微通道换热器在航空航天领域应用

随着现代航空航天动力系统向高推比、高飞行马赫数等方向发展，发动机承受的热负荷剧增。为了保证发动机的可靠性和寿命，发展快速的主动冷却技术至关重要。微通道换热器被认为是解决发动机散热冷却难题的理想选择，其由核心散热单元—微通道结构组成的，通过内部流过的冷却工质以强迫对流的方式实现热量的迅速散失。微通道换热器具有高传热性能、结构紧凑、质量轻、体积小巧、易于一体化封装等特点，应用于航空航天发动机具有显著的优势。

    目前，随着加工技术的不断进步，微通道冷却技术已在发动机燃烧室壁面冷却、高超声速飞行器预冷器系统、涡轮叶片散热冷却等方面获得了应用，为保证发动机的可靠工作与正常飞行起到了至关重要的作用。如下图市场主流的微通道结构。

图1 V型微通道

图2 内凹槽多孔微通道

微通道冷却技术在燃烧室壁面的应用

    为提高燃烧室冷却性能，减少冷却用气是航空发动机发展的方向。采用微通道冷却技术，可以有效降低燃烧室壁面的温度，同时还可以将微通道吸收的热量用来进行燃油预热，从而实现再生冷却。

图3超然冲压发动机微通道冷却

微通道冷却技术在预冷系统中的应用

    预冷器作为发动机热力循环中的关键组件 能够实现高温空气的高效率/快速深冷,从而使得温度降低到航空发动机正常工作的温度,其常采用微通道换热器增强其冷却性能.

图4 预冷器结构及预冷片示意图

微通道冷却技术在涡轮叶片中的应用

    目前,先进航空涡轮发动机的涡轮进口燃气温度达1800~2050K,已经接近涡轮叶片材料的耐温极限,必须采用冷却技术对涡轮叶片进行有效冷却.涡轮叶片冷却主要是在叶片内部加工出微通道,并采用气膜与冲击等冷却方式,通过微通道内的气流与叶片实现快速/高效冷却,下图为典型涡轮叶片冷却结构.

图5 典型涡轮叶片冷却结构

     在航空航天微通道冷却技术快速发展同时，也存在许多相应的技术挑战，有待进一步探索。国内在航空航天发动机的微通道冷却技术有深入研究、生产制造和应用的企业还是比较少的，杭州沈氏节能科技股份有限公司是其中佼佼者。2017年杭州沈氏子公司-杭州微控的集成式精密微通道换热器项目获得评委的一致认可，并荣获第二届中国航空创新创业大赛全国总决赛-三等奖。

图6 第二届中国航空创新创业大赛全国总决赛三等奖

    杭州沈氏研制出的航空航天高效紧凑型微通道换热器，其特点是结构紧凑、高传热性能、质量轻、体积小（减少20%—30%），其具体解决方案有环控系统用10KW防冻液—防冻液换热器（三股流换热器）、航空发动机用50KW燃油—液压油换热器、航天用空气—制冷剂换热微通道冷凝器。