CN106894918A - 一种适用于组合动力循环发动机的模态预冷循环系统 - Google Patents

一种适用于组合动力循环发动机的模态预冷循环系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了适用于组合动力循环发动机的模态预冷循环系统，包括低温煤油储箱、换热器、常温煤油储箱和液氧储箱；所述常温煤油储箱和液氧储箱的出口均各自与换热器的对应进口管路连接，部分常温煤油和液氧在换热器内进行热交换，热交换后得到的低温煤油储存至低温煤油储箱，热交换后的液氧用于与引射火箭燃烧室管路连接。该适用于组合动力循环发动机的模态预冷循环系统效果好，且结合发动机整个飞行过程热防护。

Description

一种适用于组合动力循环发动机的模态预冷循环系统
技术领域
本发明属于组合动力循环发动机的热力循环技术领域，具体涉及一种适用于组合动力循环发动机的模态预冷循环系统。
背景技术
组合循环发动机具有飞行空域广、速域宽的特点，兼顾了推进的高效性与经济性，具有十分广阔的应用前景。在发动机工程实现和可重复使用研究中，热防护技术是组合动力发展进程中亟待解决的关键问题之一。在现有的发动机热防护设计方法中，普遍针对的研究对象是飞行马赫数范围较窄的发动机热防护，常选取飞行器巡航点作为热防护的设计点，引入再生冷却、膜冷却、发汗冷却等主动冷却方式和烧蚀、容热等被动冷却方式进行发动机热防护设计。另外，为了改善吸气模态时的工作特性，对预冷组合发动机进行了研究，其中最具有代表性的有日本的ATREX和英国的SABRE,为了达到理想的压气机出口温度，分别引入液氢或液氦作为冷却介质，对高温来流空气进行冷却，但上述的预冷循环并没有充分考虑发动机随时间推进的整个工作过程中的能量管理。Marquardt公司的液体空气循环发动机LACE在氢氧火箭发动机的基础上增加了吸气模态，在吸气模态时利用液氢液化来流空气，随后液化空气进入燃烧室组织燃烧，但LACE液化空气需要消耗大量的液氢，同时空气分离器增加了的复杂度。在现有文献资料中，大多数针对的是给定点的热防护设计，鲜有结合发动机整个飞行过程的热防护设计思想。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种组合动力循环发动机的模态预冷循环。立足于组合动力整个宏观飞行过程的兼顾组合动力发动机多模态工作特点和热环境特点、冷却效果好、复杂度适中。通过平衡各个模态之间“热负荷与可用冷源”之间的矛盾，利用低马赫数的富余冷源去提升高马赫数的冷却能力，实现整个飞行过程中的能量平衡。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，包括低温煤油储箱、换热器、常温煤油储箱和液氧储箱；常温煤油储箱和液氧储箱的出口均各自与换热器的对应进口管路连接，并在换热器内进行热交换，热交换后得到的低温煤油储存至低温煤油储箱，热交换后的液氧用于与引射火箭燃烧室管路连接；
常温煤油储箱还用于与a系统和b系统管路连接；低温煤油储箱还用于与a系统和b系统管路连接；
在引射模态A时，常温煤油储箱中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室燃烧，常温煤油储箱中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室，与热交换后的液氧掺混燃烧；
在亚燃模态B时，低温煤油储箱中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室燃烧；同时，低温煤油储箱中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室，与热交换后的液氧掺混燃烧；在超燃模态C时，低温煤油储箱中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室燃烧；
上述a系统和b系统分别为冲压发动机燃烧室再生冷却系统和引射火箭燃烧室再生冷却系统。
本发明公开了上述的一种适用于组合动力循环发动机的模态预冷循环系统的工作方式，包括如下：
常温煤油储箱中的部分煤油与液氧储箱中的液氧在换热器中热交换，得到的低温煤油储存至低温煤油储箱，热交换后的液氧输送至引射火箭燃烧室；
在引射模态A时，常温煤油储箱中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室燃烧，常温煤油储箱中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室，与热交换后的液氧掺混燃烧；
在亚燃模态B时，低温煤油储箱中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室燃烧；同时，低温煤油储箱中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室，与热交换后的液氧掺混燃烧；在超燃模态C时，低温煤油储箱中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室燃烧。
本发明还公开了另一种包括低温煤油储箱、换热器、常温煤油储箱和液氧储箱；常温煤油储箱和液氧储箱的出口均各自与换热器的对应进口管路连接，并在换热器内进行热交换，热交换后得到的低温煤油储存至低温煤油储箱，热交换后的液氧用于与引射火箭燃烧室管路连接；
常温煤油储箱还用于与a系统和b系统管路连接；低温煤油储箱还用于与a系统和b系统管路连接；
在引射模态A时，所述常温煤油储箱中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室燃烧，所述常温煤油储箱中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室，与热交换后的液氧掺混燃烧；
在亚燃模态B时，所述低温煤油储箱中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室燃烧；同时，所述低温煤油储箱中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室，与热交换后的液氧掺混燃烧；
在超燃模态C时，所述低温煤油储箱中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室燃烧；在纯火箭模态D时，所述低温煤油储箱中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室，与热交换后的液氧掺混燃烧；
所述a系统和b系统分别为冲压发动机燃烧室再生冷却系统和引射火箭燃烧室再生冷却系统。
本发明还公开了上述另一种适用于组合动力循环发动机的模态预冷循环系统的工作方式，包括如下：常温煤油储箱中的部分煤油与液氧储箱中的液氧在换热器中热交换，得到的低温煤油储存至低温煤油储箱，热交换后的液氧输送至引射火箭燃烧室；
在引射模态A时，所述常温煤油储箱中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室燃烧，所述常温煤油储箱中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室，与热交换后的液氧掺混燃烧；
在亚燃模态B时，所述低温煤油储箱中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室燃烧；同时，所述低温煤油储箱中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室，与热交换后的液氧掺混燃烧；
在超燃模态C时，所述低温煤油储箱中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室燃烧；在纯火箭模态D时，所述低温煤油储箱中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室，与热交换后的液氧掺混燃烧。
本发明一种适用于组合动力循环发动机的模态预冷循环系统具有如下优点：1.既提高了高速段机载煤油的冷却能力，又简化了携带中间冷却剂的供应复杂程度，避免了飞行器惰性质量的增加。“预冷”后的煤油的低温物理热沉增加0.196MJ/kg，将燃料的物理热沉增加了9.8％，物理加化学热沉增加了4.53％。而模态预冷循环将低马赫数富余的冷却能力储存到高马赫工况，提高了高速段碳氢燃料的热沉，同时降低了燃料可能达到的温度最大值，在一定程度上减轻甚至避免了碳氢燃料的结焦，实现了“燃烧释热与热防护”矛盾的转移。
附图说明
图1是本发明中两级入轨第一级的MPC模态预冷循环的示意图；
图2是本发明中单级入轨的MPC模态预冷循环的示意图；
其中：1.低温煤油储箱；2.换热器；3.常温煤油储箱；4.液氧储箱；5.冲压发动机燃烧室；6.引射火箭燃烧室。
具体实施方式
实施例1
本发明一种适用于组合动力循环发动机的模态预冷循环系统，如图1所示，为两级入轨第一级的MPC模态预冷循环的示意图，MPC为Mode-PreCooling的简称，即是模态预冷循环，包括低温煤油储箱1、换热器2、常温煤油储箱3和液氧储箱4；常温煤油储箱3和液氧储箱4的出口均各自与换热器2的对应进口管路连接，并在换热器2内进行热交换，热交换后得到的低温煤油储存至低温煤油储箱1，热交换后的液氧用于与引射火箭燃烧室6管路连接；
常温煤油储箱3还用于与a系统和b系统管路连接；低温煤油储箱1还用于与a系统和b系统管路连接；
在引射模态A时，常温煤油储箱3中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室5燃烧，常温煤油储箱3中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室6，与热交换后的液氧掺混燃烧；
在亚燃模态B时，低温煤油储箱1中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室5燃烧；同时，低温煤油储箱1中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室6，与热交换后的液氧掺混燃烧；在超燃模态C时，低温煤油储箱1中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室5燃烧；
所述a系统和b系统分别为冲压发动机燃烧室再生冷却系统和引射火箭燃烧室再生冷却系统。
上述的一种适用于组合动力循环发动机的模态预冷循环系统的工作方式，包括如下：
常温煤油储箱3中的部分煤油与液氧储箱4中的液氧在换热器2中热交换，得到的低温煤油储存至低温煤油储箱1，热交换后的液氧输送至引射火箭燃烧室6；
在引射模态A时，常温煤油储箱3中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室5燃烧，常温煤油储箱3中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室6，与热交换后的液氧掺混燃烧；
在亚燃模态B时，低温煤油储箱1中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室5燃烧；同时，低温煤油储箱1中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室6，与热交换后的液氧掺混燃烧；在超燃模态C时，低温煤油储箱1中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室5燃烧。
“预冷”后的煤油的低温物理热沉增加0.196MJ/kg，将燃料的物理热沉增加了9.8％，物理加化学热沉增加了4.53％。同时，碳氢燃料在温度超过裂解温度之后，结焦严重，易造成发动机冷却通道堵塞，因此，提高热沉的同时降低结焦率一直是燃料相关基础研究的关键问题之一。而模态预冷循环将低马赫数富余的冷却能力储存到高马赫工况，提高了高速段碳氢燃料的热沉，同时降低了燃料可能达到的温度最大值，在一定程度上减轻甚至避免了碳氢燃料的结焦，实现了“燃烧释热与热防护”矛盾的转移。
实施例2
另一种适用于组合动力循环发动机的模态预冷循环系统，如图2所示，为单级入轨的MPC模态预冷循环的示意图，MPC为Mode-PreCooling的简称，即是模态预冷循环，包括低温煤油储箱1、换热器2、常温煤油储箱3和液氧储箱4；常温煤油储箱3和液氧储箱4的出口均各自与换热器2的对应进口管路连接，并在换热器2内进行热交换，热交换后得到的低温煤油储存至低温煤油储箱1，热交换后的液氧用于与引射火箭燃烧室管路连接；
常温煤油储箱3还用于与a系统和b系统管路连接；低温煤油储箱1还用于与a系统和b系统管路连接；
在引射模态A时，所述常温煤油储箱3中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室5燃烧，所述常温煤油储箱3中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室6，与热交换后的液氧掺混燃烧；
在亚燃模态B时，所述低温煤油储箱1中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室5燃烧；同时，所述低温煤油储箱1中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室，与热交换后的液氧掺混燃烧；
在超燃模态C时，所述低温煤油储箱1中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室5燃烧；在纯火箭模态D时，所述低温煤油储箱1中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室6，与热交换后的液氧掺混燃烧；
所述a系统和b系统分别为冲压发动机燃烧室再生冷却系统和引射火箭燃烧室再生冷却系统。
上述的一种适用于组合动力循环发动机的模态预冷循环系统的工作方式如下：
常温煤油储箱3中的部分煤油与液氧储箱4中的液氧在换热器2中热交换，得到的低温煤油储存至低温煤油储箱1，热交换后的液氧输送至引射火箭燃烧室6；
在引射模态A时，所述常温煤油储箱3中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室5燃烧，所述常温煤油储箱3中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室6，与热交换后的液氧掺混燃烧；
在亚燃模态B时，所述低温煤油储箱1中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室5燃烧；同时，所述低温煤油储箱1中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室，与热交换后的液氧掺混燃烧；
在超燃模态C时，所述低温煤油储箱1中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室5燃烧；在纯火箭模态D时，所述低温煤油储箱1中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室6，与热交换后的液氧掺混燃烧。
“预冷”后的煤油的低温物理热沉增加0.196MJ/kg，将燃料的物理热沉增加了9.8％，物理加化学热沉增加了4.53％。同时，碳氢燃料在温度超过裂解温度之后，结焦严重，易造成发动机冷却通道堵塞，因此，提高热沉的同时降低结焦率一直是燃料相关基础研究的关键问题之一。而模态预冷循环将低马赫数富余的冷却能力储存到高马赫工况，提高了高速段碳氢燃料的热沉，同时降低了燃料可能达到的温度最大值，在一定程度上减轻甚至避免了碳氢燃料的结焦，实现了“燃烧释热与热防护”矛盾的转移。

Claims (4)

1.一种适用于组合动力循环发动机的模态预冷循环系统，其特征在于，包括低温煤油储箱(1)、换热器(2)、常温煤油储箱(3)和液氧储箱(4)；常温煤油储箱(3)和液氧储箱(4)的出口均各自与换热器(2)的对应进口管路连接，并在换热器(2)内进行热交换，热交换后得到的低温煤油储存至低温煤油储箱(1)，热交换后的液氧用于与引射火箭燃烧室(6)管路连接；
常温煤油储箱(3)还用于与a系统和b系统管路连接；低温煤油储箱(1)还用于与a系统和b系统管路连接；
在引射模态A时，常温煤油储箱(3)中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室(5)燃烧，常温煤油储箱(3)中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室(6)，与热交换后的液氧掺混燃烧；
在亚燃模态B时，低温煤油储箱(1)中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室(5)燃烧；同时，低温煤油储箱(1)中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室(6)，与热交换后的液氧掺混燃烧；在超燃模态C时，低温煤油储箱(1)中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室(5)燃烧；
所述a系统和b系统分别为冲压发动机燃烧室再生冷却系统和引射火箭燃烧室再生冷却系统。
2.如权利要求1的一种适用于组合动力循环发动机的模态预冷循环系统的工作方式，其特征在于，包括如下：
常温煤油储箱(3)中的部分煤油与液氧储箱(4)中的液氧在换热器(2)中热交换，得到的低温煤油储存至低温煤油储箱(1)，热交换后的液氧输送至引射火箭燃烧室(6)；
在引射模态A时，常温煤油储箱(3)中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室(5)燃烧，常温煤油储箱(3)中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室(6)，与热交换后的液氧掺混燃烧；
在亚燃模态B时，低温煤油储箱(1)中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室(5)燃烧；同时，低温煤油储箱(1)中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室(6)，与热交换后的液氧掺混燃烧；在超燃模态C时，低温煤油储箱(1)中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室(5)燃烧。
3.一种适用于组合动力循环发动机的模态预冷循环系统，其特征在于，包括低温煤油储箱(1)、换热器(2)、常温煤油储箱(3)和液氧储箱(4)；常温煤油储箱(3)和液氧储箱(4)的出口均各自与换热器(2)的对应进口管路连接，并在换热器(2)内进行热交换，热交换后得到的低温煤油储存至低温煤油储箱(1)，热交换后的液氧用于与引射火箭燃烧室管路连接；
常温煤油储箱(3)还用于与a系统和b系统管路连接；低温煤油储箱(1)还用于与a系统和b系统管路连接；
在引射模态A时，所述常温煤油储箱(3)中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室(5)燃烧，所述常温煤油储箱(3)中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室(6)，与热交换后的液氧掺混燃烧；
在亚燃模态B时，所述低温煤油储箱(1)中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室(5)燃烧；同时，所述低温煤油储箱(1)中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室，与热交换后的液氧掺混燃烧；
在超燃模态C时，所述低温煤油储箱(1)中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室(5)燃烧；在纯火箭模态D时，所述低温煤油储箱(1)中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室(6)，与热交换后的液氧掺混燃烧；
所述a系统和b系统分别为冲压发动机燃烧室再生冷却系统和引射火箭燃烧室再生冷却系统。
4.如权利要求3的一种适用于组合动力循环发动机的模态预冷循环系统的工作方式，其特征在于，包括如下：
常温煤油储箱(3)中的部分煤油与液氧储箱(4)中的液氧在换热器(2)中热交换，得到的低温煤油储存至低温煤油储箱(1)，热交换后的液氧输送至引射火箭燃烧室(6)；
在引射模态A时，所述常温煤油储箱(3)中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室(5)燃烧，所述常温煤油储箱(3)中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室(6)，与热交换后的液氧掺混燃烧；
在亚燃模态B时，所述低温煤油储箱(1)中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室(5)燃烧；同时，所述低温煤油储箱(1)中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室，与热交换后的液氧掺混燃烧；
在超燃模态C时，所述低温煤油储箱(1)中的煤油经a系统热交换后进入冲压发动机燃烧室(5)燃烧；在纯火箭模态D时，所述低温煤油储箱(1)中的煤油经b系统热交换后进入引射火箭燃烧室(6)，与热交换后的液氧掺混燃烧。
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