CN118934261A - 一种适用于超燃冲压发动机的复合再生冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超燃冲压发动机的技术领域，具体是一种适用于超燃冲压发动机的复合再生冷却系统，包括按照冷却介质的流向管道连接的增压泵、冷却器、压缩机、回热器、涡轮装置以及复合冷却通路；其中，所述冷却介质包括超临界CO₂和煤油，所述复合冷却通路包括彼此交错设置设置于发动机燃烧室壁面处的第一冷却通道和第二冷却通道，按照所述发动机燃烧室壁面从内到外的方向，设置于内侧的是所述第二冷却通道，设于外侧的是所述第一冷却通道，且所述第二冷却通道内流通的冷却介质为煤油，所述第一冷却通道内流通的冷却介质为超临界CO₂，且二者的流动方向彼此相反，通过本发明的技术方案达到对超燃冲压发动机效率提升的目的。

Description

一种适用于超燃冲压发动机的复合再生冷却系统

技术领域

本发明涉及超燃冲压发动机的技术领域，具体是一种适用于超燃冲压发动机的复合再生冷却系统。

背景技术

超临界二氧化碳(SCO2)以其卓越的热性能和质量输送特性，成为冷却介质的理想选择，特别是在传统煤油供应不足的高马赫数飞行情况下。

SCO2的密度接近液体，做功能力强，传热效率高，能有效降低换热器面积，从而促进飞行器换热系统轻量化设计。其粘性接近气体，保证了良好的流动性和扩散性，降低了系统的循环损耗。其不发生相变的特性有利于避免微通道换热器中的高压降和堵塞问题。此外，SCO2的临界压力和温度相对较低，使其更易于在工程项目中实现。无毒、不可燃、良好的化学稳定性、环保和成本低廉等特点，也使其成为高效且环境友好型系统的理想选择。

随着高超声速飞行器向宽速域、长航时、高马赫数、轻质的方向发展，当前主动冷却方式已经不能满足以上需求，迫切需要一种更高效的新型主动冷却技术来对燃烧室壁面进行冷却。对于长时间工作的超燃冲压发动机而言，发动机耐热材料及热结构设计技术被认为是其关键技术之一。此外，发动机内部复杂的激波波系、燃烧脉动和燃烧震荡，可能导致局部热流密度异常增高，进而引起局部壁面温度升至危险水平。在高超声速飞行时，超燃冲压发动机面临恶劣的热环境，特别是马赫数大于8时，未经冷却的燃烧室温度将超过3000K，超过现有材料的承受能力。同时依靠传统煤油燃料的再生冷却系统，在高马赫飞行器速度(Ma>8)下，需要携带用于冷却的煤油燃料重量极大，供应系统复杂，无法满足设计需求。

在这种情况下，为了保障长期运行的超燃冲压发动机的可靠性和安全性，采取有效的冷却措施至关重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于超燃冲压发动机的复合再生冷却系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于超燃冲压发动机的复合再生冷却系统，包括增压泵、冷却器、压缩机、回热器、涡轮装置以及复合冷却通路，所述增压泵、所述冷却器、所述压缩机、所述回热器、所述涡轮装置以及所述复合冷却通路按照冷却介质的流向管道连接；

其中，所述冷却介质包括超临界CO₂和煤油，所述复合冷却通路包括设置于发动机燃烧室壁面处的第一冷却通道和第二冷却通道，所述第一冷却通道和所述第二冷却通道彼此交错设置，按照所述发动机燃烧室壁面从内到外的方向，设置于内侧的是所述第二冷却通道，设于外侧的是所述第一冷却通道，且所述第二冷却通道内流通的冷却介质为煤油，所述第一冷却通道内流通的冷却介质为超临界CO₂，且二者的流动方向彼此相反。

作为优选，所述第一冷却通道和第二冷却通道二者的横截面为三角形或梯形中的一种及其结合。

作为优选，还包括设置有燃料箱，所述燃料箱用于填装冷却介质-煤油，且所述燃料箱的出料口和所述增压泵的进料口管道连接。

作为优选，所述第一冷却通道上设置有用于将煤油喷射至发动机燃烧室内部的喷嘴。

作为优选，所述涡轮装置包括涡轮机、齿轮组和发电机，所述涡轮机、所述齿轮组、所述发电机和所述压缩机四者共轴设置

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)冷却通道结构的设计优势：发动机壁面内的冷却通道交错设置,分别为靠近内壁面的第一冷却通道，用于输送超临界CO₂和靠近外壁面的第二冷却通道，用于输送煤油，且两种流体流向相反。超临界CO₂具有优异的传热性能，从进气道壁面流入燃烧室壁面，在高热流区迅速吸热；煤油从尾喷管壁面流入燃烧室壁面，在低热流区吸热；同时高温区的超临界CO₂通过通道壁面将吸收的热一部分传给煤油。这样超临界CO₂吸收了超燃冲压发动机一部分热负荷，确保发动机结构不会因高温烧蚀，煤油也不会因高温而裂解结焦。

(2)本发明将煤油再生冷却系统的优点与超临界CO₂冷却发电系统的优点相结合，将发动机热负荷的这部分热能用于燃料的升温以及超临界CO₂发电，有效利用了超燃冲压发动机燃烧所产生的余热，使发动机效率大大提升。

附图说明

图1为本发明中冷却介质的流向路径以及相关设备的示意图。

图2为本发明中复合冷却通路的结构示意图。

图中：1、压缩机；2、冷却器；3、燃料箱；4、增压泵；40、电动机；5、复合冷却通路；50、燃烧室本体；51、第一冷却通道(超临界CO₂)；52、第二冷却通道(煤油)；6、回热器；7、涡轮装置；70、涡轮机；71、减速齿轮；72、发电机；100、喷嘴；101、燃烧室壁面；200、超临界CO₂；201、煤油。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，本发明中的元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

需要注意的是，参考图1可知，通过实线和点划线来表示冷却介质，实现表示超临界CO₂，虚线表示煤油，为了进一步阐述本发明相较于目前应用于超燃发动机的冷却机制更具备优势，其具体结构如下：

包括增压泵4、冷却器2、压缩机1、回热器6、涡轮装置7以及复合冷却通道5，按照流体的流动方向，所述增压泵4、所述冷却器2、所述回热器6、所述压缩机1、所述涡轮装置7以及所述复合冷却通道5彼此管道相连通；对于本领域技术人员来说，此处的彼此管道相连通具体是指按照对应的冷却介质(煤油和超临界CO₂)的流动方向依次进行连接，因此，在此处就不做展开的表述；

其中，所述复合冷却通道5包括设于燃烧室本体50上的第一冷却通道51以及第二冷却通道52，参考图2可知，所述第一冷却通道51和所述第二冷却通道52彼此交错设置，具体来说，所述燃烧室本体50的内部中空设置有燃烧腔，为了便于后续的工作原理说明，将所述燃烧腔的内壁定义为燃烧室壁面101，且所述第一冷却通道51和所述第二冷却通道52二者其中之一靠近所述燃烧室壁面101，另一则远离所述燃烧室壁面101；对于本领域技术人员来说，需要注意的是，在本实施例中，所述第一冷却通道51内流通的流体介质为超临界CO₂，所述第二冷却通道52内流通的流体介质为煤油，且需要注意的是，二者的流动方向相反，从而达到增强换热的效果。

更进一步来说，为了避免冷却流体——“煤油”在所述第二冷却通道52内由于受热过高，导致发生裂解结焦的问题，所述第二冷却通道52设置在靠近所述燃烧室壁面101的一侧，所述第一冷却通道51设置在靠近所述燃烧室本体50外端壁的一侧；

结合图1中二者的颜色变化来说，超临界CO₂从进气道壁面，即所述第二冷却通道52的起始段，流入所述燃烧室壁面101所在的段落，在高热流区迅速吸热；煤油从尾喷管壁面，即所述第一冷却通道51的起始段或者说所述第二冷却通道52的末尾段，流入所述燃烧室壁面101所在的段落，在低热流区吸热；同时高热流区的超临界CO₂通过通道壁面将吸收的热一部分传给煤油。这样超临界CO₂吸收了超燃冲压发动机一部分热负荷，确保发动机结构不会因高温烧蚀，同时，在通过超临界CO₂的隔断，避免了煤油相对直接和超然冲压发动机的所述燃烧室本体50的接触，以达到上述所表达的煤油不会因高温而裂解结焦的效果。进一步来说，通过优化热交换的机制，超临界CO₂在煤油外围的对流中起到热交换的作用，但与所述燃烧室壁面101保持无接触状态。这种设计可以减少超临界CO₂直接接触高温壁面的风险，从而提高系统的安全性和可靠性。

更进一步来说，从流体介质的选择上来说，超临界流体兼具气体与液体的优点，即具备气体特性，粘度小，在水力径接近1～3mm的再生冷却通道中，需要注意的是，摩擦损失低，流动阻力小，在本实施例中，该再生冷却通道指所述第一冷却通道51和所述第二冷却通道50的合称0；同时具备液体比热容大的特性，由于良好的传热传质能力，作为再生冷却的补充冷却剂能够满足超燃冲压发动机热沉的需要；其次，在本实施例中为何选用超临界CO₂的原因是：

相对于其他超临界流体，超临界CO₂具有以下优势：

相比煤油，其化学性质稳定，不会发生裂解等反应从而堵塞管道诱发传热恶化；并且其临界点较低(Pc＝7.39MPa,Tc＝304.25K)，相对于水，更易达到临界点。

同时，超临界CO₂也可以实现功能拓展，不仅可作为发散冷却的冷却剂，用于再生冷却通道中，进一步提升冷却效率；还可作为工质参与超燃冲压发动机的热电循环，将壁面热能转换为电能，满足超燃冲压发动机的用电需求。

即流出燃烧室的超临界CO₂被用于驱动涡轮，进而带动压缩机1和发电机。这种能量回收机制可以提高系统的整体热效率，并减少对外部能源的需求。

具体来说，所述涡轮装置7包括涡轮机70、传动件以及动力件，所述动力件的驱动端动力连接有传动件，所述传动件的动力输出端动力连接于所述涡轮机70的动力输入端，其中，在本实施例中，所述传动件为减速齿轮71，所述动力件为发电机72，更具体来说，所述发电机72选用励磁发电机，结合图1来说，超临界CO₂流出所述第一冷却通道51后形成了高温高压的超临界CO₂，然后进入所述涡轮机70推动涡轮旋转做功；旋转的所述涡轮机70的输出功分为两部分：一部分通过所述减速齿轮71带动压缩机1来增压煤油，另一部分直接带动励磁发电机发电，从而实现热能向电能的转换，供飞行器系统用电，做完功后，高温高压的超临界CO₂转化成低压高温超临界CO₂首先进入回热器6放热降温，接着进入所述冷却器2进一步放热降温，形成低温低压的超临界CO₂进入下一次冷却循环，以构成所述超临界CO₂的闭环循环通路；值得一说的是，所述高温具体是指温度取值为800K-1200K，高压具体是指取值为15Mpa-20Mpa，低温具体是指温度取值为300K-400K，低压的取值为3Mpa-5Mpa。

更进一步来说，本系统还包括设置有燃料箱3，所述煤油存放在所述燃料箱3内，在冷却过程中，在所述增压泵4的作用下，“煤油”从所述燃料箱3按可控的流量取出并增压至超临界状态后，进入所述冷却器2吸热升温，然后进入所述第二冷却通道52中吸热升温，高温的“煤油”最终经喷嘴100雾化喷注到燃烧室中与氧化剂掺混燃烧，其中，所述增压泵4动力连接有用于驱动其工作的电动机40；对于本领域技术人员来说，所述增压泵4由所述电动机40驱动，以适应不同飞行状态下的煤油需求量，这种设计可以简化系统结构，减少重量，并提高对飞行条件变化的适应性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种适用于超燃冲压发动机的复合再生冷却系统，其特征在于，包括增压泵(4)、冷却器(2)、压缩机(1)、回热器(6)、涡轮装置(7)以及复合冷却通路(5)，所述增压泵(4)、所述冷却器(2)、所述压缩机(1)、所述回热器(6)、所述涡轮装置(7)以及所述复合冷却通路(5)按照冷却介质的流向管道连接，其中，所述冷却介质包括超临界CO₂和煤油，所述复合冷却通路(5)包括设置于发动机燃烧室壁面处的第一冷却通道(51)和第二冷却通道(50)，所述第一冷却通道(51)和所述第二冷却通道(50)彼此交错设置，按照所述发动机燃烧室壁面从内到外的方向，设置于内侧的是所述第二冷却通道(50)，设于外侧的是所述第一冷却通道(51)，且所述第二冷却通道(50)内流通的冷却介质为煤油，所述第一冷却通道(51)内流通的冷却介质为超临界CO₂，且二者的流动方向彼此相反。

2.如权利要求1所述的一种适用于超燃冲压发动机的复合再生冷却系统，其特征在于，所述第一冷却通道(51)和第二冷却通道(50)二者的横截面为三角形或梯形中的一种及其结合。

3.如权利要求1所述的一种适用于超燃冲压发动机的复合再生冷却系统，其特征在于，还包括设置有燃料箱(3)，所述燃料箱(3)用于填装冷却介质-煤油，且所述燃料箱(3)的出料口和所述增压泵(4)的进料口管道连接。

4.如权利要求3所述的一种适用于超燃冲压发动机的复合再生冷却系统，其特征在于，所述第一冷却通道(51)上设置有用于将煤油喷射至发动机燃烧室内部的喷嘴(100)。

5.如权利要求1所述的一种适用于超燃冲压发动机的复合再生冷却系统，其特征在于，所述涡轮装置(7)包括涡轮机(70)、齿轮组(71)和发电机(72)，所述涡轮机(70)、所述齿轮组(71)、所述发电机(72)和所述压缩机(1)四者共轴设置。