一种吸气式高超声速飞行器高效发电装置

1.本发明涉及航空宇航能源生成技术领域，具体是一种吸气式高超声速飞行器高效发电装置，尤其涉及到一种在吸气式高超声速飞行器中利用进气道高温压缩空气与碳氢燃料发生电化学反应实现固体氧化物燃料电池发电的装置。


背景技术：

2.大功率高密度的高效能源生成与管理对于实现未来吸气式高超声速飞行器长航时、可重复使用具有重要的支撑作用。吸气式高超声速飞行器采用超燃冲压发动机为主要动力，缺乏持续运行的旋转部件进行在线发电，面临飞行时的能源供给难题；携带大功率的蓄电池装置时面临着超大峰值功率需求和能源均衡供给的矛盾。发展高效的飞行器能源在线高效生成技术是解决上述难题和矛盾的重要思路。而在传统燃气涡轮系统中，化学能先是转化为热能，再转化为机械能，最后转化为电能。
3.为了实现高效的能源生成，学者们提出了一系列发展思路。授权公告号为：cn210105994u的一种微管式固体氧化物(sofc)燃料电池的联合发电系统及装置，将固体氧化物(sofc)与微型燃气轮机集成，有效的增加电能的同时降低sofc系统的排放气体温度，但需要的集成系统复杂且利用压气机为电池阴极提供高压气体，该系统不适用于高速飞行时长续航里程。授权公开号为：cn110056429b的一种用于飞行器的固体氧化物燃料电池燃气涡轮分布式混合推进系统，采取核心分离分布式推进系统解决长航时以及高电力供应需求，考虑其使用涡轮推进装置增加了转子系统，且飞行速度仅为0.8马赫，无法满足超声速飞行器的飞行速度。由此可见，现有的基于sofc发电混合推进系统均无法有效地应用于吸气式高超声速飞行器。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中采用现有电池供电面临重量过大、超燃冲压发动机缺乏转子装置进行在线发电不足的问题，本发明提供一种吸气式高超声速飞行器高效发电装置，利用sofc无需取力的特点，将化学能经电化学反应过程直接转化为电能，不受卡诺循环的限制，从而提高了能量转化效率，不仅减少了污染物排放，而且满足高电工比且长航时在线供电飞行任务的需求，能够有效地应用于吸气式高超声速飞行器。
5.为实现上述目的，本发明提供一种吸气式高超声速飞行器高效发电装置，所述吸气式高超声速飞行器上具有依次连通的进气道、隔离段、燃烧室与尾喷管；
6.所述发电装置包括设在所述吸气式高超声速飞行器内部的重整器与sofc系统，且所述sofc系统与所述吸气式高超声速飞行器内部的电器元件电连接；
7.所述进气道的壁面上设有空气进气孔，且所述空气进气孔与所述sofc系统的氧化剂入口连通；
8.所述燃烧室的壁面上设有燃料进气孔与燃料出气孔，所述燃料进气孔与所述重整器的进气端相连，所述重整器的出气端与所述sofc系统的燃料入口连通，所述sofc系统的
产物出口与所述燃料出气孔连通。
9.在其中一个实施例，所述燃烧室内具有凹腔，所述燃料进气孔设在所述凹腔的前缘壁面或侧壁面上，所述燃料出气孔设在所述凹腔的前缘壁面或燃烧室壁面上对应凹腔上游的位置。
10.在其中一个实施例，所述燃料进气孔与所述重整器的进气端通过换热器相连；
11.所述换热器与所述燃烧室的燃料喷注管路接触相连，以进行热交换实现对所述换热器内燃料气体的冷却。
12.在其中一个实施例，所述sofc系统由若干sofc电池单体串联而成。
13.在其中一个实施例，还包括空气进气总管、燃料进气总管与燃料排气总管；
14.所述空气进气总管的一端与所述空气进气孔连通，另一端分别通过空气进气支管与各所述sofc电池单体的氧化剂入口连通；
15.所述燃料进气总管的一端与所述重整器的出气端连通，另一端分别通过燃料进气支管与各所述sofc电池单体的燃料入口连通；
16.所述燃料排气总管的一端与所述燃料出气孔连通，另一端分别通过燃料排气支管与各所述sofc电池单体的产物出口连通。
17.与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：
18.1、本发明通过冲压发动机燃烧室的燃料分流供给到sofc系统提供电能，保障超声速飞行时能源的实时高效生成；
19.2、本发明中吸气式飞行器运行速度为高超声速时，飞行器进气道附面层的空气温度可达1200k，满足sofc系统阴极的运行工作温度，使得sofc系统可在飞行器内自主高效发电且无需耗费额外能源加热至电池阴极的工作介质温度；
20.3、本发明中飞行器燃烧室内的燃料温度经过再生冷却后可达到sofc系统的运行温度，为sofc系统的阳极运行工况提供了燃料，且运行结束后的sofc系统排出的气体可再次输送到冲压发动机的燃烧室，在保证sofc发电效率的情况下不影响飞行器的燃料效率；
21.4、本发明采用的吸气式高超声速飞行器发电装置，具有加装结构简单，无需旋转复杂部件和发电效率高等特点。
附图说明
22.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，下面将对实施例或现有技术描述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示出的结构获得其他的附图。
23.图1为本发明实施例中吸气式高超声速飞行器高效发电装置的整体结构图。
24.附图标号：sofc系统1、换热器2、凹腔3、进气道4、隔离段5、燃烧室6、尾喷管7、重整器8、涡轮泵9、空气进气孔10、燃料进气孔11。
25.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
26.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的一部分实施例，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在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
28.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
29.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
31.本实施例公开了一种吸气式高超声速飞行器高效发电装置，通过在吸气式高超声速飞行器上搭载sofc系统1以及重整器8，重整器8为微型重整器。利用sofc系统1无需取力的特点，将进气道4内的空气以及燃烧室6内燃料气体的化学能经电化学反应过程直接转化为电能，进而为吸气式高超声速飞行器进行高电工比且长航时在线供电飞行任务时持续供电，且不受卡诺循环的限制，提高了能量转化效率，并减少了污染物排放。
32.参考图1，吸气式高超声速飞行器上具有依次连通的进气道4、隔离段5、燃烧室6与尾喷管7，组成吸气式高超声速飞行器的发动机内流道，其中，进气道4为稳定燃烧提供进口速度，同时保证在允许范围内足够流动阻力；本实施例中，为确保燃烧室6进气段捕获满足燃烧室6所需的空气流量，进气道4一般可选二元进气道、三维侧压式进气道和轴对称进气道。隔离段5采用等截面或者扩张构型，来流气体流经进气段后连接隔离段5以避免激波串干扰；燃烧室6的位置在隔离段5之后，燃烧室6采取凹腔3结构提高燃烧效率和发动机推力；本实施例中，燃烧室6采用耐高温高压的材料，以降低燃烧室6内材料受高温的影响，避免形变带来气体通道结构变化，提高燃烧室6的使用寿命。即外部空气从进气道4进入发动机后形成高温高压的空气，随后流经隔离段5以避免激波串干扰后在燃烧室6的凹腔3与喷注的燃料掺混燃烧，最后从尾喷管7排出。
33.重整器8与sofc系统1均位于飞行器内部，且sofc系统1与飞行器内部的电器元件电连接，用于为吸气式高超声速飞行器进行高电工比且长航时在线供电飞行任务时持续供电。
34.进气道4的壁面上设有空气进气孔10，且空气进气孔10与sofc系统1的氧化剂入口连通，使得进气道4的附面层气体通过空气进气孔10流入sofc系统1的氧化剂入口以及阴极层，由于吸气式飞行器运行速度为高超声速时，进气道4附面层内的空气温度可超过1200k，
满足sofc系统1阴极的运行工作温度，使得sofc系统1可在飞行器内自主高效发电且无需耗费额外能源加热至电池阴极的工作介质温度。
35.超声速燃烧室6的壁面上设有燃料进气孔11，燃料进气孔11设在凹腔3的前缘壁面或侧壁面上，燃料进气孔11与重整器8的进气端通过管路相连，且燃料进气孔11与重整器8的进气端之间的管路上设置有涡轮泵9，以用于将燃烧室6内的气体抽至重整器8。重整器8的出气端与sofc系统1的燃料入口连通，其中，燃料进气孔11与重整器8的进气端通过换热器2对燃料进行降温，换热器2的通道与燃烧室6的燃料喷注管路接触相连，以进行热交换实现对换热器2内燃料气体的冷却，涡轮泵9位于换热器2后方的管路上。通过换热器2即可将燃烧室6内燃料气体温度由1500℃以上度冷却至sofc系统1阳极运行所需的600-1000℃，同时还能对燃烧室6的燃料喷注管路中的燃料进行预热。其过程为：燃烧室6内的燃料气体(包括气化煤油、co、h2、co2等)经由燃料进气孔11进入换热器2经过热交换后降低至600-1000℃后进入重整器8，经重整器8进行重整反应后输出甲烷和/或氢气后输至sofc系统1的阳极层。
36.超声速燃烧室6的壁面上还设置有燃料出气孔12。燃料出气孔12设在隔离段5或燃烧室6的壁面或凹腔3的前缘壁面上，sofc系统1的产物出口与燃料出气孔12连通，使得经sofc系统1电化学反应后排出的燃料气体通过燃料出气孔12以及圆形喷孔或者阵列结构的喷注器再次传输到凹腔3前侧再次回流到燃烧室6系统中，在不浪费燃料的前提下提高吸气式高超声速飞行器的发电效率，同时也在保证sofc发电效率的情况下不影响飞行器的燃料效率。作为优选地实施方式，也可直接将燃料出气孔12与燃烧室6的燃料喷注口合二为一，即将经sofc系统1电化学反应后排出的燃料气体与燃烧室6的燃料经由同一喷注器喷注至燃烧室6内。
37.综上所述，本实施例中的发电装置通过利用飞行器发动机的燃烧室6提供高温燃料，将燃料温度通过换热器2降低至燃料电池阳极层的所需工作温度，在工作温度范围内燃烧室6的燃料气体通过重整器8将其转换为燃料电池阳极所需气体；同时抽取进气道4边界层的高压空气通过燃料电池阴极，通过控制系统将管道内的空气调节至sofc系统1的阴极层所需流量，sofc系统1运行后为吸气式高超声速发动机提供电能，不仅结构简单、发电效率高，而且首次将sofc系统1和冲压发动机耦合为吸气式高超声速飞行器提供电能。
38.本实施例中，sofc系统1由若干sofc电池单体串联而成，其中，sofc电池单体为平板式sofc或管式sofc。在具体实施过程中，sofc系统1通过多个电池堆组合而成，每个电池堆之间用连接体串联而成，选用20个平板式固体氧化物燃料电池为一个电池堆，为供应吸气式飞行器的辅助工作电能50-80kw，需要大约5600-9000个电池堆。进一步具体地，平板式sofc的氧化剂入口和氧化剂出口分别设置在其左侧和右侧，燃料入口和产物出口分别设置在其上侧和下侧，且氧化剂入口和氧化剂出口沿左右方向在平板式sofc上对称分布，燃料入口和产物出口沿上下方向在平板式sofc上对称分布，进而有利于sofc的进排气过程静压处于对称分布。
39.在具体实施过程中，发电装置还包括空气进气总管、燃料进气总管与燃料排气总管。具体地，空气进气总管的一端与空气进气孔10连通，另一端分别通过空气进气支管与各sofc电池单体的氧化剂入口连通；燃料进气总管的一端与重整器8的出气端连通，另一端分别通过燃料进气支管与各sofc电池单体的燃料入口连通；燃料排气总管的一端与燃料出气
孔12连通，另一端分别通过燃料排气支管与各sofc电池单体的产物出口连通。即：
40.压发动机的进气道4的附面层气体通过空气进气孔10流入空气进气总管，进而通过各空气进气支管到达单个燃料电池阴极层的氧化剂入口，从与氧化剂入口对称位置的氧化剂出口排出，有利于sofc的排气过程静压处于对称分布；燃烧室6内的燃料气体经由燃料进气孔11进入换热器2，经过热交换后降低至600-1000℃后进入重整器8，经重整器8进行重整反应后将甲烷和/或氢气输至燃料进气总管，进而通过各燃料进气支管到达单个燃料电池阳极层的燃料入口，平板式sofc发生电化学反应后排出的燃料气体通过各燃料排气支管到达燃料排气总管，最后通过燃料排气孔传输到凹腔3前侧再次回流到燃烧室6系统中，在不浪费燃料的前提下提高吸气式高超声速飞行器的发电效率。
41.在具体实施过程中，平板式sofc可以电解质支撑型、阴极支撑型或阳极支撑型，本实施例中选用阳极支撑型sofc。为确保平板式sofc的运行工作稳定，能够经受住突然的功率改变和高温高压环境下各种热冲击，需要其材料的机械强度大，例如可采用氧化钇稳定氧化锆(ysz)作电解质，锰锶酸镧作阴极和镍/氧化锆金属陶瓷(ni/ysz)作阳极，有利于提高电池的放电稳定性和增加电池的输出功率密度。
42.需要注意的是，平板式sofc的电池堆的工作环境较为恶劣，因此连接体采用柔性衔接件利于单个电池之间连接和密封，同时采用工字肋结构提高机械强度保证在高温环境下结构稳定，其中，肋部材料需要抗氧化性能强且耐压性能好。
43.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种吸气式高超声速飞行器高效发电装置，所述吸气式高超声速飞行器上具有依次连通的进气道、隔离段、燃烧室与尾喷管；其特征在于，所述发电装置包括设在所述吸气式高超声速飞行器内部的重整器与sofc系统，且所述sofc系统与所述吸气式高超声速飞行器内部的电器元件电连接；所述进气道的壁面上设有空气进气孔，且所述空气进气孔与所述sofc系统的氧化剂入口连通；所述燃烧室的壁面上设有燃料进气孔与燃料出气孔，所述燃料进气孔与所述重整器的进气端相连，所述重整器的出气端与所述sofc系统的燃料入口连通，所述sofc系统的产物出口与所述燃料出气孔连通。2.根据权利要求1所述的吸气式高超声速飞行器高效发电装置，其特征在于，所述燃烧室内具有凹腔，所述燃料进气孔设在所述凹腔的前缘壁面或侧壁面上，所述燃料出气孔设在所述隔离段或燃烧室的避免上，或所述燃料出气孔设在所述凹腔的前缘壁面上。3.根据权利要求1或2所述的吸气式高超声速飞行器高效发电装置，其特征在于，所述燃料进气孔与所述重整器的进气端通过换热器相连；所述换热器与所述燃烧室的燃料喷注管路接触相连，以进行热交换实现对所述换热器内燃料气体的冷却。4.根据权利要求1或2所述的吸气式高超声速飞行器高效发电装置，其特征在于，所述sofc系统由若干sofc电池单体串联而成。5.根据权利要求4所述的吸气式高超声速飞行器高效发电装置，其特征在于，还包括空气进气总管、燃料进气总管与燃料排气总管；所述空气进气总管的一端与所述空气进气孔连通，另一端分别通过空气进气支管与各所述sofc电池单体的氧化剂入口连通；所述燃料进气总管的一端与所述重整器的出气端连通，另一端分别通过燃料进气支管与各所述sofc电池单体的燃料入口连通；所述燃料排气总管的一端与所述燃料出气孔连通，另一端分别通过燃料排气支管与各所述sofc电池单体的产物出口连通。

技术总结
本发明公开了一种吸气式高超声速飞行器高效发电装置，包括设在吸气式高超声速飞行器内部的重整器与SOFC系统，进气道的壁面上设有空气进气孔，且空气进气孔与SOFC系统的氧化剂入口连通；超声速燃烧室的壁面上设有燃料进气孔与燃料出气孔，燃料进气孔与重整器的进气端相连，重整器的出气端与SOFC系统的燃料入口连通，SOFC系统的产物出口与燃料出气孔连通。本发明应用于航空宇航能源生成技术领域，利用SOFC无需取力的特点，将化学能经电化学反应过程直接转化为电能，不受卡诺循环的限制，从而提高了能量转化效率，不仅减少了污染物排放，而且满足高电工比且长航时在线供电飞行任务的需求，能够有效地应用于吸气式高超声速飞行器。器。器。


技术研发人员：谭建国 蒯子函 张冬冬 姚霄 刘瑶 侯廙 刘易明
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/7/12