CN113257443B - 一种用于核能和化学能混合发动机的插排管束换热器结构 - Google Patents

一种用于核能和化学能混合发动机的插排管束换热器结构 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种用于核能和化学能混合发动机的插排管束换热器结构,包括：多个换热器单元；多个所述换热器单元拼成一个完整的圆环柱体；每个所述换热器单元均包括：均由高温合金通过3D打印加工而成的液态金属分散通道、液态金属汇集通道、径向管束、和周向管束；所述液态金属分散通道具有沿周向延伸的第一周向通道、和沿径向延伸的第一径向通道；所述液态金属汇集通道具有沿周向延伸的第二周向通道、和沿径向延伸的第二径向通道；所述径向管束的两端分别连通至所述第一周向通道和所述第二周向通道；所述周向管束的两端分别连通至所述第一径向通道和所述第二径向通道。

Description

一种用于核能和化学能混合发动机的插排管束换热器结构
技术领域
本公开涉及核反应堆换热器技术领域，尤其涉及一种用于核能和化学能混合发动机的插排管束换热器结构。
背景技术
核能航空发动机是利用核燃料裂变后发生的巨大能量为飞机提供动力的发动机，配装核能航空发动机的飞机具有超远航程、超长航时等优点，无需空中补充燃料即可飞至地球表面的任何地方，滞空时间可以超过1个月。而核能和化学能混合循环的航空发动机，主要针对核安全性，采用地面起飞用化学能、空中巡航用核能的混合循环模式。
换热器是核反应堆的热量转换枢纽，然而现有技术中，尚未见应用于核能和化学能混合循环发动机的换热器。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种用于核能和化学能混合发动机的插排管束换热器结构。
根据本公开的一个方面，一种用于核能和化学能混合发动机的插排管束换热器结构，包括：多个换热器单元；
多个所述换热器单元拼成一个完整的圆环柱体；
每个所述换热器单元均包括：均由高温合金通过3D打印加工而成的液态金属分散通道、液态金属汇集通道、径向管束、和周向管束；
所述液态金属分散通道具有沿周向延伸的第一周向通道、和沿径向延伸的第一径向通道；
所述液态金属汇集通道具有沿周向延伸的第二周向通道、和沿径向延伸的第二径向通道；
所述径向管束的两端分别连通至所述第一周向通道和所述第二周向通道；
所述周向管束的两端分别连通至所述第一径向通道和所述第二径向通道。
根据本公开的至少一个实施方式，每个所述换热器单元的外侧面均向外延伸形成有隼接结构；
所述隼接结构由高温合金通过3D打印加工而成；
所述隼接结构远离所述换热器单元外侧面的一侧具有榫头或榫槽。
根据本公开的至少一个实施方式，每个所述换热器单元均还包括:用于支撑所述周向管束或/和所述径向管束的支撑结构。
根据本公开的至少一个实施方式，所述支撑结构包括由高温合金通过3D打印加工而成的径向板；
所述径向板沿其板面方向的两端分别连接至所述第一周向通道和所述第二周向通道；
所述周向管束贯穿所述径向板设置。
根据本公开的至少一个实施方式，所述支撑结构包括由高温合金通过3D打印加工而成的周向板；
所述周向板沿其板面方向的两端分别连接至所述第一径向通道和所述第二径向通道；
所述径向管束贯穿所述周向板设置。
根据本公开的至少一个实施方式，所述支撑结构包括均由高温合金通过3D打印加工而成的径向板和周向板；
所述径向板沿其板面方向的两端分别连接至所述第一周向通道和所述第二周向通道；
所述周向管束贯穿所述径向板设置；
所述周向板沿其板面方向的两端分别连接至所述第一径向通道和所述第二径向通道；
所述径向管束贯穿所述周向板设置。
根据本公开的至少一个实施方式，所述第一周向通道和所述第一径向通道连通。
根据本公开的至少一个实施方式，所述第一径向通道向外延伸至所述第一周向通道外部，所述第一径向通道的外侧面开设有液态金属入口。
根据本公开的至少一个实施方式，所述第二周向通道和所述第二径向通道连通。
根据本公开的至少一个实施方式，所述第二径向通道向外延伸至所述第二周向通道外部，所述第二径向通道的外侧面开设有液态金属出口。
本发明的有益效果是：
来自压气机的高压空气沿着水平方向流入本发明的插排管束换热器结构，冲刷径向管束外壁和周向管束外壁，最后沿着水平方向流出，进入到核能发动机涡轮部分；来自核反应堆的液态金属通过液态金属分散通道进入径向管束和周向管束内部，和径向管束和周向管束外的高压空气进行换热，换热后的液态金属经液态金属汇集通道汇集后离开本发明的插排管束换热器结构，重新进入核反应堆。
与现有技术相比，本发明采用液态金属进行换热，热容更大、安全裕度更高；本发明由多个换热器单元拼在一起构成，减少了整体制造的难度；本发明采用插排管束，换热能力更强；采用隼接结构将本发明悬挂至发动机，避免热应力过大导致的失效。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是根据本公开的实施方式的插排管束换热器结构的示意图。
图2是图1所示的插排管束换热器结构中换热器单元的示意图。
图3是图1所示的插排管束换热器结构中液态金属分散通道的示意图。
图4是图1所示的插排管束换热器结构中液态金属汇集通道的示意图。
图5是图1所示的插排管束换热器结构中支撑结构的第一实施方式的示意图。
图6是图1所示的插排管束换热器结构中支撑结构的第二实施方式的示意图。
图7是图1所示的插排管束换热器结构中支撑结构的第二实施方式的示意图。
附图标记：1-液态金属分散通道；11-第一周向通道；12-第一径向通道；2-液态金属汇集通道；21-第二周向通道；22-第二径向通道；3-径向管束；4-周向管束；5-隼接结构；6-支撑结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
如图1至4所示，根据本公开的第一实施方式，提供了一种用于核能和化学能混合发动机的插排管束换热器结构，包括：多个换热器单元；
多个换热器单元拼成一个完整的圆环柱体；
每个换热器单元均包括：均由高温合金通过3D打印加工而成的液态金属分散通道1、液态金属汇集通道2、径向管束3、和周向管束4；
液态金属分散通道1具有沿周向延伸的第一周向通道11、和沿径向延伸的第一径向通道12；
液态金属汇集通道2具有沿周向延伸的第二周向通道21、和沿径向延伸的第二径向通道22；
径向管束3的两端分别连通至第一周向通道11和第二周向通道21；
周向管束4的两端分别连通至第一径向通道12和第二径向通道22。
需要说明的是，高温合金在本领域是指，以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。
换热器单元的数量根据实际情况确定，例如可以是六个、八个或十二个，降低了制造和安装难度。
为提高液态金属的流动均匀性和稳定性，液态金属不直接进入周向管束4和径向管束3，而是先经第一周向通道11和第一径向通道12重新分配后在进入周向管束4和径向管束3。由于液态金属分散通道1的影响，使得每排径向管束3之间的温度和每排周向管束4之间的温度差异均较小，有利于维护换热器的安全性，尽可能避免局部高温或者是单一管束失效导致换热器整体失效。
换热器单元之间可通过径向通道的壁面连接和固定。在一个实施方式中，每个换热器单元的外侧面均向外延伸形成有隼接结构5；隼接结构5由高温合金通过3D打印加工而成；隼接结构5远离换热器单元外侧面的一侧具有榫头或榫槽。隼接结构5数量根据实际情况确定，可以是2-5个，隼接结构5保证了每个换热器单元的安装强度。
每个换热器单元外侧均通过隼接结构5悬挂于发动机外壁，换热器单元内侧自由，以避免热应力过大导致的失效。
第一周向通道11和第一径向通道12可以连通，也可以不连通，在一个实施方式中，第一周向通道11和第一径向通道12连通，在此基础上，第一径向通道12向外延伸至第一周向通道11外部，第一径向通道12的外侧面开设有液态金属入口。
第二周向通道21和第二径向通道22可以连通，也可以不连通，在一个实施方式中，第二周向通道21和第二径向通道22连通。在此基础上，第二径向通道22向外延伸至第二周向通道21外部，第二径向通道22的外侧面开设有液态金属出口。
周向管束4在液态金属重力作用下容易发生弯曲变形，因此在适当位置可采用焊接方式布置支撑结构6，如有必要，径向管束3也可以布置支撑结构6。
支撑结构6可以采用下面三种具体实施方式：
(1)如图5所示，支撑结构6包括由高温合金通过3D打印加工而成的径向板；径向板沿其板面方向的两端分别连接至第一周向通道11和第二周向通道21；周向管束4贯穿径向板设置。
(2)如图6所示，支撑结构6包括由高温合金通过3D打印加工而成的周向板；周向板沿其板面方向的两端分别连接至第一径向通道12和第二径向通道22；径向管束3贯穿周向板设置。
(3)如图7所示，支撑结构6包括均由高温合金通过3D打印加工而成的径向板和周向板；径向板沿其板面方向的两端分别连接至第一周向通道11和第二周向通道21；周向管束4贯穿径向板设置；周向板沿其板面方向的两端分别连接至第一径向通道12和第二径向通道22；径向管束3贯穿周向板设置。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (6)

1.一种用于核能和化学能混合发动机的插排管束换热器结构，其特征在于，包括：多个换热器单元；
多个所述换热器单元拼成一个完整的圆环柱体；
每个所述换热器单元均包括：均由高温合金通过3D打印加工而成的液态金属分散通道(1)、液态金属汇集通道(2)、径向管束(3)、和周向管束(4)；
所述液态金属分散通道(1)具有沿周向延伸的第一周向通道(11)、和沿径向延伸的第一径向通道(12)；
所述液态金属汇集通道(2)具有沿周向延伸的第二周向通道(21)、和沿径向延伸的第二径向通道(22)；
所述径向管束(3)的两端分别连通至所述第一周向通道(11)和所述第二周向通道(21)；
所述周向管束(4)的两端分别连通至所述第一径向通道(12)和所述第二径向通道(22)；
所述第一周向通道(11)和所述第一径向通道(12)连通；
所述第一径向通道(12)向外延伸至所述第一周向通道(11)外部，所述第一径向通道(12)的外侧面开设有液态金属入口；
所述第二周向通道(21)和所述第二径向通道(22)连通，所述第二径向通道(22)向外延伸至所述第二周向通道(21)外部，所述第二径向通道(22)的外侧面开设有液态金属出口。
2.如权利要求1所述的用于核能和化学能混合发动机的插排管束换热器结构，其特征在于， 每个所述换热器单元的外侧面均向外延伸形成有隼接结构(5)；
所述隼接结构(5)由高温合金通过3D打印加工而成；
所述隼接结构(5)远离所述换热器单元外侧面的一侧具有榫头或榫槽。
3.如权利要求1或2所述的用于核能和化学能混合发动机的插排管束换热器结构，其特征在于， 每个所述换热器单元均还包括： 用于支撑所述周向管束(4)或/和所述径向管束(3)的支撑结构(6)。
4.如权利要求3所述的用于核能和化学能混合发动机的插排管束换热器结构，其特征在于， 所述支撑结构(6)包括由高温合金通过3D打印加工而成的径向板；
所述径向板沿其板面方向的两端分别连接至所述第一周向通道(11)和所述第二周向通道(21)；
所述周向管束(4)贯穿所述径向板设置。
5.如权利要求3所述的用于核能和化学能混合发动机的插排管束换热器结构，其特征在于， 所述支撑结构(6)包括由高温合金通过3D打印加工而成的周向板；
所述周向板沿其板面方向的两端分别连接至所述第一径向通道(12)和所述第二径向通道(22)；
所述径向管束(3)贯穿所述周向板设置。
6.如权利要求3所述的用于核能和化学能混合发动机的插排管束换热器结构，其特征在于， 所述支撑结构(6)包括均由高温合金通过3D打印加工而成的径向板和周向板；
所述径向板沿其板面方向的两端分别连接至所述第一周向通道(11)和所述第二周向通道(21)；
所述周向管束(4)贯穿所述径向板设置；
所述周向板沿其板面方向的两端分别连接至所述第一径向通道(12)和所述第二径向通道(22)；
所述径向管束(3)贯穿所述周向板设置。
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