CN113864061A - 一种固体冲压发动机壁面冷却系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开属于固体冲压发动机技术领域，具体而言，涉及一种固体冲压发动机壁面冷却系统和方法。本系统包括冷却工质储罐、换热器、节流阀以及N个冷却通道，N个冷却通道置于固体冲压发动机燃烧室的壁面壳体，N个冷却通道分成两组，每一组冷却通道有单独的进口和出口。本系统采用冷却工质储罐存储的冷却工质，该冷却工质经过节流阀后形成低压、低温的流体，该流体作为发动机燃烧室的冷却流体，吸收热量后温度升高，一部分吸热后的流体经过喷管喷出，另一部分进入冷却工质储罐内的换热器，该部分工质在冷却工质储罐内与其中的冷却工质进行换热，冷却工质储罐内的冷却工质吸热后温度和压力增加，保证流出冷却工质储罐的工质始终处于超临界压力状态。

Description

一种固体冲压发动机壁面冷却系统和方法

技术领域

本公开属于固体冲压发动机技术领域，具体而言，涉及一种固体冲压发动机壁面冷却系统和方法。

背景技术

固体冲压发动机密度比冲高、安全性好、比推力大，应用前景广阔。目前的固体冲压发动机最大飞行马赫数不超过6，燃烧室热防护技术是其中的一个重要的关键制约技术。燃烧室是固体冲压发动机的贮存推进剂和发生燃烧化学反应的场所。燃烧室药柱产生的燃气温度高达3000℃，当固体冲压发动机的飞行速度增加，固体冲压发动机燃烧室要承受更长时间工作的高温、高压作用，对其热防护提出了更高要求。

对于固体冲压发动机，燃烧室内的高温燃气将热量传递给绝热层，进而通过导热传递给燃烧室壳体，壳体温度的升高是固体冲压发动机工作的重要隐患。当飞行速度小于马赫6时，传统的热防护方法是在燃烧室内加入烧蚀层和隔热层，利用烧蚀过程吸收一部分热量，再利用低导热系数材料降低导热量。

但是随着发动机的工作时间的增加，或者发动机参数的提高，燃烧室内的温度、压力提升，并且运行时间增加，都对传统的被动热防护方法提出挑战。

发明内容

本公开旨在至少一定程度上解决上述技术问题，基于发明人对以下事实和问题的发现和认识，为了达到固体发动机长时间、高速度工作状态下的高效热防护效果，一种可行的技术途径是携带额外的冷却工质，利用主动冷却方式对燃烧室壁面进行热防护。为了减小冷却工质的体积，往往要求冷却工质处于高压、高密度状态。为了保证冷却工质在燃烧室壁面的对流换热过程平稳高效，需要求冷却工质的压力处于超临界压力，以此来避免吸热过程发生相变。目前最大的难题是急速排放过程中，冷却工质在储罐内的压力下降过快，无法长时间维持在超临界压力。因此，固体冲压发动机的新型热防护措施是急需进一步探索的课题。

本公开的目的在于提供一种固体冲压发动机燃烧室的冷却系统及方法，以解决相关技术中的技术问题。

根据本公开的第一方面，提出一种固体冲压发动机燃烧室的冷却系统，包括：

冷却工质储罐，冷却工质储罐设置于固体冲压发动机的外部；

换热器，所述换热器设置于高压冷却工质储罐内部，所述换热器的进口与燃烧室冷却通道出口相连，换热器的出口与节流阀的进口相连；

节流阀，所述节流阀设置于储罐和冷却通道之间；

N个冷却通道，所述N个冷却通道置于固体冲压发动机燃烧室的壁面壳体，所述N个冷却通道分成两组，每一组冷却通道有单独的进口和出口，其中，第一组冷却通道的进口与第一三通阀相连，第一组冷却通道的出口与换热器的进口相连，第二组冷却通道的进口与第二三通阀相连，第二组冷却通道的出口与喷管相连。

可选地，所述N个冷却通道中的第一组冷却通道共有N₁个冷却通道，第二组冷却通道共有N₂个冷却通道，N＝N₁+N₂，且N₁<N₂。

可选地，所述冷却工质为二氧化碳。

可选地，所述换热单元采用螺旋管的形式置于冷却工质储罐。

本公开的第二方面，提出一种固体冲压发动机燃烧室的冷却方法，包括以下步骤：

(1)在固体冲压发动机系统中构建如权利要求1-4中的任一个权利要求所述的冷却系统；

(2)固体冲压发动机启动时，关闭节流阀、第一阀门和第二阀门；

(3)分别设定燃烧室的壁面温度和冷却工质储罐的压力；

(4)当第三温度传感器的测量温度高于燃烧室壁面温度的设定值时，开启节流阀、第一阀门和第二阀门；

(5)冷却系统工作时，测量冷却工质储罐的压力和温度，测量燃烧室的壁面温度，作为节流阀、第一阀门和第二阀门的控制输入信号，调节阀门开度。

可选地，调节阀门开度的具体操作如下：

当燃烧室的第一组冷却通道处的壁面温度高于燃烧室壁面温度的设定值，且燃烧室的第二组通道处的壁面温度高于燃烧室壁面温度设定值时，增加节流阀的开度；

当燃烧室的第一组冷却通道处的壁面温度高于燃烧室壁面温度设定值，且燃烧室的第二组冷却通道处的壁面温度低于燃烧室壁面温度设定值时，增加第二阀门的开度，减小第一阀门的开度；

当燃烧室的第一组冷却通道处的壁面温度低于燃烧室壁面温度设定值，且燃烧室的第二组冷却通道处的壁面温度低于燃烧室壁面温度设定值时，减小节流阀的开度；

当燃烧室的第一组冷却通道处的壁面温度低于燃烧室壁面温度设定值，且燃烧室的第二组通道处的壁面温度高于燃烧室壁面温度设定值时，增加第一阀门的开度，减小第二阀门的开度；

当冷却工质储罐的压力低于冷却工质储罐压力的设定值时，增加第二阀门的开度；

当冷却工质储罐的压力高于冷却工质储罐压力的设定值时，减小第二阀门的开度。

根据本公开的实施例，采用燃烧室自身的热量来加热储罐内的工质，使得罐内的压力得以维持，确保进入冷却通道的工质的压力高于超临界值。利用阀门和冷却通道数量配合，可以调节进入储罐的工质的流量，进而调节工质在储罐内的换热量，以控制罐内的压力和调节燃烧室的壁面冷却效果。

本公开附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚的说明本公开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。显然，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说，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是根据本公开一个实施例示出的一种固体冲压发动机壁面冷却系统的结构示意图。

图2是根据本公开一个实施例示出的燃烧室壁面冷却通道结构示意图。

图3是传统无加热方法和本发明方法下的储罐内CO2的温度和压力随时间变化。

图4是另一个实施例示出的一种固体冲压发动机壁面冷却系统的结构示意图。

图5是另一个实施例示出的燃烧室壁面冷却通道结构示意图。

图1-图5中，1是冷却工质储罐，2是节流阀，3是第一三通阀，4是第二三通阀，5是固体冲压发动机的燃烧室，6是燃烧室内冷却通道，7是第一阀门，8是固体燃料，9是喷管，10是换热器，11是第二阀门，12是燃烧室通道，13是空气入口段，14是尾喷管，15是压力传感器，16是第一温度传感器，17是第二温度传感器，18是第三温度传感器。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。

在本公开实施例的描述中，术语“内部”、“外部”、“第一”、“第二”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开而不是要求本公开必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

下面参考附图描述根据本公开实施例的固体冲压发动机燃烧室的冷却系统。

图1和图2示出了根据本公开一个实施例的固体冲压发动机燃烧室的冷却系统，包括：

冷却工质储罐1，冷却工质储罐1设置于固体冲压发动机的外部；

换热器10，所述换热器10设置于冷却工质储罐1内部，所述换热器10的进口与燃烧室内冷却通道6出口相连，换热器10的出口与节流阀2的进口相连；

节流阀2，所述节流阀2设置于冷却工质储罐1和冷却通道6之间；

N个冷却通道6，所述N个冷却通道置于固体冲压发动机燃烧室5的壁面壳体，所述N个冷却通道分成两组，每一组冷却通道有单独的进口和出口，其中，第一组N₁个冷却通道的进口与第一三通阀3相连，第一组N₁个冷却通道的出口与换热器10的进口相连，第二组N₂个冷却通道的进口与第二三通阀4相连，第二组N₂个冷却通道的出口与喷管9相连。

本公开的一个实施例中，所述N个冷却通道中的第一组冷却通道共有N₁个冷却通道，第二组冷却通道共有N₂个冷却通道，N＝N₁+N₂，且N₁<N₂。

本公开的一个实施例中，所述冷却工质优选节流降温效应强的工质，比如为二氧化碳。

本公开的一个实施例中，所述换热单元采用螺旋管的形式置于冷却工质储罐。

本公开的第二方面，提出了一种固体冲压发动机燃烧室的冷却方法，包括：

(1)在固体冲压发动机系统中，构建一个冷却系统，包括；

冷却工质储罐1，冷却工质储罐1设置于固体冲压发动机的外部；

换热器10，所述换热器10设置于冷却工质储罐1内部，所述换热器10的进口与燃烧室内冷却通道6出口相连，换热器10的出口与节流阀2的进口相连；

节流阀2，所述节流阀2设置于冷却工质储罐1和冷却通道6之间；

N个冷却通道6，所述N个冷却通道置于固体冲压发动机燃烧室5的壁面壳体，所述N个冷却通道分成两组，每一组冷却通道有单独的进口和出口，其中，第一组N₁个冷却通道的进口与第一三通阀3相连，第一组N₁个冷却通道的出口与换热器10的进口相连，第二组N₂个冷却通道的进口与第二三通阀4相连，第二组N₂个冷却通道的出口与喷管9相连。

(2)固体冲压发动机启动时，工作的前一段时间，本冷却系统不启动，此时关闭节流阀2、第一阀门7和第二阀门11；

(3)分别设定燃烧室的壁面温度和冷却工质储罐的压力；

(4)当第三温度传感器18的测量温度高于燃烧室壁面温度的设定值时，本公开的一个实施例中，燃烧室壁面温度的设定值为500℃)，开启节流阀2、第一阀门7和第二阀门11；冷却系统开始工作，持续降低燃烧室的壁面温度，并且部分冷却吸热后的工质把热量传给储罐内的工质，维持罐内的压力。

(5)冷却系统工作时，测量冷却工质储罐的压力和温度，测量燃烧室的壁面温度，作为节流阀2、第一阀门7和第二阀门11的控制输入信号，调节阀门开度。

本公开的一个实施例中，调节阀门开度的具体操作如下：

当燃烧室的第一组N₁个冷却通道处的壁面温度高于燃烧室壁面温度的设定值，且燃烧室的第二组N₂个冷却通道的壁面温度高于燃烧室壁面温度设定值时，增加节流阀2的开度；使流出储罐的冷却工质的流量增加，增强壁面的冷却，以降低壁面温度；

当燃烧室的第一组N₁个冷却通道处的壁面温度高于燃烧室壁面温度设定值，且燃烧室的第二组N₂个冷却通道处的壁面温度低于燃烧室壁面温度设定值时，增加第二阀门11的开度，减小第一阀门7的开度；使进入第一组N₁个冷却通道的冷却工质流量增加，增强第一组冷却通道的壁面的冷却，以降低壁面温度；进入第二组N₂个冷却通道的冷却工质流量减少，减弱第一组冷却通道的壁面的冷却，以升高壁面温度；

当燃烧室的第一组N₁个冷却通道处的壁面温度低于燃烧室壁面温度设定值，且燃烧室的第二组N₂个冷却通道处的壁面温度低于燃烧室壁面温度设定值时，减小节流阀2的开度；使流出储罐的冷却工质的流量减少，减弱壁面的冷却，以升高壁面温度；

当燃烧室的第一组N₁个冷却通道处的壁面温度低于燃烧室壁面温度设定值，且燃烧室的第二组N₂个冷却通道处的壁面温度高于燃烧室壁面温度设定值时，增加第一阀门7的开度，减小第二阀门11的开度；使进入第一组N₁个冷却通道的冷却工质流量减少，减弱第一组冷却通道的壁面的冷却，以升高壁面温度；使进入第二组N₂个冷却通道的冷却工质流量增加，增强第一组冷却通道的壁面的冷却，壁面温度降低；

当冷却工质储罐的压力低于冷却工质储罐压力的设定值时，增加第二阀门11的开度；使进入换热器的流量增加，增大换热器与储罐内工质的换热量，提升储罐内的工质压力；当冷却工质储罐的压力高于冷却工质储罐压力的设定值时，减小第二阀门11的开度。使进入换热器的流量减少，减小换热器与冷却工质储罐内工质的换热量，减低冷却工质储罐内的工质压力。

本公开的一个实施例中，采用冷却工质储罐存储高压的冷却工质，该冷却工质经过节流阀后形成低压、低温的流体，该流体作为发动机燃烧室的冷却流体，吸收热量后温度升高，一部分吸热后的流体经过喷管喷出，另一部分进入冷却工质储罐内的换热器，该部分工质在冷却工质储罐内与其中的冷却工质进行换热，冷却工质储罐内的冷却工质吸热后温度和压力增加，保证流出冷却工质储罐的工质始终处于超临界压力状态。

本公开的一个实施例中，冷却工质采用二氧化碳，初始状态为：压力15MPa；温度为25℃。冷却工质储罐的体积为100L，排放流量为0.5kg/s。冷却工质在燃烧室壁面吸热后温度为400℃。燃烧室的第一组冷却通道和第二组冷却通道的数量比为：N₁:N₂＝1:4。

通过理论分析计算可以得到燃烧室壁面第一组冷却通道内的二氧化碳的质量流量为0.1kg/s，吸热量为93.75kW；第二组冷却通道内的二氧化碳的质量流量为0.4kg/s，吸热量为450kW。换热器内的二氧化碳与冷却工质储罐内二氧化碳的换热量为35kW，冷却工质储罐内二氧化碳吸热后的压力提升，与常规不采用本发明的技术相比，冷却工质储罐内二氧化碳在不同时间的温度和压力如图3所示，可以看到，本公开可以显著提高相同条件下的冷却工质储罐的排放时间(从22s增加到80s)，达到增加冷却系统的吸热量的目的。

以下结合图4和图5介绍本公开固体冲压发动机燃烧室的冷却系统的第二个实施例。

如图4和图5中所示，其中的冷却通道6不分成两组，所有的冷却通道的进口汇集到一个进口，所有的冷却通道的出口汇集到一个出口。从冷却工质储罐1出来的冷却工质与换热器10出来的冷却工质在第一三通阀3处汇合，汇合后流入冷却通道6。从冷却通道6的出口流出的冷却工质在第二三通阀4处分为两路，第一路进入换热器10，第二路进入喷管9。第一路内的冷却工质流量要小于第二路。

图4和图5示出的实施例1与图1和图2示出的实施例2相比，其差别是，实施1更加利于控制储罐内的冷却工质压力；实施2中，由于冷却工质一起进入到冷却通道，可以保证壁面各处温度的一致性。因此实施例1和实施例2各有其优点。

Claims (6)

1.一种固体冲压发动机燃烧室的冷却系统，其特征在于，包括：

冷却工质储罐，冷却工质储罐设置于固体冲压发动机的外部；

换热器，所述换热器设置于高压冷却工质储罐内部，所述换热器的进口与燃烧室冷却通道出口相连，换热器的出口与节流阀的进口相连；

节流阀，所述节流阀设置于储罐和冷却通道之间；以及

N个冷却通道，所述N个冷却通道置于固体冲压发动机燃烧室的壁面壳体，所述N个冷却通道分成两组，每一组冷却通道有单独的进口和出口，其中，第一组冷却通道的进口与第一三通阀相连，第一组冷却通道的出口与换热器的进口相连，第二组冷却通道的进口与第二三通阀4相连，第二组冷却通道的出口与喷管相连。

2.根据权利要求1所述的固体冲压发动机燃烧室的冷却系统，其特征在于，所述N个冷却通道中的第一组冷却通道共有N₁个冷却通道，第二组冷却通道共有N₂个冷却通道，N＝N₁+N₂，且N₁<N₂。

3.根据权利要求1所述的固体冲压发动机燃烧室的冷却系统，其特征在于，所述冷却工质为二氧化碳。

4.根据权利要求1所述的固体冲压发动机燃烧室的冷却系统，其特征在于，所述换热单元采用螺旋管的形式置于冷却工质储罐。

5.一种固体冲压发动机燃烧室的冷却方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)在固体冲压发动机系统中构建如权利要求1-4中的任一个权利要求所述的冷却系统；

(2)固体冲压发动机启动时，关闭节流阀、第一阀门和第二阀门；

(3)分别设定燃烧室的壁面温度和冷却工质储罐的压力；

(4)当第三温度传感器的测量温度高于燃烧室壁面温度的设定值时，开启节流阀、第一阀门和第二阀门；(5)冷却系统工作时，测量冷却工质储罐的压力和温度，测量燃烧室的壁面温度，作为节流阀、第一阀门和第二阀门的控制输入信号，调节阀门开度。

6.根据权利要求5的固体冲压发动机燃烧室的冷却方法，其特征在于，所述步骤(5)中调节阀门开度的具体操作如下：

当燃烧室的第一组冷却通道处的壁面温度高于燃烧室壁面温度的设定值，且燃烧室的第二组通道处的壁面温度高于燃烧室壁面温度设定值时，增加节流阀的开度；

当燃烧室的第一组冷却通道处的壁面温度高于燃烧室壁面温度设定值，且燃烧室的第二组冷却通道处的壁面温度低于燃烧室壁面温度设定值时，增加第二阀门的开度，减小第一阀门的开度；

当燃烧室的第一组冷却通道处的壁面温度低于燃烧室壁面温度设定值，且燃烧室的第二组冷却通道处的壁面温度低于燃烧室壁面温度设定值时，减小节流阀的开度；

当燃烧室的第一组冷却通道处的壁面温度低于燃烧室壁面温度设定值，且燃烧室的第二组通道处的壁面温度高于燃烧室壁面温度设定值时，增加第一阀门的开度，减小第二阀门的开度；

当冷却工质储罐的压力低于冷却工质储罐压力的设定值时，增加第二阀门的开度；

当冷却工质储罐的压力高于冷却工质储罐压力的设定值时，减小第二阀门的开度。

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