基于热电转换的超燃冲压发动机主动冷却系统方案研究

本文以超燃冲压发动机为应用背景,开展基于热电转换的超燃冲压发动机主动冷却系统方案研究。针对超燃冲压发动机的冷却问题,分析发动机壁面传热量的可用能,提出直接热电转换、间接热电转换和组合型热电转换三类系统方案,分析和比较系统方案的性能,旨在实现系统方案对发动机长时间工作的冷却要求。首先根据超燃冲压发动机的工作过程和能量平衡关系,进行超燃冲压发动机壁面的传热分析,建立了热量（火用）计算模型、闭口热力系和稳定流动系（火用）平衡分析模型,分析发动机壁面总传热量和可用能,获得超燃冲压发动机壁面传热量的做功潜力大小。根据可用冷源的选择和分析,提出了直接热电转换、间接热电转换和组合型热电转换三类系统方案,分析了不同方案的结构组成和工作过程,进行燃料冷却过程与燃烧过程的影响分析,以及分析燃料冷却过程与燃烧过程的匹配要求。提出基于热电转换的主动冷却系统方案的性能指标参数,建立温差热电(TEG)系统方案、热力循环系统方案和TEG-TURBO组合型系统方案性能指标分析模型,分析燃料吸热终了温度、方案最高工作温度、无量纲优值系数(ZT)和压比对三类方案的性能影响,比较不同因素对方案性能的影响趋势。对直接热电转换(温差热电转换)系统方案进行热量传递与转换分析,提出了耦合传热过程分析方法,在超燃冲压发动机一定工况下,得到满足发动机长时间工作冷却要求的性能指标参数。对间接热电转换系统方案性能进行研究,分析闭式布雷顿循环、郎肯循环、分级膨胀热力循环系统方案的热力过程,提出了系统方案的热力过程分析方法,在发动机一定工况下,当满足发动机长时间工作冷却要求时,得到系统方案性能指标参数。对组合型系统方案性能进行分析,在温差热电转换系统方案热量传递与转换研究的基础上,对TEG-TURBO的组合型系统方案的燃料涡轮膨胀做功过程进行分析,根据组合型系统方案的性能指标分析模型,在发动机一定工况下得到系统方案性能指标参数。比较三类基于热电转换的主动冷却系统方案,由系统方案性能指标参数计算可知:以He为分级膨胀工质的热力循环系统方案在发动机长时间工作冷却方面更具有优势。建立了间接热电转换(以闭式布雷顿循环为例)系统方案和TEG-TURBO组合型系统方案的（火用）传递分析模型,研究系统方案热量传递与转换的热能品质变化问题,分析了系统方案热力过程（火用）变化和（火用）损,进而得到系统方案的总（火用）损和（火用）效率,为提高系统方案性能提供参考。本文研究成果为超燃冲压发动机长时间工作的主动冷却系统设计提出新的思路,为高超声速飞行器长时间飞行的电力需求和电源系统设计提出新的方向。