[发明专利]一种喷气式发动机液态金属朗肯循环热电转换装置

说明书

本发明提出一种喷气式发动机液态金属朗肯循环热电转换装置，该转换装置对喷气式发动机的涡轮和喷管壁面进行冷却；液态金属朗肯循环热电转换装置的储存箱内储存有液态金属，储存箱的出口与电磁泵的入口连通，电磁泵出口经过机匣与涡轮静叶内部冷却通道入口连通，涡轮静叶内部冷却通道出口与喷管壁面冷却通道入口连通，喷管壁面冷却通道出口与透平的入口连通，透平的出口与冷凝器的工质入口连通，冷凝器工质出口与储存箱入口连通，构成液态金属的流路；透平与发电机同轴转动，带动发电机发电。本发明解决了现有喷气式发动机涡轮静叶在燃气初温过高带来的烧蚀等问题，解决飞行器对电能和冷能的双重需求，提高喷气式发动机的性能上限。

技术领域

本发明涉及一种喷气式发动机液态金属朗肯循环热电转换装置，属于喷气式发动机能量综合利用领域。

背景技术

喷气式发动机作为目前的飞行器主要发动机类型，人们花费很大精力来提高其性能。目前人们经常采用“升温提效”的方式，即通过升高涡轮前燃气温度，使得涡轮效率能够得到大幅提升并具有较高的推重比。但由于叶栅材料自身的耐热性能较为有限，因此，需要设计燃气涡轮导叶冷却结构实现对叶片的有效温控，以此确保其能够长时间地实现安全稳定运行。

目前吸气式涡轮发动机中涡轮静叶通常采用气膜冷却，从压气机中引出一股低温气体并引入涡轮静叶片内的冷却腔室，最后从叶片表面的气膜孔喷出，在叶片表面形成一层低温保护层，这种方法要求低温空气，因此限制了喷气式发动机往高马赫数发展，而且增加了压气机耗功，降低了喷气式发动机的输出功。随着涡轮前温度不断上升，为了满足冷却需求，涡轮叶片的结构越来越复杂，对叶片的加工技术提出了巨大的挑战，同时，叶片的强度和硬度也不断地削弱。因此可以考虑换一种高导热性能的冷却介质来冷却涡轮叶片，在简化涡轮叶片结构的同时满足冷却需求，提升发动机的性能。

液态金属作为冷却工质的原因是液态金属相比其他冷却剂具有两个及其重要的优势：一是液态金属常压下具有较高的沸点，系统管道压力较低；二是由电子传导决定的高热导率，并且采用液态金属冷却剂可以保证被冷却装置中具有很大的热交换强度，可保证它们结构的工作表面温度接近冷却剂温度。

飞行器携带有大量电子设备，其需要稳定的电量供应。液态金属朗肯循环的研究从上世纪60年代开始，其最初应用于空间核能的热电转换。在50kw-100kw范围内，液态金属朗肯循环相比于其他热电转换系统，拥有最佳比功率，同时液态金属朗肯循环拥有较高的循环效率，可以为飞行器提供充足的电力供应。

发明内容

本发明为了解决现有喷气式发动机涡轮静叶在燃气初温过高带来的烧蚀等问题，本发明对喷管进行冷却，降低了喷气式发动机喷管受燃气热侵蚀的问题，同时通过液态金属朗肯循环将吸收的热能转化为电能供飞行器使用，解决飞行器对电能和冷能的双重需求，提高喷气式发动机的性能上限。

本发明提出一种喷气式发动机液态金属朗肯循环热电转换装置，包括喷气式发动机和液态金属朗肯循环热电转换装置，所述喷气式发动机包括压气机、燃烧室、两个涡轮、喷管和机匣；所述机匣内依次设置有压气机、燃烧室、两个涡轮和喷管，所述液态金属朗肯循环热电转换系统对喷气式发动机的涡轮和喷管壁面进行冷却；所述液态金属朗肯循环热电转换装置包括透平、发电机、冷凝器、电磁泵和储存箱；所述储存箱内储存有液态金属，所述储存箱的出口与电磁泵的入口连通，所述电磁泵的出口经过机匣与涡轮静叶内部冷却通道入口连通，所述涡轮静叶内部冷却通道出口与喷管壁面冷却通道入口连通，所述喷管壁面冷却通道出口与透平的入口连通，所述透平的出口与冷凝器的工质入口连通，所述冷凝器工质出口与储存箱入口连通，构成液态金属的流路；所述透平与发电机同轴转动，带动发电机发电。

优选地，所述冷凝器通过冷空气进行冷凝。

本发明所述的喷气式发动机液态金属朗肯循环热电转换装置的有益效果为：