[发明专利]一种用喷雾碰壁强化换热的再生冷却双流道方案

说明书

本发明采用喷雾/对流复合式换热方式，提供一种用于超燃燃烧室再生冷却的强化换热结构，采用双流道设计，充分利用喷雾冷却方式热流密度大的特点对燃烧室壁面进行强化换热。该方案由外层壁和内层壁的双层换热方案组成，其相隔而成的流道用于喷雾碰壁强化换热；内层壁上布置喷嘴，喷嘴个数和分布密度根据换热强度和换热面积决定；部分受热后的液态燃料和喷雾吸热形成的气态燃料以不同相态向发动机燃烧系统的喷嘴供应，并以气动辅助雾化方式实现液态燃料的雾化。由于采用气、液换热流道隔离设计，可避免吸热后的两相流燃料向燃烧系统输运过程中的气液分布不均匀导致的流量供应波动问题。

技术领域

本发明涉及一种利用喷雾碰壁来强化换热的再生冷却双流道方案，用于液体吸热型碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室壁面的热防护。

背景技术

高超音速飞行器的研制是当今航空航天领域发展的热点，已引起欧美、俄罗斯等国的高度重视。因为高超音速飞行中气流的高速度将给飞行器结构(特别是燃烧室)带来显著的气动力热载荷，未冷却燃烧室的温度能达到3000K，完全超过已知结构材料的承受能力，所以设计高超音速飞行器的关键在于解决飞行器的冷却问题。与传统的喷气发动机通过空气来冷却燃烧室壁面不同，对超燃冲压发动机来说，由于气流滞止后的气体温度非常高，来流空气不能用来冷却发动机。利用燃料自身的热沉来冷却燃烧室的再生冷却技术是一条有效解决途径。

吸热型碳氢燃料因性能优异、来源广泛、价格低廉被选作为超燃冲压发动机的自生冷却剂。它除了利于其本身的物理热沉(显热和潜热)外，还可以利用其在气相条件下发生化学反应吸收热量(化学热沉)，即在进入燃烧室之前裂解为小分子产物，裂解过程吸收热量，因而其冷却能力大大增强。再生冷却方式在液体火箭发动机推力室中应用较为广泛，技术也较为成熟。

文献STATUS OF THE U.S.Air Force HYTECH PROGRAM(AIAA2003-6947)公布了美军超燃冲压发动机计划中的壁面再生冷却热防护方案，其通过一种称为“热交换器”的壁面结构来实现燃料热量向燃料的转移，但是其换热通道的内部具体结构未公布。

文献DESIGN AND IMPLEMENTATION OF ACTIVELY COOLED PANELS FOR SCRAMJETS(IMECE2007-41347)公布了一种槽道式流道结构。文献Numerical and experimentalvalidation of transient modelling for Scramjet active cooling withsupercritical endothermic(AIAA2006-4028)公布了一种销钉式流道结构。

这两种冷却流道结构的再生冷却技术应用于超燃燃烧室将面临新的问题。这是因为超燃燃烧室热防护具有冷却面积大，热载荷分布不均匀，热流密度大，燃料在冷却通道中发生相变和裂解的物理和化学反应。采用传统的槽道或销钉式冷却流道方案，将面临如下问题：首先，基于强制对流换热的传统冷却方式，因为冷却液吸热能力沿程变化，换热过程不均匀，燃烧室壁面热负荷梯度大，一些热流密度大的局部区域常常因为得不到足够的冷却而发生传热恶化；其次，由于热流密度大，为了增大对流换热面积，槽道的流通面积通常很小，高温煤油结焦易堵塞流道。再次，换热过程所形成的不稳定气液两相燃料容易引起燃料喷嘴的流量供应的不稳定，给燃料供应系统的设计带来困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服传统技术的不足，采用喷雾/对流复合式换热方式，提供一种用于超燃燃烧室再生冷却的强化换热结构，采用双流道设计，充分利用喷雾冷却方式热流密度大的特点对燃烧室壁面进行强化换热。气、液换热流道隔离设计，避免吸热后的两相流燃料向燃烧系统输运过程中的气液分布不均匀导致的流量供应波动问题。