承的冷卻系統(tǒng)示意圖1中標(biāo)號(hào)名稱1、供氣、2、壓氣機(jī)、3、空氣散熱器、4、渦輪、5、熱管冷凝端、6、熱管蒸發(fā)端、7、換熱器、8、出氣。
具體實(shí)施例方式根據(jù)圖1所示，本發(fā)明航空用渦輪/壓氣機(jī)高速軸承的冷卻系統(tǒng)，主要包括供氣供氣1、壓氣機(jī)2、空氣散熱器3、渦輪4、熱管冷凝端5、熱管蒸發(fā)端6、換熱器7、出氣8。壓氣機(jī)2和渦輪4構(gòu)成兩輪系統(tǒng)。結(jié)合圖1說(shuō)明系統(tǒng)工作過程供氣1首先通過壓氣機(jī)2的壓縮，然后通過空氣散熱器3進(jìn)ー步降低溫度，防止氣體在熱管冷凝端5吸收熱量回溫，造成制冷性能的下降。接下來(lái)氣體通過渦輪4對(duì)其的冷卻作用后作為熱管冷凝端5。熱管另一端與軸承外圈相接，該段作為熱管蒸發(fā)端6。軸承高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生大量熱量，熱量由軸承外端傳入熱管蒸發(fā)端6，熱管內(nèi)的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓カ差下流向冷凝端5，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)不止，熱量由熱管蒸發(fā)端6傳至熱管冷凝端5。從而對(duì)軸承進(jìn)行冷卻，可為軸承轉(zhuǎn)速的繼續(xù)提高提供條件。
上述的航空用渦輪/壓氣機(jī)高速軸承冷卻方法，亦可應(yīng)用于航空或地面高速旋轉(zhuǎn)軸承系統(tǒng)。如發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等。其冷源可來(lái)自其他地方，如外部空氣、制冷系統(tǒng)、 燃油、PCM (相變材料)等。
權(quán)利要求
1.ー種航空用渦輪/壓氣機(jī)高速軸承的冷卻系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由供氣端(1)、壓氣機(jī)(2)、空氣散熱器(3)、渦輪(4)、熱管、換熱器(7)、出氣端 (8)組成；其中壓氣機(jī)(2)和渦輪(4)位于轉(zhuǎn)軸的兩端；其中供氣端(1)依次與壓氣機(jī)(2)、空氣散熱器(3)、渦輪(4)、換熱器(7)、出口端(8) 相聯(lián)；其中熱管的熱管冷凝端(5)與換熱器相接，熱管蒸發(fā)端(6)與軸承外圈相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的航空用渦輪/壓氣機(jī)高速軸承的冷卻系統(tǒng)，其特征在于 上述熱管為單管式熱管或環(huán)路熱管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述航空用渦輪/壓氣機(jī)高速軸承的冷卻系統(tǒng)的冷卻方法，其特征在于包括以下過程供氣(1)首先通過壓氣機(jī)(2)的壓縮，然后通過空氣散熱器(3)進(jìn)ー步降低溫度，此舉可提高冷卻效果；氣體繼續(xù)通過渦輪(4)的膨脹作用降溫后，作為冷源連接熱管冷凝端 (5)；軸承高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生大量熱量，熱量由軸承外端傳入熱管蒸發(fā)端(6)，當(dāng)熱管蒸發(fā)端(6) 受熱時(shí)，熱管內(nèi)的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓カ差下流向熱管冷凝端(5)，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回?zé)峁苷舭l(fā)端(6)，如此循環(huán)不止，熱量由熱管蒸發(fā)端(6)傳至熱管冷凝端(5)，從而對(duì)軸承進(jìn)行冷卻，為軸承轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高提供條件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的航空用渦輪/壓氣機(jī)高速軸承的冷卻方法，其特征在于應(yīng)用于壓氣機(jī)/渦輪構(gòu)成的兩輪系統(tǒng)，或應(yīng)用于風(fēng)扇/壓氣機(jī)/渦輪組成的三輪系統(tǒng)，或應(yīng)用于風(fēng)扇/壓氣機(jī)/渦輪/渦輪組成的四輪系統(tǒng)。
全文摘要
航空用渦輪/壓氣機(jī)高速軸承的冷卻系統(tǒng)，屬飛機(jī)環(huán)境控制技術(shù)領(lǐng)域。主要包括供氣(1)、壓氣機(jī)(2)、空氣散熱器(3)、渦輪(4)、熱管冷凝端(5)、熱管蒸發(fā)端(6)、換熱器(7)、出氣(8)。該冷卻的工作方法具有效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)。該冷卻的工作方法利用熱管的極高的導(dǎo)熱性，將熱管引入渦輪/壓氣機(jī)兩輪系統(tǒng)中，從而對(duì)軸承進(jìn)行冷卻降溫。
文檔編號(hào)F04D29/58GK102562827SQ20121000554
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者夏文慶, 張文濤, 王塵祉 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)