布雷顿循环和半导体温差联合发电技术在飞行器上的应用

文章针对飞行器燃烧室高温壁面提出了初步的闭式布雷顿循环和半导体温差联合发电方案。首先,建立了简化的理论计算模型,开展了温度场计算分析;然后,根据布雷顿循环发电系统的关键节点温度和半导体温差电材料冷热端温差计算结果,给出联合发电系统的整体发电量和基本性能参数。研究结果为布雷顿循环和半导体温差联合发电系统在飞行器上的应用提供了指导和借鉴。     

空间闭式布雷顿循环旁路调节特性分析

闭式布雷顿循环是未来空间大功率热电转换的有效途径,而旁路调节是实现系统快速功率调节和转速控制的有效手段。通过对标美国普罗米修斯计划中的热电转换系统参数,进行了涡轮、压气机的气动设计和换热器性能计算,获得了包括组件特性、管道布局的热电转换系统动态仿真模型。基于该动态模型,对旁通阀不同响应时间、开度对系统功率、转速和循环温度、压力等参数影响进行仿真研究。空间闭式布雷顿循环系统在旁通阀开启后,系统功率和转速快速下降,其中功率出现了超调现象;循环高压侧压力下降且低压侧压力上升;回热器热侧入口温度增加而冷侧入口温度下降,热应力进一步提高。系统容积的提高,在一定程度上可以降低系统对旁通阀调节的敏感性。     

带有闭式布雷顿循环的预冷发动机特性研究

为获取带有闭式布雷顿循环的预冷发动机的飞行包线及性能,同时为提高发动机工程实现可行性,本文基于带有闭式布雷顿循环的预冷发动机基础循环及现有部件技术水平,构建了一种适度预冷发动机方案。对该方案下发动机沿着SABRE3飞行轨迹下的性能和部件匹配规律进行了分析。然后通过对发动机的高度、速度、调节特性进行研究,得到了该方案下发动机的飞行包线及整个包线内的性能。计算结果表明,本文所提出的适度预冷方案与SABRE3方案相比,核心机的比冲基本相当,但单位推力有所降低,工程可实现性提高;通过分别控制氦循环最低、最高温度为目标值,可保证发动机各部件在马赫数0~5的整个飞行过程中均处于稳定工作区间内,发动机比冲在1359 s~2099 s之间,地面点单位推力最大,达到1.9 kN/(kg/s);特性研究发现发动机推力与比冲在高度0~15 km、马赫数1~3之间最高,而单位推力最高的区域主要集中在包线的左侧低马赫数区,随马赫数的增加逐渐降低;发动机对氦压气机前温度的调节十分敏感,而对氦涡轮前温度的调节敏感性较低。综合研究表明,本文所给出的适度预冷方案的预冷发动机具有较好的宽域工作能力。     

布雷顿和卡诺热机循环性能比较(Ⅱ)定常态流变温热源循环

研究定常态变温热源热机循环性能，导出内可逆卡诺热机和布雷顿热机的最佳功率、效率关系和最大功率及相应的效率界限，并对这两种热机循环的最优性能进行了比较。理论分析表明，在相同的边界条件和热效率下，布雷顿循环的功率可以高于卡诺循环的功率，极限情况下前者是后者的两倍。对于变温热源条件，布雷顿循环主要受益于其工质与热源间有较佳的匹配。所得结果对热机工作参数和工质的最优选择有一定指导意义。     

变温热源内可逆布雷顿循环功率密度优化

计人工质与高、低温侧换热器的热阻损失，用有限时间热力学方法，导出了变温热源条件下内可逆布雷顿循环功率密度与压比间的解析式，借助于数值计算，研究了高、低温侧换热器的热导率分配和工质与热源间的热容率匹配对功率最大密度的影响。     

恒温热源条件下实际回热式布雷顿循环的功率密度优化

计人工质与高、低温侧换热器和回热器的热阻损失、压气机和涡轮机中不可逆压缩和膨胀损失及管路系统中的压力损失，用有限时间热力学方法，导出了恒温热源条件下实际回热式布雷顿循环功率密度与压比间的解析式，借助于数值计算，研究了高、低温侧换热器和回热器的热导率分配对最大功率密度的影响。     

变温热源内可逆闭式中冷回热布雷顿循环的功率和效率

应用有限时间热力学方法，首次研究了变温热源条件下内可逆闭式中冷回热布雷顿循环的性能。导出了无因次功率及效率的解析式，由数值计算，分析了循环最优功率和最优效率时的最佳中间压比分配。并研究了中冷度，回热度和高低温侧换热器的有效度，循环热源进口温比以及中冷源与低温侧热源进口温比对循环性能的影响。     

基于部件模型的超临界二氧化碳布雷顿循环性能计算

为了研究超临界二氧化碳布雷顿循环在设计状态和非设计状态下的性能,建立压气机、涡轮及换热器等主要部件的部 件模型。给出各部件在共同工作时需要满足的平衡方程,同时建立求解稳态特性计算模型的非线性方程组,进而发展出1 种超临 界二氧化碳布雷顿循环非设计点性能计算方法和对应程序。针对简单布雷顿循环和再压缩布雷顿循环分别建立2 种模型,并计算 分析了转速、压气机和涡轮进口温度对发动机性能的影响。结果表明：在设计状态下,再压缩布雷顿循环的效率高于简单布雷顿循 环的效率;在非设计状态下,再压缩布雷顿循环的性能降低速率更快。     

定常态流恒温、变温热源两种热机循环比较

研究定常态恒温,变温热源热机循环性能,导出内可逆卡诺热机和布雷顿热机的最佳率,效率关系和最大功率及相应效率界限,并对这两种热机循环的最优性能进行了比较,理论分析表明,定常态流恒温热源循环,只有当工质的热容率趋于无穷大时,布雷顿循环才能达到卡诺循环的性能。数值计算显示,当布雷顿循环的工质热容率为高,低温侧换热器的热导率总量的1．5倍时,布雷顿循环的功率已为卡诺循环功率的99％以上。定常态流变温热源环在相同的边界条件和热效率下,布雷顿循环的功率可以高于卡诺循环功率,极限情况下前是后的两倍,对于变温热源条件,布雷顿循环主要受益于其工质与热源间的较佳的匹配,所得结果对热机工作参数和工质的最优选择有一定指导意义。     

布雷顿、逆布雷顿循环组成的联合循环(火用)分析

利用热力学第二定律分析了布雷顿、逆布雷顿循环组成的联合循环,得出了联合循环各部分的（火用）损失及系统的（火用）效率表达式,确定了循环中（火用）损失最大的位置,并由数值计算分析了各种参数对联合循环（火用）效率和其他特性的影响.