一种预冷吸气式发动机用高效紧凑预冷换热器

摘要

本发明公开了一种预冷吸气式发动机用高效紧凑预冷换热器，包括呈类圆柱体的预冷换热器本体，类圆柱体的横截面为直径不同的环形，类圆柱体的纵截面为两个对称设置的圆弧段，每个圆弧段的中心角均为45°；预冷换热器本体包括冷流出口管、冷流进口管和若干根换热管；每根换热管均为圆弧形，每根换热管的弧形中心角均为45°；若干根换热管叉排布置形成类圆柱体。本发明能在保证换热效果的前提下，具有工程可实现性，进而对压气机前的空气来流进行预冷，解决压气机叶片的高温超转问题，增大发动机推力，扩展飞行包线，有效降低焊接难度和避免霜冻堵塞问题，在当前技术下具有工程可实现性，应用于预冷吸气式发动机后，可大幅提升发动机性能。

权利要求

1.一种预冷吸气式发动机用预冷换热器，其特征在于：包括预冷换热器本体，该预冷换热器本体设置在吸气式发动机进气道和压气机之间；

预冷换热器本体的外形呈类圆柱体，该类圆柱体的横截面为直径不同的环形，类圆柱体的纵截面为两个对称设置的圆弧段，每个圆弧段的中心角均为45°；

预冷换热器本体包括冷流出口管、冷流进口管和若干根换热管；

每根换热管均为圆弧形，每根换热管的弧形中心角均为45°，且与圆弧段的弧长相一致；

每根换热管的壁厚均不小于0.15mm，若干根换热管叉排布置形成类圆柱体；类圆柱体中，沿着圆周方向，位于同一直径上的相邻两根换热管的间距均相等，记为纵向间距；沿径向，相邻两根换热管的间距均相等，记为横向间距；其中，纵向间距不小于横向间距；

冷流出口管为圆管，设置在邻近吸气式发动机进气道的一侧，且与若干根换热管的出口端焊接固定；

冷流进口管为圆管，设置在邻近压气机的一侧，且与若干根换热管的进口端焊接固定。

2.根据权利要求1所述的预冷吸气式发动机用预冷换热器，其特征在于：每根换热管的壁厚均为0.25mm，每根换热管的管径为1.6mm。

3.根据权利要求1所述的预冷吸气式发动机用预冷换热器，其特征在于：类圆柱体的横截面中，最大直径的环形横截面的直径能够根据需求调整，直径每增加0.1m，迎风面积能提高0.628m2。

4.根据权利要求1所述的预冷吸气式发动机用预冷换热器，其特征在于：圆弧段的弧长为2000mm，类圆柱体的横截面中，最大直径的环形横截面的直径为1200mm。

5.根据权利要求1所述的预冷吸气式发动机用预冷换热器，其特征在于：类圆柱体中，横向间距不大于换热管管径的2倍，纵向间距不小于换热管管径的2倍。

6.根据权利要求1或2所述的预冷吸气式发动机用预冷换热器，其特征在于：横向间距为换热管管径的1.5倍，纵向间距为换热管管径的2倍。

7.根据权利要求1所述的预冷吸气式发动机用预冷换热器，其特征在于：预冷换热器本体中的冷流介质为氦气。

8.根据权利要求7所述的预冷吸气式发动机用预冷换热器，其特征在于：氦气的初温为

100K。

9.根据权利要求7所述的预冷吸气式发动机用预冷换热器，其特征在于：氦气的流动速度为30m/s。

10.根据权利要求1所述的预冷吸气式发动机用预冷换热器，其特征在于：预冷换热器本体的壁厚为48mm。

说明书

一种预冷吸气式发动机用高效紧凑预冷换热器

技术领域

[0001] 本发明涉及预冷换热器技术领域，特别是一种预冷吸气式发动机用高效紧凑预冷换热器。

背景技术

[0002] 随着临近空间逐渐成为现代空天一体化作战的重要作战领域，临近空间飞行器的研究进展尤其受到各国的关注。动力系统是临近空间飞行器的核心组成部分，使得飞行器有自由进入临近空间的能力和高空巡航工作的能力。

[0003] 组合动力发动机能够很好的符合临近空间飞行器动力的要求，国内外在这方面进行了大量的研究，目前火箭基组合循环发动机（RBCC）和涡轮基组合循环发动机（TBCC）是比较成熟的组合动力系统。这两种发动机在大气层内工作都需要将空气吸入燃烧室进行燃烧，但是这种系统工作在马赫数2左右时，吸入的空气温度很高，空气的质量流量不高，燃烧产生的动力不会很足，这很大程度上制约了发动机的性能。

[0004] 若能在常见的涡轮基组合发动机的压气机前增添一套预冷装置，通过预冷装置冷却进入压气机之前的进口空气，解决压气机叶片的高温超转问题，进而提高压气机增压比，提高空气密度，增大空气的质量流量，增大发动机的推力，提高发动机的性能，扩展飞行包线，满足高超声速飞行的动力要求。这种发动机最重要的技术在于设计出高效、轻质的高效紧凑预冷换热器，在很短的时间内将空气从很高的温度降低至设计温度。

[0005] 高效紧凑预冷换热器因管径小、管壁薄、功率需求高而具有很大的难度，其涉及的微尺度流动与宏观尺度流动存在一定的差异。过增元对微尺度传热进行了综述，认为微尺度流动与宏观尺度流动最大的差异在于，相同压力梯度下，微细通道的流量小于按照宏观流体力学计算的理论值。龚磊认为产生差异的主要原因是，微通道和流体壁面的物理化学作用产生了多余的流动阻力，其中双电层阻力又是最主要的体现，但当通道尺寸大于0.04mm时，双电层阻力可忽略。Xu通过实验对微管道内的流动进行了研究，发现当水利直径大于0.03mm时，经典的N-S方程仍然适用。Samalam通过实验对微尺度槽道换热器进行了研究，发现肋片尺寸及槽道的高宽比均为改善换热效果的重要参数。吕多对高效紧凑预冷换热器的关键技术进行了阐述，认为流动传热特性是预冷系统的重要参数。汪元微小通道流体单相气态流动换热的研究现状进行了综述，认为微尺度流动换热机理仍存在诸多分歧，理论发展不完善。

[0006] 可见，对于高效紧凑预冷换热器，国内外仍处于对微细通道内流动情况的展开研究阶段，而对于宏观上如何增强紧凑型圆管换热器换热效果的研究开展较少。本发明在保持热流条件不变的情况下，以换热器换热后空气平均温度为评价指标，研究了冷流参数、换热管参数及管间距对换热效果的影响规律，旨在寻求提高换热效果的改进方向。在此基础上对换热器总体参数进行了优化，提出了一种新型布局的预冷吸气式发动机用高效紧凑预冷换热器。

发明内容

[0007] 本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种预冷吸气式发动机用高效紧凑预冷换热器，该预冷吸气式发动机用高效紧凑预冷换热器通过对预冷器总体外形结构的设计等，能在保证换热效果的前提下，具有工程可实现性，进而对压气机前的空气来流进行预冷，解决压气机叶片的高温超转问题，增大发动机推力，扩展飞行包线，可使得飞行速度达到马赫数4以上，满足高超声速飞行的动力需求。

[0008] 另外，本发明还针对换热管及布置方式、冷流参数的设计，进一步在保证换热效果的前提下，降低焊接难度和避免霜冻，从而具有工程可实现性。

[0009] 进一步，本发明还能根据吸气式发动机的冷却需求而调整预冷器直径，预冷器直径每改变0.1m，迎风面积可提高0.628m2，从而能满足不同吸气式组合发动机的预冷需求。

[0010] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

[0011] 一种预冷吸气式发动机用高效紧凑预冷换热器，包括预冷换热器本体，该预冷换热器本体设置在吸气式发动机进气道和压气机之间。

[0012] 预冷换热器本体的外形呈类圆柱体，该类圆柱体的横截面为直径不同的环形，类圆柱体的纵截面为两个对称设置的圆弧段，每个圆弧段的中心角均为45°。

[0013] 预冷换热器本体包括冷流出口管、冷流进口管和若干根换热管。

[0014] 每根换热管均为圆弧形，每根换热管的弧形中心角均为45°，且与圆弧段的弧长相一致。

[0015] 每根换热管的壁厚均不小于0.15mm，若干根换热管叉排布置形成类圆柱体；类圆柱体中，沿着圆周方向，位于同一直径上的相邻两根换热管的间距均相等，记为纵向间距；沿径向，相邻两根换热管的间距均相等，记为横向间距；其中，纵向间距不小于横向间距。

[0016] 冷流出口管为圆管，设置在邻近吸气式发动机进气道的一侧，且与若干根换热管的出口端焊接固定。

[0017] 冷流进口管为圆管，设置在邻近压气机的一侧，且与若干根换热管的进口端焊接固定。

[0018] 每根换热管的壁厚均为0.25mm，每根换热管的管径为1.6mm。

[0019] 类圆柱体的横截面中，最大直径的环形横截面的直径能够根据需求调整，直径每增加0.1m，迎风面积能提高0.628m2。

[0020] 圆弧段的弧长为2000mm，类圆柱体的横截面中，最大直径的环形横截面的直径为1200mm。

[0021] 类圆柱体中，横向间距不大于换热管管径的2倍，纵向间距不小于换热管管径的2倍。

[0022] 横向间距为换热管管径的1.5倍，纵向间距为换热管管径的2倍。

[0023] 预冷换热器本体中的冷流介质为氦气。

[0024] 氦气的初温为100K。

[0025] 氦气的流动速度为30m/s。

[0026] 预冷换热器本体的壁厚为48mm。

[0027] 本发明采用上述结构后，具有如下有益效果：

[0028] 1.预冷换热器本体的外形呈类圆柱体的结构设计，相比于直管，一方面能增大冷流流体的湍流度（本发明的湍流计算模型优选采用SST k-omega转捩模型），从而增强换热效果。另一方面，类圆柱体的结构，能增加预冷换热器的迎风面积，增大预冷换热器的最大功率。

[0029] 2.换热管壁厚的选择，能在保证换热效果的前提下，使得焊接难度降低，更具有工程可实现性。

[0030] 3.换热管叉排布设时，横向间距和纵向间距的选择，使得换热效率和压降最佳。

[0031] 4.冷流介质氦气、氦气流速以及氦气初始温度的选择，一方面，在保证换热效率的前提下，能减少所需冷流剂的质量；另一方面，能避免霜冻。

[0032] 5.本发明的预冷换热器总质量能达到419kg,单位体积换热面积为1309m2，单位体积换热功率为355.5MW，能将质量流量为120kg/s的空气由1350K降低至486K，压降为9.12%。

附图说明

[0033] 图1显示了本发明一种预冷吸气式发动机用高效紧凑预冷换热器的纵向剖面图。

[0034] 图2显示了本发明一种预冷吸气式发动机用高效紧凑预冷换热器的横截面示意图。

[0035] 图3显示了换热管叉排的示意图。

[0036] 图4显示了横向间距与空气出口温度的关系示意图。

[0037] 图5显示了横向间距与空气压降的关系示意图。

[0038] 图6显示了纵向间距与空气出口温度的关系示意图。

[0039] 图7显示了纵向间距与空气压降的关系示意图。

[0040] 图8显示了冷流进口管与换热管的安装示意图。

[0041] 图9显示了冷流出口管与换热管的安装示意图。

[0042] 图10显示了氦气流动速度与空气出口温度的关系示意图。

[0043] 图11显示了氦气初始温度与空气出口温度的关系示意图。

[0044] 其中有：1.预冷换热器本体；2.吸气式发动机进气道；3.冷流出口管；4.发动机外壁面；5.换热管；6.翅片；7.冷流进口管；8.压气机；9.氦气流动方向；10.空气流动方向。

具体实施方式

[0045] 下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0046] 如图1所示，一种预冷吸气式发动机用高效紧凑预冷换热器，包括预冷换热器本体10，该预冷换热器本体设置在吸气式发动机进气道2和压气机8之间。

[0047] 预冷换热器本体的外形呈类圆柱体。

[0048] 类圆柱体的横截面为如图2所示的直径不同的环形，位于两端的横截面的直径小于中间横截面的直径。其中，最大直径的环形横截面的直径以下记为最大直径。

[0049] 上述最大直径能够根据吸气式发动机的冷却需求进行调整，直径每增加0.1m，迎风面积能提高0.628m2。通过调整类圆柱体形的最大直径，改变预冷换热器的迎风面积，改变预冷换热器的总体积，进而可使预冷换热器的最大功率发生改变。

[0050] 类圆柱体的纵截面为如图1所示的两个对称设置的圆弧段，两个圆弧段的对称轴为预冷换热器本体的中心轴线。

[0051] 每个圆弧段的中心角均为45°，每个圆弧段的弧长均优选为2000mm。

[0052] 预冷换热器本体的外形呈类圆柱体的结构设计，相比于直管，一方面能增大冷流流体的湍流度（本发明的湍流计算模型优选采用SST k-omega转捩模型），从而增强换热效果。另一方面，类圆柱体的结构，能增加预冷换热器的迎风面积，增大预冷换热器的最大功率。

[0053] 预冷换热器本体包括冷流出口管3、冷流进口管7和若干根换热管。

[0054] 如图9所示，冷流出口管优选为直径为60mm的圆管，设置在邻近吸气式发动机进气道的一侧，且与若干根换热管的出口端焊接固定。

[0055] 如图8所示，冷流进口管优选为直径为60mm的圆管，设置在邻近压气机的一侧，且与若干根换热管的进口端焊接固定。

[0056] 预冷换热器本体的总长优选为1949mm，最大直径优选为1200mm，壁厚优选为48mm，2
总质量优选为419kg,单位体积换热面积能达到1309m，单位体积换热功率则为355.5MW。

[0057] 换热管的材料选用性能优异的铬镍铁合金（标号为GH4169），换热管内外壁面满足无滑移边界条件。

[0058] 每根换热管均为圆弧形，每根换热管的弧形中心角均为45°，且与圆弧段的弧长相一致。

[0059] 每根换热管的壁厚均不小于0.15mm，优选为0.25mm；当壁厚为0.25mm时，每根换热管的对应管径为1.6mm。

[0060] 减小换热管的壁厚，能够增强换热效果，然而，换热管壁厚进一步减小，一方面会增加生产难度，另一方面也增加了焊接施工的难度。本发明选择0.25mm，在保证换热效率的同时，能大大降低换热管生产难度，也进一步大大降低了换热管与冷流出口管、冷流进口管焊接的难度，工程实现性高，生产成本低，易于普及推广。

[0061] 如图2和图3所示，若干根换热管叉排布置形成类圆柱体。

[0062] 沿着类圆柱体的圆周方向，位于同一直径上的相邻两根换热管的间距均相等，记为纵向间距S2。

[0063] 沿类圆柱体的径向，相邻两根换热管的间距均相等，记为横向间距S1。

[0064] 上述S1与S2均为无量纲单位，其值为管间距与换热管直径的比值。

[0065] 取S1分别为1.5、2.0、2.5，保持S2=2.0不变，对换热效果进行对比，结果如图４和图5所示。从图中发现，随着横向管间距的增大，空气出口温度呈缓慢上升趋势，但当S2大于2后，压降迅速上升，故应控制横向管间距不大于2倍的管径，实际工程中可取S2=1.5。

[0066] 取S2分别为1.5、2.0、2.5，保持S1=2.0不变，对换热效果进行分析，结果如图6和图7所示，从图中可以发现，当纵向管间距小于2倍的管径时，换热效果增强明显，但压降也迅速上升，故在工程中应注意纵向间距不小于2倍的管径，工程中可取S2=2。

[0067] 另外，预冷换热器本体还优选包括翅片6，翅片均匀分布在换热管纵向方向，间距为200mm，除增强换热效果外，可提高预冷换热器的结构强度，避免换热管发生振动。

[0068] 预冷换热器本体中的冷流介质为超临界的氦气，氦气的初始温度优选为100K，氦气的流动速度优选为30m/s，压强优选为10MPa，可循环使用。

[0069] 调节氦气进口速度分别为30m/s、45 m/s、60 m/s、75 m/s、90 m/s、105m/s，保持其他参量不变，对换热效果进行研究，结果如图10所示。可以发现随着氦气流动速度的提高，空气出口温度呈缓慢下降趋势，并且下降幅度逐渐较小，二者近似呈底数小于1的对数关系。因此提高氦气流动速度方法不适宜作为提高换热效果的改进方向，在实际工作过程中反而应适当降低换热器冷却流体的流动速度，这样可减少所需冷却剂的质量，工程中可取30m/s。

[0070] 调节氦气初始温度为500K，以50K为步长，逐次降低氦气初始温度到100K，保持其它参量不变，计算结果如图11所示。可以看出，氦气初始温度每降低50K，空气域出口截面平均温度下降约4.3K，二者近似成一次线性关系。因此降低氦气初始温度可作为增强换热效果的改进方向，但超临界氦气的温度是有范围的，不能一直降低，故工程中氦气初温可取为100K。

[0071] 另外，压强为10MPa，则是为了使氦保持在超临界状态。计算域上下为对称性边界条件，其余外表面为周期性边界条件。

[0072] 本发明的预冷换热器对空气进行冷却，可将质量流量为120kg/s的空气来流冷却至486K，压降为9.12%。另外，本发明的预冷换热器的空气出口温度控制在400K左右，因而，由于空气出口温度在临界点以上，从而避免了霜冻阻塞的问题。

[0073] 以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。