基于空气涡轮和ORC的机载电冷联供系统研究
发布时间：2023-04-02 18:09
高超声速飞行器的发展是衡量国家航空航天实力的重要标志之一,近20年来,高超声速技术有了快速的发展,与此同时,机载能量管理的重要性也日益凸显。机载能量的综合管理包括机载能量之间的转移和转化,如热能、冷能、电能、化学能等,对降低油耗、减轻重量、缩小体积和降低成本等有着促进作用。电能是飞行器控制、供给、导航等辅助系统运行的基础,机动飞行、隐身、激光武器等技术需要消耗百千瓦甚至兆瓦级的电能,使电力生成成为高超声速飞行面临的问题之一;同时,电子元件在外部气动热和自身散热的共同作用下,处于恶劣的热环境中,强制风冷技术作为机载电子元件最常用的冷却方式,冷源空气的来源受限,因此,电子元件冷源空气供给是高超声速飞行器面临的又一问题。为解决高超声速飞行器电力生成和冷源空气供给的问题,本文从机载能量综合利用的角度,基于空气涡轮和有机朗肯循环(ORC),构建了一个电冷联供系统,其基本原理是:空气涡轮发电的同时使空气大幅降温,ORC以空气涡轮出口空气为热源,对空气进一步降温并产出额外电能,既增加了功率又减小了燃料冷能的消耗,符合能量综合利用的思路。为确保空气涡轮高马赫条件的使用,采用燃料对空气涡轮进行冷却。首先...
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号表
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 机载电力生成研究现状
1.2.2 机载冷源及电子元件冷却方法研究现状
1.2.3 涡轮叶片冷却研究现状
1.2.4 ORC发电研究现状
1.3 研究现状分析及现存问题
1.4 本文的主要研究内容及章节安排
第2章 机载电冷联供系统方案构建及分析
2.1 引言
2.2 基于空气涡轮和ORC的电冷联供系统方案构建
2.2.1 空气涡轮联合ORC的方案构建思路
2.2.2 电冷联供系统方案及原理
2.3 电冷联供系统用高温ORC理想性能分析
2.3.1 ORC能量分析理想模型
2.3.2 高温ORC构建及定冷热源工况参数优化
2.3.3 高温ORC蒸发过程数值模拟
2.4 电冷联供系统用空气涡轮气动性能
2.4.1 单级大膨胀比空气涡轮结构设计
2.4.2 空气涡轮气动性能数值模拟
2.5 本章小结
第3章 空气涡轮动叶燃料旋转冷却数值研究
3.1 引言
3.2 动叶冷却方案及燃料旋转冷却的效果分析
3.2.1 高马赫数高温空气涡轮的冷却需求分析
3.2.2 空气涡轮动叶冷却方案及物理模型
3.2.3 碳氢燃料冷却涡轮动叶数值模拟分析
3.3 旋转通道内流动特征理论基础
3.3.1 理论基础简介
3.3.2 旋转数对流场的影响
3.4 旋转通道分流与汇流流动特征
3.4.1 空气涡轮转子内冷却通道物理模型
3.4.2 旋转通道分流腔与汇流腔流动特征
3.5 物性变化对碳氢燃料旋转通道内流动换热的影响
3.5.1 物理模型及工质物性二元多项式拟合
3.5.2 采用状态方程与多项式拟合的对比
3.5.3 碳氢燃料旋转冷却热加速效应
3.5.4 流量对碳氢燃料旋转冷却流动换热的影响
3.6 本章小结
第4章 ORC系统及部件性能实验和数值研究
4.1 引言
4.2 ORC?分析理想模型
4.3 ORC实验系统
4.3.1 循环回路及设备
4.3.2 实验不确定度分析
4.4 ORC基础性能及热源温降规律实验研究
4.4.1 定热源流量ORC性能实验研究
4.4.2 ORC热源温度利用率实验研究
4.5 实际循环中部件性能对ORC性能影响的实验研究
4.5.1 实验工况和稳态数据样本
4.5.2 ORC主要部件性能实验研究
4.5.3 换热器流动损失对系统性能影响
4.6 透平膨胀器用于小功率ORC系统的数值研究
4.6.1 工质
4.6.2 透平降低转速增宽范围的研究
4.6.3 混合工质透平性能探索
4.7 本章小结
第5章 电冷联供系统总体性能
5.1 引言
5.2 电冷联供系统总体性能的研究
5.2.1 热源温度对ORC性能的影响
5.2.2 电冷联供系统总体热力学性能分析
5.3 电冷联供系统性能提升的研究
5.3.1 空气涡轮气动性能的提升
5.3.2 电冷联供系统冷能的提升
5.4 电冷联供系统功重比的估计
5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历
本文编号：3779696
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号表
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 机载电力生成研究现状
1.2.2 机载冷源及电子元件冷却方法研究现状
1.2.3 涡轮叶片冷却研究现状
1.2.4 ORC发电研究现状
1.3 研究现状分析及现存问题
1.4 本文的主要研究内容及章节安排
第2章 机载电冷联供系统方案构建及分析
2.1 引言
2.2 基于空气涡轮和ORC的电冷联供系统方案构建
2.2.1 空气涡轮联合ORC的方案构建思路
2.2.2 电冷联供系统方案及原理
2.3 电冷联供系统用高温ORC理想性能分析
2.3.1 ORC能量分析理想模型
2.3.2 高温ORC构建及定冷热源工况参数优化
2.3.3 高温ORC蒸发过程数值模拟
2.4 电冷联供系统用空气涡轮气动性能
2.4.1 单级大膨胀比空气涡轮结构设计
2.4.2 空气涡轮气动性能数值模拟
2.5 本章小结
第3章 空气涡轮动叶燃料旋转冷却数值研究
3.1 引言
3.2 动叶冷却方案及燃料旋转冷却的效果分析
3.2.1 高马赫数高温空气涡轮的冷却需求分析
3.2.2 空气涡轮动叶冷却方案及物理模型
3.2.3 碳氢燃料冷却涡轮动叶数值模拟分析
3.3 旋转通道内流动特征理论基础
3.3.1 理论基础简介
3.3.2 旋转数对流场的影响
3.4 旋转通道分流与汇流流动特征
3.4.1 空气涡轮转子内冷却通道物理模型
3.4.2 旋转通道分流腔与汇流腔流动特征
3.5 物性变化对碳氢燃料旋转通道内流动换热的影响
3.5.1 物理模型及工质物性二元多项式拟合
3.5.2 采用状态方程与多项式拟合的对比
3.5.3 碳氢燃料旋转冷却热加速效应
3.5.4 流量对碳氢燃料旋转冷却流动换热的影响
3.6 本章小结
第4章 ORC系统及部件性能实验和数值研究
4.1 引言
4.2 ORC?分析理想模型
4.3 ORC实验系统
4.3.1 循环回路及设备
4.3.2 实验不确定度分析
4.4 ORC基础性能及热源温降规律实验研究
4.4.1 定热源流量ORC性能实验研究
4.4.2 ORC热源温度利用率实验研究
4.5 实际循环中部件性能对ORC性能影响的实验研究
4.5.1 实验工况和稳态数据样本
4.5.2 ORC主要部件性能实验研究
4.5.3 换热器流动损失对系统性能影响
4.6 透平膨胀器用于小功率ORC系统的数值研究
4.6.1 工质
4.6.2 透平降低转速增宽范围的研究
4.6.3 混合工质透平性能探索
4.7 本章小结
第5章 电冷联供系统总体性能
5.1 引言
5.2 电冷联供系统总体性能的研究
5.2.1 热源温度对ORC性能的影响
5.2.2 电冷联供系统总体热力学性能分析
5.3 电冷联供系统性能提升的研究
5.3.1 空气涡轮气动性能的提升
5.3.2 电冷联供系统冷能的提升
5.4 电冷联供系统功重比的估计
5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历
本文编号：3779696
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