CN108759261A - 一种并联预冷器及其除冰方法 - Google Patents

Abstract

一种并联预冷器及其除冰方法，包括由内之外布置的两个换热器，即包括1个中心换热器和1个环形换热器，各换热器之间是并联设置的，即各自具有独立的冷却剂流通管道，并且分别独立控制冷却剂流通管道内的冷却剂输入流量。通过调节各换热器其氦气流量，使相邻换热器分别处于深度预冷和适度预冷的状态，且通过结霜厚度判别标准不断在深度预冷和适度预冷状态下交替切换。根据实际冷却需求，可以安装多个沿空气流动方向顺排并联的换热器。本发明结构简单，无需使用喷注的方式进行空气预除水，避免了携带喷注系统、防冰除冰工质存储装置以及工质，降低发动机总质量，减小系统复杂度。

Description

一种并联预冷器及其除冰方法

技术领域

本发明属于预冷器技术领域，是一种应用于预冷高速涡轮发动机或组合发动机吸气模式的并联空气预冷器及其除冰方法。

背景技术

现有深度预冷型组合发动机主要包括俄罗斯的LACE、ACE和 KLIN方案；英国的ATRDC和SABRE方案；美国的MIPCC以及日本的 ATREX。其中预冷器防冰/除冰方案主要分以下四类：

(1)喷注液氧防冰方法

KLIN发动机是液体火箭发动机和深度冷却涡喷发动机Deeply Cooled Turbojet(DCTJ)组合循环方案。在DCTJ的预冷系统中采用了预先除水装置，在预冷器前方进行液氧喷注，直接将过冷液氧喷射入主流空气，降低空气温度至243K，是当地冰点以下。再将冻结的水排出，实现预冷器前除水防冰。

(2)可凝性气体喷注防冰方法

日本自1986年起开始研制膨胀循环空气涡轮冲压发动机 (Air-turboramjetengine with expander cycle,ATREX)，共提出了三种构型的预冷器。同样，预冷器结霜问题严重。ATREX采取的方法是在预冷器上游的来流空气中混入可凝性气体，例如气态乙醇或气态甲醇。蒸气随空气一齐进入预冷器被冷却降温。预冷器表面逐渐出现结霜。蒸气遇冷形成的凝结液会将预冷器表面霜层的空隙填满。这样，预冷器表面的霜层密度和热导率等物性会有所提高，霜层厚度下降，从而降低预冷器工作过程的热阻和流阻。该抑冰方法已通过ATREX 点火试验验证，并发现气态甲醇的抑冰效果更明显。

(3)高速射流除冰方法

在ATREX后续研究过程中，还提出了利用高速射流除冰的方案。通过向已经结霜的预冷器外表面喷注高速气流，例如氮气或空气，将霜层吹除。该方法对预冷器的换热效率和流动损失影响不大，但仅适用于相对来说低温低速的空气来流。

(4)易挥发性溶液喷注防冰

该类防冰方法以在英国反应引擎公司(Reaction Engines Ltd.,REL) 研制的SABRE(Synergistic Air-Breathing Rocket Engine)预冷系统防冰方案中的应用为代表。在SABRE预冷器前，设置若干注入点，逆着高温气流方向喷注甲醇溶液。通过甲醇溶液蒸发的相变换热，达到给空气降温的目的。空气被冷却到一定的温度，同时甲醇本身也发生冻结。之后将冻结物排出，防止混入下游空气。

现有的预冷防冰除冰方案，均存在一个共性的问题，就是不可避免的增加发动机“死重”，包括携带喷注系统、防冰工质存储装置以及工质等，降低发动机总体性能。例如，采用喷注液氧防冰方法，冷却1kg空气，需要0.1kg-0.3kg液氧。因此，需要携带大量液氧，还包括储罐、喷注系统等。因此发动机系统也会更复杂。

此外，不同的防冰除冰方法还存在各自的缺点。其中，可凝性气体喷注防冰方法只能在换热器表面已经结霜后，通过增加霜层密度来减小压力损失和热阻，并不能完全抑霜和有效除霜；高速射流除冰方法仅适用于较低空气流速和较低冷却剂温度的情况，对于高速空气来流的冷却，其除冰效果大大下降。此外，研究发现采用高速射流并不能完全吹除霜层。每次射流后仍有很薄的霜层停留在换热器表面，多次射流后，霜层厚度逐渐累积增大。霜冻问题没有得到实质性解决。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种并联预冷器及其除冰方法。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

一种并联预冷器，包括由内之外布置且固装在一起(可以采用可拆卸的固定安装方式，也可以采用不可拆的固定安装连接方式，如螺接、卡接、铆接、焊接等)的两个换热器，位于最内部的换热器为中心换热器也即第一换热器，外套在中心换热器外的环形换热器为第二换热器。

两个换热器之间是并联设置的，各换热器各自具有独立的冷却剂流通管道且分别独立控制冷却剂流通管道内的冷却剂输入流量。

本发明中：所述并联预冷器用于冷却空气，各换热器的前侧面为空气进口，各换热器的后侧面为空气出口，空气来流从各换热器的前侧面进入换热器，经换热器换热冷却后从各换热器的后侧面输出。

本发明中：各换热器上均设置有冷却剂入口以及冷却剂出口，冷却剂输送管道内的冷却剂经各冷却剂入口进入各换热器内部的冷却剂流通管道内后从冷却剂出口流出，在各换热器的冷却剂入口处的冷却剂输送管道上均分别安装有冷却剂流量调节阀，通过各换热器的冷却剂流量调节阀对进入各换热器中冷却剂流通管道的冷却剂的流量进行分别的独立控制。

本发明中：所述中心换热器和环形换热器均为微通道紧凑式换热器，所述中心换热器包括环形外壁以及设置在环形外壁内的冷却剂流通管道；环形换热器包括外环壁、内环壁以及设置在外环壁和内环臂之间的冷却剂流通管道。

各换热器(中心换热器和环形换热器)内的冷却剂流通管道沿空气来流方向按层等间距(即层与层之间等间距)均匀排布，同层的冷却剂流通管道之间平行等间距紧密排布。各层冷却剂流通管道为叉排排列。

本发明中：所述中心换热器的截面形状呈圆形、正方形、长方形、椭圆形、三角形等各种规则或不规则的形状，相应的环形换热器的截面形状呈圆环形、正方环形、长方环形、椭圆环形、三角环形等各种规则或不规则的环形。本发明应用于预冷高速涡轮发动机或者组合发动机中，则换热器的截面形状根据发动机截面形状而定。

一种并联预冷器组，由多个上述并联预冷器组成。组成并联预冷器组的多个并联预冷器是相同的，设其分别为1#并联预冷器、2#并联预冷器、3#并联预冷器……直至最后一个并联预冷器。组成并联预冷器组的多个并联预冷器沿空气流动方向依次排列设置在一起，且组成并联预冷器组的多个并联预冷器的中心轴线完全重合，来流空气依次经过1#并联预冷器、2#并联预冷器、3#并联预冷器……直至最后一个并联预冷器。

上述任一种并联预冷器的除冰方法，其通过调节并联预冷器中各换热器其冷却剂流通管道内的冷却剂输入流量，使内外相邻的换热器分别对流经其的空气进行深度预冷和适度预冷；其中深度预冷是指经该换热器换热后的空气将冷却至0摄氏度以下，适度预冷是指经该换热器换热后的空气温度在0摄氏度以上。

设定时间阈值或者设定霜厚堵塞率阈值，其中霜厚堵塞率是指换热器其来流空气流经的最后一层的冷却剂流通管道之间的霜厚堵塞率，霜厚堵塞率即霜层厚度/最后一层的冷却剂流通管道之间的管间距×100％。

当处于深度预冷状态的换热器达到设定的时间阈值或者设定霜厚堵塞率阈值时，通过调节其冷却剂流通管道内的冷却剂输入流量，将其切换为适度预冷状态即对流经其的空气进行适度预冷，同时通过调节与其相邻的处于适度预冷状态的换热器的冷却剂流通管道内的冷却剂输入流量，将与其相邻的处于适度预冷状态的换热器切换为深度预冷状态即对流经其的空气进行深度预冷。

同样的，再次设定时间阈值或者设定霜厚堵塞率阈值，当当前处于深度预冷状态的换热器达到该设定的时间阈值或者设定霜厚堵塞率阈值时，再次调整相邻换热器的冷却剂流通管道内的冷却剂输入流量，将处于深度预冷状态的换热器切换为适度预冷状态，将处于适度预冷状态的换热器切换为深度预冷状态。

按此规律，交替切换即可。

本发明中：所述换热器一般为2个，即包括1个中心换热器HX1 和1个外套在中心换热器外的环形换热器HX2，该并联预冷器具有两个工作模态，通过两个工作模态交替切换运行实现除冰。

模态1：并联预冷器启动前，调节中心换热器HX1和环形换热器HX2各自的冷却剂流量调节阀，预先设置好中心换热器HX1和环形换热器HX2中的氦气流量，其中，中心换热器HX1中的氦气流量大于环形换热器HX2中的氦气流量，同时确保经中心换热器HX1换热后的空气将冷却至0摄氏度以下即进行深度预冷，经环形换热器 HX2换热后的空气温度在0摄氏度以上即进行适度预冷。

并联预冷器启动后，冷却剂分别以不同的流量进入中心换热器 HX1和环形换热器HX2；在此过程中，随着空气温度的逐渐下降，中心换热器HX1的冷却剂流通管道表面逐渐结霜，其中靠近中心换热器HX1后侧面的冷却剂流通管道先出现结霜，越靠近中心换热器 HX1前侧面的冷却剂流通管道结霜越晚且霜层越薄；而环形换热器 HX2对空气进行适度预冷，其冷却剂流通管道表面均不会出现结霜。

确定一个结霜厚度判别标准，即中心换热器HX1其来流空气流经的最后一层的冷却剂流通管道之间霜厚堵塞率达到50％时，并联预冷器切换至模态2。

模态2：在模态1向模态2切换的过程中，同时调整中心换热器 HX1和环形换热器HX2的流量调节阀，降低中心换热器HX1中的氦气流量，同时增大环形换热器HX2中的氦气流量，使得流经中心换热器HX1的空气经中心换热器HX1换热后的空气温度在0摄氏度以上即进行适度预冷，同时使得流经环形换热器HX2的空气经环形换热器HX2换热后的空气温度将冷却至0摄氏度以下即进行深度预冷；这样，中心换热器HX1其冷却剂流通管道表面的霜层也会逐渐融化，此过程为中心换热器HX1除冰过程；增大环形换热器HX2中的氦气流量，实现流经环形换热器HX2的空气深度预冷；在模态2，中心换热器HX1的冷却剂流通管道逐渐除霜，同时对空气进行适度预冷；环形换热器HX2对空气进行深度预冷，环形换热器HX2的冷却剂流通管道表面逐渐结霜，其中靠近环形换热器HX2后侧面的冷却剂流通管道先出现结霜，越靠近环形换热器HX2前侧面的冷却剂流通管道结霜越晚且霜层越薄。

同样，确定一个结霜厚度判别标准，即环形换热器HX2其来流空气流经的最后一层的冷却剂流通管道达到50％时，并联预冷器切换至模态1，再次调整中心换热器HX1和环形换热器HX2中的氦气流量，转换至由中心换热器HX1进行空气深度预冷、环形换热器HX2 进行空气适度冷却的同时进行表面除冰

按此规律，两个工作模态交替切换运行即可。

在具体实施应用中，也可以设计多个换热器，即包括1个中心换热器和1个以上的环形换热器。所有的换热器之间均是并联设置的，即各自具有独立的冷却剂流通管道，并且分别独立控制冷却剂流通管道内的冷却剂输入流量。通过调节各换热器其氦气流量，使相邻换热器分别处于深度预冷和适度预冷的状态，且通过结霜厚度判别标准 (该标准不限于通过霜厚堵塞率判断，也可以通过设定时间判断等) 不断在深度预冷和适度预冷状态下交替切换即可。

一种高速涡轮发动机，包括预燃室、燃烧室、主驱动涡轮机、空气压缩机和并联预冷器，从并联预冷器中各换热器的冷却剂出口输出的冷却剂即氦气以及从预燃室产生的高温燃气均流入H_e与燃气换热器中；在H_e与燃气换热器中，高温燃气提高氦气的出口温度后进入燃烧室，氦气膨胀输出至主驱动涡轮机用来驱动空气压缩机之后输出至He与液氢换热器，液氢经泵输送至He与液氢换热器对输入到 He与液氢换热器内的氦气进行冷却，液氢经He与液氢换热器加热后得到的氢气输出至液氢涡轮泵并带动氦气涡轮后进入预燃室；经He与液氢换热器冷却后输出的低温氦气作为并联预冷器的冷却剂，经氦气涡轮流至并联预冷器中各换热器中，用来降低来流空气温度。经并联预冷器冷却后的来流空气输出至空气压缩机，经空气压缩机提高压比后小部分的压缩空气进入预燃室与氢气预燃产生的高温燃气，大部分压缩空气进入燃烧室参与燃烧，燃烧产生的高温气体从喷管喷出产生推力。

在上述高速涡轮发动机中，并联预冷器中包括2个换热器，即包括1个中心换热器HX1和1个外套在中心换热器HX1外的环形换热器HX2。飞行器从地面水平起飞开始，高速涡轮发动机开始工作，其并联预冷器将分两个模态交替运行。并联预冷器工作过程中进行模态1和模态2的交替切换，直至高速涡轮发动机完成工作或组合发动机完成吸气预冷工作模式，进入火箭或冲压发动机工作模式。

与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：

(1)与现有预冷器防冰除冰方案相比，本发明设计并联式预冷器交替工作模式具有突出优势。无需使用喷注的方式进行空气预除水，避免了携带喷注系统、防病除冰工质存储装置以及工质，降低发动机总质量，减小系统复杂度。

(2)本发明提出的并联式预冷器结构简单，实质上就是一个圆截面(或其他形状截面)管式换热器，没有额外的前置喷注系统和后置冻结物排出系统。在换热器工作的同时，利用部分热空气本身，通过适度预冷和深度预冷区域切换，对低温表面进行局部除冰，结构简单。

(3)本发明基于微通道紧凑式换热器，根据换热需求可进行空气流动方向的管排数拓展，中心换热器和外环换热器可分别加工组装，便于预冷器模块化集成。

附图说明

图1是并联预冷器(圆截面)的结构示意图。

图2是并联预冷器(圆截面)其不同微通道方向的结构示意图，其中图2(a)中两换热器中的冷却剂流通管道的排布方向是垂直的；图2(b)两换热器中的冷却剂流通管道的排布方向是平行的。

图3是并联预冷器(方截面)其不同微通道方向的结构示意图，其中图3(a)中两换热器中的冷却剂流通管道的排布方向是垂直的；图3(b)两换热器中的冷却剂流通管道的排布方向是平行的。

图4是并联预热器的前视图及剖面位置示意图。

图5是图4的剖视图。

图6是并联预冷器组的结构示意图；

图1至图6中：

HX1、中心换热器；HX2、环形换热器；3、中心换热器冷却剂入口；4、中心换热器冷却剂出口；5、中心换热器冷却剂流通管道； 6、中心换热器冷却剂流量调节阀；7、环形外壁；8、环形换热器冷却剂入口；9、环形换热器冷却剂出口；10、环形换热器冷却剂流通管道；11、环形换热器冷却剂流量调节阀；12、外环壁；13、内环壁。

图7预冷涡轮发动机或组合发动机工作在吸气预冷模式时循环示意图。

图7中：

14、预燃室；15、燃烧室；16、主驱动涡轮机；17、空气压缩机； 18、H_e与燃气换热器；19、He与液氢换热器；20、泵；21、液氢涡轮泵；22、氦气涡轮。

具体实施方式

图1是一种横截面为圆形的并联预冷器，包括位于内部的1个中心换热器HX1和1个外套在中心换热器HX1外的环形换热器HX2。两个换热器固装在一起，可以采用可拆卸的安装方式，也可以采用不可拆的安装连接方式，如螺接、卡接、铆接、焊接等。

两换热器之间是并联设置的，各换热器上均设置有冷却剂入口以及冷却剂出口，冷却剂输送管道内的冷却剂经各冷却剂入口进入各换热器内部的冷却剂流通管道内后从冷却剂出口流出，在各换热器的冷却剂入口处的冷却剂输送管道上均分别安装有冷却剂流量调节阀，通过各换热器的冷却剂流量调节阀对进入各换热器的冷却剂的流量进行分别的独立控制。参照图1，中心换热器HX1上设置有中心换热器冷却剂入口3和中心换热器冷却剂出口4，中心换热器冷却剂入口 3和中心换热器冷却剂出口4之间通过中心换热器HX1内的中心换热器冷却剂流通管道5联通。参照图2，中心换热器HX1的冷却剂入口处的冷却剂输送管道上安装有中心换热器冷却剂流量调节阀7。同样的，环形换热器HX2上设置有环形换热器冷却剂入口8和环形换热器冷却剂出口9，环形换热器冷却剂入口8和环形换热器冷却剂出口9之间通过环形换热器HX2内的环形换热器冷却剂流通管道10 联通。参照图2，环形换热器HX2的冷却剂入口处的冷却剂输送管道上安装有环形换热器冷却剂流量调节阀11。本实施例中，冷却剂采用低温氦气，因此冷却剂流量调节阀7以及环形换热器冷却剂流量调节阀11均是一种气体流量调节阀。

所述中心换热器HX1和环形换热器HX2均为微通道紧凑式换热器。所述中心换热器HX1包括环形外壁7以及设置在环形外壁7内的中心换热器冷却剂流通管道5。环形换热器HX2包括外环壁12、内环壁13以及设置在外环壁12和内环臂13之间的环形换热器冷却剂流通管道10。

参照图1、图2、图3、图4和图5，各换热器(中心换热器HX1 和环形换热器HX2)内的冷却剂流通管道沿空气来流方向按层等间距(即层与层之间等间距)均匀排布，同层的冷却剂流通管道之间平行等间距紧密排布。相邻换热器的冷却剂流通管道的排布方向没有限制，参照图2和图3。参照图5，所述并联预冷器用于冷却空气，各换热器的前侧面为空气进口，各换热器的后侧面为空气出口，空气来流从各换热器的前侧面进入换热器，经换热器换热冷却后从各换热器的后侧面输出。

所述中心换热器HX1的截面形状呈圆形、正方形、长方形、椭圆形、三角形等各种规则或不规则的形状，相应的环形换热器HX2 的截面形状呈圆环形、正方环形、长方环形、椭圆环形、三角环形等各种规则或不规则的环形。本发明应用于预冷高速涡轮发动机或者组合发动机中，则换热器的截面形状根据发动机截面形状而定。参照图 2和图3，分别展示了横截面为圆形和方形的并联预冷器的结构示意图。

本实施例中：并联预冷器具有两个工作模态，并联预冷器工作时，两个模态交替运行：

模态1：并联预冷器启动前，调节中心换热器HX1和环形换热器HX2各自的冷却剂流量调节阀，预先设置好中心换热器HX1和环形换热器HX2中的氦气流量，其中，中心换热器HX1中的氦气流量大于环形换热器HX2中的氦气流量，同时确保经中心换热器HX1换热后的空气将冷却至0摄氏度以下即进行深度预冷，经环形换热器 HX2换热后的空气温度在0摄氏度以上即进行适度预冷。

并联预冷器启动后，冷却剂分别以不同的流量进入中心换热器 HX1和环形换热器HX2。在此过程中，随着空气温度的逐渐下降，中心换热器HX1的冷却剂流通管道表面逐渐结霜，其中靠近中心换热器HX1后侧面(即空气来流的出口)的冷却剂流通管道先出现结霜，越靠近中心换热器HX1前侧面(即空气来流的进口)，结霜越晚，霜层越薄。而环形换热器HX2对空气进行适度预冷，其冷却剂流通管道表面均不会出现结霜。

图4是并联预热器的前视图及剖面位置示意图，图5是图4的剖视图。空气来流是垂直或呈一定角度(非平行)从换热器的前侧面进入经冷却剂流通管道之间的间隙进行换热后从换热器的后侧面输出。其中靠近换热器前侧面(即空气来流的进口)的冷却剂流通管道层为上游管排，靠近换热器后侧面(即空气来流的进口)的冷却剂流通管道层为下游管排。

确定一个结霜厚度判别标准，即中心换热器HX1其来流空气流经的最后一层的冷却剂流通管道(即最靠近中心换热器HX1后侧面的一层冷却剂流通管道)之间霜厚堵塞率(霜厚堵塞率即霜层厚度/ 最后一层的冷却剂流通管道之间的管间距×100％)达到50％时，并联预冷器切换至模态2。

模态2：在模态1向模态2切换的过程中，同时调整中心换热器 HX1和环形换热器HX2的流量调节阀，降低中心换热器HX1中的氦气流量，同时增大环形换热器HX2中的氦气流量，使得流经中心换热器HX1的空气经中心换热器HX1换热后的空气温度在0摄氏度以上即进行适度预冷，同时使得流经环形换热器HX2的空气经环形换热器HX2换热后的空气温度将冷却至0摄氏度以下即进行深度预冷。这样，中心换热器HX1其冷却剂流通管道表面的霜层也会逐渐融化，此过程为中心换热器HX1除冰过程。增大环形换热器HX2中的氦气流量，尽可能提高环形换热器HX2的换热效率，实现流经环形换热器HX2的空气深度预冷。因此，在模态2，中心换热器HX1的表面从上游到下游逐渐除霜，同时对空气进行有效适度预冷。环形换热器 HX2对空气进行深度预冷，其表面将从下游到上游逐渐出现结霜。

同样，确定一个结霜厚度判别标准，即环形换热器HX2其来流空气流经的最后一层的冷却剂流通管道(即最靠近环形换热器HX2 后侧面的一层冷却剂流通管道)之间霜厚堵塞率(霜层厚度/管间距×100％)达到50％时，并联预冷器切换至模态1。再次调整中心换热器HX1和环形换热器HX2中的氦气流量，转换至由中心换热器 HX1进行空气深度预冷、环形换热器HX2进行空气适度冷却的同时进行表面除冰。

在具体实施应用中，也可以并联多个并联预冷器，即多个并联预冷器，多个并联预冷器在空气流动方向上并联。且各并联预冷器中的中心换热器和环形换热器是并联设置，各个并联预冷器之间均也是并联设置的，即各自具有独立的冷却剂流通管道，并且分别独立控制冷却剂流通管道内的冷却剂输入流量。通过调节各换热器其氦气流量，使相邻换热器分别处于深度预冷和适度预冷的状态，且通过结霜厚度判别标准(该标准不限于通过霜厚堵塞率判断，也可以通过设定时间判断等)不断在深度预冷和适度预冷状态下交替切换即可。参照图6，图6是并联预冷器组的结构示意图；一种并联预冷器组，由多个上述并联预冷器组成。组成并联预冷器组的多个并联预冷器是相同的，设其分别为1#并联预冷器、2#并联预冷器、3#并联预冷器……直至最后一个并联预冷器。组成并联预冷器组的多个并联预冷器沿空气流动方向依次排列设置在一起，且组成并联预冷器组的多个并联预冷器的中心轴线完全重合，来流空气依次经过1#并联预冷器、2#并联预冷器、3#并联预冷器……直至最后一个并联预冷器。

参照图7，一种高速涡轮发动机，包括预燃室14、燃烧室15、主驱动涡轮机16、空气压缩机17和并联预冷器，从并联预冷器中各换热器的冷却剂出口输出的冷却剂即氦气以及从预燃室产生的高温燃气均流入H_e与燃气换热器18中；在H_e与燃气换热器18中，高温燃气提高氦气的出口温度后进入燃烧室15，氦气膨胀输出至主驱动涡轮机16用来驱动空气压缩机17之后输出至He与液氢换热器19，液氢经泵20输送至He与液氢换热器19对输入到He与液氢换热器 19内的氦气进行冷却，液氢经He与液氢换热器19加热后得到的氢气输出至液氢涡轮泵21并带动氦气涡轮22后进入预燃室15；经He 与液氢换热器19冷却后输出的低温氦气作为并联预冷器的冷却剂，经氦气涡轮22流至并联预冷器中各换热器中，用来降低来流空气温度。经并联预冷器冷却后的来流空气输出至空气压缩机17，经空气压缩机17提高压比后小部分的压缩空气进入预燃室14与氢气预燃产生的高温燃气，大部分压缩空气进入燃烧室15参与燃烧，燃烧产生的高温气体从喷管喷出产生推力。

在上述高速涡轮发动机中，并联预冷器中包括2个换热器，即包括1个中心换热器HX1和1个外套在中心换热器HX1外的环形换热器HX2。并联预冷器具有两个工作模态，并联预冷器工作时，两个模态交替运行。飞行器从地面水平起飞开始，高速涡轮发动机开始工作，其并联预冷器将分两个模态交替运行。并联预冷器工作过程中进行模态1和模态2的交替切换，直至高速涡轮发动机完成工作或组合发动机完成吸气预冷工作模式，进入火箭或冲压发动机工作模式。

以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种并联预冷器，其特征在于：包括由内之外布置且固装在一起的两个换热器，位于最内部的换热器为中心换热器也即第一换热器，外套在中心换热器外的环形换热器为第二换热器；

两个换热器之间是并联设置的，各换热器各自具有独立的冷却剂流通管道且分别独立控制冷却剂流通管道内的冷却剂输入流量。

2.根据权利要求1所述的并联预冷器，其特征在于：所述并联预冷器用于冷却空气，各换热器的前侧面为空气进口，各换热器的后侧面为空气出口，空气来流从各换热器的前侧面进入换热器，经换热器换热冷却后从各换热器的后侧面输出。

3.根据权利要求1所述的并联预冷器，其特征在于：各换热器上均设置有冷却剂入口以及冷却剂出口，冷却剂输送管道内的冷却剂经各冷却剂入口进入各换热器内部的冷却剂流通管道内后从冷却剂出口流出，在各换热器的冷却剂入口处的冷却剂输送管道上均分别安装有冷却剂流量调节阀，通过各换热器的冷却剂流量调节阀对进入各换热器中冷却剂流通管道的冷却剂的流量进行分别的独立控制。

4.根据权利要求1所述的并联预冷器，其特征在于：所述中心换热器和环形换热器均为微通道紧凑式换热器，所述中心换热器包括环形外壁以及设置在环形外壁内的冷却剂流通管道；环形换热器包括外环壁、内环壁以及设置在外环壁和内环臂之间的冷却剂流通管道；

各换热器内的冷却剂流通管道沿空气来流方向按层等间距均匀排布，同层的冷却剂流通管道之间平行等间距紧密排布。

5.根据权利要求1所述的并联预冷器，其特征在于：所述中心换热器的截面形状呈圆形、正方形、长方形、椭圆形或三角形；相应的，环形换热器的截面形状呈圆环形、正方环形、长方环形、椭圆环形或三角环形。

6.一种并联预冷器组，其特征在于：由多个上述并联预冷器组成，组成并联预冷器组的多个并联预冷器是相同的，设其分别为1#并联预冷器、2#并联预冷器、3#并联预冷器……直至最后一个并联预冷器；

组成并联预冷器组的多个并联预冷器沿空气流动方向依次排列设置在一起，且组成并联预冷器组的多个并联预冷器的中心轴线完全重合，来流空气依次经过1#并联预冷器、2#并联预冷器、3#并联预冷器……直至最后一个并联预冷器。

7.上述任一权利要求所述的并联预冷器的除冰方法，其特征在于：通过调节并联预冷器中各换热器其冷却剂流通管道内的冷却剂输入流量，使内外相邻的换热器分别对流经其的空气进行深度预冷和适度预冷；其中深度预冷是指经该换热器换热后的空气将冷却至0摄氏度以下，适度预冷是指经该换热器换热后的空气温度在0摄氏度以上；

设定时间阈值或者设定霜厚堵塞率阈值，其中霜厚堵塞率是指换热器其来流空气流经的最后一层的冷却剂流通管道之间的霜厚堵塞率，霜厚堵塞率即霜层厚度/最后一层的冷却剂流通管道之间的管间距×100%；

当处于深度预冷状态的换热器达到设定的时间阈值或者设定霜厚堵塞率阈值时，通过调节其冷却剂流通管道内的冷却剂输入流量，将其切换为适度预冷状态即对流经其的空气进行适度预冷，同时通过调节与其相邻的处于适度预冷状态的换热器的冷却剂流通管道内的冷却剂输入流量，将与其相邻的处于适度预冷状态的换热器切换为深度预冷状态即对流经其的空气进行深度预冷；

同样的，再次设定时间阈值或者设定霜厚堵塞率阈值，当当前处于深度预冷状态的换热器达到该设定的时间阈值或者设定霜厚堵塞率阈值时，再次调整相邻换热器的冷却剂流通管道内的冷却剂输入流量，将处于深度预冷状态的换热器切换为适度预冷状态，将处于适度预冷状态的换热器切换为深度预冷状态；

按此规律，交替切换即可。

8.根据权利要求6所述的并联预冷器的除冰方法，其特征在于：所述并联预冷器中的换热器分别为中心换热器HX1和外套在中心换热器HX1外的环形换热器HX2，该并联预冷器具有两个工作模态，通过两个工作模态交替切换运行实现除冰；

模态1：并联预冷器启动前，调节中心换热器HX1和环形换热器HX2各自的冷却剂流量调节阀，预先设置好中心换热器HX1和环形换热器HX2中的氦气流量，其中，中心换热器HX1中的氦气流量大于环形换热器HX2中的氦气流量，同时确保经中心换热器HX1换热后的空气将冷却至0摄氏度以下即进行深度预冷，经环形换热器HX2换热后的空气温度在0摄氏度以上即进行适度预冷；

并联预冷器启动后，冷却剂分别以不同的流量进入中心换热器HX1和环形换热器HX2；在此过程中，随着空气温度的逐渐下降，中心换热器HX1的冷却剂流通管道表面逐渐结霜，其中靠近中心换热器HX1后侧面的冷却剂流通管道先出现结霜，越靠近中心换热器HX1前侧面的冷却剂流通管道结霜越晚且霜层越薄；而环形换热器HX2对空气进行适度预冷，其冷却剂流通管道表面均不会出现结霜；

确定一个结霜厚度判别标准，即中心换热器HX1其来流空气流经的最后一层的冷却剂流通管道之间霜厚堵塞率达到50%时，并联预冷器切换至模态2；

模态2：在模态1向模态2切换的过程中，同时调整中心换热器HX1和环形换热器HX2的流量调节阀，降低中心换热器HX1中的氦气流量，同时增大环形换热器HX2中的氦气流量，使得流经中心换热器HX1的空气经中心换热器HX1换热后的空气温度在0摄氏度以上即进行适度预冷，同时使得流经环形换热器HX2的空气经环形换热器HX2换热后的空气温度将冷却至0摄氏度以下即进行深度预冷；这样，中心换热器HX1其冷却剂流通管道表面的霜层也会逐渐融化，此过程为中心换热器HX1除冰过程；增大环形换热器HX2中的氦气流量，实现流经环形换热器HX2的空气深度预冷；在模态2，中心换热器HX1的冷却剂流通管道逐渐除霜，同时对空气进行适度预冷；环形换热器HX2对空气进行深度预冷，环形换热器HX2的冷却剂流通管道表面逐渐结霜，其中靠近环形换热器HX2后侧面的冷却剂流通管道先出现结霜，越靠近环形换热器HX2前侧面的冷却剂流通管道结霜越晚且霜层越薄；

同样，确定一个结霜厚度判别标准，即环形换热器HX2其来流空气流经的最后一层的冷却剂流通管道达到50%时，并联预冷器切换至模态1，再次调整中心换热器HX1和环形换热器HX2中的氦气流量，转换至由中心换热器HX1进行空气深度预冷、环形换热器HX2进行空气适度冷却的同时进行表面除冰，

按此规律，两个工作模态交替切换运行即可。

9.一种高速涡轮发动机，其特征在于：包括预燃室、燃烧室、主驱动涡轮机、空气压缩机和并联预冷器，从并联预冷器中各换热器的冷却剂出口输出的冷却剂即氦气以及从预燃室产生的高温燃气均流入He与燃气换热器中；在He与燃气换热器中，高温燃气提高氦气的出口温度后进入燃烧室，氦气膨胀输出至主驱动涡轮机用来驱动空气压缩机之后输出至He与液氢换热器，液氢经泵输送至He与液氢换热器对输入到He与液氢换热器内的氦气进行冷却，液氢经He与液氢换热器加热后得到的氢气输出至液氢涡轮泵并带动氦气涡轮后进入预燃室；经He与液氢换热器冷却后输出的低温氦气作为并联预冷器的冷却剂，经氦气涡轮流至并联预冷器中各换热器中，用来降低来流空气温度，经并联预冷器冷却后的来流空气输出至空气压缩机，经空气压缩机提高压比后小部分的压缩空气进入预燃室与氢气预燃产生的高温燃气，大部分压缩空气进入燃烧室参与燃烧，燃烧产生的高温气体从喷管喷出产生推力。

10.根据权利要求9所述的高速涡轮发动机，其特征在于：所述并联预冷器中的换热器分别为中心换热器HX1和外套在中心换热器HX1外的环形换热器HX2， 所述并联预冷器具有两个工作模态，通过两个工作模态交替切换运行实现除冰；

模态1：并联预冷器启动前，调节中心换热器HX1和环形换热器HX2各自的冷却剂流量调节阀，预先设置好中心换热器HX1和环形换热器HX2中的氦气流量，其中，中心换热器HX1中的氦气流量大于环形换热器HX2中的氦气流量，同时确保经中心换热器HX1换热后的空气将冷却至0摄氏度以下即进行深度预冷，经环形换热器HX2换热后的空气温度在0摄氏度以上即进行适度预冷；

并联预冷器启动后，冷却剂分别以不同的流量进入中心换热器HX1和环形换热器HX2；在此过程中，随着空气温度的逐渐下降，中心换热器HX1的冷却剂流通管道表面逐渐结霜，其中靠近中心换热器HX1后侧面的冷却剂流通管道先出现结霜，越靠近中心换热器HX1前侧面的冷却剂流通管道结霜越晚且霜层越薄；而环形换热器HX2对空气进行适度预冷，其冷却剂流通管道表面均不会出现结霜；

确定一个结霜厚度判别标准，即中心换热器HX1其来流空气流经的最后一层的冷却剂流通管道之间霜厚堵塞率达到50%时，并联预冷器切换至模态2；

模态2：在模态1向模态2切换的过程中，同时调整中心换热器HX1和环形换热器HX2的流量调节阀，降低中心换热器HX1中的氦气流量，同时增大环形换热器HX2中的氦气流量，使得流经中心换热器HX1的空气经中心换热器HX1换热后的空气温度在0摄氏度以上即进行适度预冷，同时使得流经环形换热器HX2的空气经环形换热器HX2换热后的空气温度将冷却至0摄氏度以下即进行深度预冷；这样，中心换热器HX1其冷却剂流通管道表面的霜层也会逐渐融化，此过程为中心换热器HX1除冰过程；增大环形换热器HX2中的氦气流量，实现流经环形换热器HX2的空气深度预冷；在模态2，中心换热器HX1的冷却剂流通管道逐渐除霜，同时对空气进行适度预冷；环形换热器HX2对空气进行深度预冷，环形换热器HX2的冷却剂流通管道表面逐渐结霜，其中靠近环形换热器HX2后侧面的冷却剂流通管道先出现结霜，越靠近环形换热器HX2前侧面的冷却剂流通管道结霜越晚且霜层越薄；

同样，确定一个结霜厚度判别标准，即环形换热器HX2其来流空气流经的最后一层的冷却剂流通管道达到50%时，并联预冷器切换至模态1，再次调整中心换热器HX1和环形换热器HX2中的氦气流量，转换至由中心换热器HX1进行空气深度预冷、环形换热器HX2进行空气适度冷却的同时进行表面除冰，

按此规律，两个工作模态交替切换运行即可。