[发明专利]一种航空发动机的间冷或间冷回热循环布局

说明书

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，特别涉及一种航空发动机的间冷或间冷回热循环布局，主要用于改善航空发动机的工作性能。

背景技术

进一步提高航空发动机性能，降低耗油率对于航空发动机的经济性和环保性等具有重要意义，一直是航空发动机领域追求的目标。间冷回热循环作为一种有效降低耗油率的，成为近年来研究的热点之一。间冷循环指的是气体进入高压压气机之前充分冷却，以降低高压压气机进口温度，从而提高高压压气机进口马赫数，并减少压气机所需功率，提高发动机循环效率；回热循环指的是气体在进入燃烧室之前进行预热，提高燃烧室进口温度，以减少燃烧室温升所需消耗的燃油，达到提高发动机循环效率的目的。间冷循环方式可以单独使用，也可以与回热循环共同使用形成间冷回热循环。

目前常规的间冷回热循环布局方式尚存在很多缺陷：间冷换热器和回热换热器的加入使得主流流路来回弯折，沿程损失很大；结构复杂，核心机难以维护；间冷器和回热器质量大，单位质量换热量低，较大幅度增加了发动机整机重量；换热响应速度慢而难以满足航空发动机变工况快速响应的要求。由于这些问题没有解决，虽然间冷回热循环概念已提出很长时间，但目前并未在大推力的航空发动机型号上得到应用。

发明内容

本发明技术解决问题：克服常规布局方式的不足，提出一种新型航空发动机的间冷或间冷回热循环布局，该能够有效实现间冷或间冷回热循环，并具有重量轻、响应快、换热效率和换热强度高等优点，适于在航空发动机中使用。

本发明所提供的技术方案是：一种航空发动机的间冷或间冷回热循环布局，包括主流流路中的布莱顿循环，其特点在于还包括：超临界状态流体循环；布莱顿循环和超临界状态流体循环相互独立，通过4个微小尺度换热器；所述布莱顿循环包括：进气道、风扇、中压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和尾喷管，上述各部件按从前向后排列，依次连接；在间冷回热循环布局中，所述超临界流体循环包括第一微小尺度换热器、第二微小尺度换热器、第三微小尺度换热器、第四微小尺度换热器、增压泵；第四微小尺度换热器、第三微小尺度换热器、第二微小尺度换热器、增压泵、第一微小尺度换热器上述各部件按顺序依次连接，且第一微小尺度换热器与第四微小尺度换热器相连，形成循环；

所述超临界流体循环中超临界流体在高压压气机前的第一微小尺度换热器中对主流进行冷却，之后在低压涡轮后通过第四微小尺度换热器吸收主流废热升温，经过高压压气机后的第三微小尺度换热器对进入燃烧室前的气体进行预热，再流经外涵道的第二微小尺度换热器冷却降温，并利用高压级带动的增压泵对超临界流体增压，最后流回高压压气机前形成封闭循环；当外涵道流体冷却能力不够时，借助与从油箱中流出，经泵增压后的燃料在第二微小尺度换热器中换热进行降温；在间冷循环布局中，所述超临界流体循环包括第一微小尺度换热器、第二微小尺度换热器、增压泵；第二微小尺度换热器、增压泵、第一微小尺度换热器按上述顺序依次连接，且第一微小尺度换热器与第二微小尺度换热器相连，形成循环；所述超临界流体循环中超临界流体在高压压气机前的第一微小尺度换热器中对主流进行冷却，之后流经外涵道的第二微小尺度换热器冷却降温，并利用高压级带动的增压泵对超临界流体增压，最后流回高压压气机前形成封闭循环；当外涵道流体冷却能力不够时，借助与从油箱中流出，经泵增压后的燃料在第二微小尺度换热器中换热进行降温。

还可以在超临界流体循环中设置膨胀涡轮；在间冷回热循环布局中，膨胀涡轮位于第二微小尺度换热器与第三微小尺度换热器之间，并与二者相连；同时膨胀涡轮与增压泵相连；在间冷循环布局中，膨胀涡轮位于第二微小尺度换热器后，与第一微小尺度换热器、第二微小尺度换热器相连；同时膨胀涡轮与增压泵相连；膨胀涡轮使得超临界流体温度进一步大幅度下降，达到所需要的温度，同时膨胀涡轮输出的功可以用来驱动增压泵。

所述第一微小尺度换热器、第二微小尺度换热器、第三微小尺度换热器和第一微小尺度换热器是一种超临界微小尺度紧凑快速换热器，所超临界微小尺度紧凑快速换热器包括换热元件和两种工质，所述两种工质通过换热元件进行换热，所述两种工质中的一种工质采用超临界状态流体，另一种工质不限；所述换热元件的尺寸属微小尺度范畴；所述超临界状态流体是指工质的压力高于临界压力至少0.5MPa，温度高于临界温度至少200度；所述微小尺度是指基本换热单元的几何尺度不大于2毫米。

所述换热元件的几何结构是圆形、方形或椭圆形。

所述换热器是单个或多个换热元件的组合。