CN110735716A - 一种基于液态金属工质换热器的间冷回热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于间冷回热技术领域，涉及一种基于液态金属工质换热器的间冷回热系统，间冷系统包含连接成回路的第一电磁泵(3)、设置在内涵道的第一换热器(1)以及设置在外涵道的第二换热器(2)；所述第一换热器(1)和第二换热器(2)均位于低压压气机(9)和高压压气机(10)之间；回热系统包含连接成回路的第二电磁泵(7)、设置在发动机尾喷口处的第四换热器(6)以及设置在高压压气机(10)和燃烧室(11)之间的第三换热器(5)；间冷系统、回热系统管路内部充满液态金属；采用两个液态金属回路形成间冷循环和回热循环，旨在利用液态金属的优良换热性能可以缩小换热器尺寸，可用于地面燃气轮机和民用航空发动机。

Description

一种基于液态金属工质换热器的间冷回热系统
技术领域
本发明属于间冷回热技术领域，具体涉及一种基于液态金属工质换热器的间冷回热系统。
背景技术
间冷回热机技术本身可以显著提高发动机的热效率，目前，该技术已经成功应用到地面燃气轮机上，可以显著降低发动机的油耗并增加输出功。
CN105626265A公开了一种采用间冷热管和回热热管的燃气轮机间冷回热系统，结构简单，无需外部能源而自动实现热量的迁移。其缺点是热管的启动问题，其运行条件苛刻，工程很难可靠运行；另外还受热管技术本身的诸多限制，如音速极限、携带极限等，换热能力不稳定。
CN105221262A公开了一种间冷回热循环燃气轮机系统，该系统与常规的间冷回热发动机相比，在动力涡轮前增加了一个补燃燃烧室，从而增加了排气温度，提高回热循环的效率。总体来说，设置补燃燃烧室可以增加排气温度，即使存在回热循环，与传统方案相比排气的热损失仍然增大，系统的热效率有可能不升反降。
CN104110309B公布了一种航空发动机的间冷或间冷回热循环布局，该布局使用超临界微小尺度紧凑快速换热器来作为间冷器与回热器，可解决传统间冷器或回热器尺寸大、换热相应慢的问题。其缺点是微小尺度换热器内部流体为超临界状态，内部压力极大，使换热器的加工难度和运行安全存在较大的风险，可靠性差。
发明内容
本发明的目的是：设计一种基于液态金属工质换热器的间冷回热系统，以解决目前间冷回热器换热效率低、尺寸大的问题，以及小尺度换热器可靠性差的技术问题。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一种基于液态金属工质换热器的间冷回热系统，所述的基于液态金属工质换热器的间冷回热系统包含间冷系统和回热系统；
所述的间冷系统包含通过管路连接成回路的第一电磁泵3、设置在内涵道的第一换热器1以及设置在外涵道的第二换热器2；所述第一换热器1和第二换热器2均位于低压压气机9和高压压气机10之间；
所述的回热系统包含通过管路连接成回路的第二电磁泵7、设置在发动机尾喷口处的第四换热器6以及设置在高压压气机10和燃烧室11之间的第三换热器5；
所述第一换热器1、第二换热器2、第三换热器5和第四换热器6均为液态金属换热器；所述的间冷系统、回热系统管路内部充满液态金属。
优选地，所述的间冷系统还包括安装在间冷回路上的第一调节阀4。
优选地，所述的回热系统还包含安装在回热回路上的第二调节阀8。
优选地，所述第四换热器6通过支架安装在发动机尾喷口。
所述第二电磁泵7和第二调节阀8设置在所述第三换热器5和第四换热器6之间。
优选地，所述第一电磁泵3、第一调节阀4安装在发动机外部。
优选地，所述第二电磁泵7、第二调节阀8安装在发动机外部。
所述液态金属为镓铟合金或钾钠合金。
优选地，所述第一换热器1、第二换热器2、第三换热器5和第四换热器6采用管翅式或板翅式换热器。
本发明的有益效果是：本发明采用两个液态金属回路形成间冷循环和回热循环，旨在利用液态金属的优良换热性能可以缩小换热器尺寸，具有如下好处：
采用液态金属工质实现超大规模热量的迁移，又可使换热器紧凑化，减小换热器迎风面积，进而减小空气的流动阻力。
液态金属流路无需过多加压，对液态金属换热器和散热器的加工难度小。可用于地面燃气轮机和民用航空发动机。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，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为本发明的结构示意图；
其中，1-第一换热器、2-第二换热器、3-第一电磁泵、4-第一调节阀、5-第三换热器、6-第四换热器、7-第二电磁泵、8-第二调节阀、9-低压压气机、10-高压压气机、11-燃烧室、12-高压涡轮、13-低压涡轮、14-喷管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。如图1所示为本发明的结构示意图为一种实现方式，基于液态金属工质换热器的间冷回热系统包含间冷系统和回热系统；
间冷系统如图1中虚线指示，包含通过管路连接成回路的第一电磁泵3、第一调节阀4、设置在内涵道的第一换热器1以及设置在外涵道的第二换热器2；所述第一换热器1和第二换热器2均位于低压压气机9和高压压气机10之间；
回热系统如图1中实线指示，包含通过管路连接成回路的第二电磁泵7、第二调节阀8、设置在发动机尾喷口处的第四换热器6以及设置在高压压气机10和燃烧室11之间的第三换热器5；所述第一换热器1、第二换热器2、第三换热器5和第四换热器6均为液态金属换热器；所述的间冷系统、回热系统管路内部充满液态金属。
内涵道中的发动机结构为目前发动机的常用结构，依次为低压压气机9、高压压气机10、燃烧室11、高压涡轮12、低压涡轮13，内涵道末端为喷管14。低压压气机9通过低压涡轮13带动，高压压气机10通过高压涡轮12带动；内涵道末端为喷管14。
由于目前发动机的紧凑设计要求，将第一电磁泵3、第一调节阀4、第二电磁泵7、第二调节阀8均安装在发动机外部。
液态金属为镓铟合金或钾钠合金，具有极高的导热能力(导热系数是水的几十倍)，并且在宽广的温度范围内保持液态，是热量传输的理想流体。液态金属导热系数极高，液态金属侧热阻小，换热器的尺寸就可以实现紧凑化。
间冷循环实现低压压气机后的核心机较高温度空气与外涵较低温度空气之间的换热，回热循环实现核心机高温燃气与燃烧室前较低温度空气之间的换热，两个循环均采用液态金属作为中间换热介质。
采用两个液态金属回路形成间冷循环和回热循环，旨在利用液态金属的优良换热性能可以缩小换热器尺寸，减少与空气换热的迎风面积，进而减少气动损失和发动机内部的安装尺寸。
液态金属流路基本是常压结构，换热器加工难度小，运行安全可靠。
系统由间冷循环和回热循环两个独立的循环回路组成：
1、间冷循环：电磁泵驱动液态金属流过两个换热器，在内涵通道中的换热器中，液态金属吸收低压压气机后的空气的热量，温度升高；在外涵通道中的换热器中，液态金属向外涵空气放热，温度降低。电磁泵和调节阀可放置在发动机外机匣外部或内机匣内部。
2、回热循环：电磁泵驱动液态金属流过两个换热器，在喷管后的换热器中，液态金属吸收高温排气的热量，温度升高；在燃烧室前的换热器中，液态金属向空气放热，温度降低。电磁泵和调节阀可放置在发动机外机匣外部或内机匣内部。
3、液态金属：可采用镓铟合金，在-50～2000℃范围内均保持液态，导热系数是水的50倍。
电磁泵无旋转部件，功耗小。液态金属流路无需过多加压，对液态金属换热器和散热器的加工难度小。液态金属换热器可采用管翅式、板翅式换热器等。
本发明的间冷回热系统可用于军用和民用航空发动机、燃气轮机的高效化，降低耗油率，提高经济性。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于液态金属工质换热器的间冷回热系统，其特征在于：所述的基于液态金属工质换热器的间冷回热系统包含间冷系统和回热系统；
所述的间冷系统包含通过管路连接成回路的第一电磁泵(3)、设置在内涵道的第一换热器(1)以及设置在外涵道的第二换热器(2)；所述第一换热器(1)和第二换热器(2)均位于低压压气机(9)和高压压气机(10)之间；
所述的回热系统包含通过管路连接成回路的第二电磁泵(7)、设置在发动机尾喷口处的第四换热器(6)以及设置在高压压气机(10)和燃烧室(11)之间的第三换热器(5)；
所述第一换热器(1)、第二换热器(2)、第三换热器(5)和第四换热器(6)均为液态金属换热器；所述的间冷系统、回热系统管路内部充满液态金属。
2.根据权利要求1所述的基于液态金属工质换热器的间冷回热系统，其特征在于：所述的间冷系统还包括安装在间冷回路上的第一调节阀(4)。
3.根据权利要求1所述的基于液态金属工质换热器的间冷回热系统，其特征在于：所述的回热系统还包含安装在回热回路上的第二调节阀(8)。
4.根据权利要求1所述的基于液态金属工质换热器的间冷回热系统，其特征在于：所述第四换热器(6)通过支架安装在发动机尾喷口。
5.根据权利要求1所述的基于液态金属工质换热器的间冷回热系统，其特征在于：所述第二电磁泵(7)和第二调节阀(8)设置在所述第三换热器(5)和第四换热器(6)之间。
6.根据权利要求2所述的基于液态金属工质换热器的间冷回热系统，其特征在于：所述第一电磁泵(3)、第一调节阀(4)安装在发动机外部。
7.根据权利要求3所述的基于液态金属工质换热器的间冷回热系统，其特征在于：所述第二电磁泵(7)、第二调节阀(8)安装在发动机外部。
8.根据权利要求1所述的基于液态金属工质换热器的间冷回热系统，其特征在于：所述液态金属为镓铟合金或钾钠合金。
9.根据权利要求1所述的基于液态金属工质换热器的间冷回热系统，其特征在于：所述第一换热器(1)、第二换热器(2)、第三换热器(5)和第四换热器(6)采用管翅式或板翅式换热器。
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