[发明专利]一种利用强吸热反应的层板发汗冷却结构

说明书

技术领域

本发明涉及涉及一种冷却装置，特别是一种利用强吸热反应的层板发汗冷却结构。

背景技术

火箭发动机推力室内的高温、高压、高速的燃气流对发动机内壁施加了极大的加热热流，尤其是喉部附近的壁面处于极大的热流密度之下，如果不采取适当、有效的冷却措施，壁面材料必然由于持续升温，导致最后被烧毁。因而，冷却技术一直是火箭发动机，特别是大推力液体火箭发动机研发过程中的关键技术。为满足未来几年来探月工程和其他航天研究的需要，我国已经计划在2010年左右研制出新一代大推力无毒无污染运载火箭，这必然需要冷却技术的进一步改进。

层板发汗冷却技术是已经成功应用于液体火箭发动机推力室的发汗冷却技术，层板结构将若干蚀刻有流体通道的金属薄片按预先确定的结构形式叠放，然后通过扩散焊形成整体结构，冷却流体通过层板之间的流体通道对层半结构进行冷却，最后发散流出，进一步对出口壁面进行发汗冷却。虽然层板结构有效发挥了发汗冷却的诸多优点，但其仍然属于单纯的对流换热冷却方式，因而不仅其冷却能力受到流场和温度场耦合的对流换热能力的限制，而且其最高冷却极限也由作为冷却剂的工质的显热(或者一部分潜热)所约束。由于火箭要求其附加设施的重量不能超过一定范围，显然，为了改进冷却能力而不断增加冷却剂的流量是不现实的，必然需要一种冷却能力更强的，能够突破单纯对流换热限制的冷却技术。

冷却流体在高温表面发生强吸热化学反应是强化对流换热的一种有效途径。与传统的对流换热相比，这种方法可以有效地降低高温表面的温度，起到保护高温表面的作用。甲烷的水蒸气催化重整反应即为其中一种非常重要的强吸热反应。

中国专利CN1246183C提出利用水和碳氢燃料在超临界状态下发生吸热化学反应，但该文献仅公开了分子链较大的正庚烷、异辛烷、甲基环己烷等碳氢燃料，该反应必须在超临界状态下进行，生成的氢气含量仅13％左右，并且该文献没有披露实现上述吸热反应的具体结构。美国专利US6357217B1提出利用甲烷的吸热重整反应对燃气轮机叶片内部进行冷却，但该文献仅披露了用于燃气轮机叶片的冷却系统，并没有披露具体的冷却结构，且反应所需的催化剂进覆盖在尺度相对较大的流道表面，反应的转化率较低。

发明内容

本发明着眼于解决现有层板发汗冷却中冷却能力不足的缺陷，以及单纯依靠对流换热的冷却方式所存在的冷却能力存在极限的问题，旨在提供一种适用于下一代大推力运载火箭推力室的层板发汗冷却结构。

针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：提出一种利用强吸热反应的层板发汗冷却结构使之对航天器燃烧室、喷管喉部受热壁面进行有效冷却；进一步提高受热壁面的冷却效率、使受热壁面的冷却效率甚至优于单一层板结构的发汗冷却；在具有较高冷却效率的前提下，不增加外设，避免增加飞行器重量，加大系统复杂性。

为解决上述技术问题，本发明采取如下的技术方案：

一种层板发汗冷却结构，该层板发汗冷却结构由多片环形的薄板沿其厚度方向堆叠成圆筒状，通过激光加工或者机械铣切在每一片薄板的表面一体地形成多个沿薄板周向均匀分布的分隔条，该分隔条为平直的长方体形状或者波浪形，该分隔条的长度方向或延伸方向与所述层板发汗冷却结构的径向方向相一致或成一定角度，从而将相邻薄板之间的冷却通道分隔成多个扇形区域，在薄板之间构成间隔的冷却流体流通的冷却通道，该冷却通道的轴向高度为100～2000μm；每一片薄板的厚度为100～300μm，薄板的环形表面上形成一层镍基催化剂薄膜，该催化剂薄膜的厚度为10～100μm，冷却流体为甲烷和水蒸气的混合气体，冷却流体从该层板发汗冷却结构的外环面进入冷却通道，并由于上述催化剂薄膜的存在发生强吸热重整反应，从而对该层板发汗冷却结构进行冷却，反应后的冷却流体从该层板发汗冷却结构的内环面发散出，对该层板发汗冷却结构的内环面进一步进行发汗冷却，并在改层板发汗冷却结构的内环面、即推力室的内壁表面形成 层冷却流体薄膜，可以屏蔽高温流体对层板发汗冷却结构内环面的加热。

由于薄板之间的冷却通道为微通道结构，因此，作为冷却流体的甲烷和水蒸气通过冷却通道的同时，由于催化剂薄膜的存在而发生强吸热重整反应，其反应的转化率要大于一般的人尺度流道，对层板发汗冷却结构进行冷却。