CN109707514A - 微通道及预冷器 - Google Patents

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汪元
王振国
刘卫东
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Abstract

本发明实施例公开一种微通道及预冷器，所述微通道，应用于预冷器，所述微通道的横截面呈扁圆形，且沿轴向在绕该轴向的方向扭转变形呈扭曲的麻花状。本发明提供的微通道及预冷器用于解决现有技术中微通道的换热能力受限于超薄管壁加工技术无法提高等缺陷，在现有加工技术成熟度允许下，管壁厚度一定时，实现更大温降、更大换热系数和尽可能小的流动损失，具有低阻高效换热的特点。

Description

微通道及预冷器
技术领域
本发明涉及预冷器技术领域，特别涉及一种应用于预冷高速涡轮发动机或组合发动机吸气模式的微通道及预冷器。
背景技术
深度预冷型组合发动机主要包括俄罗斯的LACE、ACE和KLIN方案；英国的ATRDC和SABRE方案；美国的MIPCC以及日本的ATREX。其中，使用微小通道换热器进行空气深度冷却的为ATRDC、SABRE和ATREX。
现有的空气深度预冷器主要采用“圆直微小通道”的管型结构。例如ATRDC是采用燃料氢对进口空气进行深度预冷并驱动涡轮(参见文献V.V.Balepin,Cipriano J,BerthusM.Combined propulsion for SSTO rocket:from conceptual study to demonstratorof deep cooled turbojet[C].AIAA.1996和文献B.V.High speed propulsion cycles[R].RTO-AVTVKILSCSP-07-5052,2011)，如图1所示，该发动机拥有比ATREX更高的增压比，压气机进口温度为98～112K，压比为40时，其在Ma＝0～6范围内的平均比冲可达2500s，推重比高达18～22，但是预冷器很重，约占整个发动机质量(不含进气道)的40％。
由日本航空航天科学研究所(ISAS)联合NAL、NASDA和IHI、KHI、MHI等工业集团联合研制的吸气式涡轮冲压膨胀循环发动机(Expander cycle air turbo ramjet engine，ATREX)，其预冷器构型经历了不断优化，其中I型预冷器(如图2a)在海平面条件下了进行测试，在预冷器的作用下来流空气被冷却至180K；II型换热器在I型基础上进行了改进，使用直径较大的换热管，试验结果表明改进后的II型预冷器能够使空气压降减小30％，但是换热效率仍比预测值小15～20％；随后，改进得到了III型预冷换热器(图2b)的模型，III型预冷换热器相比I型和II型具有更高的紧凑度和更小的质量(参见文献HaradaK.Development Study of a Precooler for the Air-Turboramjet Expander-CycleEngine[J].Journal of Propulsion and Power,2001,17:1233-1238)。
此外，英国反应引擎公司(Reaction Engines Ltd.,REL)研制的SABRE(Synergistic Air-Breathing Rocket Engine)预冷***(参见文献Varvill R.Heatexchanger development at Reaction Engines Ltd.[J].Acta Astronautica 2010,66:1468-1474)，采用30万根铬镍铁718合金、管孔径为0.88mm、管壁厚度为40μm的微米级合金管组成若干微通道(微通道为有一定弯曲度的圆管)换热器模块，并得到了由一系列扭旋排列的模块组成间壁管壳式换热器，该预冷器在马赫5的飞行工况下，能够在百分之一秒内将400kg/s的入口气流从1000多摄氏度冷却至零下140摄氏度，其最大功率约为400MW，该预冷器极高的散热能力是通过使用微通道实现的。
现有的空气深度预冷器均采用圆截面微小通道，管型是直管或弯曲管，而圆管(截面为圆)在空气对流换热中，其表面积体积比并不是最大的，换热效率仍需要提高，圆截面微通道带来的流阻也很高，在强化传热方面并不具有明显优势。英国SABRE的预冷器中使用的圆截面微通道换热效率很高，但其得益于极薄的管壁。目前我国的加工技术还无法实现如此薄管壁的大量微通道精密焊接。在现有加工技术成熟度允许下，管壁厚度一定时(例如0.5mm)，若期望提升微通道的换热能力，应颠覆常规的圆截面微通道方案。同时，管型结构和管排布方式也需要不断优化，以实现更大温降、更大换热系数和/或尽可能小的流动损失。
发明内容
本发明的实施例提供一种微通道及预冷器，用于克服现有技术中微通道的换热能力受限于管壁加工技术无法提高等缺陷，在现有加工技术成熟度允许下，管壁厚度一定时，实现更大温降、更大换热系数和尽可能小的流动损失。
一方面，提供了一种微通道，应用于预冷器，所述微通道的横截面呈扁圆形，且沿轴向在绕该轴向的方向扭转变形呈扭曲的麻花状，所述微通道的壁厚为0.5mm、水力直径为1mm。
另一方面，提供了一种预冷器，包括多根如权利要求1～任一项所述的微通道。
本发明实施例具有如下优点或有益效果：本发明的微通道及采用该微通道的预冷器采用扁圆形微通道，利用扁圆管本身比圆管表面积大的特性增加换热面积从而优化换热效果，扭转后，增加了换热气流的湍流度，增大了有效换热面积，进而增加对流换热系数；扭转扁圆微通道预冷器较现有圆直管预冷器有明显的强化传热作用，同时，压降损失增加不大，最终通过对微通道的管型及排布方式进行重新设计，可以在现有加工技术成熟度允许下，微通道的管壁厚度一定时，实现加大温降、提高换热系数，并减小换热气流的流动损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的ATRDC发动机方案的结构示意图；
图2a和图2b分别为现有技术中的I型和III型预冷器模型的管束排列的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的预冷涡轮发动机或组合发动机工作在吸气预冷模式时循环简图；
图4为本发明实施例提供的圆截面异型微通道预冷器结构示意图；
图5为图4中沿A-A向剖视图；
图6a为本发明实施例提供的圆截面异型微通道预冷器示意图；
图6b为本发明实施例提供方截面异型微通道预冷器示意图；
图7a为本发明实施例提供的异型微通道的立体图；
图7b为图7a的主视图；
图7c为图7b的俯视图；
图8a为本发明实施例提供的微通道的同向(倾斜45°)叉排示意图；
图8b本发明实施例提供的微通道的交错(倾斜45°)叉排的示意图；
图9为本发明实施例提供的12种不同管型的空气温降、对流换热系数、压降损失以及单通道表面积与圆直管对比的变化百分比。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图3所示，其为预冷高速涡轮发动机或者组合发动机工作在吸气预冷模式时的循环简图，预冷器主体部分为图4中虚线区域，使用超临界低温氦气作为内部循环冷却工质。
预冷器产生的低温氦气流经预热器③用于提高氦气出口温度；接着，氦气膨胀并通过主驱动涡轮机来驱动空气压缩机，之后一部分氦气流至冷却器被液氢冷却，得到的低温氦气随后流至预冷器，降低来流空气温度；另一部分氦气经热泵④加热后的氢气则用来驱动液氢涡轮泵并带动氦气涡轮对预燃室的燃气进行加热；热空气经预冷器主体部分冷却后，变为冷空气，经空气压缩机提高压比，进入燃烧室与经过预燃室产生的高温燃气流经预热器③提高温度后一起参与燃烧，高温燃气从喷管喷出产生推力。
如图4、图5所示，其为图3中虚线区域的预冷器HX的示意图。HX是异型微通道紧凑式换热器，且微通道的排布方式为发动机截面方向(即非平行于空气来流方向)的叉排微通道。预冷器HX的整体截面形状可以为圆形、方形或其他形状，根据发动机截面形状而定(图6a为圆截面预冷器图6b为方截面预冷器的示意图)。
本发明实施例提供一种异型微通道，所述微通道的横截面呈扁圆形，且沿轴向在绕该轴向的方向扭转变形呈扭曲的麻花状。扁圆形包括椭圆形、近似椭圆形，近似椭圆形包括外形有长度和宽度之间的表面光滑过度形的封闭图形，例如两端呈半圆形，中间采用直线或弧线连接形成的长圆形，或者对圆形采用单方向压缩形成的长圆形等。扭转的角度大于零，扭转一周微通道的边缘绕中心轴线扭曲一周，扭曲后形成的面按照预定的方向排列能够对流经其表面的气流的湍流度产生影响，微通道的管壁厚度一定时，实现加大温降、提高换热系数，并减小换热气流的流动损失。
具体为椭圆扭旋微通道的示意图如图7a、7b和7c所示，从图7a、7b和7c可以看出其为扭旋形直管，例如对图7b中的椭圆扭旋微通道(在图7b中是竖直放置)在水平面上的投影得到的任意多个椭圆形外截面的中心点均分布在同一个条直线上。本发明实施例提供的椭圆扭旋微通道的管型设计的主要参数包括椭圆外截面长半轴a、短半轴b和垂直于空气流动方向的截面上换热器管程扭旋(扭转)圈数r。经数值模拟和方案对比，对于管壁厚为0.5mm、水力直径为1mm的椭圆微通道，最佳椭圆外截面长半轴a为1.5mm、短半轴b为0.9mm，垂直于空气流动方向的截面上换热器管程扭转圈数r为2周时换热效果最佳。
本发明实施例还提供一种采用了上述微通道的预冷器1，包括供冷却介质输入的输入管11和供冷却介质输出的输出管12，所述输入管11与输入腔13连通，所述输出管12与输出腔14连通，所述输入腔13与所述输出腔14共同围设呈冷却腔，所述输入腔13与输出腔14之间通过若干根所述微通道10连通，彼此相邻的微通道10之间具有用于换热气体通过的间隙。
优选地，所述冷却腔呈圆柱形、椭圆柱形或棱柱形，所述微通道的长度方向在所述冷却腔的横截面方向上布置，所述换热气流沿所述冷却腔的轴向流动。
优选地，所述微通道在所述冷却腔内的布局方式为同向叉排，即沿所述冷却腔横截面排列的相邻两微通道层中的微通道之间彼此错开，且微通道未发生扭转的横截面方向均相同。参见图8a，微通道未发生扭转的横截面(椭圆形)长半轴与水平轴方向呈45°倾斜。
优选地，所述微通道在所述冷却腔内的布局方式为交错叉排，即沿所述冷却腔横截面排列的相邻两微通道层中的微通道之间彼此错开，且每个微通道层的微通道未发生扭转的横截面方向均相同，相邻两微通道层的微通道未发生扭转的横截面方向呈交叉状。
优选地，每个微通道层的微通道未发生扭转的横截面的长轴方向均相对水平轴呈45°夹角，相邻两微通道层的微通道未发生扭转的横截面的长轴方向彼此垂直。参见图8b。
微通道布局方式：同向(倾斜45°)叉排。其中两种布局方式也即同向(倾斜45°)叉排和交错(倾斜45°)叉排的示意图见图8a、图8b所示。
对比了十三种不同管型和截面尺寸的微通道换热器方案(见表1)，图9为本发明实施例表1中提供的前十二种不同管型也即1号微通道至12号微通道各自的空气温降、对流换热系数、压降损失以及单通道表面积(对于同种材料，单个微通道的质量与其表面积成正比)与13号微通道也即圆直管的空气温降(ref_ΔT)、对流换热系数(ref_h)、压降损失(ref_ΔP)以及单通道表面积(ref_Area)分别进行对比得到的变化百分比(increment(％))；图9中的横坐标为微通道编号(Pipe NO.)，每个编号的微通道的参数值参见表1，纵坐标为百分比(increment(％))，其中○表示对比后的空气温降百分比(compare of ref_ΔT increment(％))，□表示对比后的对流换热系数百分比(compare of ref_hincrement(％)),△表示对比后的压降损失百分比(compare of ref_ΔP increment(％))，◇表示对比后的单通道表面积百分比(compare of ref_Area increment(％))。其中，横坐标为Pipe No.为微通道编号。从图9中的数据可见，4号微通道方案，即壁厚为0.5mm、水力直径为1mm的椭圆扭旋微通道，椭圆外截面短半轴a为0.9mm、长半轴b为1.5mm，空气流动截面上换热器管程扭旋圈数r为2周。布局方式为同向叉排时，空气温降、对流换热系数较圆直管有明显提高，并且压降损失增加不多。同时，扭旋2周的微通道外表面积较用做参考的13号微通道也即圆直管的表面积增加不大，确保预冷器整体结构集成度更高，更轻质。因此，4号微通道方案为最佳管型和布局方案。
本发明实施例经过技术论证和数值模拟，方案可行。基于3D打印进行异型微通道换热器模块的整体成型加工，工程上可实现。
表1微通道截面尺寸和排布方式
综上所述，本发明实施例具有如下优点：
(1)由于现有的面向预冷涡轮发动机的管束式空气预冷器，均采用微/小尺度圆管。通过结构、极薄管壁、精密焊接等关键技术的突破，实现了较高换热效率。但对加工工艺提出了极高要求。比如英国SABRE中的预冷器，经过多年的攻关才解决了焊接难题。我国目前的加工能力还难以保证将大量壁厚为几十微米的微通道毫无堵塞地焊接在积液管上。本发明实施例的方案则从改进预冷器换热管截面形状和管型的角度，提出了强化换热的方案。选取我国相关加工技术内能够熟练处理的微通道壁厚(0.5mm)，降低了对加工能力的苛刻要求，弥补了使用较厚管壁带来的换热管本身热阻增大的问题。
(2)本发明实施例采用椭圆形横截面扭旋微通道。椭圆管(截面为椭圆)本身比圆管换热效果好。扭旋后，增加湍流度，增大有效换热面积，增加对流换热系数。此外，相比于工业领域常用的常规尺度的扭曲管，本发明实施例提出的是微尺度椭圆扭旋管。微尺度通道较常规尺度通道在增强换热方面具有明显优势，且结构紧凑。
(3)本发明实施例提出的椭圆扭旋微通道预冷器较现有圆直管预冷器有明显的强化传热作用，同时，压降损失增加不大。此外，根据空气预冷需求，可进行空气流动方向的管排数拓展，便于预冷器模块化集成。
(4)本发明实施例提出的椭圆扭旋微通道预冷器较圆直管预冷器的单管表面积增加不大，即质量增加不大，确保了预冷器整体结构集成度更高，更轻质。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种微通道，应用于预冷器，其特征在于，所述微通道的横截面呈扁圆形，且沿轴向在绕该轴向的方向扭转变形呈扭曲的麻花状。
2.如权利要求1所述的微通道，其特征在于，所述微通道的横截面呈椭圆形，且椭圆外截面短半轴和长半轴分别为0.9mm和1.5mm。
3.如权利要求1所述的微通道，其特征在于，所述微通道在垂直于换热气体流动方向的截面上的管程上均匀扭转。
4.如权利要求3所述的微通道，其特征在于，所述微通道在垂直于换热气体流动方向的截面上的管程扭转圈数为2圈。
5.一种预冷器，其特征在于，包括多根如权利要求1～4任一项所述的微通道。
6.如权利要求5所述的预冷器，其特征在于，包括供冷却介质输入的输入管和供冷却介质输出的输出管，所述输入管与输入腔连通，所述输出管与输出腔连通，所述输入腔与所述输出腔共同围设呈冷却腔，所述输入腔与输出腔之间通过若干根所述微通道连通，彼此相邻的微通道之间具有用于换热气体通过的间隙。
7.如权利要求6所述的预冷器，其特征在于，所述冷却腔呈圆柱形、椭圆柱形或棱柱形，所述微通道的长度方向在所述冷却腔的横截面方向上布置，所述换热气流沿所述冷却腔的轴向流动。
8.如权利要求7所述的预冷器，所述微通道在所述冷却腔内的布局方式为同向叉排，即沿所述冷却腔横截面排列的相邻两微通道层中的微通道之间彼此错开，且微通道未发生扭转的横截面方向均相同。
9.如权利要求7所述的预冷器，其特征在于，所述微通道在所述冷却腔内的布局方式为交错叉排，即沿所述冷却腔横截面排列的相邻两微通道层中的微通道之间彼此错开，且每个微通道层的微通道未发生扭转的横截面方向均相同，相邻两微通道层的微通道未发生扭转的横截面方向呈交叉状。
10.如权利要求7所述的预冷器，其特征在于，每个微通道层的微通道未发生扭转的横截面的长轴方向均相对水平轴呈45°夹角，相邻两微通道层的微通道未发生扭转的横截面的长轴方向彼此垂直。
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