一种热沉与闭式发电联合运行系统及联合运行方法

1.本发明涉及一种热沉与闭式发电联合运行系统及联合运行方法，属于热管理与发电技术领域。


背景技术：

2.热防护技术是发展高超音速的关键技术之一。飞行速度超过ma5的叫做高超声速飞行器，超燃冲压发动机是高超音速飞行的理想动力装置，结构简单，重量轻，具有高比冲、高速度和大推重比等特点，适宜在大气层内长时间高超音速飞行。但是由于其工作环境极其恶劣，一般在高马赫数下飞行，飞行过程中高速空气在壁面滞止产生大量的气动热，另外高超音速飞行器在超音速燃烧时产生的热量足以将任何金属熔化，机载电子元件产生的热量也需要及时的导走，所以为了保证发动机长时间安全运行，进行高超音速飞行器的热防护技术尤为关键。
3.超燃冲压发动机的热防护技术中的再生冷却技术得到广泛应用，在发动机壁面开冷却槽通道，并使用燃料作为冷却剂，燃料在冷却通道内对发动机室壁进行对流冷却，同时燃料也得到预热，但传统再生冷却技术面临的问题是燃料裂解结焦，阻塞冷却通道使冷却失效从而导致发动机烧毁。现有技术中为了解决燃料裂解结焦的问题，出现了一种基于液态金属的冷却方案，但是这种冷却方案全程仅采用一个换热器对液态金属及燃料进行换热，当发动机温度过高时，仅采用一个换热器会导致换热效果不好，燃料作为间接冷却剂的吸热量过高，降低了系统的总热沉，同时也导致了热量的浪费。


技术实现要素：

4.本发明是为了解决现有的基于液态金属的冷却方案存在的热量浪费的问题，进而提供了一种热沉与闭式发电联合运行系统及联合运行方法。
5.本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
6.一种热沉与闭式发电联合运行系统，包括燃料罐、燃料电动泵、冷却器、高温换热器、闭式循环发电装置、液态金属电磁泵及壁面冷却通道，其中所述燃料电动泵通过管路连接至燃料罐出口与冷却器冷侧入口端之间，冷却器冷侧出口端通过管路连接至发动机的喷射器，液态金属电磁泵、壁面冷却通道及高温换热器热侧之间通过管路依次连接形成回路，冷却器热侧及高温换热器的冷侧分别通过管路与闭式循环发电装置连接。
7.进一步地，液态金属电磁泵的出口与发动机壁面冷却通道入口之间通过管路连接设置有电子元件冷却通道及蒙皮冷却通道。
8.进一步地，所述闭式循环发电装置包括压气机、涡轮及发电机，其中冷却器的热侧出口端与压气机相连，压气机的出口端与高温换热器的冷侧入口相连，高温换热器的冷侧出口与涡轮入口相连，涡轮出口与冷却器的热侧入口相连，涡轮、压气机与发电机同轴布置。
9.进一步地，闭式循环发电装置中的循环工质为氦气或二氧化碳。
10.进一步地，液态金属为钠钾合金或镓铟合金。
11.一种采用上述系统的联合运行方法，燃料罐中的低温燃料通过燃料电动泵输送至冷却器的冷侧，液态金属经液态金属电磁泵输送至冷却通道内，在冷却通道中吸收热量后升温，升温后的液态金属通过高温换热器将携带的热量转移至闭式循环发电装置，闭式循环发电装置将部分热量转化为电能，其余热量通过冷却器转移至低温燃料，吸热后的燃料通入燃烧室中进行燃烧。
12.本发明与现有技术相比具有以下效果：
13.本技术中使用液态金属代替燃料作为冷却剂，避免了碳氢燃料结焦阻塞冷却通道的风险，达到了飞行器整机冷却的效果。液态金属系统利用液态金属优秀的换热能力达到及时将热量转移的效果。闭式循环发电系统利用对外做功的方式将热能转化为电能供机上使用，减少向燃料的传热量，提高了燃料热沉。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本技术的系统示意图。
16.图中：1、燃料罐；2、燃料电动泵；3、冷却器；4、高温换热器；5、闭式循环发电装置；6、液态金属电磁泵；7、壁面冷却通道；8、进气道；9、喷射器；10、燃烧室；11、尾喷管。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.在本发明的描述中，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
19.具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，一种热沉与闭式发电联合运行系统，包括燃料罐1、燃料电动泵2、冷却器3、高温换热器4、闭式循环发电装置5、液态金属电磁泵6及壁面冷却通道7，其中所述燃料电动泵2通过管路连接至燃料罐1出口与冷却器3冷侧入口端之间，冷却器3冷侧出口端通过管路连接至发动机的喷射器9，液态金属电磁泵6、壁面冷却通道7及高温换热器4热侧之间通过管路依次连接形成回路，冷却器3热侧及高温换热器4的冷侧分别通过管路与闭式循环发电装置5连接。液态金属电磁泵6、壁面冷却通道7及高温换热器4热侧之间通过管路依次连接形成回路，即液态金属冷却回路。
20.冷却器3热侧及高温换热器4的冷侧分别通过管路与闭式循环发电装置5连接，构成闭式循环发电系统。
21.液态金属是指使用一种区别于空气和燃料的第三种流体作为冷却剂代替燃料。本技术中使用液态金属，充分利用液态金属优秀的换热能力，将机上产生热量及时导走，保证飞行器处于安全的工作状态。液态金属相比于闭式循环发电系统的工质换热性能更优，有助于提高机体运行安全裕度，本技术将液态金属结合闭式循环可以将热量转化为电能，同时减少燃料作为间接冷却剂的吸热量，提高了系统的总热沉。
22.发动机包括依次布置的进气道8、喷射器9、燃烧室10及尾喷管11。换热后的燃料通过喷射器9进入燃烧室10，与经过进气道8压缩的空气掺混燃烧，通过尾喷管11膨胀产生推力。发动机的具体结构为现有技术，此处不再赘述。
23.通过本技术的系统，能够避免燃料结焦堵塞壁面冷却通道7，达到飞行器整机冷却效果，并为飞行器提供充足的电能。
24.空气经进气道8激波压缩后在燃烧室10内与燃料掺混燃烧释热，由于超燃冲压发动机工作在高马赫数下，其燃烧室10温度很高，液态金属在壁面冷却通道7中吸收热量冷却发动机，保证燃烧室10的壁面不超温；液态金属作为热量转移的中间工质，在冷却通道内吸热升温后，通过高温换热器4将热量传递给闭式循环发电系统的工质，放热降温后的液体金属通过液态金属电磁泵6循环进入壁面冷却通道7继续吸热，构成液态金属的闭环流路；
25.高温液态金属通过高温换热器4将携带的热量转移至闭式循环发电系统，之后闭式循环发电系统将部分热量转化为电能，产生的电能足够满足燃料电动泵2、液态金属电磁泵6以及其他设备的用电需求；燃料作为综合管理系统的冷源和最终热沉，闭式循环发电系统多余的热量通过冷却器3转移给低温燃料，吸热后的燃料通入燃烧室10中进行燃烧，构成热沉系统。
26.本技术中使用液态金属代替燃料作为冷却剂，避免了碳氢燃料结焦阻塞冷却通道的风险，达到了飞行器整机冷却的效果。液态金属系统利用液态金属优秀的换热能力达到及时将热量转移的效果。闭式循环发电系统利用对外做功的方式将热能转化为电能供机上使用，减少向燃料的传热量，提高了燃料热沉。
27.液态金属电磁泵6的出口与发动机壁面冷却通道7入口之间通过管路连接设置有电子元件冷却通道及蒙皮冷却通道。如此设计，实现了电子元件冷却、飞行器蒙皮冷却及发动机燃烧室10壁面冷却的整机冷却目的。
28.所述闭式循环发电装置5包括压气机、涡轮及发电机，其中冷却器3的热侧出口端与压气机相连，压气机的出口端与高温换热器4的冷侧入口相连，高温换热器4的冷侧出口与涡轮入口相连，涡轮出口与冷却器3的热侧入口相连，涡轮、压气机与发电机同轴布置。如此设计，形成闭式布雷顿循环发电系统。
29.闭式循环发电装置5中的循环工质为氦气或二氧化碳。
30.液态金属为钠钾合金或镓铟合金。
31.一种采用上述系统的联合运行方法，燃料罐1中的低温燃料通过燃料电动泵2输送至冷却器3的冷侧，液态金属经液态金属电磁泵6输送至冷却通道内，在冷却通道中吸收热量后升温，升温后的液态金属通过高温换热器4将携带的热量转移至闭式循环发电装置5，闭式循环发电装置5将部分热量转化为电能，其余热量通过冷却器3转移至低温燃料，吸热后的燃料通入燃烧室10中进行燃烧。
32.以上对本发明所提供的技术方案，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本
发明的结构及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种热沉与闭式发电联合运行系统，其特征在于：包括燃料罐(1)、燃料电动泵(2)、冷却器(3)、高温换热器(4)、闭式循环发电装置(5)、液态金属电磁泵(6)及壁面冷却通道(7)，其中所述燃料电动泵(2)通过管路连接至燃料罐(1)出口与冷却器(3)冷侧入口端之间，冷却器(3)冷侧出口端通过管路连接至发动机的喷射器(9)，液态金属电磁泵(6)、壁面冷却通道(7)及高温换热器(4)热侧之间通过管路依次连接形成回路，冷却器(3)热侧及高温换热器(4)的冷侧分别通过管路与闭式循环发电装置(5)连接。2.根据权利要求1所述的一种热沉与闭式发电联合运行系统，其特征在于：液态金属电磁泵(6)的出口与发动机壁面冷却通道(7)入口之间通过管路连接设置有电子元件冷却通道及蒙皮冷却通道。3.根据权利要求1或2所述的一种热沉与闭式发电联合运行系统，其特征在于：所述闭式循环发电装置(5)包括压气机、涡轮及发电机，其中冷却器(3)的热侧出口端与压气机相连，压气机的出口端与高温换热器(4)的冷侧入口相连，高温换热器(4)的冷侧出口与涡轮入口相连，涡轮出口与冷却器(3)的热侧入口相连，涡轮、压气机与发电机同轴布置。4.根据权利要求3所述的一种热沉与闭式发电联合运行系统，其特征在于：闭式循环发电装置(5)中的循环工质为氦气或二氧化碳。5.根据权利要求1所述的一种热沉与闭式发电联合运行系统，其特征在于：液态金属为钠钾合金或镓铟合金。6.一种采用上述权利要求1～5中任一权利要求所述系统的联合运行方法，其特征在于：燃料罐(1)中的低温燃料通过燃料电动泵(2)输送至冷却器(3)的冷侧，液态金属经液态金属电磁泵(6)输送至冷却通道内，在冷却通道中吸收热量后升温，升温后的液态金属通过高温换热器(4)将携带的热量转移至闭式循环发电装置(5)，闭式循环发电装置(5)将部分热量转化为电能，其余热量通过冷却器(3)转移至低温燃料，吸热后的燃料通入燃烧室(10)中进行燃烧。

技术总结
一种热沉与闭式发电联合运行系统及联合运行方法，属于热管理与发电技术领域。本发明解决了现有的基于液态金属的冷却方案存在的热量浪费的问题。包括燃料罐、燃料电动泵、冷却器、高温换热器、闭式循环发电装置、液态金属电磁泵及壁面冷却通道，其中所述燃料电动泵通过管路连接至燃料罐出口与冷却器冷侧入口端之间，冷却器冷侧出口端通过管路连接至发动机的喷射器，液态金属电磁泵、壁面冷却通道及高温换热器热侧之间通过管路依次连接形成回路，冷却器热侧及高温换热器的冷侧分别通过管路与闭式循环发电装置连接。闭式循环发电系统利用对外做功的方式将热能转化为电能供机上使用，减少向燃料的传热量，提高了燃料热沉。提高了燃料热沉。提高了燃料热沉。


技术研发人员：秦江 徐静 程昆林 王聪 刘泽宽
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.03.02
技术公布日：2023/6/26