一种基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统的制作方法

1.本发明涉及飞行器热管理技术领域，特别是涉及一种基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统。


背景技术：

2.随着航空航天领域动力技术的发展，高超声速飞行器呈现出宽包线、长航时和可重复使用的特点，飞行器热防护和电力供应面临着新的技术挑战，研制飞行过程中将产生的废热转换为电能的系统势在必行。高超声速飞行器的热防护包括其表面热防护、内部设备热载荷和发动机热防护。目前发动机常用冷却方式为再生冷却，燃料首先流经由燃烧室内、外壁组成的冷却通道，通过对流换热和裂解反应吸收热量，随后喷射进入燃烧室产生推力。其优点是可实现热能的回收利用并避免携带额外冷却剂所带来的质量惩罚，但随着马赫数的增加，燃料高温结焦问题是制约高马赫数发动机寿命提升的重大瓶颈。若将产生的废热加以利用，一方面可以解决热防护问题，另一方面可以转换为可用能源，从而提高飞行器的能效比。
3.为解决高超声速飞行器马赫数增加之后发动机再生冷却燃料热沉不足、高温结焦阻塞冷却通道以及飞行器电力需求增多的问题，提出了将飞行器热防护中吸收的热量通过动力循环系统发电的方案。名称为“一种回热式闭式布莱顿冷却循环系统”的发明专利，该循环系统采用超临界氦对发动机进行冷却，吸热后的高温高压氦气通过涡轮膨胀做功发电的同时带动系统其他部件运行。但是，采用氦气作为循环工质时，压缩机耗功占据涡轮输出功的比例较大，达到45％左右。且在传统回热器中采用高低温二氧化碳直接换热，回热器内冷热流体温差大，存在回热器内的夹点问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统，减小压缩机耗功占据涡轮输出功的比例，避免回热器内的夹点问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统，包括：设备热载荷、回热器、换热器、冷却通道和发动机；所述冷却通道设置在所述发动机中的燃烧室的外壁上；
7.所述设备热载荷的输出端与所述回热器的第一输入端连接，所述回热器的第一输出端与所述换热器的第一输入端连接；所述冷却通道的输出端与所述回热器的第二输入端连接，所述回热器的第二输出端与所述换热器的第二输入端连接，所述换热器的第二输出端与所述冷却通道的输入端连接；
8.所述设备热载荷用于向所述回热器输出初次升温的燃料；所述初次升温的燃料是进入所述设备热载荷的目标燃料吸收热量后的燃料；
9.所述回热器，用于：
10.使所述初次升温的燃料吸收高温二氧化碳的热量，并由所述回热器的第一输出端
向换热器输出二次升温的燃料，由所述回热器的第二输出端向所述换热器输出降温后的二氧化碳；所述高温二氧化碳经所述回热器的第二输入端输入；
11.所述换热器，用于：
12.使所述降温后的二氧化碳，吸收所述二次升温的燃料的热量，并由所述换热器的第一输出端向所述燃烧室喷入一次降温的燃料，由所述换热器的第二输出端向所述冷却通道提供升温后的二氧化碳；
13.所述冷却通道，用于：
14.使所述升温后的二氧化碳，吸收所述燃烧室内所述一次降温的燃料燃烧产生的热量，以向所述回热器输出所述高温二氧化碳。
15.可选地，基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统还包括：压缩机；所述压缩机的第一输入端与所述回热器的第二输出端连接，所述压缩机的输出端与所述换热器的第二输入端连接；
16.所述压缩机用于压缩所述降温后的二氧化碳。
17.可选地，基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统还包括：涡轮；所述涡轮的输入端与所述冷却通道的输出端连接，所述涡轮的第一输出端与所述回热器的第二输入端连接；
18.所述涡轮用于使得所述高温二氧化碳膨胀做功。
19.可选地，基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统还包括：燃料箱；所述燃料箱与所述设备热载荷的输入端连接；
20.所述燃料箱用于提供所述目标燃料。
21.可选地，基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统还包括：燃料泵，所述燃料泵的一端与所述燃料箱连接，所述燃料泵的另一端与所述设备热载荷的输入端连接；
22.所述燃料泵用于将所述目标燃料从所述燃料箱中泵入所述设备热载荷中。
23.可选地，基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统还包括：燃料喷注器，所述燃料喷注器设置在所述发动机中，所述燃料喷注器的输入端与所述换热器的第一输出端连接；
24.所述燃料喷注器用于将所述一次降温的燃料喷入所述燃烧室中。
25.可选地，基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统还包括：二氧化碳储箱；所述二氧化碳储箱与所述压缩机的第一输入端连接；
26.所述二氧化碳储箱用于提供二氧化碳；
27.所述压缩机还用于压缩由所述二氧化碳储箱输出的二氧化碳。
28.可选地，基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统还包括：发电机；所述发电机与所述涡轮的第二输出端连接；
29.所述发电机用于利用所述高温二氧化碳膨胀做功产生的功，进行发电。
30.可选地，基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统还包括：中心轴；所述中心轴的一端与所述压缩机的第二输入端连接，所述中心轴的另一端与所述涡轮的第三输出端连接；
31.所述中心轴用于将所述发电机产生的电量传递给所述压缩机，为所述压缩机提供动力。
32.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
33.本发明公开了一种基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统，包括：设备热载荷、回热器、换热器、冷却通道和发动机；冷却通道设置在发动机中的燃烧室的外壁上；设备热载荷的输出端与回热器的第一输入端连接，回热器的第一输出端与换热器的第一输入端连接；冷却通道的输出端与回热器的第二输入端连接，回热器的第二输出端与换热器的第二输入端连接，换热器的第二输出端与冷却通道的输入端连接。本发明采用燃料和二氧化碳作为冷却剂，燃料吸收设备热载荷后在回热器内与高温二氧化碳换热，升温后的燃料在换热器内与低温二氧化碳换热。采用回热器有助于提高循环热效率，与传统回热器中高低温二氧化碳直接换热相比，采用燃料作为中间介质，减小了回热器内冷热流体温差，避免了回热器内的夹点问题。
附图说明
34.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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1为本发明实施例提供的基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统示意图。
36.附图说明：1-设备热载荷，2-回热器，3-换热器，4-冷却通道，5-发动机，6-压缩机，7-涡轮，8-燃料箱，9-燃料泵，10-燃料喷注器，11-二氧化碳储箱，12-发电机，13-中心轴。
具体实施方式
37.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在没有做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。
38.本发明的目的是提供一种基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统，旨在减小压缩机耗功占据涡轮输出功的比例，避免回热器内的夹点问题，可应用于飞行器热管理技术领域。
39.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
40.图1为本发明实施例提供的基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统示意图。如图1所示，本实施例中的基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统，包括：设备热载荷1、回热器2、换热器3、冷却通道4和发动机5；冷却通道4设置在发动机5中的燃烧室的外壁上。
41.设备热载荷1的输出端与回热器2的第一输入端连接，回热器2的第一输出端与换热器3的第一输入端连接；冷却通道4的输出端与回热器2的第二输入端连接，回热器2的第二输出端与换热器3的第二输入端连接，换热器3的第二输出端与冷却通道4的输入端连接。
42.设备热载荷1用于向回热器2输出初次升温的燃料；所述初次升温的燃料是进入所
述设备热载荷1的目标燃料吸收热量后的燃料。
43.回热器2，用于：
44.使初次升温的燃料吸收高温二氧化碳的热量，并由回热器2的第一输出端向换热器3输出二次升温的燃料，由回热器2的第二输出端向换热器3输出降温后的二氧化碳；高温二氧化碳经回热器2的第二输入端输入。
45.换热器3，用于：
46.使降温后的二氧化碳，吸收二次升温的燃料的热量，并由换热器3的第一输出端向燃烧室喷入一次降温的燃料，由换热器3的第二输出端向冷却通道4提供升温后的二氧化碳。
47.冷却通道4，用于：
48.使升温后的二氧化碳，吸收燃烧室内一次降温的燃料燃烧产生的热量，以向回热器2输出高温二氧化碳。
49.作为一种可选的实施方式，基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统还包括：压缩机6；压缩机6的第一输入端与回热器2的第二输出端连接，压缩机6的输出端与换热器3的第二输入端连接。
50.压缩机6用于压缩降温后的二氧化碳。
51.作为一种可选的实施方式，基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统还包括：涡轮7；涡轮7的输入端与冷却通道4的输出端连接，涡轮7的第一输出端与回热器2的第二输入端连接。
52.涡轮7用于使得高温二氧化碳膨胀做功。
53.作为一种可选的实施方式，基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统还包括：燃料箱8；燃料箱8与设备热载荷1的输入端连接。
54.燃料箱8用于提供目标燃料。
55.作为一种可选的实施方式，基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统还包括：燃料泵9，燃料泵9的一端与燃料箱8连接，燃料泵9的另一端与设备热载荷1的输入端连接。
56.燃料泵9用于将目标燃料从燃料箱8中泵入设备热载荷1中。
57.作为一种可选的实施方式，基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统还包括：燃料喷注器10，燃料喷注器10设置在发动机5中，燃料喷注器10的输入端与换热器3的第一输出端连接。
58.燃料喷注器10用于将一次降温的燃料喷入燃烧室中。
59.作为一种可选的实施方式，基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统还包括：二氧化碳储箱11；二氧化碳储箱11与压缩机6的第一输入端连接。
60.二氧化碳储箱11用于提供二氧化碳。
61.压缩机6还用于压缩由所述二氧化碳储箱输出的二氧化碳。
62.作为一种可选的实施方式，基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统还包括：发电机12；发电机12与涡轮7的第二输出端连接。
63.发电机12用于利用高温二氧化碳膨胀做功产生的功，进行发电。
64.作为一种可选的实施方式，基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统还
包括：中心轴13；中心轴13的一端与压缩机6的第二输入端连接，中心轴13的另一端与涡轮7的第三输出端连接。
65.中心轴13用于将发电机12产生的电量传递给压缩机6，为压缩机6提供动力。
66.本发明实施例提供的基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统的工作流程为：
67.利用燃料泵9的作用，燃料箱8中的燃料先经过设备热载荷1(设备热载荷1中承载飞行器内设备运行时产生的所需散失的热量)，吸收飞行器需要散失的热量，再通过回热器2的第一输入端进入回热器2中，吸收有回热器2的第二输入端输入的二氧化碳的热量，然后进入换热器3中，将热量传递给由二氧化碳储箱11提供的二氧化碳和回热器2的第二输出端输出的二氧化碳，最后进入发动机5的燃料喷注器10中，燃料喷注器10将燃料喷入燃烧室中燃烧，为发动机5提供动力；
68.二氧化碳储箱11提供的二氧化碳先经过压缩机6，被压缩机6压缩升压，再提供换热器3的第二输入端进入换热器3中，吸收由换热器3的第一输入端输入的燃料的热量，然后进入发动机5外壁上的冷却通道4中，吸收燃烧室中的燃料燃烧产生的热量，然后进入涡轮7中，在涡轮7中膨胀做功，所做的功提供给发电机12发电，然后通过回热器2的第二输入端进入回热器2中，将热量传递给通过回热器2的第一输入端输入的燃料，再次进入压缩机6中，进行下一次循环。
69.技术效果：
70.(1)本发明系统分为主次两个冷却回路，发动机内的冷却由主冷却回路来完成，采用超临界二氧化碳闭式布雷顿循环系统。布雷顿循环系统与其他循环相比占地空间小且设备载荷轻，在中温范围(500-650℃)循环效率能够达到45％，当热源温度达到700℃时循环效率能达到50％。在相同发电功率下，超临界二氧化碳和水蒸气所需的涡轮机组体积之比约为1:20，重量之比约为1:30。且超临界二氧化碳黏性小，密度高，循环系统耗损小，与氦气相比二氧化碳压缩机耗功仅占据涡轮输出功30％左右，可以进一步优化布雷顿循环系统的发电能力。
71.(2)本发明次冷却回路采用燃料作为冷却剂，吸收设备热载荷后在回热器内与涡轮出口高温二氧化碳换热，升温后的燃料在换热器内与压缩机出口的低温二氧化碳换热。采用回热器有助于提高循环热效率，与传统回热器中高低温二氧化碳直接换热相比，采用燃料作为中间介质，减小了回热器内冷热流体温差，避免了回热器内的夹点问题。
72.(3)本发明系统涡轮带动发电机建立了发电系统，不仅解决了发动机内的热防护问题，在吸收热量的同时将废热有效利用，热能转换为机械能最终解决了飞行器内电力需求增加的问题。
73.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
74.本文中应用了具体个例对本发明的原理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装置及其核心思想；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。