[發(fā)明專利]一種用噴霧碰壁強(qiáng)化換熱的再生冷卻雙流道方案

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710143088.6
• 申請日: 2017-03-10
• 公開（公告）號: CN106949497B
• 公開（公告）日: 2019-10-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 洪延姬;席文雄;徐慶堯;鐘文麗
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊(duì)航天工程大學(xué)
• 主分類號: F23R3/36
• 分類號: F23R3/36
• 代理公司: 北京中政聯(lián)科專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11489
• 代理人: 陳超

本發(fā)明采用噴霧/對流復(fù)合式換熱方式，提供一種用于超燃燃燒室再生冷卻的強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)，采用雙流道設(shè)計(jì)，充分利用噴霧冷卻方式熱流密度大的特點(diǎn)對燃燒室壁面進(jìn)行強(qiáng)化換熱。該方案由外層壁和內(nèi)層壁的雙層換熱方案組成，其相隔而成的流道用于噴霧碰壁強(qiáng)化換熱；內(nèi)層壁上布置噴嘴，噴嘴個(gè)數(shù)和分布密度根據(jù)換熱強(qiáng)度和換熱面積決定；部分受熱后的液態(tài)燃料和噴霧吸熱形成的氣態(tài)燃料以不同相態(tài)向發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)的噴嘴供應(yīng)，并以氣動輔助霧化方式實(shí)現(xiàn)液態(tài)燃料的霧化。由于采用氣、液換熱流道隔離設(shè)計(jì)，可避免吸熱后的兩相流燃料向燃燒系統(tǒng)輸運(yùn)過程中的氣液分布不均勻?qū)е碌牧髁抗?yīng)波動問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種利用噴霧碰壁來強(qiáng)化換熱的再生冷卻雙流道方案，用于液體吸熱型碳?xì)淙剂铣紱_壓發(fā)動機(jī)燃燒室壁面的熱防護(hù)。

背景技術(shù)

高超音速飛行器的研制是當(dāng)今航空航天領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)，已引起歐美、俄羅斯等國的高度重視。因?yàn)楦叱羲亠w行中氣流的高速度將給飛行器結(jié)構(gòu)(特別是燃燒室)帶來顯著的氣動力熱載荷，未冷卻燃燒室的溫度能達(dá)到3000K，完全超過已知結(jié)構(gòu)材料的承受能力，所以設(shè)計(jì)高超音速飛行器的關(guān)鍵在于解決飛行器的冷卻問題。與傳統(tǒng)的噴氣發(fā)動機(jī)通過空氣來冷卻燃燒室壁面不同，對超燃沖壓發(fā)動機(jī)來說，由于氣流滯止后的氣體溫度非常高，來流空氣不能用來冷卻發(fā)動機(jī)。利用燃料自身的熱沉來冷卻燃燒室的再生冷卻技術(shù)是一條有效解決途徑。

吸熱型碳?xì)淙剂弦蛐阅軆?yōu)異、來源廣泛、價(jià)格低廉被選作為超燃沖壓發(fā)動機(jī)的自生冷卻劑。它除了利于其本身的物理熱沉(顯熱和潛熱)外，還可以利用其在氣相條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)吸收熱量(化學(xué)熱沉)，即在進(jìn)入燃燒室之前裂解為小分子產(chǎn)物，裂解過程吸收熱量，因而其冷卻能力大大增強(qiáng)。再生冷卻方式在液體火箭發(fā)動機(jī)推力室中應(yīng)用較為廣泛，技術(shù)也較為成熟。

文獻(xiàn)STATUS OF THE U.S.Air Force HYTECH PROGRAM(AIAA2003-6947)公布了美軍超燃沖壓發(fā)動機(jī)計(jì)劃中的壁面再生冷卻熱防護(hù)方案，其通過一種稱為“熱交換器”的壁面結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)燃料熱量向燃料的轉(zhuǎn)移，但是其換熱通道的內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)未公布。

文獻(xiàn)DESIGN AND IMPLEMENTATION OF ACTIVELY COOLED PANELS FOR SCRAMJETS(IMECE2007-41347)公布了一種槽道式流道結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)Numerical and experimentalvalidation of transient modelling for Scramjet active cooling withsupercritical endothermic(AIAA2006-4028)公布了一種銷釘式流道結(jié)構(gòu)。

這兩種冷卻流道結(jié)構(gòu)的再生冷卻技術(shù)應(yīng)用于超燃燃燒室將面臨新的問題。這是因?yàn)槌既紵覠岱雷o(hù)具有冷卻面積大，熱載荷分布不均勻，熱流密度大，燃料在冷卻通道中發(fā)生相變和裂解的物理和化學(xué)反應(yīng)。采用傳統(tǒng)的槽道或銷釘式冷卻流道方案，將面臨如下問題：首先，基于強(qiáng)制對流換熱的傳統(tǒng)冷卻方式，因?yàn)槔鋮s液吸熱能力沿程變化，換熱過程不均勻，燃燒室壁面熱負(fù)荷梯度大，一些熱流密度大的局部區(qū)域常常因?yàn)榈貌坏阶銐虻睦鋮s而發(fā)生傳熱惡化；其次，由于熱流密度大，為了增大對流換熱面積，槽道的流通面積通常很小，高溫煤油結(jié)焦易堵塞流道。再次，換熱過程所形成的不穩(wěn)定氣液兩相燃料容易引起燃料噴嘴的流量供應(yīng)的不穩(wěn)定，給燃料供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來困難。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服傳統(tǒng)技術(shù)的不足，采用噴霧/對流復(fù)合式換熱方式，提供一種用于超燃燃燒室再生冷卻的強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)，采用雙流道設(shè)計(jì)，充分利用噴霧冷卻方式熱流密度大的特點(diǎn)對燃燒室壁面進(jìn)行強(qiáng)化換熱。氣、液換熱流道隔離設(shè)計(jì)，避免吸熱后的兩相流燃料向燃燒系統(tǒng)輸運(yùn)過程中的氣液分布不均勻?qū)е碌牧髁抗?yīng)波動問題。