[發(fā)明專利]一種應用于高超聲速飛機的三輪冷卻-制冷循環(huán)冷卻系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110297028.6
• 申請日: 2021-03-19
• 公開（公告）號: CN113153537B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發(fā)明（設計）人: 秦江;劉澤寬;程昆林;盧鑫
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業(yè)大學
• 主分類號: F02C7/14
• 分類號: F02C7/14;B64D33/08;B64D33/10
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 韓麗娜

本發(fā)明提出一種應用于高超聲速飛機的三輪冷卻?制冷循環(huán)冷卻系統(tǒng)，涉及高超聲速飛機領域。系統(tǒng)包括兩個空氣渦輪、壓氣機、蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥以及兩組燃油?空氣換熱器。空氣渦輪主要用于發(fā)電與降低空氣熱沉溫度，與燃油?空氣換熱器、制冷循環(huán)組合構成多級冷卻系統(tǒng)，空氣渦輪發(fā)出的電能部分用于制冷循環(huán)，其余用于電子器件的使用，使經過渦輪的冷卻空氣再冷獲得更低的溫度，從而足以冷卻電子器件以及供給座艙。解決高超聲速飛機高馬赫數飛行條件下，外部空氣溫度過高無法再用作冷源的問題。本發(fā)明利用飛行器自身所帶的燃油，基于空氣渦輪與壓氣機，建立多級冷卻系統(tǒng)，解決了高超聲速飛機熱管理的問題。

技術領域

本發(fā)明涉及一種應用于高超聲速飛機的三輪冷卻-制冷循環(huán)冷卻系統(tǒng)，屬于高超聲速飛 機技術領域。

背景技術

高超聲速飛機已經成為航空航天領域的研究焦點。隨著航空航天技術的迅猛發(fā)展，新 一代飛行器具有高熱流密度的電子元件，并且朝著小型緊湊的方向發(fā)展，液冷散熱器或者 其他復雜形勢冷卻方式的應用受限，雖然風冷冷卻效率較低，但可靠性高，可解決復雜環(huán) 境的散熱問題。加之動力供給系統(tǒng)、液壓元件、電源系統(tǒng)等產生的熱負荷，導致飛行器熱 設計與熱管理面臨更大的挑戰(zhàn)。目前飛行器設計逐漸朝著綜合化、緊湊化的方向發(fā)展，大 量的發(fā)熱設備組合封裝在狹小的空間中，這種情況下，冷卻管路無法直接進入，只能利用 空氣冷卻。此外，基于降低重量的目的，導熱系數低的復合材料通常被用作飛行器表面材 料；為了隱身及減阻的需要，飛機要盡可能減少外表面開口數量和面積，這些因素都限制 了飛行器外表面與外界空氣對流進行散熱的能力。更為重要的是超聲速飛行過程中，沖壓 空氣的滯止溫度很高，降低了外界空氣的熱沉能力，空氣熱沉高達1000K以上無法直接利 用對電子設備進行冷卻，綜上所述，面對高熱負荷的飛行器冷卻問題，如何獲取低溫空氣 熱沉是高超聲速飛機的關鍵熱防護問題。

對低速飛機來說，外界來流溫度較低，可直接或間接地作為電子部件的熱沉。高超飛 行器與之不同的是，來流空氣總溫與飛行馬赫數正相關，溫度驟升導致冷卻電子器件的能 力降低。許多高超聲速飛機攜帶地面的熱沉(例如水)為機載電子元件冷卻，雖然確實可以保證設備的穩(wěn)定工作，但隨之而來的質量懲罰問題不能忽略，此外，高溫來流空氣引起的氣動加熱導致電子器件的熱環(huán)境惡劣，僅依靠簡單的燃油換熱難以滿足巨大的熱沉缺口。

發(fā)明內容

本發(fā)明為了解決上述背景技術中提到的飛行器高馬赫飛行時的空氣熱沉的技術問題， 提出一種應用于高超聲速飛機的三輪冷卻-制冷循環(huán)冷卻系統(tǒng)，基于燃油冷卻的空氣渦輪建 立了三輪冷卻-制冷循環(huán)多級冷卻系統(tǒng)，為高超聲速飛機提供空氣熱沉。

本發(fā)明提出一種應用于高超聲速飛機的三輪冷卻-制冷循環(huán)冷卻系統(tǒng)，包括動力渦輪、 冷卻渦輪、壓氣機，蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、一級燃油-空氣換熱器和二級燃油 -空氣換熱器，

從發(fā)動機中引氣并通入動力渦輪，動力渦輪出口與一級燃油-空氣換熱器進口相連， 一級燃油-空氣換熱器出口與壓氣機進口連接，空氣自壓氣機流出后進入二級燃油-空氣換 熱器，在二級燃油-空氣換熱器中降低壓氣機引起的的空氣溫升后進入冷卻渦輪，冷卻渦輪 的出口與制冷系統(tǒng)中蒸發(fā)器熱流體側進口相連接，最后經過冷卻的空氣進入設備艙或者座 艙，蒸發(fā)器工質側入口連接節(jié)流閥出口，蒸發(fā)器工質側出口與壓縮機進口相連，壓縮機出 口連接冷凝器工質側進口，冷凝器工質側出口連接節(jié)流閥進口；燃油進口與冷凝器進口相 連接，冷凝器出口與一級燃油-空氣換熱器入口相連接，一級燃油-空氣換熱器出口與二級 燃油-空氣換熱器進口相連接，吸收熱量后進入燃燒室或者再生冷卻通道入口，實現(xiàn)燃油熱 沉的梯級利用。

優(yōu)選地，根據飛行器外界空氣溫度，選擇有機工質作為制冷循環(huán)的工作流體。

優(yōu)選地，所述循環(huán)工質為苯。

優(yōu)選地，有機工質在蒸發(fā)器中吸收空氣的熱量發(fā)生相變，之后在壓縮機中有機工質蒸 氣經過壓縮成為高溫高壓氣體，之后在冷凝器中與升溫后的燃油換熱，有機工質蒸氣凝結 成為液體，經過節(jié)流閥后進入蒸發(fā)器再次循環(huán)。