一种基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统技术方案

本发明专利技术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，涉及飞行器热管理技术领域，该系统包括：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。本发明专利技术采用燃料和二氧化碳作为冷却剂，燃料吸收设备热载荷后与高温二氧化碳换热，升温后的燃料与低温二氧化碳换热。与二氧化碳直接换热相比，燃料作为中间介质，减小了回热器冷热流体温差，避免了回热器的夹点问题。热器的夹点问题。热器的夹点问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统


[0001]本专利技术涉及飞行器热管理
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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”的专利技术专利，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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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；
[0009]所述回热器，用于：
[0010]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；
[0011]所述换热器，用于：
[0012]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；
[0013]所述冷却通道，用于：
[0014]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。
[0015]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；
[0016]所述压缩机用于压缩所述降温后的二氧化碳。
[0017]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；
[0018]所述涡轮用于使得所述高温二氧化碳膨胀做功。
[0019]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；
[0020]所述燃料箱用于提供所述目标燃料。
[0021]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；
[0022]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。
[0023]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；
[0024]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。
[0025]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；
[0026]所述二氧化碳储箱用于提供二氧化碳；
[0027]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。
[0028]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；
[0029]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。
[0030]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；
[0031]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。
[0032]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0033]本专利技术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。本专利技术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
[0034]为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，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。
[0035]图1为本专利技术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。
[0036]附图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统，其特征在于，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；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；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；所述回热器，用于：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；所述换热器，用于：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；所述冷却通道，用于：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。2.根据权利要求1所述的基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统，其特征在于，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；所述压缩机用于压缩所述降温后的二氧化碳。3.根据权利要求2所述的基于布雷顿循环的高超声速飞行器综合热管理系统，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：东明，李妮，张涵，杜宏龙，浦航，周林，
申请(专利权)人：北京动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：