一种基于液态金属的发动机预冷与热电转换系统的制作方法

本技术涉及发动机预冷与能量综合利用，尤其涉及一种基于液态金属的发动机预冷与热电转换系统。

背景技术：

1、复合预冷组合动力发动机是通过预冷大气中的空气作为氧化剂，实现吸气模式和火箭模式燃烧组件共用的组合发动机，组合动力飞行器在不同空域、速域下采用不同的动力模态，具有工作范围宽、综合经济性好等技术特点，是未来重复使用天地往返的理想运载器之一。

2、天地往返飞行器的长航时、远距离、高速飞行特性，导致其机载设备的用电需求急剧增大，需要提供持续稳定的电力供应，但携带燃料电池等供能装置会增加额外重量负担。同时，高速飞行器航行过程中会产生大量的热负荷，如气动摩擦热、燃烧室壁面热流、来流高温空气等，低温燃料作为飞行器仅有的冷源，冷却用燃料用量大，面临燃料热沉不足的问题。通过热电转换装置将部分热负荷转化为电能，一方面可提供稳定的电力供应，另一方面可降低对燃料热沉的需求，对于长时间、远距离飞行的高速飞行器动力装置系统发展具有重要意义。

3、专利文献cn 101580134a提供了一种基于斯特林循环的飞行器冷却系统，其热源为燃烧室壁面热流，斯特林热机的工质为飞行器冷却剂，燃料为间接冷却剂，可对发动机燃烧室实现有效冷却并提供电力供应。

4、专利文献cn 111828198b提供了一种喷气式发动机液态金属朗肯循环热电转换装置，利用液态金属作为冷却剂对喷气式发动机涡轮静叶进行冷却，解决了燃气初温温度过高而导致涡轮静叶发生烧蚀的问题。

5、上述专利文献主要面向发动机燃烧室壁面热等结构热提出了相应的能量综合利用技术，随着组合动力发动机技术的发展，动力装置来流空气温度不断升高，且换热器冷却介质换热能力不足，高温来流空气热量的快速耗散与综合利用成为需要解决的问题。

技术实现思路

1、本实用新型提供了一种基于液态金属的发动机预冷与热电转换系统，能够解决现有技术中高速飞行器热沉容量不足，冷却介质换热能力差与飞行器持续供电的技术问题。

2、本实用新型提供了一种基于液态金属的发动机预冷与热电转换系统，发动机预冷与热电转换系统包括液态金属预冷器10、二次预冷器11、液态金属驱动装置12、热电热端换热器13、热电元件14、热电冷端换热器15、冷端燃料换热器16、热端液态金属换热器17、燃料驱动装置18、燃料贮存器19，液态金属预冷器10、热电热端换热器13、热端液态金属换热器17与液态金属驱动装置12首尾相连接，燃料贮存器19、燃料驱动装置18、冷端燃料换热器16与热电冷端换热器15依次相连接，热电热端换热器13与热电冷端换热器15分别位于热电元件14两侧，液态金属预冷器10与二次预冷器11串联连接。

3、进一步地，二次预冷器11为管壳式换热器。

4、进一步地，管壳式换热器内填充氦气或氮气。

5、进一步地，液态金属回路中的液态金属为镓基合金、铋基合金或钠钾合金。

6、进一步地，液态金属驱动泵为电磁泵、机械泵或蠕动泵。

7、进一步地，热电热端换热器13、热电冷端换热器15与热电元件14呈曲面共形化设计。

8、进一步地，热电元件14采用高温-中温-近室温区多级热电材料设计。

9、进一步地，热电元件14的高温热电材料为锗化硅sige或半休氏勒合金材料，中温热电材料为铅基热电材料pbq、碲化锡snte、碲化锗gete与cosb3基方钴矿；近室温区热电材料为碲化铋bi2te3、铋锑碲bi0.5sb1.5te3或镁基热电材料mg3(sb,bi)2。

10、应用本实用新型的技术方案，提供了一种基于液态金属的发动机预冷与热电转换系统，该系统将液态金属预冷器与二次预冷器两组预冷器串联工作。液态金属预冷器率先对来流空气进行一次冷却，可充分利用高品位热能资源，提高能量转化效率；二次预冷器对流经液态金属预冷器的来流空气进行深度冷却，进一步降低来流空气温度；该方法所采用的液态金属预冷器基于液态金属的高热导率与良好的流动特性，具备强对流换热能力，对来流空气进行快速冷却，可缩减预冷器体积，降低内部微通道结构加工难度；此外，液态金属常压下沸点高，系统管道压力较低，可减少动力装置高压管路占比，提高系统安全裕量。因此，本实用新型所提供的基于液态金属的发动机预冷与热电转换系统与现有技术相比，利用封闭的液态金属回路传递高品位热能，换热效率高，稳定性好，能够有效解决现有技术中换热器冷却介质换热能力不足，高温来流空气热量的快速耗散与综合利用的问题。

技术特征：

1.一种基于液态金属的发动机预冷与热电转换系统，其特征在于，所述发动机预冷与热电转换系统包括液态金属预冷器(10)、二次预冷器(11)、液态金属驱动装置(12)、热电热端换热器(13)、热电元件(14)、热电冷端换热器(15)、冷端燃料换热器(16)、热端液态金属换热器(17)、燃料驱动装置(18)和燃料贮存器(19)，所述液态金属预冷器(10)、所述热电热端换热器(13)、所述热端液态金属换热器(17)与所述液态金属驱动装置(12)首尾相连接，所述燃料贮存器(19)、所述燃料驱动装置(18)、所述冷端燃料换热器(16)与所述热电冷端换热器(15)依次相连接，所述热电热端换热器(13)与所述热电冷端换热器(15)分别位于所述热电元件(14)两侧，所述液态金属预冷器(10)与所述二次预冷器(11)串联连接。

2.根据权利要求1所述的基于液态金属的发动机预冷与热电转换系统，其特征在于，所述二次预冷器(11)为管壳式换热器。

3.根据权利要求2所述的基于液态金属的发动机预冷与热电转换系统，其特征在于，所述管壳式换热器内填充氦气或氮气。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于液态金属的发动机预冷与热电转换系统，其特征在于，液态金属回路中的液态金属为镓基合金、铋基合金或钠钾合金。

5.根据权利要求4所述的基于液态金属的发动机预冷与热电转换系统，其特征在于，所述液态金属驱动泵为电磁泵、机械泵或蠕动泵。

6.根据权利要求5所述的基于液态金属的发动机预冷与热电转换系统，其特征在于，所述热电热端换热器(13)、所述热电冷端换热器(15)与所述热电元件(14)呈曲面共形化设计。

7.根据权利要求1所述的基于液态金属的发动机预冷与热电转换系统，其特征在于，所述热电元件(14)采用高温-中温-近室温区多级热电材料设计。

8.根据权利要求7所述的基于液态金属的发动机预冷与热电转换系统，其特征在于，所述热电元件(14)的高温热电材料为锗化硅sige或半休氏勒合金材料，中温热电材料为铅基热电材料pbq、碲化锡snte、碲化锗gete与cosb3基方钴矿；近室温区热电材料为碲化铋bi2te3、铋锑碲bi0.5sb1.5te3或镁基热电材料mg3(sb,bi)2。

技术总结本技术提供了一种基于液态金属的发动机预冷与热电转换系统，包括液态金属预冷器10、二次预冷器11、液态金属驱动装置12、热电热端换热器13、热电元件14、热电冷端换热器15、冷端燃料换热器16、热端液态金属换热器17、燃料驱动装置18和燃料贮存器19，液态金属预冷器10、热电热端换热器13、热端液态金属换热器17与驱动装置12相连接，燃料贮存器19、驱动装置18、冷端燃料换热器16与热电冷端换热器15依次相连接，热电热端换热器13与热电冷端换热器15分别位于热电元件14两侧，液态金属预冷器10与二次预冷器11串联连接。应用本技术的技术方案，以解决现有技术中高速飞行器热沉容量不足，冷却介质换热能力差与飞行器持续供电的技术问题。技术研发人员：孙鹏,安康受保护的技术使用者：中国航天科工飞航技术研究院（中国航天海鹰机电技术研究院）技术研发日：20231113技术公布日：2024/6/13