CN114165325B - 水下动力装置的大尺度换热系统及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于水下动力装置的大尺度换热系统，属于换热器设计技术领域。本发明通过换热翅片对流体进行整流，保证在大尺度换热结构内流动均匀，能够防止流动死区导致局部过热；换热翅片槽道结构尺寸小，大大提高了换热系统在高温下的承压能力；换热系统布局基于燃烧室结构设计，与燃烧室参数耦合设计，大程度降低了燃烧换热系统结构尺寸。

Description

水下动力装置的大尺度换热系统及设计方法
技术领域
本发明属于换热器设计技术领域，具体涉及一种用于水下动力装置的大尺度换热系统。
背景技术
Li/SF6燃烧换热系统作为一种水下动力装置的重要组成部分，其特性在于高能量密度和高比能，并且在常压下其产物保持固态特征，可实现真正闭式循环。然而Li/SF6反应十分剧烈，燃烧室壳体外壁面温度可达1000K以上。
换热系统作为Li/SF6燃烧换热系统的一部分，其作用有如下两个：一是换热系统内工质从壳体壁面吸热升温，以进入下一部件做功；二是降低壳体壁面温度，保护燃烧室安全稳定运行，起热防护的作用。燃烧系统尺寸量级约1米，换热系统总体布局需基于燃烧室结构设计，并带有进气排气结构。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种为大尺度燃烧室匹配的换热系统结构，换热系统内流动换热均匀，满足换热指标要求，满足强度要求。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于水下动力的大尺度换热系统设计方法，该方法中，将该系统设计为包括燃烧室底面、燃烧室侧壁、布置在燃烧室侧壁外围且距离燃烧室底面一定距离的排气集管，与燃烧室底面几何中心连通的进气集管，在燃烧室底面及燃烧室侧壁布置平直翅片，冷却工质可由所述进气集管进气，在燃烧室底面进行换热及分流，均匀分流至燃烧室侧壁底部，然后在燃烧室侧壁由下至上流动，最后汇集至所述排气集管。
优选地，在燃烧室底面布置四部分所述平直翅片，未布置平直翅片的通道呈X形，形成X形流路，使得冷却工质由燃烧室底面中心进入后向X形流路分流，同时沿各平直翅片的通道向各边分流，冷却工质在平直翅片中以垂直于燃烧室底面矩形边的方向流动。
优选地，所述平直翅片的规格设计为节距sf＝2mm，高度 hf＝2.5mm。
优选地，设计由燃烧室底面、燃烧室侧壁围成的燃烧室截面尺寸为1500mm*700mm。
优选地，所述进气集管的入口设计为法兰结构。
优选地，所述排气集管的出口设计为法兰结构。
本发明还提供了一种利用所述方法设计得到的大尺度换热系统。
优选地，所述系统为Li/SF6燃烧换热系统。
本发明还提供了一种所述换热系统的工作方法。
本发明还提供了一种水下动力装置，包括所述的换热系统。
(三)有益效果
本发明通过换热翅片对流体进行整流，保证在大尺度换热结构内流动均匀，能够防止流动死区导致局部过热；换热翅片槽道结构尺寸小，大大提高了换热系统在高温下的承压能力；换热系统布局基于燃烧室结构设计，与燃烧室参数耦合设计，大程度降低了燃烧换热系统结构尺寸。
附图说明
图1为本发明设计的燃烧换热系统结构示意图；
图2为本发明设计的燃烧换热系统左视图；
图3a、图3b为本发明设计的燃烧换热系统剖视图；
图4为本发明设计的燃烧室底部均匀分流结构模型；
图5为本发明设计的排气集管结构。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提供的一种用于水下动力装置的大尺度换热系统总体布局基于燃烧室结构设计，燃烧换热系统结构示意图见图1，包括燃烧室底面、燃烧室侧壁、布置在燃烧室侧壁外围且距离燃烧室底面一定距离的排气集管，与燃烧室底面几何中心连通的进气集管；其中由燃烧室底面、燃烧室侧壁围成的燃烧室截面尺寸为1500mm*700mm，主要换热区域为燃烧室底面及燃烧室侧壁，在燃烧室底面及燃烧室侧壁布置平直翅片；
冷却工质在换热结构内的流动方向如图2、图3中箭头所示。冷却工质由所述进气集管进气，在燃烧室底面进行换热及分流，均匀分流至燃烧室侧壁底部，然后在燃烧室侧壁由下至上流动，最后汇集至所述排气集管。
布置平直翅片后形成的燃烧室底面均匀分流结构模型如图4所示，在燃烧室底面形成X形流路设计，在各流路分支间布置共四部分所述平直翅片，气流由燃烧室底面中心进入后向X形流路分流，同时沿各平直翅片的通道向各边分流，气流在平直翅片中以垂直于矩形边的方向流动，均匀分流的同时也增大了底部的换热面积，从而提高了进气通道的承压能力。
其中，四部分平直翅片按图4所示布置，未布置平直翅片的通道呈X形，目的是平衡由燃烧室底面中心到矩形四条边上各点的压力损失，流动损失包括沿程损失和局部损失，通过该均匀分流结构设计，使流体流路越长，沿程损失越大，局部损失越小；流体流路越短，沿程损失越小，局部损失越大，因此冷却工质由燃烧室底面中心进入后，在矩形平面内均匀流动，同时，布置平直翅片后大大提高了冷却工质与燃烧室壳体的换热面积，换热器吸热能力提高，使燃烧室壳体壁温降低。平直翅片规格的选择需与燃烧室参数耦合，防止壁面超温，同时考虑流阻要求，高温高压下的结构强度要求等，平直翅片规格设计为节距sf＝2mm，高度hf＝2.5mm，十分细密，布置在燃烧室壳体与盖板之间，同时还能起加强筋的作用，大大提高了进气通道在高温高压下的承压能力。
燃烧室侧壁的排气集管模型如图5所示，四个燃烧室侧壁所有的平直翅片通道的流体最后都进入排气集管，在排气集管内流动最终汇集至排气集管的法兰出口，流体在排气集管内的流动方向如箭头所示。
通过对图4所示矩形中心向四周均匀分流的进气导流模型进行仿真，可得到流场流线图，分流较均匀。同时，由计算得该汇流方案在设计点的总压恢复系数为99.6％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于水下动力的大尺度换热系统设计方法，其特征在于，该方法中，将该系统设计为包括燃烧室底面、燃烧室侧壁、布置在燃烧室侧壁外围且距离燃烧室底面一定距离的排气集管，与燃烧室底面几何中心连通的进气集管，在燃烧室底面及燃烧室侧壁布置平直翅片，冷却工质可由所述进气集管进气，在燃烧室底面进行换热及分流，均匀分流至燃烧室侧壁底部，然后在燃烧室侧壁由下至上流动，最后汇集至所述排气集管；
在燃烧室底面布置四部分所述平直翅片，未布置平直翅片的通道呈X形，形成X形流路，使得冷却工质由燃烧室底面中心进入后向X形流路分流，同时沿各平直翅片的通道向各边分流，冷却工质在平直翅片中以垂直于燃烧室底面矩形边的方向流动。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述平直翅片的规格设计为节距sf＝2mm，高度hf＝2.5mm。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设计由燃烧室底面、燃烧室侧壁围成的燃烧室截面尺寸为1500mm*700mm。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进气集管的入口设计为法兰结构。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述排气集管的出口设计为法兰结构。
6.一种利用权利要求1至5中任一项所述方法设计得到的大尺度换热系统。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统为Li/SF6燃烧换热系统。
8.一种如权利要求6或7所述系统的工作方法。
9.一种水下动力装置，其特征在于，包括如权利要求6或7所述的系统。
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