除湿预冷器及高超声速预冷组合发动机制造技术

本发明专利技术提供一种除湿预冷器及高超声速预冷组合发动机，在进气道和压气机之间设置有除湿预冷器，除湿预冷器包括第一流体通道和第二流体通道；第一流体通道入口与进气道联通，引入的是含湿空气；第一流体通道上设置有除湿结构，用于对第一流体通道内的含湿空气除湿；第二流体通道引入低温流体，低温流体为低温燃料，低温燃料与第一流体通道进行换热，对第一流体通道内的空气进行降温，升温后的燃料经第二流体通道出口引出，为燃烧室提供燃料；第一流体通道出口将除湿、降温之后得到的低温干空气引出，第一流体通道出口与压气机联通，为压气机提供低温干空气。本发明专利技术将预冷除湿一体化设计，通过简单、紧凑的结构设计就能够实现空气的高效预冷除湿。气的高效预冷除湿。气的高效预冷除湿。

【技术实现步骤摘要】
除湿预冷器及高超声速预冷组合发动机


[0001]本专利技术涉及预冷器
，具体涉及一种除湿预冷器及高超声速预冷组合发动机。

技术介绍

[0002]超声速飞行技术作为未来航空航天领域的战略制高点，因其巨大的军事价值和潜在的民用、商用价值而受到世界各军事强国的深入研究。以SABRE为代表的预冷组合发动机是实现水平起降、可重复使用的高超声速飞行器的一种具有光明前景的动力系统选择。预冷器作为预冷组合发动机的核心部件之一，位于进气道与压气机之间，将高温高速来流在短时间内进行高效冷却，这对发动机整体性能的提升具有重要意义。需要特别指出的是，由于空气中含有水蒸气，当空气的温度冷却到露点温度时，空气中的水蒸气会凝结析出，当空气温度被冷却到冰点温度以下时，空气中的水蒸汽会冻结成霜，并附着于预冷器管壁表面，这会导致总压损失增大，产生气流畸变，甚至堵塞管道，对发动机性能造成恶劣影响。因此对于预冷发动机而言，实现高效强预冷的同时能够防结霜控霜是关键技术难点之一。
[0003]现有实现预冷的途径主要有两种：一是在压气机进口喷入冷却介质，其中的典型代表如美国MSE技术应用公司提出的射流预冷却TBCC发动机方案MIPCC
‑
TBCC；二是利用预冷器，如日本的吸气式涡轮冲压膨胀循环发动机ATREX、俄罗斯的深冷空气涡轮发动机ATRDC和英国REL公司的方案。
[0004]在现有的预冷组合发动机中，为了防止结霜，进行了各种尝试，总结起来主要包括以下两种方案:一是在气流中喷入低温流体(如液氮或液氧)或者特定的冷凝气体(如甲醇或酒精)，在空气进入冷凝器之前，将空气中的水蒸气凝结并排出，从而抑制结冰。二是以对高温高速来流进行适度冷却代替深冷，即将空气冷却到冰点温度以上，从而达到防结冰的目的。现有公开文献中对于第一种方案，以日本的ATREX和美国的KLIN为代表，英国的SABRE4.0和Scimitar作为第二种防结冰方案的典型代表。
[0005]现有的预冷器防结冰技术中，预冷系统和除湿系统分离，大多数预冷器存在结冰的关键问题，除湿系统结构复杂且空间体积大。对于射流预冷除湿方案，在气流中喷注低温液体的方案需要额外携带大量的低温喷注液体，使得飞行器的负重增大，且喷注结构、喷注角度、喷注量等均有要求，结构复杂性大，同时造成资源浪费以及空气污染问题，且可能使得压气机进口来流氧含量下降，对燃料燃烧造成影响。

技术实现思路

[0006]在高超声速预冷组合发动机领域，当空气温度冷却到冰点温度以下时，空气中的水蒸气在预冷器与空气接触侧表面冻结，即结冰问题发生。预冷器换热管道的结冰不但使得预冷器的换热效率急剧恶化，同时将对发动机整体性能造成恶劣影响。为在保证预冷器预冷效果的同时解决预冷器结冰的问题，本专利技术的目的是提供一种除湿预冷器及高超声速预冷组合发动机，其将预冷除湿一体化设计，通过简单、紧凑的结构设计就能够实现空气的
高效预冷除湿。
[0007]为了实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一方面，本专利技术提供一种高超声速预冷组合发动机，包括依次设置的进气道、压气机、燃烧室和尾喷管，在其进气道和压气机之间设置有除湿预冷器，所述除湿预冷器包括第一流体通道和第二流体通道；
[0009]第一流体通道入口与进气道联通，引入的是含湿空气；所述第一流体通道上设置有除湿结构，用于对第一流体通道内的含湿空气进行除湿；
[0010]所述第二流体通道引入低温流体，所述低温流体为低温燃料，低温燃料与第一流体通道进行换热，对第一流体通道内的空气进行降温，升温后的燃料经第二流体通道出口引出，为燃烧室提供燃料；所述第一流体通道出口将除湿、降温之后得到的低温干空气引出，所述第一流体通道出口与所述压气机联通，为压气机通过低温干空气。
[0011]进一步地，所述除湿结构包括干燥剂单元以及除湿通道，所述第一流体通道与含湿空气接触的一侧壁面上嵌设有干燥剂单元，所述第一流体通道的另一侧面设置有与干燥剂单元对应的除湿通道，除湿通道内通入的是干冷空气；干燥剂单元的一面与第一流体通道中的含湿空气接触，干燥剂单元的另一面与除湿通道内的干冷空气接触，干燥剂单元从第一流体通道中吸收的水分被除湿通道中的干冷空气带走，从而使得干燥剂单元中的干燥剂循环使用。
[0012]进一步地，在靠近所述第一流体通道出口端的第一流体通道壁面上设置有第一单向阀，第一流体通道出口端的低温干空气经单向阀进入除湿通道，在靠近所述第一流体通道入口端的第一流体通道壁面上设置有第二单向阀，除湿通道吸湿、换热后形成的高温湿空气从第二单向阀引出并收集。
[0013]进一步地，各除湿通道至少对应一个第一单向阀和一个第二单向阀，第一单向阀完成从第一流体通道中引入足够多的低温干空气至除湿通道后，除湿通道的第一单向阀和第二单向阀之间通过管路连接冷凝器以及泵，第二单向阀引出的高温湿空气经冷凝器实现水气分离，由储水箱收集冷凝器分离出的水，冷凝器分离出的干冷空气经泵以及管路输送至第一单向阀，由第一单向阀进入除湿通道，实现循环利用。
[0014]进一步地，所述除湿预冷器包括主壳体以及设置在主壳体内的多个预冷除湿单元体，所述预冷除湿单元体沿其长度方向依次划分为2级或2级以上的除湿预冷段和位于末尾的膨胀段；
[0015]预冷除湿单元体包括外侧筒、内侧筒、前端板和后端板，环形的前端板和后端板分别将外侧筒和内侧筒间的前端和后端密封；所述外侧筒外侧为外侧第一流体通道，所述内侧筒围成的内部筒腔为内侧第一流体通道；
[0016]所述外侧筒的内侧面上设置有多条外侧除湿通道，其中各除湿预冷段的各外侧除湿通道对应的外侧筒上嵌设有一系列的干燥剂单元，所述内侧筒的内侧面上设置有多条内侧除湿通道，其中各除湿预冷段的各内侧除湿通道对应的内侧筒上嵌设有一系列的干燥剂单元；所述外侧筒和内侧筒之间设置有第二流体通道。
[0017]进一步地，沿预冷除湿单元体长度方向各级除湿预冷段中的内侧第一流体通道的流通面积依次呈阶梯状递减，膨胀段中的内侧第一流体通道的流通面积相对于与其相邻的最后一级除湿预冷段的流通面积呈阶梯增大。
[0018]进一步地，所述外侧筒和内侧筒之间设置有间隔筒，间隔筒将所述外侧筒和内侧筒之间分隔为相邻设置的两个第二流体通道，分别为外侧第二流体通道和内侧第二流体通道，外侧第二流体通道入口和内侧第二流体通道入口设置在后端板上，外侧第二流体通道出口和内侧第二流体通道出口设置后端板，外侧第二流体通道和内侧第二流体通道内流体的流动方向与内、外侧第一流体通道内的流体的流动方向相反。
[0019]进一步地，各外侧除湿通道和内侧除湿通道内流体的流动方向与内、外侧第一流体通道内的流体的流动方向相反。
[0020]进一步地，外侧第二流体通道和内侧第二流体通道内流体的流动方向与内、外侧第一流体通道内的流体的流动方向相反。
[0021]进一步地，所述除湿预冷器为轴对称结构，所述预冷除湿单元体为轴对称结构。
[0022]进一步地，所述间隔筒两侧壁上间隔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高超声速预冷组合发动机，包括依次设置的进气道、压气机、燃烧室和尾喷管，其特征在于，在其进气道和压气机之间设置有除湿预冷器，所述除湿预冷器包括第一流体通道和第二流体通道；第一流体通道入口与进气道联通，引入的是含湿空气；所述第一流体通道上设置有除湿结构，用于对第一流体通道内的含湿空气进行除湿；所述第二流体通道引入低温流体，所述低温流体为低温燃料，低温燃料与第一流体通道进行换热，对第一流体通道内的空气进行降温，升温后的燃料经第二流体通道出口引出，为燃烧室提供燃料；所述第一流体通道出口将除湿、降温之后得到的低温干空气引出，所述第一流体通道出口与所述压气机联通，为压气机通过低温干空气。2.根据权利要求1所述的高超声速预冷组合发动机，其特征在于：所述除湿结构包括干燥剂单元以及除湿通道，所述第一流体通道与含湿空气接触的一侧壁面上嵌设有干燥剂单元，所述第一流体通道的另一侧面设置有与干燥剂单元对应的除湿通道，除湿通道内通入的是干冷空气；干燥剂单元的一面与第一流体通道中的含湿空气接触，干燥剂单元的另一面与除湿通道内的干冷空气接触，干燥剂单元从第一流体通道中吸收的水分被除湿通道中的干冷空气带走，从而使得干燥剂单元中的干燥剂循环使用。3.根据权利要求2所述的高超声速预冷组合发动机，其特征在于：在靠近所述第一流体通道出口端的第一流体通道壁面上设置有第一单向阀，第一流体通道出口端的低温干空气经单向阀进入除湿通道，在靠近所述第一流体通道入口端的第一流体通道壁面上设置有第二单向阀，除湿通道吸湿、换热后形成的高温湿空气从第二单向阀引出并收集。4.根据权利要求3所述的高超声速预冷组合发动机，其特征在于：各除湿通道至少对应一个第一单向阀和一个第二单向阀，第一单向阀完成从第一流体通道中引入足够多的低温干空气至除湿通道后，除湿通道的第一单向阀和第二单向阀之间通过管路连接冷凝器以及泵，第二单向阀引出的高温湿空气经冷凝器实现水气分离，由储水箱收集冷凝器分离出的水，冷凝器分离出的干冷空气经泵以及管路输送至第一单向阀，由第一单向阀进入除湿通道，实现循环利用。5.根据权利要求2或3或4所述的高超声速预冷组合发动机，其特征在于：所述除湿预冷器包括主壳体以及设置在主壳体内的多个预冷除湿单元体，所述预冷除湿单元体沿其长度方向依次划分为2级或2级以上的除湿预冷段和位于末尾的膨胀段；预冷除湿单元体包括外侧筒、内侧筒、前端板和后端板，环形的前端板和后端板分别将外侧筒和内侧筒间的前端和后端密封；所述外侧筒外侧为外侧第一流体通道，所述内侧筒围成的内部筒腔为内侧第一流体通道；所述外侧筒的内侧面上设置有多条外侧除湿通道，其中各除湿预冷段的各...

【专利技术属性】
技术研发人员：张楠楠，汪元，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：