CN112344372A - 一种二氧化碳-碳氢燃料循环冷却系统的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种二氧化碳‑碳氢燃料循环冷却系统的设计方法，属于发动机技术领域。该方案采用二氧化碳冷却高温固体壁面，维持固体材料始终工作于安全温度范围内；二氧化碳吸热后可用于驱动高温涡轮泵做功；做完功后二氧化碳通过碳氢燃料进行冷却，有效利用了碳氢燃料的冷却能力，并且有效回避了直接利用碳氢燃料进行高温换热过程中引入的结焦沉积问题。该系统一方面可利用碳氢燃料来冷却燃烧室高温壁面，并且在充分利用燃料吸热能力的同时；其次可以回避燃料在燃烧室壁面的冷却槽道中因受热产生结焦沉积的问题，此外还可以通过涡轮装置将燃烧室壁面热量转换成机械功，供给部分电能，实现整个热管理系统的能量合理利用。该系统将能极其有效地应用于需要采用高温安全换热的环境。
Description
技术领域
本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种二氧化碳-碳氢燃料循环冷却系统的设计方法。
背景技术
随着未来发动机对性能要求的进一步提升，发动机燃烧室内温度会进一步增加，这必将导致燃烧室结构材料的耐受温度需要进一步提高，在不增加额外设备及重量的基础上，采用发动机用燃料本身作为冷却剂对燃烧室高热壁面进行冷却是一种可行的途径。发动机用燃料一般为碳氢燃料，通过该燃料在燃烧室壁面上微小密集槽道内流动换热能较大程度降低壁温温度，一方面对发动机燃烧室结构的热防护起到重要作用，另一方面随着结构温度的降低，燃烧室工作寿命及可靠性也能在一定程度上有所提高。
公开号为CN 106322436 A的专利中提到一种利用燃油对燃烧室壁面进行再生冷却的方法，该方法以燃料为冷却剂，利用燃料吸收燃烧室释放的热量，加热到一定温度，从而裂解成小分子易燃物质，进入燃烧室进一步燃烧，将吸收的热量又释放到燃烧室，在提高燃烧效率的同时实现燃烧室壁面的冷却降温，同时，利用微通道比表面积大、微尺度效应强化换热的优点，提高燃油的换热效果，降低燃烧室壁面温度及温度梯度，进而解决热应力过大问题，实现了燃烧室的有效热防护。该燃烧室工作时，燃油经顶盖板燃油进口进入微通道板，流经微通道板上设置的平行排布、等间距的微通道结构，通过微通道结构换热后经顶盖板燃油出口流出，然后通过燃烧腔体前端设置的燃油喷嘴喷入燃烧腔，在喷入过程中进行雾化，与经燃烧腔体侧壁面进气口流入的气体掺混，经点火系统释放的高能火花引燃后稳定燃烧。
通过对该专利的介绍不难得知，该方案是直接利用燃油流经燃烧的高热壁面，文献[Huang H,Tang X,Haas M.In-Situ Continuous Coke Deposit Removal by CatalyticSteam Gasification for Fuel-Cooled Thermal Management.Journal of Engineeringfor Gas Turbines and Power,2012,134(10):1-8.]和文献[张枭雄,侯凌云,莫嵩康,等.航空煤油热裂解结焦实验研究.航空动力学报,2017,32(6):1307-1312.]中的研究均表明：碳氢燃料在微型通道的受热流动时极易发生结焦沉积现象，而且这种结焦是不可逆的，随着受热时间的增长，微型通道内的结焦沉积层会累加的越来越厚，直至完全堵塞管道，导致燃烧室无法正常工作直至损毁。因此，直接利用碳氢燃料冷却燃烧室高热壁面尽管能在一定程度上实现对高热壁面的热防护，但碳氢燃料受热易结焦特性限制了该技术的推广应用。
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：如何设计一种二氧化碳-碳氢燃料循环冷却系统。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种二氧化碳-碳氢燃料循环冷却系统的设计方法，该方法中，将二氧化碳-碳氢燃料循环冷却系统设计为包括：燃烧室1、冷却通道2、动力涡轮3、换热器4、压缩机5、燃料箱6、燃料供给泵7；
其中，所述燃烧室1和冷却通道2之间连接；吸热后的碳氢燃料喷入燃烧室1中与其中的空气混合后燃烧释放热量；燃烧室1壁面的冷却通道2内流动的CO2吸收来自燃烧室1以热传导的方式传递过来的热量后由温度T1升高到T2；冷却通道2和动力涡轮3之间连接；冷却通道2出口处的CO2以温度T2、速度V2喷入动力涡轮3中，动力涡轮3在CO2驱动下获得膨胀功；动力涡轮3和换热器4之间连接；CO2驱动动力涡轮3做功后以温度T3、速度V3流入换热器4中，CO2在换热器4中将热量传递给碳氢燃料，CO2温度由T3降至T4，而碳氢燃料温度则由Tf1升高至Tf2；换热器4和压缩机5之间连接；换热器4出口处的CO2以温度T4和速度V4流入压缩机5中，出口处的碳氢燃料以Tf2流入燃烧室1中；压缩机5和燃烧室1之间连接；压缩机5对入口处的CO2进行压缩，将CO2的压力由P4升高至P1并喷入冷却通道2中；
燃料箱6和燃料供给泵7之间连接，燃料泵7和换热器4之间也连接；碳氢燃料储存在燃料箱6中，通过燃料供给泵7增压后喷入换热器4中；
三台动设备，即动力涡轮3、压缩机5、燃料供给泵7之间通过同一根主轴连接在一起，动力涡轮3获取功后驱动压缩机5和燃料供给泵7。
优选地，所述燃烧室1和冷却通道2之间设计为通过固体材料连接。
优选地，冷却通道2和动力涡轮3之间设计为通过金属管道进行连接。
优选地，动力涡轮3和换热器4之间设计为通过金属管道进行连接。
优选地，换热器4和压缩机5之间设计为通过金属管道进行连接。
优选地，压缩机5和燃烧室1之间设计为通过金属管道进行连接。
优选地，燃料箱6和燃料供给泵7之间设计为通过金属管道进行连接，燃料泵7和换热器4之间也通过金属管道进行连接。
优选地，其中，二氧化碳-碳氢燃料的循环参数范围按表1进行选择：
表1CO2-碳氢燃料循环冷却参数设置
本发明还提供了一种利用所述的方法设计的二氧化碳-碳氢燃料循环冷却系统。
本发明又提供了一种所述系统的工作方法，包括以下步骤：CO2以一定温度T1、压力P1和速度V1喷入燃烧室壁面冷却通道2中；吸收来自燃烧室1中燃烧传递来的热量后升温至T2，同时速度提高到V2；然后CO2喷射入动力涡轮3中膨胀做功，做完功后的CO2以温度T3、压力P3和速度V3流入换热器4中；经过换热器4中的碳氢燃料吸热后CO2降温至T4，速度降低至V4，并进一步通过压缩机5进行压缩，然后再次以温度T1、压力P1和速度V1喷入燃烧室壁面冷却通道2中进行冷却；实现了CO2的循环冷却过程，其中，在CO2循环冷却过程中，碳氢燃料由燃料箱6中流出，经燃料供给泵7增压后以温度Tf1和压力Pf1喷入CO2-碳氢燃料换热器4中，吸收来自CO2放出的热量后升温至Tf2后喷入燃烧室1进行燃烧放热。
(三)有益效果
本发明采用二氧化碳冷却高温固体壁面，维持固体材料始终工作于安全温度范围内；二氧化碳吸热后可用于驱动高温涡轮泵做功；做完功后二氧化碳通过碳氢燃料进行冷却，有效利用了碳氢燃料的冷却能力，并且有效回避了直接利用碳氢燃料进行高温换热过程中引入的结焦沉积问题。该系统一方面可利用碳氢燃料来冷却燃烧室高温壁面，并且在充分利用燃料吸热能力的同时；其次可以回避燃料在燃烧室壁面的冷却槽道中因受热产生结焦沉积的问题，此外还可以通过涡轮装置将燃烧室壁面热量转换成机械功，供给部分电能，实现整个热管理系统的能量合理利用。该系统将能极其有效地应用于需要采用高温安全换热的环境。
附图说明
图1为本发明提供的CO2-碳氢燃料循环冷却原理图；
图2a和图2b为本发明提供的换热器结构示意图。
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。
本发明采用CO2作为中间冷却介质，利用CO2吸收燃烧室高热壁面的热量后驱动动力涡轮做功，然后通过碳氢燃料对CO2进一步降温，降温后的CO2经压缩机增压后再次进入燃烧室壁面槽道吸热。
图1给出了本方案的循环冷却示意图。参考图1，该方法中，将二氧化碳-碳氢燃料循环冷却系统设计为包括：燃烧室1、冷却通道2、动力涡轮3、换热器4、压缩机5、燃料箱6、燃料供给泵7；
其中，换热器4为CO2-碳氢燃料换热器4；燃烧室1和冷却通道2之间通过固体材料连接；吸热后的碳氢燃料喷入燃烧室1中与其中的空气混合后燃烧释放热量；燃烧室1壁面的冷却通道2内流动的CO2吸收来自燃烧室1以热传导的方式传递过来的热量后由温度T1升高到T2；冷却通道2和动力涡轮3之间通过金属管道进行连接；冷却通道2出口处的CO2以温度T2、速度V2喷入动力涡轮3中，动力涡轮3在CO2驱动下获得膨胀功；动力涡轮3和换热器4之间通过金属管道进行连接；CO2驱动动力涡轮3做功后以温度T3、速度V3流入换热器4中，CO2在换热器4中将热量传递给碳氢燃料，CO2温度由T3降至T4，而碳氢燃料温度则由Tf1升高至Tf2；换热器4和压缩机5之间通过金属管道进行连接；换热器4中实线8(代表CO2流动管路)出口处的CO2以温度T4和速度V4流入压缩机5中，虚线9(代表碳氢燃料流动管路)出口处的碳氢燃料以Tf2流入燃烧室1中；压缩机5和燃烧室1之间通过金属管道进行连接；压缩机5对入口处的CO2进行压缩，将CO2的压力由P4升高至P1并喷入冷却通道2中；
燃料箱6和燃料供给泵7之间通过金属管道进行连接，燃料泵7和换热器4之间也通过金属管道进行连接；碳氢燃料储存在燃料箱6中，通过燃料供给泵7增压后喷入换热器4中；
三台动设备，即动力涡轮3、压缩机5、燃料供给泵7之间通过同一根主轴连接在一起，动力涡轮3获取功后驱动压缩机5和燃料供给泵7。
CO2(实线8代表CO2流动路线)以一定温度T1、压力P1和速度V1喷入燃烧室壁面冷却通道2中；吸收来自燃烧室1中燃烧传递来的热量后升温至T2，同时速度提高到V2；然后CO2喷射入动力涡轮3中膨胀做功，做完功后的CO2以温度T3、压力P3和速度V3流入换热器4中；经过换热器4中的碳氢燃料吸热后CO2降温至T4，速度降低至V4，并进一步通过压缩机5进行压缩，然后再次以温度T1、压力P1和速度V1喷入燃烧室壁面冷却通道2中进行冷却；实现了CO2的循环冷却过程。其中，在CO2循环冷却过程中，碳氢燃料由燃料箱6中流出，经燃料供给泵7增压后以温度Tf1和压力Pf1喷入换热器4中，吸收来自CO2放出的热量后升温至Tf2后喷入燃烧室1进行燃烧放热。虚线9代表了碳氢燃料的流动路线。
本发明采用中间介质冷却燃烧室1高热壁面，中间介质在燃烧室1壁面槽道内不存在结焦风险，有效保证燃烧室壁面工作安全；选取CO2作为中间介质，其综合性能优于其他冷却介质；CO2驱动动力涡轮3做功后，所产生的机械功足以驱动压缩机5和燃料供给泵7工作；其中二氧化碳-碳氢燃料的循环参数范围按表1进行选择：
表1CO2-碳氢燃料循环冷却参数设置
CO2-碳氢燃料换热器4的设计中，CO2和碳氢燃料的流动方向相反，如图2a和图2b所示，CO2流经壳体内的微细圆管，而碳氢燃料在直接在壳体中流动。
本发明的优点在于，通过二氧化碳对燃烧室壁面进行冷却，由于冷却物质单一，因此其热力参数是唯一确定的，冷却系统设计时可靠性高；另外，二氧化碳不会与壁面金属相互作用产生焦炭类沉积物，因此冷却槽道壁面工作安全性高，使用寿命大幅度增加；由于吸收热量后的二氧化碳具有高温、高压的特征，因此具备一定的做功能力，按表1中的所列参数进行设计时，可保证二氧化碳输出的功率足够循环用后还有一定富余用于发电或驱动燃料供给泵，可节省部分外部输入性电能。
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 (10)
1.一种二氧化碳-碳氢燃料循环冷却系统的设计方法，其特征在于，该方法中，将二氧化碳-碳氢燃料循环冷却系统设计为包括：燃烧室(1)、冷却通道(2)、动力涡轮(3)、换热器(4)、压缩机(5)、燃料箱(6)、燃料供给泵(7)；
其中，所述燃烧室(1)和冷却通道(2)之间连接；吸热后的碳氢燃料喷入燃烧室(1)中与其中的空气混合后燃烧释放热量；燃烧室(1)壁面的冷却通道(2)内流动的CO2吸收来自燃烧室(1)以热传导的方式传递过来的热量后由温度T1升高到T2；冷却通道(2)和动力涡轮(3)之间连接；冷却通道(2)出口处的CO2以温度T2、速度V2喷入动力涡轮(3)中，动力涡轮(3)在CO2驱动下获得膨胀功；动力涡轮(3)和换热器(4)之间连接；CO2驱动动力涡轮(3)做功后以温度T3、速度V3流入换热器(4)中，CO2在换热器(4)中将热量传递给碳氢燃料，CO2温度由T3降至T4，而碳氢燃料温度则由Tf1升高至Tf2；换热器(4)和压缩机(5)之间连接；换热器(4)出口处的CO2以温度T4和速度V4流入压缩机(5)中，出口处的碳氢燃料以Tf2流入燃烧室(1)中；压缩机(5)和燃烧室(1)之间连接；压缩机(5)对入口处的CO2进行压缩，将CO2的压力由P4升高至P1并喷入冷却通道(2)中；
燃料箱(6)和燃料供给泵(7)之间连接，燃料泵(7)和换热器(4)之间也连接；碳氢燃料储存在燃料箱(6)中，通过燃料供给泵(7)增压后喷入换热器(4)中；
三台动设备，即动力涡轮(3)、压缩机(5)、燃料供给泵(7)之间通过同一根主轴连接在一起，动力涡轮(3)获取功后驱动压缩机5和燃料供给泵(7)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃烧室(1)和冷却通道(2)之间设计为通过固体材料连接。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，冷却通道(2)和动力涡轮(3)之间设计为通过金属管道进行连接。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，动力涡轮(3)和换热器(4)之间设计为通过金属管道进行连接。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，换热器(4)和压缩机(5)之间设计为通过金属管道进行连接。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，压缩机(5)和燃烧室(1)之间设计为通过金属管道进行连接。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，燃料箱(6)和燃料供给泵(7)之间设计为通过金属管道进行连接，燃料泵(7)和换热器(4)之间也通过金属管道进行连接。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，其中，二氧化碳-碳氢燃料的循环参数范围按表1进行选择：
表1 CO2-碳氢燃料循环冷却参数设置
9.一种利用权利要求1至8中任一项所述的方法设计的二氧化碳-碳氢燃料循环冷却系统。
10.一种如权利要求9所述的系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：CO2以一定温度T1、压力P1和速度V1喷入燃烧室壁面冷却通道(2)中；吸收来自燃烧室(1)中燃烧传递来的热量后升温至T2，同时速度提高到V2；然后CO2喷射入动力涡轮(3)中膨胀做功，做完功后的CO2以温度T3、压力P3和速度V3流入换热器(4)中；经过换热器(4)中的碳氢燃料吸热后CO2降温至T4，速度降低至V4，并进一步通过压缩机(5)进行压缩，然后再次以温度T1、压力P1和速度V1喷入燃烧室壁面冷却通道(2)中进行冷却；实现了CO2的循环冷却过程，其中，在CO2循环冷却过程中，碳氢燃料由燃料箱(6)中流出，经燃料供给泵(7)增压后以温度Tf1和压力Pf1喷入CO2-碳氢燃料换热器(4)中，吸收来自CO2放出的热量后升温至Tf2后喷入燃烧室(1)进行燃烧放热。
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