本發(fā)明涉及預(yù)冷換熱器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種預(yù)冷吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)用高效緊湊預(yù)冷換熱器。

背景技術(shù)：

隨著臨近空間逐漸成為現(xiàn)代空天一體化作戰(zhàn)的重要作戰(zhàn)領(lǐng)域，臨近空間飛行器的研究進(jìn)展尤其受到各國(guó)的關(guān)注。動(dòng)力系統(tǒng)是臨近空間飛行器的核心組成部分，使得飛行器有自由進(jìn)入臨近空間的能力和高空巡航工作的能力。

組合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)能夠很好的符合臨近空間飛行器動(dòng)力的要求，國(guó)內(nèi)外在這方面進(jìn)行了大量的研究，目前火箭基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（rbcc）和渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（tbcc）是比較成熟的組合動(dòng)力系統(tǒng)。這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)在大氣層內(nèi)工作都需要將空氣吸入燃燒室進(jìn)行燃燒，但是這種系統(tǒng)工作在馬赫數(shù)2左右時(shí)，吸入的空氣溫度很高，空氣的質(zhì)量流量不高，燃燒產(chǎn)生的動(dòng)力不會(huì)很足，這很大程度上制約了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

若能在常見的渦輪基組合發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)前增添一套預(yù)冷裝置，通過預(yù)冷裝置冷卻進(jìn)入壓氣機(jī)之前的進(jìn)口空氣，解決壓氣機(jī)葉片的高溫超轉(zhuǎn)問題，進(jìn)而提高壓氣機(jī)增壓比，提高空氣密度，增大空氣的質(zhì)量流量，增大發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，擴(kuò)展飛行包線，滿足高超聲速飛行的動(dòng)力要求。這種發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的技術(shù)在于設(shè)計(jì)出高效、輕質(zhì)的高效緊湊預(yù)冷換熱器，在很短的時(shí)間內(nèi)將空氣從很高的溫度降低至設(shè)計(jì)溫度。

高效緊湊預(yù)冷換熱器因管徑小、管壁薄、功率需求高而具有很大的難度，其涉及的微尺度流動(dòng)與宏觀尺度流動(dòng)存在一定的差異。過增元對(duì)微尺度傳熱進(jìn)行了綜述，認(rèn)為微尺度流動(dòng)與宏觀尺度流動(dòng)最大的差異在于，相同壓力梯度下，微細(xì)通道的流量小于按照宏觀流體力學(xué)計(jì)算的理論值。龔磊認(rèn)為產(chǎn)生差異的主要原因是，微通道和流體壁面的物理化學(xué)作用產(chǎn)生了多余的流動(dòng)阻力，其中雙電層阻力又是最主要的體現(xiàn)，但當(dāng)通道尺寸大于0.04mm時(shí)，雙電層阻力可忽略。xu通過實(shí)驗(yàn)對(duì)微管道內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水利直徑大于0.03mm時(shí)，經(jīng)典的n-s方程仍然適用。samalam通過實(shí)驗(yàn)對(duì)微尺度槽道換熱器進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)肋片尺寸及槽道的高寬比均為改善換熱效果的重要參數(shù)。呂多對(duì)高效緊湊預(yù)冷換熱器的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，認(rèn)為流動(dòng)傳熱特性是預(yù)冷系統(tǒng)的重要參數(shù)。汪元微小通道流體單相氣態(tài)流動(dòng)換熱的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，認(rèn)為微尺度流動(dòng)換熱機(jī)理仍存在諸多分歧，理論發(fā)展不完善。

可見，對(duì)于高效緊湊預(yù)冷換熱器，國(guó)內(nèi)外仍處于對(duì)微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)情況的展開研究階段，而對(duì)于宏觀上如何增強(qiáng)緊湊型圓管換熱器換熱效果的研究開展較少。本發(fā)明在保持熱流條件不變的情況下，以換熱器換熱后空氣平均溫度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了冷流參數(shù)、換熱管參數(shù)及管間距對(duì)換熱效果的影響規(guī)律，旨在尋求提高換熱效果的改進(jìn)方向。在此基礎(chǔ)上對(duì)換熱器總體參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提出了一種新型布局的預(yù)冷吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)用高效緊湊預(yù)冷換熱器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種預(yù)冷吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)用高效緊湊預(yù)冷換熱器，該預(yù)冷吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)用高效緊湊預(yù)冷換熱器通過對(duì)預(yù)冷器總體外形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等，能在保證換熱效果的前提下，具有工程可實(shí)現(xiàn)性，進(jìn)而對(duì)壓氣機(jī)前的空氣來(lái)流進(jìn)行預(yù)冷，解決壓氣機(jī)葉片的高溫超轉(zhuǎn)問題，增大發(fā)動(dòng)機(jī)推力，擴(kuò)展飛行包線，可使得飛行速度達(dá)到馬赫數(shù)4以上，滿足高超聲速飛行的動(dòng)力需求。

另外，本發(fā)明還針對(duì)換熱管及布置方式、冷流參數(shù)的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步在保證換熱效果的前提下，降低焊接難度和避免霜凍，從而具有工程可實(shí)現(xiàn)性。

進(jìn)一步，本發(fā)明還能根據(jù)吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻需求而調(diào)整預(yù)冷器直徑，預(yù)冷器直徑每改變0.1m，迎風(fēng)面積可提高0.628m²，從而能滿足不同吸氣式組合發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)冷需求。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種預(yù)冷吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)用高效緊湊預(yù)冷換熱器，包括預(yù)冷換熱器本體，該預(yù)冷換熱器本體設(shè)置在吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道和壓氣機(jī)之間。

預(yù)冷換熱器本體的外形呈類圓柱體，該類圓柱體的橫截面為直徑不同的環(huán)形，類圓柱體的縱截面為兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的圓弧段，每個(gè)圓弧段的中心角均為45°。

預(yù)冷換熱器本體包括冷流出口管、冷流進(jìn)口管和若干根換熱管。

每根換熱管均為圓弧形，每根換熱管的弧形中心角均為45°，且與圓弧段的弧長(zhǎng)相一致。

每根換熱管的壁厚均不小于0.15mm，若干根換熱管叉排布置形成類圓柱體；類圓柱體中，沿著圓周方向，位于同一直徑上的相鄰兩根換熱管的間距均相等，記為縱向間距；沿徑向，相鄰兩根換熱管的間距均相等，記為橫向間距；其中，縱向間距不小于橫向間距。

冷流出口管為圓管，設(shè)置在鄰近吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的一側(cè)，且與若干根換熱管的出口端焊接固定。

冷流進(jìn)口管為圓管，設(shè)置在鄰近壓氣機(jī)的一側(cè)，且與若干根換熱管的進(jìn)口端焊接固定。

每根換熱管的壁厚均為0.25mm，每根換熱管的管徑為1.6mm。

類圓柱體的橫截面中，最大直徑的環(huán)形橫截面的直徑能夠根據(jù)需求調(diào)整，直徑每增加0.1m，迎風(fēng)面積能提高0.628m²。

圓弧段的弧長(zhǎng)為2000mm，類圓柱體的橫截面中，最大直徑的環(huán)形橫截面的直徑為1200mm。

類圓柱體中，橫向間距不大于換熱管管徑的2倍，縱向間距不小于換熱管管徑的2倍。

橫向間距為換熱管管徑的1.5倍，縱向間距為換熱管管徑的2倍。

預(yù)冷換熱器本體中的冷流介質(zhì)為氦氣。

氦氣的初溫為100k。

氦氣的流動(dòng)速度為30m/s。

預(yù)冷換熱器本體的壁厚為48mm。

本發(fā)明采用上述結(jié)構(gòu)后，具有如下有益效果：

1.預(yù)冷換熱器本體的外形呈類圓柱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相比于直管，一方面能增大冷流流體的湍流度（本發(fā)明的湍流計(jì)算模型優(yōu)選采用sstk-omega轉(zhuǎn)捩模型），從而增強(qiáng)換熱效果。另一方面，類圓柱體的結(jié)構(gòu)，能增加預(yù)冷換熱器的迎風(fēng)面積，增大預(yù)冷換熱器的最大功率。

2.換熱管壁厚的選擇，能在保證換熱效果的前提下，使得焊接難度降低，更具有工程可實(shí)現(xiàn)性。

3.換熱管叉排布設(shè)時(shí)，橫向間距和縱向間距的選擇，使得換熱效率和壓降最佳。

4.冷流介質(zhì)氦氣、氦氣流速以及氦氣初始溫度的選擇，一方面，在保證換熱效率的前提下，能減少所需冷流劑的質(zhì)量；另一方面，能避免霜凍。

5.本發(fā)明的預(yù)冷換熱器總質(zhì)量能達(dá)到419kg,單位體積換熱面積為1309m²，單位體積換熱功率為355.5mw，能將質(zhì)量流量為120kg/s的空氣由1350k降低至486k，壓降為9.12%。

附圖說明

圖1顯示了本發(fā)明一種預(yù)冷吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)用高效緊湊預(yù)冷換熱器的縱向剖面圖。

圖2顯示了本發(fā)明一種預(yù)冷吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)用高效緊湊預(yù)冷換熱器的橫截面示意圖。

圖3顯示了換熱管叉排的示意圖。

圖4顯示了橫向間距與空氣出口溫度的關(guān)系示意圖。

圖5顯示了橫向間距與空氣壓降的關(guān)系示意圖。

圖6顯示了縱向間距與空氣出口溫度的關(guān)系示意圖。

圖7顯示了縱向間距與空氣壓降的關(guān)系示意圖。

圖8顯示了冷流進(jìn)口管與換熱管的安裝示意圖。

圖9顯示了冷流出口管與換熱管的安裝示意圖。

圖10顯示了氦氣流動(dòng)速度與空氣出口溫度的關(guān)系示意圖。

圖11顯示了氦氣初始溫度與空氣出口溫度的關(guān)系示意圖。

其中有：1.預(yù)冷換熱器本體；2.吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道；3.冷流出口管；4.發(fā)動(dòng)機(jī)外壁面；5.換熱管；6.翅片；7.冷流進(jìn)口管；8.壓氣機(jī)；9.氦氣流動(dòng)方向；10.空氣流動(dòng)方向。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體較佳實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖1所示，一種預(yù)冷吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)用高效緊湊預(yù)冷換熱器，包括預(yù)冷換熱器本體10，該預(yù)冷換熱器本體設(shè)置在吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道2和壓氣機(jī)8之間。

預(yù)冷換熱器本體的外形呈類圓柱體。

類圓柱體的橫截面為如圖2所示的直徑不同的環(huán)形，位于兩端的橫截面的直徑小于中間橫截面的直徑。其中，最大直徑的環(huán)形橫截面的直徑以下記為最大直徑。

上述最大直徑能夠根據(jù)吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻需求進(jìn)行調(diào)整，直徑每增加0.1m，迎風(fēng)面積能提高0.628m²。通過調(diào)整類圓柱體形的最大直徑，改變預(yù)冷換熱器的迎風(fēng)面積，改變預(yù)冷換熱器的總體積，進(jìn)而可使預(yù)冷換熱器的最大功率發(fā)生改變。

類圓柱體的縱截面為如圖1所示的兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的圓弧段，兩個(gè)圓弧段的對(duì)稱軸為預(yù)冷換熱器本體的中心軸線。

每個(gè)圓弧段的中心角均為45°，每個(gè)圓弧段的弧長(zhǎng)均優(yōu)選為2000mm。

預(yù)冷換熱器本體的外形呈類圓柱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相比于直管，一方面能增大冷流流體的湍流度（本發(fā)明的湍流計(jì)算模型優(yōu)選采用sstk-omega轉(zhuǎn)捩模型），從而增強(qiáng)換熱效果。另一方面，類圓柱體的結(jié)構(gòu)，能增加預(yù)冷換熱器的迎風(fēng)面積，增大預(yù)冷換熱器的最大功率。

預(yù)冷換熱器本體包括冷流出口管3、冷流進(jìn)口管7和若干根換熱管。

如圖9所示，冷流出口管優(yōu)選為直徑為60mm的圓管，設(shè)置在鄰近吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的一側(cè)，且與若干根換熱管的出口端焊接固定。

如圖8所示，冷流進(jìn)口管優(yōu)選為直徑為60mm的圓管，設(shè)置在鄰近壓氣機(jī)的一側(cè)，且與若干根換熱管的進(jìn)口端焊接固定。

預(yù)冷換熱器本體的總長(zhǎng)優(yōu)選為1949mm，最大直徑優(yōu)選為1200mm，壁厚優(yōu)選為48mm，總質(zhì)量?jī)?yōu)選為419kg,單位體積換熱面積能達(dá)到1309m²，單位體積換熱功率則為355.5mw。

換熱管的材料選用性能優(yōu)異的鉻鎳鐵合金（標(biāo)號(hào)為gh4169），換熱管內(nèi)外壁面滿足無(wú)滑移邊界條件。

每根換熱管均為圓弧形，每根換熱管的弧形中心角均為45°，且與圓弧段的弧長(zhǎng)相一致。

每根換熱管的壁厚均不小于0.15mm，優(yōu)選為0.25mm；當(dāng)壁厚為0.25mm時(shí)，每根換熱管的對(duì)應(yīng)管徑為1.6mm。

減小換熱管的壁厚，能夠增強(qiáng)換熱效果，然而，換熱管壁厚進(jìn)一步減小，一方面會(huì)增加生產(chǎn)難度，另一方面也增加了焊接施工的難度。本發(fā)明選擇0.25mm，在保證換熱效率的同時(shí)，能大大降低換熱管生產(chǎn)難度，也進(jìn)一步大大降低了換熱管與冷流出口管、冷流進(jìn)口管焊接的難度，工程實(shí)現(xiàn)性高，生產(chǎn)成本低，易于普及推廣。

如圖2和圖3所示，若干根換熱管叉排布置形成類圓柱體。

沿著類圓柱體的圓周方向，位于同一直徑上的相鄰兩根換熱管的間距均相等，記為縱向間距s2。

沿類圓柱體的徑向，相鄰兩根換熱管的間距均相等，記為橫向間距s1。

上述s1與s2均為無(wú)量綱單位，其值為管間距與換熱管直徑的比值。

取s1分別為1.5、2.0、2.5，保持s2=2.0不變，對(duì)換熱效果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖４和圖5所示。從圖中發(fā)現(xiàn)，隨著橫向管間距的增大，空氣出口溫度呈緩慢上升趨勢(shì)，但當(dāng)s2大于2后，壓降迅速上升，故應(yīng)控制橫向管間距不大于2倍的管徑，實(shí)際工程中可取s2=1.5。

取s2分別為1.5、2.0、2.5，保持s1=2.0不變，對(duì)換熱效果進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6和圖7所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)縱向管間距小于2倍的管徑時(shí)，換熱效果增強(qiáng)明顯，但壓降也迅速上升，故在工程中應(yīng)注意縱向間距不小于2倍的管徑，工程中可取s2=2。

另外，預(yù)冷換熱器本體還優(yōu)選包括翅片6，翅片均勻分布在換熱管縱向方向，間距為200mm，除增強(qiáng)換熱效果外，可提高預(yù)冷換熱器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，避免換熱管發(fā)生振動(dòng)。

預(yù)冷換熱器本體中的冷流介質(zhì)為超臨界的氦氣，氦氣的初始溫度優(yōu)選為100k，氦氣的流動(dòng)速度優(yōu)選為30m/s，壓強(qiáng)優(yōu)選為10mpa，可循環(huán)使用。

調(diào)節(jié)氦氣進(jìn)口速度分別為30m/s、45m/s、60m/s、75m/s、90m/s、105m/s，保持其他參量不變，對(duì)換熱效果進(jìn)行研究，結(jié)果如圖10所示。可以發(fā)現(xiàn)隨著氦氣流動(dòng)速度的提高，空氣出口溫度呈緩慢下降趨勢(shì)，并且下降幅度逐漸較小，二者近似呈底數(shù)小于1的對(duì)數(shù)關(guān)系。因此提高氦氣流動(dòng)速度方法不適宜作為提高換熱效果的改進(jìn)方向，在實(shí)際工作過程中反而應(yīng)適當(dāng)降低換熱器冷卻流體的流動(dòng)速度，這樣可減少所需冷卻劑的質(zhì)量，工程中可取30m/s。

調(diào)節(jié)氦氣初始溫度為500k，以50k為步長(zhǎng)，逐次降低氦氣初始溫度到100k，保持其它參量不變，計(jì)算結(jié)果如圖11所示。可以看出，氦氣初始溫度每降低50k，空氣域出口截面平均溫度下降約4.3k，二者近似成一次線性關(guān)系。因此降低氦氣初始溫度可作為增強(qiáng)換熱效果的改進(jìn)方向，但超臨界氦氣的溫度是有范圍的，不能一直降低，故工程中氦氣初溫可取為100k。

另外，壓強(qiáng)為10mpa，則是為了使氦保持在超臨界狀態(tài)。計(jì)算域上下為對(duì)稱性邊界條件，其余外表面為周期性邊界條件。

本發(fā)明的預(yù)冷換熱器對(duì)空氣進(jìn)行冷卻，可將質(zhì)量流量為120kg/s的空氣來(lái)流冷卻至486k，壓降為9.12%。另外，本發(fā)明的預(yù)冷換熱器的空氣出口溫度控制在400k左右，因而，由于空氣出口溫度在臨界點(diǎn)以上，從而避免了霜凍阻塞的問題。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。