一种基于蒸汽重整的复合通道再生冷却主动热防护系统

摘要

本发明提供了一种基于蒸汽重整的复合通道再生冷却主动热防护系统，包括燃料贮箱、燃料泵、水贮箱、水泵和覆盖在燃烧室四周均匀布置的若干组复合冷却通道，每组复合冷却通道包括水通道、碳氢燃料通道和连通孔，水通道和碳氢燃料通道通过隔板隔开，水通道和碳氢燃料通道在复合冷却通道的末段连通形成一个通道，在隔板上开设若干连通孔，液态的水自水通道的进口进入水通道中吸热变成水蒸气后，一部分水蒸气通过若干连通孔进入碳氢燃料通道内与碳氢燃料初混合，另一部分水蒸气在复合冷却通道的末段与碳氢燃料再混合，在水蒸气与碳氢燃料混合区域的通道内壁上设有蒸汽重整催化剂层。本发明水和燃料在飞行器中可分开存储，便于携带，冷却效果好。

说明书

技术领域

本发明属于超燃冲压发动机主动冷却的技术领域，尤其是涉及一种基于蒸汽重整的复合通道再生冷却主动热防护系统。

背景技术

高超声速飞行器飞行速度一般都在马赫5以上，飞行高度大于20公里，可作为高超声速巡航导弹、高超声速飞机等。超燃冲压发动机是近空间高超声速飞行器的最佳动力装置。发动机工作在高马赫数、高热负荷以及高强度燃烧的极端环境下，其燃烧室内温度可高达3000℃以上，壁面热流峰值高达20MW/m

吸热型碳氢燃料对于再生主动冷却的吸热型碳氢燃料发动机而言，具有推进剂和冷却剂的双重身份,它除了利用其本身的物理吸热能力外,还可以利用其在气相条件下发生化学反应吸收热量,即在进入燃烧室之前裂解为小分子产物,裂解过程吸收热量,因而其冷却能力大大增强。但是热裂解反应仅能满足马赫数8以内的冷却需求，并且在高温条件下，随着燃料热裂解转化率的增加，冷却通道内表面容易形成积碳，降低壁面换热强度，甚至引发壁面冷却失败而烧毁，从而大大制约了燃料吸热能力的进一步提升。

当高超声速飞行器达到马赫数8以上时，则需要吸热能力更加高效的冷却方式，碳氢燃料蒸汽重整反应是一种强吸热反应过程。然而，碳氢燃料蒸汽重整反应中的液相的水与碳氢燃料互不相容，不能够充分混合，容易带来存储和传热恶化等问题，它们在气相状态下不仅能够充分混合，而且更有利于蒸汽重整反应，从而提高化学吸热能力，同时抑制结焦的生成。所以，设计一个能够使水与碳氢燃料在液相状态下不能混合，而当他们都为气态时再混合的结构尤为关键；并且冷却通道较长，在通道沿程水含量会逐渐减小，由于含水量对碳氢燃料的蒸汽重整有重要影响，含水量减少会影响燃料吸热能力的利用，同时超燃冲压发动机不同位置的热载荷不同，冷却需求不同，冷却剂提供的吸热量过多会造成冷却剂(即燃料)的浪费，吸热量过少无法有效冷却，因此有必要设计一种全新的主动冷却系统来解决以上问题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于蒸汽重整的复合通道再生冷却主动热防护系统，可实现水和燃料在飞行器中可分开存储，便于携带；水与碳氢燃料在液相状态下，分别通过复合冷却通道与该冷却通道发生热交换，使其吸热发生物理相变转变为气相。在气相状态下，水蒸汽通过复合冷却通道的连通孔进入碳氢燃料层冷却通道，与碳氢燃料进行混合，并在碳氢燃料层通道壁面催化剂的作用下发生蒸汽重整反应吸热。同时设置连通孔，确保有足够的水供蒸汽重整反应消耗，使整个通道始终保持较大的吸热能力。同时，可以通过调节连通孔的分布调节不同位置的含水量，进而调节不同位置的吸热量，使不同位置的冷却效果均达到最优化，既不会造成冷却能力的浪费，也不会出现冷却能力不足的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于蒸汽重整的复合通道再生冷却主动热防护系统，包括燃料贮箱、燃料泵、水贮箱、水泵和覆盖在燃烧室四周均匀布置的若干组复合冷却通道，每组所述的复合冷却通道包括水通道、碳氢燃料通道和连通孔，所述的碳氢燃料通道靠近燃烧室的内壁布置，所述的水通道远离燃烧室的内壁布置，所有的碳氢燃料通道均与燃料泵连接，所述燃料泵与燃料贮箱连接，所有的水通道均与水泵连接，所述水泵与水贮箱连接，同一组复合冷却通道的水通道和碳氢燃料通道通过隔板隔开，所述的水通道和碳氢燃料通道在复合冷却通道的末段连通形成一个通道，在隔板上开设若干连通孔，液态的水自水通道的进口进入水通道中吸热变成水蒸气后，一部分水蒸气通过若干连通孔进入碳氢燃料通道内与碳氢燃料初混合，另一部分水蒸气在复合冷却通道的末段与碳氢燃料再混合，在水蒸气与碳氢燃料混合区域的通道内壁上设有蒸汽重整催化剂层，复合冷却通道的末端通过管道与燃烧室内的燃油喷注器连通。

进一步的，所述连通孔为方孔。

进一步的，位于同一组的水通道和碳氢燃料通道上下正对布置，且水通道的截面尺寸小于碳氢燃料通道的截面尺寸。

进一步的，所述隔板的首端与复合冷却通道的首端平齐设置，所述隔板的长度小于复合冷却通道的长度。

进一步的，所述蒸汽重整催化剂层为镍基氧化铝层、铂层或铑层。

进一步的，水和油分别存储在水贮箱和燃料贮箱中。

进一步的，所述复合冷却通道完全覆盖燃烧室。

进一步的，在复合冷却通道的末段，水蒸汽和碳氢燃料完全混合。

进一步的，液态的水吸热变成水蒸气时，液相的碳氢燃料达到超临界态。

进一步的，所有的碳氢燃料通道通过汇流槽经管道与燃料泵连接，所有的水通道通过汇流槽经管道与水泵连接。

相对于现有技术，本发明所述的一种基于蒸汽重整的复合通道再生冷却主动热防护系统具有以下优势：

1、本申请主要是考虑到了液相的水与碳氢燃料互不相溶，飞行器分别存储水与碳氢燃料通过双层通道单独通入水与碳氢燃料的方式，避免了存储与传热恶化等问题，并且通过物理相变使水与碳氢燃料由液相转变为气相，可以更好的利用它们的物理吸热能力，而且使其在气相状态下混合会更加均匀，反应会更加充分，从而可以更好的发生化学反应，提高化学吸热能力，降低发动机温度，最主要的是可以降低积碳的形成，使冷却通道不会堵塞。双层通道中碳氢燃料层通路贴近燃烧室壁面，水通路层远离燃烧室壁面，防止因水发生膜态沸腾而使局部传热恶化，烧毁燃烧室壁面。

2、蒸汽重整反应要比热裂解反应可以吸收更多的热量，同时也提高了碳氢燃料的化学吸热能力，并且蒸汽重整反应可以有效地减少积碳的产生，降低结焦。

3、由于含水量对蒸汽重整反应至关重要，随着反应的进行含水量降低，会影响吸热能力。而入口加水过多又会影响发动机性能。本申请设置了连通孔，在入口加入适量的水，使蒸汽重整的吸热能力最优，随着反应消耗使含水量降低导致吸热能力降低时，通过连通孔注入水蒸气提高含水量而使吸热能力保持较高水平；还可以根据不同位置的冷却需求，合理设计连通孔的分布，使冷却通道全程都能保持最优的吸热能力，且不会影响发动机的性能，又不会因携带过多的水而带来质量惩罚。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种基于蒸汽重整的复合通道再生冷却主动热防护系统的结构示意图；

图2为复合冷却通道布置图；

图3为图2的A处结构示意图；

图4为图3的B-B向剖视图。

附图标记说明：

1-燃料贮箱，2-燃料泵，3-水贮箱，4-水泵，5-复合冷却通道，6-进气道，7-燃烧室，8-尾喷管，9-燃油喷注器，10-管道，11-水通道，12-碳氢燃料通道，13-隔板，14-连通孔，15-蒸汽重整催化剂层。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图4所示，一种基于蒸汽重整的复合通道再生冷却主动热防护系统，包括燃料贮箱1、燃料泵2、水贮箱3、水泵4和覆盖在燃烧室7四周的若干组双层冷却通道，水和油分别存储在水贮箱和燃料贮箱中，每组所述的复合冷却通道5包括水通道11、碳氢燃料通道12和连通孔14，所述的碳氢燃料通道12靠近燃烧室7的内壁布置，所述的水通道11远离燃烧室7的内壁布置，所有的碳氢燃料通道12通过汇流槽经管道与燃料泵2连接，所述燃料泵2与燃料贮箱1连接，所有的水通道11通过汇流槽经管道与水泵4连接，所述水泵4与水贮箱3连接，同一组复合冷却通道的所述的水通道11和碳氢燃料通道12通过隔板13隔开，所述的水通道11和碳氢燃料通道12在复合冷却通道5的末段连通形成一个通道，在隔板13上开设若干连通孔14，液态的水自水通道11的进口进入水通道11中吸热变成水蒸气后，一部分水蒸气通过若干连通孔14进入碳氢燃料通道12内与碳氢燃料初混合，另一部分水蒸气在复合冷却通道5的末段与碳氢燃料再混合，在水蒸气与碳氢燃料混合区域的通道内壁上设有蒸汽重整催化剂层15，复合冷却通道5的末端通过管道10与燃烧室内的燃油喷注器9连通，碳氢燃料和水蒸气在催化剂作用下发生蒸汽重整吸热反应，反应产物通过复合冷却通道5的末端排出经由管道10与燃油喷注器9喷入燃烧室7内。发动机包括进气道6、燃烧室7和尾喷管8。

所述连通孔14为方孔，连通孔14的设置可以在因反应进行引起含水量降低进而导致化学吸热能力下降时，补充水，使吸热能力保持最优，同时可以通过合理设计连通孔的数量和位置使不同位置的不同冷却需求均能得到满足。

位于同一组的水通道11和碳氢燃料通道12上下正对布置，且水通道11的截面尺寸小于碳氢燃料通道12的截面尺寸，水的流量相对碳氢燃料较小，水通道较小可使水的换热效果较好。

所述隔板13的首端与复合冷却通道5的首端平齐设置，所述的隔板13的长度小于复合冷却通道5的长度，在复合冷却通道的末段，水蒸汽和碳氢燃料完全混合，如此布置使得液态水和液态的碳氢燃料在入口处能得到很好的分离，两者不混合，有利于后续反应的进行。

蒸汽重整催化剂层15为镍基氧化铝层或铂、铑等贵金属。所述冷却通道完全覆盖燃烧室7，如此布置，对燃烧室7的冷却效果好。

水通道内介质和碳氢燃料通道内的介质与复合冷却通道发生热交换吸热，物理吸热对燃烧室壁面进行冷却，从而发生物理相变使液态水转变为水蒸气，液相的碳氢燃料达到超临界态，此过程为冷却阶段Ⅰ；一部分水蒸汽通过复合冷却通道的连通孔进入碳氢燃料层通道与超临界态的碳氢燃料进行混合，另一部分水蒸气在复合冷却通道的末段与碳氢燃料再混合，当水为气相，且碳氢燃料为超临界态时，二者混合更加均匀，可以使后续的反应更加充分；水与碳氢燃料在通道壁面催化剂的作用下发生蒸汽重整反应吸热，从而降低发动机壁面的温度，蒸汽重整反应要比热裂解反应可以吸收更多的热量，提高了碳氢燃料的化学吸热能力，并且蒸汽重整反应可以有效地减少积碳的产生，降低结焦；此过程为冷却阶段Ⅱ。同时，由于液态水在外侧通道发生相变吸热，可降低相变过程中发生传热恶化对冷却系统的影响。

在冷却阶段Ⅰ，液态碳氢燃料和水分别通入贴近燃烧室的内侧冷却通道和外侧冷却通道，因此可实现飞行器内分别携带和存储碳氢燃料和水，避免存储过程中互不相溶，泵难以供给两种不互溶流体的问题；在冷却阶段Ⅰ，液态碳氢燃料和水分别通入贴近燃烧室的内侧冷却通道和外侧冷却通道，可以避免因水发生膜态沸腾导致局部传热恶化而烧毁燃烧室。

由于碳氢燃料在超临界压力以上工作，不发生沸腾传热过程。水的临界压力远高于碳氢燃料，在再生冷却条件下会发生相变变成水蒸气，水蒸气可以和超临界态的碳氢燃料均匀混合。

冷却通道较长，在通道沿程水含量会逐渐减小，由于含水量对碳氢燃料的蒸汽重整有重要影响，含水量减少会影响吸热能力利用。连通孔可以使冷却通道沿程的吸热能力都更有效利用。

复合冷却通道末段隔板去掉，可使剩余水全部与碳氢燃料混合而完全反应掉，避免水蒸气进入燃烧室影响发动机性能。

蒸汽重整的小分子产物会进入燃烧室，燃烧释热，提供动力。

水通道和碳氢燃料通道通过若干连通孔连接，使水蒸气可以进入碳氢燃料通道在催化剂的作用下与碳氢燃料发生吸热反应。多个连通孔可以使水蒸气在碳氢燃料通道沿程逐步加入，既可以避免一次性注水过多影响发动机性能，又可以优化沿程注水量的分布，实现对蒸汽重整吸热能力的调控，进而实现对局部高温热点的冷却，达到在有限携水量的条件下对发动机的最佳冷却效果。

本申请的工作过程为：水与碳氢燃料通过高压泵首先以液相的方式分别从不同通道单独通入相应的冷却通道内，在高温高压下，在它们转变为气相过程中，进行吸热，提高物理吸热能力，再经过连通孔，一部分水蒸气与碳氢燃料初混合，另一部分水蒸气与碳氢燃料再混合，在气象状态下混合均匀，发生蒸汽重整反应，可以使冷却通道沿程的吸热能力都更有效利用，且可以降低热裂解过程积碳的产生，蒸汽重整反应完全后，流出冷却通道，最后通过高压泵压入燃烧室进行燃烧为发动机提供动力。

具体涉及的第一个物理过程：

碳氢燃料(液相)→碳氢燃料(气相)；水(液相)→水(气相)

第二个化学反应过程：

Fuel(g)+H

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。