● 摘要
研发未来高性能的航空发动机及高速飞行器越来越受关注，其具有极高的科研价值和战略意义。然而，热防护问题目前已成为该技术领域发展的障碍之一，亟需解决。学者们针对航空发动机和高速飞行器的热防护问题，提出了cooled cooling air 冷却技术。CCA技术是指在航空发动机上安装换热器，用外涵空气或者机载燃油为冷源来预先冷却压气机出口冷却空气，提高其冷却品质的技术。发动机的应用背景，要求换热器必须高效、结构紧凑、重量轻及耐高温高压。采用某种单一冷源均有其不足之处，因此本文分别设计空空换热器和空油换热器，用外涵空气和燃油先后对冷却空气进行冷却。本文采用常规的换热器设计方法，对空空、空油换热器进行设计计算，并进行数值模拟。结论如下：（1）板翅式空空换热器能够将质量流量0.1kg/s的冷却空气温度降低160K，且热侧流动阻力不超过5%，换热器重量不超过2.8kg；（2）板翅式空油换热器能够将质量流量0.1kg/s的冷却空气温度降低130K，且热侧流动阻力不超过5%，换热器重量不超过1.6kg；（3）本文采用的常规换热器设计方法，结果与数值模拟结果吻合较好，可以对板翅式换热器进行热力计算；（4）几何结构会影响螺旋管换热器的管外换热和流阻，螺距减小会使换热系数和流动阻力均升高，螺旋半径减小则会使换热系数升高、流动阻力降低。
在传统CCA技术的基础上，探索使用两种冷源先后对冷却空气进行冷却的可行性。通过设计计算，结果表明在给定安装空间和流阻限制下，综合考虑换热、流阻和重量，该设计较好地满足设计要求，方案可行。通过对板翅式换热器和螺旋管式换热器进行数值研究，确认这两种紧凑式换热器均适合应用于CCA技术。