專利名稱：航空用渦輪/壓氣機高速軸承的冷卻系統及方法與應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及航空用渦輪/壓氣機高速軸承的冷卻系統及方法與應用，屬飛機環境控制技術領域。
背景技術：
隨著空氣循環機(ACM)的發展，航空業中對軸承提出了越來越高的要求。美國軸承轉速普遍能轉速能達到1 χ IO5 r/min以上，但國內軸承轉速只能達到3 4 χ IO4 r/min 左右，在實際生產應用中可能更低。原因在于美國的軸承潤滑多采用空氣潤滑，而我國由于技術原因，只能采用油脂潤滑。而空氣潤滑技術為美國獨有，在短期內，又很難突破空氣潤滑的技術壁壘。因此如何在現有的油脂潤滑的基礎上尋求突破，進ー步對其進行改進，從而提高潤滑能力，成了提高的軸承性能的關鍵。軸承的溫度與軸承的轉速存在正相關的關系， 轉速的提高會帶來軸承溫度的升高，而軸承的工作溫度一般來說不能超過70°C。所以如何能有效對軸承進行冷卻降溫就是研究的關鍵問題。目前，對于地面或有足夠空間的應用場合，可再増加一套制冷冷卻系統，采用泵或風機輸送液體或氣體對軸承進行冷卻。顯然對于航空系統非常緊湊的空間而言是無法實現的。

發明內容
本發明的目的是提供一種效率高、結構簡單的航空用渦輪/壓氣機高速軸承的冷卻系統及方法與應用。一種渦輪/壓氣機高速軸承的冷卻系統，其特征在干該系統由供氣端、壓氣機、 空氣散熱器、渦輪、熱管、換熱器、出氣端組成；其中壓氣機和渦輪位于轉軸的兩端；其中供氣端依次與壓氣機、空氣散熱器、渦輪、換熱器、出口端相聯；其中熱管的熱管冷凝端與換熱器相接，熱管蒸發端與軸承外圈相接。上述熱管可以為單管式熱管或環路熱管。利用所述渦輪/壓氣機高速軸承的冷卻系統的冷卻方法，其特征在于包括以下過程供氣首先通過壓氣機的壓縮，然后通過空氣散熱器進一歩降低溫度，此舉可提高冷卻效果；氣體繼續通過渦輪的膨脹作用降溫后，作為冷源連接熱管冷凝端；軸承高速轉動產生大量熱量，熱量由軸承外端傳入熱管蒸發端，當熱管蒸發端受熱時，熱管內的液體迅速蒸發，蒸氣在微小的壓カ差下流向熱管冷凝端，并且釋放出熱量，重新凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回熱管蒸發端，如此循環不止，熱量由熱管蒸發端傳至熱管冷凝端。從而對軸承進行冷卻，為軸承轉速的進ー步提高提供條件。所述的渦輪/壓氣機高速軸承的冷卻方法，其特征在于應用于壓氣機/渦輪構成的兩輪系統，或應用于風扇/壓氣機/渦輪組成的三輪系統，或應用于風扇/壓氣機/渦輪 /渦輪組成的四輪系統。航空上軸承多采用滾動軸承，而其潤滑方式采用油脂潤滑，當軸承達到一定轉速的時候，會產生大量的熱量，從而限制了軸承轉速的進ー步提高。利用熱管的極高的導熱性，將熱管引入渦輪/壓氣機兩輪系統中，從而對軸承進行冷卻降溫。與普通冷卻裝置相比，熱管換熱設備較常規設備更安全、可靠，可長期連續運行， 效率高，節能效果顯著。具有良好導熱性的材料有鋁[(λ = 202W/m*°C )]、柴銅[λ = 385W/ m*°C]、和銀λ = 410W/ m· °C )]，但其導熱系數只能達到102W/m· °C的數量級，遠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。熱管的相當導熱系數可達105W/m*°C的數量級。為一般金屬材料的數百倍乃至上千倍。因此熱管用很小的截面積就能達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距離地傳輸而無需外加動力。熱管是一種傳熱性極好的人工構件，常用的熱管由三部分組成主體為ー根封閉的金屬管(管売)，內部空腔內有少量工作介質(工作液)和毛細結構(管芯)，管內的空氣及其他雜物必須排除在外。熱管工作時利用了三種物理學原理1)在低壓狀態下，液體的沸點降低；2)同種物質的汽化潛熱比顯熱高的多；3)多孔毛細結構對液體的抽吸カ可使液體流動。從傳熱狀況看，熱管沿軸向可分為蒸發段，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。熱管內部是被抽成負壓狀態，充入適當的液體，這種液體沸點低，容易揮發。管壁有吸液芯，其由毛細多孔材料構成。熱管一端與軸承外圈相接，該段作為熱管的蒸發端，另一端接散熱器，散熱器用來對冷卻渦輪冷卻的空氣進行散熱，該段作為冷凝端。軸承高速轉動產生大量熱量，熱量由軸承外端傳入熱管的蒸發端，毛細管中的液體迅速蒸發，蒸氣在微小的壓カ差下流向冷凝端，并且釋放出熱量，重新凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段，如此循環不止，熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環是快速進行的，熱量可以被源源不斷地傳導開來。從而可以對軸承進行有效散熱，降低軸承溫度，從而可以到達進ー步提高軸承轉速的目的。


圖1是航空用渦輪/壓氣機高速軸承的冷卻系統示意圖1中標號名稱1、供氣、2、壓氣機、3、空氣散熱器、4、渦輪、5、熱管冷凝端、6、熱管蒸發端、7、換熱器、8、出氣。
具體實施例方式根據圖1所示，本發明航空用渦輪/壓氣機高速軸承的冷卻系統，主要包括供氣供氣1、壓氣機2、空氣散熱器3、渦輪4、熱管冷凝端5、熱管蒸發端6、換熱器7、出氣8。壓氣機2和渦輪4構成兩輪系統。結合圖1說明系統工作過程供氣1首先通過壓氣機2的壓縮，然后通過空氣散熱器3進ー步降低溫度，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。接下來氣體通過渦輪4對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，該段作為熱管蒸發端6。軸承高速轉動產生大量熱量，熱量由軸承外端傳入熱管蒸發端6，熱管內的液體迅速蒸發，蒸氣在微小的壓カ差下流向冷凝端5，并且釋放出熱量，重新凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段，如此循環不止，熱量由熱管蒸發端6傳至熱管冷凝端5。從而對軸承進行冷卻，可為軸承轉速的繼續提高提供條件。
上述的航空用渦輪/壓氣機高速軸承冷卻方法，亦可應用于航空或地面高速旋轉軸承系統。如發動機、發電機、電動機等。其冷源可來自其他地方，如外部空氣、制冷系統、 燃油、PCM (相變材料)等。
權利要求
1.ー種航空用渦輪/壓氣機高速軸承的冷卻系統，其特征在于該系統由供氣端(1)、壓氣機(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(2)和渦輪(4)位于轉軸的兩端；其中供氣端(1)依次與壓氣機(2)、空氣散熱器(3)、渦輪(4)、換熱器(7)、出口端(8) 相聯；其中熱管的熱管冷凝端(5)與換熱器相接，熱管蒸發端(6)與軸承外圈相接。
2.根據權利要求書1所述的航空用渦輪/壓氣機高速軸承的冷卻系統，其特征在于 上述熱管為單管式熱管或環路熱管。
3.根據權利要求1所述航空用渦輪/壓氣機高速軸承的冷卻系統的冷卻方法，其特征在于包括以下過程供氣(1)首先通過壓氣機(2)的壓縮，然后通過空氣散熱器(3)進ー步降低溫度，此舉可提高冷卻效果；氣體繼續通過渦輪(4)的膨脹作用降溫后，作為冷源連接熱管冷凝端 (5)；軸承高速轉動產生大量熱量，熱量由軸承外端傳入熱管蒸發端(6)，當熱管蒸發端(6) 受熱時，熱管內的液體迅速蒸發，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，重新凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回熱管蒸發端(6)，如此循環不止，熱量由熱管蒸發端(6)傳至熱管冷凝端(5)，從而對軸承進行冷卻，為軸承轉速的進一步提高提供條件。
4.根據權利要求3所述的航空用渦輪/壓氣機高速軸承的冷卻方法，其特征在于應用于壓氣機/渦輪構成的兩輪系統，或應用于風扇/壓氣機/渦輪組成的三輪系統，或應用于風扇/壓氣機/渦輪/渦輪組成的四輪系統。
全文摘要
航空用渦輪/壓氣機高速軸承的冷卻系統，屬飛機環境控制技術領域。主要包括供氣(1)、壓氣機(2)、空氣散熱器(3)、渦輪(4)、熱管冷凝端(5)、熱管蒸發端(6)、換熱器(7)、出氣(8)。該冷卻的工作方法具有效率高、結構簡單等突出優點。該冷卻的工作方法利用熱管的極高的導熱性，將熱管引入渦輪/壓氣機兩輪系統中，從而對軸承進行冷卻降溫。
文檔編號F04D29/58GK102562827SQ20121000554
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者夏文慶, 張文濤, 王塵祉 申請人:南京航空航天大學