包含航空飛行器發動機燃料的主動冷卻劑及以該冷卻劑對航空飛行器發動機進行冷卻的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及航空飛行器發動機冷卻技術領域，尤其涉及高速航空飛行器發動機冷卻的新型冷卻劑和新型冷卻方法。
【背景技術】
[0002]隨著航空飛行器飛行速度的不斷提高，航空飛行器的發動機承受的熱負荷越來越大，對發動機冷卻技術的依賴性逐漸增強。在眾多的發動機冷卻方案中，以碳氫燃料為主動冷卻劑以達到給發動機降溫的目的是近年來研究較熱的方案。該冷卻方案的原理是:碳氫燃料在發動機冷卻通道中，通過物理和化學過程吸收大量的熱量，降低了燃燒室壁面高溫；同時碳氫燃料反應生成為乙烯、丙烯、甲烷以及氫等小分子易燃物質，這些物質進入燃燒室燃燒時釋放出熱量，這一部分熱量進一步被碳氫燃料吸收，導致碳氫燃料發生反應。此種循環方式中碳氫燃料反應后生成的產物燃燒性能良好，提高了能量的利用率，不需要附加的冷卻劑，減少了存儲系統空間，能夠有效冷卻飛行器高溫部件，合理管理發動機的熱量。
[0003]二十世紀70-80年代，以碳氫燃料為主動冷卻劑的發動機冷卻系統的研究主要以碳氫燃料的催化脫氫吸熱過程為重點。碳氫燃料的催化脫氫過程是在貴金屬及貴金屬的熔融鹽載體催化劑上發生反應，其優點是在較低溫度下有較高的轉化率、反應吸熱量大、產物單一且穩定，并且能產生大量的氫氣。國外對碳氫燃料催化脫氫吸熱研究最早，例如美國的第一代碳氫燃料甲基環己烷燃料可以提供2.72MJ/kg的熱沉。催化脫氫過程多用催化劑，且多為貴金屬及貴金屬的熔融鹽載體催化劑，催化劑的成本高、易失活，并且對原料的純度要求高，且產物多為芳烴，燃燒性能不好，在燃燒室內易結焦。80年代以后，碳氫燃料催化脫氫的研究幾乎不再有突破性的研究。
[0004]二十世紀90年代，對碳氫燃料為主動冷卻劑的研究轉向碳氫燃料的熱裂解和催化裂解吸熱過程。碳氫燃料的裂解過程通過吸熱反應生成小分子烴類混合物。碳氫燃料的熱裂解是一個高溫氣相反應，是強吸熱過程，反應不可逆，同時除含有芳烴外對燃料的組成沒有其他特殊要求；但其反應速度慢、理論轉化率低且反應復雜易結焦。催化裂解在催化劑上發生裂解，其反應溫度低、吸熱反應速率快、產物的選擇性高且生成的產物燃燒速度快，但其會生成低碳烯烴，面臨嚴重的結焦問題，結焦會降低冷卻換熱的換熱系數、阻塞管路并導致催化劑失活。
[0005]上述兩種方式能夠在一定程度上實現發動機的冷卻，但是上述的冷卻方法中出現的問題也是不可忽略的，因此有必要研究新的冷卻方法既能解決上述冷卻方法中出現的問題，同時可以滿足冷卻的要求達到冷卻效果。
[0006]為了解決上述冷卻過程中出現的問題，最早提出的新方案是俄羅斯科學家提出的碳氫燃料蒸汽重整吸熱思路。催化重整吸熱方式是指利用燃料與氣化介質(水蒸汽、氧氣等)，在催化劑的作用下，將碳氫燃料轉化為小分子高能燃料，同時吸收大量熱量的方式。俄羅其if 的 AJAX 項目(A.Korabelnikov, A.Kuranov, Thermochemical convers1nof hydrocarbon fuel for the AJAX concept, (1999)) ([2]A.Korabelnikov, A.Kuranov, Thermal protect1n using endothermic fuel convers1n, (2005))，通過對傳統吸熱型碳氫燃料加水進行重整來提高燃料的熱沉，是燃料蒸汽重整吸熱研究的典型。它的核心觀點是將水加到燃料里進行蒸汽重整，以獲得再生化學和新改性的燃料。這一過程理論上可吸收10MJ/kg的熱量，產生氫的量可達70% (在反應后氣體中的體積比)，而且生成的混合氣體有很高的燃燒熱。需要特別注意的是在上述蒸汽重整冷卻過程中，需要大量的水，水雖可以獲得附加的降溫能力，但是在推進劑中惰性物質(例如水)含量的提高會導致飛行器飛行距離的下降。上述水蒸汽重整吸熱是有效的吸熱方式，但同時也會帶來上述的一些問題。將不同的重整添加劑(如水蒸汽、氧氣)結合起來，可能利用不同重整添加劑的優點，彌補各自的一些缺點，但是直接利用則也會產生一些問題。例如，直接利用H20和02作為重整的添加劑，0 2是氣體進料，存在儲存的安全性等問題。
[0007]目前在以碳氫燃料為主動冷卻劑的發動機冷卻系統中，對吸熱過程的研究主要集中在三個方面:重整、催化脫氫和裂解。其中熱裂解/催化裂解更是目前各國研究碳氫燃料為主動冷卻劑的冷卻方案中研究的熱點。在冷卻過程中，裂解吸熱過程中存在嚴重的結焦而影響冷卻效果等問題也是不可忽視的。通過添加重整介質，在冷卻過程中，可以有效地降低燃料重整吸熱過程中的結焦。然而，如何選擇合適的重整介質以及重整介質合適的使用量則是實現利用燃料重整吸熱過程為主動冷卻的發動機冷卻技術的關鍵。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在于:針對目前以碳氫燃料為主動冷卻劑的冷卻過程中，裂解吸熱過程中出現的嚴重結焦現象造成冷卻效果降低的問題，以及通過加入重整介質所帶來的體積大、儲存安全和由此造成的飛行器飛行距離下降等問題，提供一種高速航空飛行器發動機冷卻的新冷卻劑和新方法。
[0009]本發明第一方面涉及一種包含航空飛行器發動機燃料的主動冷卻劑，其包括在航空飛行器中分開儲存的燃料油和H202水溶液。其中所述燃料油和所述Η202水溶液在使用時共同注入航空飛行器發動機的冷卻通道中。
[0010]在本發明優選的實施方案中，所述Η202水溶液中Η202的濃度低于50wt%。控制所述H202水溶液的濃度的目的是為了確保使用過程中的安全性，防止所述Η 202水溶液的濃度過大時分解產生過量氧氣。
[0011]本發明第二方面涉及用根據本發明第一方面所述的主動冷卻劑對航空飛行器發動機進行冷卻的方法，其包括以下步驟:向航空飛行器發動機的冷卻通道中分別通入所述燃料油和所述Η202水溶液，并通過調節所述Η 202水溶液的濃度使冷卻通道內水蒸汽和燃料油中的碳的摩爾比以及氧氣與燃料油中的碳的摩爾比維持在一定范圍內；其中所述冷卻通道中具有催化劑。
[0012]在本發明優選的實施方案中，通過所述冷卻通道的物料最終進入到航空飛行器發動機的燃燒室。
[0013]在本發明優選的實施方案中，所述Η202水溶液中Η 202的濃度低于50wt%。將H202的濃度控制在此范圍內的目的為控制H202的分解，從而控制氧氣的濃度，防止冷卻通道內氧氣的濃度過高造成可燃物質燃燒放熱。
[0014]在本發明優選的實施方案中，所述冷卻通道內的溫度為500-900°C。其中所述冷卻通道內溫度的維持通過水蒸汽和燃料的比例以及氧氣和燃料油的比例來控制。將溫度控制在此范圍內的目的一方面是保證催化劑的催化效果，避免催化劑失活；另一方面是避免原料經過冷卻通道后產物中的可燃性小分子的量降低、或者冷卻通道中積炭的嚴重加劇。
[0015]在本發明優選的實施方案中，所述冷卻通道分為位于上游的第一冷卻通道和位于下游的第二冷卻通道，其中所述第二冷卻通道內具有催化劑。其中所述第一冷卻通道內發生的是燃料油從液態到氣態的物理吸熱過程以及h202水溶液分解產物氣化等的物理和化學吸熱過程，還包括燃料油裂解的化學吸熱過程；所述第二冷卻通道內發生的是燃料油的裂解、重整等化學吸熱過程。
[0016]在本發明優選的實施方案中，通過調節所述H202水溶液的濃度使得冷卻過程中H202水溶液通過分解產生的氧氣與燃料油中的碳的摩爾比保持在0.1-0.25范圍內，水蒸汽與燃料油中的碳的摩爾比保持在2-5范圍內。
[0017]在本發明優選的實施方案中，所述催化劑為Ni基、Rh基、Ru基、Pt基催化劑以及它們的復合或改性催化劑。優選地，所述催化劑應為活性高且壽命長的催化劑。
[0018]相對于現有技術，本發明具有以下優點:
[0019]1、本發明優于現有技術，主要體現在冷卻劑原料體系方面，本發明的冷卻劑原料不僅僅是燃料，還增加了 H202水溶液。本發明利用燃料油和Η202水溶液作為冷卻劑，通過冷卻過程中發生的物理吸熱過程和重整、裂解等化學吸熱過程來吸收熱量對航空飛行器的發動機進行冷卻。本發明的冷卻劑中利用Η202水溶液的構思巧妙，能夠有效降低燃料主動冷卻過程中出現的結焦(例如積炭)等問題，同時Η202水溶液的加入量不會導致飛行器飛行距離的明顯下降，并且加入的重整介質以液體的形式，存儲安全、方便。Η202水溶液與燃料在冷卻通道混合冷卻過程中，具備類似自熱重整反應啟動快等優點。這樣的體系，與俄羅斯AJAX項目的設計理念類似，但又與之有明顯的區別，Η202水溶液體系不同于直接加入水的體系，這樣的設計能彌補AJAX設計中需要大量水的缺點，同時也能減少大量加入水對后期分離造成的壓力，還能避免水量過多造成的飛行器飛行距離下降等問題。
[0020]2、冷卻劑中Η202水溶液的存在使得燃料油裂解產生的氫氣量增加，可以實現燃料油的高效利用。在冷卻通道中還同時產生高能小分子，吸熱反應后產生的高能小分子通過冷卻通道返回進入燃燒室，燃燒提供能量。
[0021]3、本發明無需使用貴金屬及貴金屬的熔融鹽載體催化劑，催化劑價格較低，可降低使用成本。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明的冷卻方法冷卻流程示意圖，其中箭頭方向表示物料輸送方向。
[0023]其中各附圖標記具有以下含義:
[0024]11 -燃料油儲存罐；12-Η202水溶液儲存罐；21_油栗；22_溶液栗；3_分配閥門；
4-燃料油進料管；5-Η202水溶液進料管；6_重整氣出口 ；7_燃燒室；8_冷卻通道。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和具體實施例進一步詳述本發明，但應理解，實施例僅為示例性的而非限制