[发明专利]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

说明书

本发明提出了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、二、三级再生冷却通道、涡轮机、压缩机、第一、二级加热器、辅助加热器、励磁发电机、回热器、冷却器、燃油喷嘴及电控单元。本系统通过采用级间放热的轴向三级再生冷却方法，充分利用超临界态碳氢燃料放热与二氧化碳吸热良好的过程匹配，降低传热不可逆损失，为超临界二氧化碳发电循环高效稳定的提供高温热源的同时，显著提高再生冷却能力；此外，系统以空气及部分碳氢燃料作为发电循环的冷却介质，提供二氧化碳拟临界温度附近冷源条件，降低循环压缩功耗，回收利用循环冷却释热，实现系统更高的热电转换效率。

技术领域

本发明涉及爆震发动机领域，具体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。

背景技术

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。

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。

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

要解决的技术问题

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。

本发明的技术方案为：