基于热声效应的航空发动机余热综合利用系统及调控方法

本发明涉及飞行器热管理，特别是涉及基于热声效应的航空发动机余热综合利用系统及调控方法。

背景技术：

1、随着飞机综合航电系统、机载电子设备及高功率用能部件持续增加，飞机热管理问题日益突出。飞机在工作过程中，一方面发动机燃烧段、膨胀段、加力燃烧室及尾喷区域存在大量高温余热，另一方面机内电子设备、环境控制分系统及相关附件又持续产生大量低品位废热。如何实现高温余热的有效回收，并将其进一步用于低品位废热的提升与排散，同时兼顾机载供电需求，已成为飞机热管理领域亟待解决的重要技术问题。

2、现有技术中，专利cn115173743a公开了一种航空发动机余热回收温差发电系统，其通过在机匣与燃烧室之间设置高温蒸发器和低温蒸发器，并结合温差发电器、冷凝器、冷却水箱、储液罐和工质泵，将发动机余热回收后转换为电能输出。该方案能够在一定程度上提高发动机余热利用率，并实现辅助发电。专利cn111608807a公开了一种航空发动机余热回收利用系统，该方案通过载热流体通路与发动机壳体贴合或嵌设换热，将发动机壳体余热输送至热声发动机，并可进一步连接发电机或热声制冷机，从而实现热能向机械能、电能或制冷能力的转换。该方案引入了热声能量转换思路，并兼顾余热回收与功能拓展。

3、然而，现有技术仍存在以下技术缺陷：其一，现有方案多以壳体热量或燃烧室周向余热回收为主，尚未针对尾喷管高温热源构建面向整机的热管理系统；其二，现有方案对回收能量的利用方式多集中于单一发电或常规制冷，尚未形成“高温余热驱动—声功产生—低品位废热温位提升排散—兼顾发电”的协同热管理架构；其三，对于不同飞行工况和热负荷变化条件下，回收能量在热管理支路与供电子路之间的按需分配与动态调节，现有技术尚未实现。

4、有鉴于此，如何提供一种能够全部或部分克服上述技术缺陷的飞机热管理系统，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于热声效应的航空发动机余热综合利用系统及调控方法，克服上述技术缺陷，解决现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供基于热声效应的航空发动机余热综合利用系统，包括：

3、热声热机，其吸热端与飞机的尾喷管换热连接，利用所述尾喷管的热能产生声功；

4、声功分配单元，其输入端连接所述热声热机，输出端分别连接发电单元和热声热泵；所述发电单元利用声功发电；所述热声热泵与飞机的低品位热源连通，利用声功吸收低品位热源并进行温升后，输送至飞机的需热单元或通过外涵道共型换热器散热。

5、进一步的，还包括：

6、尾喷管共型换热器，飞机包括依次连通的风扇、压气机、主燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、混合器、加力燃烧室和尾喷管，所述尾喷管共型换热器设置于加力燃烧室的下游区域和/或尾喷管的壁面，所述尾喷管共型换热器与所述热声热机的吸热端换热连接。

7、进一步的，所述尾喷管共型换热器设置于所述尾喷管内外壁夹层或尾喷管周向包覆段。

8、进一步的，所述尾喷管共型换热器为环形壁面换热器、夹套式换热器、热管耦合换热器或环形微通道取热回路。

9、进一步的，所述热声热机的散热端与所述外涵道共型换热器或飞机的需热单元连接。

10、进一步的，所述热声热泵包括冷端换热器和热端换热器，所述冷端换热器与飞机的低品位热源连通，所述热端换热器与所述外涵道共型换热器或飞机的需热单元连接。

11、进一步的，还包括：

12、旁路调节阀，所述热声热机通过第一散热通路与所述外涵道共型换热器连接，所述热端换热器通过第二散热通路与所述外涵道共型换热器连接，所述旁路调节阀设置于所述第一散热通路和第二散热通路上且所述旁路调节阀与所述飞机的需热单元连接，所述旁路调节阀用于调节第一散热通路进入外涵道共型换热器和飞机需热单元的热量，以及用于调节第二散热通路进入外涵道共型换热器和飞机需热单元的热量。

13、进一步的，所述发电单元为线性发电机，所述热声热机输出的声功驱动所述发电单元的振子、活塞或动子往复运动，使得所述发电单元输出电功。

14、进一步的，所述发电单元输出交流电，经电能调理与并网单元整流、稳压后接入飞机的直流母线或储能单元。

15、进一步的，所述飞机具有一型双涵道发动机，所述风扇、压气机、主燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、混合器、加力燃烧室和尾喷管内部形成的通路为内涵道，所述风扇、压气机、主燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、混合器、加力燃烧室和尾喷管外侧的涵道为外涵道，所述外涵道共型换热器设置于所述外涵道内。

16、本发明还提供基于热声效应的航空发动机余热综合利用系统的调控方法，应用基于热声效应的航空发动机余热综合利用系统，包括以下步骤：

17、通过尾喷管共型换热器将尾喷管的高温余热传递至热声热机，热声热机将热能转化为声能后，由声功分配单元输送至发电单元和/或热声热泵，由发电单元发电或由热声热泵吸收低品位热源，温升后输送至飞机的需热单元或通过外涵道共型换热器散热；

18、当飞机热负荷上升时，通过声功分配单元提高热声热泵的声功分配比例，使低品位热源被优先吸热、温升然后通过外涵道共型换热器排出；

19、当飞机处于巡航且热负荷下降、电负荷上升时，降低热声热泵的声功分配比例，将更多声功送入发电单元，提高发电输出。

20、本发明公开了以下技术效果：

21、1.本发明对尾喷管的高温余热进行收集，将热能转化为声能后进行发电，同时利用声能驱动热声热泵，对飞机的低品位热源进行吸收，温升后输送至飞机的需热单元或通过外涵道共型换热器散热，热声热泵将机内低品位热源提升至更高温度等级后再进行排散，能够增大废热与最终热沉之间的有效温差，从而提高了单位换热面积和单位冷却空气流量的排热能力，有利于减小换热器尺寸、降低冷却空气需求和风扇功耗，改善高温环境和高热负荷工况下的热排散能力。同时，提升温度后的热量可根据机上需求用于设备舱保温、低温启动预热、滑油/燃油温度调节、传感器窗口防雾和局部防冰等热需求。与直接电加热相比，该方式优先利用原本需要排散的废热，减少了电加热功率需求，降低了发电和配电系统负担；与压气机引气加热相比，该方式减少了对发动机核心机高品位能量的抽取，有利于降低引气造成的推力损失、耗油率增加和发动机热负荷增加等不利影响。与现有技术相比，本发明一方面实现了对尾喷管高温余热的收集，另一方面，通过热声热泵对原本难以直接排出的低品位热源进行吸收和温升，提供了一种更加高效的排出路径，形成了“高温余热驱动—声功产生—低品位废热温位提升排散—兼顾发电”的协同热管理架构。

22、2.本发明通过声功分配单元对声功进行分流，使得尾喷管高温余热产生的声功可同时服务于排热和发电，此外，对于不同飞行工况和热负荷变化条件，可通过声功分配单元合理分配声功、通过旁路调节阀合理分配热能，可兼顾发动机边界约束、热管理需求和机载电负荷需求，适用于有人机、无人机、长航时平台以及高热流密度任务载荷平台，具有良好的工程适配性。