CN112963861B - 一种换热面积可分配式双燃料预冷器 - Google Patents

一种换热面积可分配式双燃料预冷器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种换热面积可分配式双燃料预冷器，换热管道包括来流母管、工质流出管、多个换热单元、换热单元的分流结构和工质流出管，流量调节阀安装在来流母管的两端，电磁阀均匀分布安装在两个流量调节阀之间的母管上。本发明的双燃料预冷器通过母管两端同时流入具有不同热沉的甲醇和航空煤油两种燃料作为预冷工质，并通过流量调节阀控制双燃料流量及二者流量之比，在保证预冷器总体换热面积不变的基础上，通过电磁阀调节双预冷燃料分别流过预冷器换热单元的数目，来实现两种预冷燃料所对应的总换热面积的分配，从而实现对预冷器总预冷能力的调控，以适应不同飞行马赫数下的预冷需求，解决预冷涡轮组合发动机预冷过程中燃料用量过量的问题。

Description

一种换热面积可分配式双燃料预冷器
技术领域
本发明涉及一种换热面积可分配式双燃料预冷器，具体涉及高马赫双工质预冷发动机的一种换热面积可分配式双燃料预冷器，属于预冷航空发动机技术领域。
背景技术
随着航空飞行器飞行速度的不断提高，来流空气的总温不断增加，增大了压气机压缩空气的难度。解决该问题的方案之一就是使用预冷器对来流进行预冷，将来流空气中的一部分热量传递给燃料来达到降低来流总温的目的。但受到燃料热沉的限制，为了将来流空气冷却到设计点所需的燃料量通常高于燃烧所需燃料量，致使燃料无法充分燃烧，造成严重的经济损失。哈尔滨工业大学对预冷型ATREX发动机进行了建模分析，以液氢作为预冷燃料，在马赫数等于6时，燃料当量比达到了 4.5，即预冷所需的氢达到了燃烧所需氢的4.5倍。
在现有的航空燃料中，虽然液氢高热值、大热沉的化学性质使其更适合作为预冷工质，但其带来的储存技术问题在短期内仍无法得到有效地解决，因此，液氢作为预冷燃料并不是长久之计。目前的航空燃料多以碳氢燃料为主，但是因其在预冷器能够提供的温度条件下无法完全裂解，比热容较低，以碳氢燃料作为预冷工质将会带来更严重的质量惩罚；而醇类燃料具有起始裂解温度低、裂解温区窄的优点，其裂解吸热过程能有效提升燃料的冷却能力，但是其燃料热值较低，无法满足发动机的燃烧需求。因此，选用碳氢燃料和醇类燃料两种工质进行来流空气的预冷，利用二者的优点进行互补成为了解决预冷问题新的研究方向。
飞行器在飞行过程中的飞行速度会随着飞行需求进行调整，当使用双工质燃料对来流空气进行预冷时，需要通过调节燃料流量和燃料所流经的换热面积来满足不同飞行工况下的预冷需求，因此，如何设计出一种既能调节两种预冷工质的流量，又能在保证预冷器受热均匀的条件下，对两种工质流过预冷器的换热面积比进行调节，是有效实行双工质燃料预冷的关键。
发明内容
本发明的目的在于：为上述技术背景中所提到的双工质燃料预冷发动机提供一种换热面积可分配式双燃料预冷器，以解决飞行器在变工况情况下需要调节燃料流量比和换热面积比的问题。
本发明提出一种换热面积可分配式双燃料预冷器，该预冷器为双燃料预冷器，两种预冷燃料对来流空气进行冷却，包括来流母管、分流结构、换热单元和工质流出管。
两种预冷燃料分别从来流母管的两个预冷工质进口流入预冷器，依次流经来流母管、分流结构和换热单元完成多次分流之后，在换热子管中与从预冷器外径流入，内径流出的高温压缩空气进行逆流换热，最后流入工质流出管完成混合，从预冷工质出口流出预冷器。
优选地，所述来流母管包括预冷工质进口A、预冷工质进口B、流量调节阀A、流量调节阀B、多个分流口和多个电磁阀；所述流量调节阀A与流量调节阀B之间的母管上等间距分布着多个分流口，每两个分流口之间的中间位置安装有电磁阀，通过控制各个电磁阀的开关来调节预冷燃料所流过的换热面积；两种预冷燃料分别从预冷工质进口A和预冷工质进口B进入，其流量比通过流量调节阀A和流量调节阀B进行调节。
优选地，两种预冷燃料为甲醇和航空煤油，两种预冷燃料的流量比调节范围为0～1，换热面积比的调节范围为0～1。
优选地，多个换热单元之间沿周向交错等间距的均匀排列，从分流口流出的双预冷燃料进入换热单元进行换热，在提高预冷器换热能力的同时，减少预冷器整体换热不均问题。
优选地，所述分流结构包括多个圆形的一级分流管，每个一级分流管上，指向圆心方向的一侧引出有一个工质流入口，另一侧引出有多个工质流出口，每个工质流出口与一个换热单元连接，通过分流结构实现从来流母管分流出的管路与多个换热单元进行连接。
优选地，每个换热单元包括一个二级分流管、一个汇流管和多个换热子管，多个换热子管一端连接处于预冷器内径的汇流管和另一端连接处于预冷器外径的二级分流管，并且均匀等距分布在汇流管和二级分流管上，通过换热子管将传热面积进一步增加。
优选地，所述的换热子管内壁面涂有催化剂，帮助甲醇燃料在被来流高温空气加热后发生催化裂解反应，快速释放其化学热沉。
优选地，多个换热子管按照渐开线的形式进行弯曲，可以保证不同换热单元的相邻换热子管之间的距离沿预冷燃料流动方向保持恒定，从而确保换热器整体结构的均匀性和运行的可靠性。
优选地，所述的工质流出管包括一个预冷工质出口和多个预冷工质流入口，多个预冷工质流入口均匀等间距分布在工质流出管上，并与多个换热单元上面的汇流管通过法兰对应连接，吸收热量之后的两种预冷燃料在工质流出管中完成汇合并混合后流出预冷器。
优选地，所述来流母管与工质流出管的管子直径为D1，所述分流结构中的一级分流管的管子直径为D2，所述换热单元中的二级分流管和汇流管的管子直径为D3，换热子管的管子直径为D4，其中 D1＞D2＞D3＞D4，以此来保证预冷工质在分汇流的过程中不会产生较大的流动损失。
本发明所述的换热面积可分配式双燃料预冷器的有益效果为：
1.本发明采用甲醇和航空煤油双燃料工质对来流空气进行预冷，与单醇类燃料或碳氢燃料相比，巧妙利用甲醇起始裂解温度低、裂解温区窄和航空煤油热值高的优点进行互补，一方面提高了燃料的化学热沉，有效降低了预冷发动机燃料的消耗量，另一方面弥补了甲醇燃料热沉不足的问题。
2.本发明所使用的预冷工质为常温储存燃料，燃料的密度高，储存空间小，价格低，与需要进行低温储存的液氢燃料相比，减少了额外的能量消耗，有效降低长期运行成本。
3.本发明的双燃料预冷器不仅可以通过流量调节阀调节预冷燃料的流量，还可以通过电磁阀调节两种预冷燃料流过预冷器总换热面积的分配情况，改变两种预冷工质与来流空气的换热面积比，从而对预冷器的总预冷能力进行调控，以匹配发动机的变工况运行。
4.本发明的双燃料预冷器通过母管两端同时流入具有不同热沉的甲醇和航空煤油两种燃料作为预冷工质，并通过流量调节阀控制双燃料流量及二者流量之比，在保证预冷器总体换热面积不变的基础上，通过电磁阀调节双预冷燃料分别流过预冷器换热单元的数目，来实现两种预冷燃料所对应的总换热面积的分配，从而实现对预冷器总预冷能力的调控，以适应不同飞行马赫数下的预冷需求。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1为本发明所述的一种换热面积可分配式双燃料预冷器的结构示意图；
图2为本发明所述的来流母管结构示意图；
图3为本发明所述的分流结构示意图；
图4为图3的分解图，其中，(a)、(b)、(c)、(d)分别表示连接不同分流口105与换热单元3 的四个一级分流管201；
图5为本发明所述的换热单元结构示意图；
图6为本发明所述的工质流出管结构示意图；
图7为本发明所述的工质流路示意图；
其中，1-来流母管；2-分流结构；3-换热单元；4-工质流出管；
101-预冷工质进口A；102-预冷工质进口B，103-流量调节阀A；104-流量调节阀B，105-分流口；106-电磁阀；
201-一级分流管；202-工质流入口；203-工质流出口；
301-二级分流管；302-汇流管；303-换热子管；
401-预冷工质出口；402-预冷工质流入口。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1-7说明本实施方式。本实施方式所述的换热面积可分配式双燃料预冷器，该预冷器为双燃料预冷器，两种预冷燃料对来流空气进行冷却，包括来流母管1、分流结构2、多个换热单元3和工质流出管4。
两种预冷燃料分别从来流母管1的两个预冷工质进口流入预冷器，依次流经来流母管1、分流结构2和多个换热单元3完成多次分流之后，在换热子管303中与从预冷器外径流入，内径流出的高温压缩空气进行逆流换热，最后流入工质流出管4完成混合，从预冷工质出口401流出预冷器。
所述来流母管1包括预冷工质进口A101、预冷工质进口B102、流量调节阀A103、流量调节阀 B104、多个分流口105和多个电磁阀106；所述流量调节阀A103与流量调节阀B104之间的母管上等间距分布着多个分流口105，每两个分流口105之间的中间位置安装有电磁阀106，通过控制各个电磁阀106的开关来调节预冷燃料所流过的换热面积；两种预冷燃料分别从预冷工质进口A101和预冷工质进口B102进入，其流量比通过流量调节阀A103和流量调节阀B104进行调节。
多个换热单元3之间沿周向交错等间距的均匀排列，从分流口105流出的双预冷燃料进入换热单元3进行换热，在提高预冷器换热能力的同时，减少预冷器整体换热不均问题。
所述来流母管1与工质流出管4的管子直径为D1，所述分流结构2中的一级分流管201的管子直径为D2，所述换热单元3中的二级分流管301和汇流管302的管子直径为D3，换热子管303的管子直径为D4，其中D1＞D2＞D3＞D4，以此来保证预冷工质在分汇流的过程中不会产生较大的流动损失。
一种换热面积可分配式双燃料预冷器，包括来流母管1、分流结构2、换热单元3和工质流出管 4，所述的来流母管1和分流结构2依靠法兰进行连接，将预冷工质经连接的管路输送到由多个换热单元3组成的换热管组，并与从整个换热器外径流入，内径流出的高温压缩空气进行热量交换，然后经工质流出管4流出预冷器。
如图2所示，所述来流母管1的两端入口分别布置一个流量调节阀A103与流量调节阀B104用以调节从预冷工质进口A101与预冷工质进口B102流进的预冷燃料的流量，在流量调节阀A103与流量调节阀B104之间的母管上等间距分布着多个分流口105，优选4个，并且为了便于安装，相邻的分流口105的出口方向之间相互垂直，同时每两个分流口105之间的中间位置安装有电磁阀106，通过控制各个电磁阀106的开关来调节预冷燃料所流过的换热面积。
所述来流母管1包括预冷工质两端的进口、两个流量调节阀、多个分流口105和多个电磁阀106；所述的来流母管1一端进口流入预冷工质甲醇，并通过布置在该进口之后的流量调节阀A103控制甲醇的来流流量；所述的来流母管1的另一端进口流入预冷工质航空煤油，并通过布置在该进口之后的流量调节阀B控制航空煤油的来流流量；所述的多个分流口105均匀等距分布在两个流量调节阀之间，并通过法兰与分流结构2进行连接；所述的多个电磁阀106分别布置在每两个分流口105的中间位置。
所述的两种预冷燃料的流量比可以通过流量调节阀103与104进行调节，两种预冷燃料所流过的换热单元数目，即预冷器的总换热面积在两种预冷燃料之间的分配，可通过电磁阀106进行调节，从而实现对预冷器总预冷能力的调控，以适应和满足不同马赫数飞行下的预冷需求，其中两种预冷燃料的流量比调节范围为0～1，换热面积比的调节范围为0～1。
如图3-4所示，所述分流结构2由多个一级分流管201组成，优选4个，每个一级分流管201 上，指向圆心方向的一侧引出有一个工质流入口202，另一侧引出有多个工质流出口203，优选6个，每个工质流入口202与来流母管1上面的一个分流口105通过法兰进行连接，每个工质流出口203 与一个换热单元3通过法兰进行连接，通过分流结构2实现从来流母管1分流出的管路与多个换热单元3进行连接，增加预冷燃料与来流空气的换热面积。
如图5所示，每个换热单元3包括一个二级分流管301，一个汇流管302和多个换热子管303，优选25个，所述的25个换热子管303连接处于预冷器内径的汇流管302和处于预冷器外径的二级分流管301，并且均匀等距分布在汇流管302和二级分流管301上，通过换热子管303将传热面积进一步增加；
在每个换热单元3中，预冷燃料沿每个换热子管303从处于预冷器外径的二级分流管301流向处于预冷器内径的汇流管302，并与管外从预冷器外径方向流入内径方向并逐步压缩的高温来流空气进行热量交换。
所述的换热子管303内壁面涂有催化剂，帮助甲醇燃料在被来流高温空气加热后发生催化裂解反应，快速释放其化学热沉。
多个换热子管303按照渐开线的形式进行弯曲，可以保证不同换热单元3的相邻换热子管303 之间的距离沿预冷燃料流动方向保持恒定，从而确保换热器整体结构的均匀性和运行的可靠性。所述的多个换热单元303沿换热器周向均匀等间距分布。
如图6所示，所述的工质流出管4包括1个预冷工质出口401和多个预冷工质流入口402，优选 24个，所述的24个预冷工质流入口402均匀等间距分布在工质流出管上，并与24个换热单元3上面的汇流管302通过法兰对应连接，吸收热量之后的两种预冷燃料在工质流出管4中完成汇合并混合后流出预冷器。
本发明的一种换热面积可分配式双燃料预冷器的使用方法，具体步骤如下：
甲醇和航空煤油两种预冷燃料分别从来流母管1的两端流入预冷器，并通过布置在入口之后的流量调节阀调节来流流量，然后经电磁阀调节后流入4个流路，每条流路经分流结构2之后流过6 个换热单元3，在与管外的来流空气进行热量交换后，最后全部流入工质流出管4中进行汇合，流出预冷器。
根据飞行器不同工况下对预冷的要求，3个电磁阀有且仅有一个处于关闭状态，如果仅关闭电磁阀1，甲醇将会流过6个换热单元3，航空煤油将会流过3×6共18个换热单元3，此时甲醇与航空煤油流过的换热面积比为1:3；如果仅关闭电磁阀2，甲醇和航空煤油分别流过2×6共12个换热单元3，此时甲醇与航空煤油流过的换热面积比为1:1；如果仅关闭电磁阀3，甲醇将会流过3×6共 18个换热单元3，航空煤油将会流过6个换热单元3，此时甲醇与航空煤油流过的换热面积比为3:1。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种换热面积可分配式双燃料预冷器，其特征在于，该预冷器为双燃料预冷器，使用甲醇和航空煤油两种燃料对来流空气进行冷却，包括来流母管(1)、分流结构(2)、多个换热单元(3)和工质流出管(4)，
两种预冷燃料分别从来流母管(1)的两个预冷工质进口流入预冷器，依次流经来流母管(1)、分流结构(2)和多个换热单元(3)完成多次分流之后，在换热子管(303)中与从预冷器外径流入，内径流出的高温压缩空气进行逆流换热，最后流入工质流出管(4)完成混合，从预冷工质出口(401)流出预冷器；
所述来流母管(1)包括预冷工质进口A(101)、预冷工质进口B(102)、流量调节阀A(103)、流量调节阀B(104)、多个分流口(105)和多个电磁阀(106)；所述流量调节阀A(103)与流量调节阀B(104)之间的母管上等间距分布着多个分流口(105)，每两个分流口(105)之间的中间位置安装有电磁阀(106)，通过控制各个电磁阀(106)的开关来调节预冷燃料所流过的换热面积；两种预冷燃料分别从预冷工质进口A(101)和预冷工质进口B(102)进入，其流量比通过流量调节阀A(103)和流量调节阀B(104)进行调节。
2.根据权利要求1所述的换热面积可分配式双燃料预冷器，其特征在于，两种预冷燃料的流量比调节范围为0～1，换热面积比的调节范围为0～1。
3.根据权利要求1所述的换热面积可分配式双燃料预冷器，其特征在于，多个换热单元(3)之间沿周向交错等间距的均匀排列，从分流口(105)流出的双预冷燃料进入换热单元(3)进行换热，在提高预冷器换热能力的同时，减少预冷器整体换热不均问题。
4.根据权利要求1所述的换热面积可分配式双燃料预冷器，其特征在于，所述分流结构(2)包括多个圆形的一级分流管(201)，每个一级分流管(201)上指向圆心方向的一侧引出有一个工质流入口(202)，另一侧引出有多个工质流出口(203)，每个工质流出口(203)与一个换热单元(3)连接，通过分流结构(2)实现从来流母管(1)分流出的管路与多个换热单元(3)进行连接。
5.根据权利要求1所述的换热面积可分配式双燃料预冷器，其特征在于，每个换热单元(3)包括一个二级分流管(301)、一个汇流管(302)和多个换热子管(303)，多个换热子管(303)一端连接处于预冷器内径的汇流管(302)和另一端连接处于预冷器外径的二级分流管(301)，并且均匀等距分布在汇流管(302)和二级分流管(301)上，通过换热子管(303)将传热面积进一步增加。
6.根据权利要求5所述的换热面积可分配式双燃料预冷器，其特征在于，所述的换热子管(303)内壁面涂有催化剂，帮助甲醇燃料在被来流高温空气加热后发生催化裂解反应，快速释放其化学热沉。
7.根据权利要求5所述的换热面积可分配式双燃料预冷器，其特征在于，多个换热子管(303)按照渐开线的形式进行弯曲，保证不同换热单元(3)的相邻换热子管(303)之间的距离沿预冷燃料流动方向保持恒定，从而确保换热器整体结构的均匀性和运行的可靠性。
8.根据权利要求1所述的换热面积可分配式双燃料预冷器，其特征在于，所述的工质流出管(4)包括一个预冷工质出口(401)和多个预冷工质流入口(402)，多个预冷工质流入口(402)均匀等间距分布在工质流出管(4)上，并与多个换热单元(3)上面的汇流管(302)通过法兰对应连接，吸收热量之后的两种预冷燃料在工质流出管(4)中完成汇合并混合后流出预冷器。
9.根据权利要求1所述的换热面积可分配式双燃料预冷器，其特征在于，所述来流母管(1)与工质流出管(4)的管子直径为D1，所述分流结构(2)中的一级分流管(201)的管子直径为D2，所述换热单元(3)中的二级分流管(301)和汇流管(302)的管子直径为D3，换热子管(303)的管子直径为D4，其中D1＞D2＞D3＞D4，以此来保证预冷工质在分汇流的过程中不会产生较大的流动损失。
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