CN113982757A - 一种发动机进口空气冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种发动机进口空气冷却系统，具体涉及航天航空动力领域。一种发动机进口空气冷却系统，包括扩压器、换热器和蒸发器，扩压器为空心轴旋体，扩压器包括等直段和扩张段，等直段与进气道连接，扩张段与等直段同轴设置，换热器包括换热室、冷却机构和导流锥，换热室为空心圆筒，换热室与扩张段连接，蒸发器包括蒸发室和与冷却机构连接的喷射器，蒸发室与换热室连接，冷却机构用于对换热室内的热空气进行冷却，导流锥安装在冷却机构上靠近扩张段的一侧，喷射器用于将冷却剂喷入热空气中完成蒸发冷却。采用本发明技术方案解决了对发动机进口温度冷却的问题，可提高发动机工作马赫数并维持发动机稳定运行。

Description

一种发动机进口空气冷却系统

技术领域

本发明涉及航天航空动力领域，特别涉及一种发动机进口空气冷却系统。

背景技术

随着航空涡轮发动机工作马赫数的提高，进口空气总温不断增大，带来压气机工作温度超限、热力循环性能下降等一系列问题，限制了发动机的工作包线，需要采取一定的措施来提高涡轮发动机的工作马赫数。空气预冷技术在近年来得到了广泛研究，在传统涡轮发动机前增加预冷装置，冷却压气机进口空气，可防止空气温度超过压气机工作上限，并可使压气机相对换算转速提高，增大发动机进气质量流量，从而增大推力，达到拓展飞行包线和提高发动机性能的目标，满足高马赫数飞行的动力需求。现有航空涡轮发动机一般工作至马赫数2(Ma2)，可通过对进口空气进行冷却以提高其工作马赫数。

现有技术的方案中，对发动机进口空气实现预先冷却的方案主要包括射流预冷方案和换热预冷方案。其中，射流预冷方案主要通过注入水的蒸发吸热降温，其喷注装置结构简单，发动机改动不大，方案可行性高，但是，在发动机工作的条件下，射流液滴蒸发率低，完全蒸发距离长，蒸发室尺寸较大，需要注入过量的水才能够达到冷却要求。当发动机工作马赫数较高时，冷却水的注入量过大，使得氧气含量明显降低，容易造成燃烧室熄火，此时需要同时注入氧化剂以提高空气中的氧含量，提高燃烧室工作稳定性。现有方案中，在注入水的同时注入液氧、过氧化氢等工质，二者分别进行喷注雾化蒸发。由于液氧等工质温度低，可能造成水蒸气凝结。换热预冷方案通过在压气机前布置换热器来冷却来流空气，冷却剂通常选择低温氦气、液氢、液甲烷等低温工质。该方案不改变空气组分，换热效果好，但是换热器结构复杂，尺寸及重量较大，空气流动损失较大，低温冷却剂容易造成换热管外壁结霜，对通道造成堵塞，进一步增大空气流动损失。此外，换热预冷方案通常改变发动机原有热力循环，需要对发动机进行适应性改造，同时换热器高效低阻轻质的设计要求使其加工制造工艺难度大，需要开展关键技术攻关。

因此，本发明旨在设计一种发动机进口空气冷却系统，以解决上述问题。本发明由中国空气动力研究与发展中心基础和前沿技术研究基金PJD20190219支持。

发明内容

本发明意在提供一种发动机进口空气冷却系统，解决了对发动机进口温度冷却的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种发动机进口空气冷却系统，包括扩压器、换热器和蒸发器，所述扩压器为空心轴旋体，所述扩压器包括等直段和扩张段，所述等直段与进气道连接，所述扩张段与等直段同轴设置，所述换热器包括换热室、冷却机构和导流锥，所述换热室为空心圆筒，所述换热室的一端与扩张段连接，所述蒸发器包括蒸发室和与冷却机构连接的喷射器，所述蒸发室与换热室的另一端连接，所述冷却机构用于对换热室内的热空气进行冷却，所述导流锥安装在冷却机构上靠近扩张段的一侧，所述喷射器用于将冷却剂喷入热空气中完成蒸发冷却。

进一步的，所述冷却机构包括与换热室同轴设置的高温冷却单元，所述高温冷却单元设置在换热室内；所述高温冷却单元包括第一入口管、入口环管、换热组管、出口环管和第一出口管，所述第一入口管上依次设有位于导流锥和扩张段外的第一流量计、第一流量调节阀和冷却剂贮箱，所述冷却剂贮箱内装有冷却剂，所述冷却剂采用水；所述入口环管与第一入口管连通，所述入口环管与出口环管之间连接有固定杆，所述换热组管一端与入口环管连通，所述换热组管另一端与出口环管连通，多根所述第一出口管环设在出口环管上，多根所述第一出口管共同连接在喷射器上，所述喷射器用于将完成冷却作用的冷却剂喷出。

进一步的，所述喷射器包括喷水环和设置在喷水环上的喷水杆，所述喷水环上开有与出口管连接的通孔，所述喷水环内还周向等距分布有四根连通管，多个所述喷水杆等距的连通在连通管上，每根所述喷水管上均开设有多个喷孔。

通过上述设置，根据发动机工作参数和推力的需求，利用冷却剂贮箱、第一流量调节阀和第一流量计来控制冷却剂的注入，从而实现对发动机进口空气的冷却；冷却剂在对流换热阶段吸热升温至高温液相状态，其温度高于空气压力对应的饱和温度，冷却剂粘性和表面张力随温度的升高而减小，并且冷却剂喷注后由于压力突降进入的过热状态，过热液滴发生闪蒸，从而实现温度升高减小粘性表面张力和闪蒸作用促使快速汽化的双重增强效果，喷雾粒径显著减小，能够显著提高蒸发率，减小冷却剂流量，并且蒸发距离的缩短可以减小蒸发器尺寸，从而降低了发动机尺寸重量，提高了发动机推重比。

进一步的，所述冷却机构还包括低温冷却单元，所述低温冷却单元与换热室同轴设置，所述低温冷却单元包括第二入口管、螺旋管和第二出口管，所述第二入口管上次设有位于换热室外的第二流量计、第二流量调节阀和氧化剂贮箱，所述氧化剂贮箱内装有氧化剂，所述氧化剂采用液氧，所述螺旋管连接在第二入口管和第二出口管之间，所述第二出口管与喷射器连通，所述喷射器还与第一出口管连通。

进一步的，所述喷射器采用内混式喷嘴。

通过上述设置，根据发动机工作参数和推力的需求，利用冷却剂贮箱、第一流量调节阀和第一流量计来控制冷却剂的注入，从而实现对发动机进口空气的冷却，利用氧化剂贮箱、第二流量调节阀和第二流量计来控制氧化剂的注入，从而可以调节空气中的含氧量，保证发动机的正常工作，也有利于增大发动机流量，提高发动机推力；冷却剂在对流换热阶段吸热升温至高温液相状态，其温度高于空气压力对应的饱和温度，氧化剂在对流换热阶段吸热汽化，吸热后的冷却剂与氧化剂在喷射器内混合后喷注形成气泡雾化，冷却剂粘性和表面张力随温度的升高而减小，并且冷却剂喷注后由于压力突降进入的过热状态，过热液滴发生闪蒸，从而实现温度升高减小粘性表面张力、气泡雾化增强射流破碎与闪蒸作用促使快速汽化的三重增强效果，喷雾粒径大大减小，能够显著提高蒸发率，减小冷却剂流量，并且蒸发距离的缩短可以减小蒸发器尺寸，从而降低了发动机尺寸重量，提高了发动机推重比。

进一步的，所述换热组管包括入口集流管、出口集流管和多根换热管，所述入口集流管与入口环管连接，所述出口集流管与出口环管连接，多个所述换热管均连接在入口集流管与出口集流管之间。

进一步的，多个所述换热组管沿圆周呈鱼鳞状分布，每个所述换热管的型线均采用阿基米德曲线。

通过上述设置，可保证相邻两排换热管径向间距相等。

进一步的，所述换热管的周向跨度90～180°、外径取值在0.5～2mm、壁厚0.04～0.2mm，横向间距s1的取值在1.5～3倍换热管外径之间，纵向间距s2的取值在1.2～2倍换热管外径之间，入口集流管和出口集流管的横截面形状均为半圆形，直径取值在2～6倍的换热管外径。

与现有技术相比，本方案的有益效果：

1、本方案采用水作为冷却剂、液氧作为氧化剂，二者分别流经换热器与空气进行对流换热，然后喷注进入空气进行蒸发吸热，可将发动机进口空气总温降低至约390K(现有发动机工作在上限Ma2时的空气总温)，确保压气机工作不超温，并且可调节空气内含氧量，从而扩展发动机工作包线；空气温度的降低和冷却剂、氧化剂的喷入，均可使发动机流量增大，从而提高发动机推力。在第一入口管上装有第一流量调节阀和第一流量计，用于调节和监控冷却剂流量，在第二入口管上装有第二流量调节阀和第二流量计，用于调节和监控氧化剂流量。根据发动机工作参数和推力需求，通过流量调节阀调节冷却剂和氧化剂流量以满足冷却要求和含氧量要求，从而满足发动机工作要求。

2、本方案采用对流换热和射流蒸发的两级冷却方案，冷却剂在对流换热阶段吸热升温至高温液相状态，不发生相变，换热功率较小，使得热交换器尺寸大大减小，流动损失和加工制造难度均显著降低。吸热后的高温液态冷却剂在射流蒸发阶段被喷入空气，其粘性和表面张力随温度升高而减小，并且冷却剂喷注后由于压力突降进入过热状态，过热液滴发生闪蒸，从而实现温度升高减小粘性表面张力与闪蒸作用促使快速汽化的双重增强作用，可显著减小喷雾粒径，大大缩短蒸发时间和距离，从而提高蒸发率和空气冷却效率，同时可减小蒸发器尺寸，降低了发动机尺寸重量，提高了发动机推重比。

3、本方案通过喷注氧化剂，可实现温度升高减小粘性表面张力、气泡雾化增强射流破碎与闪蒸作用促使快速汽化的三重增强效果，大大减小了喷雾液滴尺寸，从而缩短蒸发时间和蒸发距离，提高蒸发率和空气冷却效率，减小蒸发器尺寸，同时氧化剂的喷入可提高燃烧室内氧含量，防止燃烧不稳定现象发生。

附图说明

图1是实施例1的系统示意图；

图2是实施例1的结构示意图；

图3是实施例1中冷却机构的结构示意图；

图4是实施例1中换热组管与入口环管、出口环管的轴侧视图；

图5是实施例1中换热组管与入口环管、出口环管的后视图；

图6是实施例1中换热组管的结构示意图；

图7是实施例1中换热管的型线示意图；

图8是实施例1中多个换热组管的结构示意图；

图9是实施例1中喷射器的结构示意图；

图10是实施例2的系统示意图；

图11是实施例2的结构示意图；

图12是实施例2中螺旋管的结构示意图；

图13是实施例2中螺旋管的侧视图；

图14是实施例2中喷射器的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：等直段1、扩张段2、换热室3、导流锥4、蒸发室5、第一入口管6、入口环管7、出口环管8、第一出口管9、第一流量计10、第一流量调节阀11、冷却剂贮箱12、固定杆13、入口集流管14、出口集流管15、换热管16、喷水环17、喷水杆18、第二入口管19、螺旋管20、第二出口管21、氧化剂贮箱22、冷却剂入口23、氧化剂入口24、第二流量计25、第二流量调节阀26。

实施例1

如附图1-9所示：一种发动机进口空气冷却系统，包括扩压器、换热器和蒸发器。扩压器为空心轴旋体，等直段1与进气道固连，扩压器包括等直段1和与等直段1同轴设置的扩张段2，扩压器采用不锈钢加工制成。换热器包括换热室3、冷却机构和导流锥4，换热室3为空心圆筒、且由不锈钢加工制成，换热室3连接在扩张段2与蒸发室5之间，换热室3分别与扩张段2、蒸发室5之间通过法兰连接。蒸发器包括空心轴旋体的蒸发室5和与冷却机构连接的喷射器，蒸发室5与换热室3同轴设置。本实施例的冷却机构采用高温冷却单元，高温冷却单元与换热室3同轴布置，高温冷却单元包括第一入口管6、入口环管7、多个换热组管、出口环管8和三根第一出口管9，第一入口管6穿过导流锥4和扩张段2，第一入口管6上依次设有位于导流锥4和扩张段2外的第一流量计10、第一流量调节阀11和冷却剂贮箱12，冷却剂贮箱12内装有冷却剂，冷却剂采用水；入口环管7与第一入口管6连通，入口环管7与出口环管8之间连接有固定杆13，固定杆13与入口环管7外环面和出口环管8内环面相连并固定。

每个换热组管均包括入口集流管14、出口集流管15和多根换热管16，入口集流管14与入口环管7连接，出口集流管15与出口环管8连接，多根换热管16均连接在入口集流管14与出口集流管15之间。多个换热组管沿圆周呈鱼鳞形布置，每个换热管16的型线均采用阿基米德曲线，换热管16的周向跨度90～180°、外径取值在0.5～2mm、壁厚0.04～0.2mm，横向间距s1的取值在1.5～3倍换热管16外径之间，纵向间距s2的取值在1.2～2倍换热管16外径之间，入口集流管14和出口集流管15的横截面形状均为半圆形，直径取值在2～6倍的换热管16外径。换热管16的型线采用阿基米德曲线，可保证相邻两排换热管16径向间距相等。每个高温冷却单元包括20～30个换热组管，每组入口集流管14、出口集流管15间可以布置1～3排换热管16。本实施例中每个冷却单元布置24个换热组管、每个换热组管布置1排换热管16。

每个换热组管均选用热导率大、强度高的合金，其余部件(入口环管7、出口环管8等)均由不锈钢加工制成。出口环管8与导流锥4连接在一起，从而利用导流锥4对空气进行导向，使空气沿径向由外向内流过高温冷却单元的换热组管，与换热组管中的冷却剂进行充分的热交换。三根第一出口管9环设在出口环管8上，多根第一出口管9上共同连接有喷射器。冷却剂由第一入口管6进入入口环管7，通过入口环管7分流进入各换热组管，冷却剂在换热组管内流动对空气进行冷却，热交换后的冷却剂由各换热组管进入出口环管8，并通过第一出口管9进入喷射器中。

喷射器采用不锈钢加工制成，喷射器与高温冷却单元同轴安装，喷射器包括喷水环17和设置在喷水环17上的喷水杆18，喷水环17上开有与第一出口管9连接的通孔，喷水环17内还周向等距分布有四根连通管，多个喷水杆18等距连通在连通管上，每根喷水管上均开设有多个喷孔，喷孔直径0.05～0.15mm。

工作时，空气由进气道进入扩压器并通过扩张段2减速增压，然后空气经扩压器进入换热器中，在换热室3和高温冷却单元之间的空间流动。同时冷却剂经第一入口管6进入高温冷却单元，冷却剂由入口环管7分流进入各换热组管的入口集流管14中，并经入口集流管14分流进入各换热管16，冷却剂在换热管16内流动对空气进行冷却，热交换后冷却剂温度升高，由各根换热管16进入对应的出口集流管15，最后进入出口环管8并由第一出口管9流出高温冷却单元，冷却剂与空气呈相反方向流动完成对流换热，实现空气的初步冷却；同时冷却剂吸热升温至高温液相状态，其温度高于空气压力对应的饱和温度。

当冷却剂由第一出口管9进入喷水环17后分流进入喷水杆18，通过喷孔喷射进入空气。喷孔沿喷水杆18线性均布，冷却剂沿周向喷射。冷却剂喷注后由于压力突降进入过热状态，经历快速闪蒸后继续蒸发吸热，完成空气冷却过程。

实施例2

如附图10-14所示，本实施例与实施例1的区别仅在于：本实施例采用一根第一出口管9、以及冷却机构还包括低温冷却单元，低温冷却单元与换热室3同轴设置并设置在高温冷却单元内侧，低温冷却单元包括第二入口管19、螺旋管20和第二出口管21，第二入口管19穿过蒸发室5上的法兰进入换热室3中，第二入口管19上依次设有位于换热室3外的第二流量计25、第二流量调节阀26和氧化剂贮箱22，氧化剂贮箱22内装有氧化剂，氧化剂采用液氧，螺旋管20连接在第二入口管19和第二出口管21之间，第二出口管21与喷射器连通，喷射器采用内混式喷嘴，喷射器上设有与第一出口管9连通的冷却剂入口23，以及与第二出口管21连通的氧化剂入口24。

工作时，空气由进气道进入扩压器并通过扩张段2减速增压，然后空气经扩压器进入换热器中，在换热室3和高温冷却单元之间的空间流动。此时冷却剂经第一入口管6进入高温冷却单元，冷却剂由入口环管7分流进入各换热组管的入口集流管14中，并经入口集流管14分流进入各换热管16，冷却剂在换热管16内流动对空气进行冷却，热交换后冷却剂温度升高，由各根换热管16进入对应的出口集流管15，最后进入出口环管8并由第一出口管9流出高温冷却单元，冷却剂与空气呈相反方向流动完成对流换热，实现空气的初步冷却；同时冷却剂吸热升温至高温液相状态，其温度高于空气压力对应的饱和温度。与此同时，氧化剂由第二入口管19进入螺旋管20，氧化剂在螺旋管20内流动对空气进行冷却，同时氧化剂吸热后汽化，由第二出口管21流出低温冷却单元。

当冷却剂经第一出口管9进入喷射器、同时氧化剂经第二出口管21进入喷射器，氧化剂进入喷射器的喷嘴内与冷却剂混合，然后以气泡雾化的方式喷注进入蒸发室5内。冷却剂喷注后由于压力突降进入过热状态，经历快速闪蒸后继续蒸发吸热，完成空气冷却过程。

本实施例的导流锥4对空气进行导向，使空气沿径向由外向内流过高温冷却单元的换热组管和低温冷却单元的螺旋管20，与管内的冷却剂和氧化剂进行充分的热交换。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种发动机进口空气冷却系统，其特征在于：包括扩压器、换热器和蒸发器，所述扩压器为空心轴旋体，所述扩压器包括等直段和扩张段，所述等直段与进气道连接，所述扩张段与等直段同轴设置，所述换热器包括换热室、冷却机构和导流锥，所述换热室为空心圆筒，所述换热室的一端与扩张段连接，所述蒸发器包括蒸发室和与冷却机构连接的喷射器，所述蒸发室与换热室的另一端连接，所述冷却机构用于对换热室内的热空气进行冷却，所述导流锥安装在冷却机构上靠近扩张段的一侧，所述喷射器用于将冷却剂喷入热空气中完成蒸发冷却。

2.根据权利要求1所述的一种发动机进口空气冷却系统，其特征在于：所述冷却机构包括与换热室同轴设置的高温冷却单元，所述高温冷却单元设置在换热室内；所述高温冷却单元包括第一入口管、入口环管、换热组管、出口环管和第一出口管，所述第一入口管上依次设有位于导流锥和扩张段外的第一流量计、第一流量调节阀和冷却剂贮箱，所述冷却剂贮箱内装有冷却剂，所述冷却剂采用水；所述入口环管与第一入口管连通，所述入口环管与出口环管之间连接有固定杆，所述换热组管一端与入口环管连通，所述换热组管另一端与出口环管连通，多根所述第一出口管环设在出口环管上，多根所述第一出口管共同连接在喷射器上，所述喷射器用于将完成冷却作用的冷却剂喷出。

3.根据权利要求2所述的一种发动机进口空气冷却系统，其特征在于：所述喷射器包括喷水环和设置在喷水环上的喷水杆，所述喷水环上开有与第一出口管连接的通孔，所述喷水环内还周向等距分布有四根连通管，多个所述喷水杆等距连通在连通管上，每根所述喷水管上均开设有多个喷孔。

4.根据权利要求2所述的一种发动机进口空气冷却系统，其特征在于：所述冷却机构还包括低温冷却单元，所述低温冷却单元与换热室同轴设置，所述低温冷却单元包括第二入口管、螺旋管和第二出口管，所述第二入口管上次设有位于换热室外的第二流量计、第二流量调节阀和氧化剂贮箱，所述氧化剂贮箱内装有氧化剂，所述氧化剂采用液氧，所述螺旋管连接在第二入口管和第二出口管之间，所述第二出口管与喷射器连通，所述喷射器还与第一出口管连通。

5.根据权利要求4所述的一种发动机进口空气冷却系统，其特征在于：所述喷射器采用内混式喷嘴。

6.根据权利要求2-5中任一项所述的一种发动机进口空气冷却系统，其特征在于：所述换热组管包括入口集流管、出口集流管和多根换热管，所述入口集流管与入口环管连接，所述出口集流管与出口环管连接，多个所述换热管均连接在入口集流管与出口集流管之间。

7.根据权利要求6所述的一种发动机进口空气冷却系统，其特征在于：多个所述换热组管沿圆周呈鱼鳞状分布，每个所述换热管的型线均采用阿基米德曲线。

8.根据权利要求6所述的一种发动机进口空气冷却系统，其特征在于：所述换热管的周向跨度90～180°、外径取值在0.5～2mm、壁厚0.04～0.2mm，横向间距s1的取值在1.5～3倍换热管外径之间，纵向间距s2的取值在1.2～2倍换热管外径之间，入口集流管和出口集流管的横截面形状均为半圆形，直径取值在2～6倍的换热管外径。

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