CN108298097A - 一种小尺度强化换热结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种小尺度强化换热结构，可作为高超声速飞行器尖端前缘或进气道溢流口部位使用，包括蒙皮、高导热结构、强化换热微结构以及进出口结构，通过高导热结构将局部热斑区域热流进行三维均匀扩散，同时通过强化换热微结构控制冷却介质的流动、换热和裂解过程，在溢流口区域或尖端前缘区域完成充分热交换。本发明提供的强化换热结构，其结构简单，工作可靠，成本低廉，能够完成传统主动冷却技术无法完成的任务，并拓宽传统主动冷却技术的工作边界。
Description
技术领域
本发明属于高超声速进气道溢流口部位及尖端前缘部位主动热防护领域，涉及一种小尺度强化换热结构，尤其涉及一种作为高超声速飞行器尖端前缘或进气道溢流口部位使用的的小尺度强化换热结构。
背景技术
对于高超声速飞行器来说，进入飞行器各个部位内部的热量由于外部气动加热的巨大差异而呈现出巨大的差别，尖端前缘、溢流口以及燃烧室部位承受着巨大的气动加热或化学反应，热流密度可高达40MW/m2，成为热防护需解决的主要问题。对于溢流口来说，考虑到进气道型面及波系配置，要求溢流口处防热实现非烧蚀。同时，溢流口处结构温度梯度大，热应力问题突出，对防热材料的抗氧化性能以及抗应力破坏性能提出了很高的要求。
目前，满足溢流口热防护需求可选择的方式可能有：1、热沉式热防护，即采用耐高温的复合材料或难熔金属等材料直接成型溢流口型面，然而在高超声速来流情况下，该类材料易产生烧蚀、冲刷从而导致溢流口区域型线改变，影响发动机进气特性及性能。2、采用热管冷却等方式，热管内主要材料为钾、钠等金属，高温条件下溶解，并通过热管内毛细现象完成热疏导任务。但该方法金属融化的响应时间较长，无法满足溢流口热环境突发变化的工作需求。3、采用传统主动冷却方式完成溢流口小尺度高热流密度区域的换热任务，传统主动冷却方法为在小尺度管道内通入冷却介质超临界煤油，利用壁面导热及燃油的对流换热达到冷却溢流口的目的。然而传统主动冷却装置主要针对发动机燃烧室热环境设计的，燃烧室区域主动冷却为大面积热防护，热流密度为1MW/m2，而溢流口区域热环境的主要特点是局部区域尺度小，冷壁热流密度分布不规律，最高处可达40MW/m2，壁面导热与对流换热热阻过大，会出现几十兆瓦的热斑，若采用主动冷却方法，需要用极大量的冷却介质，然而大量的冷却介质仍然无法降低溢流口温度到高温合金的安全温度(1200K)以下，因此传统主动冷却设计无法满足溢流口热防护需求。
发明内容
在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
为解决上述问题，本发明提供一种小尺度强化换热结构。
本发明的技术解决方案：
一种小尺度强化换热结构，包括蒙皮、变厚度的高导热结构、强化换热微结构以及进出口结构，其中：
所述蒙皮的外形与需要热防护的部件形状保持一致；
所述变厚度的高导热结构的外形与蒙皮的外形保持一致，前端具有热流扩散区域，所述热流扩散区域的厚度大于变厚度的高导热结构的其他部位厚度；
所述进出口结构的两端分别设有冷却介质的进口和出口，且两端与所述变厚度的高导热结构过盈配合连接，两者之间形成一密闭流道腔体；
所述强化换热微结构置于变厚度的高导热结构与进出口结构形成的流道腔体中，其大小由流道腔体大小决定，且强化换热微结构上均匀分布m排×n列矩阵排列的若干微换热体；
所述变厚度的高导热结构、强化换热微结构以及进出口结构组成的结构被所述蒙皮包裹。
进一步的，所述蒙皮为耐高温蒙皮，其厚度根据飞行过程中热环境及材料物性，换热设计综合得到，优选不超过0.5mm，更优选为0.2mm-0.3mm；
进一步的，所述变厚度的高导热结构中，前端具有热流扩散区域热流扩散区域面对热流密度集中部位，其厚度优选为1-1.5mm；
进一步的，所述变厚度的高导热结构和进出口结构与所述蒙皮通过钎焊连接；且设计中应当为钎焊材料的接触热阻留出余量，并根据材料熔点选择合适焊料；
进一步的，所述变厚度的高导热结构和强化换热微结构的材质优选为铜，更优选为紫铜；
进一步的，所述变厚度的高导热结构与强化换热微结构一体化成型；
进一步的，所述m排×n列矩阵排列的若干微换热体中，各个微换热体之间构成若干流道，工作状态下，冷却介质经过所述流道与各个微换热体接触形成强化流动换热效应；
进一步的，所述任意微换热体的截面积为0.05～0.12mm2，且微换热体排与排，列与列的间隔为0.3～0.4mm，m与n的具体值由流道腔体大小决定；
进一步的，工作状态下，所述冷却介质经过进出口结构的进口进入所述流道腔体，并通过流道腔体中的强化换热微结构来控制冷却介质的流动、换热与裂解，在需要热防护的部件区域完成充分热交换；
进一步的，所述强化换热微结构还起到结构支撑作用；
进一步的，所述冷却介质优选为吸热型碳氢燃料，并控制所述吸热型碳氢燃料流量，达到在小尺度范围内实现裂解、抑制结焦；
进一步的，所述吸热型碳氢燃料为超临界状态，这样才能达到强化换热，壁面结焦的效果，其压力约为5-7MPa，裂解起始温度在550K左右；
进一步的，所述进出口结构的材质为高温合金，优选GH4169；
进一步的，所述进出口结构通入经泵后加压的冷却介质，其中进口处直接与发动机供油系统连接，出口处可根据冷却方案连接进气道处冷却入口，燃烧室冷却入口或者排油出口；
进一步的，所述进出口结构可与主动冷却的进气道一体化设计，也可单独安装在被动热防护的进气道中，且其进出口与供油系统匹配。
进一步的，所述的一种小尺度强化换热结构直接作为高超声速飞行器尖端前缘或进气道溢流口部位使用，其中所述蒙皮形成尖端前缘或进气道溢流口部位型面。
本发明的设计原理在于：
高超声速飞行器尖端前缘和进气道溢流口区域在高速气动加热的情况下热流密度较大，而面积较小，面临着严峻的热考核，本发明提出的一种小尺度强化换热结构可直接作为小尺度的高超声速飞行器尖端前缘和进气道溢流口部位使用，即发动机进入工作状态时，控制一定流量的冷却介质通过进出口结构进入到其和变厚度的高导热结构形成的流道腔体中，面对热流密度集中的区域(局部热斑)，通过变厚度的高导热结构将局部热斑区域热流进行三维均匀扩散，同时通过强化换热微结构上设计矩阵排列的若干微换热体，并保证冷却介质与换热装置恰当的热交换面积来控制冷却介质的流动、换热(即形成强化流动换热效应)和裂解(即利用冷却介质在超临界状态下裂解吸热的化学反应原理)过程，在溢流口区域或尖端前缘区域完成充分热交换，即完成对蒙皮结构表面的高热流密度区域的热交换，带走热量。
本发明相对于现有技术的有益效果：
本发明提供的一种小尺度强化换热结构在溢流口等小尺度高热流密度区域能够充分利用超临界燃油热沉，提高换热效率的强化换热效率，其充分考虑并规避了冷却介质遇热结焦现象，在溢流口等小尺度范围内，通过高导热金属强化换热微结构的匹配设计(即控制微换热体截面面积，当微换热体截面面积小于0.05mm2时，强化换热微结构可能会出现过度换热导致冷却介质结焦，而当微换热体截面面积大于0.12mm2时，强化换热微结构则出现换热不足的情况，无法完成强化换热任务)。本发明的强化换热微结构将冷却介质温度，压力控制在超临界范围，达到优化控制超临界态冷却介质流量(为传统冷却管道流量降低1/10)，通过实现裂解，抑制结焦，达到冷却小尺度高热流密度区域的目的。
本发明的小尺度强化换热结构能够完成传统主动冷却技术无法完成的任务，在溢流口等处保证足够大的换热面积与足够小的导热热阻，以实现恶劣状态下的超临界态再生主动冷却换热，并拓宽传统主动冷却技术的工作边界，其结构简单，工作可靠，成本低廉，无需其他附加冷却条件，与实施再生主动冷却系统的发动机具有良好接口，可装备在高超声速飞行器进气道溢流口及尖端前缘部位，其设计采用强化换热微结构在流道腔体内强化对流换热并提高导热系数，使得冷却介质的流量与传统方式相比大大降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的小尺度强化换热结构的一种实施例结构示意图；
其中A-A为进出口结构的结构示意图；
图2为本发明提供的小尺度强化换热结构的一种实施例的剖视图；
图3为本发明提供的小尺度强化换热结构中强化换热微结构的一种实施例的侧视图；
图4为本发明提供的小尺度强化换热结构中强化换热微结构的一种实施例的俯视图；
图5为采用本发明强化换热结构的换热计算效果图。
图6为采用传统主动冷却装置的换热计算效果图；
具体实施方式
下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或者更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。
实施例1
参见图1和图2，本实施例提供一种小尺度强化换热结构，作为U形进气道溢流口部位使用，包括：U形蒙皮1、U形变厚度的高导热结构2、强化换热微结构3以及进出口结构4，其中，其中，蒙皮1形成进气道溢流口部位型面，用于承受热应力并防止表面氧化；U形变厚度的高导热结构2中，前端具有厚度为1.5mm的用于面对高热流密度的部位的热流扩散区域2-1即图2中所示半径为1.5mm的半圆柱，用于将局部高强度热流密度进行均匀扩散；进出口结构4为三面封闭的空心长方体，其两端分别设有冷却介质的进口4-1和出口4-2，并且两端设计有两个半圆柱4-3与所述U形变厚度的高导热结构2过盈配合连接，两者之间形成一流道腔体；所述强化换热微结构3外形为一长方体，其置于上述流道腔体中，并与U形变厚度的高导热结构2一体化成型，其高度由流道腔体高度决定；并且所述变厚度的高导热结构2、强化换热微结构3以及进出口结构4组成的结构被所述蒙皮1包裹。
进一步的，所述U形变厚度的高导热结构2和进出口结构4与所述蒙皮通过钎焊连接；
进一步的，所述U形变厚度的高导热结构2和强化换热微结构3的材质为紫铜；
参见图3和图4，图3和图4出示了强化换热微结构3上的排列结构，有m排和3列的矩阵排布的微换热体正方体组成，正方体的边长为所述正方体的边长为0.2-0.3mm，每排间隔0.3mm，具体排数m由流道腔体高度决定，上述各个微换热体之间构成若干流道；
进一步的，所述冷却介质为吸热型碳氢燃料，并控制所述吸热型碳氢燃料流量，达到在小尺度范围内实现裂解、抑制结焦；
进一步的，所述吸热型碳氢燃料为超临界状态，这样才能达到强化换热，壁面结焦的效果，其压力约为5-7MPa，裂解起始温度在550K左右；
进一步的，所述进出口结构4的材质为高温合金GH4169，其与发动机主动冷却系统采取并联的模式，并且在设计发动机冷却系统管道时应当考虑本发明需要的冷却介质量及进出口结构4。
发动机进入工作状态时，按照吸热型碳氢燃料超临界状态5MPa，20g/s的流量通过进出口结构4通入冷却介质，通过本实施例提供的强化换热结构完成热防护，相关换热计算效果如图5所示，在冷却用油约为20g/s的情况下，溢流口表面温度降到1000K，为高温合金的安全使用范围。
而采用传统主动冷却装置时，按照吸热型碳氢燃料超临界状态5MPa，200g/s的流量进行热防护，相关换热计算效果如图6所示，由图6可知，传统主动冷却换热方法在高热流密度的小尺度溢流口区域效果不佳，使用较大流量也无法将材料温度降低到安全温度(1200K)附近。
相比传统冷却方法，采用本实施例提供的强化换热结构所使用的冷却介质用量降为原来的1/10，冷却效果却显著提升，溢流口表面温度从1413K降低到1000K。
虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。
Claims (10)
1.一种小尺度强化换热结构，其特征在于，包括蒙皮、变厚度的高导热结构、强化换热微结构以及进出口结构，其中：
所述蒙皮的外形与需要热防护的部件形状保持一致；
所述变厚度的高导热结构的外形与蒙皮的外形保持一致，前端具有热流扩散区域，所述热流扩散区域的厚度大于变厚度的高导热结构的其他部位厚度；
所述进出口结构的两端分别设有冷却介质的进口和出口，且两端与所述变厚度的高导热结构过盈配合连接，两者之间形成一密闭流道腔体；
所述强化换热微结构置于变厚度的高导热结构与进出口结构形成的流道腔体中，其大小由流道腔体大小决定，且强化换热微结构上均匀分布m排×n列矩阵排列的若干微换热体，各个微换热体之间构成若干流道；
所述变厚度的高导热结构、强化换热微结构以及进出口结构组成的结构被所述蒙皮包裹。
2.根据权利要求1所述的一种小尺度强化换热结构，其特征在于，所述m排×n列矩阵排列的若干微换热体中，任意微换热体的截面积为0.05～0.12mm2，且微换热体排与排，列与列的间隔为0.3～0.4mm。
3.根据权利要求1所述的一种小尺度强化换热结构，其特征在于，所述热流扩散区域的厚度为1～1.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种小尺度强化换热结构，其特征在于，所述变厚度的高导热结构与强化换热微结构一体化成型。
5.根据权利要求1所述的一种小尺度强化换热结构，其特征在于，所述变厚度的高导热结构和进出口结构与所述蒙皮通过钎焊连接。
6.根据权利要求1所述的一种小尺度强化换热结构，其特征在于，变厚度的高导热结构和强化换热微结构的材质优选为铜。
7.根据权利要求1-6所述的一种小尺度强化换热结构，其特征在于，所述蒙皮厚度优选不超过0.5mm。
8.根据权利要求1-7所述的一种小尺度强化换热结构，其特征在于，所述进出口结构的材质为高温合金。
9.根据权利要求1-9所述的一种小尺度强化换热结构，其特征在于，所述冷却介质优选为吸热型碳氢燃料。
10.一种高超声速飞行器尖端前缘或进气道溢流口结构，其特征在于：采用权利要求1-9任一项所述的一种小尺度强化换热结构直接作为尖端前缘或溢流口结构，且所述蒙皮形成尖端前缘或进气道溢流口部位型面。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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