[发明专利]一种预冷吸气式发动机用高效紧凑预冷换热器

说明书

本发明公开了一种预冷吸气式发动机用高效紧凑预冷换热器，包括呈类圆柱体的预冷换热器本体，类圆柱体的横截面为直径不同的环形，类圆柱体的纵截面为两个对称设置的圆弧段，每个圆弧段的中心角均为45°；预冷换热器本体包括冷流出口管、冷流进口管和若干根换热管；每根换热管均为圆弧形，每根换热管的弧形中心角均为45°；若干根换热管叉排布置形成类圆柱体。本发明能在保证换热效果的前提下，具有工程可实现性，进而对压气机前的空气来流进行预冷，解决压气机叶片的高温超转问题，增大发动机推力，扩展飞行包线，有效降低焊接难度和避免霜冻堵塞问题，在当前技术下具有工程可实现性，应用于预冷吸气式发动机后，可大幅提升发动机性能。

技术领域

本发明涉及预冷换热器技术领域，特别是一种预冷吸气式发动机用高效紧凑预冷换热器。

背景技术

随着临近空间逐渐成为现代空天一体化作战的重要作战领域，临近空间飞行器的研究进展尤其受到各国的关注。动力系统是临近空间飞行器的核心组成部分，使得飞行器有自由进入临近空间的能力和高空巡航工作的能力。

组合动力发动机能够很好的符合临近空间飞行器动力的要求，国内外在这方面进行了大量的研究，目前火箭基组合循环发动机（RBCC）和涡轮基组合循环发动机（TBCC）是比较成熟的组合动力系统。这两种发动机在大气层内工作都需要将空气吸入燃烧室进行燃烧，但是这种系统工作在马赫数2左右时，吸入的空气温度很高，空气的质量流量不高，燃烧产生的动力不会很足，这很大程度上制约了发动机的性能。

若能在常见的涡轮基组合发动机的压气机前增添一套预冷装置，通过预冷装置冷却进入压气机之前的进口空气，解决压气机叶片的高温超转问题，进而提高压气机增压比，提高空气密度，增大空气的质量流量，增大发动机的推力，提高发动机的性能，扩展飞行包线，满足高超声速飞行的动力要求。这种发动机最重要的技术在于设计出高效、轻质的高效紧凑预冷换热器，在很短的时间内将空气从很高的温度降低至设计温度。

高效紧凑预冷换热器因管径小、管壁薄、功率需求高而具有很大的难度，其涉及的微尺度流动与宏观尺度流动存在一定的差异。过增元对微尺度传热进行了综述，认为微尺度流动与宏观尺度流动最大的差异在于，相同压力梯度下，微细通道的流量小于按照宏观流体力学计算的理论值。龚磊认为产生差异的主要原因是，微通道和流体壁面的物理化学作用产生了多余的流动阻力，其中双电层阻力又是最主要的体现，但当通道尺寸大于0.04mm时，双电层阻力可忽略。Xu通过实验对微管道内的流动进行了研究，发现当水利直径大于0.03mm时，经典的N-S方程仍然适用。Samalam通过实验对微尺度槽道换热器进行了研究，发现肋片尺寸及槽道的高宽比均为改善换热效果的重要参数。吕多对高效紧凑预冷换热器的关键技术进行了阐述，认为流动传热特性是预冷系统的重要参数。汪元微小通道流体单相气态流动换热的研究现状进行了综述，认为微尺度流动换热机理仍存在诸多分歧，理论发展不完善。

可见，对于高效紧凑预冷换热器，国内外仍处于对微细通道内流动情况的展开研究阶段，而对于宏观上如何增强紧凑型圆管换热器换热效果的研究开展较少。本发明在保持热流条件不变的情况下，以换热器换热后空气平均温度为评价指标，研究了冷流参数、换热管参数及管间距对换热效果的影响规律，旨在寻求提高换热效果的改进方向。在此基础上对换热器总体参数进行了优化，提出了一种新型布局的预冷吸气式发动机用高效紧凑预冷换热器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种预冷吸气式发动机用高效紧凑预冷换热器，该预冷吸气式发动机用高效紧凑预冷换热器通过对预冷器总体外形结构的设计等，能在保证换热效果的前提下，具有工程可实现性，进而对压气机前的空气来流进行预冷，解决压气机叶片的高温超转问题，增大发动机推力，扩展飞行包线，可使得飞行速度达到马赫数4以上，满足高超声速飞行的动力需求。

另外，本发明还针对换热管及布置方式、冷流参数的设计，进一步在保证换热效果的前提下，降低焊接难度和避免霜冻，从而具有工程可实现性。