CN105091644B - 模块化再生冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块化再生冷却装置，包括：热管，其呈平板状；热沉式防热结构，其呈块状，若干热沉式防热结构设置于所述热管的内部；燃油冷却通道，其伸入至所述热管的内部。本发明采用了模块化设计技术，降低了再生冷却装置实现和维护的难度，提高了使用可靠性；采用具有高导热能力的热管作为疏导介质进行热量传输，可以极大的降低再生冷却装置局部位置的温度；具有热沉式的功能模块，抗热冲击性能良好。

Description

模块化再生冷却装置
技术领域
本发明属于超燃发动机热防护技术领域，尤其涉及一种模块化再生冷却装置。
背景技术
超燃发动机燃烧室承受严重的气动加热，同时需要长时间工作，热载荷非常大，需要对燃烧室进行热防护。再生主动冷却是经常采用的热防护方法，发动机工作时燃料作为冷却剂流经冷却通道，对内壁进行对流冷却，燃料自身受热升温后流出冷却通道再进入燃烧室进行燃烧。相关资料分析表明，燃油冷却量不足和局部烧蚀破坏两个问题使得燃油主动冷却热防护方式在超燃发动机的热防护上遇到了很大的技术难题。
(1)燃油冷却量不足受超燃发动机燃油量的限制，现有的主动冷却装置需要将燃油加热到600℃以上才能达到冷却目的。为此，一方面主动冷却装置材料需要采用高热导率的紫铜，而紫铜的使用温度较低，为700-800℃；另一方面，燃油冷却通道的直径也必须小于3.0mm。该状况大大降低了主动冷却装置的使用温度和冷却效果。
(2)局部烧蚀破坏超燃发动机燃烧室内部的局部位置由于激波边界层干扰或者高温燃气冲刷固壁，出现局部热流峰值，称为“热点”。这一现象造成主动冷却装置的温度场不均匀，局部烧蚀破坏和热应力破坏的危险增大。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种模块化再生冷却装置，它可以有效降低局部热点位置的温度，使防热装置的温度等温化，提高燃油的最高温度，使用所需要的冷却用燃料少，具有热沉式的功能模块，抗热冲击性能较好。
本发明的技术方案为：
一种模块化再生冷却装置，包括：
热管，其呈平板状；
热沉式防热结构，其呈块状，若干热沉式防热结构设置于所述热管的内部；
燃油冷却通道，其伸入至所述热管的内部。
优选的是，所述的模块化再生冷却装置中，所述燃油冷却通道的外直径为3-10mm，壁厚为1-1.5mm。
优选的是，所述的模块化再生冷却装置中，所述燃油冷却通道呈蛇形，沿所述热管的长度方向延伸，或所述燃油冷却通道具有螺旋状管段，所述螺旋状管段位于所述热管的中部。
优选的是，所述的模块化再生冷却装置中，所有热沉式防热结构的质量之和为所述热管质量的2-10倍，体积为所述热管容积的20-70％。
优选的是，所述的模块化再生冷却装置中，若干热沉式防热结构规则排列于所述热管的内部。
优选的是，所述的模块化再生冷却装置中，所述热沉式防热结构的材质为紫铜或钨渗铜。
优选的是，所述的模块化再生冷却装置中，所述热管的充装工质为钠或锂，充装量为0.07-0.2g/cm3。
优选的是，所述的模块化再生冷却装置中，所述热管的材质为镍基高温合金或铌合金。热管的结构强度大于0.5MPa。
相对于一般的再生冷却装置，本发明的优点在于：
1、采用了模块化设计技术，降低了再生冷却装置实现和维护的难度，提高了使用可靠性。
2、采用具有高导热能力的热管作为疏导介质进行热量传输，可以极大的降低了再生冷却装置的局部位置的温度。
3、针对再生装置使用的热环境，进行燃油冷却通道的尺寸和位置设计，能够在保证再生冷却装置使用性能的前提下有效减轻燃料冷却的压力。
4、具有热沉式的功能模块，抗热冲击性能良好。
附图说明
图1本发明提供的一种模块化再生冷却装置结构示意图。
图2为本发明提供的一种模块化再生冷却装置的外观示意图。
图3为模块化再生冷却装置的表面温度-燃油冷却曲线。
图4(a)和图4(b)分别为典型超燃燃烧室热环境下紫铜燃油冷却装置和模块化再生冷却装置的温度分布图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
请参阅图1、图2、图3、图4(a)和图4(b)，本发明提供了一种模块化再生冷却装置，包括：热管，其呈平板状；热沉式防热结构，其呈块状，若干热沉式防热结构设置于所述热管的内部；燃油冷却通道，其伸入至所述热管的内部。
本发明基于功能化的模块设计理念，提出了一种模块化再生冷却装置。该再生冷却装置通过平板状热管内热量远程传输与燃油冷却耦合的方式实现高效防热。图1为本发明提供的一种模块化再生冷却装置的示意图。模块化再生冷却装置包括三个模块：高温热管1、多个热沉式防热结构2和燃油冷却通道3。此结构采用了模块化设计技术，降低了再生冷却装置实现和维护的难度，提高了使用可靠性。
本发明的工作原理为：在气动热环境下，再生冷却装置的表面产生不均匀加热。当再生冷却装置加热达到热管启动温度下限后，高温热管1开始启动，将局部高热流部位的热量快速传输至低热流区，使得再生冷却装置等温化。由于热沉式的模块2与燃油冷却通道3与高温热管1呈一体化结构，高温热管1疏导后的热量很容易传递到热沉式的模块2和燃油冷却通道3中，从而让实现热量地疏导。
进一步地，所述的模块化再生冷却装置中，所述燃油冷却通道的外直径为3-10mm，壁厚为1-1.5mm。针对再生装置使用的热环境，进行蛇形燃油冷却通道3的尺寸和位置设计，能够在保证再生冷却装置使用性能的前提下有效减轻燃料冷却的压力。
进一步地，所述的模块化再生冷却装置中，所述燃油冷却通道呈蛇形，沿所述热管的长度方向延伸，以延长燃油冷却通道从热管内部经过的路径，改善冷却效果；所述燃油冷却通道具有螺旋状管段，所述螺旋状管段位于所述热管的中部，以增加燃油冷却通道在热管内部的长度，达到改善冷却效果的目的。
进一步地，所述的模块化再生冷却装置中，所有热沉式防热结构的质量之和为所述热管质量的2-10倍，体积为所述热管容积的20-70％。
进一步地，所述的模块化再生冷却装置中，若干热沉式防热结构规则排列于所述热管的内部。
进一步地，所述的模块化再生冷却装置中，所述热沉式防热结构的材质为紫铜或钨渗铜。
进一步地，所述的模块化再生冷却装置中，所述热管的充装工质为钠或锂，充装量为0.07-0.2g/cm3。
进一步地，所述的模块化再生冷却装置中，所述热管的材质为镍基高温合金或铌合金。热管的结构强度大于0.5MPa。采用高导热能力的热管作为疏导介质进行热量疏导，可以极大的降低了再生冷却装置的局部位置的温度。
实施例一
图2和图3分别给出了模块化再生冷却装置的外观示意图及其启动曲线。在本实施例中，高温热管的尺寸为300×100×24mm，壳体为GH3128镍基高温合金。壳体通过氩弧焊接成型。所用的充装工质为钠，充装量为0.07g/cm3。蛇形燃油冷却通道的外直径为3mm，壁厚1mm，蛇形燃油冷却通道的个数为2个。所有热沉式防热结构的质量之和为热管质量的2倍，体积为热管容积的20％。热沉式防热结构的材质为紫铜。
石英灯加热启动测试表明，该模块化再生冷却装置具有较高的热导率，等效热导率大于30,000W/(m·K)。在石英灯加热启动试验基础上，采用理论预计软件对模块化再生冷却装置的防热性能进行了评估。图4(a)和图4(b)给出了典型超燃燃烧室热环境下紫铜燃油冷却装置(a)和模块化再生冷却装置(b)的温度分布图。燃油类型为RP-3，流量为0.005kg/s。从图中可以看出，模块化再生冷却装置的最高温度为1226K，比紫铜装置最高温度低200K左右。即模块化再生冷却装置具有较好的防热效果。
实施例二
在本实施例中，高温热管的尺寸为300×100×24mm，壳体为铌合金。壳体通过氩弧焊接成型。所用的充装工质为锂，充装量为0.2g/cm3。蛇形燃油冷却通道的外直径为10mm，壁厚1.5mm。所有热沉式防热结构的质量之和为热管质量的10倍，体积为热管容积的70％。热沉式防热结构的材质为钨渗铜。其他参数设置与实施例一相同。
石英灯加热启动测试表明，该模块化再生冷却装置具有较高的热导率，工作温度1473K时，模块化再生冷却装置的等效热导率约为52,000W/(m·K)。在石英灯加热启动试验基础上，采用理论预计软件对模块化再生冷却装置的防热性能进行了评估。燃油类型为RP-3冷却条件下0.005kg/s。模块化再生冷却装置的最高温度比实施例一高200℃左右。即铌合金壳体-锂工质热管具有更高的使用温度。
实施例三
在本实施例中，高温热管的尺寸为300×100×24mm，壳体为铌合金。壳体通过氩弧焊接成型。所用的充装工质为锂，充装量为0.2g/cm3。燃油冷却通道的外直径为10mm，壁厚1.5mm。所有热沉式防热结构的质量之和为热管质量的10倍，体积为热管容积的70％。燃油冷却通道具有螺旋状管段，螺旋状管段位于所述热管的中部。热沉式防热结构的材质为钨渗铜。
石英灯加热启动测试表明，该模块化再生冷却装置的启动温度约为900℃，工作温度为1200-1600K时模块化再生冷却装置的等效热导率为45,000-80,000W/(m·K)。在石英灯加热启动试验基础上，采用理论预计软件对模块化再生冷却装置的防热性能进行了评估。燃油类型为RP-3冷却条件下0.005kg/s。模块化再生冷却装置的最高温度与实施例二接近。即模块化再生冷却装置具有宽的使用温度范围和良好的抗热冲击性能，能够通过热导率的变化实现动态环境下的有效防热。
本发明的优点在于：
1、采用了模块化设计技术，降低了再生冷却装置实现和维护的难度，提高了使用可靠性。
2、采用具有高导热能力的热管作为疏导介质进行热量疏导，可以极大的降低了再生冷却装置局部位置的温度。
3、针对再生装置的使用环境，进行燃油冷却通道3的尺寸和位置设计，能够在保证再生冷却装置使用性能的前提下有效减轻燃料冷却的压力。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种模块化再生冷却装置，其特征在于，包括：
热管，其呈平板状；
热沉式防热结构，其呈块状，若干热沉式防热结构设置于所述热管的内部；
燃油冷却通道，其伸入至所述热管的内部。
2.如权利要求1所述的模块化再生冷却装置，其特征在于，所述燃油冷却通道的外直径为3-10mm，壁厚为1-1.5mm。
3.如权利要求2所述的模块化再生冷却装置，其特征在于，所述燃油冷却通道呈蛇形，沿所述热管的长度方向延伸，或所述燃油冷却通道具有螺旋状管段，所述螺旋状管段位于所述热管的中部。
4.如权利要求1或2所述的模块化再生冷却装置，其特征在于，所有热沉式防热结构的质量之和为所述热管质量的2-10倍，体积为所述热管容积的20-70％。
5.如权利要求4所述的模块化再生冷却装置，其特征在于，若干热沉式防热结构规则排列于所述热管的内部。
6.如权利要求5所述的模块化再生冷却装置，其特征在于，所述热沉式防热结构的材质为紫铜或钨渗铜。
7.如权利要求4所述的模块化再生冷却装置，其特征在于，所述热管的充装工质为钠或锂，充装量为0.07-0.2g/cm3。
8.如权利要求7所述的模块化再生冷却装置，其特征在于，所述热管的材质为镍基高温合金或铌合金，热管的结构强度大于0.5MPa。
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