一种多环换热器及基于多环换热器的推进系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多环换热器及基于多环换热器的推进系统及方法，由进气道，压缩机，多环换热器，尾喷管构成，多环换热器包括：多环换热结构和涡轮轴；多环换热结构包括扰流翅片，绝热外壁，冷却气体动力腔室和加热流体管道，其中加热流体管道可选配流体加热进口流管和流体加热出口流管。本发明专利技术利用清洁、高效能源，采用换热与推进同时达到最佳的多环腔室结构，在加入持续热源后，可提供满足稳定巡航与加力续航双模式的持续推进动力；可选闭式热力循环的推进系统安全性更高，对环境及公众的影响小；多环换热器结构的运用使得燃料携带量减少，系统载荷同比增大，是对现有推进系统的优化改进，该推进系统可适应多种规模的任务需求，具有较大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种多环换热器及基于多环换热器的推进系统及方法
本专利技术涉及核推进领域，具体为一种多环换热器及基于多环换热器的推进系统及方法。
技术介绍
对于推进系统，目前存在的问题在于：快速启动与稳定巡航是判断推进系统发动机性能优劣的重要外在指标，供油过快，可能出现压气机喘振，导致燃烧室富油熄火，涡前温度迅速提升可能导致系统过热，这些限制因素严重制约了涡前温度的快速提升。为实现发动机持续稳定的换热调节，采用多环形换热器代替燃烧室便可以为推进系统提供稳定的能量来源。多环形换热器通过研究小空间、窄通道内的流动换热，可以将不稳定剧烈燃烧问题转换为稳定换热问题，避免了流道剧烈换热而造成的额外能量损失；并可利用环形窄通道的优势，对燃烧室的换热结构进行优化。在能量利用方面，有研究数据表明：中远程推进系统在满载时燃油携带量达到系统总重的50％以上。因此，大型推进系统存在较大的性能提升空间。换热器热源可来自于清洁能源燃烧放热，也可以来自于核能裂变或衰变能，这在一定程度上减少了推进系统燃料携带量；以核能为热源的推进系统，通过稳定的热量供给，可根据飞行需要自动调节功率需求，与传统燃烧相比，推进系统减重幅度可达到40％以上，核能支持下的巡航与加力飞行，可完全实现长航时自主飞行，这对改善推进系统性能具有重大意义，是对推进系统性能的整体改善。与现有技术相比，常规核推进系统反应堆只能在推进系统外部单独布置，受到气体冷却堆芯换热能力差及堆芯临界要求的限制，反应堆体积庞大，重量较大。本专利技术在现有常规推进系统的基础上，反应堆堆芯不再单一使用气体传热，反应堆体积可以更小，更加紧凑，实现堆系统的灵活布置；另外，若在翅片处嵌入核燃料，则反应堆便可充分利用燃烧室的狭窄空间，并结合多环换热器大面积换热的固有优势，实现反应堆小型化紧凑型设计；这些创新性设计将对核动力推进系统推进性能的优化起到重要作用。
技术实现思路
本专利技术技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种多环换热器及基于多环换热器的推进系统及方法，是对传统推进系统进行的改进，通过最优判定下环形换热结构的间距尺寸调整与优化，得到判定准则下的最优换热器结构；用以减小剧烈燃烧带来的大量热量损失，实现稳定持续换热；该换热结构可以满足各类功率需求，适合多种推进进气；为确保推进系统的安全可靠性，可选配间接循环的独立热源，从而避免辐射对推进进气的污染，实现推进系统的清洁、高效。为了达到上述目标，本专利技术所采用的技术方案为：一种多环换热器及基于多环换热器的推进系统，由进气道11，压缩机12，多环换热器13，尾喷管14构成，其多环换热器13位于压缩机12之后及尾喷管14之前，包括：多环换热结构1和涡轮轴2；多环换热结构1位于绝热外壁4与涡轮轴2之间，通过嵌套方式与涡轮轴2相连；绝热外壁4与推进系统外壳内壁贴合连接；冷却气体作为推进工质经进气道11被吸入推进系统内部，冷却气体在进气道内减速后经压缩机12被压缩为高压冷却气体；根据高压气体的流动特性参数，采用最优判定准则得到多环换热器13的最优结构；高压冷却气体进入新型换热器换热后经过尾喷管14喷出完成系统推进，产生推进动力；本专利技术还存在以下特征：多环换热结构1包括扰流翅片3，绝热外壁4，冷却气体动力腔室5和加热流体管道6；所述扰流翅片3镶嵌在冷却气体动力腔室5内外壁面对称布置为翅片凸起，用于强化换热、或者作为核燃料存储嵌入片用于嵌入燃料元件。冷却气体动力腔室5是由多层换热壁面组成的圆筒形换热结构，每个圆筒形换热结构分为两个腔室，层叠布置，外层腔室流通冷却气体，内层腔室与加热流体管道6相连，保证壁面有持续热量加热冷却气体；其中，内层腔室空间间距不变，外层腔室的空间间距根据最优判定的结果得到腔室间距△S的最优值。所述最优判据准则用于选择最优结构，具体实现方式为；为得到冷却气体动力腔外层腔室间距△S的最优值，根据多环换热器13的布置空间内布置半径的极小、极大值rmin,rmax得到△S变化的阈值范围，其中最优判定准则包括：在关于△S的阈值范围内，得到推进系统推进性能的重点关注变量T与h同时达到最优的换热器结构，T与h均为△S的函数是推力、换热效率或推力、换热效率的归一化值；将T与h值进行拟合后得到其共同变量函数P(T,h),拟合曲线的最大值点Pmax(T,h)坐标下△S的数值△Soptimum，即判定为最优结构。所述加热流体管道6在含有嵌入式核燃料存储片时，无需外接进出口加热流管，在采用外热源流体加热时可选配流体加热进口流管7和流体加热出口流管8，其分别与冷却气体动力腔室5相连，流入加热液体对冷却气体动力腔壁面进行加热，并以逆流的布置方式与冷却气体流向相反；所述加热流体管道6的热量来源适用于裂变能、衰变能或其他高能清洁能源。所述新型推进系统采用多环换热器13结构代替传统燃烧室为推进系统提供动力支持。所述多环换热器13可作为空间推进、航空推进或近地面飞行器推进系统换热器；多环换热结构1所占用的空腔结构适用于原有推进系统燃烧室空腔或同等结构的定制腔室。所述涡轮轴2利用其外包壳作为环形换热结构的约束面，从而最大限度地利用原燃油推进系统结构。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术提供的多环换热器具有提高换热能力与提高推进效力的双重效益；可实现燃料与系统减重目的，提高推进系统负载携带能力；利用高效清洁能源，可在不改变多环换热结构的条件下，利用最优结构实现长航时续航与加力飞行双模式功能，并省去加力燃烧室结构，从而整体提高推进系统性能。(2)常规核推进系统反应堆需单独布置在推进系统外部，受到气体冷却堆芯换热能力差及堆芯临界要求的限制，反应堆体积庞大，重量较大。本专利技术在现有常规推进系统的基础上，反应堆堆芯不再单一使用气体传热，反应堆体积可以更小，更加紧凑，实现堆系统的灵活布置；(3)若在翅片处嵌入核燃料，则反应堆便可充分利用原有燃烧室的狭窄空间，并结合多环换热器大面积换热的固有优势，实现反应堆小型化紧凑型设计；若采用外热源流体加热冷却气体动力腔室的内层腔室，则放射性流体不会泄露到推进系统的外部环境空间，具有较好的环境友好性。上述创新性设计将对核动力推进系统推进性能的优化起到重要作用。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为本专利技术的一种基于多环换热器的推进系统结构图；图2为本专利技术的多环换热器的结构主视图；图3为本专利技术的多环换热器的结构侧视图；图4为本专利技术的推进系统总体布局图；图5为本专利技术中最优多环换热结构判定准则图，(a)图为推进性能随△S的变化曲线图；(b)图为推进性能的优化拟合曲线图；图中标号：1-多环换热结构；2-涡轮轴；3-扰流翅片；4-绝热外壁；5-冷却气体动力腔室；6-加热流体管道；7-流体加热进口流管；8-流体加热出口流管；11-进气道；12-压缩机；13-多环换热器；14-尾喷管。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多环换热器，其特征在于：包括多环换热结构(1)和涡轮轴(2)；所述多环换热结构(1)包括扰流翅片(3)、绝热外壁(4)、冷却气体动力腔室(5)和加热流体管道(6)；冷却气体动力腔室(5)为换热部件，用于来流冷气体与多环腔室热壁面的换热，位于绝热外壁(4)与涡轮轴(2)之间，通过嵌套方式与涡轮轴(2)相连；绝热外壁(4)与推进系统外壳内壁贴合连接；扰流翅片(3)镶嵌在冷却气体动力腔室内外壁面用于强化换热或外加核热源；所述加热流体管道(6)包括流体加热进口流管(7)和流体加热出口流管(8)，加热流体管道接头分别与冷却气体动力腔室(5)相连，流入加热液体对冷却气体动力腔壁面进行加热，并以逆流的布置方式与冷却气体流向相反。

【技术特征摘要】
1.一种多环换热器，其特征在于：包括多环换热结构(1)和涡轮轴(2)；所述多环换热结构(1)包括扰流翅片(3)、绝热外壁(4)、冷却气体动力腔室(5)和加热流体管道(6)；冷却气体动力腔室(5)为换热部件，用于来流冷气体与多环腔室热壁面的换热，位于绝热外壁(4)与涡轮轴(2)之间，通过嵌套方式与涡轮轴(2)相连；绝热外壁(4)与推进系统外壳内壁贴合连接；扰流翅片(3)镶嵌在冷却气体动力腔室内外壁面用于强化换热或外加核热源；所述加热流体管道(6)包括流体加热进口流管(7)和流体加热出口流管(8)，加热流体管道接头分别与冷却气体动力腔室(5)相连，流入加热液体对冷却气体动力腔壁面进行加热，并以逆流的布置方式与冷却气体流向相反。2.根据权利要求1所述的多环换热器，其特征在于：所述冷却气体动力腔室结构用于推进系统燃烧室空腔或同等结构的定制腔室，冷却气体动力腔室(5)是由多层换热壁面组成的圆筒形换热结构，每个圆筒形换热结构分为两个腔室，层叠布置，外层腔室流通冷却气体，内层腔室与流体加热进口流管(7)和流体加热出口流管(8)相连，有加热流体持续流动以使圆筒壁持续发热。3.根据权利要求1所述的多环换热器，其特征在于：冷却气体动力腔室(5)是由三层换热壁面组成的圆筒形换热结构，所述层数由最优判定准则确定。4.根据权利要求1所述的多环换热器，其特征在于：所述扰流翅片(3)具有绝缘壁面内对称布置的翅片凸起，翅片凸起为不规则扁平孔洞结构，围绕多层换热壁面对称布置，用于强化换热翅片、或者作为核燃料存储嵌入片用于嵌入燃料元件，翅片通过槽道卡槽方式与冷却气体动力腔室的壁面连接。5.根据权利要求1所述的多环换热器，其特征在于：所述多环换热器为空间推进、航空推进或近地面飞行器推进系统换热器。6.根据权利要求1所述的多环换热器，其特征在于：所述加热流体管道(6)的热量来源适用于裂变能、衰变能或其他高能清洁能源。7.根据权利要求1所述的多环换热器，其特征在于：所述涡轮轴(2)利用涡轮轴轴套外包壳作为多环换热结构的约束面，最大限度地利用原燃油推进系统结构。8.一种基于多环换热器的推进系统，其特征在于：包括进气道(11)、压缩机(12)、多环换热器(13)和尾喷管(14)；在推进系统外壳内，进气道(11)位于推进系统的最前端用于吸入冷却气体，压缩机(12)位于进气道(11)的末端，进气道出口与压缩机进口相连，用于对吸入气体进行压缩做功，压缩机出口与多环换热器冷却气体动力腔的外层腔室相连，用于冷却气体与内层腔室高温壁面的换热，尾喷管(14)位于推进系统最末端，冷却气体在流出多环换热器(13)后进入尾喷管(14)实现推进动力；所述多环换热器包括多环换热结构(1)和涡轮轴(2)；所述多环换热结构包括扰流翅片(3)、绝热外壁(4)、冷却气体动力腔室(5)和加热流体管道(6)；所述加热流体管道(6)包括流体加热进口流管(7)和流体加热出口流管(8)；冷却气体动力腔室(5)为换热部件，用于来流冷气体与多环腔室热壁面的换热，位于绝热外壁(4)与涡轮轴(2)之间，通过嵌套方式与涡轮轴(2)相...

【专利技术属性】
技术研发人员：柏莹，赵柱民，刘超，徐刚，吴宜灿，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34