CN116677498A - 基于氢能的新型高超声速组合发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于氢能的新型高超声速组合发动机，包括：氢燃料电池，具有水排放口，氢燃料电池用于向飞机本体、涡轮发动机的供给与作动系统和/或冲压发动机的供给与作动系统供能；射流预冷系统，设置在涡轮基进口处，且射流预冷系统与水排放口连接并能够向涡轮基进口处喷水。本发明以涡轮发动机与冲压发动机组合而成的组合发动机基础上，融合氢燃料电池及其产生水再利用的优点，通过全过程使用氢燃料实现零排放，利用氢燃料电池实现全域能源生成与供给；同时，利用氢燃料电池产生的水作为冷却介质，通过射流预冷系统实现发动机拓域增推极大提升了系统的效率和综合性能。
Description
技术领域
本说明书涉及航空发动机技术领域，具体涉及一种基于氢能的新型高超声速组合发动机。
背景技术
随着全球变暖加剧，人类逐渐认识到保护环境的重要性，纷纷制定相关政策减缓全球变暖的步伐。航空运输是空中有害排放物氮氧化（NOx）、温室气体二氧化碳（CO2）和水（H2O）的主要来源，而航空发动机是这些污染物的唯一来源，因此，降低航空发动机污染排放是近年来航空发动机技术发展的重要驱动力之一。使用传统的碳氢燃料必然难以满足要求，而氢能是一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的能源，采用氢作为燃料是航空发动机目前可以直接从源头上实现零碳排放的途径。
另外，为了追求高效快速航空运输方式，要求航空发动机工作范围（速域和空域）不断拓展，特别是工作马赫数拓展至5-10、甚至更高。为了满足宽域工作以及飞行器水平起降等需要，必然要采用涡轮发动机与冲压发动机组合形式；但由于工作马赫数的提升，发动机进口温度将增加，会导致涡轮发动机工作效率较低、冲压燃烧室冷却困难等问题；同时，当冲压发动机工作时，还存在功率提取或能源生成及供给的问题。
使用碳氢燃料的涡轮冲压组合发动机难以满足以上诸多要求，因而必须要有一种新型的高超声速组合发动机装置，以实现绿色高效、清洁高速的航空运输。
发明内容
有鉴于此，本说明书实施例提供一种基于氢能的新型高超声速组合发动机，以解决涡轮发动机工作能力拓展、高速/高超声速飞行条件下组合发动机高温部件冷却以及燃烧排放等问题。
本发明的技术方案为：一种基于氢能的新型高超声速组合发动机，包括：氢燃料电池，具有水排放口，氢燃料电池用于向飞机本体、涡轮发动机的供给与作动系统和/或冲压发动机的供给与作动系统供能；射流预冷系统，设置在涡轮基进口处，且射流预冷系统与水排放口连接并能够向涡轮基进口处喷水。
进一步地，基于氢能的新型高超声速组合发动机还包括第一空气-水换热器，第一空气-水换热器的入口与水排放口连通，第一空气-水换热器中的水能够与涡轮基的涡轮部件的冷却引气进行热交换。
进一步地，涡轮基的主燃烧室设置有主燃烧室喷注口，第一空气-水换热器的出口与主燃烧室喷注口连接且能够向涡轮基的主燃烧室喷水。
进一步地，基于氢能的新型高超声速组合发动机还包括第二空气-水换热器，第二空气-水换热器的入口与水排放口连通，第二空气-水换热器中的水能够与冲压燃烧室的隔热屏的冷却气进行热交换。
进一步地，冲压燃烧室设置有冲压燃烧室喷注口，第二空气-水换热器的出口与冲压燃烧室喷注口连接且能够向冲压燃烧室喷水。
进一步地，基于氢能的新型高超声速组合发动机还包括第二空气-水换热器，第二空气-水换热器的入口与水排放口连通，第二空气-水换热器中的水能够与加力/冲压燃烧室的隔热屏的冷却气进行热交换。
进一步地，加力/冲压燃烧室设置有加力/冲压燃烧室喷注口，第二空气-水换热器的出口与加力/冲压燃烧室喷注口连接且能够向加力/冲压燃烧室喷水。
进一步地，基于氢能的新型高超声速组合发动机还包括储水箱，储水箱入口与水排放口连接，射流预冷系统、第一空气-水换热器的入口和第二空气-水换热器的入口均与储水箱的出口连接。
进一步地，基于氢能的新型高超声速组合发动机还包括喷管，喷管的壁面上绕设有用于冷却的管路，管路的入口与水排放口连通。
进一步地，飞机本体包括环控系统，环控系统与水排放口连通。
与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明以涡轮发动机与冲压发动机组合而成的组合发动机基础上，融合氢燃料电池及其产生水再利用的优点，通过全过程使用氢燃料实现零排放，利用氢燃料电池实现全域能源生成与供给；同时，利用氢燃料电池产生的水作为冷却介质，通过射流预冷系统实现发动机拓域增推极大提升了系统的效率和综合性能。
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是本发明第一实施例的结构示意图；
图2是本发明第二实施例的结构示意图。
图中附图标记：131、第一空气-水换热器；132、第二空气-水换热器；14、氢燃料电池；143、水排放口；18、储水箱；19、射流预冷系统；2022、主燃烧室喷注口；21、加力燃烧室；22、冲压燃烧室；221、隔热屏；223、冲压燃烧室喷注口。
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，本发明第一实施例提供了一种基于氢能的新型高超声速组合发动机，包括氢燃料电池14和射流预冷系统19。氢燃料电池14具有水排放口143，氢燃料电池14用于向飞机本体、涡轮发动机的供给与作动系统和/或冲压发动机的供给与作动系统供能；射流预冷系统19设置在涡轮基进口处，且射流预冷系统19与水排放口143连接并能够向涡轮基进口处喷水。
本发明以涡轮发动机与冲压发动机组合而成的组合发动机基础上，融合氢燃料电池14及其产生水再利用的优点，通过全过程使用氢燃料实现零排放，利用氢燃料电池14实现全域能源生成与供给；同时，利用氢燃料电池14产生的水作为冷却介质，通过射流预冷系统19实现发动机拓域增推极大提升了系统的效率和综合性能。
本发明实施例中基于氢能的新型高超声速组合发动机还包括第一空气-水换热器131，第一空气-水换热器131的入口与水排放口143连通，第一空气-水换热器131中的水能够与涡轮基的涡轮部件的冷却引气进行热交换。
该组合发动机在飞行包线范围内工作过程中使用氢燃料；氢燃料电池14也全程工作，产生电能和水。在氢燃料涡轮基工作模态时，电能是氢燃料涡轮基功率提取作为能源补充，降低由于氢燃料涡轮基功率提取对组合发动机性能的影响，以尽可能保证组合发动机最大推力性能，保障飞机加速性能。
在氢燃料涡轮基不工作时，电能作为飞机及组合发动机所需能源的唯一来源，解决冲压模态能源生成与供给的问题。该组合发动机在高马赫数飞行时，将氢燃料电池14产生的水通过射流预冷系统19喷注到流道中与高温空气混合降低来流空气温度，增加了进气密度，有效拓展氢燃料涡轮基工作范围（速域）和工作性能（推力）。
基于氢能的新型高超声速组合发动机还包括储水箱18，储水箱18入口与水排放口143连接，射流预冷系统19和第一空气-水换热器131的入口均与储水箱18的出口连接。设置储水箱18能够对氢燃料电池14产生的水进行储存，并通过相应的加压装置输送至需水部件处进行使用。
涡轮基的主燃烧室设置有主燃烧室喷注口2022，第一空气-水换热器131的出口与主燃烧室喷注口2022连接且能够向涡轮基的主燃烧室喷水。
基于氢能的新型高超声速组合发动机还包括第二空气-水换热器132，第二空气-水换热器132的入口与水排放口143连通，第二空气-水换热器132中的水能够与冲压燃烧室22的隔热屏221的冷却气进行热交换。其中，冲压燃烧室22设置有冲压燃烧室喷注口223，第二空气-水换热器132的出口与冲压燃烧室喷注口223连接且能够向冲压燃烧室22喷水。
通过一系列空气-水换热器对发动机高温部件的进气进行冷却降温实现性能提升；进一步通过空气-水换热器的换热，水达到汽化进入冲压燃烧室参与燃烧以降低燃烧区温度，进而达到降低NOx排放的目的，有利于超音速客机降低污染排放。
基于氢能的新型高超声速组合发动机涡轮基主要由涡轮基的压缩系统、涡轮基的氢燃料主燃烧室、涡轮基的涡轮和涡轮基的加力燃烧室21组成。其中，基于氢能的并联式组合发动机涡轮基可以是单转子构型，也可以是双转子构型；因此，涡轮基的压缩系统可以是单转子的压气机，也可以是双转子的增压级和压气机共同组成；涡轮基的涡轮同样可以是单转子的涡轮，也可以是双转子的低压涡轮和高压涡轮组成。涡轮基的氢燃料主燃烧室与常规基于碳氢燃料的主燃烧室在喷嘴系统和头部方面结构不同；涡轮基的氢燃料主燃烧室的喷嘴系统包含了主燃烧室喷注口2022。
本发明实施例中，基于氢能的新型高超声速组合发动机氢燃料供应系统主要由氢燃料储存箱，增压泵，氢燃料电池氢供应管路，涡轮基氢燃料主燃烧室氢供应管路和氢燃料冲压燃烧室氢供应管路。本实施例中的增压泵不仅局限于氢燃料电池氢供应管路上，在为氢燃料主燃烧室和氢燃料冲压燃烧供应的管路中也可以设置有增压泵。
优选地，水利用系统主要由储水箱18、增压泵和射流预冷系统19组成。当氢燃料电池14工作产生水后，由水排放口143经增压泵注入储水箱18进行储存；根据发动机工作情况，在某些工况下，当射流预冷系统19工作时，来自储水箱18 的水经过增压泵注入射流预冷系统19进行喷射，与来流空气混合降温；在某些工况下，流经氢燃料主燃烧室的涡轮引气温度高时，通过来自储水箱18 的水经过增压泵进入第一空气-水换热器131，与高温涡轮引气进行换热降低空气温度对涡轮进行冷却，同时换热器的水达到临界汽化后通过主燃烧室喷注口2022喷射到氢燃料主燃烧室的燃烧区内进行降温，实现低NOx排放；当冲压燃烧室22工作时，在某些工况下，冲压燃烧室22的隔热屏221进气温度太高影响寿命和可靠性，此时，通过来自储水箱18 的水经过增压泵进入第二空气-水换热器132，与隔热屏221进气进行换热降温，同时换热器的水达到临界汽化后通过冲压燃烧室水注入口喷射到冲压燃烧室22的燃烧区内进行降温，实现低NOx排放。
进一步地，基于氢能的新型高超声速组合发动机还包括喷管，喷管的壁面上绕设有用于冷却的管路，管路的入口与水排放口143连通。
优选地，飞机本体包括环控系统，环控系统与水排放口143连通。
本发明实施例中的水可以用于喷管的冷却和飞机中的环控系统供水需求，以降低飞机携带水的重量。
如图2所示，本发明第二实施主要由可调进气道，氢燃料电池14，氢燃料储存箱，储水箱18，射流预冷系统19，氢燃料涡轮基，第一空气-水换热器131、第二空气-水换热器132，水增压泵，加力/冲压燃烧室和可调喷管组成；其中，氢燃料涡轮基主要有压缩系统、氢燃料主燃烧室、涡轮；冲压燃烧室22存在加力燃烧室工作模态与冲压燃烧室工作模态。其工作原理与上述第一实施例中原理基本一样。
其中第二空气-水换热器132的入口与水排放口143连通，第二空气-水换热器132中的水能够与加力/冲压燃烧室的隔热屏的冷却气进行热交换。加力/冲压燃烧室设置有加力/冲压燃烧室喷注口，第二空气-水换热器132的出口与加力/冲压燃烧室喷注口连接且能够向加力/冲压燃烧室喷水。
在组合发动机工作过程中，来自氢燃料储存箱的氢燃料经过增压泵和氢燃料电池氢供应管路进入氢燃料入口；来自可调进气道的空气经过氢燃料电池空气供应通道（包含可调进气道涡轮通道的空气供应流路和可调进气道的冲压通道空气供应流路）进入氢燃料电池空气入口，根据发动机工作状态和氢燃料电池14工作状态需要，可增加空压机对空气进行增压满足氢燃料电池14的工作需要；空气和氢燃料在氢燃料电池14中经过化学反应产生电能和水，水通过氢燃料电池水排放口143流经增压泵进入储水箱18。
需要说明的是，该实施例除上述技术特征外，其余技术特征均与在先实施例相同。
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 (10)
1.一种基于氢能的新型高超声速组合发动机，其特征在于，包括：
氢燃料电池（14），具有水排放口（143），氢燃料电池（14）用于向飞机本体、涡轮发动机的供给与作动系统和/或冲压发动机的供给与作动系统供能；
射流预冷系统（19），设置在涡轮基进口处，且射流预冷系统（19）与水排放口（143）连接并能够向所述涡轮基进口处喷水。
2.根据权利要求1所述的基于氢能的新型高超声速组合发动机，其特征在于，所述基于氢能的新型高超声速组合发动机还包括第一空气-水换热器（131），第一空气-水换热器（131）的入口与水排放口（143）连通，第一空气-水换热器（131）中的水能够与所述涡轮基的涡轮部件的冷却引气进行热交换。
3.根据权利要求2所述的基于氢能的新型高超声速组合发动机，其特征在于，涡轮基的主燃烧室设置有主燃烧室喷注口（2022），第一空气-水换热器（131）的出口与主燃烧室喷注口（2022）连接且能够向涡轮基的主燃烧室喷水。
4.根据权利要求2所述的基于氢能的新型高超声速组合发动机，其特征在于，所述基于氢能的新型高超声速组合发动机还包括第二空气-水换热器（132），第二空气-水换热器（132）的入口与水排放口（143）连通，第二空气-水换热器（132）中的水能够与冲压燃烧室（22）的隔热屏（221）的冷却气进行热交换。
5.根据权利要求4所述的基于氢能的新型高超声速组合发动机，其特征在于，冲压燃烧室（22）设置有冲压燃烧室喷注口（223），第二空气-水换热器（132）的出口与冲压燃烧室喷注口（223）连接且能够向冲压燃烧室（22）喷水。
6.根据权利要求2所述的基于氢能的新型高超声速组合发动机，其特征在于，所述基于氢能的新型高超声速组合发动机还包括第二空气-水换热器（132），第二空气-水换热器（132）的入口与水排放口（143）连通，第二空气-水换热器（132）中的水能够与加力/冲压燃烧室的隔热屏的冷却气进行热交换。
7.根据权利要求6所述的基于氢能的新型高超声速组合发动机，其特征在于，加力/冲压燃烧室设置有加力/冲压燃烧室喷注口，第二空气-水换热器（132）的出口与所述加力/冲压燃烧室喷注口连接且能够向加力/冲压燃烧室喷水。
8.根据权利要求4或6所述的基于氢能的新型高超声速组合发动机，其特征在于，所述基于氢能的新型高超声速组合发动机还包括储水箱（18），储水箱（18）入口与水排放口（143）连接，射流预冷系统（19）、第一空气-水换热器（131）的入口和第二空气-水换热器（132）的入口均与储水箱（18）的出口连接。
9.根据权利要求1所述的基于氢能的新型高超声速组合发动机，其特征在于，所述基于氢能的新型高超声速组合发动机还包括喷管，所述喷管的壁面上绕设有用于冷却的管路，所述管路的入口与水排放口（143）连通。
10.根据权利要求1所述的基于氢能的新型高超声速组合发动机，其特征在于，所述飞机本体包括环控系统，所述环控系统与水排放口（143）连通。
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