一种适用于再生冷却爆震燃烧室的超临界二氧化碳循环发电
系统
技术领域
背景技术
[0002] 爆震推进发动机是一种基于爆震燃烧的新概念发动机，在燃烧室内直接利用爆震燃烧产生的爆震波来压缩气体，使可爆
燃料的压
力温度迅速升高，在无传统
压气机和
涡轮部件的条件下达到对气体进行压缩的目的，结构简单、成本低廉、可实现更高的推重比。此外，爆震燃烧化学反应速率极快，而新鲜反应物来不及膨胀便被转化为高温高压的燃烧产物，故爆震燃烧类似于等容燃烧。因此，基于爆震燃烧的发动机热循环比传统缓燃燃烧方式具有更高的热效率。基于上述优点，爆震燃烧推进发动机的研究获得了广泛的关注，是具有广阔应用前景的空天动力装置。
[0003] 使用液态燃料作为空天动力装置推进剂，具有
能量密度高、易贮存、冷却性能好和安全性高等优点。而在爆震推进动力装置中由于复杂液态碳氢燃料的雾化掺混不良、工作
稳定性差等问题的存在，其DDT(Deflagration to Detonation Transition)时间和
点火延迟时间相比于气态燃料大了近一个数量级，如何实现液态燃料的快速点火和起爆一直是一项重要研究课题。此外，爆震发动机的燃烧室壁面冷却要求比较严格，不同于传统涡轮喷气发动机中壁面温度只需小于壁面材料的许用上限即可。在爆震发动机中，当燃烧室壁面温度大于燃料的自燃温度时，喷注的燃料将会发生自燃现象，无法形成爆震波，爆震失效。此时，由于超临界态
流体粘性低、流动性强且易扩散，具有众多类气体性质，利用发动机携带的液态碳氢燃料进行再生冷却吸热后获取超临界态碳氢燃料进行喷射雾化及燃烧是一种可综合解决燃烧室壁面冷却及燃料快速点火起爆的有效方法。然而，一方面，随着工作
频率的提高或长时间工作，爆震燃烧释热量将急剧增加，再生冷却过程将出现燃油温升过高而结焦堵塞通道，在额定燃油携带量的前提下，已无法满足冷却需求。另一方面，基于爆震燃烧的动力推进系统因无传统压气机及涡轮等旋转部件的存在，无法实现轴功的直接获取与利用，其系统电力需求又势必通
过热电转换来满足，而复杂低效的热电转换系统又将削弱爆震发动机本身的应用优势。
[0004] 对于超临界二氧化碳循环发电，当循环中压力大于7.4MPa，温度高于31.1℃时，二氧化碳便进入超临界态，密度接近液体，大于气体2个数量级，
传热效率高，做功能力强，在中低温段已具有很高的效率，最高热电转换效率可达50％左右；其粘性接近气体，较液体小2个数量级，流动性强，易于扩散，系统循环损耗小；较常用的惰性气体，
超临界流体密度大、压缩性好，整个系统结构简单、紧凑、体积更小，可实现模
块化建造，在相同发
电能力条件下，超临界二氧化碳、氦气、
水蒸汽3种工质所需的
涡轮机体积之比约为1︰6︰30；发电循环过程无
相变，涡轮设计影响因素少，且循环压缩做功有效减小，只占涡轮输出功的30％；二氧化碳
腐蚀性小、无毒、不燃、稳定，廉价易得。目前，超临界二氧化碳循环发电技术已相对成熟，具有良好的工程应用前景。
发明内容
[0005] 要解决的技术问题
[0006] 结合现有再生冷却爆震燃烧室研究设计方案，本发明提出一种适用于再生冷却爆震燃烧室的超临界二氧化碳循环发电系统，在解决再生冷却能力不足问题的同时，满足高频率长时间工作条件下爆震发动机高性能动力及电力输送需求。
[0007] 本发明的技术方案为：
[0008] 所述一种适用于再生冷却爆震燃烧室的超临界二氧化碳循环发电系统，包括燃油箱、
增压泵、爆震燃烧室壁面、第一级再生冷却通道、第二级再生冷却通道、第三级再生冷却通道、第一级加热器、第二级加热器、
辅助加热器、涡轮机、
压缩机、励磁发
电机、
回热器、冷却器、燃油
喷嘴及电控单元；所述电控单元包括燃油旁通调节
阀、空气旁通调节阀、温度
传感器与集中
控制器。
[0009] 所述系统再生冷却开式回路中将燃油箱出口与
增压泵进口相连通，增压泵出口与冷却器低温侧进口相连通，冷却器低温侧出口与第一级再生冷却通道进口相连通，第一级再生冷却通道出口与第一级加热器高温侧进口相连通，第一级加热器高温侧出口与第二级再生冷却通道进口相连通，第二级再生冷却通道出口与第二级加热器高温侧进口相连通，第二级加热器高温侧出口与第三级再生冷却通道进口相连通，第三级再生冷却通道出口与燃油喷嘴进口相连通，燃油旁通调节阀与空气旁通调节阀分别连接于冷却器低温侧相应并联管路上。
[0010] 所述系统发电循环闭式回路中将励磁发电机、涡轮机及压缩机共轴安装，压缩机出口与回热器低温侧进口相连通，回热器低温侧出口与第一级加热器低温侧进口相连通，第一级加热器低温侧出口与第二级加热器低温侧进口相连通，第二级加热器低温侧出口与辅助加热器进口相连通，辅助加热器出口与涡轮机进口相连通，涡轮机出口与回热器高温侧进口相连通，回热器高温侧出口与冷却器高温侧进口相连通，冷却器高温侧出口与压缩机进口相连通。
[0011] 所述增压泵用以实现再生冷却过程中碳氢燃料的超
临界压力流动换热，并保证最终碳氢燃料的超临界压力喷射。
[0012] 所述辅助加热器主要用于满足爆震发动机非工作状态时的系统电力需求，也可用作爆震发动机低频短时工作时循环发电系统的辅助热源，以保证超临界二氧化碳循环发电高的热电转换效率；即，系统中超临界二氧化碳循环发电回路具有各发动机工作模态下的独立工作能力。
[0013] 所述爆震燃烧室壁面采用级间放热的轴向第一、二、三级再生冷却通道设计，及时有效转移壁面较高热流，显著提高再生冷却能力，避免燃烧室燃料喷注处壁面温度高于燃料自燃温度而导致爆震失效，同时避免碳氢燃料轴向位移过大、温升过高而结焦堵塞通道。
[0014] 所述第一、二、三级再生冷却通道出口均为吸热升温后的
粘度低、易扩散、流动性强、传热性能高的超临界态碳氢燃料；第一、二级再生冷却通道出口的超临界态碳氢燃料分别作为第一、二级加热器中的热态流体为发电循环提供中等温度(200～450℃)热源条件，其在加热器中的跨临界放热过程由于密度的不断增加将产生较大的温度滑移，刚好与发电循环工质超临界态二氧化碳吸热过程所需的变温热源相匹配，从而减少不可逆传
热损失，实现系统更高的热电转换效率；第三级再生冷却通道出口的超临界态碳氢燃料将直接通过燃油喷嘴进行喷射进入燃烧室，均匀雾化及掺混，实现高性能点火起爆及燃烧。
[0015] 所述冷却器采用低温空气及部分低温碳氢燃料作为冷却介质，实现对发电循环中压缩机进口前超临界二氧化碳的复合冷却，可为发电过程提供一个循环工质拟
临界温度附近的冷源条件，使得冷却过程中二氧化碳的密度与
比热容迅速增大，实现压缩机的低功耗与冷却器的高效换热；同时，部分低温碳氢燃料在冷却器中吸热后进入再生冷却通道，实现了发电循环冷却释热的
回收利用，减少了循环热量的无用耗散，进一步提高系统循环热效率。优选的，所述低温空气及低温碳氢燃料温度均为爆震发动机
机舱环境温度。
[0016] 所述电控单元能够综合根据燃油喷嘴进口前燃料及压缩机进口前二氧化碳的温度
信号及时动作分别安装于冷却器低温侧相应并联管路上的燃油旁通调节阀及空气旁通调节阀，实现一定范围内的不同壁面热流下，稳定的超临界态碳氢燃料喷射温度、爆震燃烧室壁面的有效冷却及发电循环稳定的热源和冷源供应；即，当燃烧室壁面热流较低时，燃油旁通调节阀的开度将减小，更多的低温液态碳氢燃料将流入冷却器低温侧吸热升温，回收利用发电循环冷却释热后进入再生冷却通道，弥补因壁面热流降低而引起的发电循环热源不足，避免燃油喷嘴进口大的温度
波动，保证燃料的超临界喷射雾化及掺混性能、高效起爆及燃烧，同
时空气旁通调节阀的开度将增加，以保持冷却器稳定的拟临界温度附近冷源条件；当燃烧室壁面热流较高时，旁通调节阀的动作相反，更多的空气将用于冷却压缩机进口前的超临界二氧化碳，而更多的低温液态碳氢燃料将经燃油旁通调节阀直接进入再生冷却通道对爆震燃烧室壁面进行有效的冷却降温，且可实现较稳定的发电循环热源温度。
[0017] 有益效果
[0018] 相比于传统利用液态碳氢燃料进行再生冷却吸热后获取超临界态碳氢燃料进行喷射雾化及燃烧的技术方案，本发明有效融合高效紧凑超临界二氧化碳循环发电系统的应用优势，在保证碳氢燃料快速点火起爆及燃烧性能的
基础上，实现再生冷却能力的显著提升，满足高频率长时间工作条件下爆震发动机高性能动力及电力输送需求。具体为以下三点：
[0019] (1)采用级间放热的爆震燃烧室壁面轴向三级再生冷却方法，能够及时有效转移壁面高热流，显著提高再生冷却能力，避免碳氢燃料轴向位移过大、温升过高而结焦堵塞通道；同时，级间再生冷却通道出口的超临界态碳氢燃料在加热器中的跨临界放热将与二氧化碳的吸热过程良好匹配，减少不可逆传热损失，获得更高的热电转换效率。
[0020] (2)发电循环冷却器采用低温空气及部分低温碳氢燃料作为冷却介质进行复合冷却，为发电循环提供二氧化碳拟临界温度附近的冷源条件，实现压缩机的低功耗与冷却器的高效换热；同时，部分低温碳氢燃料在冷却器中吸热后进入再生冷却通道，实现了发电循环中冷却释热的回收利用，减少了循环热量的无用耗散，进一步提高系统循环热效率。
[0021] (3)电控单元能够根据燃油喷嘴进口燃料及压缩机进口二氧化碳的温度信号及时动作燃油旁通调节阀及空气旁通调节阀，以满足一定范围内的不同壁面热流下，稳定的超临界态碳氢燃料喷射温度、爆震燃烧室壁面的有效冷却及发电循环稳定的热源和冷源需求。
附图说明
[0022] 图1为一种适用于再生冷却爆震燃烧室的超临界二氧化碳循环发电系统示意图(细虚线为电控信号线路，粗虚线为超临界二氧化碳管路，细实线为空气管路，粗实线为碳氢燃料管路)。
[0023] 图中，1为集中控制器，2为增压泵，3为燃油箱，4为燃油旁通调节阀，5为冷却器，6为温度传感器，7为空气旁通调节阀，8为回热器，9为压缩机，10为第一级加热器，11为第二级加热器，12为辅助加热器，13为涡轮机，14为励磁发电机，15为第三级冷却通道，16为第二级冷却通道，17为第一级冷却通道，18为爆震燃烧室壁面，19为燃油喷嘴。
具体实施方式
[0024] 下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
[0025] 本发明是一种适用于再生冷却爆震燃烧室的超临界二氧化碳循环发电系统，如图1所示，其包括：集中控制器1，增压泵2，燃油箱3，燃油旁通调节阀4，冷却器5，温度传感器6，空气旁通调节阀7，回热器8，压缩机9，第一级加热器10，第二级加热器11，辅助加热器12，涡轮机13，励磁发电机14，第三级冷却通道15，第二级冷却通道16，第一级冷却通道17，爆震燃烧室壁面18，燃油喷嘴19。
[0026] 所述的一种适用于再生冷却爆震燃烧室的超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于：所述燃油箱3出口与增压泵2进口相连通，所述增压泵2出口与冷却器5低温侧进口相连通，所述冷却器5低温侧出口与第一级再生冷却通道17进口相连通，所述第一级再生冷却通道17出口与第一级加热器10高温侧进口相连通，所述第一级加热器10高温侧出口与第二级再生冷却通道16进口相连通，所述第二级再生冷却通道16出口与第二级加热器11高温侧进口相连通，所述第二级加热器11高温侧出口与第三级再生冷却通道15进口相连通，所述第三级再生冷却通道15出口与燃油喷嘴19进口相连通，所述燃油旁通调节阀4与空气旁通调节阀7分别连接于冷却器5低温侧相应并联管路上；
[0027] 所述励磁发电机14与涡轮机13及压缩机9共轴安装，所述压缩机9出口与回热器8低温侧进口相连通，所述回热器8低温侧出口与第一级加热器10低温侧进口相连通，所述第一级加热器10低温侧出口与第二级加热器11低温侧进口相连通，所述第二级加热器11低温侧出口与辅助加热器12进口相连通，所述辅助加热器12出口与涡轮机13进口相连通，所述涡轮机13出口与回热器8高温侧进口相连通，所述回热器8高温侧出口与冷却器5高温侧进口相连通，所述冷却器5高温侧出口与压缩机9进口相连通，上述过程形成闭式循环。
[0028] 工作过程
[0029] 所述的一种适用于再生冷却爆震燃烧室的超临界二氧化碳循环发电系统，其工作时：
[0030] 对于再生冷却开式回路，燃油箱3中的低温常压液态碳氢燃料经增压泵2增压至超临界压力后分为两路：一路经发电循环中的冷却器5吸热升温，另一路则经燃油旁通调节阀4被旁通，两者在冷却器5低温侧出口液态燃料管路上再次混合后进入第一级再生冷却通道
17吸热升温，对爆震燃烧室壁面18进行有效冷却，在第一级再生冷却通道17出口获得高温高压的超临界态碳氢燃料，随后进入第一级加热器10进行跨临界放热至亚临界态；接着进入第二级再生冷却通道16重复上述过程：再次吸热升温，冷却爆震燃烧室壁面18，在第二级再生冷却通道16出口再次形成超临界态碳氢燃料，进入第二级加热器11进行跨临界放热至亚临界态；第二级加热器11出口处的亚临界态碳氢燃料将进入第三级再生冷却通道15吸热升温，冷却壁面，最终在其出口处形成的超临界态碳氢燃料将在压差驱动下由燃油喷嘴19喷射雾化进入爆震燃烧室，同
氧化剂掺混后点火起爆及燃烧，完成再生冷却过程。
[0031] 对于超临界二氧化碳循环发电回路，经冷却器5冷却后低温低压的超临界CO2工质经过压缩机9升压后，经过回热器8的高温侧预热后顺序进入第一级加热器10、第二级加热器11和辅助加热器12进行等压加热，形成高温高压的超临界CO2，接着进入涡轮机13推动涡轮旋转做功，带动励磁发电机14发电，实现
热能向电能的高效转换；做功后的超临界CO2经回热器8高温侧被冷却后，再由冷却器5中的空气及液态碳氢燃料复合冷却至所需的压缩机9入口温度，至此，完成超临界CO2循环发电过程。
[0032] 在一定范围内，若爆震燃烧室壁面18热流较低，燃油旁通调节阀4的开度将减小，更多的液态碳氢燃料将流入冷却器5低温侧吸热升温后进入第一级再生冷却通道17，弥补因壁面热流降低而引起的发电循环热源不足，同时空气旁通调节阀7的开度将增加，以保持冷却器的外界冷源条件；若燃烧室壁面热流较高，燃油旁通调节阀4的开度将增加，空气旁通调节阀的开度减小，更多的空气将用于冷却压缩机9进口前的超临界二氧化碳，而更多的低温液态碳氢燃料将经燃油旁通调节阀4直接进入第一级再生冷却通道17，对爆震燃烧室壁面18进行有效的冷却降温，同时避免发电循环大的热源温度波动；若爆震发动机处于非工作状态或短时低频工作，则启动辅助加热器12，以实现超临界二氧化碳发电循环的独立工作。
[0033] 以上结合附图和具体工作过程对本发明的具体实施方式作了详细说明，但本发明并不限于上述实施方式，凡在本发明精神范围内所做的更改、替换与优化等，均应在本发明的保护范围之内。
