一种适用于混动客机电推进设备的热管理系统及其方法

本发明涉及飞行器热管理，尤其涉及一种适用于混动客机电推进设备的热管理系统及其方法。

背景技术：

1、混合电推进系统，包含发电系统、储能系统、配电系统及推进电机系统，其特征为：

2、所述发电系统包括2台发电机和2台整流器；

3、所述储能系统包括锂电池、燃料电池、dc-dc变换器；

4、所述配电系统包括配电盘箱；

5、所述推进电机系统包括推进电机和推进电机控制器；

6、发电系统使用燃油等能源经燃烧、整流等过程将储备的化学能转化为电能。储能系统使用氢等能源经原电池反应、整流等过程将储备的化学能转化为电能。配电系统根据其它系统的需要，将不同电压、频率的电能输出。推进电机系统通过电动机将电能转化为机械能，输出飞行动力。

7、混合电推进系统内的电推进设备，工作时会产生一定功率的热，需考虑热管理，否则随热量持续积累将导致温度过高，危害安全。

8、电推进设备在飞机上的布局如图1所示，具体为：推进电机1台，其换热器布置在尾舱；燃料电池1台，其换热器布置在尾舱；锂电池1台，其换热器布置在中央翼；整流器2台，其换热器布置在后货舱；dc-dc变换器1套，推进电机控制器1套，其换热器布置在散货舱；发电机2台，分别布置在两侧机翼下。配电盘箱1台，自然冷却，不计入热管理系统。

9、电推进设备按照不同的控制规律工作，如下表。在不同工况下，部分设备热负荷巨大，可达上百千瓦。

10、

11、为降低飞行成本，还要求混动客机热管理系统的体积、重量尽可能小。基于上述设备众多、布局复杂、热负荷大、体积和重量约束多(通常要求质量小于400kg)等原因，目前热管理技术已经成为限制混动客机电推进系统发展的关键因素之一。

12、现有技术，如cn201910934620.5公开一种支持多热沉重构的高速飞行器热管理系统，是针对高速飞行器的热管理系统，其热沉更多依赖燃油、蒙皮换热、消耗性热沉，混动客机热沉更多依赖冲压空气，采用类似的技术无法满足电推进设备的热管理需求。

13、cn202211009235.8公开一种倾转旋翼飞行器热管理系统，是针对小型电推进飞行器动力系统的热管理系统，因其设备数量较少、散热功率较小、布局简单，故采用较为简单的混联式架构。采用类似的技术进行混动客机热管理，对散热能力要求提高，导致动力损失巨大，飞行成本增加。

14、cn202011230067.6公开一种用于混合电推进飞行器的能量综合管理系统，针对工况高度耦合的风扇、燃烧室、涡轮等动力装置部件设计了能量管理系统。由于混动客机电推进设备工况差异较大，采用类似的技术难以进行复杂工况下电推进设备的热管理。

15、现有技术不足以满足混动客机电推进设备热管理系统设计。因此，有必要设计与混动客机配套的热管理系统，保障电推进设备正常工作，对飞机设计和飞行安全有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决混动客机存在的电推进设备众多、布局复杂、热负荷大、体积和重量约束多等原因与混合电推进系统设计之间存在的矛盾，综合考虑散热需求、可用热沉、系统重量、散热能力等方面的影响，提供一种适用于混动客机电推进设备的热管理系统，如图2所示，包括终端热沉换热器、电推进设备换热器、工质箱、传感器、ptc、泵、阀及管路等，合理进行热管理，其技术方案如下：

2、一种适用于混动客机电推进设备的热管理系统，包括燃油换热器所在的部分、冲压空气换热器所在的部分；其特征为：燃油换热器所在的部分，设置三个回路，分别为发电机a回路、发电机b回路、整流器-锂电池回路；根据在系统内循环的不同工质，各回路最终通过滑油/燃油换热器或液冷工质/燃油换热器与燃油进行热交换；冲压空气换热器所在的部分，设置三个回路，分别为推进电机控制器-dc-dc回路、燃料电池回路、推进电机回路；根据在系统内循环的不同工质，各回路最终通过滑油/冲压空气换热器或液冷工质/冲压空气换热器与冲压空气进行热交换。

3、优选为：发电机a回路包括滑油箱、泵、发电机换热器及传感器；该回路的工质滑油从滑油箱流出，经泵调节压力后，依次流经流量、压力传感器，继而流向发电机换热器进行换热。滑油换热后流出，经温度测点流向燃油换热器，最后流回滑油箱；

4、发电机b回路结构与发电机a回路完全相同，仅布局位置不同；

5、整流器-锂电池回路包括储液箱、泵、三通阀、锂电池换热器、整流器换热器及传感器。该回路的工质从储液箱流出，经泵调节压力后，通过三通阀分别流向锂电池换热器和整流器换热器进行换热。工质换热后分别经传感器测量温度、压力、流量，汇合后流向燃油换热器，最后流回储液箱。其中，锂电池换热器设置有ptc，以保障锂电池温度不会过低。

6、优选为：推进电机控制器-dc-dc回路包括储液箱、泵、三通阀、推进电机控制器换热器、dc-dc换热器及传感器；该回路的工质从储液箱流出，经泵调节压力后，通过三通阀，一路流向推进电机控制器换热器前的泵再进行压力调节，之后流向推进电机控制器换热器进行换热；另一路流向dc-dc换热器进行换热。工质换热后分别经传感器测量温度、压力、流量，汇合后流向冲压空气换热器，最后流回储液箱；

7、燃料电池回路包括储液箱、泵、燃料电池换热器及传感器，该回路的工质从储液箱流出，经泵调节压力后，流经流量传感器，继而流向燃料电池换热器进行换热；工质换热后流出，经传感器测量温度、压力后流向冲压空气换热器，最后流回储液箱。其中，燃料电池工作所需的氢储存在一装置内，与燃料电池连接。在燃料电池与燃料电池储氢装置连接的管路上设置有ptc，以保障氢温度不会过低；

8、推进电机回路滑油箱、泵、推进电机换热器及传感器，该回路的工质滑油从滑油箱流出，经泵调节压力后，依次流经流量、压力传感器，继而流向推进电机换热器进行换热。滑油换热后流出，经温度测点流向冲压空气换热器，最后流回滑油箱。

9、基于上述技术实现要素：的热管理系统质量如下表所示，其特征为：总质量小于400kg。

10、 质量组成 质量/kg 换热器 185.2 管路 19.6 工质 165.9 工质箱 4 泵 18 阀、传感器等 3.9 总质量 396.6

11、有益效果

12、本发明根据设备布局位置，将热负荷大的电推进设备分散为两部分，形成含多个终端热沉换热器的分布式架构，从而降低了对单个终端热沉换热器的换热能力要求，降低了设计、制造难度。

13、本发明根据设备的液冷工质种类需求和工况，将同一部分内的电推进设备分散到不同的回路之中，并根据设备工作时间和重量代价进行回路的组合优化，形成局部的并联回路，使得每一设备可就近换热，减小了连接的管路长度，从而降低了系统质量至小于400kg。

14、本发明根据设备的液冷工质流量、温度、压力需求，为每一回路布置了单独的泵、储液箱、传感器，使得每一设备的冷却都可得到单独的控制，从而提高了温度控制精度，降低了系统运行成本。