一种利用强吸热反应的层板发汗冷却结构

摘要

本发明提出了一种利用强吸热重整反应的层板发汗冷却结构，由多片环形的薄板沿其厚度方向堆叠而成，薄板之间有多个分隔条，分隔条一体地形成在薄板表面，薄板表面上形成镍基催化剂薄膜，冷却流体为甲烷和水蒸气的混合气体，冷却流体从该层板发汗冷却结构的外环面进入冷却通道，并发生强吸热重整反应，反应后的冷却流体从该层板发汗冷却结构的内环面发散出，对该层板发汗冷却结构的内环面进行发汗冷却；薄板之间的冷却通道也可以填充多孔介质材料，该多孔介质材料的表面覆盖有催化剂薄层。本发明提供了一种适用于下一代大推力火箭发动机推力室的层板发汗冷却结构。

说明书

技术领域

本发明涉及涉及一种冷却装置，特别是一种利用强吸热反应的层板发汗冷却结构。

背景技术

火箭发动机推力室内的高温、高压、高速的燃气流对发动机内壁施加了极大的加热热流，尤其是喉部附近的壁面处于极大的热流密度之下，如果不采取适当、有效的冷却措施，壁面材料必然由于持续升温，导致最后被烧毁。因而，冷却技术一直是火箭发动机，特别是大推力液体火箭发动机研发过程中的关键技术。为满足未来几年来探月工程和其他航天研究的需要，我国已经计划在2010年左右研制出新一代大推力无毒无污染运载火箭，这必然需要冷却技术的进一步改进。

层板发汗冷却技术是已经成功应用于液体火箭发动机推力室的发汗冷却技术，层板结构将若干蚀刻有流体通道的金属薄片按预先确定的结构形式叠放，然后通过扩散焊形成整体结构，冷却流体通过层板之间的流体通道对层半结构进行冷却，最后发散流出，进一步对出口壁面进行发汗冷却。虽然层板结构有效发挥了发汗冷却的诸多优点，但其仍然属于单纯的对流换热冷却方式，因而不仅其冷却能力受到流场和温度场耦合的对流换热能力的限制，而且其最高冷却极限也由作为冷却剂的工质的显热(或者一部分潜热)所约束。由于火箭要求其附加设施的重量不能超过一定范围，显然，为了改进冷却能力而不断增加冷却剂的流量是不现实的，必然需要一种冷却能力更强的，能够突破单纯对流换热限制的冷却技术。

冷却流体在高温表面发生强吸热化学反应是强化对流换热的一种有效途径。与传统的对流换热相比，这种方法可以有效地降低高温表面的温度，起到保护高温表面的作用。甲烷的水蒸气催化重整反应即为其中一种非常重要的强吸热反应。

中国专利CN1246183C提出利用水和碳氢燃料在超临界状态下发生吸热化学反应，但该文献仅公开了分子链较大的正庚烷、异辛烷、甲基环己烷等碳氢燃料，该反应必须在超临界状态下进行，生成的氢气含量仅13％左右，并且该文献没有披露实现上述吸热反应的具体结构。美国专利US6357217B1提出利用甲烷的吸热重整反应对燃气轮机叶片内部进行冷却，但该文献仅披露了用于燃气轮机叶片的冷却系统，并没有披露具体的冷却结构，且反应所需的催化剂进覆盖在尺度相对较大的流道表面，反应的转化率较低。

发明内容

本发明着眼于解决现有层板发汗冷却中冷却能力不足的缺陷，以及单纯依靠对流换热的冷却方式所存在的冷却能力存在极限的问题，旨在提供一种适用于下一代大推力运载火箭推力室的层板发汗冷却结构。

针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：提出一种利用强吸热反应的层板发汗冷却结构使之对航天器燃烧室、喷管喉部受热壁面进行有效冷却；进一步提高受热壁面的冷却效率、使受热壁面的冷却效率甚至优于单一层板结构的发汗冷却；在具有较高冷却效率的前提下，不增加外设，避免增加飞行器重量，加大系统复杂性。

为解决上述技术问题，本发明采取如下的技术方案：

一种层板发汗冷却结构，由多片环形的薄板沿其厚度方向堆叠成圆筒状的层板发汗冷却结构，每一片薄板在装配前通过激光加工或者机械铣切在该薄板的表面一体地形成多个沿薄板周向均匀分布的分隔条，从而在薄板之间限定出一定的间隔构成冷却流体流通的冷却通道，该冷却通道的轴向高度为100～2000μm；每一片薄板的厚度为100～300μm，薄板的环形表面上形成一层镍基催化剂薄膜，该催化剂薄膜的厚度为10～100μm，冷却流体为甲烷和水蒸气的混合气体，冷却流体从该层板发汗冷却结构的外环面进入冷却通道，并由于上述催化剂薄层的存在发生强吸热重整反应，从而对该层板发汗冷却结构进行冷却，反应后的冷却流体从该层板发汗冷却结构的内环面发散出，对该层板发汗冷却结构的内环面进一步进行发汗冷却，并在改层板发汗冷却结构的内环面、即推力室的内壁表面形成一层冷却流体薄膜，可以屏蔽高温流体对层板发汗冷却结构内环面的加热。

由于薄板之间的冷却通道为微通道结构，因此，作为冷却流体的甲烷和水蒸气通过冷却通道的同时，由于催化剂薄膜的存在而发生强吸热重整反应，其反应的转化率要大于一般的大尺度流道，对层板发汗冷却结构进行冷却。

为了进一步提高吸热重整反应的转化率，从而改善冷却效果，薄板之间的冷却通道填充多孔介质材料，该多孔介质材料与薄板导热地连接，该多孔介质材料的表面覆盖有厚度为5～30μm厚的催化剂薄层；由于该催化剂薄层的存在，所述的冷却流体在流过该多孔介质材料的空隙时，发生强吸热重整反应。

优选地，该多孔介质材料为烧结金属颗粒或者金属丝网结构，该烧结金属颗粒的颗粒直径为20～300μm，该金属丝网的孔径为50-250μm该多孔介质材料与薄板通过焊接相互连接，从而保证整体结构的热传导性能。

所述的薄板为镍基耐热合金或锆铜；所述的催化剂薄膜为负载型催化剂，例如Ni/ZrO2或Ni/Al2O3，采用溶胶-凝胶方法、热喷涂法或无电镀法形成在薄板的表面，该催化剂薄膜形成在薄板的一面或者两面，从而对于每一个冷却流道对应的两个薄板的表面，仅有其中的一个具有催化剂薄膜，或者两个薄板的表面都具有催化剂薄膜。

所述的分隔条为平直的长方体形状或者波浪形，该分隔条的长度方向(或延伸方向)与该层板发汗冷却结构的径向方向相一致或成一定角度，从而将相邻薄板之间的冷却通道分隔成多个扇形区域。由于该形式的分隔条的存在，冷却流体在通过薄板之间形成的冷却通道的时候，可以有效地在周向均匀分配，避免由于太大的温度梯度导致材料的热应力超过其允许值。

优选地，为了使冷却流体在轴向能够进一步分配，所述的薄板上设置有多个通孔，该通孔的直径为300～1000μm，从而使该薄板两侧的冷却通道相互连通。特别地，所述通孔的边缘在冷却流体的下游区域形成有突起部分，例如可以为鱼鳞状突起，该突起可以引导冷却流体进入相邻的冷却流道。开设有通孔的薄板可以和未开设通孔的薄板交替叠置，从而形成该层板发汗冷却结构，例如每两片未开设通孔的薄板之间具有一片或者多片(例如两片到五片)开设通孔的薄板。这样不仅可以使冷却流体在轴向之间的冷却通道自由分配，而且可以将冷却流体的轴向分配限定在一定的范围内。

由于本发明采用了上述的技术方案，相对于传统的层板冷却结构，可以极大提高冷却能力，同时设置催化剂薄膜，可以避免吸热反应仅在超临界状态下发生；同时，该微通道形式的冷却流道，以及进一步填充覆盖有催化剂薄膜的多孔介质材料，可以极大地增加吸热反应的转化率。本发明提出的利用强吸热反应的层板发汗冷却结构可以满足未来大推力火箭的冷却需要。

附图说明

图1为本发明的层板发汗冷却结构的立体视图。

图2为本发明的层板发汗冷却结构的轴向平面视图。

图3为本发明的层板发汗冷却结构的薄板结构示意图。

图4为本发明的层板发汗冷却结构的周向剖视图。

图5为与径向方向相同的平直分隔条。

图6为与径向方向成一定角度的平直分隔条。

图7为波浪形分隔条的布置图。

图8为设置有通孔的薄板和带有突起部的通孔。

图中符号说明：

1、薄板；2、控制流道；3、流量分配区；4、推力室；5、催化剂薄膜；6、冷却流道；7、分割条；8、外环面；9、内环面；10、通孔；11、突起部分。

具体实施方式

图1所示为本发明的层板发汗冷却结构的立体视图，图2所示为本发明的层板发汗冷却结构的轴向平面视图。由多片环形的薄板1沿其厚度方向堆叠成圆筒状的层板发汗冷却结构，该叠置方向构成本发明的层板发汗冷却结构的轴向方向A，且该层板发汗冷却结构形成一个外环面8和一个内环面9，该外环面8设置有用于引入冷却流体的，冷却流体从开口进入该层板发汗冷却结构；该内环面9所限定的筒状空间即构成火箭发动机的推力室4。

通过激光加工或者机械铣切在每一片薄板1的表面一体地形成多个沿薄板1周向均匀分布的分隔条7，因而在将多片薄板1其厚度方向堆叠成圆筒状的层板发汗冷却结构后，由于分隔条将相邻的两片薄板的表面分开，从而在相邻薄板之间限定出一定的间隔构成冷却流体流通的冷却通道，该冷却通道的轴向高度为100～2000μm；每一片薄板的厚度为100～300μm，薄板的环形表面上形成一层镍基催化剂薄膜，该催化剂薄膜的厚度为10～100μm。该分隔条7可以只形成在薄板1的一个表面，而在堆叠的过程中，所有的薄板1形成有分隔条7的一面朝同样的方向，以保证相邻的薄板之间都具有分隔条7，以形成冷却通道6，此时，在不考虑催化剂薄膜厚度的情况下，分隔条7的高度即为冷却通道6的轴向高度。相应地，分隔条7可以同时形成在每个薄板1的两面，从而，在不考虑催化剂薄膜厚度的情况下，构成冷却通道6的相邻两个薄板的分隔条7的高度之和即为冷却通道的轴向高度。类似地，也可以具有一面分隔条的薄板与两面具有分隔条的薄板混合堆叠，或者具有分隔条的薄板与不具有分隔条的薄板混合堆叠，只要薄板之间均保证有分隔条即可。该分隔条7可以通过机械铣切、激光加工或者电火花加工获得，直接对薄片进行加工，切除部分材料，从而一体地在薄板1的表面形成分隔条7。容易理解地，如果不考虑制造过程地复杂性，该分隔条也可以独立地形成，从而在薄板1堆叠地过程中放置到相邻薄板1之间。

火箭发动机产生的高温燃气沿轴向方向A流过推力室4，冷却流体先进入环形的流量分配区3，然后通过控制流道2进入层板发汗冷却结构的外环面8。该控制流道2一般设置有流量控制装置，例如阀，用以在周向控制冷却流体的分配。

由于上述催化剂薄层的存在，冷却流体发生强吸热重整反应，从而对该层板发汗冷却结构进行冷却，反应后的冷却流体从该层板发汗冷却结构的内环面9发散出，对该层板发汗冷却结构的内环面9、即推力室4的壁面进行发汗冷却。

甲烷和水蒸气组成的冷却流体通过层板结构之间的微通道时，在高温、高压作用下发生催化重整反应，既有效降低了层板结构表面温度，增强了冷却效果，其生成产物中含有的CO、H₂等燃烧性能优良的小分子产物可排入燃烧室进行燃烧，提高了能量的利用率。

本发明利用的甲烷、水蒸气重整反应其主要的反应有三个：

CH₄+H₂O＝CO+3H₂-206.1kJ/mol                 (1)

CO+H₂O＝CO₂+H₂+41kJ/mol                     (2)

CH₄+2H₂O＝CO₂+4H₂-164kJ/mol                 (3)

可以看出，甲烷、水蒸气的催化重整反应为一强吸热反应，且生成的氢气的比率要高于实用大分子链的碳氢燃料的重整。

图3所示为本发明的层板发汗冷却结构的薄板结构示意图，薄板1为环形结构，其表面设置有催化剂薄膜5，催化剂薄膜5可以只设置在薄板的一面，也可以在薄板的两面都设置有催化剂薄膜。

图4所示为本发明的层板发汗冷却结构的周向剖视图，相邻的薄板1之间形成有冷却流体流通的冷却流道6，两片薄板1之间具有多个分隔条7，该分隔条7只形成在薄板的其中一个环形表面。分隔条7用于支撑和分隔冷却流道6，每一片薄板1的两面具有催化剂薄膜，从而使得冷却流体在通过冷却流道6的过程中，可以充分与催化剂接触。由于本发明的冷却流道6为尺寸较小的微通道结构，因此，可以根据实际的需要设置与流道接触的薄板1的一面或者两面设置催化剂薄膜5。

冷却流体在冷却流道6中发生吸热重整反应的转化率直接决定了本发明的层板发汗冷却结构的冷却效果，因此，为了进一步提高吸热重整反应的转化率，从而改善冷却效果，作为本发明的另一个实施例，薄板1之间的冷却通道6填充多孔介质材料，该多孔介质材料与薄板1导热地连接，该多孔介质材料的表面覆盖有厚度为5-30μm厚的催化剂薄层；由于该催化剂薄层的存在，所述的冷却流体在流过该多孔介质材料的空隙时，发生强吸热重整反应。优选地，该多孔介质材料为烧结金属颗粒、金属丝网结构或者泡沫金属，该烧结金属颗粒的颗粒直径为20-300μm，该金属丝网的孔径为50-250μm该多孔介质材料与薄板通过焊接相互连接，从而保证整体结构的热传导性能。由于多孔介质材料具有很大的比表面积，因此，冷却流体在通过冷却流道6的同时，能够更充分地与催化剂接触，从而提高其吸热重整反应的转化率，并且由于多孔介质材料对冷却流体的进一步分配，可以进一步改善发汗冷却效果。

分隔条7用于支撑和分隔冷却流道6，图5-7所示为本发明可采用的几种不同的分隔条结构。如图5所示，分隔条7为平直的长方体形状，该分隔条的长度方向与该层板发汗冷却结构的径向方向相一致从而将相邻薄板1之间的冷却通道6在周向上分隔成多个扇形区域。如图6所示，分隔条7也是平直的长方体形状，但其长度方向与该层板发汗冷却结构的径向方向成一定倾斜角度，从而将冷却流道6在周向上分隔成多个斜扇形区域。如图7所示，分隔条7为波浪形，该分隔条7的延伸方向与该层板发汗冷却结构的径向方向相一致从而将相邻薄板1之间的冷却通道6在周向上分隔成多个波浪边缘的扇形区域。进一步地，该波浪形金属条的延伸方向可以与该层板发汗冷却结构的径向方向成一定倾斜角度，从而使冷却流体具有一定的周向速度。

如图8所示，为了使冷却流体在轴向能够进一步分配，所述的薄板上设置有多个通孔10，该通孔的直径为300-1000μm，从而使该薄板两侧的冷却通道相互连通。特别地，所述通孔的边缘在冷却流体的下游区域形成有突起部分11，例如可以为鱼鳞状突起，该突起部分11可以引导冷却流体进入相邻的冷却流道。在冷却流道6中，冷却流体的流动方向为层板发汗冷却结构的径向方向B，在通孔10边缘的下游区域形成的突起部分11可以使冷却流体获得轴向方向A的分速度，从而冷却流体可以通过通孔10在层板发汗冷却结构的轴向方向上进一步分配流量。