组合发动机燃烧-换热一体化氦加热器设计方法和装置

本发明属于预冷器吸气式组合发动机，具体涉及一种组合发动机燃烧-换热一体化氦加热器设计方法和装置。

背景技术：

1、为服务单级入轨以及高超声速飞行，预冷器吸气式组合发动机这一新型发动机的研究受到越来越多的关注。预冷吸气式组合发动机利用低温氦气通过预冷器冷却来流高温空气，同时在预冷器后设置氦加热器为经过高温空气加热的氦气进一步补充能量，使氦气具有推动空气涡轮做功的能力，以达到高温空气能量再利用的作用。

2、预冷吸气式组合发动机通过预冷器与氦加热器的配合大大提升了其工作包线，提高了发动机效率。其中预冷器的开发已初见成效，其设计方法也基本成熟。但是预冷吸气式组合发动机中的氦加热器的研究和设计目前还几乎处于空白状态。

3、氦加热器需要高温燃气为氦气加热，但目前对氦加热器的设想理念停留在燃烧与换热分离的阶段，如期刊论文：“组合发动机微细通道氦加热器设计与流动换热”的报道。因此现有氦加热器的设计方法仅考虑了燃气与氦气的换热过程，并未将燃烧与换热统一考虑，燃烧与换热分离需要在氦加热器外额外提供燃料燃烧室，增加了预冷吸气式组合发动机的重量，降低了其经济性。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种组合发动机燃烧-换热一体化氦加热器设计方法和装置，其目的在于解决未将燃烧与换热统一考虑设计，燃烧与换热分离需要在氦加热器外额外提供燃料燃烧室，增加预冷吸气式组合发动机的重量，导致降低其经济性的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、根据本发明的第一方面，提供一种组合发动机燃烧-换热一体化氦加热器设计方法，包括：

4、s1、根据需要加热的氦气流量、氦气入口温度和目标温度设定燃烧余气系数和燃料流量；

5、s2、利用燃烧余气系数和燃料流量，计算氦加热器毛细换热管的总换热面积；

6、s3、根据总换热面积设定氦加热器毛细换热管的结构参数与布局参数；

7、s4、根据燃烧余气系数、燃料流量、氦气流量、氦气入口温度和氦气入口压力，并结合结构参数与布局参数，迭代计算氦加热器毛细换热管的氦气出口真实温度、氦气真实压降和最高壁面温度；

8、s5、若氦气出口真实温度与目标温度的误差不满足精度要求，和/或氦气真实压降大于目标压降，则修正结构参数与布局参数，并转至s4，直至氦气出口真实温度与目标温度的误差满足精度要求，且氦气真实压降不大于目标压降后，转至s6；

9、s6、若最高壁面温度不小于许用温度，则修正燃烧余气系数和燃料流量，并转至s2，直至最高壁面温度小于许用温度，输出燃烧余气系数、燃料流量以及氦加热器毛细换热管的结构参数与布局参数。

10、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述利用燃烧余气系数和燃料流量，计算氦加热器毛细换热管的总换热面积，具体为：

11、根据燃烧余气系数和燃料流量，计算燃气温度和燃气流量；

12、根据燃气温度和燃气流量，设定氦加热器毛细换热管内外侧的对流换热系数；

13、根据氦加热器毛细换热管内外侧的对流换热系数，计算氦加热器毛细换热管的总换热面积。

14、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述根据燃烧余气系数、燃料流量、氦气流量、氦气入口温度和氦气入口压力，并结合结构参数与布局参数，迭代计算氦加热器毛细换热管的最高壁面温度、氦气出口真实温度和氦气真实压降，具体为：

15、根据燃烧余气系数和燃料流量，计算燃气温度和燃气流量；

16、根据燃气温度、燃气流量、氦气流量、氦气入口温度和氦气入口压力，并结合结构参数与布局参数，采用ε-ntu设计方法，迭代计算得到氦加热器毛细换热管的最高壁面温度、氦气出口真实温度和氦气真实压降。

17、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述结构参数包括氦加热器毛细换热管的长度、弯曲角度、管径与壁厚；

18、所述布局参数包括氦加热器毛细换热管的层数和层间距，以及排数和排间距。

19、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述根据需要加热的氦气流量、氦气入口温度和目标温度设定燃料流量时，使燃料流量与空气燃烧得到的燃气热容流率大于需要加热的氦气热容流率。

20、在第一方面的一种可能的实现方式中，当所述氦气出口真实温度与目标温度的误差不大于0.1k时，则认为满足精度要求。

21、根据本发明的第二方面，提供一种组合发动机燃烧-换热一体化氦加热器设计装置，包括：

22、第一设定模块，用于根据需要加热的氦气流量、氦气入口温度和目标温度设定燃烧余气系数和燃料流量；

23、第一计算模块，用于利用燃烧余气系数和燃料流量，计算氦加热器毛细换热管的总换热面积；

24、第二设定模块，用于根据总换热面积设定氦加热器毛细换热管的结构参数与布局参数；

25、第二计算模块，用于根据燃烧余气系数、燃料流量、氦气流量、氦气入口温度和氦气入口压力，并结合结构参数与布局参数，迭代计算氦加热器毛细换热管的氦气出口真实温度、氦气真实压降和最高壁面温度；

26、第一判断模块，用于若氦气出口真实温度与目标温度的误差不满足精度要求，和/或氦气真实压降大于目标压降，则修正结构参数与布局参数，并转至执行第二计算模块，直至氦气出口真实温度与目标温度的误差满足精度要求，且氦气真实压降不大于目标压降后，转至执行第二判断模块；

27、第二判断模块，用于若最高壁面温度不小于许用温度，则修正燃烧余气系数和燃料流量，并转至执行第一计算模块，直至最高壁面温度小于许用温度，输出燃烧余气系数以及氦加热器毛细换热管的结构参数与布局参数。

28、根据本发明的第三方面，提供一种设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的一种组合发动机燃烧-换热一体化氦加热器设计方法的步骤。

29、根据本发明的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种组合发动机燃烧-换热一体化氦加热器设计方法的步骤。

30、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

31、本发明提供的一种组合发动机燃烧-换热一体化氦加热器设计方法，通过迭代计算确定了合理的燃烧-换热一体化氦加热器设计参数，具体的说，当氦气出口真实温度与目标温度的误差不满足精度要求，和/或氦气真实压降大于目标压降，则对氦加热器毛细换热管的结构参数与布局参数进行修正，利用修正后的结构参数与布局参数继续进行迭代计算，直至氦气出口真实温度与目标温度的误差满足精度要求，且氦气真实压降不大于目标压降，确保了燃烧-换热一体化氦加热器结构的换热能力与压降损失满足要求，即氦气出口温度与出口压力达到目标值。完成氦加热器毛细换热管的结构参数与布局参数侧修正后，判断最高壁面温度与许用温度的大小关系，当最高壁面温度不小于许用温度，则对之前设定的燃烧余气系数和燃料流量进行修正迭代，确保了燃烧-换热一体化氦加热器换热结构最高壁温不超过材料的许用温度，从而保证了燃烧-换热一体化氦加热器换热结构的安全。同时，通过迭代计算氦加热器毛细换热管的氦气出口真实温度、氦气真实压降和最高壁面温度，保证根据所设计的燃烧-换热一体化氦加热器换热结构设计参数得到真实的出口温度，从而得到准确的换热性能。本发明通过多维迭代后，可按照输入要求，保证所设计出的燃烧-换热一体化氦加热器的换热性能满足要求、流动压降这一不利因素不超过规定值、管壁最高温度不超限制值，保证燃烧-换热一体化氦加热器安全。利用本发明可完成燃烧-换热一体化氦加热器中最为关键的换热结构设计，进而实现将燃烧与换热统一考虑进行设计，无需在氦加热器外额外提供燃料燃烧室，降低了预冷吸气式组合发动机的重量，有利于节约成本。

32、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。