CN117145633B - 一种用于航空发动机的基于热电效应的余热回收*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于航空发动机的基于热电效应的余热回收***，涉及航空发动机技术领域，包括：第一热电装置，设置在发动机高温排气管道中，第一热电装置包括第一半导体热电单元，第一半导体热电单元的热端引入发动机高温排气，冷端引入发动机冷源；第二热电装置，第二热电装置包括第二半导体热电单元，第二半导体热电单元的热端设置在发动机机匣壁面，冷端引入发动机冷源，半导体热电单元将热能转换为电能；蓄电池，第一热电装置和第二热电装置的电能输出端分别连接蓄电池，以将产生的电能存储在蓄电池中。本发明在不影响航空发动机核心部件结构的情况下回收利用发动机余热，提高能量利用效率，降低航空发动机热能的损失浪费，实现节能减排。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，具体涉及一种用于航空发动机的基于热电效应的余热回收***。
背景技术
航空发动机热管理***担负着设计发动机各部件、***之间以及飞机和发动机之间热量分配的重任，从而达到提高能量利用效率、实现***优化设计的目的。
随着近年来对发动机节能减排、绿色环保要求的不断提高，发动机节能、减排技术已经成为其技术发展最重要的方向之一。发动机燃料燃烧所释放的能量只有三分之一左右被有效利用，而有效回收与利用燃气轮机排气余热是推动和扩大燃气轮机发展的最有效途径。随着新一代航空发动机向宽空域、宽速域、飞行时间更长、多电化、自适应智能化、高能武器的携带以及红外隐身等方向发展，其能量消耗增大，但同时也导致大量的热量散失或直接排放到大气中，造成极大的浪费。但是在传统发动机结构中引入间冷器和回热器，虽然能够有效利用发动机排气余热提升其性能，但会导致发动机结构更复杂，同时制造难度和研制成本大幅增加。
塞贝克温差发电是一种常见的余热回收技术。该技术旨在半导体热电材料两端形成温差，通过热电效应将热能直接转换为电能。随着能源危机和环境污染问题的加剧以及高性价比热电材料的研发，使得温差发电技术在汽车、船舶、工业等领域备受关注。与引入间冷器和回热器技术相比，温差发电装置具有结构简单、可靠性高等优势，且不需要改动现有发动机核心部件结构。但目前在航空发动机领域中，缺乏适用于航空发动机温差发电技术的相关研究应用。基于此，需要对余热温差发电技术在航空发动机领域余热回收方向的可行性进行分析研究。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供一种用于航空发动机的基于热电效应的余热回收***，以在不影响航空发动机核心部件结构的情况下回收利用发动机余热，提高能量利用效率，降低航空发动机热能的损失浪费，实现节能减排。
本申请实施例提供以下技术方案：一种用于航空发动机的基于热电效应的余热回收***，包括：
第一热电装置，所述第一热电装置设置在发动机高温排气管道中，所述第一热电装置包括第一半导体热电单元，所述发动机高温排气管道中的高温排气作为热源引入所述第一半导体热电单元的热端，所述第一半导体热电单元的冷端引入发动机冷源，使所述热源和冷源在所述第一半导体热电单元的两端形成冷热温差后，将热能转换为电能；
第二热电装置，所述第二热电装置包括第二半导体热电单元，所述第二半导体热电单元的热端设置在发动机机匣壁面上，以将所述发动机机匣壁面上的热量作为所述第二半导体热电单元的热源，所述第二半导体热电单元的冷端引入发动机冷源，使所述热源和冷源在所述第二半导体热电单元的两端形成冷热温差后，将热能转换为电能；
蓄电池，所述第一热电装置和所述第二热电装置的电能输出端分别连接所述蓄电池，以将产生的电能存储在蓄电池中。
根据本申请一种实施例，所述第一半导体热电单元的PN结中的P型半导体和N型半导体上下对称分布，所述P型半导体和所述N型半导体的冷端分别设置冷端绝缘板，所述P型半导体和所述N型半导体的热端分别设置热端绝缘板，且所述P型半导体的冷端和所述N型半导体的冷端相向间隔设置，使冷端之间形成冷源通道，所述P型半导体的冷端与所述N型半导体的冷端之间通过铜柱连接，所述热端绝缘板的外侧分别阵列排布肋片结构，以通过所述肋片结构形成热源通道。
根据本申请一种实施例，所述第二半导体热电单元的PN结中的P型半导体和N型半导体间隔交叉排布，所述P型半导体和N型半导体的冷端分别设置上冷端绝缘板和下冷端绝缘板，所述上冷端绝缘板和下冷端绝缘板之间通过U型铜柱连接，以在所述上冷端绝缘板和所述下冷端绝缘板之间形成冷源通道，所述P型半导体和N型半导体的热端设置热端绝缘板，所述热端绝缘板设置在所述发动机机匣壁面上。
根据本申请一种实施例，所述发动机机匣壁面上开设凹槽或安装孔，以将所述热端绝缘板固定设置在所述凹槽或安装孔中。
根据本申请一种实施例，所述第一热电装置还包括设置在热源与所述第一半导体热电单元的热端之间的热端换热装置，用于使热源通过所述热端换热装置后将高温热量传递至所述第一半导体热电单元的热端；
所述第一热电装置还包括设置在冷源与所述第一半导体热电单元的冷端之间的冷端换热装置，用于使冷源通过所述冷端换热装置后将低温热量传递至所述第一半导体热电单元的冷端。
根据本申请一种实施例，所述第二热电装置还包括设置在冷源与所述第二半导体热电单元的冷端之间的冷端换热装置，用于使冷源通过所述冷端换热装置后将低温热量传递至所述第二半导体热电单元的冷端。
根据本申请一种实施例，还包括继电器，所述第一热电装置和所述第二热电装置的电能输出端与所述蓄电池之间的连接电路上设置所述继电器，用于在所述蓄电池充满电后通过所述继电器将电路断开，避免负荷过载，当所述蓄电池的电量低于设定阈值后通过所述继电器自动连接充电。
根据本申请一种实施例，还包括稳压器，所述稳压器设置在所述蓄电池的电能输出端，使电能从所述蓄电池中释放后，经过所述稳压器后输送至电气设备。
根据本申请一种实施例，所述发动机冷源为低温引气，或发动机燃油。
根据本申请一种实施例，所述低温引气包括冲压空气、外涵道空气、进气道空气中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明实施例能够在不影响航空发动机核心部件结构的情况下回收利用发动机排气余热。同时用于温差发电的热电装置具有结构简单、可靠性高等优势。
本发明中，将发动机运行过程中产生的高温排气作为热源，低温引气作为冷源。二者在热电装置半导体材料两端充分换热，使其形成温差，在热电效应作用下产生电压。通过温差发电产生的电能存储在蓄电池中，当蓄电池达到存储上限时，自动断开与热电装置的连接以避免负荷过载，低于一定阈值后自动连接充电。从蓄电池释放的电能经过调控后为发动机电气设备提供平稳电压。装置使用过程中无需人工参与，全程自动化。本发明有效回收发动机余热并将热能转换成电能为飞机和发动机电气设备供电，解决发动机排气能量浪费过高的问题，实现节能减排。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例的余热回收***示意图；
图2是本发明实施例中第一热电装置的第一示意图；
图3是本发明实施例中第一热电装置的第二示意图；
图4是本发明实施例中第二热电装置的第一示意图；
图5是本发明实施例中第二热电装置的第二示意图；
图6是本发明实施例中第一半导体热电单元结构示意图；
图7是本发明实施例中第二半导体热电单元结构第一示意图；
图8是本发明实施例中第二半导体热电单元结构第二示意图。
其中，1-电气设备；2-稳压器；3-蓄电池；4-继电器；5-第一热电装置；6-第二热电装置；501-热源；502-热端换热装置；503-冷源；504-冷端换热装置；7-大气；8-燃油；9-燃烧室；10-机匣壁面；11-P型半导体；12-N型半导体；13-冷端绝缘板；14-热端绝缘板；15-铜柱；16-肋片结构；17-上冷端绝缘板；18-下冷端绝缘板；19-U型铜柱。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种用于航空发动机的基于热电效应的余热回收***，包括：
第一热电装置5，所述第一热电装置5设置在发动机高温排气管道中，所述第一热电装置5包括第一半导体热电单元，所述发动机高温排气管道中的高温排气作为热源引入所述第一半导体热电单元的热端，所述第一半导体热电单元的冷端引入发动机冷源，使所述热源和冷源在所述第一半导体热电单元的两端形成冷热温差后，将热能转换为电能；
第二热电装置6，所述第二热电装置6包括第二半导体热电单元，所述第二半导体热电单元的热端设置在发动机机匣壁面上，以将所述发动机机匣壁面上的热量作为所述第二半导体热电单元的热源，所述第二半导体热电单元的冷端引入发动机冷源，使所述热源和冷源在所述第二半导体热电单元的两端形成冷热温差后，将热能转换为电能；
蓄电池3，所述第一热电装置5和所述第二热电装置6的电能输出端分别连接所述蓄电池3，以将产生的电能存储在蓄电池3中。
还包括继电器4，所述第一热电装置5和所述第二热电装置6的电能输出端与所述蓄电池3之间的连接电路上设置所述继电器4，用于在所述蓄电池3充满电后通过所述继电器4将电路断开，避免负荷过载，当所述蓄电池3的电量低于设定阈值后通过所述继电器4自动连接充电。
还包括稳压器2，所述稳压器2设置在所述蓄电池3的电能输出端，使电能从所述蓄电池3中释放后，经过所述稳压器2后输送至电气设备1。
如图2-图3所示，本实施例中，所述第一热电装置5还包括设置在热源501与所述第一半导体热电单元的热端之间的热端换热装置502，用于使热源501通过所述热端换热装置502后将高温热量传递至所述第一半导体热电单元的热端；所述第一热电装置5还包括设置在冷源503与所述第一半导体热电单元的冷端之间的冷端换热装置504，用于使冷源503通过所述冷端换热装置504后将低温热量传递至所述第一半导体热电单元的冷端。
如图4-图5所示，所述第二热电装置6还包括设置在冷源503与所述第二半导体热电单元的冷端之间的冷端换热装置504，用于使冷源503通过所述冷端换热装置504后将低温热量传递至所述第二半导体热电单元的冷端。该装置以高温机匣壁面作为热源。冲压空气、外涵道空气、进气道空气等方式作为冷源。冷空气经过换热升温后可直接排放至大气，也可用于控制发动机舱内环境低温问题，从而保障发动机成附件在允许环境温度下稳定可靠工作。
其中，所述发动机冷源为低温引气，或发动机燃油。所述低温引气包括冲压空气、外涵道空气、进气道空气中的一种或多种，低温引气作为冷源通过换热装置与热电装置半导体冷端换热后直接排放到大气7。
如图3所示，***中以燃油作为冷源，发动机高温排气作为热源。半导体热电单元冷端通入燃油8，燃油8经过冷端换热装置504换热后进入燃烧室9燃烧。升温后的燃油也有助于提升燃烧室效率。
如图5所示，***中以燃油作为冷源，以高温机匣壁面作为热源。半导体热电单元冷端通入燃油8，燃油8经过冷端换热装置504换热后进入燃烧室9燃烧。升温后的燃油也有助于提升燃烧室效率。
本发明实施例利用温差发电进行余热回收***如图1所示。将发动机高温排气和机匣壁面作为热源通过换热装置将热量传递给热电装置的半导体热端。低温引气、燃油作为冷源直接与半导体换热或通过换热装置与热电装置的半导体冷端换热后直接排放到大气7。通过此方式在半导体热电材料两端形成冷热温差以将热能转换为电能。两种热电转换方案利用热电效应产生的电，并联连接经过继电器后存储在蓄电池中。继电器在蓄电池充满电后可自动断开以避免负荷过载，当低于一定阈值后自动连接充电。电能从蓄电池中释放后，经过稳压器以保持平稳电压，最终输送给发电机电气设备。
本发明实施例为提高半导体材料冷热端较高温差来强化热电效应，设计了适用于航空发动机温差发电***的热电装置，旨在加强热电材料与冷热源之间换热性能以提高半导体冷热端温差，从而提高热电装置发电能力。
如图6所示，所述第一半导体热电单元的PN结中的P型半导体11和N型半导体12上下对称分布，所述P型半导体11和所述N型半导体12的冷端分别设置冷端绝缘板13，所述P型半导体11和所述N型半导体12的热端分别设置热端绝缘板14，且所述P型半导体11的冷端和所述N型半导体12的冷端相向间隔设置，使冷端之间形成冷源通道，所述P型半导体11的冷端与所述N型半导体12的冷端之间通过穿透中间绝缘板的铜柱15连接，所述热端绝缘板14的外侧分别阵列排布肋片结构16，以通过所述肋片结构16形成热源通道。上述结构中，低温引气经管路在冷端绝缘板13之间流动并主要与铜柱15对流换热以吸收热量。该装置的热端绝缘板14外侧布置有肋片结构16，高温排气经旁路引气管从两侧流动并通过肋片将热量传递至热端。其中肋片结构16（如大小、密度等）可根据需求开展优化设计。肋片与热端绝缘板之间可通过导热硅脂等材料以降低界面热阻。低温引气端可设置流动管道直接与热电装置冷端绝缘板一体化布局。
所述第二半导体热电单元的PN结中的P型半导体11和N型半导体12间隔交叉排布，所述P型半导体11和N型半导体12的冷端分别设置上冷端绝缘板17和下冷端绝缘板18，所述上冷端绝缘板17和下冷端绝缘板18之间通过U型铜柱19连接，以在所述上冷端绝缘板17和所述下冷端绝缘板18之间形成冷源通道，所述P型半导体11和N型半导体12的热端设置热端绝缘板14，所述热端绝缘板14设置在所述发动机的机匣壁面10上。
所述第二半导体热电单元的PN结中的P型半导体11和N型半导体12一侧通过U型铜柱19相连。上下冷端绝缘板之间除冷源流体进出口外完全密封。U型铜柱19暴露在冷端绝缘板之间。低温引气或燃油作为冷源从冷端绝缘板之间一侧流入，与U型铜柱19对流换热后从另一侧流出带走热量。热端绝缘板14与高温的机匣壁面10紧密贴合。
在一种实施例，如图7所示，所述发动机的机匣壁面10上开设凹槽，可利用螺栓或者卡扣连接，将所述热端绝缘板14固定设置在所述凹槽中。
在另一种实施例，如图8所示，所述发动机的机匣壁面10上开设安装孔，将所述热端绝缘板14固定设置在所述安装孔中，从而将热端绝缘板14嵌入机匣中。两种方式均可通过液态金属等材料降低界面热阻。
本发明实施例利用塞贝克温差发电原理，将航空发动机高温排气或高温机匣壁面作为热源，冲压引气、外涵道引气或进气道引气、低温燃油等作为冷源。通过增强冷热源与材料之间的换热使半导体两端形成温差并因此发电。热电装置产生的电能存储在蓄电池中，通过稳压器输出平稳电压至电气设备。其中，热电装置根据航空发动机结构进行适应性设计，半导体冷热端增设肋片以加强对流换热。同时，重新布局PN半导体单元结构以便于冷热源空气独立流动，降低对发动机舱内空气流动通道的布局要求。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种用于航空发动机的基于热电效应的余热回收***，其特征在于，包括：
第一热电装置，所述第一热电装置设置在发动机高温排气管道中，所述第一热电装置包括第一半导体热电单元，所述发动机高温排气管道中的高温排气作为热源引入所述第一半导体热电单元的热端，所述第一半导体热电单元的冷端引入发动机冷源，使所述热源和冷源在所述第一半导体热电单元的两端形成冷热温差后，将热能转换为电能；
第二热电装置，所述第二热电装置包括第二半导体热电单元，所述第二半导体热电单元的热端设置在发动机机匣壁面上，以将所述发动机机匣壁面上的热量作为所述第二半导体热电单元的热源，所述第二半导体热电单元的冷端引入发动机冷源，使所述热源和冷源在所述第二半导体热电单元的两端形成冷热温差后，将热能转换为电能；
蓄电池，所述第一热电装置和所述第二热电装置的电能输出端分别连接所述蓄电池，以将产生的电能存储在蓄电池中；
所述第一半导体热电单元的PN结中的P型半导体和N型半导体上下对称分布，所述P型半导体和所述N型半导体的冷端分别设置冷端绝缘板，所述P型半导体和所述N型半导体的热端分别设置热端绝缘板，且所述P型半导体的冷端和所述N型半导体的冷端相向间隔设置，使冷端之间形成冷源通道，所述P型半导体的冷端与所述N型半导体的冷端之间通过铜柱连接，所述热端绝缘板的外侧分别阵列排布肋片结构，以通过所述肋片结构形成热源通道；
所述第二半导体热电单元的PN结中的P型半导体和N型半导体间隔交叉排布，所述P型半导体和N型半导体的冷端分别设置上冷端绝缘板和下冷端绝缘板，所述上冷端绝缘板和下冷端绝缘板之间通过U型铜柱连接，以在所述上冷端绝缘板和所述下冷端绝缘板之间形成冷源通道，所述P型半导体和N型半导体的热端设置热端绝缘板，所述热端绝缘板设置在所述发动机机匣壁面上；
所述第一热电装置还包括设置在热源与所述第一半导体热电单元的热端之间的热端换热装置，用于使热源通过所述热端换热装置后将高温热量传递至所述第一半导体热电单元的热端；
所述第一热电装置还包括设置在冷源与所述第一半导体热电单元的冷端之间的冷端换热装置，用于使冷源通过所述冷端换热装置后将低温热量传递至所述第一半导体热电单元的冷端；
所述第二热电装置还包括设置在冷源与所述第二半导体热电单元的冷端之间的冷端换热装置，用于使冷源通过所述冷端换热装置后将低温热量传递至所述第二半导体热电单元的冷端。
2.根据权利要求1所述的用于航空发动机的基于热电效应的余热回收***，其特征在于，所述发动机机匣壁面上开设凹槽或安装孔，以将所述热端绝缘板固定设置在所述凹槽或安装孔中。
3.根据权利要求1所述的用于航空发动机的基于热电效应的余热回收***，其特征在于，还包括继电器，所述第一热电装置和所述第二热电装置的电能输出端与所述蓄电池之间的连接电路上设置所述继电器，用于在所述蓄电池充满电后通过所述继电器将电路断开，避免负荷过载，当所述蓄电池的电量低于设定阈值后通过所述继电器自动连接充电。
4.根据权利要求3所述的用于航空发动机的基于热电效应的余热回收***，其特征在于，还包括稳压器，所述稳压器设置在所述蓄电池的电能输出端，使电能从所述蓄电池中释放后，经过所述稳压器后输送至电气设备。
5.根据权利要求1所述的用于航空发动机的基于热电效应的余热回收***，其特征在于，所述发动机冷源为低温引气，或发动机燃油。
6.根据权利要求5所述的用于航空发动机的基于热电效应的余热回收***，其特征在于，所述低温引气包括冲压空气、外涵道空气、进气道空气中的一种或多种。
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