[發明專利]一種多環換熱器及基于多環換熱器的推進系統及方法

有效

• 申請號: 201810778759.0
• 申請日: 2018-07-16
• 公開（公告）號: CN108995817B
• 公開（公告）日: 2020-05-15
• 發明（設計）人: 柏瑩;趙柱民;劉超;徐剛;吳宜燦
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: B64D27/22
• 分類號: B64D27/22;B64G1/40
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 安麗;成金玉

本發明公開了一種多環換熱器及基于多環換熱器的推進系統及方法，由進氣道，壓縮機，多環換熱器，尾噴管構成，多環換熱器包括：多環換熱結構和渦輪軸；多環換熱結構包括擾流翅片，絕熱外壁，冷卻氣體動力腔室和加熱流體管道，其中加熱流體管道可選配流體加熱進口流管和流體加熱出口流管。本發明利用清潔、高效能源，采用換熱與推進同時達到最佳的多環腔室結構，在加入持續熱源后，可提供滿足穩定巡航與加力續航雙模式的持續推進動力；可選閉式熱力循環的推進系統安全性更高，對環境及公眾的影響小；多環換熱器結構的運用使得燃料攜帶量減少，系統載荷同比增大，是對現有推進系統的優化改進，該推進系統可適應多種規模的任務需求，具有較大的應用前景。

技術領域

本發明涉及核推進領域，具體為一種多環換熱器及基于多環換熱器的推進系統及方法。

背景技術

對于推進系統，目前存在的問題在于：快速啟動與穩定巡航是判斷推進系統發動機性能優劣的重要外在指標，供油過快，可能出現壓氣機喘振，導致燃燒室富油熄火，渦前溫度迅速提升可能導致系統過熱，這些限制因素嚴重制約了渦前溫度的快速提升。為實現發動機持續穩定的換熱調節，采用多環形換熱器代替燃燒室便可以為推進系統提供穩定的能量來源。多環形換熱器通過研究小空間、窄通道內的流動換熱，可以將不穩定劇烈燃燒問題轉換為穩定換熱問題，避免了流道劇烈換熱而造成的額外能量損失；并可利用環形窄通道的優勢，對燃燒室的換熱結構進行優化。

在能量利用方面，有研究數據表明：中遠程推進系統在滿載時燃油攜帶量達到系統總重的50％以上。因此，大型推進系統存在較大的性能提升空間。換熱器熱源可來自于清潔能源燃燒放熱，也可以來自于核能裂變或衰變能，這在一定程度上減少了推進系統燃料攜帶量；以核能為熱源的推進系統，通過穩定的熱量供給，可根據飛行需要自動調節功率需求，與傳統燃燒相比，推進系統減重幅度可達到40％以上，核能支持下的巡航與加力飛行，可完全實現長航時自主飛行，這對改善推進系統性能具有重大意義，是對推進系統性能的整體改善。

與現有技術相比，常規核推進系統反應堆只能在推進系統外部單獨布置，受到氣體冷卻堆芯換熱能力差及堆芯臨界要求的限制，反應堆體積龐大，重量較大。本發明在現有常規推進系統的基礎上，反應堆堆芯不再單一使用氣體傳熱，反應堆體積可以更小，更加緊湊，實現堆系統的靈活布置；另外，若在翅片處嵌入核燃料，則反應堆便可充分利用燃燒室的狹窄空間，并結合多環換熱器大面積換熱的固有優勢，實現反應堆小型化緊湊型設計；這些創新性設計將對核動力推進系統推進性能的優化起到重要作用。

發明內容

本發明技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種多環換熱器及基于多環換熱器的推進系統及方法，是對傳統推進系統進行的改進，通過最優判定下環形換熱結構的間距尺寸調整與優化，得到判定準則下的最優換熱器結構；用以減小劇烈燃燒帶來的大量熱量損失，實現穩定持續換熱；該換熱結構可以滿足各類功率需求，適合多種推進進氣；為確保推進系統的安全可靠性，可選配間接循環的獨立熱源，從而避免輻射對推進進氣的污染，實現推進系統的清潔、高效。

為了達到上述目標，本發明所采用的技術方案為：

一種多環換熱器及基于多環換熱器的推進系統，由進氣道11，壓縮機12，多環換熱器13，尾噴管14構成，其多環換熱器13位于壓縮機12之后及尾噴管14之前，包括：多環換熱結構1和渦輪軸2；多環換熱結構1位于絕熱外壁4與渦輪軸2之間，通過嵌套方式與渦輪軸2相連；絕熱外壁4與推進系統外殼內壁貼合連接；

冷卻氣體作為推進工質經進氣道11被吸入推進系統內部，冷卻氣體在進氣道內減速后經壓縮機12被壓縮為高壓冷卻氣體；根據高壓氣體的流動特性參數，采用最優判定準則得到多環換熱器13的最優結構；高壓冷卻氣體進入新型換熱器換熱后經過尾噴管14噴出完成系統推進，產生推進動力；

本發明還存在以下特征：