CN111953232A - 用于飞行器的闭式布雷顿循环-半导体温差联合发电系统 - Google Patents

用于飞行器的闭式布雷顿循环-半导体温差联合发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于飞行器的闭式布雷顿循环‑半导体温差联合发电系统，包括燃料箱、燃料电动泵、半导体温差发电装置、燃料换热器、高温换热器、冷却器、压气机、涡轮和发电机，燃料电动泵与冷却器的冷侧入口相连，冷侧出口与半导体温差发电装置的冷侧入口相连，其冷侧出口与燃料换热器入口相连，燃料换热器出口与高温换热器的热侧入口相连；冷却器的热侧出口与压气机相连，压气机与高温换热器的冷侧入口相连，其冷侧出口与涡轮相连，涡轮与冷却器的热侧入口相连；高温换热器的热侧出口与半导体温差发电装置的热侧入口相连，半导体温差发电装置的热侧出口与燃料喷射器相连。本发明通过能量的梯级利用将高超声速飞行器的高温热能充分转化为电能。

Description

用于飞行器的闭式布雷顿循环-半导体温差联合发电系统
技术领域
本发明属于飞行器热防护与发电领域，尤其是涉及一种用于飞行器的闭式布雷顿循环-半导体温差联合发电系统。
背景技术
高超声速飞行器是一种新型的用于高超声速飞行的下一代航空/航天飞行器，可用于军事、民航以及天地往返等多个领域，如全球快速远程打击、洲际高速客运/货运以及单/多级入轨系统等，得到了国内外研究人员的高度重视，代表了未来飞行器领域的重要发展方向。
随着飞行马赫数的提高，来流总温提高，导致燃烧室内的热流密度也会大大增加。随之而来的热防护问题已经成为高超声速飞行器发展过程中的关键问题之一。同时，高超声速飞行器的燃油供给系统、雷达导航系统和环境控制系统需要消耗大量的电能，考虑到未来可能应用的激光武器，高超声速飞行器的电力需求将达到兆瓦级别。
目前冲压发动机相关实验采用电池供电方式，功率十分有限，为满足未来高超声速飞行器兆瓦级别的电力需求，需要发展一种适用的机载发电系统。冲压发动机工作在高马赫数下，取消了压气机、涡轮以及旋转轴，传统从发动机主轴取力带动发电机的机载发电系统失去适用性。而空气涡轮发电方式受到高马赫数下取气困难以及空气涡轮的热防护等问题的限制，应用前景也十分有限。本发明考虑将高超声速飞行器的气动加热和燃烧散热直接转换为电能，发展一种高超声速飞行器的冷却与发电一体化系统。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种用于飞行器的闭式布雷顿循环-半导体温差联合发电系统，解决高超声速飞行由于来流马赫数高难以使用传统机载发电系统的问题，通过能量的梯级利用将飞行器的高温热能充分转化为电能，有效提高燃料作为有限冷源下飞行器的发电效率和发电功率，提升飞行器的总体热效率；为发动机和飞行器提供充足的电力需求。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于飞行器的闭式布雷顿循环-半导体温差联合发电系统，包括燃料箱、燃料电动泵、燃料换热器、闭式布雷顿循环发电装置和半导体温差发电装置，所述的闭式布雷顿循环发电装置包括高温换热器、冷却器、压气机、涡轮和发电机，所述燃料电动泵的进料口与燃料箱相连，所述的燃料电动泵的出料口与冷却器的冷侧入口相连接，冷却器的冷侧出口与半导体温差发电装置的冷侧入口相连，半导体温差发电装置的冷侧出口与燃料换热器的入口相连，所述燃料换热器的出口与高温换热器的热侧入口相连；
冷却器的热侧出口与压气机相连，所述压气机的出口与高温换热器的冷侧入口相连，所述高温换热器的冷侧出口与涡轮入口相连，所述涡轮出口与冷却器的热侧入口相连，所述涡轮、压气机与发电机同轴布置；
所述高温换热器的热侧出口与半导体温差发电装置的热侧入口相连，所述半导体温差发电装置的热侧出口通过管路与燃料喷射器相连；
所述燃料喷射器将燃料喷射入燃烧室内与进气道压缩后的空气进行掺混燃烧，高温燃气在尾喷管中膨胀产生推力。
进一步的，所述半导体温差发电装置包括低温通道、多级半导体温差发电结构、多个导热绝缘层和高温通道，在每一级半导体温差发电结构的两侧均设置一层导热绝缘层，所有导热绝缘层均平行布置，所述高温通道两端分别与高温换热器的热侧出口及燃料喷射器相连，所述低温通道的两端分别与冷却器的冷侧出口及燃料换热器的入口相连。
进一步的，每一级半导体温差发电结构包括多个N型半导体热电材料、多个P型半导体热电材料和多个导流片，N型半导体热电材料和P型半导体热电材料间隔排布，且通过导流片依次串联，多级半导体温差发电结构并联。
进一步的，所述燃料换热器的热量来源为发动机散热、飞行器表面气动热和电子设备散热。
进一步的，所述冷却器和高温换热器均采用印刷电路板式微通道换热器。
进一步的，所述半导体温差发电装置采用PbTe、GeTe或AgSbTe2中温热电材料。
进一步的，所述闭式布雷顿循环发电装置中的循环工质为氦气或超临界二氧化碳。
进一步的，所述燃料为氢气或碳氢燃料。
相对于现有技术，本发明所述的用于飞行器的闭式布雷顿循环-半导体温差联合发电系统具有以下优势：
1.本发明构建了利用闭式布雷顿循环-半导体温差联合发电系统，闭式布雷顿循环发电装置工作在较大的燃料温差条件下，循环热效率和发电效率较高；半导体温差发电装置利用燃料间的剩余温差进行发电，进一步提高系统发电效率和发电功率；同时飞行器的发动机散失热量、气动热和电子设备散热得到有效利用，提升了循环的整体热效率。
2.本发明提出闭式布雷顿循环-半导体温差联合发电系统中，低温燃料作为闭式布雷顿循环发电装置的冷源，保证闭式布雷顿循环的发电效率；经过冷却器吸热后温度略有升高的燃料作为半导体温差发电系统的冷源，即通过半导体温差发电装置拓展燃料作为冷源的使用范围，可以提升有限冷源下系统的发电效率和发电功率。
3.本发明系统中半导体温差发电装置采用多级半导体结构设计，在较大的冷热侧温差工作条件下，相比于单级半导体温差发电结构发电效率有5％-10％的增加。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的闭式布雷顿循环-半导体温差联合发电系统示意图；
图2为本发明实施例所述的半导体温差发电装置结构示意图。
附图标记说明：
1-燃料箱，2-燃料电动泵，3-半导体温差发电装置，4-燃料换热器，5-高温换热器，6-燃料喷射器，7-冷却器，8-压气机，9-涡轮，10-发电机，11-闭式布雷顿循环发电装置，12-进气道，13-燃烧室，14-尾喷管，15-低温通道，16-导热绝缘层，17-高温通道，18-N型半导体热电材料，19-P型半导体热电材料，20-导流片。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图2所示，一种用于飞行器的闭式布雷顿循环-半导体温差联合发电系统，包括燃料箱1、燃料电动泵2、半导体温差发电装置3，燃料换热器4和闭式布雷顿循环发电装置11，所述的闭式布雷顿循环发电装置11包括高温换热器5、冷却器7、压气机8、涡轮9和发电机10，所述燃料电动泵2的进料口与燃料箱1相连，所述的燃料电动泵2的出料口与冷却器7的冷侧入口相连接，冷却器7的冷侧出口与半导体温差发电装置3的冷侧入口相连，半导体温差发电装置3的冷侧出口与燃料换热器4的入口相连，所述燃料换热器4的出口与高温换热器5的热侧入口相连，构成半导体温差发电低温侧流路；
冷却器7的热侧出口与压气机8相连，所述压气机8的出口与高温换热器5的冷侧入口相连，所述高温换热器5的冷侧出口与涡轮9入口相连，所述涡轮9出口与冷却器7的热侧入口相连，构成闭式布雷顿循环发电装置的工质循环回路，所述涡轮9、压气机8与发电机10同轴布置；
所述高温换热器5的热侧出口与半导体温差发电装置3的热侧入口相连，所述半导体温差发电装置3的热侧出口通过管路与燃料喷射器6相连，构成半导体温差发电高温侧流路；
所述燃料喷射器6将燃料喷射入燃烧室13内与进气道12压缩后的空气进行掺混燃烧，高温燃气在尾喷管14中燃烧产生推力。
所述闭式布雷顿循环发电装置为顶层发电循环，所述半导体温差发电装置为底层发电循环，闭式布雷顿循环发电装置工作在较大的燃料温差条件下，循环热效率和发电效率较高；半导体温差发电装置利用燃料间的剩余温差进行发电，进一步提高系统发电效率和发电功率。
半导体温差发电装置7包括低温通道15、多级半导体温差发电结构、多个导热绝缘层16和高温通道17，在每一级半导体温差发电结构的两侧均设置一层导热绝缘层16，所有导热绝缘层16均平行布置，所述高温通道17两端分别与高温换热器5的热侧出口及燃料喷射器6相连，所述低温通道15的两端分别与冷却器7的冷侧出口及燃料换热器4的入口相连。每一级半导体温差发电结构包括多个N型半导体热电材料18、多个P型半导体热电材料19和多个导流片20，N型半导体热电材料18和P型半导体热电材料19间隔排布，且通过导流片20依次串联，多级半导体温差发电结构并联，多级半导体结构设计，在较大的冷热侧温差工作条件下，相比于单级半导体温差发电结构发电效率增大。
燃料换热器4的热量来源为发动机璧面散热、飞行器表面气动热和电子设备散热，提高飞行器的整体热效率。
冷却器7和高温换热器5均采用高换热面积密度的印刷电路板式微通道换热器，有效提高换热器的紧凑度，减小换热器的体积。
半导体温差发电装置3采用PbTe、GeTe、AgSbTe2中温热电材料，在系统所述工作温度范围内具有更高的发电效率以及热适应性。
闭式布雷顿循环发电装置11中的循环工质为氦气或超临界二氧化碳，闭式布雷顿循环构型为简单循环，燃料为氢气和碳氢燃料。系统工质与循环形式均为常规型选择，技术成熟度较高。
本发明的工作原理为：
燃料箱1内的燃料经燃料电动泵2加压后自冷却器7的冷侧入口进入冷却器7，燃料作为闭式布雷顿循环发电装置11的冷源，通过冷却器7从闭式布雷顿发电装置11吸收热量后从冷却器7的冷侧出口通入到半导体温差发电装置3的冷侧入口，之后燃料从半导体温差发电装置3的冷侧出口通入燃料换热器4，燃料在燃料换热器4内吸收热量，吸热后的高温燃料作为闭式布雷顿装置11的高温热源，通过高温换热器5将部分热量转移给闭式布雷顿发电装置11的工质，温度有所降低的高温燃料通入半导体温差发电装置3的热侧入口，具有较低温差的燃料在半导体温差发电装置3产生电能，半导体温差发电装置3的出口通过管道与燃料喷射器6相连，燃料通过燃料喷射器6进入燃烧室13，与空气经进气道12激波压缩后的空气在燃烧室13内掺混燃烧，高温燃气在尾喷管14内膨胀产生推力；闭式布雷顿循环发电装置11的工质经过压气机8增压后在高温换热器5中吸收热量温度升高，之后在涡轮9中膨胀做功为压气机8提供轴功，发电机10将多余的轴功转化为电能，涡轮9出口的工质在冷却器7中温度降低，保证闭式布雷顿循环装置11的正常循环工作；闭式布雷顿循环发电装置11和半导体温差发电装置3产生的电能通过电能分配装置供燃料电动泵2和其他机载用电设备使用。
本发明以低温燃料作为冷源、经过燃料换热器4吸热后的高温燃料作为热源构建闭式热力循环发电系统；经过闭式发电系统产生电能之后，燃料之间仍有可利用的温差，本发明结合半导体温差发电利用剩余温差，实现能量的梯级利用以及高低温差的合理适配，提高系统的整体发电效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于飞行器的闭式布雷顿循环-半导体温差联合发电系统，其特征在于：包括燃料箱(1)、燃料电动泵(2)、半导体温差发电装置(3)、燃料换热器(4)和闭式布雷顿循环发电装置(11)，所述的闭式布雷顿循环发电装置(11)包括高温换热器(5)、冷却器(7)、压气机(8)、涡轮(9)和发电机(10)，所述燃料电动泵(2)的进料口与燃料箱(1)相连，所述的燃料电动泵(2)的出料口与冷却器(7)的冷侧入口相连接，冷却器(7)的冷侧出口与半导体温差发电装置(3)的冷侧入口相连，半导体温差发电装置(3)的冷侧出口与燃料换热器(4)的入口相连，所述燃料换热器(4)的出口与高温换热器(5)的热侧入口相连；
冷却器(7)的热侧出口与压气机(8)相连，所述压气机(8)的出口与高温换热器(5)的冷侧入口相连，所述高温换热器(5)的冷侧出口与涡轮(9)入口相连，所述涡轮(9)出口与冷却器(7)的热侧入口相连，所述涡轮(9)、压气机(8)与发电机(10)同轴布置；
所述高温换热器(5)的热侧出口与半导体温差发电装置(3)的热侧入口相连，所述半导体温差发电装置(3)的热侧出口通过管路与燃料喷射器(6)相连；
所述燃料喷射器(6)将燃料喷射入燃烧室(13)内与进气道(12)压缩后的空气进行掺混燃烧，高温燃气在尾喷管(14)中膨胀产生推力。
2.根据权利要求1所述的用于飞行器的闭式布雷顿循环-半导体温差联合发电系统，其特征在于：所述半导体温差发电装置(3)包括低温通道(15)、多级半导体温差发电结构、多个导热绝缘层(16)和高温通道(17)，在每一级半导体温差发电结构的两侧均设置一层导热绝缘层(16)，所有导热绝缘层(16)均平行布置，所述高温通道(17)两端分别与高温换热器(5)的热侧出口及燃料喷射器(6)相连，所述低温通道(15)的两端分别与冷却器(7)的冷侧出口及燃料换热器(4)的入口相连。
3.根据权利要求2所述的用于飞行器的闭式布雷顿循环-半导体温差联合发电系统，其特征在于：每一级半导体温差发电结构包括多个N型半导体热电材料(18)、多个P型半导体热电材料(19)和多个导流片(20)，N型半导体热电材料(18)和P型半导体热电材料(19)间隔排布，且通过导流片(20)依次串联，多级半导体温差发电结构并联。
4.根据权利要求1所述的用于飞行器的闭式布雷顿循环-半导体温差联合发电系统，其特征在于：燃料换热器(4)的热量来源为发动机散热、飞行器表面气动热和电子设备散热。
5.根据权利要求1所述的用于飞行器的闭式布雷顿循环-半导体温差联合发电系统，其特征在于：所述冷却器(7)和高温换热器(5)均采用印刷电路板式微通道换热器。
6.根据权利要求1所述的用于飞行器的闭式布雷顿循环-半导体温差联合发电系统，其特征在于：所述半导体温差发电装置(3)采用PbTe、GeTe或AgSbTe2中温热电材料。
7.根据权利要求1所述的用于飞行器的闭式布雷顿循环-半导体温差联合发电系统，其特征在于：所述闭式布雷顿循环发电装置(11)中的循环工质为氦气或超临界二氧化碳。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的用于飞行器的闭式布雷顿循环-半导体温差联合发电系统，其特征在于：所述燃料为氢气或碳氢燃料。
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