耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统和方法

1.本发明涉及飞行器冷电联供领域，具体涉及一种耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统和方法。


背景技术：

2.在高超声速飞行器的发展中，飞行器的机身以及发动机的燃烧室在飞行过程中受到高温来流的加热作用而产生大量的气动热，壁面温度在气动加热效应下急剧升高，严重时会导致发动机壁面烧穿，对飞行器内部系统的运行产生严重影响。此外，长航时、可重复使用成为未来飞行器发展的重要技术方向，飞行器机载系统的用电需求也不断增加，这对机载供电系统的发电能力也提出更高的要求，因此需要在高超声速飞行器中发展更加高效的冷电联供技术。
3.在飞行器的冷却及发电系统中，燃料裂解气涡轮系统和闭式布雷顿循环系统是目前的主要技术。
4.燃料裂解气涡轮系统采用燃料作为工质，燃料的做功能力低于二氧化碳(co2)，在温度超过700℃后燃料容易结焦积碳，进而堵塞冷却剂通道，削弱冷却效果。同时飞行器能够携带的燃料有限，因此燃料裂解气涡轮系统难以满足飞行器的冷却及发电要求。
5.闭式布雷顿循环中工作流体均处于超临界区并利用燃料作为循环冷源，co2在近临界区具有密度大、比热容大、导热系数高等特点，将co2温度降至临界温度以下，有利于进一步减小系统的压缩功和系统体积，符合飞行器的轻量紧凑化发展。公开号为cn 108657442 a的专利说明书公开了一种飞行器及热防护系统，以二氧化碳作为流体介质，超临界二氧化碳经压缩机增压后分为两股，一股经过设于机身迎风面的第二热源管路、涡轮机、设于机身背风面的第二冷源管路、第二连接管路和压缩机组成第二回路，第二回路即为布雷顿循环发动机系统，另一股先后流经设于机头或机翼前沿的第一热源管路、设于机身背风面的第一冷源管路、第一连接管路、压缩机组成第一回路。布雷顿循环发动机系统提供增压的超临界co2，从而驱动超临界co2在热源管路(高温区)与冷源管路(低温区、常温燃料)之间循环流动，实现高温区与低温区之间热量的交换。
6.然而，由于燃料热沉有限，常温下的存储温度一般为293k，采用co2作为工质的传统回热布雷顿循环中co2存在冷却困难的问题，循环热效率难以进一步提高，系统单位质量工作流体的输出功和冷却能力较差。
7.传统回热布雷顿系统中，燃料在吸收co2布雷顿循环的热负荷后剩余热沉较少，在高温壁面中的冷却能力下降，将燃料与co2布雷顿循环实现进一步的热耦合有利于提高有限燃料热沉的利用率。


技术实现要素：

8.本发明提供了一种耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统和方法，进行主动冷却以及膨胀做功发电，采用二氧化碳与燃料耦合的方式用以对高超声速飞行器中
的高温壁面进行冷却，并利用高温热负荷进行发电，解决飞行器热防护不足和电能供给问题。
9.本发明旨在充分利用有限燃料热沉以及co2的物性变化特点，实现变布雷顿循环，提高co2布雷顿系统单位质量工作流体的供冷量和输出功。
10.一种耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，包括工质泵、预热器、回热器、壁面换热器、膨胀机、发电机、第一冷却器、第二冷却器、燃料储罐、燃料泵、燃料涡轮、第一阀门、第二阀门和第三阀门；
11.工质泵、预热器、回热器、壁面换热器、膨胀机、回热器、第一冷却器、第二冷却器依次连接构成二氧化碳循环回路；
12.燃料储罐、燃料泵、第二冷却器、第一阀门、壁面换热器、燃料涡轮依次连接构成第一燃料管路；
13.燃料储罐、燃料泵、第二冷却器、第三阀门、第一冷却器、预热器、壁面换热器、燃料涡轮依次连接构成第二燃料管路；
14.燃料储罐、燃料泵、第二阀门、第一冷却器、预热器、壁面换热器、燃料涡轮依次连接构成第三燃料管路；
15.发电机与膨胀机连接，将膨胀机的输出功转换为电能。具体的，发电机与膨胀机可根据系统的具体空间布局选择为同轴或不同轴连接。
16.本发明通过燃料储罐向系统提供低温燃料热沉用于吸收co2冷却过程的热负荷，升温后的燃料在预热器中作为co2的低温热源进行预热，随后燃料作为高温壁面的冷却剂，进入壁面换热器中吸收高温热负荷；co2通过工质泵增压后在预热器、回热器和壁面换热器中吸热升温，随后进入膨胀机中进行热功转换输出电能，膨胀机出口的co2经过回热器、第一冷却器和第二冷却器中被冷却甚至冷凝，随后进入工质泵中，完成一次工作循环；通过发电机将膨胀机的输出功转换为电能进行供给；通过第一冷却器和第二冷却器使燃料对回热器低压侧出口的co2进行冷却甚至冷凝；通过燃料涡轮(相当于燃料的膨胀机)将壁面换热器出口的燃料进行膨胀和热功转换并发电。
17.在一优选例中，壁面换热器包括以燃料作为冷却剂的流道和以二氧化碳作为冷却剂的流道，两种流道固定嵌入在需要进行冷却的高温壁面中，与需要进行冷却的装置壁面形成一体式结构。以此使得燃料在壁面流道中达到温度上限时，co2能够在壁面流道中继续吸热升温，从而适应高温壁面的冷却需求。
18.进一步的，所述高温壁面为飞行器发动机壁面和/或飞行器头部壁面。所述高温壁面在飞行过程中被高温来流加热并升温，高温壁面的热量被壁面换热器内的燃料和co2带走，高温壁面的温度降低，达到冷却的目的。
19.在一优选例中，二氧化碳在第一冷却器出口的温度高于临界温度(304k)，第二冷却器起冷凝器的作用，二氧化碳在第二冷却器中被燃料冷凝至临界温度以下，在第二冷却器出口为饱和或过冷的液态。该流程的目的一方面是使得co2在第一冷却器中与燃料的换热匹配性提高，另一方面是使co2在第二冷却器中利用有限燃料热沉实现冷凝，减少co2在工质泵中的压缩耗功。
20.在一优选例中，膨胀机采用容积式膨胀机，具体可选自活塞膨胀机或涡旋膨胀机。利用此类膨胀机运行稳定、结构紧凑、转换效率高的特点，提高飞行器冷电联供系统的功重
比。
21.在一优选例中，工质泵入口的二氧化碳为温度和压力均低于临界点(临界温度304k，临界压力7.38mpa)的状态，从而减小co2压缩功的作用，具体可选为温度为303k，压力为该温度对应的饱和压力。
22.在一优选例中，预热器的二氧化碳出口与回热器高压侧入口连接，回热器高压侧出口与壁面换热器的二氧化碳入口连接，膨胀机出口与回热器低压侧入口连接，回热器低压侧出口与第一冷却器的二氧化碳入口连接；
23.在回热器中，来自膨胀机出口的回热器低压侧二氧化碳热量输入至来自预热器的回热器高压侧二氧化碳中。
24.在一优选例中，燃料泵用于将来自燃料储罐的燃料增压至临界点压力以上后排出。
25.在一优选例中，co2与燃料在第一冷却器中的流量比取2.76，提升co2与燃料在第一冷却器中的换热匹配性；co2与燃料在第二冷却器中的流量比取0.16，可使存储温度为293k的燃料满足co2的冷凝要求。
26.在一优选例中，第一冷却器中的燃料吸收二氧化碳的热负荷后温度升高，随后在预热器中将部分热量输入至预热器内的二氧化碳中，降低燃料进入壁面换热器的温度，提高co2的做功能力和循环热效率。本发明研究发现，预热器的设置以及预热器中燃料和二氧化碳换热的进行，虽对总热量影响不大，但能显著提高系统整体做功，二氧化碳温度更高，系统输出功率会更高。
27.本发明还提供了一种耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电方法，采用所述的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统；
28.燃料储罐的燃料温度低于二氧化碳冷凝温度5k以上时，执行方法一；否则，执行方法二；
29.方法一：
30.开启第一阀门、第二阀门，关闭第三阀门，第二冷却器起冷凝器的作用；采用二氧化碳为工作介质；二氧化碳在工质泵的入口为温度和压力均低于临界点(临界温度304k，临界压力7.38mpa)的状态，经工质泵增压后进入预热器；预热器的二氧化碳出口与回热器高压侧入口连接，回热器高压侧出口与壁面换热器的二氧化碳入口连接；二氧化碳作为高温壁面的冷却剂，在壁面换热器中吸收高温壁面的热负荷；壁面换热器的二氧化碳出口与膨胀机入口连接，膨胀机用于将二氧化碳进行热功转换；膨胀机出口与回热器低压侧入口连接，回热器用于将来自膨胀机出口的回热器低压侧二氧化碳热量输入至来自预热器的回热器高压侧二氧化碳中；回热器低压侧出口与第一冷却器、第二冷却器的二氧化碳入口依次连接；燃料泵用于将来自燃料储罐的燃料增压至临界压力以上后排出；燃料在燃料泵出口处分流，分别与第一冷却器和第二冷却器的燃料入口连接，第一冷却器和第二冷却器分别用于将来自回热器低压侧出口的二氧化碳进行冷却和冷凝；第二冷却器中的二氧化碳通过与燃料的耦合被完全冷凝，最后进入工质泵中；第一冷却器中的燃料吸收二氧化碳的热负荷后温度升高，随后进入预热器中将部分热量输入至预热器内的二氧化碳中；预热器燃料出口的燃料与第二冷却器燃料出口的燃料混合后进入壁面换热器中，吸热升温后进入燃料涡轮中进行热功转换；
31.方法二：
32.开启第三阀门，关闭第一阀门、第二阀门；采用二氧化碳为工作介质；二氧化碳在工质泵的入口为温度高于临界温度、压力低于临界压力的状态，经工质泵增压后进入预热器；预热器的二氧化碳出口与回热器高压侧入口连接，回热器高压侧出口与壁面换热器的二氧化碳入口连接；二氧化碳作为高温壁面的冷却剂，在壁面换热器中吸收高温壁面的热负荷；壁面换热器的二氧化碳出口与膨胀机入口连接，膨胀机用于将二氧化碳进行热功转换；膨胀机出口与回热器低压侧入口连接，回热器用于将来自膨胀机出口的回热器低压侧二氧化碳热量输入至来自预热器的回热器高压侧二氧化碳中；回热器低压侧出口与第一冷却器、第二冷却器的二氧化碳入口依次连接；燃料泵用于将来自燃料储罐的燃料增压至临界压力以上后排出；燃料在燃料泵出口处不分流，依次与第二冷却器、第一冷却器的燃料入口连接，第一冷却器和第二冷却器均用于将来自回热器低压侧出口的二氧化碳进行冷却；第二冷却器中的二氧化碳通过与燃料的耦合被冷却，最后进入工质泵中；第一冷却器中的燃料吸收二氧化碳的热负荷后温度升高，随后进入预热器中将部分热量输入至预热器内的二氧化碳中；预热器燃料出口的燃料进入壁面换热器中，吸热升温后进入燃料涡轮中进行热功转换。
33.本发明与现有技术相比，有益效果有：
34.1、本发明提出了一种耦合燃料热沉的co2变布雷顿冷却及发电系统和方法，采用co2变布雷顿循环在飞行器中进行壁面冷却和供电，解决目前燃料裂解气涡轮系统由于燃料热沉有限所导致的冷却困难问题，缓解燃料在高温壁面的冷却中容易结焦积碳的问题。
35.2、本发明所提出的一种耦合燃料热沉的co2变布雷顿冷却及发电系统和方法，采用燃料分流的方式将变布雷顿循环中的co2温度进一步降低，实现跨临界的压缩过程，相比传统回热布雷顿循环减少了压缩功，冷却过程的换热匹配性得到改善。
36.3、本发明所提出的一种耦合燃料热沉的co2变布雷顿冷却及发电系统和方法，通过增加燃料与co2在预热器中的耦合，提高了co2在膨胀机中的做功能力，提高了燃料在燃烧室壁面中的可用热沉。
37.4、本发明所提出的一种耦合燃料热沉的co2变布雷顿冷却及发电系统和方法，同时采用co2和燃料作为高温壁面的冷却剂，由于co2不易出现结焦积碳的问题，因此相比燃料裂解气涡轮系统能够适应更高的壁面温度，从而适合工作于更宽范围马赫数工况的飞行器。
38.5、本发明所提出的一种耦合燃料热沉的co2变布雷顿冷却及发电系统，通过燃料的分流以及燃料与co2的耦合，系统单位质量工作流体输出功相比传统回热布雷顿系统提高了24.2～72.0％。
附图说明
39.图1为本发明所提出的耦合燃料热沉的co2变布雷顿冷却及发电系统及其工作流程示意图；
40.图2为本发明所提出的耦合燃料热沉的co2变布雷顿冷却及发电系统中co2与燃料在不同壁面温度下的温度及相应单位质量流量输出功变化图。
41.图3为实施例1的co2变布雷顿冷却及发电系统单位质量工作流体输出功随高温壁
面温度的变化图。
42.图4为实施例2的co2变布雷顿冷却及发电系统在燃料存储温度升高后的单位质量工作流体输出功随高温壁面温度的变化图。
具体实施方式
43.下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
44.co2的临界温度约为304k，临界压力约为7.38mpa。co2临界点以下的密度和比热容较高，将co2在冷却过程的终温降低能够减少压缩过程耗功，并提高co2在高压侧的冷却能力。传统回热布雷顿系统以燃料作为循环冷源时难以将co2温度降低至临界温度以下，存在冷凝困难的问题，本发明通过耦合燃料分流方式克服了该问题。
45.实施例1
46.采用本发明的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，用于超燃冲压发动机的燃烧室壁面或高超声速飞行器的头部壁面，采用常温存储于293k的燃料作为循环冷源，燃料具备将co2冷凝至临界温度以下的条件。由于燃料吸热生成裂解气所含组分较多，其流动和热力学特性的计算复杂，一般采用正癸烷代替，因此本实施例中以正癸烷代替燃料进行分析。
47.燃料存储温度与co2的冷凝温度存在较大换热温差，第二冷却器8起到冷凝器的作用，燃料在第二冷却器8中将co2的出口温度冷凝至低于冷凝温度的过冷状态。
48.开启第一阀门12、第二阀门13，关闭第三阀门14，采用如图1所示的燃料分流方式对co2分别进行冷却和冷凝，当co2在第一冷却器7中温度降低后，进入第二冷却器8中被进一步降温至临界点以下，实现变布雷顿循环。
49.本实施例的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，如图1所示，包括工质泵1、预热器2、回热器3、壁面换热器4、膨胀机5、发电机6、第一冷却器7、第二冷却器8、燃料储罐9、燃料泵10、燃料涡轮11、第一阀门12、第二阀门13和第三阀门14。
50.工质泵1、预热器2、回热器3、壁面换热器4、膨胀机5、回热器3、第一冷却器7、第二冷却器8依次连接构成二氧化碳循环回路。具体的，预热器2的二氧化碳出口与回热器3高压侧入口连接，回热器3高压侧出口与壁面换热器4的二氧化碳入口连接，膨胀机5出口与回热器3低压侧入口连接，回热器3低压侧出口与第一冷却器7的二氧化碳入口连接。在回热器3中，来自膨胀机5出口的回热器3低压侧二氧化碳热量输入至来自预热器2的回热器3高压侧二氧化碳中。
51.燃料储罐9、燃料泵10、第二冷却器8、第一阀门12、壁面换热器4、燃料涡轮11依次连接构成第一燃料管路。
52.燃料储罐9、燃料泵10、第二阀门13、第一冷却器7、预热器2、壁面换热器4、燃料涡轮11依次连接构成第三燃料管路。
53.发电机6与膨胀机5可根据系统的具体空间布局选择为同轴或不同轴连接，将膨胀机5的输出功转换为电能。
54.在二氧化碳循环回路中，二氧化碳在工质泵1的入口为温度和压力均低于临界点的状态，经工质泵1增压后进入预热器2，与预热器2内的燃料换热升温后进入回热器3高压
侧入口，与回热器3内低压侧的二氧化碳热交换升温后作为冷却剂进入壁面换热器4中吸收高温壁面的热负荷，壁面换热器4流出的二氧化碳是高温高压的状态，经膨胀机5降压后变为高温低压的状态，然后进入回热器3的低压侧用于加热回热器3高压侧的二氧化碳，从回热器3的低压侧流出后进入第一冷却器7，在第一冷却器7内与增压至临界压力以上的燃料热交换降温后进入第二冷却器8，在第二冷却器8内进一步与增压至临界压力以上的燃料热交换降温后变为温度和压力均低于临界点的状态，回到工质泵1，进行下一轮循环。
55.在第一燃料管路中，来自燃料储罐9的燃料经燃料泵10增压至临界压力以上后进入第二冷却器8中，与第二冷却器8内的二氧化碳热交换升温后作为冷却剂进入壁面换热器4中吸收高温壁面的热负荷，最后进入燃料涡轮11中进行热功转换输出电能。
56.在第三燃料管路中，来自燃料储罐9的燃料经燃料泵10增压至临界压力以上后进入第一冷却器7中，与第一冷却器7内的二氧化碳热交换升温后进入预热器2，与预热器2内的二氧化碳热交换降温后与第二冷却器8流出的燃料混合一起作为冷却剂进入壁面换热器4中吸收高温壁面的热负荷，最后进入燃料涡轮11中进行热功转换输出电能。
57.本实施例的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统的工作流程：
58.采用二氧化碳为工作介质；二氧化碳在工质泵1入口的温度和压力均低于临界点，经工质泵1增压后进入预热器2；预热器2的二氧化碳出口与回热器3高压侧入口连接，回热器3高压侧出口与壁面换热器4的二氧化碳入口连接；二氧化碳作为高温壁面的冷却剂，在壁面换热器4中吸收高温壁面的热负荷；即，co2由工质泵1出口排出后依次进入预热器2、回热器3和壁面换热器4中吸热升温，达到高温高压的超临界状态，随后从壁面换热器4的二氧化碳出口流出，进入膨胀机5中进行膨胀做功，膨胀机5用于将二氧化碳进行热功转换；膨胀机5出口与回热器3低压侧入口连接，co2经膨胀机5出口排出后进入回热器3中将高温co2的热量重新传递至温度较低的co2中，即回热器3用于将来自膨胀机5出口的回热器3低压侧二氧化碳热量输入至来自预热器2的回热器3高压侧二氧化碳中；回热器3低压侧出口与第一冷却器7、第二冷却器8的二氧化碳入口依次连接，co2在回热器3出口温度降低后进入第一冷却器7中，被燃料冷却后进入第二冷却器8中并进一步冷凝至临界温度以下；燃料泵10用于将来自燃料储罐9的燃料增压至临界压力以上后排出；燃料在燃料泵10出口处分流，分别与第一冷却器7和第二冷却器8的燃料入口连接，一部分燃料进入第一冷却器7中，另一部分燃料进入第二冷却器8中，分别对co2进行降温；第一冷却器7和第二冷却器8分别用于将来自回热器3低压侧出口的二氧化碳进行冷却和冷凝；第二冷却器8中的二氧化碳通过与燃料的耦合被完全冷凝，最后进入工质泵1中；第一冷却器7中的燃料吸收二氧化碳的热负荷后温度升高，随后进入预热器2中将部分热量输入至预热器2内的二氧化碳中；预热器2燃料出口的燃料与第二冷却器8燃料出口的燃料混合后进入壁面换热器4中，吸热升温后进入燃料涡轮11中进行热功转换输出电能。
59.壁面换热器4包括以燃料作为冷却剂的流道和以二氧化碳作为冷却剂的流道，两种流道固定嵌入在需要进行冷却的高温壁面中，与需要进行冷却的装置壁面形成一体式结构。
60.所述高温壁面为飞行器发动机壁面和/或飞行器头部壁面。在飞行过程中，高温壁面的热量通过壁面换热器4中的流道被燃料和co2带走，壁面温度降低，从而达到冷却的目的。
61.二氧化碳在第一冷却器7出口的温度高于临界温度，在第二冷却器8中被燃料冷凝至临界温度以下，在第二冷却器8出口为饱和或过冷的液态。
62.膨胀机5可采用容积式膨胀机，具体可选自活塞膨胀机或涡旋膨胀机。
63.本实施例中，co2与燃料在第一冷却器7中的流量比取2.76，提升co2与燃料在第一冷却器7中的换热匹配性；co2与燃料在第二冷却器8中的流量比取0.16，可使存储温度为293k的燃料满足co2的冷凝要求。
64.如图2所示，由于co2不易受到温度较高所导致的结焦积碳问题，避免了采用燃料作为单一冷却剂时无法适应较高壁面温度的问题，因此co2温度随着高温壁面温度的增加而不断增加。同时，co2在变布雷顿系统中的输出功相比于燃料也有显著提高。
65.如图3所示，实施例1所提出的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，通过燃料的分流以及与co2在预热器2中的耦合，其发电能力得到提高，单位质量工作流体的输出功相比于传统回热布雷顿系统提升了24.2％～72.0％。
66.实施例2
67.采用的是与实施例1类似的、如图1所示的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，与实施例1区别在于燃料储罐9的燃料温度低于二氧化碳冷凝温度但二者温差小于5k，且燃料经过燃料泵10后会有微小温升，或者燃料储罐9的燃料温度不低于二氧化碳冷凝温度，造成第二冷却器8难以起到冷凝器的作用，燃料在第二冷却器8中难以将co2的出口温度冷凝至低于冷凝温度的过冷状态，二氧化碳仍为气态。
68.关闭第一阀门12、第二阀门13，开启第三阀门14，燃料只经过由燃料储罐9、燃料泵10、第二冷却器8、第三阀门14、第一冷却器7、预热器2、壁面换热器4、燃料涡轮11依次连接构成的第二燃料管路。
69.燃料在燃料储罐9内的存储温度与co2的冷凝温度无法保持5k以上的换热温差，采用实施例1燃料分流的方式难以将co2冷凝，此时实施例2关闭第一阀门12、第二阀门13，开启第三阀门14。燃料从燃料储罐9中经燃料泵10排出后直接进入第二冷却器8和第一冷却器7中，将co2由回热器3低压侧出口的温度冷却至温度高于临界温度、压力低于临界压力的状态。燃料在第二冷却器8和第一冷却器7中吸收co2热负荷后温度升高，随后进入预热器2中将部分热量重新输入至co2中。其余流程与实施例1类似。
70.如图4所示，实施例2燃料存储温度为303k，co2的压缩功增大，实施例2所提出的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，相比于传统回热布雷顿系统仍然提升了8.8％～18.9％。
71.此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。

技术特征：
1.一种耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，其特征在于，包括工质泵(1)、预热器(2)、回热器(3)、壁面换热器(4)、膨胀机(5)、发电机(6)、第一冷却器(7)、第二冷却器(8)、燃料储罐(9)、燃料泵(10)、燃料涡轮(11)、第一阀门(12)、第二阀门(13)和第三阀门(14)；工质泵(1)、预热器(2)、回热器(3)、壁面换热器(4)、膨胀机(5)、回热器(3)、第一冷却器(7)、第二冷却器(8)依次连接构成二氧化碳循环回路；燃料储罐(9)、燃料泵(10)、第二冷却器(8)、第一阀门(12)、壁面换热器(4)、燃料涡轮(11)依次连接构成第一燃料管路；燃料储罐(9)、燃料泵(10)、第二冷却器(8)、第三阀门(14)、第一冷却器(7)、预热器(2)、壁面换热器(4)、燃料涡轮(11)依次连接构成第二燃料管路；燃料储罐(9)、燃料泵(10)、第二阀门(13)、第一冷却器(7)、预热器(2)、壁面换热器(4)、燃料涡轮(11)依次连接构成第三燃料管路；发电机(6)与膨胀机(5)连接，将膨胀机(5)的输出功转换为电能。2.根据权利要求1所述的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，其特征在于，壁面换热器(4)包括以燃料作为冷却剂的流道和以二氧化碳作为冷却剂的流道，两种流道固定嵌入在需要进行冷却的高温壁面中，与需要进行冷却的装置壁面形成一体式结构。3.根据权利要求2所述的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，其特征在于，所述高温壁面为飞行器发动机壁面和/或飞行器头部壁面。4.根据权利要求1所述的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，其特征在于，二氧化碳在第一冷却器(7)出口的温度高于临界温度，第二冷却器(8)起冷凝器的作用，二氧化碳在第二冷却器(8)中被燃料冷凝至临界温度以下，在第二冷却器(8)出口为饱和或过冷的液态。5.根据权利要求1所述的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，其特征在于，膨胀机(5)采用容积式膨胀机，选自活塞膨胀机或涡旋膨胀机。6.根据权利要求1所述的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，其特征在于，工质泵(1)入口的二氧化碳为温度和压力均低于临界点的状态。7.根据权利要求1所述的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，其特征在于，预热器(2)的二氧化碳出口与回热器(3)高压侧入口连接，回热器(3)高压侧出口与壁面换热器(4)的二氧化碳入口连接，膨胀机(5)出口与回热器(3)低压侧入口连接，回热器(3)低压侧出口与第一冷却器(7)的二氧化碳入口连接；在回热器(3)中，来自膨胀机(5)出口的回热器(3)低压侧二氧化碳热量输入至来自预热器(2)的回热器(3)高压侧二氧化碳中。8.根据权利要求1所述的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，其特征在于，燃料泵(10)用于将来自燃料储罐(9)的燃料增压至临界点压力以上后排出。9.根据权利要求1所述的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统，其特征在于，第一冷却器(7)中的燃料吸收二氧化碳的热负荷后温度升高，随后在预热器(2)中将部分热量输入至预热器(2)内的二氧化碳中。10.一种耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电方法，其特征在于，采用权利要
求1所述的耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统；燃料储罐(9)的燃料温度低于二氧化碳冷凝温度5k以上时，执行方法一；否则，执行方法二；方法一：开启第一阀门(12)、第二阀门(13)，关闭第三阀门(14)，第二冷却器(8)起冷凝器的作用；采用二氧化碳为工作介质；二氧化碳在工质泵(1)的入口为温度和压力均低于临界点的状态，经工质泵(1)增压后进入预热器(2)；预热器(2)的二氧化碳出口与回热器(3)高压侧入口连接，回热器(3)高压侧出口与壁面换热器(4)的二氧化碳入口连接；二氧化碳作为高温壁面的冷却剂，在壁面换热器(4)中吸收高温壁面的热负荷；壁面换热器(4)的二氧化碳出口与膨胀机(5)入口连接，膨胀机(5)用于将二氧化碳进行热功转换；膨胀机(5)出口与回热器(3)低压侧入口连接，回热器(3)用于将来自膨胀机(5)出口的回热器(3)低压侧二氧化碳热量输入至来自预热器(2)的回热器(3)高压侧二氧化碳中；回热器(3)低压侧出口与第一冷却器(7)、第二冷却器(8)的二氧化碳入口依次连接；燃料泵(10)用于将来自燃料储罐(9)的燃料增压至临界压力以上后排出；燃料在燃料泵(10)出口处分流，分别与第一冷却器(7)和第二冷却器(8)的燃料入口连接，第一冷却器(7)和第二冷却器(8)分别用于将来自回热器(3)低压侧出口的二氧化碳进行冷却和冷凝；第二冷却器(8)中的二氧化碳通过与燃料的耦合被完全冷凝，最后进入工质泵(1)中；第一冷却器(7)中的燃料吸收二氧化碳的热负荷后温度升高，随后进入预热器(2)中将部分热量输入至预热器(2)内的二氧化碳中；预热器(2)燃料出口的燃料与第二冷却器(8)燃料出口的燃料混合后进入壁面换热器(4)中，吸热升温后进入燃料涡轮(11)中进行热功转换；方法二：开启第三阀门(14)，关闭第一阀门(12)、第二阀门(13)；采用二氧化碳为工作介质；二氧化碳在工质泵(1)的入口为温度高于临界温度、压力低于临界压力的状态，经工质泵(1)增压后进入预热器(2)；预热器(2)的二氧化碳出口与回热器(3)高压侧入口连接，回热器(3)高压侧出口与壁面换热器(4)的二氧化碳入口连接；二氧化碳作为高温壁面的冷却剂，在壁面换热器(4)中吸收高温壁面的热负荷；壁面换热器(4)的二氧化碳出口与膨胀机(5)入口连接，膨胀机(5)用于将二氧化碳进行热功转换；膨胀机(5)出口与回热器(3)低压侧入口连接，回热器(3)用于将来自膨胀机(5)出口的回热器(3)低压侧二氧化碳热量输入至来自预热器(2)的回热器(3)高压侧二氧化碳中；回热器(3)低压侧出口与第一冷却器(7)、第二冷却器(8)的二氧化碳入口依次连接；燃料泵(10)用于将来自燃料储罐(9)的燃料增压至临界压力以上后排出；燃料在燃料泵(10)出口处不分流，依次与第二冷却器(8)、第一冷却器(7)的燃料入口连接，第一冷却器(7)和第二冷却器(8)均用于将来自回热器(3)低压侧出口的二氧化碳进行冷却；第二冷却器(8)中的二氧化碳通过与燃料的耦合被冷却，最后进入工质泵(1)中；第一冷却器(7)中的燃料吸收二氧化碳的热负荷后温度升高，随后进入预热器(2)中将部分热量输入至预热器(2)内的二氧化碳中；预热器(2)燃料出口的燃料进入壁面换热器(4)中，吸热升温后进入燃料涡轮(11)中进行热功转换。

技术总结
本发明公开了一种耦合燃料热沉的二氧化碳变布雷顿冷却及发电系统和方法。系统包括工质泵、预热器、回热器、壁面换热器、膨胀机、发电机、第一冷却器、第二冷却器、燃料储罐、燃料泵、燃料涡轮、第一阀门、第二阀门和第三阀门。本发明进行主动冷却以及膨胀做功发电，采用二氧化碳与燃料耦合的方式用以对高超声速飞行器中的高温壁面进行冷却，并利用高温热负荷进行发电，解决飞行器热防护不足和电能供给问题。本发明充分利用有限燃料热沉以及CO2的物性变化特点，实现变布雷顿循环，提高CO2布雷顿系统的冷却和发电能力，且相比燃料裂解气涡轮系统，本系统可适用于更宽范围马赫数运行的飞行器。本系统可适用于更宽范围马赫数运行的飞行器。本系统可适用于更宽范围马赫数运行的飞行器。


技术研发人员：何一坚 陈齐飞 王立松 陈伟芳
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/9/12