一种高焓冲压空气涡轮发电系统热管理方案

本发明属于航空发动机热管理，具体地说，涉及一种高焓冲压空气涡轮发电系统热管理方案。

背景技术：

1、在目前的预研方案中，飞行器的设计最大速度达 4～6 马赫；而传统的涡轮喷气发动机或小涵道比涡轮风扇发动机的最大飞行速度难以突破3马赫，故涡轮-冲压组合式循环已成为目前高超声速动力的主流方案。

2、涡轮-冲压组合式循环方案利用涡轮基低空低速的优良特性以及冲压发动机高空高速的稳定推力优势，拓展了飞行器的飞行包线。在高马赫数（ma>4）时，飞行器在冲压模态下飞行，仅冲压发动机部件工作，其涡轮基部件基本停止工作，原有的由涡轮基旋转部件为机电系统提供的轴功输出随之减少或消失，难以维持飞行器及其机载设备的轴功需求。针对采用冲压发动机的高空、长航时飞行器应用特点，首先，冲压发动机无旋转部件，无法采用涡喷或涡扇发动机通过发动机的旋转轴带动发电机进行发电的方案；其次，长航时应用也对供电系统的发电功率和供电时间提出了更高要求，常规的蓄电池供电方案很难在发电功率、供电时间、体积重量、工作环境适应性、使用成本等方面同时满足系统要求，因此亟需一套适用于长航时、大功率的小体积独立供电系统为高超声速飞行器供电系统。面对上述需求，冲压空气涡轮发电系统因其负荷密度高、体积小成为首选独立供能系统。

3、然而，当飞行器在大气层中以高超声速飞行时，周围大气受到剧烈的压缩和摩擦作用从而升温，并主要通过对流的形式向飞行器表面传热。基于某飞行速度与高度，空气涡轮发电系统的进气总温不小于1900k，如此高温已经超过了现有材料的耐温极限，高温气流会导致热端部件材料结构强度、刚度的下降等，为保证涡轮发电系统的稳定安全工作，须对热端部件采取冷却隔热措施。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种高焓冲压空气涡轮发电系统热管理方案，解决现有高焓冲压空气涡轮的热端部件冷却问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

3、一种高焓冲压空气涡轮发电系统热管理方案，结构包括涡轮静子、涡轮转子、高速电机、水箱和油箱等，所述涡轮静子采取发汗冷却方案，涡轮转子采取燃油冷却方案。在涡轮静叶、动叶及轮盘内部设置冷却通道，利用水冷却静叶、燃油冷却动叶及轮盘，使涡轮温度降低至材料许用范围内以稳定安全工作。本方案利用水冷却静叶的同时发挥水蒸发吸热的能力使得进入动叶的气流温度进一步降低，减少冷却动叶和轮盘所需燃油的流量，使用高速状态高空环境冲压气清洁，为发汗冷却提供较好的外部环境。

4、本发明热管理方案需对冷却水和冷却燃油用量进行计算，计算已知条件为：涡轮进气温度和压力；叶片和轮盘的结构尺寸；叶片和轮盘表面温度；静叶热载荷；假定燃油温升；冷却水进口温度和压力。

5、静叶冷却用水量计算方法为：根据水的进口温度与压力查得水的进口比焓，根据热载荷计算得到静叶出口温度和压力查得水的出口比焓，进而计算水的焓差δi并结合热载荷q计算得到水的流量，再由飞行时间t得到总用水量：

6、

7、燃油流量计算方法为：由静叶出口温度及叶片表面温度结合气动仿真得到的表面换热系数计算动叶热载荷q1和轮盘热载荷q2，根据能量守恒方程q=cp·m·δt并结合给定的燃油温升δt、定压比热容cp，分别计算得到冷却动叶和轮盘所需的燃油流量，相加即为燃油总流量。

8、采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

9、本发明方案结合了喷水蒸发冷却和油冷涡轮等方案的优势，在用水量与用油量方面均有不同程度的下降，在不损失来流做功能力的同时，利用少量冷却静叶所需的水同时为高焓冲压空气降温，进一步降低了动叶中冷却燃油的用量。

10、下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

技术特征：

1.一种高焓冲压空气涡轮发电系统热管理方案，其特征在于，结构包括涡轮静子、涡轮转子、高速电机、水箱和油箱等，所述涡轮静子采取发汗冷却方案，涡轮转子采取燃油冷却方案，在涡轮静叶、动叶及轮盘内部设置冷却通道，利用水冷却静叶、燃油冷却动叶及轮盘，使涡轮温度降低至材料许用范围内以稳定安全工作。本方案利用水冷却静叶的同时发挥水蒸发吸热的能力使得进入动叶的气流温度进一步降低，减少冷却动叶和轮盘所需燃油的流量，使用高速状态高空环境冲压气清洁，为发汗冷却提供较好的外部环境。

2.根据权利要求1所述的一种高焓冲压空气涡轮发电系统热管理方案，其特征在于，静叶冷却用水量计算方法为：

3.根据权利要求1所述的一种高焓冲压空气涡轮发电系统热管理方案，其特征在于，燃油流量计算方法为：

技术总结
本发明公开了一种高焓冲压空气涡轮发电系统热管理方案，结构包括涡轮静子、涡轮转子、高速电机、水箱和油箱，所述涡轮静子采取发汗冷却方案，涡轮转子采取燃油冷却方案。在涡轮静叶、动叶及轮盘内部设置冷却通道，利用水冷却静叶、燃油冷却动叶及轮盘，使涡轮温度降低至材料许用范围内以稳定安全工作。本发明利用水冷却静叶的同时发挥水蒸发吸热的能力使得进入动叶的气流温度进一步降低，减少冷却动叶和轮盘所需燃油的流量，使用高速状态高空环境冲压气清洁，为发汗冷却提供较好的外部环境，解决现有高焓冲压空气涡轮的热端部件冷却问题。

技术研发人员：徐国强,董苯思,董涛,张文杰,于鹏,林佳佳
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/15