[發(fā)明專利]一種利用強吸熱反應的層板發(fā)汗冷卻結(jié)構

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810056354.2
• 申請日: 2008-01-17
• 公開（公告）號: CN101245745A
• 公開（公告）日: 2008-08-20
• 發(fā)明（設計）人: 姜培學;劉元清;王揚平
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: F02K9/64
• 分類號: F02K9/64
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權代理有限公司
• 代理人: 史雙元

技術領域

本發(fā)明涉及涉及一種冷卻裝置，特別是一種利用強吸熱反應的層板發(fā)汗冷卻結(jié)構。

背景技術

火箭發(fā)動機推力室內(nèi)的高溫、高壓、高速的燃氣流對發(fā)動機內(nèi)壁施加了極大的加熱熱流，尤其是喉部附近的壁面處于極大的熱流密度之下，如果不采取適當、有效的冷卻措施，壁面材料必然由于持續(xù)升溫，導致最后被燒毀。因而，冷卻技術一直是火箭發(fā)動機，特別是大推力液體火箭發(fā)動機研發(fā)過程中的關鍵技術。為滿足未來幾年來探月工程和其他航天研究的需要，我國已經(jīng)計劃在2010年左右研制出新一代大推力無毒無污染運載火箭，這必然需要冷卻技術的進一步改進。

層板發(fā)汗冷卻技術是已經(jīng)成功應用于液體火箭發(fā)動機推力室的發(fā)汗冷卻技術，層板結(jié)構將若干蝕刻有流體通道的金屬薄片按預先確定的結(jié)構形式疊放，然后通過擴散焊形成整體結(jié)構，冷卻流體通過層板之間的流體通道對層半結(jié)構進行冷卻，最后發(fā)散流出，進一步對出口壁面進行發(fā)汗冷卻。雖然層板結(jié)構有效發(fā)揮了發(fā)汗冷卻的諸多優(yōu)點，但其仍然屬于單純的對流換熱冷卻方式，因而不僅其冷卻能力受到流場和溫度場耦合的對流換熱能力的限制，而且其最高冷卻極限也由作為冷卻劑的工質(zhì)的顯熱(或者一部分潛熱)所約束。由于火箭要求其附加設施的重量不能超過一定范圍，顯然，為了改進冷卻能力而不斷增加冷卻劑的流量是不現(xiàn)實的，必然需要一種冷卻能力更強的，能夠突破單純對流換熱限制的冷卻技術。

冷卻流體在高溫表面發(fā)生強吸熱化學反應是強化對流換熱的一種有效途徑。與傳統(tǒng)的對流換熱相比，這種方法可以有效地降低高溫表面的溫度，起到保護高溫表面的作用。甲烷的水蒸氣催化重整反應即為其中一種非常重要的強吸熱反應。

中國專利CN1246183C提出利用水和碳氫燃料在超臨界狀態(tài)下發(fā)生吸熱化學反應，但該文獻僅公開了分子鏈較大的正庚烷、異辛烷、甲基環(huán)己烷等碳氫燃料，該反應必須在超臨界狀態(tài)下進行，生成的氫氣含量僅13％左右，并且該文獻沒有披露實現(xiàn)上述吸熱反應的具體結(jié)構。美國專利US6357217B1提出利用甲烷的吸熱重整反應對燃氣輪機葉片內(nèi)部進行冷卻，但該文獻僅披露了用于燃氣輪機葉片的冷卻系統(tǒng)，并沒有披露具體的冷卻結(jié)構，且反應所需的催化劑進覆蓋在尺度相對較大的流道表面，反應的轉(zhuǎn)化率較低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明著眼于解決現(xiàn)有層板發(fā)汗冷卻中冷卻能力不足的缺陷，以及單純依靠對流換熱的冷卻方式所存在的冷卻能力存在極限的問題，旨在提供一種適用于下一代大推力運載火箭推力室的層板發(fā)汗冷卻結(jié)構。

針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，本發(fā)明要解決的技術問題是：提出一種利用強吸熱反應的層板發(fā)汗冷卻結(jié)構使之對航天器燃燒室、噴管喉部受熱壁面進行有效冷卻；進一步提高受熱壁面的冷卻效率、使受熱壁面的冷卻效率甚至優(yōu)于單一層板結(jié)構的發(fā)汗冷卻；在具有較高冷卻效率的前提下，不增加外設，避免增加飛行器重量，加大系統(tǒng)復雜性。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采取如下的技術方案：

一種層板發(fā)汗冷卻結(jié)構，該層板發(fā)汗冷卻結(jié)構由多片環(huán)形的薄板沿其厚度方向堆疊成圓筒狀，通過激光加工或者機械銑切在每一片薄板的表面一體地形成多個沿薄板周向均勻分布的分隔條，該分隔條為平直的長方體形狀或者波浪形，該分隔條的長度方向或延伸方向與所述層板發(fā)汗冷卻結(jié)構的徑向方向相一致或成一定角度，從而將相鄰薄板之間的冷卻通道分隔成多個扇形區(qū)域，在薄板之間構成間隔的冷卻流體流通的冷卻通道，該冷卻通道的軸向高度為100～2000μm；每一片薄板的厚度為100～300μm，薄板的環(huán)形表面上形成一層鎳基催化劑薄膜，該催化劑薄膜的厚度為10～100μm，冷卻流體為甲烷和水蒸氣的混合氣體，冷卻流體從該層板發(fā)汗冷卻結(jié)構的外環(huán)面進入冷卻通道，并由于上述催化劑薄膜的存在發(fā)生強吸熱重整反應，從而對該層板發(fā)汗冷卻結(jié)構進行冷卻，反應后的冷卻流體從該層板發(fā)汗冷卻結(jié)構的內(nèi)環(huán)面發(fā)散出，對該層板發(fā)汗冷卻結(jié)構的內(nèi)環(huán)面進一步進行發(fā)汗冷卻，并在改層板發(fā)汗冷卻結(jié)構的內(nèi)環(huán)面、即推力室的內(nèi)壁表面形成?層冷卻流體薄膜，可以屏蔽高溫流體對層板發(fā)汗冷卻結(jié)構內(nèi)環(huán)面的加熱。

由于薄板之間的冷卻通道為微通道結(jié)構，因此，作為冷卻流體的甲烷和水蒸氣通過冷卻通道的同時，由于催化劑薄膜的存在而發(fā)生強吸熱重整反應，其反應的轉(zhuǎn)化率要大于一般的人尺度流道，對層板發(fā)汗冷卻結(jié)構進行冷卻。