[发明专利]多电飞行器的机载冷热电联产系统

说明书

技术领域

本装置涉及一种用于多电飞行器的制冷、电力的混合辅助动力发电装置与吸收式制冷装置联立的机载冷热电联产系统。

背景技术

多电飞行器是现代飞行器技术发展的重要趋势之一，多电飞行器用统一的电作装置取代了传统的液压、气动及机械作动装置，使其二次能源系统的结构与布局教传统飞行器都大为简化，不但起到了提高飞行器的操控灵活性、可靠性的作用，而且在很大程度减少了飞行器二次能源系统的重量和飞行代偿损失，在大型民航飞机及军用飞机上都有日益广泛的应用，如空客生产的A380、波音生产的777等大型民航客机都已采用多电飞行器方案，某些第四代作战飞机采用的也是典型的多电飞行器方案。

在多电飞行器技术在航空领域应用不断增多的形式下，其能源与环境控制系统却仍存在不少值得进一步研究的关键问题，集中表现为飞行器上并存大量的冷、电、热负荷需求，但却采用典型的冷热电分产、分供方案，从而出现一方面飞行器发电装置有大量余热没有得到充分利用，造成飞行器热管理系统的负担大幅增加，另一方面飞行器环境控制系统使用电动空调完成制冷、供热任务，不但热经济性不高，而且进一步加大了多电飞行器上的用电负荷。据文献报道，由于用统一的电作动装置取代了传统的液压、气动及机械作动装置，使得多电飞行器的用电需求和用电负荷远超出传统飞行器，目前一架多电战斗机的用电负荷也高达125Kw，而一架305座的多电民航客机的用电负荷已高达405Kw，由于用电需求大增，为了避免联立式发电装置对飞机推进系统性能指标造成过大的负面影响，多数多电飞行器已因此采用独立于飞机推进系统的发电装置，例如，为波音777客机研发的APU(辅助动力装置)发电装置的发电功率已高达440Kw，可资利用的高品质发电余热已高达300Kw以上。如不对这样的余热加以合理利用，会对飞行器的热管理系统带来巨大的负担；由于多数用电装置消耗掉的电负荷会在相当大程度上最终转化为热量，用电负荷大幅度增加还会相应大幅提高飞行器环境控制系统的冷量需求，由于目前多电飞行器的环控系统一般采用电动空调技术，无疑会进一步增加飞行器的用电需求，加上目前飞行器的电动空调一般采用的是空气压缩式制冷循环，这就进一步降低了多电飞行器能源与环境控制系统的热经济性。

航空煤油的主要成分为烷烃和烯烃的组合物，其分子式可以表示为C_mH_n(m为10-18，n为22-38)。高温氧化物燃料电池(SOFC)与微型燃气轮机(MGT)组成的混合APU发电装置是以燃料(航空煤油)为能源的联合发电装置，它的结构主要包括七个部分：1.微型燃气轮机；2.压缩机(空气压缩机与燃料压缩机)；3.燃烧器；4.重整器；5.发电机；6.高温氧化物燃料电池；7.热交换器；其工作原理为：首先，航空煤油进入燃料压缩机后被压缩至300-400kPa，然后经过热交换器与透平机的废气进行第一次热交换，接着被输送至第二级的热交换器，与燃烧室里排出的较高温度的二级废热进行第二次热交换，经过二次加热后，被压缩后的航空煤油进入重整器内进行重整反应。在重整器内，有一部分航空煤油发生重整，其反应式为(1)，此外水蒸气还进行转换反应，反应式为(2)。总的反应式可以表示为(3)。重整后的产物被输送至SOFC的阳极。在SOFC内，未被重整的航空煤油在此进一步得到重整，最后得到可以用来利用的CO和H₂。

C_mH_n+mH₂O→mCO+(m+0.5n)H₂       (1)

CO+H₂O→CO₂+H₂                  (2)

C_mH_n+2mH₂O→mCO₂+(2m+0.5n)H₂    (3)

外部空气经压缩机增压到约300-400kPa引入，也在热交换器内进行类似的二次热交换，然后被供至SOFC的阴极。

至此，燃料电池的阳极与阴极均有足够的物质进行反应，从而产生电能。其中SOFC阳极上的反应式为(4)、(5)，阴极部分的反应式为(6)。

H₂+O^2-→H₂O+2e^-    (4)

CO+O^2-→CO₂+2e^-    (5)