CN112880446B - 一种抑制航空煤油高温结焦的发动机换热管及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制航空煤油高温结焦的发动机换热管及其应用，所述发动机换热管中包括高温空气通道、相变材料层、航空煤油通道和换热器壁面；所述换热器壁面包括第一换热器壁面、第二换热器壁面和第三换热器壁面；所述航空煤油通道的外表面依次设置有第一换热器壁面和相变材料层；所述相变材料层外表面设置有第二换热器壁面；所述第二换热器壁面的外表面依次设置有高温空气通道和第三换热器壁面。利用相变材料较高的潜热及导热率来缓冲热空气热量，均衡煤油流道温度分布，从而减小因高温而导致煤油发生结焦现象；相变材料层可缓解煤油直接与高温空气接触，提高系统工作稳定性。

Description

一种抑制航空煤油高温结焦的发动机换热管及其应用
技术领域
本发明涉及抑制航空煤油结焦领域，具体涉及一种抑制航空煤油高温结焦的发动机换热管及其应用。
技术背景
随着航空发动机水平提高，涡轮进口燃气温度不断升高，给涡轮材料的耐热性带来严峻考验。因此，涡轮发动机迫切需要解决热管理问题，以改善涡轮发动机性能、提升其耐久性、拓展其工作速域。当前典型航空发动机的涡轮叶片最常见的冷却方式主要通过叶片上分布小孔通入冷却气，形成保护叶片表面的冷却气膜。然而，冷却介质主要为压气机引出的高压空气，该气体温度高于700K，冷却品质严重不足。因此必须采取有效措施，对高温冷却气进行高效预冷，以提升气膜冷却效率。相比起传统的低温空气的气-气换热，航空煤油的比热容远大于空气，有着更大的冷却能力，在超燃冲压发动机的主动冷却中已经得到广泛应用。如果能利用航空煤油预冷压气机出口高温空气，不仅将大幅降低热部件温度，还能节省气膜冷却所需的压缩空气。而且经过预热的航空煤油，其燃烧速率和效率都将显著提升，有利于提升发动机性能。因此，利用航空煤油预冷空气将成为航空发动机冷却技术的重要发展方向。
但是，航空煤油直接与高温空气换热，容易因煤油温度急剧升高造成结焦问题。研究表明，当煤油温度超过150℃时，将产生氧化结焦并附着在管道内壁，减少流道面积甚至堵塞流道，影响发动机的正常供油，对发动机的安全带来极大的隐患。因此，如何提高航空煤油在管道内传热特性及稳定性，是高性能航空煤油-空气冷却技术亟需解决的关键技术问题。
发明专利CN101892488A提出了一种对金属表面进行预处理，对金属表面进行酸洗钝化与电解抛光使金属表面钝化，减少其表面对结焦的催化活性，从而降低了整个换热器的结焦方法。这种方法提高了换热器整体使用寿命，提高了可靠性，降低了维护成本。发明专利CN101713484A提出了一种用高浓度酸洗液对金属表面进行钝化处理，以降低金属表面活性，降低金属离子在煤油结焦过程中的催化作用以抑制其结焦过程。但上述方案的经济性较差，对金属进行处理本身需要多个工艺步骤，且在高温高腐蚀的煤油环境下长时间工作会失去钝化作用，从而失去抑制煤油结焦的作用。
本发明提出一种采用相变材料作为缓冲介质，以抑制航空煤油结焦的方法。提出一种高温钛合金管超轻超高效能新型多流体换热器结构，在煤油与空气换热管层间增加了相变材料管，在换热管中加入了功能相变材料蓄热层，对煤油进行控温，不仅能够实现煤油全流道温度均衡，降低煤油出口温度，抑制煤油结焦，而且能够提升煤油与冷却气平均传热温差，提高煤油-空气换热效率。
发明内容
本发明提供一种抑制航空煤油高温结焦的发动机换热管，以提高煤油传热效果，增加工作稳定性，延长换热器工作寿命。通过在煤油及空气管道中间增加一层高导热率功能相变材料层，利用相变材料较高的潜热及导热率来均衡煤油流道温度分布，从而减小因局部高温而导致煤油发生结焦现象。
一种抑制航空煤油高温结焦的发动机换热管，通过在煤油及空气层换热管间增加一层相变材料，所采用的相变材料相变温度介于高温空气温度及冷却煤油温度之间。在高温空气入口处，由于温度较高，煤油易受到高温氧化而结焦沉积。在煤油与空气层间添加高热导率相变材料，受高温空气加热，相变材料吸收热量熔化，由于相变材料的高热导率，可将接近空气进口端的热量快速转移，在远离入口的煤油处受到冷却凝固放热，缓解煤油直接与高温空气接触而导致煤油因温度过高产生结焦现象。相变材料在热端空气层及冷端煤油层之间不断发生熔化凝固，吸收及释放热量由此形成循环。
本申请的技术方案如下：
一种抑制航空煤油高温结焦的发动机换热管，所述发动机换热管中包括高温空气通道1、相变材料层2、航空煤油通道3和换热器壁面4；所述换热器壁面4包括第一换热器壁面、第二换热器壁面和第三换热器壁面；所述航空煤油通道3的外表面依次设置有第一换热器壁面和相变材料层2；所述相变材料层2外表面设置有第二换热器壁面；所述第二换热器壁面的外表面依次设置有高温空气通道1和第三换热器壁面。
优选的，所述相变材料层2的相变材料的相变温度介于高温空气通道1中的高温空气与航空煤油通道3中的低温煤油之间。相变材料受热端空气加热发生熔化，由于固液态密度差的关系形成自然对流，在管中形成流动，在冷端煤油层冷却发生凝固，形成吸热及放热循环。
进一步优选的，所述相变温度为100℃至200℃。
优选的，所述相变材料层中添加高导热率的添加剂，导热率大于5000W/m.K；来提高相变材料的导热系数。
进一步优选的，所述高导热率的添加剂包括石墨烯材料，所述石墨烯材料的热导率为5000～5300W/m.K；在空气入口处的相变材料受热发生熔化，由于相变材料的高热导率，可将空气进口端的热量快速转移，由此实现煤油全流道温度均衡，缓解煤油在接近空气入口处因过热而产生结焦。
优选的，所述相变材料层2的相变材料为固液相变材料；所述固液相变材料的潜热值为250～300kJ/kg，不具有腐蚀性。
优选的，所述换热管的壁面采用轻质钛合金材料，具有耐高温特性，质量轻，稳定性好。
优选的，所述发动机换热管所采用的套管结构绕制成蛇形管结构；体积小，稳定性好；同时蛇形管外部可进一步利用低温空气对高温空气进行冷却，高温空气经煤油及外涵空气两股冷源同时进行冷却，具有更高效的换热效果。
上述抑制航空煤油高温结焦的发动机换热管在抑制航空煤油高温结焦中的应用，其特征在于，所述高温空气通道(1)中的高温空气与航空煤油通道(3)中的低温煤油对向流动。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明的发动机换热管技术简单，易于加工制造，具有较高的经济性。
2、本发明的发动机换热管性能稳定，利用煤油及高温空气提供的温差形成相变材料本身的循环系统，从而达到转移热量，缓冲高温的效果。相比起酸洗钝化技术而言，本发明具有更优的稳定性。
附图说明
图1为本发明装置截面图，图1中1为高温空气管道；2为相变材料层；3为航空煤油管道；4为换热器壁面，包括第一换热器壁面、第二换热器壁面和第三换热器壁面。
图2为本发明装置蛇管模型示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
一种抑制航空煤油高温结焦的发动机换热管，在高温空气层及煤油层之间增加一层功能性相变材料。如图1所示，其结构包括：高温空气通道1；相变材料层2；航空煤油通道3；换热器壁面4，包括第一换热器壁面、第二换热器壁面和第三换热器壁面；所述航空煤油通道(3)的外表面依次设置有第一换热器壁面和相变材料层(2)；所述相变材料层(2)外表面设置有第二换热器壁面；所述第二换热器壁面的外表面依次设置有高温空气通道(1)和第三换热器壁面。相变材料是一种能够在相态转变过程中吸收大量热的材料，具有储热密度大、相变过程温度恒定的特性，具有极高的热沉值，可有效降低航空煤油温升，在不降低换热功率的前提下降低煤油温度，抑制煤油结焦。
所述相变材料层2的相变材料的相变温度介于高温空气通道1中的高温空气与航空煤油通道3中的低温煤油之间；所述相变温度优选为100℃至200℃。
所述相变材料层中添加高导热率的添加剂，来提高相变材料的导热系数；所述高导热率的添加剂优选为石墨烯材料，所述石墨烯材料的热导率为5000～5300W/m.K；在空气入口处的相变材料受热发生熔化，由于相变材料的高热导率，可将空气进口端的热量快速转移，由此实现煤油全流道温度均衡，缓解煤油在接近空气入口处因过热而产生结焦。
所述相变材料层2的相变材料为固液相变材料；所述固液相变材料的潜热值为250～300kJ/kg，不具有腐蚀性。
所述换热管的壁面采用轻质钛合金材料，具有耐高温特性，质量轻，稳定性好。
所采发动机换热管所采用的套管结构绕制成蛇形管结构；体积小，稳定性好；同时蛇形管外部可进一步利用低温空气对高温空气进行冷却，高温空气经煤油及外涵空气两股冷源同时进行冷却，具有更高效的换热效果。
在工作过程中，高温空气和航空煤油逆向流动；相变材料受热端空气加热发生熔化，由于密度差的关系在管中形成流动，在冷端煤油层冷却发生凝固，形成吸热及放热循环。进一步地，在相变材料中添加了高导热率的添加剂来提高相变材料的导热系数，如石墨烯材料，由于相变材料的高热导率，可将空气进口端的热量快速转移，由此实现煤油全流道温度均衡，缓解煤油在接近空气入口处因过热而产生结焦。
下面通过实例来具体说明本发明。
实施例
换热管分布(如图1)：航空煤油管道-第一换热器壁面-相变材料层-第二换热器壁面-高温空气管道-第三换热器壁面，航空煤油管道内直径为3mm，相变材料层内管直径为4mm，厚度为0.5mm，高温空气管道内管直径为6mm，高温空气管道厚1.5mm，换热器壁面的壁厚均为0.5mm。
换热管的套管结构绕制成蛇形管结构(如图2)。
换热管壁面材料：钛合金；
相变材料：石蜡，相变温度为130～150℃，潜热值为200J/g；
相变材料添加剂：石墨烯(热导率为5300W/m.K)，添加量为相变材料的0.5％；
热空气进口：温度350～500℃，流量0.1～0.3kg/s，压力1.0MPa；
煤油进口：温度110～120℃，流量0.4～0.6kg/s；
操作方式：航空煤油及高温空气以逆流方式进行流动换热，相变材料受高温空气加热发生相变融化，由于相变材料具有较高的潜热值，较大的热沉能够缓解煤油在空气入口端受到的高温过热。由于具有高热导率添加剂的存在，相变材料具有高导热率，所吸收的热量迅速发生传递，均衡了煤油的受热温度。由于固液相变之间具有一定的密度差，相变材料融化后发生自然对流流动至煤油一侧，在煤油端遇冷发生凝固，由此实现融化及凝固的相变循环。
在此实例中，在换热过程中航空煤油壁面温度始终保持低于150℃，可有效抑制煤油发生结焦现象。且相比起未添加相变材料层的换热器，煤油层的温度分布更加均衡。
以上实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种抑制航空煤油高温结焦的发动机换热管，其特征在于，所述发动机换热管中包括高温空气通道（1）、相变材料层（2）、航空煤油通道（3）和换热器壁面（4）；所述换热器壁面（4）包括第一换热器壁面、第二换热器壁面和第三换热器壁面；所述航空煤油通道（3）的外表面依次设置有第一换热器壁面和相变材料层（2）；所述相变材料层（2）外表面设置有第二换热器壁面；所述第二换热器壁面的外表面依次设置有高温空气通道（1）和第三换热器壁面。
2.根据权利要求1所述的发动机换热管，其特征在于，所述相变材料层（2）的相变材料的相变温度介于高温空气通道（1）中的高温空气与航空煤油通道（3）中的低温煤油之间。
3.根据权利要求2所述的发动机换热管，其特征在于，所述相变温度为100℃~200℃。
4.根据权利要求1所述的发动机换热管，其特征在于，所述相变材料层中添加导热率大于5000W/m.K的添加剂。
5.根据权利要求1所述的发动机换热管，其特征在于，所述相变材料层中的添加剂为石墨烯材料，所述石墨烯材料的热导率为5000~5300W/m.K。
6.根据权利要求1所述的发动机换热管，其特征在于，所述相变材料层（2）的相变材料为固液相变材料；所述固液相变材料的潜热值为250~300kJ/kg，不具有腐蚀性。
7.根据权利要求1所述的发动机换热管，其特征在于，所述换热管的壁面采用钛合金材料。
8.根据权利要求1所述的发动机换热管，其特征在于，所述发动机换热管的套管结构绕制成蛇形管结构。
9.权利要求1-8任一项所述抑制航空煤油高温结焦的发动机换热管在抑制航空煤油高温结焦中的应用，其特征在于，所述高温空气通道（1）中的高温空气与航空煤油通道（3）中的低温煤油逆向流动。
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