CN106949497A - 一种用喷雾碰壁强化换热的再生冷却双流道方案 - Google Patents

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Abstract

本发明采用喷雾/对流复合式换热方式，提供一种用于超燃燃烧室再生冷却的强化换热结构，采用双流道设计，充分利用喷雾冷却方式热流密度大的特点对燃烧室壁面进行强化换热。该方案由外层壁和内层壁的双层换热方案组成，其相隔而成的流道用于喷雾碰壁强化换热；内层壁上布置喷嘴，喷嘴个数和分布密度根据换热强度和换热面积决定；部分受热后的液态燃料和喷雾吸热形成的气态燃料以不同相态向发动机燃烧系统的喷嘴供应，并以气动辅助雾化方式实现液态燃料的雾化。由于采用气、液换热流道隔离设计，可避免吸热后的两相流燃料向燃烧系统输运过程中的气液分布不均匀导致的流量供应波动问题。

Description

一种用喷雾碰壁强化换热的再生冷却双流道方案
技术领域
本发明涉及一种利用喷雾碰壁来强化换热的再生冷却双流道方案，用于液体吸热型碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室壁面的热防护。
背景技术
高超音速飞行器的研制是当今航空航天领域发展的热点，已引起欧美、俄罗斯等国的高度重视。因为高超音速飞行中气流的高速度将给飞行器结构(特别是燃烧室)带来显著的气动力热载荷，未冷却燃烧室的温度能达到3000K，完全超过已知结构材料的承受能力，所以设计高超音速飞行器的关键在于解决飞行器的冷却问题。与传统的喷气发动机通过空气来冷却燃烧室壁面不同，对超燃冲压发动机来说，由于气流滞止后的气体温度非常高，来流空气不能用来冷却发动机。利用燃料自身的热沉来冷却燃烧室的再生冷却技术是一条有效解决途径。
吸热型碳氢燃料因性能优异、来源广泛、价格低廉被选作为超燃冲压发动机的自生冷却剂。它除了利于其本身的物理热沉(显热和潜热)外，还可以利用其在气相条件下发生化学反应吸收热量(化学热沉)，即在进入燃烧室之前裂解为小分子产物，裂解过程吸收热量，因而其冷却能力大大增强。再生冷却方式在液体火箭发动机推力室中应用较为广泛，技术也较为成熟。
文献STATUS OF THE U.S.Air Force HYTECH PROGRAM(AIAA2003-6947)公布了美军超燃冲压发动机计划中的壁面再生冷却热防护方案，其通过一种称为“热交换器”的壁面结构来实现燃料热量向燃料的转移，但是其换热通道的内部具体结构未公布。
文献DESIGN AND IMPLEMENTATION OF ACTIVELY COOLED PANELS FOR SCRAMJETS(IMECE2007-41347)公布了一种槽道式流道结构。文献Numerical and experimentalvalidation of transient modelling for Scramjet active cooling withsupercritical endothermic(AIAA2006-4028)公布了一种销钉式流道结构。
这两种冷却流道结构的再生冷却技术应用于超燃燃烧室将面临新的问题。这是因为超燃燃烧室热防护具有冷却面积大，热载荷分布不均匀，热流密度大，燃料在冷却通道中发生相变和裂解的物理和化学反应。采用传统的槽道或销钉式冷却流道方案，将面临如下问题：首先，基于强制对流换热的传统冷却方式，因为冷却液吸热能力沿程变化，换热过程不均匀，燃烧室壁面热负荷梯度大，一些热流密度大的局部区域常常因为得不到足够的冷却而发生传热恶化；其次，由于热流密度大，为了增大对流换热面积，槽道的流通面积通常很小，高温煤油结焦易堵塞流道。再次，换热过程所形成的不稳定气液两相燃料容易引起燃料喷嘴的流量供应的不稳定，给燃料供应系统的设计带来困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服传统技术的不足，采用喷雾/对流复合式换热方式，提供一种用于超燃燃烧室再生冷却的强化换热结构，采用双流道设计，充分利用喷雾冷却方式热流密度大的特点对燃烧室壁面进行强化换热。气、液换热流道隔离设计，避免吸热后的两相流燃料向燃烧系统输运过程中的气液分布不均匀导致的流量供应波动问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：用于超燃燃烧室壁面再生冷却的喷雾强化换热双流道结构方案，其特征在于：由外层壁和内层壁的双层换热结构组成，其相隔而成的流道用于喷雾碰壁强化换热；内层壁上布置喷嘴，喷嘴个数和分布密度根据换热强度和换热面积决定；喷嘴在内层壁上安装时头部伸出内层壁部分，用于增强喷雾容腔内的高温相变气态燃料向液态流道的换热；部分受热后的液态燃料和喷雾吸热形成的气态燃料以不同相态向发动机燃烧系统的喷嘴供应，并以气动辅助雾化方式实现液态燃料的雾化。
所述的用于超燃燃烧室壁面再生冷却的喷雾强化换热双流道方案，既可用于燃烧室全壁面也可用于需要特别关注的高热流密度的局部区域。
本发明的原理是：冷态燃料经加压后以液态形式进入液态对流换热流道，此时一部分燃料以对流换热的形式吸收该通道壁面上的热；另一部分燃料进入喷嘴进行雾化，雾化液滴进入雾化碰壁换热流道以一定的动量撞击燃烧室壁面并形成贴壁液膜，贴壁液膜迅速沸腾蒸发，从壁面吸收大量的热，同时吸热型碳氢燃料在高温下脱氢裂解形成气态小分子。喷雾碰壁冷却方式能充分利用雾化液滴的相变潜热和化学热沉，具有很高的对流换热系数，因此具有很高的热流密度。与此同时，吸热后的气态燃料以对流换热方式通过内层壁面向液态燃料流传热。完成换热过程后，喷雾雾化通道的气态燃料和对流换热流道的受热液态燃料向发动机燃烧系统的喷嘴供应，由于采取气液态分流道输运方式，因此可以避免在同一流道中出现气液两相流所导致的对喷嘴雾化燃烧过程的流量波动的影响。喷雾喷壁喷嘴的位置和分布密度可以根据发动机燃烧时的燃烧室壁面温度的热负荷情况进行调整设计，可消除燃烧室壁面温度分布布均匀所导致的热应力问题。
本发明与现有技术相比所具有的优点如下：
本发明采用喷雾碰壁强化换热方式，换热效率高，适用于高热流密度的超燃燃烧室环境中；
本发明采用双流道燃料吸热的双层壁结构，外层壁主要用于承受热载荷，内层壁主要承受机械载荷，便于有针对性地选择相应的燃烧室壁面材料；
本发明的喷雾冷却通道没有微小的工质流道结构，对燃料吸热结焦产生的通道阻塞问题不敏感，同时喷雾碰撞对壁面的冲击作用能有效减轻壁面结焦的生成，防止传热恶化的形成；
本发明的强化换热喷嘴在设计时可根据壁面热流情况进行灵活布置，通过合理的布置能有效防止高温壁面的温度梯度导致的热应力问题。
本发明的双流道换热结构使冷却液燃料以不同的相态充斥在不同的流道中，实现燃料的分流道供应，避免了在单一流道中形成的两相混合流动，可解决燃料向发动机燃烧喷嘴输运中的不稳定和燃料波动问题，便于流量的精确控制；同时，两种相态的燃料能以气动辅助雾化方式增强喷嘴的总体雾化效果，提高燃烧效率；
本发明的喷雾喷壁喷嘴在内层壁上安装时，其头部伸出的部分形成绕流柱结构，增大了换热面积，从而进一步增强了喷雾喷壁换热流道向液态对流换热流道的传热能力。
附图说明
图1为超燃冲压发动机吸热型碳氢燃料再生冷却过程原理图；
图2为双层壁喷雾/对流复合式冷却结构原理图；
图3为喷嘴布置面板分布示意图。
其中：1是与燃烧室高温气流接触的外层壁，2是用于布置喷嘴的内层壁，3是内层壁和外层壁所隔成的喷雾换热流道，4是用做冷却的吸热型碳氢燃料输运通道(液态对流换热流道)，5是喷雾碰壁喷嘴，6是雾化液滴，7是高温燃烧气流，8是从储箱挤压式供应而来的冷却燃料流，9是喷雾碰壁形成的贴壁液膜，10是吸热沸腾和高温裂解的碳氢燃料及其小分子裂解产物的气态混合物，11是安装时伸出的喷嘴头部，12是液态燃料流通道中用于喷雾的冷却流部分，13是从内层壁面2上通过强制对流换热而吸收热量的液态冷却流，14是燃料储箱，15是燃料供应管路，16是气态混合燃料供应管路，17是加热后的液态燃料供应管路，18是气体辅助雾化燃烧喷嘴，19是超音速空气来流，20是喷雾/对流复合式冷却结构的燃烧室壁面结构。
具体实施方式
如图1所示超燃冲压发动机吸热型碳氢燃料自生冷却过程的原理图。储存在储箱14中的燃料经挤压后，经过燃料供应管路对燃烧室壁面内的双层换热通道进行吸热后，分别以气态、液态形式进入发动机燃烧系统的喷嘴18，并实现雾化，与超音速空气来流进行掺混和燃烧。喷雾/对流复合式冷却结构的燃烧室整体结构可根据发动机燃烧室的整体构型选择圆形壁面或平壁面。图中只画出了燃烧室的局部结构。
如图2所示，喷雾/对流复合式冷却结构的燃烧室壁面结构由外层壁1和内层壁2组成，其间隔成了用于喷雾冷却增强换热的喷雾冷却通道3，喷雾喷嘴5通过螺纹连接或一体化焊接方式布置在内层壁2上，布置的数量和距离根据换热强度和换热面积决定，要求所形成的喷雾碰壁覆盖面能包含所要求强化换热的区域。喷雾碰壁喷嘴5在内壁面安装时应将喷嘴的头部11伸出部分，其伸出部分长度根据对流换热强度而定。该部分结构能在内壁面上形成绕流柱结构，如图3所示，通过增大对流换热面积而增强了高温燃料气向内壁面2的传热。内层壁1直接暴露在高温气流中，承受较大的热载荷，因此内层壁1的材料要求具有较高的热防护性能，可选用C/C或C/Si等轻质高温复合材料。内层壁2一方面作为传热件，一方面作为承力构件，要求具备良好的力学和热力学性能。内层壁和外层壁之间的连接可采用内部肋条焊接或铆接的方式安装。该双流道喷雾/对流复合式双流道再生冷却方案按如下工作过程对燃烧室壁面进行热防护。从储箱挤压式供应而来的冷却燃料流8进入液态对流换热流道4后，一部分液态燃料通过内壁2通过对流换热方式吸收热量，另一部分液态燃料进入喷雾喷壁喷嘴12，在压力差作用下产生的雾化液滴6以一定的动量撞击外壁面1，并形成贴壁液膜9。贴壁液膜在壁面高温作用下产生液膜沸腾，并迅速汽化，同时燃料在高温作用下裂解成气态小分子碳氢化合物。此时，喷雾换热流道3中靠近内壁面2的区域内充斥着大量气态的碳氢燃料及其小分子裂解产物10，并完成向内壁面2的传热过程。换热过程完成后，高温气态燃料和液态受热燃料分别经气态燃料供应管路16和液态燃料供应管路17进入发动机燃烧系统的喷嘴18，以气体辅助雾化的作用形式完成燃料向燃烧室的喷射过程，与高速来流19掺混进行燃烧。自生冷却燃料由于提高了其初始温度，燃烧效率和点火延迟时间大大降低，从而进一部提高了燃烧室性能。

Claims (3)

1.一种用喷雾碰壁强化换热的再生冷却双流道方案，其特征在于：喷雾/对流复合式冷却方案的燃烧室壁面结构由外层壁1和内层壁2组成，喷雾喷嘴5通过螺纹连接或一体化焊接方式布置在内层壁2上，喷雾碰壁喷嘴5在内壁面安装时应将喷嘴的头部11伸出部分。
2.根据权利要求1所述的一种用喷雾碰壁强化换热的再生冷却双流道方案，其特征在于：从储箱挤压式供应而来的冷却燃料流8进入液态对流换热流道4后，一部分液态燃料通过内壁2通过对流换热方式吸收热量，另一部分液态燃料进入喷雾喷壁喷嘴12，在压力差作用下产生的雾化液滴6以一定的动量撞击外壁面1，并形成贴壁液膜9。
3.根据权利要求1所述的一种用喷雾碰壁强化换热的再生冷却双流道方案，其特征在于：贴壁液膜在壁面高温作用下产生液膜沸腾，并迅速汽化，同时燃料在高温作用下裂解成气态小分子碳氢化合物。此时，喷雾换热流道3中靠近内壁面2的区域内充斥着大量气态的碳氢燃料及其小分子裂解产物10，并完成向内壁面2的传热过程。换热过程完成后，高温气态燃料和液态受热燃料分别经气态燃料供应管路16和液态燃料供应管路17进入发动机燃烧系统的喷嘴18，以气体辅助雾化的作用形式完成燃料向燃烧室的喷射过程，与高速来流19掺混进行燃烧。
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