预冷器封头、预冷器和环境控制系统的制作方法

本发明涉及飞行器以及飞行器维修制造领域，具体地涉及一种预冷器封头、包括该预冷器封头的预冷器和包括该预冷器的环境控制系统。

背景技术：

在飞机的组成系统中，飞机环境控制系统作为重要的机载系统之一，承担着为机上人员提供舒适空气环境的任务，其通过控制机舱内空气的温度、湿度、流速、压力等参数，向机组人员和乘客提供足够舒适的生存和工作环境。环境控制系统的最主要的气源来自于飞机发动机的引气，从发动机引出的高温压缩气体需经过预冷器降温调节至合适的温度值后才能供入下游设备，以保证下游空调系统、机翼和发动机防冰系统等的用气需求。预冷器通常由主体部分和封头组成，主体部分用于气体热交换，封头用于过渡主体部分和高压导管的连接。通常在其热边出口下游安装有温度传感器来闭环控制出口温度。

随着发动机技术的不断提升，引气温度也随之上升，当前民用飞机使用的预冷器一般为叉流式换热器，其出口温度分布及其不均匀，出口处温度可在100～400℃之间分布，这对出口平均温度的测量带来了不利影响。

当前解决该问题的方法主要有以下三类，对其具体描述如下：

1、布置在预冷器下游的温度传感器远离预冷器出口，待气体混合均匀后再测量平均温度，该方案对于温度的测量较为准确，但对于下游管路的布置要求较高、因而生产制造的成本较高；

2、在预冷器出口布置多个温度传感器，取其测量平均值作为出口温度值，该方案对于预冷器出口的空间要求较高，需确保有足够的空间布置多个传感器，且设置多个传感器会增加重量；

3、通过地面台架试验结合cfd流场模拟，选取与出口平均温度较为近似的点作为出口温度值的测量点，该方案需开展台架试验，投入时间较长，且选取的点无法同时满足不同引气流量下的平均温度值，因而在不同的情况下可能测量偏差较大。

此外，飞机在使用中会面临各种恶劣气象条件，在飞机的维修中也经常能发现环控设备内部有沙尘等污染物积聚，该问题将导致飞机的活门运动机构磨损加快，降低设备使用寿命。

因此，需要提供一种预冷器封头、包括该预冷器封头的预冷器和包括该预冷器的环境控制系统，以至少部分地解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种预冷器封头、具有该预冷器封头的预冷器和具有该预冷器的环境控制系统，以在热气流从预冷器排出时能够快速均匀混合，为温度传感器的布置提供便利，在不占用额外的空间、不增加预冷器出口处的重量的前提下使得预冷器下游的温度传感器准确地感测气流的温度，从而根据感测结果准确地调节热气的出口温度，以满足下游空调和防冰等系统的用气需求。

本发明一方面提供一种用于安装在预冷器出口上的预冷器封头，所述预冷器用于给从上游设备引来的高温气体进行降温，所述预冷器封头包括：

具有入口端和出口端的壳体，其中所述入口端被构造为与所述预冷器的主体相连，所述出口端被构造为与所述预冷器的下游管道相连；

设置在所述壳体内的风扇，所述风扇包括多个固定设置的离心式叶片，当气体流经所述风扇时能够形成旋转式气流。

在一种实施方式中，所述叶片具有带弧度的流线型设计，从而使得流经叶片的气流发生偏转。

在一种实施方式中，任意相邻的两个所述叶片在垂直于所述气体在所述壳体内的流动方向上的投影具有重叠的部分。

在一种实施方式中，所述预冷器封头还包括设置在所述出口端处的排污区，所述排污区被构造为能够使得气流中的颗粒物被所述风扇甩至所述排污区。

在一种实施方式中，所述排污区包括壳体的内侧壁和设置在所述壳体的出口端处且沿垂直于所述内侧壁的方向向所述壳体内侧延伸的第一阻挡壁。

在一种实施方式中，所述排污区还包括自所述第一阻挡壁的远离所述壳体内侧壁的一端朝所述壳体的入口端延伸的第二阻挡壁。

在一种实施方式中，所述排污区设置有位于所述壳体壁上的排污口，所述排污区内的颗粒在重力及气压的作用下能够滑动至所述排污口并经由所述排污口被排出。

在一种实施方式中，在垂直于所述壳体内的气体流动方向的平面内，任意相邻的两个所述叶片之间存在间隙，且能够根据所需过滤的颗粒的尺寸而确定所述间隙的大小。

在一种实施方式中，在垂直于所述壳体内的气体流动方向的平面上，所述多个叶片的投影的总面积与所述气体通道的截面面积相适应。

在一种实施方式中，各个所述叶片的形状和尺寸相同，且所述多个叶片围绕所述风扇中心均匀地布置。

在一种实施方式中，所述风扇安装在所述壳体内的靠近前端位置处。

根据本发明的另一方面，提供了一种预冷器，用于给从上游设备引来的高温气体进行降温，所述预冷器包括：

预冷器主体，所述预冷器主体用于进行气体热交换且包括热边入口、热边出口、冷边入口和冷边出口；和

根据上述任意一项方案所述的预冷器封头，所述预冷器封头安装在所述预冷器主体的所述热边出口处，

其中，所述预冷器被构造为使得从所述发动机排出的热气经由所述热边入口进入所述预冷器主体并在所述预冷器主体内与经由所述冷边入口排入的冷气混合，并经由所述预冷器封头从所述热边出口排出所述预冷器。

在一种实施方式中，所述预冷器还包括连接在所述发动机和所述预冷器主体之间的入口封头。

根据本发明的再一个方面，提供了一种用于飞机的环境控制系统，包括：

根据上述两个方案中任一个所述的预冷器；

温度传感器，所述温度传感器设置在所述预冷器的热边出口下游处并被构造为感测该处的气流温度；和

控制装置，所述控制装置被构造为与所述温度传感器通信地连接并能够根据所述温度传感器的感测结果对所述预冷器进行控制。

在一种实施方式中，预冷器主体的冷边入口处设置有进气阀门，且所述控制装置被构造为能够根据所述感测结果而控制所述进气阀门的开度。

根据本发明所提供的预冷器封头、预冷器和环境控制系统，能够使得气体在经过固定设置的离心式风扇时被便捷、快速、高效地均匀混合，以便于设置在预冷器下游的温度传感器能够准确地感测热气流的温度，从而根据感测结果准确地调节热气的出口温度，以满足下游空调和防冰等系统的用气需求。且这样的设置易于实现、成本较低，不会占用额外的空间、也不会增加预冷器出口处的重量。同时，本发明还能够过滤掉气体中的颗粒物，减小了污染物进入下游设备而造成故障的可能性。

附图说明

为了更好地理解本发明的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本发明的优选实施方式，对本发明的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。

图1是根据本发明的一个优选实施方式的预冷器的透视示意图；

图2是图1中的预冷器的出口封头内的风扇的示意图；

图3是图2中的风扇的叶片的示意图；

图4是图1中的预冷器的出口封头的俯视剖视图；

图5是本实施方式中的预冷器与其下游管道的示意图。

具体实施方式

现在参考附图，详细描述本发明的具体实施方式。这里所描述的仅仅是根据本发明的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本发明的其他方式，所述其他方式同样落入本发明的范围。

本发明的一种优选实施方式中，提供了一种用于飞行器内的预冷器封头、包括该预冷器封头的预冷器1以及包括该预冷器1的环境控制系统。

具体地，预冷器1用于给从上游设备(例如发动机)引来的高温气体降温。如图1所示，预冷器1包括预冷器主体2，预冷器主体2上设置有热边入口21、热边出口22、冷边入口23和冷边出口24，热边出口22用于接收来自上游设备的热气，热气在预冷器主体2内与经由冷边入口23和冷边出口24进出的冷气混合从而降温，并由热边出口22排出。其中，冷气的流动方向在图1中由宽箭头示出，热气的流动方向由标有d1的细箭头示出。

预冷器主体2分别通过入口封头4和出口封头3与其上下游的高压管道相连，在本发明中，术语“预冷器封头”特指预冷器1的出口封头3。

参考图2至图4，预冷器1的出口封头3包括具有入口端和出口端的壳体32以及设置在壳体32内的风扇31。壳体32的入口端与预冷器主体2相连，壳体32的出口端与预冷器1的下游管道6相连，这样，壳体32内便形成了供气体流通的通道。风扇31包括多个固定设置的离心式叶片311，所有叶片311大致在垂直于总的气体流动方向d1的平面内排布，从而使得气体流经风扇31时能够形成旋转式气流。需要说明的是，各个叶片311具有沿总的气体流动方向d1凹入或突出的弧形(将在后文详细描述)，因而各个叶片311不是平面结构，所以并不是完全位于垂直于总的气体流动方向d1的平面内的。

在本实施方式中，在预冷器1的出口封头3内设置具有固定离心式叶片311的风扇31，可以便捷、快速、高效地将热气流均匀混合，以便于设置在预冷器1下游的温度传感器5能够准确地感测热气流的温度。

优选地，从图2和图3中可以看到，叶片311具有沿总的气体流动方向d1凹入或突出的弧度，即叶片311形成为带弧度的流线型设计，多个气流分支在各个叶片311的具有弧度的位置处均发生偏转，这样便形成了总的旋转式气流。需要说明的是，本发明所提到的“总的气体流动方向”指的是如图1和图4中所示的d1方向，其区别于能够在叶片311处发生偏转的气流分支的流动方向。

更优选地，参考图3，在总的气体流动方向d1上，任意相邻的两个叶片311在其邻接处具有投影相互重叠的部分311a和311b。这样的设置使得气体在流经此处时，需经过投影重叠的部分311a和311b之间的间隙才可通过，因而能够进一步地使得气流发生偏转。

可以理解，若总的气体流动方向d1上相邻的两个叶片311不具有相互重叠的部分，即相邻的两个叶片311在垂直于总的气体流动方向d1的平面内存在间隙，那么一部分气流便可以沿总的气体流动方向d1而直接通过该间隙，这一部分气流便没有发生偏转，不利于气流的混合。而本实施方式的设置则能够避免这种情况的发生。并且，本实施方式这种设置方式也能够对具有任意直径的颗粒物起到阻挡作用，颗粒物会被叶片311甩至排污区35内(将在后文详细描述)。

当然，在其他未示出的实施方式中，相邻的两个叶片在垂直于总的气体流动方向的平面内可以存在较小间隙，以使部分具有较小直径的颗粒从该间隙中经过。进一步地，可以根据所需过滤的颗粒物的直径来调整相邻的叶片之间的间隙。

另一方面，在本实施方式中，在垂直于气体流动方向d1的平面上，所有叶片311的投影总面积与气体通道的截面面积相适应，使得在垂直于气体流动方向d1的平面上所有叶片311的总面积达到最大值，这样的设置能够更加高效地将气体混合。并且，各个叶片311的形状和尺寸大致相同，且各个叶片311被布置为均匀地围绕风扇31中心，这样的设置能够使得各个气流的分支在各个叶片311处的偏转角度大致相同，从而能够形成均匀的旋转式气流。例如，在本实施方式中，叶片311为六个大致扇形的结构，相邻的两个叶片311的中心线(中心线即连接中心点和扇形的弧的中心的线)之间的角度大致为60°。

优选地，风扇31沿总的气体流动方向d1设置在壳体32内的上游位置处，即位于壳体32内的靠近前端位置处。这样的设置可以使得气体一进入出口封头3便实现充分混合。

进一步地，参考图4，出口封头3还包括设置在其出口端处的排污区35。排污区35与风扇31之间的距离被设定为使得气流中的颗粒物能够被风扇31甩至排污区35。由于排污区35可被理解为是围绕出口封头3的出口端的滑动槽，排污区35内任何位置的颗粒物都可以在重力和气体压力的作用下沿着该滑动槽而滑动至排污区35的底部。更优选地，排污区35可以设置有位于壳体32上的排污口36，滑动到此处的颗粒物可通过排污口36而被排出。

继续参考图4，可以看到壳体32的内侧壁在出口端处设置有沿垂直于总的气体流动方向d1而向内(即朝向气体通道的轴线)延伸的第一阻挡壁33，第一阻挡壁33的存在即可以阻挡被甩至此处的颗粒物，因而第一阻挡壁33和壳体32其实便共同限定了一个较为简易的排污区35。当然，更优选地，在第一阻挡壁33的远离壳体32的一端还可以设置一个沿总的气体流动方向d1相反的方向(即朝向出口封头3的入口端)延伸的第二阻挡壁34，壳体32、第一阻挡壁33和第二阻挡壁34共同限定了本实施方式中的排污区35。换句话说，壳体32在出口端处具有一段往回弯折的环形壁，从而在此处形成了一个环形的袋状结构，该袋状结构即为排污区35。

本实施方式另一方面还提供了一种包含上述预冷器1的环境控制系统。该环境控制系统还包括温度传感器5和控制装置(未示出)。温度传感器5设置在预冷器1的下游出口处并被构造为感测该处的气流温度。例如，如图5所示，温度传感器5可以安装在预冷器1的下游管道6上。

控制装置与温度传感器5通信地连接并能够根据温度传感器5的感测结果而对预冷器1进行控制，具体地，是控制预冷器主体2的冷气排入的速度。例如，预冷器主体2的冷边入口23处可以设置进气阀门，当温度传感器5感测到气流温度偏高时，控制装置可以根据感测结果控制增大进气阀门的开度以加快冷气排入的速度；当温度传感器5感测到气流温度偏低时，控制装置可以根据感测结果而适当调小进气阀门的开度。

根据本发明所提供的预冷器封头、预冷器和环境控制系统，能够使得气体在经过固定设置的离心式风扇时被便捷、快速、高效地均匀混合，以便于设置在预冷器下游的温度传感器能够准确地感测热气流的温度，从而根据感测结果准确地调节热气的出口温度，以满足下游空调和防冰等系统的用气需求。这样的设置易于实现、成本较低，降低了对下游管路及传感器数量的要求，不会占用额外的空间、也不会增加预冷器出口处的重量。同时，本发明还能够过滤掉气体中的颗粒物，减小了污染物进入下游设备而造成故障的可能性。

本发明的多种实施方式的以上描述出于描述的目的提供给相关领域的一个普通技术人员。不意图将本发明排他或局限于单个公开的实施方式。如上所述，以上教导的领域中的普通技术人员将明白本发明的多种替代和变型。因此，虽然具体描述了一些替代实施方式，本领域普通技术人员将明白或相对容易地开发其他实施方式。本发明旨在包括这里描述的本发明的所有替代、改型和变型，以及落入以上描述的本发明的精神和范围内的其他实施方式。

部件附图标记列表：

预冷器1

预冷器主体2

热边入口21

热边出口22

冷边入口23

冷边出口24

入口封头4

出口封头3

风扇31

叶片311

壳体32

第一阻挡壁33

第二阻挡壁34

排污区35

排污口36

温度传感器5

下游管道6。