超燃沖壓發(fā)動機液氮冷卻系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型超燃沖壓發(fā)動機液氮冷卻系統(tǒng)，屬于高超聲速飛行器動力技術領域。
【背景技術】
[0002]超燃沖壓發(fā)動機是高超聲速飛行器的關鍵技術之一，其發(fā)展過程中始終面臨一個重要問題，即發(fā)動機的散熱問題。研宄表明:在馬赫數為6和12的條件下，發(fā)動機進口處的氣流總溫分別達到了 1650K和4800K，而且燃燒室內的總溫會更高，即使目前最先進的復合材料亦不能承受如此高的溫度，因此必須對超燃發(fā)動機壁面進行有效的主動冷卻。燃料再生冷卻是目前比較認可的發(fā)動機主動冷卻形式，但仍存在很多弊端。以液氫燃料為冷卻劑的缺陷主要表現在:單位體積熱沉能力不足，易燃易爆致安全系數較低，容易造成結構材料的氫脆破損等；以碳氫燃料作為冷卻劑的缺陷主要表現在:吸熱過程中存在焦化現象，催化裂解過程的復雜性和不穩(wěn)定性等。隨著高超聲速飛行器向著更高馬赫數方向邁進，主動冷卻技術有待進一步發(fā)展。
[0003]液氮發(fā)動機技術在過去若干年得到了廣泛的關注，其通過吸熱膨脹過程對外做功，價格低廉且無污染，具有極大的工程應用潛力。然而目前的研宄領域主要集中于車輛設計方向，由于環(huán)境溫度不足以充分激發(fā)液氮的可用能，致使液氮發(fā)動機的整體性能相對較差。在航天方面，日本學者于2009年研發(fā)了一種液氮火箭動力裝置，證明液氮應用于火箭式發(fā)動機的可行性，然而他們同樣面臨熱源不足的問題，不得不采用高溫水驅動液氮膨脹。有必要進一步推進液氮應用技術，拓寬其應用領域。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明綜合考慮上述兩方面的技術問題，目的是發(fā)明一種既能夠有效解決超燃沖壓發(fā)動機散熱問題，又可以為飛行器提供輔助推力的多功能液氮輔助系統(tǒng)。
[0005]為實現以上目的，本發(fā)明采取以下技術方案:一種液氮供應裝置能夠根據發(fā)動機冷卻要求提供實時的冷量供給，該裝置包括液氮儲罐、液氮泵、第一流量控制閥、流量計、第一液體分配器、第二流量控制閥、第二液體分配器。液氮儲罐與液氮泵相連，液氮泵出口連接至第一流量控制閥和流量計，流量計出口與第一液體分配器相連，第一液體分配器輸出端分為兩支路，第一條支路與第二液體分配器連接，第二支路連接至高壓氣源生成裝置。高壓氣源生成裝置包括氣液混合室、熱交換器，以及兩條氮氣輸出支路，氣液混合室包括兩個入口和兩個出口，入口分別與第一液體分配器和高壓集氣室相連。其中，在混合室與高壓集氣室之間的管路上布置一個限流孔。一條氮氣輸出支路連接至液氮儲罐，并在該氮氣支路與第一液體分配器的液氮支路之間布置了一個氣液熱交換器。另一氮氣輸出支路為艙室環(huán)境控制和防火等子系統(tǒng)提供氮氣源。液氮在第二液體分配器內進行流量分配，通過多條支路注入發(fā)動機套管式換熱面板的內流道，注入方式為垂直于流道方向注入，每個流道上方可布置多個(至少一個)注入點。發(fā)動機套管式換熱面板與高壓集氣室相連，連接管路采用剛性設計。氮氣通過面板的內流道進入集氣室。高壓集氣室末端安裝一個可動噴管，用于產生輔助動力。
[0006]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0007]1.液氮冷卻方式可以有效解決超燃發(fā)動機的散熱問題，該冷卻方式相對于傳統(tǒng)的燃料冷卻方式更為簡單，而且氮氣作為一種惰性氣體，在吸熱過程中安全性和可靠性更高，并且對環(huán)境無污染。
[0008]2.從能量的角度看，該系統(tǒng)提出了一種高效的能量管理方案，即利用超燃發(fā)動機代謝的超高密度“余熱”來驅動液氮相變及膨脹做功，不存在液氮發(fā)動機常規(guī)應用領域的熱能不足問題，也不需要附加熱源來驅動，從而充分發(fā)揮了液氮動力裝置的潛能和優(yōu)勢。
[0009]3.該系統(tǒng)還可以為飛行器的某些子系統(tǒng)，如艙室環(huán)境控制系統(tǒng)和防火減災系統(tǒng)等，提供增壓、冷卻或防火所需要的低溫高壓氮氣源。
[0010]4.該系統(tǒng)采用的小型可動噴管設計，有利于提高飛行器在高超聲速飛行過程中的機動性，減小飛行器對機身操縱面(升降舵、方向舵)的依賴性，從而降低操縱面的設計難度。
[0011]5.該系統(tǒng)可以實現對液氮儲罐的實時增壓功能，使液氮儲罐內始終保持相當高的壓力，從而降低對液氮泵增壓的要求。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的超燃沖壓發(fā)動機液氮冷卻系統(tǒng)原理示意圖；
[0013]圖2是本發(fā)明的發(fā)動機套管式換熱面板結構示意圖。
[0014]如圖所示各數字分別代表:1.液氮儲罐；2.液氮泵；3.第一流量控制閥；4.流量計；5.第一液體分配器；6.第二流量控制閥；7.第二液體分配器；8.氣液混合室；9.氣液熱交換器；10.氮氣支路；11.氮氣支路；12.限流孔；13.發(fā)動機套管式換熱面板；14.高壓集氣室；15.可動噴管。
【具體實施方式】
[0015]下文中結合附圖，對本發(fā)明提出的一種新型超燃沖壓發(fā)動機液氮冷卻系統(tǒng)原理進行詳細說明。
[0016]當超燃發(fā)動機啟動時，本發(fā)明所述的液氮系統(tǒng)將同時開啟。如圖1所示，在液氮泵2的作用下，液氮從儲罐I中流出，并進入整個系統(tǒng)。流量計4可以監(jiān)控液氮的輸出流量，通過第一流量控制閥3實現對系統(tǒng)總流量的調節(jié)。
[0017]液氮在第一液體分配器5處分流為兩路，一路流入下游的第二液體分配器7，另一條支路將一定量的液氮注入氣液混合室8。在氣液混合室8中，液氮和由高壓集氣室進來的高溫高壓氮氣以一定比例混合，在第二流量控制閥6的調節(jié)下，使混合室內產生溫度為200K左右的低溫高壓氣源。
[0018]氣液混合室8通過支路10連接至液氮儲罐1，由于氣液混合室8中生成氣源壓力與高壓集氣室14內的壓力差距不大，所以液氮儲罐I獲得了與高壓集氣室14相當的增壓，這有利于減小對液氮泵2的功率需求，只需要液氮泵2其提供很小的增壓即可滿足系統(tǒng)工質的流動需要。
[0019]支路10中的高壓氮氣在進入液氮儲罐I之前，需要在氣液熱交換器9中一步降溫至接近其飽和溫度，以防止其對液氮儲罐I中的液氮造成過度氣化。
[0020]此外，氣液混合室8中的低溫高壓氮氣通過支路11送至飛行器的其他子系統(tǒng)，例如座艙、設備艙、載荷艙等，提供增壓、冷卻或應急滅火等功能。
[0021]液氮在液體分配器7中再次分流成多個支路，并分別注入發(fā)動機套管式換熱器13的各個流道內。其中，發(fā)動機套管式換熱器以及液氮注入形式如圖2所示。注入點的布置需根據超燃發(fā)動機工作過程中的熱載荷分布情況，并遵循以下原則:在熱載荷較高的位置(如燃燒室)布置較多的注入點，在載荷相對較低的位置(如進氣道)布置較少的注入點。
[0022]由于液氮垂直于流道方向注入發(fā)動機套管式換熱器13，在流道內迅速吸熱蒸發(fā)，使超燃發(fā)動機的壁面溫度始終保持在較低的溫度范圍內。吸熱后升溫升壓的氮氣持續(xù)不斷地匯集到高壓集氣室14內，在高壓集氣室14中形成高壓環(huán)境。為防止過量氣體從高壓集氣室14進入氣液混合室8，需在其連接管路中布置一限流裝置12。
[0023]最后，高壓集氣室內的高壓氮氣從噴管15高速流出，產生推力?？蓜訃姽?5可以調節(jié)噴射角度，從而產生不同方向的推力，增強飛行器在高速飛行過程中的機動性。
[0024]需要特別指出的是液氮系統(tǒng)的運行狀態(tài)與超燃沖壓發(fā)動機的運行狀態(tài)是同步的。也就是說，飛行馬赫數越高，超燃發(fā)動機運行負荷越大，所需的液氮流量越大，液氮系統(tǒng)的輔助推力也就越大。所以本發(fā)明所述的液氮輔助系統(tǒng)與超燃沖壓發(fā)動機具有良好的匹配性。
[0025]上述對實施方式的闡述僅用于說明本發(fā)明，其中低溫制冷劑的種類、系統(tǒng)結構布局等都是可以有所變化的，比如本發(fā)明所述的低溫制冷劑除液氮之外，亦可以選擇液態(tài)二氧化碳、液氨等，又比如系統(tǒng)布局也可以設計為雙液氮系統(tǒng)?？傊?，凡是在本發(fā)明技術方案的基礎上進行的變換和改進，均不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
【主權項】
1.一種超燃沖壓發(fā)動機液氮冷卻系統(tǒng)，其特征在于:包括液氮供應裝置、高壓氣源生成裝置、發(fā)動機套管式換熱面板、高壓集氣室和可動噴管。其中，所述液氮供應裝置的一條支路與發(fā)動機套管式換熱面板相連，提供發(fā)動機壁面冷卻所需的冷量，另一支路連接至高壓氣源生成裝置，生成低溫高壓氮氣。所述發(fā)動機套管式換熱面板與高壓集氣室相連，將吸熱后的高溫高壓氮氣集中到集氣室。所述的高壓集氣室尾部安裝一個可動噴管，高溫高壓氮氣通過噴管噴出，產生矢量推力。2.根據權利要求1所述的液氮供應裝置，其特征在于:包括液氮儲罐、液氮泵、第一流量控制閥、流量計、第一液體分配器、第二流量控制閥和第二液體分配器，該裝置能夠根據系統(tǒng)需求實時調節(jié)和分配液氮供應流量。3.根據權利要求1所述的高壓氣源生成裝置，其特征在于:包括氣液混合室、熱交換器、和兩條氮氣輸出支路。氮氣與液氮在氣液混合室中混合，產生低溫高壓氮氣，通過一條支路為液氮儲罐提供增壓功能，通過另一條支路為艙室環(huán)境控制和防火系統(tǒng)等提供高壓氮氣源。4.根據權利要求1所述的發(fā)動機套管式換熱面板，其采用鎳基合金材料Inconel718 (化學成分:N1- 52.5 % , Cr - 19 % , Nb - 5.0 % , Mo - 3.1 % , T1- 0.9 % , Al - 0.5 % )制造，該面板與發(fā)動機殼體為一體化設計。液氮從面板上方開口進入面板內流道。5.根據權利要求1所述的高壓集氣室，其特征在于:為圓柱形設計，采用不銹鋼制造，外部包裹隔熱層。6.根據權利要求1所述的可動噴管，其特征在于:可以根據飛行器的姿態(tài)控制需要實時調整噴管的角度。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型超燃沖壓發(fā)動機液氮冷卻系統(tǒng)。所述液氮系統(tǒng)通過熱結構與超燃發(fā)動機相結合，主要包括：液氮供應裝置、高壓氣源生成裝置、發(fā)動機套管式換熱面板、高壓集氣室和可動噴管。液氮系統(tǒng)主要執(zhí)行三方面的任務：(1)解決超燃發(fā)動機的散熱問題；(2)作為二級動力裝置，輔助高超飛行器進行加速及姿態(tài)控制；(3)為艙室環(huán)境控制和防火等子系統(tǒng)提供低溫高壓氮氣。液氮作為低溫制冷劑，具備強大的熱沉能力，可以對發(fā)動機壁面進行充分冷卻，而且液氮冷卻過程不存在化學裂解，相對于傳統(tǒng)的再生冷卻更易實現，而且系統(tǒng)的可靠性和安全性更高。同時，超燃發(fā)動機壁面的超高熱流會使液氮充分地相變和膨脹，為飛行器提供高效的輔助動力。
【IPC分類】F02K7/10
【公開號】CN104989550
【申請?zhí)枴緾N201510433952
【發(fā)明人】朱曉威, 趙競全, 朱磊
【申請人】北京航空航天大學
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年7月22日