CN114508425B - 一种基于换热、射流及补氧的发动机进口空气冷却方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于换热、射流及补氧的发动机进口空气冷却方法，涉及航空航天动力技术领域，其技术方案要点是：包括以下步骤：S1、计算确定所需冷却剂和氧化剂的质量流量；S2、将冷却剂和氧化剂分别流经热交换器，依次与发动机进口空气对流换热，完成空气的初步冷却，然后将吸热后的高温液态冷却剂和气态氧化剂混合后喷入空气，喷雾蒸发吸热，实现对发动机进口空气的最终冷却。本发明将换热后的冷却剂和氧化剂混合后喷入空气，通过温度升高减小粘性、气泡雾化增强破碎和闪急沸腾快速汽化的作用，减小液滴尺寸以提高蒸发率，提升冷却效率；同时，氧化剂的喷注可提高发动机燃烧室内氧含量，防止冷却剂流量过高时燃烧不稳定现象的发生。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天动力技术领域，更具体地说，它涉及一种基于换热、射流及补氧的发动机进口空气冷却方法。
背景技术
随着航空涡轮发动机工作马赫数的提高，进口空气总温不断增大，带来压气机工作温度超限、热力循环性能下降等一系列问题，限制了发动机的工作包线，需要采取一定的措施来提高涡轮发动机的工作马赫数。空气预冷技术在近年来得到了广泛研究，在传统涡轮发动机前增加预冷装置，冷却压气机进口空气，可防止空气温度超过压气机工作上限，并可使压气机相对换算转速提高，增大发动机进气质量流量，从而增大推力，达到拓展飞行包线和提高发动机性能的目标，满足高马赫数飞行的动力需求。现有航空涡轮发动机一般工作至马赫数2(Ma2)，可通过对进口空气进行冷却以提高其工作马赫数。
目前，现有技术的方案中，对发动机进口空气实现预冷的方案主要包括射流预冷方案和换热预冷方案。其中，射流预冷方案主要通过注入水的蒸发吸热降温，其喷注装置结构简单，发动机改动不大，方案可行性高，但是，在发动机工作的条件下，射流液滴蒸发率低，需要注入过量的水才能够达到冷却要求。当发动机工作马赫数较高时，冷却水的注入量过大，使得氧气含量明显降低，容易造成燃烧室熄火，此时需要同时注入氧化剂以提高空气中的氧含量，提高燃烧室工作稳定性。现有方案中，在注入水的同时注入液氧、过氧化氢等工质，二者分别进行喷注雾化蒸发。由于液氧等工质温度低，可能造成水蒸气凝结。换热预冷方案通过在压气机前布置换热器来冷却来流空气，冷却剂通常选择低温氦气、液氢、液甲烷等低温工质。该方案不改变空气组分，换热效果好，但是换热器结构复杂，空气流动损失较大，低温冷却剂容易造成换热管外壁结霜，对通道造成堵塞，进一步增大空气流动损失。此外，换热预冷方案通常改变发动机原有热力循环，需要对发动机进行适应性改造，同时换热器高效低阻轻质的设计要求使其加工制造工艺难度大，需要开展关键技术攻关。
因此，本发明旨在设计提供一种基于换热、射流及补氧的发动机进口空气冷却方法，以解决上述问题。本专利由中国空气动力研究与发展中心基础和前沿技术研究基金PJD20190219支持。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于换热、射流及补氧的发动机进口空气冷却方法，本发明的方法通过“换热+射流+补氧”的方式，将冷却剂和氧化剂分别通入热交换器，依次与发动机进口空气对流换热，完成空气的初步冷却，同时冷却剂吸热升温至高温液相状态，其温度高于发动机进口空气压力对应的饱和温度，氧化剂吸热完全汽化，然后将高温液态的冷却剂和汽化的氧化剂混合后喷注进入空气，射流喷雾蒸发吸热完成发动机进口空气的最终冷却，冷却剂粘性和表面张力随温度升高而减小，可促使产生更小液滴，冷却剂和氧化剂混合后喷注形成气泡雾化可增强射流和液滴破碎，高温冷却剂由于压力突降进入过热状态，经历闪急沸腾使液滴内部和表面快速汽化，从而达到温度升高、气泡雾化和闪急沸腾的三重作用，可大大减小液滴尺寸，缩短蒸发时间和蒸发距离，从而提高蒸发率，使得蒸发器尺寸相比以往方案减小，空气冷却效率显著提高；同时，氧化剂的喷注可有效提高发动机燃烧室内氧含量，从而防止冷却剂流量过高时燃烧不稳定现象的发生，能够进一步提高发动机工作马赫数。
本发明中，冷却剂在热交换器内吸热温度升高，但没有发生相变，保持为高温液相状态，随后冷却剂由热交换器喷注进入空气的过程中压力急剧下降，对应的饱和温度降低，由于冷却剂温度高于空气压力对应的饱和温度，冷却剂进入过热状态，会发生闪急沸腾。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于换热、射流及补氧的发动机进口空气冷却方法，具体包括以下步骤：
S1、根据发动机进口空气的冷却要求，由能量守恒定律计算确定所需冷却剂和氧化剂的质量流量，由空气的冷却要求可得冷却总功率Q，计算公式(1)为：
Q＝ma·Cpa·(Ta1-Ta2) (1)，
其中，ma为发动机进口空气质量流量，Ta1为发动机进口空气温度，Ta2为要求冷却至的温度，Cpa为空气定压比热；根据能量守恒定律，冷却剂和氧化剂总吸热功率等于Q，由以下公式(2)(3)(4)计算：
Q＝mw·Δhw+mx·Δhx (2)
Δhw＝hw(Tw2)-hw(Tw1)＝Cpwl·(Tws-Tw1)+Ltw+Cpwg·(Tw2-Tws) (3)，
Δhx＝hx(Tx2)-hx(Tx1)＝Cpxl·(Txs-Tx1)+Ltx+Cpxg·(Tx2-Txs) (4)，
其中，mw为冷却剂质量流量，mx为氧化剂质量流量，Δhw单位质量冷却剂最终温度与初始温度的焓差，Δhx为单位质量氧化剂最终温度与初始温度的焓差，Tw1为冷却剂初始温度，Tx1为氧化剂初始温度，Tw2为冷却剂最终温度，Tx2为氧化剂最终温度，理论上冷却剂和氧化剂最终温度与空气冷却后的温度相等，即Tw2＝Tx2＝Ta2；Cpwl为液态冷却剂的定压比热，Cpwg为气态冷却剂的定压比热，Tws为发动机进口空气压力Pa1对应的冷却剂的饱和温度，Ltw为冷却剂的汽化潜热，Cpxl为液态氧化剂的定压比热，Cpxg为气态氧化剂的定压比热，Txs为Pa1(发动机进口空气压力)对应的氧化剂的饱和温度，Ltx为氧化剂的汽化潜热，氧化剂与冷却剂质量流量比为
冷却剂和氧化剂质量流量分别由以下公式(5)和公式(6)求解：
其中，氧化剂与冷却剂质量流量比
S2、根据步骤S1，将冷却剂和氧化剂分别流经热交换器，依次与发动机进口高温空气对流换热，完成空气的初步冷却，同时冷却剂吸热升温至高温液相状态，其温度高于发动机进口空气压力对应的饱和温度，氧化剂吸热后完全汽化，然后将高温液态的冷却剂和气态氧化剂混合后喷注至发动机进口空气，射流喷雾在高温空气中蒸发吸热，实现对发动机进口的高温空气的最终冷却。
进一步地，步骤S2中将冷却剂流经热交换器与高温空气对流换热过程中，还包括确定冷却剂热交换器热力方案参数，采用平均温差法，具体方法为：根据冷却剂进出口温度和空气进口温度，由公式(7)：
Q1＝mw·Cpwl·(Tw11-Tw1) (7)
计算确定热交换器功率Q1，其中Tw11为热交换器出口冷却剂温度，然后根据能量守恒定律由以下公式(8)：
计算确定热交换器出口空气温度Ta11，然后高温空气和冷却剂之间的换热平均温差ΔT采用对数平均温差，由以下公式(9)：
计算求解，然后选择热交换器的换热管管径、管间距等结构参数，并根据热交换器设计手册，确定对流换热系数htr，根据以下公式(10)：
计算确定换热面积A。
进一步地，步骤S2中将氧化剂流经热交换器与高温空气对流换热过程中，还包括确定氧化剂热交换器热力方案参数，根据相变热交换器设计手册开展氧化剂热交换器热力方案设计，由于氧化剂在热交换器中依次经历液相升温、相变汽化和气相升温三个阶段，分段确定空气和氧化剂之间的换热功率、换热系数和平均换热温差，进一步确定热交换器换热面积等热力参数。
进一步地，所述冷却剂采用水，且所述冷却剂的入口压力大于等于1MPa，所述氧化剂采用液氧，且所述氧化剂的入口压力大于等于1MPa。
进一步地，所述冷却剂热交换器出口的冷却剂处于高温液相状态，其温度高于进口空气压力对应的饱和温度，且温差大于等于20K，即冷却剂温度Tw11≥Tws+20，且空气在热交换器内流动速度小于30m/s。
进一步地，所述氧化剂热交换器出口的氧化剂完全汽化，其温度大于等于高温液态冷却剂的温度，即Tx11≥Tw11，且空气在热交换器内流动速度小于30m/s。
进一步地，步骤S2中，冷却剂与发动机进口空气质量流量之比小于等于0.3。
在本发明的上述方案中，对发动机进口的高温空气冷却的过程包括两个阶段，第一阶段空气依次流经冷却剂热交换器和氧化剂热交换器，与热交换器内的冷却剂和氧化剂进行对流换热，第二阶段将高温液态冷却剂和气态氧化剂混合后喷射进入空气后蒸发吸热，冷却剂在第二阶段内经历气泡雾化、闪急沸腾、对流蒸发等过程。其中，为了减小热交换器内空气的流动损失，适当增加空气流动截面积，降低热交换器内空气流动速度，第一阶段在热交换器内空气流动速度小于30m/s，流动损失小于3％。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的方法通过“换热+射流+补氧”的方式，冷却剂和氧化剂分别在热交换器中与发动机进口的高温空气对流换热，完成高温空气的初步冷却，将对流换热后的高温液态冷却剂和气态氧化剂混合后喷注进入空气，喷雾蒸发吸热完成发动机进口空气的最终冷却，射流喷注过程采用气泡雾化方案，冷却剂温度升高可以减小粘度和表面张力，气泡雾化过程中气泡的膨胀促使冷却剂破碎成更小的液滴，冷却剂由于压力突降进入过热状态，发生闪急沸腾使液体内部和表面快速汽化，最终达到温度升高、气泡雾化和闪急沸腾的三重作用，可大大减小液滴尺寸，缩短蒸发时间和蒸发距离，从而提高蒸发率，使得蒸发器尺寸相比以往方案减小，空气冷却效率显著提高；
2、在本发明的方法中，氧化剂的喷注可有效提高发动机燃烧室内含氧量，从而防止射流流量过高时燃烧不稳定现象的发生，进一步提高发动机工作马赫数。
附图说明
图1是本发明实施例中的流程图。
具体实施方式
以下结合附图1对本发明作进一步详细说明。
实施例：一种基于换热、射流及补氧的发动机进口空气冷却方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
S1、根据发动机进口空气的冷却要求，计算确定所需冷却剂和氧化剂的质量流量。由空气的进口温度和冷却要求可得冷却总功率Q，计算公式(1)为：
Q＝ma·Cpa·(Ta1-Ta2) (1)，
其中，ma为发动机进口空气质量流量，Ta1为发动机进口空气温度，Ta2为要求冷却至的温度，Cpa为空气定压比热；根据能量守恒定律，冷却剂和氧化剂总吸热功率等于Q，计算公式(2)为：
Q＝mw·Δhw+mx·Δhx (2)
Δhw＝hw(Tw2)-hw(Tw1)＝Cpwl·(Tws-Tw1)+Ltw+Cpwg·(Tw2-Tws) (3)，
Δhx＝hx(Tx2)-hx(Tx1)＝Cpxl·(Txs-Tx1)+Ltx+Cpxg·(Tx2-Txs) (4)，
其中，mw为冷却剂质量流量，mx为氧化剂质量流量，Δhw单位质量冷却剂最终温度与初始温度的焓差，Δhx为单位质量氧化剂最终温度与初始温度的焓差，Tw1为冷却剂初始温度，Tx1为氧化剂初始温度，Tw2为冷却剂最终温度，Tx2为氧化剂最终温度，理论上冷却剂和氧化剂最终温度与空气冷却后的温度相等，即Tw2＝Tx2＝Ta2；Cpwl为液态冷却剂的定压比热，Cpwg为气态冷却剂的定压比热，Tws为发动机进口空气压力Pa1对应的冷却剂的饱和温度，Ltw为冷却剂的汽化潜热，Cpxl为液态氧化剂的定压比热，Cpxg为气态氧化剂的定压比热，Txs为Pa1(发动机进口空气压力)对应的氧化剂的饱和温度，Ltx为氧化剂的汽化潜热，氧化剂与冷却剂质量流量比为
冷却剂和氧化剂质量流量分别由以下公式(5)和公式(6)求解：
其中，氧化剂与冷却剂质量流量比
S2、根据步骤S1，将冷却剂和氧化剂分别流经热交换器，依次与发动机进口高温空气对流换热，完成空气的初步冷却，同时冷却剂吸热升温至高温液相状态，其温度大于进口空气压力对应的饱和温度，氧化剂吸热后完全汽化，然后将高温液态冷却剂和气态氧化剂混合后喷注至发动机进口空气，射流喷雾在高温空气中蒸发吸热，实现对发动机进口的高温空气的最终冷却。冷却剂采用水，且冷却剂的入口压力大于等于1MPa，氧化剂采用液氧，且氧化剂的入口压力大于等于1MPa。其中，冷却剂热交换器出口的冷却剂温度高于进口空气压力对应的饱和温度，且温差大于等于20K，即冷却剂温度Tw11≥Tws+20，氧化剂热交换器出口的氧化剂温度大于等于高温液态冷却剂的温度，即氧化剂温度Tx11≥Tw11。
其中，步骤S2中将冷却剂流经热交换器与高温空气对流换热过程中，还包括确定冷却剂热交换器热力方案参数(本发明的实施例中选择管束式热交换器)，采用平均温差法，具体方法为：根据冷却剂进出口温度和空气进口温度，由公式(7)：
Q1＝mw·Cpwl·(Tw11-Tw1) (7)
计算确定热交换器功率Q1，其中Tw11为热交换器出口冷却剂温度，然后根据能量守恒定律由以下公式(8)：
计算确定热交换器出口空气温度Ta11，然后空气和冷却剂之间的换热平均温差ΔT采用对数平均温差，由以上公式(9)：
计算求解，分为逆流换热和顺流换热两种方式。然后选择热交换器的换热管管径、管间距结构参数，并根据热交换器设计手册，确定对流换热系数htr，根据以下公式(10)：
计算确定换热面积A。
其中，步骤S2中将氧化剂流经热交换器与高温空气对流换热过程中，还包括确定氧化剂热交换器热力方案参数，具体方法为：根据相变热交换器设计手册开展氧化剂热交换器热力方案设计，由于氧化剂在热交换器中依次经历液相升温、相变汽化和气相升温三个阶段，分段确定空气和氧化剂之间的换热功率、换热系数和平均换热温差，进一步确定热交换器换热面积等热力参数。
其中，步骤S2中Tw1为冷却剂的初始温度，冷却剂流经热交换器加热升温至Tw11，Tx1为氧化剂的初始温度，氧化剂流经热交换器加热升温至Tx11，冷却剂和氧化剂混合喷注进入空气蒸发吸热，液滴完全汽化后，温度继续升高，最终的冷却剂温度Tw2、最终的氧化剂温度Tx2均与空气要求冷却至的温度Ta2相等。并且，氧化剂与冷却剂的质量流量比为0.1～0.3，冷却剂与发动机进口空气质量流量之比小于等于0.3，发动机进口空气温度Ta1的范围为400～1200K，发动机进口空气压力Pa1范围为0.1～0.3MPa，发动机进口空气冷却后的温度Ta2的范围为390～420K(Ma2工况发动机进口空气总温为390K)。
在本实施例中，为了减小热交换器内空气的流动损失，适当增加空气侧流动截面积，降低热交换器内空气流动速度，空气在热交换器内流动速度小于30m/s，流动损失小于3％。
在本发明的实施例中，步骤S2中将高温液态冷却剂和气态氧化剂混合后喷入空气，经过气泡雾化、闪急沸腾、对流蒸发等过程，完成空气冷却。本发明中，冷却剂流经热交换器被加热至高温液相状态，其温度高于进口空气压力对应的饱和温度，喷注后冷却剂由于压力突降进入过热状态，液滴经历闪急沸腾，液滴内部和表面快速汽化，液滴温度迅速下降至饱和温度，并进一步快速下降至平衡温度，进入平衡蒸发阶段，等到液滴完全汽化后，蒸汽温度继续升高，最终与空气相等。
步骤S2中冷却剂喷注装置选择气泡雾化喷嘴，根据喷嘴设计手册完成设计，包括结构尺寸以及工况参数。该阶段喷注气液两相流，温度的提高使得冷却剂粘性和表面张力减小，气泡雾化过程中气泡的膨胀使冷却剂破碎成更小的液滴，并且闪急沸腾过程完成了液滴的快速汽化，大大减小了液滴尺寸，达到温度升高、气泡雾化和闪急沸腾的三重作用，蒸发时间和蒸发距离缩短，从而有效提高蒸发率并缩短蒸发器尺寸。
冷却剂喷注后液滴初始温度为Tw11，粒径Dd，液滴初始质量Md由公式：
求得，其中ρ为冷却剂密度，闪急沸腾汽化过程所需的热量来自于液滴的过热焓ΔHd，即液滴温度超过饱和温度的部分对应的焓，见公式：
ΔHd＝Md·Cpwl·(Tw11-Tws) (12)，
闪急沸腾过程的蒸发量为由公式：
求得，冷却剂液滴在闪急沸腾过程中汽化的质量比例α由公式：
求得，冷却剂过热度越高，闪急沸腾越剧烈。
工作原理：在本发明的方案中，将冷却剂水流入热交换器，与外部流动的高温空气进行对流换热，冷却剂吸热升温至高温液相状态，其温度大于空气压力对应的饱和温度；氧化剂液氧流入热交换器，与冷却剂热交换器出口的空气进行对流换热，氧化剂吸热完全汽化；吸热后的高温液态冷却剂和气态氧化剂混合后喷注进入空气，蒸发吸热完成空气冷却。该方案中，冷却剂温度的升高使其粘性和表面张力减小，射流喷注过程采用气泡雾化促使冷却剂破碎成更小的液滴，冷却剂由于压力突降进入过热状态，液滴经闪急沸腾快速汽化，达到温度升高、气泡雾化和闪急沸腾的三重作用，可大大减小液滴尺寸，缩短蒸发时间和蒸发距离，从而提高蒸发率，使得蒸发器尺寸相比以往方案减小，空气冷却效率显著提高；同时氧的喷注可有效提高发动机燃烧室内含氧量，防止射流流量过高时燃烧不稳定现象的发生，进一步提高发动机工作马赫数。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (7)
1.一种基于换热、射流及补氧的发动机进口空气冷却方法，其特征是：具体包括以下步骤：
S1、根据发动机进口空气的冷却需求，由能量守恒定律计算确定所需冷却剂和氧化剂的质量流量，由空气的冷却要求可得冷却总功率Q，计算公式(1)为：
Q＝ma·Cpa·(Ta1-Ta2) (1)，
其中，ma为发动机进口空气质量流量，Ta1为发动机进口空气温度，Ta2为空气被冷却后的温度，Cpa为空气定压比热；根据能量守恒定律，冷却剂和氧化剂吸热总功率等于Q，由以下公式(2)(3)(4)计算：
Q＝mw·Δhw+mx·Δhx (2)，
Δhw＝hw(Tw2)-hw(Tw1)＝Cpwl·(Tws-Tw1)+Ltw+Cpwg·(Tw2-Tws) (3)，
Δhx＝hx(Tx2)-hx(Tx1)＝Cpxl·(Txs-Tx1)+Ltx+Cpxg·(Tx2-Txs) (4)，
其中，mw为冷却剂质量流量，mx为氧化剂质量流量，Δhw单位质量冷却剂最终温度与初始温度的焓差，Δhx为单位质量氧化剂最终温度与初始温度的焓差，Tw1为冷却剂初始温度，Tx1为氧化剂初始温度，Tw2为冷却剂最终温度，Tx2为氧化剂最终温度，理论上冷却剂和氧化剂最终温度与空气冷却后的温度相等，即Tw2＝Tx2＝Ta2；Cpwl为液态冷却剂的定压比热，Cpwg为气态冷却剂的定压比热，Tws为发动机进口空气压力Pa1对应的冷却剂的饱和温度，Ltw为冷却剂的汽化潜热，Cpxl为液态氧化剂的定压比热，Cpxg为气态氧化剂的定压比热，Txs为Pa1对应的氧化剂的饱和温度，Ltx为氧化剂的汽化潜热，氧化剂与冷却剂质量流量比为
冷却剂和氧化剂质量流量分别由以下公式(5)和公式(6)求解：
其中，氧化剂与冷却剂质量流量比
S2、将冷却剂和氧化剂分别通入热交换器，依次与发动机进口空气对流换热，完成空气的初步冷却，同时冷却剂吸热升温至高温液相状态，其温度高于发动机进口空气压力对应的饱和温度，氧化剂吸热完全汽化，然后将高温液态冷却剂和气态氧化剂混合后喷注进入空气，射流喷雾蒸发吸热完成发动机进口空气的最终冷却。
2.根据权利要求1所述的一种基于换热、射流及补氧的发动机进口空气冷却方法，其特征是：步骤S2中将冷却剂流经热交换器与高温空气对流换热过程中，还包括确定冷却剂热交换器热力方案参数，采用平均温差法，具体方法为：根据冷却剂进出口温度和空气进口温度，由公式(7)：
Q1＝mw·Cpwl·(Tw11-Tw1) (7)
计算确定冷却剂热交换器功率Q1，其中Tw11为热交换器出口冷却剂温度，然后根据能量守恒定律由以下公式(8)：
计算确定冷却剂热交换器出口空气温度Ta11，然后高温空气和冷却剂之间的换热平均温差ΔT采用对数平均温差，由以下公式(9)：
计算求解，然后选择热交换器的换热管管径、管间距等结构参数，并根据热交换器设计手册，确定对流换热系数htr，根据以下公式(10)：
计算确定换热面积A。
3.根据权利要求1所述的一种基于换热、射流及补氧的发动机进口空气冷却方法，其特征是：步骤S2中将氧化剂流经热交换器与高温空气对流换热过程中，还包括确定氧化剂热交换器热力方案参数，具体方法为：根据相变热交换器设计手册开展氧化剂热交换器热力方案设计，由于氧化剂在热交换器中依次经历液相升温、相变汽化和气相升温三个阶段，分段确定空气和氧化剂之间的换热功率、换热系数和平均换热温差，进一步确定氧化剂热交换器换热面积等热力参数。
4.根据权利要求1所述的一种基于换热、射流及补氧的发动机进口空气冷却方法，其特征是：所述冷却剂采用水，且所述冷却剂的入口压力大于等于1MPa，所述氧化剂采用液氧，且所述氧化剂的入口压力大于等于1MPa。
5.根据权利要求2所述的一种基于换热、射流及补氧的发动机进口空气冷却方法，其特征是：所述冷却剂热交换器出口的冷却剂处于高温液相状态，其温度高于进口空气压力对应的饱和温度，且温差大于等于20K，即冷却剂温度Tw11≥Tws+20,且空气在热交换器内流动速度小于30m/s。
6.根据权利要求3所述的一种基于换热、射流及补氧的发动机进口空气冷却方法，其特征是：所述氧化剂热交换器出口的氧化剂完全汽化，其温度大于等于换热后高温液态冷却剂的温度，即Tx11≥Tw11，且空气在热交换器内流动速度小于30m/s。
7.根据权利要求1所述的一种基于换热、射流及补氧的发动机进口空气冷却方法，其特征是：步骤S2中，冷却剂与发动机进口空气质量流量之比小于等于0.3。
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