[發(fā)明專利]一種可變流程的高速流體換熱器結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011522927.3
• 申請日: 2020-12-22
• 公開（公告）號: CN112664323B
• 公開（公告）日: 2022-11-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 苗輝;馬薏文;周琨;朱江楠
• 申請（專利權(quán)）人: 中國航空發(fā)動機(jī)研究院
• 主分類號: F02C7/141
• 分類號: F02C7/141;F02C7/16
• 代理公司: 北京鼎承知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11551
• 代理人: 顧可嘉;夏華棟

本公開提供了一種可變流程的高速流體換熱器結(jié)構(gòu)，其為由多個扇形傳熱單元依次首尾相接組成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，該環(huán)狀結(jié)構(gòu)中部形成圓管；每個扇形傳熱單元均由奇數(shù)層傳熱層疊加組成，該奇數(shù)不小于三；傳熱層包括換熱流道塊、進(jìn)口聯(lián)箱和出口聯(lián)箱，進(jìn)口聯(lián)箱和出口聯(lián)箱分別連接口連接管和出口連接管，在進(jìn)口連接管和出口連接管上的指定位置設(shè)置一系列進(jìn)口閥門和出口閥門，并通過開關(guān)這些閥門可以實現(xiàn)冷卻劑流動的完全并聯(lián)模式、完全串聯(lián)模式和混聯(lián)模式之間的切換；根據(jù)發(fā)動機(jī)的不同飛行階段采用不同的模式；在加速爬升階段采用完全并聯(lián)模式，在勻速平飛巡航階段采用串聯(lián)模式。本發(fā)明的換熱器結(jié)構(gòu)可兼顧高速發(fā)動機(jī)不同飛行階段對換熱器的不同要求。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及高速發(fā)動機(jī)預(yù)冷換熱器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可變流 程的高速流體換熱器結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

飛行器的高速化具有極其重要的軍用和民用價值。航空渦輪發(fā)動機(jī) 具有的水平起降、可重復(fù)使用和高比沖的特點(diǎn)，是主流的航空發(fā)動機(jī)方 案。然而，氣動加熱效應(yīng)使現(xiàn)代先進(jìn)航空渦輪發(fā)動機(jī)的飛行極限通常限 制在Ma2.5。想要進(jìn)一步提升渦輪機(jī)的飛行速度，主要方案之一是采用換 熱器結(jié)構(gòu)對沖壓進(jìn)氣進(jìn)行冷卻，渦輪機(jī)進(jìn)口氣流溫度降低，抵消高速飛 行時氣動加熱效應(yīng)造成的進(jìn)氣溫度升高，使渦輪機(jī)可以在更高的速度下 飛行。

英國REI公司的“彎刀”和“佩刀”發(fā)動機(jī)的預(yù)冷系統(tǒng)最有代表性，預(yù) 冷器(可查閱文獻(xiàn)AIAA2011-2244等)，預(yù)冷器共由16000根薄壁換熱毛細(xì)管 組成，換熱毛細(xì)管直徑僅為0.88mm，壁厚0.04mm，總長達(dá)到20km；內(nèi)部為 超臨界氦作為冷卻劑，具有極高的內(nèi)部壓力。換熱系數(shù)與通道直徑成反比，毛 細(xì)管直徑減小使其具有極強(qiáng)的冷卻能力，但其缺點(diǎn)是加工難度大，尤其是對毛 細(xì)管的焊接工藝提出極高的要求，因為一方面管內(nèi)部壓力大(約200bar[Varvill R.Heat exchanger development at Reaction Engines Ltd[R].No.IAC-08-C4.5.2, 2008.])、另一方面毛細(xì)管壁厚極小，密布的毛細(xì)管焊點(diǎn)對焊接技術(shù)提出了巨大 的挑戰(zhàn)。

就應(yīng)用場景而言，高速飛行器的一個飛行周期主要包括“起飛—加 速爬升—勻速平飛巡航—下降”等環(huán)節(jié)，最關(guān)鍵的是加速爬升和勻速平 飛巡航兩個狀態(tài)。通常在加速爬升過程中要求換熱器的熱功率是勻速平 飛巡航過程的2～3倍，但由于前者過程時間短(通常為10分鐘)，可以 不計冷卻劑(即傳熱系統(tǒng)的最終冷源，通常是液氫燃料)流量消耗；而勻速平飛過程時間長(通常為數(shù)小時)，要求冷卻劑盡可能的升高溫度以 減少冷卻熱沉流量。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述技術(shù)問題中的至少一個，本公開提供了一種可變流程 的高速流體換熱器結(jié)構(gòu)，可根據(jù)發(fā)動機(jī)的不同飛行速度進(jìn)行模式切換， 能夠兼顧高速飛行器的加速爬升和勻速平飛巡航兩個階段對換熱器的需 求。

為實現(xiàn)上述目的，本公開采用了如下技術(shù)方案：

一種可變流程的高速流體換熱器結(jié)構(gòu)，其為由多個扇形傳熱單元依 次首尾相接組成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，該環(huán)狀結(jié)構(gòu)中部形成圓管；每個扇形傳熱 單元均由奇數(shù)層傳熱層疊加組成，該奇數(shù)不小于三；

所述傳熱層包括換熱流道塊、進(jìn)口聯(lián)箱和出口聯(lián)箱；換熱流道塊的 弧面上分布有多條流體通道，換熱流道塊內(nèi)部設(shè)置有多條冷卻劑通道， 流體通道與冷卻劑通道相互平行，并向扇形傳熱單元的軸向延伸；進(jìn)口 聯(lián)箱和出口聯(lián)箱分別連接在換熱流道塊的兩側(cè)，并且分別與各冷卻劑通 道的兩端相聯(lián)通；

各層傳熱層的進(jìn)口聯(lián)箱之間通過進(jìn)口連接管相互聯(lián)通，由第奇數(shù)層 傳熱層流往第偶數(shù)層傳熱層的進(jìn)口連接管上設(shè)置有進(jìn)口閥門；

各層傳熱層的出口聯(lián)箱之間通過出口連接管相互聯(lián)通，由第偶數(shù)層 傳熱層流往第奇數(shù)層傳熱層的出口連接管上設(shè)置有出口閥門。

根據(jù)本公開的至少一個實施方式，所述環(huán)狀結(jié)構(gòu)上位于同一層傳熱 層上的各個進(jìn)口聯(lián)箱彼此相聯(lián)通，位于同一層傳熱層上的各個出口聯(lián)箱 也彼此相聯(lián)通。