一种超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构及超燃冲压发动机

1.本发明涉及超燃冲压发动机热防护技术领域，具体涉及一种超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构及超燃冲压发动机。


背景技术：

2.超燃冲压发动机全称超声速燃烧冲压式发动机，是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机，可以在飞行过程中从大气中获取氧气，燃料从壁面或者支板中喷出，在超声速燃烧室中与高速来流空气混合并燃烧，最后，燃烧的气体经过扩张型喷管喷出产生推力。
3.由于其燃烧室中进行超声速燃烧，其热环境极其恶劣，必须使用热防护手段才能保证发动机壁面正常工作不被烧毁。超燃冲压发动机的热防护技术按原理大概分为三种：被动式、半被动式和主动式。
4.其中，主动式是指利用低温或常温冷却工质进行防护，全部热量或者绝大部分热量被工作介质带走。碳氢燃料超燃冲压发动机在使用燃料作为壁面冷却工质时，存在高温条件下燃料结焦堵塞壁面冷却通道的问题。冷却通道堵塞将导致热防护失效，在如此恶劣的热环境下，将会导致壁面烧毁。此外在“鲁棒的超燃冲压发动机”计划下，冷却的燃油需求量超出燃烧所需的燃料量，这意味着飞行器需要携带额外的燃油，这会造成飞行器的有效载荷减小。


技术实现要素：

5.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的超燃冲压发动机在使用燃料作为壁面冷却工质时，存在高温条件下燃料结焦堵塞壁面冷却通道的问题，从而提供一种超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构及超燃冲压发动机。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构，包括：本体；第一冷却结构和第二冷却结构，所述第一冷却结构和第二冷却结构设于所述本体内，且所述第一冷却结构和第二冷却结构设有层叠设置，所述第一冷却结构内设有第一冷却介质，所述第二冷却结构内设有第二冷却介质；第一泵体，设于所述第一冷却结构的一端，所述第一泵体用于驱动所述第一冷却介质在所述第一冷却结构内流动；第二泵体，设于所述第二冷却结构的一端，所述第二泵体用于驱动所述第二冷却介质在所述第二冷却结构内流动；隔热层，设于所述本体的一侧。
7.进一步地，所述第一冷却结构和第二冷却结构包括多个冷却通道，多个所述冷却通道间隔设置。
8.进一步地，所述第一冷却结构的冷却通道与所述第二冷却结构的冷却通道的设置位置一一对应。
9.进一步地，所述第一冷却结构的冷却通道与所述第二冷却结构的冷却通道交错设
置。
10.进一步地，所述冷却通道的截面为矩形。
11.进一步地，所述冷却通道的截面为圆形。
12.进一步地，所述第一冷却介质为液态金属，所述第二冷却介质为航空煤油。
13.进一步地，所述液态金属为镓铟合金或钠钾合金制作而成。
14.进一步地，所述第一泵体为电磁泵，所述第二泵体为燃料泵。
15.本发明还提供了一种超燃冲压发动机，包括所述的超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构。
16.本发明技术方案，具有如下优点：
17.1.本发明提供的超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构，包括：本体；第一冷却结构和第二冷却结构，所述第一冷却结构和第二冷却结构设于所述本体内，且所述第一冷却结构和第二冷却结构设有层叠设置，所述第一冷却结构内设有第一冷却介质，所述第二冷却结构内设有第二冷却介质；第一泵体，设于所述第一冷却结构的一端，所述第一泵体用于驱动所述第一冷却介质在所述第一冷却结构内流动；第二泵体，设于所述第二冷却结构的一端，所述第二泵体用于驱动所述第二冷却介质在所述第二冷却结构内流动；隔热层，设于所述本体的一侧。
18.通过在本体内设置第一冷却结构和第二冷却结构，并且，第一冷却结构和第二冷却结构层叠设置，使得第一冷却结构的第一冷却介质在吸收燃气传递到燃烧室壁面的热量后，将热量传递给第二冷却结构的第二冷却介质，第二冷却介质吸收由第二冷却介质传递的热量，完成燃料的预热过程。第一冷却介质的强换热能力可以实现发动机壁面的有效热防护，此外第一冷却结构中第一冷却介质向第二冷却结构中第二冷却介质传递热量类似于换热器换热，可以将燃料加热到更高温度，从而提高燃料热沉，减少冷却介质的使用量。
19.该超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构，利用第一冷却介质的强换热能力快速高效地将燃气传递的热量转移并传递给第二冷却介质，通过第一泵体改变第一冷却介质流量，可以主动控制燃烧室壁面的温度分布，调节燃气向壁面的散热强度。同时增大通道截面尺寸，降低碳氢燃料结焦积碳阻塞通道的可能性，实现将燃料加热到更高温度，提高了燃料的热沉，减少冷却介质的使用量，解决仅用燃料作为再生冷却工质高温结焦堵塞冷却通道导致发动机壁面烧毁的难题。
20.2.本发明提供的超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构，所述第一冷却结构的冷却通道与所述第二冷却结构的冷却通道的设置位置一一对应，该设置方式，便于第一冷却结构的冷却通道的内的第一冷却介质，直接与第二冷却结构的冷却通道内的第二冷却介质直接换热，避免出现能量损耗的情况。
21.3.本发明提供的超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构，第一冷却结构的冷却通道也可以和第二冷却结构的冷却通道交错设置，该设置方式，可以更好的增加本体的支撑强度，避免本体出现形变的情况。
22.提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明提供的超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构的结构示意图；
25.图2为图1的剖视图。
26.附图标记说明：
27.1、本体；2、第一冷却结构；3、第二冷却结构；4、隔热层；5、冷却通道；6、第一冷却介质；7、第二冷却介质；8、第一泵体；9、第二泵体。
具体实施方式
28.在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
29.在本公开的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本公开的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
30.在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
31.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
32.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本公开的不同结构。为了简化本公开的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本公开。此外，本公开可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的
关系。此外，本公开提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
33.以下结合附图对本公开的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本公开，并不用于限定本公开。
34.请参阅图1至图2所示，本发明提供了一种超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构，包括：本体1；第一冷却结构2和第二冷却结构3，所述第一冷却结构2和第二冷却结构3设于所述本体1内，且所述第一冷却结构2和第二冷却结构3设有层叠设置，所述第一冷却结构2内设有第一冷却介质6，所述第二冷却结构3内设有第二冷却介质7；第一泵体8，设于所述第一冷却结构2的一端，所述第一泵体8用于驱动所述第一冷却介质6在所述第一冷却结构2内流动；第二泵体9，设于所述第二冷却结构3的一端，所述第二泵体9用于驱动所述第二冷却介质7在所述第二冷却结构3内流动；隔热层4，设于所述本体1的一侧。
35.通过在本体1内设置第一冷却结构2和第二冷却结构3，并且，第一冷却结构2和第二冷却结构3层叠设置，使得第一冷却结构2的第一冷却介质6在吸收燃气传递到燃烧室壁面的热量后，将热量传递给第二冷却结构3的第二冷却介质7，第二冷却介质7吸收由第二冷却介质7传递的热量，完成燃料的预热过程。第一冷却介质6的强换热能力可以实现发动机壁面的有效热防护，此外第一冷却结构2中第一冷却介质6向第二冷却结构3中第二冷却介质7传递热量类似于换热器换热，可以将燃料加热到更高温度，从而提高燃料热沉，减少冷却介质的使用量。
36.该超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构，利用第一冷却介质6的强换热能力快速高效地将燃气传递的热量转移并传递给第二冷却介质7，通过第一泵体8改变第一冷却介质6流量，可以主动控制燃烧室壁面的温度分布，调节燃气向壁面的散热强度。同时增大通道截面尺寸，降低碳氢燃料结焦积碳阻塞通道的可能性，实现将燃料加热到更高温度，提高了燃料的热沉，减少冷却介质的使用量，解决仅用燃料作为再生冷却工质高温结焦堵塞冷却通道5导致发动机壁面烧毁的难题。
37.其中，图2中，第一冷却结构2的底部为燃气侧，燃烧室内的产生的燃烧热通过第一冷却结构2和第二冷却结构3进行传热。
38.隔热层4具有耐高温、低导热率的特性，该隔热层4的设置，有效的减少传热对其他部件的影响。
39.在本实施例中，所述第一冷却介质6为液态金属，所述第二冷却介质7为航空煤油。液态金属的换热过程是物理过程，因此，不会产生化学反应堵塞壁面第一冷却结构2和第二冷却结构3。
40.在一些可选的实施例中，所述第一冷却结构2和第二冷却结构3包括多个冷却通道5，多个所述冷却通道5间隔设置。其中，冷却通道5为微通道，即冷却通道5的尺寸较小，为纳米级通道。
41.为了便于本体1内多个冷却通道5的加工，因此，将所述冷却通道5的截面制作为矩形。
42.当然，也可以将冷却通道5的截面制作成圆形或方形、三角形。具体的，可以根据实际需要自行设定。
43.在一些可选的实施例中，所述第一冷却结构2的冷却通道5与所述第二冷却结构3的冷却通道5的设置位置一一对应，该设置方式，便于第一冷却结构2的冷却通道5的内的第一冷却介质6，直接与第二冷却结构3的冷却通道5内的第二冷却介质7直接换热，避免出现能量损耗的情况。
44.当然，第一冷却结构2的冷却通道5也可以和第二冷却结构3的冷却通道5交错设置，该设置方式，可以更好的增加本体1的支撑强度，避免本体1出现形变的情况。
45.在本实施例中，所述液态金属为镓铟合金或钠钾合金制作而成。
46.所述本体1采用高温合金制作而成。具体地，可以为不锈钢316l。
47.所述第一泵体8为电磁泵，所述第二泵体9为燃料泵。
48.该超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构，利用第一冷却介质6的强换热能力快速高效地将燃气传递的热量转移并传递给第二冷却介质7，通过第一泵体8改变第一冷却介质6流量，可以主动控制燃烧室壁面的温度分布，调节燃气向壁面的散热强度。同时增大通道截面尺寸，降低碳氢燃料结焦积碳阻塞通道的可能性，实现将燃料加热到更高温度，提高了燃料的热沉，减少冷却介质的使用量，解决仅用燃料作为再生冷却工质高温结焦堵塞冷却通道5导致发动机壁面烧毁的难题。
49.本发明还提供了一种超燃冲压发动机，包括所述的超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构。
50.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构，其特征在于，包括：本体(1)；第一冷却结构(2)和第二冷却结构(3)，第一冷却结构(2)和第二冷却结构(3)设于本体(1)内，且第一冷却结构(2)和第二冷却结构(3)设有层叠设置，第一冷却结构(2)内设有第一冷却介质(6)，第二冷却结构(3)内设有第二冷却介质(7)；第一泵体(8)，设于第一冷却结构(2)的一端，第一泵体(8)用于驱动第一冷却介质(6)在第一冷却结构(2)内流动；第二泵体(9)，设于第二冷却结构(3)的一端，第二泵体(9)用于驱动第二冷却介质(7)在第二冷却结构(3)内流动；隔热层(4)，设于本体(1)的一侧。2.根据权利要求1所述的燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构，其特征在于，第一冷却结构(2)和第二冷却结构(3)包括多个冷却通道(5)，多个冷却通道(5)间隔设置。3.根据权利要求2所述的燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构，其特征在于，第一冷却结构(2)的冷却通道(5)与第二冷却结构(3)的冷却通道(5)的设置位置一一对应。4.根据权利要求2所述的超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构，其特征在于，第一冷却结构(2)的冷却通道(5)与第二冷却结构(3)的冷却通道(5)交错设置。5.根据权利要求2-4中任一项所述的超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构，其特征在于，冷却通道(5)的截面为矩形。6.根据权利要求5所述的超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构，其特征在于，冷却通道(5)的截面为圆形。7.根据权利要求5所述的超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构，其特征在于，第一冷却介质(6)为液态金属，第二冷却介质(7)为航空煤油。8.根据权利要求7所述的超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构，其特征在于，液态金属为镓铟合金或钠钾合金制作而成。9.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构，其特征在于，第一泵体(8)为电磁泵，第二泵体(9)为燃料泵。10.一种超燃冲压发动机，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构。

技术总结
本发明涉及超燃冲压发动机热防护技术领域，具体涉及一种超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构及超燃冲压发动机；超燃冲压发动机壁面液态金属与燃料内外复合双层冷却通道结构，包括：本体；第一冷却结构和第二冷却结构，所述第一冷却结构和第二冷却结构设于所述本体内，且所述第一冷却结构和第二冷却结构设有层叠设置，所述第一冷却结构内设有第一冷却介质，所述第二冷却结构内设有第二冷却介质；利用第一冷却介质的强换热能力快速高效地将燃气传递的热量转移并传递给第二冷却介质，通过第一泵体改变第一冷却介质流量，可以主动控制燃烧室壁面的温度分布，调节燃气向壁面的散热强度。节燃气向壁面的散热强度。节燃气向壁面的散热强度。


技术研发人员：秦江 徐静 王聪 程昆林 刘泽宽
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/5/30