Теплообменник из композитного материала, способ его изготовления и элемент реактивного двигателя, содержащий теплообменник

Изобретение предназначено для применения в теплообменниках, в которых используются аппараты теплового обмена, основанные на циркуляции текучей среды, предназначенные для использования в тяжелых термических условиях окружающей среды, например реакторы ядерного превращения, а также системы привода, в частности элементы стенок камеры сгорания реактивных двигателей, а именно прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Теплообменник из композитного материала содержит промежуточную часть из огнеупорного композитного материала, в которой выполнены каналы циркуляции текучей среды, причем промежуточная часть заключена между частью из огнеупорного композитного материала, образующей тепловой экран, и частью из термоконструкционного композитного материала, образующей несущую конструкцию теплообменника, при этом составные части теплообменника соединены в одно целое посредством припаивания, причем промежуточная часть изготовлена из композитного материала С/С, а образующая тепловой экран часть изготовлена из композитного материала с керамической матрицей из композитного материала C/SiC или из композитного материала С/С. Элемент стенки камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя содержит в качестве составной части теплообменник по любому из пунктов заявленной формулы. Способ изготовления теплообменника из композитного материала содержит следующие этапы: изготавливают промежуточную часть из огнеупорного композитного материала, оснащенную каналами циркуляции текучей среды, изготавливают часть теплового экрана из огнеупорного композитного материала, изготавливают часть несущей конструкции из термоконструкционного композитного материала, производят сборку различных частей (с соединением) посредством припаивания, помещая промежуточную часть между частью теплового экрана и частью несущей конструкции. Изобретение позволяет создать теплообменник, который может использоваться в тяжелых термических условиях окружающей среды, а также теплообменник, в котором реализация различных термических и конструктивных функций может быть оптимизирована при существенном снижении массы, габаритов, стоимости и простоты его изготовления. 3 с. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к теплообменникам, в которых используются аппараты теплового обмена, основанные на циркуляции текучей среды, и которые предназначены для использования в тяжелых термических условиях окружающей среды.

Специфическими, но не исключительными областями применения изобретения являются системы превращения материалов, например реакторы ядерного превращения, а также системы привода, в частности элементы стенок камеры сгорания реактивных двигателей, а именно прямоточных воздушно-реактивных двигателей.

Уровень техники

Применяемые в данных областях техники теплообменники обычно изготавливают из металла, по меньшей мере, частично. В то же время термические и механические свойства металлов и сплавов ограничивают область их применения как по критерию их рабочих характеристик, так и в отношении безопасности. Кроме того, металлические теплообменники тяжелы и громоздки, и это отрицательно сказывается при использовании, по меньшей мере, в определенных условиях применения.

Известны попытки использования огнеупорных композитных материалов в качестве единственных материалов или в сочетании с металлами для изготовления теплообменников, предназначенных для использования в тяжелых термических условиях окружающей среды, в частности, для стенки реактора ядерного превращения. Так, в патентной заявке WO № 98/03297 описан способ изготовления такого теплообменника посредством крепления припаиванием деталей из композитного материала углерод/углерод (С/С) на металлической основе (медной) с охлаждением за счет циркуляции текучей среды. В этом техническом решении применяется металл. Известен также патент США №5583895, в котором для той же области применения описана конструкция теплообменника в виде блока из композитного материала С/С, в котором образованы проходы для циркуляции текучей среды. Стенки проходов уплотнены металлическим покрытием, например медным, которое припаивают к композитному материалу С/С.

Сущность изобретения

Основной задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание теплообменника, который может использоваться в тяжелых термических условиях окружающей среды.

Изобретение направлено также на решение задачи создания теплообменника, в котором реализация различных термических и конструктивных функций может быть оптимизирована для существенного снижения массы, габаритов и стоимости.

Кроме того, изобретение направлено на решение задачи создания простого в изготовлении теплообменника.

В число задач, решаемых изобретением, входят также разработка способа изготовления теплообменника по изобретению и разработка усовершенствованного элемента стенки камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

В соответствии с изобретением теплообменник отличается тем, что он содержит промежуточную часть из огнеупорного композитного материала, в которой выполнены каналы циркуляции текучей среды, причем промежуточная часть заключена между частью из огнеупорного композитного материала, образующей тепловой экран, и частью из термоконструкционного композитного материала, образующей несущую конструкцию теплообменника, при этом составные части теплообменника соединены в одно целое посредством припаивания.

Термоконструкционный композитный материал представляет собой композитный материал, механические характеристики которого дают возможность изготавливать из него элементы конструкций и который сохраняет свои свойства при повышенных температурах. В общем случае термоконструкционные композитные материалы являются композитными материалами, которые имеют волокнистый каркас из огнеупорных волокон, таких как углеродные или керамические волокна, уплотненный огнеупорной матрицей, такой как матрица из углерода или керамики.

Примерами термоконструкционных композитных материалов являются композитные материалы углерод/углерод (С/С) с волокнистым каркасом и матрицей из углерода и композитные материалы с керамической матрицей (КМК), например матрицей из карбида кремния (SiC).

В оптимальном исполнении образующая несущую конструкцию часть изготовлена из композитного материала С/С, например из композитного материала, содержащего волокнистый каркас, который содержит несколько наложенных друг на друга волокнистых слоев, соединенных между собой волокнами, проходящими поперечно слоям, как это описано, например, в патенте США №4790052. Данный термоконструкционный композитный материал может быть представлен также в виде материала с сотовыми заполнителями.

Рекомендуется далее, чтобы промежуточная часть также была из композитного материала с керамической матрицей, который здесь используется скорее благодаря своим огнеупорным, чем конструктивным свойствам.

Возможен вариант выполнения образующей несущую конструкцию части и промежуточной части в виде единого блока из композитного материала С/С, к которому припаивают часть, образующую тепловой экран.

Желательно также, чтобы часть, образующая тепловой экран, была изготовлена из композитного материала типа КМК, например материала C/SiC или SiC/SiC (каркас из углеродных волокон или волокон карбида кремния, уплотненный матрицей из карбида кремния). По сравнению с композитными материалами С/С такие материалы лучше подходят для использования при воздействии интенсивного теплового потока и, в частности, в окисляющей атмосфере. Преимущество теплообменника в соответствии с изобретением заключается в возможности выбора материалов, наиболее подходящих для обеспечения тепловых и механических функций теплообменника, и, следовательно, позволяют оптимизировать его конструкцию в отношении рабочих характеристик и габаритных размеров.

Согласно еще одной особенности теплообменника по изобретению каналы циркуляции жидкости выполнены в поверхности промежуточной части, например, способом механической обработки и частично ограничены смежной стенкой одной из двух других частей. При этом выполнение каналов циркуляции жидкости особенно просто.

При необходимости каналы циркуляции текучей среды могут быть снабжены непроницаемым покрытием, например, в виде тонкого слоя металлического покрытия. Такое покрытие мажет быть сформировано на всех поверхностях сборки частей с тем, чтобы упростить припаивание путем образования слоя сцепления для припоя.

Кроме того, желательно, чтобы образующая несущую конструкцию часть была выполнена в виде конструкции с сотовыми заполнителями, а образующая несущую конструкцию часть изготовлена из композитного материала, содержащего волокнистый каркас, который содержит несколько наложенных друг на друга волокнистых слоев, соединенных между собой волокнами, проходящими поперечно слоям.

Элемент стенки камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что содержит в качестве составной части теплообменник по любому из описанных выше вариантов.

Предлагаемый настоящим изобретением способ изготовления теплообменника из композиционного материала характеризуется тем, что содержит следующие этапы:

изготавливают промежуточную часть из огнеупорного композитного материала, оснащенную каналами циркуляции текучей среды,

изготавливают часть теплового экрана из огнеупорного композитного материала,

изготавливают часть несущей конструкции из термоконструкционного композитного материала,

производят сборку различных частей (с соединением) посредством припаивания, помещая промежуточную часть между частью теплового экрана и частью несущей конструкции.

Промежуточную часть, а также часть, образующую несущую конструкцию, предлагается изготавливать из композитного материала С/С. Часть, образующую несущую конструкцию, предлагается изготавливать из композитного материала С/С, имеющего уплотненный матрицей волокнистый каркас. Данный каркас изготавливают посредством наложения друг на друга и проработки иглопробиванием нескольких волокнистых слоев. При этом данную часть предпочтительно изготавливать в виде конструкции с сотовыми заполнителями.

Часть теплового экрана изготавливают из композитного материала с керамической матрицей.

Согласно одному из предпочтительных вариантов способа по изобретению на поверхностях частей, подлежащих соединению пайкой, формируют металлический слой сцепления припоя.

Каналы циркуляции текучей среды предпочтительно выполняют посредством механической обработки в поверхности промежуточной части, которая перекрывается смежной поверхностью другой части. На стенках указанных каналов, посредством осаждения металлического слоя, формируют непроницаемое покрытие. В этом случае металлический слой сцепления припоя формируют на поверхности промежуточной части после выполнения каналов механической обработкой и на смежной поверхности таким образом, что данный металлический слой образует также непроницаемое покрытие стенок каналов циркуляции текучей среды.

Кроме того, часть теплового экрана изготавливают из композитного материала с керамической матрицей, а часть, образующую несущую конструкцию, изготавливают из композитного материала С/С в виде конструкции с сотовыми заполнителями.

Согласно одному из вариантов выполнения образующую несущую конструкцию часть изготавливают из композитного материала, имеющего уплотненный матрицей волокнистый каркас, причем волокнистый каркас изготавливают посредством наложения друг на друга и проработки иглопробиванием нескольких волокнистых слоев.

При необходимости на поверхностях частей, подлежащих соединению пайкой, формируют металлический слой сцепления припоя.

Кроме того, каналы циркуляции текучей среды формируют посредством механической обработки в поверхности промежуточной части, которая перекрывается смежной поверхностью другой части, а металлический слой формируют на поверхности промежуточной части после выполнения каналов механической обработкой и на смежной поверхности таким образом, что металлический слой образует также непроницаемое покрытие стенок каналов циркуляции текучей среды.

Перечень фигур

Примеры выполнения настоящего изобретения будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает в разрезе элемент теплообменника согласно первому примеру осуществления изобретения,

фиг.2 представляет этапы способа изготовления элемента теплообменника по фиг.1,

фиг.3 изображает в разобранном виде элемент камеры сгорания реактивного двигателя, образующий теплообменник в соответствии со вторым примером осуществления изобретения, и

фиг.4 схематично изображает камеру прямоточного воздушно-реактивного двигателя и частичный вид элемента стенки камеры сгорания, образующей теплообменник в соответствии с третьим примером осуществления изобретения.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг.1 показан в разрезе единый блок 10, представляющий собой элемент теплообменника. Блок 10 может являться элементом стенки оболочки, в которой существуют тяжелые термические условия. Так, например, он может быть элементом стенки камеры содержания плазмы в реакторе ядерного превращения.

Теплообменный блок 10 содержит тепловой экран 12, внешняя поверхность 12а которого подвержена воздействию теплового потока, промежуточную часть 14 с каналами 16 циркуляции текучей среды и несущую конструкцию 18. Промежуточная часть 14 заключена между тепловым экраном 12 и несущей конструкцией 18 и соединена с ними пайкой. Каналы 16 циркуляции текучей среды выполнены механической обработкой в той поверхности промежуточной части 14, которая расположена со стороны теплового экрана 12, и перекрыты внутренней поверхностью 12b теплового экрана, так что эта внутренняя поверхность 12b также частично ограничивает каналы 16. Каналы 16 предназначены для сообщения с системой циркуляции теплоотводящей текучей среды.

Тепловой экран 12, подверженный воздействию наиболее тяжелых термических условий, выполнен из огнеупорного композитного материала, предпочтительно из композитного материала с керамической матрицей (КМК), например из композитного материала типа C/SiC с волокнистым каркасом из углеродных волокон, уплотненным матрицей из карбида кремния.

Промежуточная часть также представляет собой огнеупорный композитный материал, например композитный материал С/С с волокнистым каркасом из углеродных волокон, уплотненным матрицей из углерода.

Несущая конструкция изготовлена из термоконструкционного композитного материала и выполнена таким образом, чтобы обеспечивать конструктивную функцию блока 10. Так, например, можно использовать несущую конструкцию в виде конструкции с сотовыми заполнителями из композитного материала С/С. Способ изготовления такой конструкции описан в патенте США №5415715. Можно также использовать несущую конструкцию в виде композитного материала С/С, в которой волокнистый каркас образован плоскими слоями волокнистой структуры, связанными между собой волокнами, проходящими поперечно слоям. Слои могут быть образованы, например, сетчатыми слоями, наложенными друг на друга в различных направлениях холстами с односторонним направлением волокна, войлочными слоями и т.д., при этом предпочтительно слои соединены между собой посредством иглопробивания. Способ изготовления такого композитного материала С/С описан в патенте США №4790052.

На фиг.2 представлены этапы способа изготовления блока 10 теплообменника.

Тепловой экран из материала КМК, например композитного материала C/SiC, промежуточную часть из композитного материала С/С и несущую конструкцию из композитного материала С/С изготавливают по отдельности (этапы 20, 22, 24). Способы изготовления изделий из композитного материала типа С/С или C/SiC путем подготовки волокнистого каркаса или предварительной формы и уплотнения волокнистого каркаса матрицей хорошо известны. Уплотнение может осуществляться посредством химической инфильтрации из паровой фазы или посредством пропитки полупродуктом матрицы в жидком виде с последующим преобразованием полупродукта с помощью термообработки.

Каналы 16 на поверхности промежуточной части 14 выполняют способом механической обработки (этап 26).

Далее может быть сформировано металлическое покрытие на всех поверхностях промежуточной части, теплового экрана и несущей конструкции (этап 28). Металлическое покрытие выбрано в целях улучшения смачиваемости с учетом применяемой далее пайки для соединения различных частей и для улучшения прочности паяных соединений. Кроме того, металлическое покрытие обеспечивает непроницаемость стенок каналов циркуляции текучей среды. Дело в том, что композитные материалы С/С или КМК, полученные указанным выше образом, неизбежно обладают остаточной пористостью, которую необходимо уплотнить на поверхности, чтобы обеспечить непроницаемость каналов.

Металлическое покрытие, например, из титана, хрома, циркония, гафния или бериллия может быть нанесено с помощью химического осаждения из паровой фазы или нанесения в вакууме.

В том случае, когда нет необходимости в металлическом покрытии для сцепления с припоем, необходимо тем не менее обеспечить непроницаемость стенок каналов 16. Эту непроницаемость обеспечивают посредством нанесения непроницаемого покрытия по меньшей мере на механически обработанные участки промежуточной части и на участки смежной поверхности теплового экрана. Непроницаемый слой наносят путем химического осаждения из паровой фазы. Покрытие может быть металлическим или не металлическим, например углеродным или керамическим.

Припаивание (этап 29) выполняют следующим образом: наносят слой припоя на подлежащие соединению поверхности промежуточной части, теплового экрана и несущей конструкции, затем их собирают и выдерживают в оснастке при желаемой температуре пайки с учетом используемого припоя. Припой выбирают из известных припоев для соединения пайкой керамики и огнеупорных композитных материалов друг с другом или с металлами. К ним относятся, например, припои марок "TiCuSil" или "СuАВА" фирмы США "Wesgo, Inc." В качестве ссылки можно привести уже упомянутую патентную заявку WO № 98/03297, а также статью авторов A.G.Foley, D.J.Andrews “Эффективная пайка металлическим припоем для соединения керамики с металлами”, GEC ALSTROM TECHNICAL REVIEW, No. 13, февраль 1994, Франция, стр. 49-64.

Фиг.3 изображает в разобранном виде другой пример выполнения теплообменника по изобретению, образующий элемент 30 камеры сгорания реактивного двигателя. Тепловой экран 32 представляет собой симметричную относительно оси кольцевую деталь с передней цилиндрической частью, которая продолжена назад частью в форме усеченного конуса. Тепловой экран 32 изготовлен в виде единой детали из композитного материала КМК, например композитного материала C/SiC. Волокнистый каркас композитного материала изготавливают посредством намотки волокнистой структуры на сердечник соответствующей формы, затем полученный каркас уплотняют матрицей из композитного материала.

Каналы 36 циркуляции текучей среды выполняют путем механической обработки в осевом направлении на поверхности промежуточной части 34, обращенной к тепловому экрану 32. Промежуточная часть 34 изготовлена из композитного материала С/С. Теплоотводящая текучая среда представляет собой топливо, которое нагревается при проходе через теплообменник перед впрыскиванием в камеру сгорания. Отверстия ЗЗа, ЗЗb впуска и выпуска текучей среды выполнены проходящими поперечно через стенку теплового экрана 32 вблизи его концов по оси на уровне канавок, таких как кольцевые канавки 37, которые выполнены механическим способом на промежуточной части спереди и сзади и предназначены для распределения текучей среды в каналы 36 на одном конце и для ее сбора на другом конце каналов.

Промежуточная часть 34 выполнена заодно с несущей конструкцией 38 в виде кольцевой конструкции из композитного материала С/С. Ее изготавливают посредством намотки на сердечник волокнистой структуры с наложением слоев друг на друга и соединением слоев между собой с помощью волокон, которые проходят поперечно слоям, например, с помощью иглопробивания. Полученный каркас уплотняют углеродной матрицей. Способ изготовления проработанных иглопробиванием кольцевых каркасов в качестве армирующей основы для конструктивных изделий из композитных материалов С/С описан в уже упоминавшемся патенте США №4790052. Несущая конструкция 38 и промежуточная часть могут выполняться в виде двух отдельных частей с их соединением пайкой или же в виде единой части, как в данном примере выполнения.

Тепловой экран 32 припаивают к поверхности промежуточной части, в которой выполнены каналы 36 и канавки 37.

Припаивание выполняют описанным выше образом со ссылками на фиг.1 и 2, в определенных случаях после нанесения металлического покрытия для сцепления с припоем и, по меньшей мере, после нанесения непроницаемого покрытия на стенки каналов 36 и канавок 37.

Фиг.4 в очень схематичном виде изображает конструкцию прямоточного воздушно-реактивного двигателя, стенка 40 которого образует теплообменник в соответствии с изобретением.

Стенка 40 имеет конструкцию, аналогичную блоку 10 по фиг.1, и изготовлена сходным способом. Тепловой экран 42 расположен с внутренней стороны стенки и выполнен из композитного материала КМК, например композитного материала C/SiC. Он припаян к промежуточной части 44 со стороны ее поверхности, в которой механическим способом выполнены каналы 46, и перекрывает эти каналы. По каналам 46 проходит текучая среда в виде топлива, которое впрыскивается в камеру сгорания после подогрева при проходе через стенку 40.

Промежуточная часть 44 изготовлена из композитного материала С/С и припаяна к несущей конструкции 48, также изготовленной из композитного материала С/С. Предпочтительно промежуточная часть выполнена в виде конструкции с сотовыми заполнителями для максимального облегчения всего узла.

Припаивание, нанесение в определенных случаях металлического покрытия на подлежащие соединению пайкой поверхности и нанесение непроницаемого покрытия на стенки каналов циркуляции текучей среды выполняют таким же образом, как и для примера осуществления по фиг.1 и 2. В описанных выше примерах предусмотрено образование каналов циркуляции текучей среды в поверхности промежуточной части со стороны теплового экрана. Это расположение каналов является предпочтительным, однако не исключается вариант их выполнения со стороны несущей конструкции.

1. Теплообменник из композитного материала, отличающийся тем, что он содержит промежуточную часть (14; 34; 44) из огнеупорного композитного материала, в которой выполнены каналы (16; 36; 46) циркуляции текучей среды, причем промежуточная часть заключена между частью из огнеупорного композитного материала, образующей тепловой экран (12; 32; 42), и частью из термоконструкционного композитного материала, образующей несущую конструкцию (18; 38; 48) теплообменника, при этом составные части теплообменника соединены в одно целое посредством припаивания.

2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что промежуточная часть (14; 34; 44) изготовлена из композитного материала С/С.

3. Теплообменник по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что образующая тепловой экран (12; 32; 42) часть изготовлена из композитного материала с керамической матрицей.

4. Теплообменник по п. 3, отличающийся тем, что образующая тепловой экран (12; 32; 42) часть изготовлена из композитного материала C/SiC.

5. Теплообменник по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что образующая несущую конструкцию (18; 38; 48) часть изготовлена из композитного материала С/С.

6. Теплообменник по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что каналы (16; 36;46) циркуляции текучей среды образованы в поверхности промежуточной части (14;34; 44) и частично ограничены смежной стенкой одной из двух других частей.

7. Теплообменник по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что каналы (16; 36;46) циркуляции текучей среды снабжены непроницаемым покрытием.

8. Теплообменник по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что образующая несущую конструкцию часть выполнена в виде конструкции с сотовыми заполнителями.

9. Теплообменник по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что образующая несущую конструкцию (18; 38; 48) часть изготовлена из композитного материала, содержащего волокнистый каркас, который содержит несколько наложенных друг на друга волокнистых слоев, соединенных между собой волокнами, проходящими поперечно слоям.

10. Элемент (30; 40) стенки камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, отличающийся тем, что он содержит в качестве составной части теплообменник по любому из пп. 1-8.

11. Способ изготовления теплообменника из композитного материала, отличающийся тем, что он содержит следующие этапы: изготавливают промежуточную часть из огнеупорного композитного материала, оснащенную каналами циркуляции текучей среды, изготавливают часть теплового экрана из огнеупорного композитного материала, изготавливают часть несущей конструкции из термоконструкционного композитного материала, производят сборку различных частей (с соединением) посредством припаивания, помещая промежуточную часть между частью теплового экрана и частью несущей конструкции.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что каналы циркуляции текучей среды выполняют посредством механической обработки в поверхности промежуточной части.

13. Способ по любому из пп. 11 и 12, отличающийся тем, что промежуточную часть изготавливают из композитного материала С/С.

14. Способ по любому из пп. 11-13, отличающийся тем, что на стенках каналов циркуляции текучей среды формируют непроницаемое покрытие.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что непроницаемое покрытие формируют посредством осаждения металлического слоя.

16. Способ по любому из пп. 11-15, отличающийся тем, что часть теплового экрана изготавливают из композитного материала с керамической матрицей.

17. Способ по любому из пп. 11-16, отличающийся тем, что образующую несущую конструкцию часть изготавливают из композитного материала С/С.

18. Способ по любому из пп. 11-17, отличающийся тем, что образующую несущую конструкцию часть изготавливают в виде конструкции с сотовыми заполнителями.

19. Способ по любому из пп. 11-17, отличающийся тем, что образующую несущую конструкцию часть изготавливают из композитного материала, имеющего уплотненный матрицей волокнистый каркас, причем волокнистый каркас изготавливают посредством наложения друг на друга и проработки иглопробиванием нескольких волокнистых слоев.

20. Способ по любому из пп. 11-19, отличающийся тем, что формируют металлический слой сцепления припоя на поверхностях частей, подлежащих соединению пайкой.

21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что каналы циркуляции текучей среды формируют посредством механической обработки в поверхности промежуточной части, которая перекрывается смежной поверхностью другой части, а металлический слой формируют на поверхности промежуточной части после выполнения каналов механической обработкой и на смежной поверхности таким образом, что металлический слой образует также непроницаемое покрытие стенок каналов циркуляции текучей среды.