CN114151188B - 一种发动机进口空气冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机进口空气冷却方法，涉及航空航天动力技术领域，其技术方案要点：S1、确定所需冷却剂的流量；S2、将冷却剂流经热交换器，使其与发动机进口空气对流换热，完成空气的初步冷却，同时冷却剂吸热升温至高温液相状态，其温度大于进口空气压力对应的饱和温度；将高温液态冷却剂喷入空气，喷雾液滴在空气中蒸发吸热，实现发动机进口空气的最终冷却。本发明将冷却剂流入热交换器，其与进口空气进行对流换热，使冷却剂吸热升温后喷入空气，冷却剂粘性和表面张力随温度升高而减小，同时冷却剂由于压力突降进入过热状态，形成闪急沸腾喷雾，喷雾液滴尺寸大大减小，从而提高冷却剂蒸发率，缩短蒸发距离，提高空气冷却效率。

Description

一种发动机进口空气冷却方法

技术领域

本发明涉及航空航天动力技术领域，更具体地说，它涉及一种发动机进口空气冷却方法。

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。

目前，现有技术中，发动机实现空气预冷的途径主要包括射流预冷方案和换热预冷方案，其中，射流预冷方案向发动机进口空气注入冷却剂水，通过水喷雾的蒸发吸热降温，喷注装置结构简单，空气流动损失小，但是在发动机工作条件下，射流液滴蒸发率低，完全蒸发距离长，蒸发室尺寸大；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，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方法，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

本发明的目的是提供一种发动机进口空气冷却方法，通过对流换热和射流蒸发结合的方法，将冷却剂流入热交换器，与发动机进口高温空气进行对流换热，完成进口空气的初步冷却，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，将吸热升温后的冷却剂喷注进入高温空气，冷却剂喷雾液滴蒸发吸热完成空气的最终冷却。冷却剂粘性和表面张力随温度升高而下降，使得液滴雾化直径减小，同时冷却剂由于压力突降进入过热状态，形成闪急沸腾喷雾，喷雾液滴表面和内部快速汽化，液滴内部气泡成核、生长和破碎过程产生更小的液滴，达到温度升高和闪急沸腾的双重作用，从而缩短蒸发时间，减小蒸发距离，提高空气冷却效率。

本发明中，冷却剂在热交换器内吸热温度升高，但没有发生相变，保持为高温液相状态，随后冷却剂由热交换器喷注进入空气的过程中压力急剧下降，对应的饱和温度降低，由于冷却剂温度高于空气压力对应的饱和温度，冷却剂进入过热状态，会发生闪急沸腾现象。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种发动机进口空气冷却方法，具体包括以下步骤：

S1、根据发动机进口空气的冷却要求，由能量守恒定律计算确定冷却剂的质量流量。发动机进口空气的冷却总功率Q，计算公式为：

Q＝m₁·Cp₁·(T₁₁-T₁₂) (1)，

其中，m₁为发动机进口空气质量流量，Cp₁为空气定压比热，T₁₁发动机进口空气的温度，T₁₂为要求冷却至的温度；冷却剂流量m₂由公式：

可得，其中，T₂₁为冷却剂初始温度，T₂₂为冷却剂最终温度，与发动机进口空气最终冷却温度T₁₂相等，Cp_2l为液态冷却剂定压比热，Cp_2g为气态冷却剂定压比热，T_s为发动机进口空气压力对应的冷却剂饱和温度，h_lt为冷却剂汽化潜热；

S2、根据步骤S1，将冷却剂流经热交换器，使其与发动机进口的高温空气进行对流换热，完成高温空气的初步冷却，同时冷却剂吸热升温至高温液相状态，其温度高于空气进口压力对应的饱和温度；然后将吸热升温后的冷却剂喷注进入热交换器出口的高温空气，冷却剂由于压力急剧下降进入过热状态，形成闪急沸腾喷雾，喷雾液滴在高温空气中蒸发吸热，实现对发动机进口的高温空气的最终冷却。

进一步地，所述冷却剂为水，且所述冷却剂的入口压力大于等于1MPa。

进一步地，步骤S2中将冷却剂流经热交换器使其与高温空气进行对流换热的过程中，还包括确定热交换器热力方案参数，采用平均温差法，具体方法为：根据热交换器的冷却剂进出口温度和空气入口温度，由公式：

Q₁＝m₂·Cp_2l·(T₂₁₅-T₂₁) (3)

确定热交换器的功率Q₁，其中T₂₁₅为热交换器出口的冷却剂温度，然后根据能量守恒定律，由公式：

确定热交换器的空气出口温度T₁₁₅；然后换热器中空气和冷却剂之间的换热平均温差ΔT采用对数平均温差，ΔT由公式：

计算求解；然后选择热交换器的换热管管径、管间距等结构参数，并根据热交换器设计手册，确定对流换热系数h_tr，并根据公式：

最终确定换热面积A。

进一步地，所述热交换器内空气的流动速度小于30m/s，且空气的流动损失小于3％。

进一步地，步骤S2中热交换器内冷却剂吸热升温至高温液相状态，其温度高于进口空气压力对应的饱和温度，且温度差大于等于20K，即冷却剂温度T₂₁₅≥T_s+20。

进一步地，步骤S2中冷却剂与发动机进口的高温空气的质量流量之比小于等于0.2。

进一步地，步骤S2中将过热状态的冷却剂喷注进入发动机进口的高温空气的喷注装置选择直流式喷嘴或离心式喷嘴。

在本发明的上述方案中，冷却剂在热交换器内吸热升温至高温液相状态，其温度高于进口空气压力对应的饱和温度，然后喷注进入空气，冷却剂粘性和表面张力随温度升高而下降，使得液滴雾化直径减小，同时冷却剂在喷注过程中由于压力急剧下降而进入过热状态，液滴发生闪急沸腾，液滴内部和表面同时发生快速汽化，内部会生成汽化核心并不断长大，气泡生长膨胀引起的热动力学扰动将导致液滴的破碎，形成更小的液滴。一些实验及数值模拟研究表明，相对于非闪沸喷雾，闪沸喷雾的粒子直径更小，汽化过程更快。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用对流换热和射流蒸发结合的空气预冷方法，将冷却剂流入热交换器，使其与外部流动的发动机进口高温空气进行对流换热，完成空气的初步冷却，同时冷却剂吸热升温至高温液相状态，其温度高于进口空气对应的饱和温度，将吸热升温后的冷却剂喷注进入热交换器出口的高温空气，冷却剂喷雾液滴蒸发吸热完成进口空气的最终冷却。冷却剂粘性和表面张力随温度下降，使得液滴雾化直径减小，同时冷却剂由于压力急剧下降进入过热状态，喷雾液滴发生闪急沸腾，液滴表面和内部快速汽化，液滴内部气泡成核、生长和破碎过程产生更小的液滴，达到液滴温度升高和闪急沸腾的双重作用，从而提高液滴蒸发率，降低冷却剂射流流量，提高空气预冷效率；

2、本发明的方法中，冷却剂在热交换器内吸热升温，保持为液相状态，不发生相变，换热功率较小，仅为总换热功率的20％左右，相较单纯的换热预冷方法，该方法的热交换器规模尺寸大大减小，流动损失和加工制造难度均显著降低；同时，冷却剂由于温度升高和闪急沸腾作用使得蒸发率显著提高，其有益效果大于热交换器带来的尺寸重量增加等不利效果。

附图说明

图1是本发明实施例中的流程图。

具体实施方式

以下结合附图1对本发明作进一步详细说明。

实施例：一种发动机进口空气冷却方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

S1、根据发动机进口空气的冷却要求，计算确定所需冷却剂的流量，冷却剂应具有高比热、低沸点、高潜热等特点，本发明中冷却剂优选水。发动机进口空气质量流量为m₁，温度T₁₁，压力P₁₁，要求将温度冷却至T₁₂，冷却剂初始温度T₂₁，压力P₂₁，流经热交换器吸热升温至T₂₁₅，然后喷注进入空气蒸发吸热，液滴完全汽化后，温度继续升高，其最终温度T₂₂与T₁₂相等。其中，发动机进口空气温度T₁₁范围为400～900K，压力P₁₁为0.1～0.3MPa，冷却后的空气温度T₁₂范围为390～420K(Ma2工况发动机进口空气总温为390K)。根据能量守恒定律确定冷却剂的质量流量，由发动机的空气进口温度和冷却要求可得冷却总功率Q，计算公式为：

Q＝m₁·Cp₁·(T₁₁-T₁₂) (1)，

其中，Cp₁为空气定压比热，冷却剂流量m₂由公式：

可得，其中，Cp_2l为液态冷却剂定压比热，Cp_2g为气态冷却剂定压比热，T_s为发动机进口空气压力对应的冷却剂饱和温度，h_lt为汽化潜热；上述公式中分母为单位流量冷却剂吸热量，包括液相热容、相变潜热和气相热容。

S2、根据步骤S1，将冷却剂流经热交换器，使其与发动机进口的高温空气进行对流换热，完成高温空气的初步冷却，同时冷却剂吸热升温至高温液相状态，其温度高于进口空气压力对应的饱和温度(温度差大于等于20K，即T₂₁₅≥T_s+20)；然后将吸热升温后的冷却剂喷注进入热交换器出口的高温空气，喷雾液滴在高温空气中蒸发吸热，实现对发动机进口空气的最终冷却。

在本实施例中，冷却剂的入口压力大于等于1MPa。

步骤S2中将冷却剂流经热交换器使其与高温空气进行对流换热的过程中，还包括确定热交换器热力方案参数，本发明中采用平均温差法，具体方法为：根据冷却剂进出口温度和空气入口温度，由公式：

Q₁＝m₂·Cp_2l·(T₂₁₅-T₂₁) (3)

确定热交换器的功率Q₁，然后根据能量守恒定律，由公式：

确定热交换器出口空气的温度T₁₁₅；然后热交换器中空气和冷却剂之间的换热平均温差ΔT采用对数平均温差，并由公式：

计算求解；然后选择热交换器的换热管管径、管间距等结构参数，并根据热交换器设计手册，确定对流换热系数h_tr，并根据公式：

最终确定换热面积A。为了减小热交换器内空气的流动损失，适当增加空气流动截面积，降低热交换器内空气流动速度，在本实施中，空气在热交换器内流动速度小于30m/s，流动损失小于3％。

在本实施例中，本发明中热交换器选择管束式热交换器。步骤S2中包括对流换热和射流蒸发两个阶段，蒸发换热阶段中将冷却剂喷入空气，依次经过雾化、蒸发、混合过程，完成空气冷却。一般来说，冷却剂液滴进入高温空气后，经历预热和平衡蒸发两个阶段，预热阶段液滴从环境吸收的热量分别用于自身加热和蒸发。平衡阶段液滴吸收的热量与蒸发散失的热量相等，液滴维持在平衡温度。本发明中，对流换热阶段结束的冷却剂为高温液相状态，其温度高于进口空气压力对应的饱和温度，冷却剂喷注后由于压力急剧下降进入过热状态，则喷雾液滴经历闪急沸腾，液滴表面和内部快速汽化，液滴内部生成汽化核心并不断长大，气泡生长膨胀和破碎过程产生更小的液滴，液滴温度迅速下降至饱和温度，并进一步快速下降至平衡温度，平衡温度小于等于饱和温度，与空气温度、湿度密切有关。液滴完全汽化后，蒸汽温度继续升高，最终与空气相等。

其中，将对流换热阶段吸热升温的冷却剂喷注至高温空气的喷注装置采用直流式喷嘴或离心式喷嘴。根据喷嘴设计手册完成设计，包括结构尺寸以及工况参数。相比喷注常温冷却剂，该阶段喷注的冷却剂温度较高，喷注后冷却剂进入过热状态，发生闪急沸腾，在温度升高和闪急沸腾的双重作用下，喷雾液滴尺寸大大减小，从而缩短冷却剂液滴蒸发时间和蒸发距离，减小蒸发器尺寸，提高空气冷却效率。

冷却剂喷注时初始温度为T₂₂，粒径D_d，液滴初始质量M_d由公式：

求得，其中ρ为冷却剂密度，闪急沸腾汽化过程所需的热量来自于液滴的过热焓ΔH_d，即液滴温度超过饱和温度的部分对应的焓，见公式：

ΔH_d＝M_d·Cp_2l·(T₂₁₅-T_s) (8)，

闪急沸腾过程的蒸发量ΔM_d由公式：

求得，冷却剂液滴在闪蒸过程中汽化的质量比例α由公式：

求得，冷却剂过热度越高，闪急沸腾越剧烈。

工作原理：本发明的方法利用冷却剂水流经热交换器与高温空气进行对流换热，然后将水喷注进入高温空气进行蒸发吸热，完成发动机进口空气的两级冷却。由于冷却剂在换热器内吸热升温至高温液相状态，其温度高于进口空气压力对应的饱和温度，冷却剂粘性和表面张力随温度升高而减小，使得雾化粒径变小，同时冷却剂在喷注过程中由于压力突降进入过热状态，形成闪急沸腾喷雾，液滴内部和表面的快速汽化，液滴内部气泡成核、生长和破碎过程产生更小的液滴，蒸发时间和蒸发距离缩短，冷却剂蒸发率提高，蒸发器尺寸相比以往方案减小，空气冷却效率显著提高。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1.一种发动机进口空气冷却方法，其特征是：具体包括以下步骤：

S1、根据发动机进口空气的冷却要求，由能量守恒定律计算确定冷却剂的质量流量，发动机进口空气的冷却总功率Q计算公式为：

Q＝m₁·Cp₁·(T₁₁-T₁₂) (1)，

其中，m₁为发动机进口空气质量流量，Cp₁为空气定压比热，T₁₁发动机进口空气的温度，T₁₂为要求冷却至的温度；冷却剂流量m₂由公式：

可得，其中，T₂₁为冷却剂初始温度，T₂₂为冷却剂最终温度，与发动机进口空气最终冷却温度T₁₂相等，Cp_2l为液态冷却剂定压比热，Cp_2g为气态冷却剂定压比热，T_s为发动机进口空气压力P₁₁对应的冷却剂饱和温度，h_lt为冷却剂汽化潜热；

S2、根据步骤S1，将冷却剂流经热交换器，与发动机进口的高温空气进行对流换热，完成高温空气的初步冷却，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；然后将热交换器内吸热升温后的冷却剂喷注至热交换器出口的高温空气，使其在高温空气中蒸发吸热，实现对发动机进口的高温空气的最终冷却。

2.根据权利要求1所述的一种发动机进口空气冷却方法，其特征是：所述冷却剂为水，且所述冷却剂的入口压力大于等于1MPa。

3.根据权利要求1所述的一种发动机进口空气冷却方法，其特征是：步骤S2中将冷却剂流经热交换器与高温空气进行对流换热的过程中，还包括确定热交换器热力方案参数，采用平均温差法，具体方法为：根据热交换器进出口冷却剂温度和空气入口温度，由公式：

Q₁＝m₂·Cp_2l·(T₂₁₅-T₂₁) (3)

确定热交换器的功率Q₁，T₂₁₅为热交换器出口冷却剂温度，然后根据能量守恒定律，由公式：

确定热交换器出口空气的温度T₁₁₅；然后热交换器中空气和冷却剂之间的换热平均温差ΔT采用对数平均温差，ΔT由公式：

计算求解；然后选择热交换器的换热管管径、管间距等结构参数，并根据热交换器设计手册，确定对流换热系数h_tr，并根据公式：

最终确定换热面积A。

4.根据权利要求1所述的一种发动机进口空气冷却方法，其特征是：所述热交换器内空气的流动速度小于30m/s，且空气的流动损失小于3％。

5.根据权利要求1所述的一种发动机进口空气冷却方法，其特征是：步骤S2中热交换器内冷却剂吸热升温至高温液相状态，其温度高于进口空气压力对应的饱和温度，且温度差大于等于20K，即冷却剂温度T₂₁₅≥T_s+20。

6.根据权利要求1所述的一种发动机进口空气冷却方法，其特征是：步骤S2中冷却剂与发动机进口空气的质量流量之比小于等于0.2。

7.根据权利要求1所述的一种发动机进口空气冷却方法，其特征是：步骤S2中将吸热升温后的高温液态冷却剂喷注至发动机进口空气的喷注装置选择直流式喷嘴或离心式喷嘴。