[发明专利]一种发动机进口空气冷却方法

说明书

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。

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)，