本發(fā)明屬于航空、氫能源、高效能源領(lǐng)域，涉及一種基于渦扇發(fā)動機的氫能渦輪發(fā)動機架構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、全球航空業(yè)的迅猛發(fā)展帶來了日益嚴(yán)峻的環(huán)境挑戰(zhàn)，而傳統(tǒng)航空煤油燃燒會產(chǎn)生大量的二氧化碳，無法滿足航空業(yè)節(jié)能減排的需求。而氫燃料作為一種新型能源，具有清潔、可再生的特點，其燃燒產(chǎn)物理論上僅包含h2o和nox，不會產(chǎn)生co2和其他污染物，若能解決好nox排放問題，氫燃燒對環(huán)境影響將微乎其微，是實現(xiàn)航空業(yè)節(jié)能減排需求的重要方案之一。其中氫能渦輪航空發(fā)動機是氫燃料一種倍受重視的應(yīng)用方式。

2、然而氫燃料除了高熱值的熱性，其在航空中的應(yīng)用多以液態(tài)的形式，因此還具有高熱沉的特點。目前，傳統(tǒng)航空發(fā)動機的做功方式與氫燃料并不匹配，常規(guī)發(fā)動機架構(gòu)無法充分利用氫燃料的熱沉。此外，由于儲氫技術(shù)發(fā)展不成熟，儲氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，儲氫系統(tǒng)較重，為氫能渦輪發(fā)動機在航空中的應(yīng)用帶來較大的質(zhì)量懲罰。因此，在持續(xù)發(fā)展儲氫技術(shù)的同時，亟需開展有關(guān)氫能渦輪發(fā)動機非常規(guī)架構(gòu)的研究，采用氫燃料的高熱沉對發(fā)動機不同位置進行冷卻，以提升發(fā)動機效率、減少氫燃料的消耗，為儲氫系統(tǒng)減重，促進氫能渦輪發(fā)動機在航空中的應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于渦扇發(fā)動機的氫能渦輪發(fā)動機架構(gòu)，采用氫燃料的高熱沉對發(fā)動機不同位置進行冷卻，以提升發(fā)動機效率、減少氫燃料的消耗，促進氫能渦輪發(fā)動機在航空中的應(yīng)用。

2、本發(fā)明的目的采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種基于渦扇發(fā)動機的氫能渦輪發(fā)動機架構(gòu)，包括：儲氫系統(tǒng)、渦扇發(fā)動機系統(tǒng)以及換熱系統(tǒng)，其特征在于：所述儲氫系統(tǒng)包括儲氫罐以及燃油泵，所述渦扇發(fā)動機系統(tǒng)包括風(fēng)扇、壓氣機、燃燒室、渦輪以及噴管，所述換熱系統(tǒng)包括引氣單元和換熱器單元；

4、儲氫罐維持低溫高壓的內(nèi)部環(huán)境，將氫燃料以液體的形式儲存在其中；燃油泵負(fù)責(zé)將氫燃料輸送至換熱系統(tǒng)中的換熱器單元用作冷源，并將經(jīng)過換熱器加熱后的氫燃料通入渦扇發(fā)動機系統(tǒng)的燃燒室中進行燃燒。

5、風(fēng)扇與壓氣機對來流空氣進行壓縮后形成高壓氣流，通入燃燒室與氫燃料進行燃燒產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)?，在推動渦輪轉(zhuǎn)動后，從噴管噴出，最終產(chǎn)生推力輸出。

6、引氣單元的主要功能為從發(fā)動機系統(tǒng)內(nèi)部引氣作為換熱器單元的熱源氣流，主要從發(fā)動機系統(tǒng)的壓氣機前、渦輪冷卻氣以及噴管前進行引氣。換熱器單元分為三個換熱器，分別為第一換熱器、第二換熱器、第三換熱器，其主要功能為將引氣單元從發(fā)動機內(nèi)引出的氣體與氫燃料進行換熱。其中第一換熱器對應(yīng)的熱源為由壓氣機前引出的氣流，第二換熱器對應(yīng)的熱源為由噴管前的引出的氣流，第三換熱器對應(yīng)的熱源為由渦輪冷卻氣引出的氣流。

7、進一步的，在第一換熱器中，由引氣單元從發(fā)動機壓氣機前的引氣與一部分氫燃料進行換熱，其中從壓氣機前的主流中的引氣比例有引氣單元控制，分配給第一換熱器的氫燃料比例由燃油泵控制。換熱結(jié)束后，經(jīng)過加熱后的氫燃料通入燃燒室中，被冷卻的空氣則回到壓氣機前并匯入主流。

8、進一步的，在第二換熱器中，從發(fā)動機噴管前氣流中的引氣與一部分氫燃料進行換熱，其中從噴管前的主流中的引氣比例由引氣單元控制，分配給第二換熱器的氫燃料比例依舊由燃油泵控制。換熱結(jié)束后，經(jīng)過加熱后的氫燃料通入燃燒室燃燒，被冷卻后的空氣則回到噴管前匯入主流。

9、進一步的，在第三換熱器中，由壓氣機后引出的渦輪冷卻氣與氫燃料進行換熱，其中引氣比例依舊由引氣系統(tǒng)控制，燃油泵控制分配給第三換熱器的氫燃料比例。換熱結(jié)束后，渦輪冷卻氣繼續(xù)去冷卻渦輪，而氫燃料進入燃燒室部件燃燒。

10、本發(fā)明的有益效果如下：

11、1）實現(xiàn)了零碳排放，滿足了航空業(yè)節(jié)能減排的需求，對航空業(yè)低碳、綠色發(fā)展具有參考價值。

12、2）通過對氫燃料熱沉的充分利用，提升了發(fā)動機效率，降低了氫燃料消耗，為儲氫系統(tǒng)減重，提高了氫能渦輪發(fā)動機的設(shè)計可行性，促進了其在航空中的進一步應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種基于渦扇發(fā)動機的氫能渦輪發(fā)動機架構(gòu)，包括：儲氫系統(tǒng)、渦扇發(fā)動機系統(tǒng)以及換熱系統(tǒng)，其特征在于：所述儲氫系統(tǒng)包括儲氫罐（11）以及燃油泵（12），所述渦扇發(fā)動機系統(tǒng)包括風(fēng)扇（21）、壓氣機（22）、燃燒室（23）、渦輪（24）以及噴管（25），所述換熱系統(tǒng)包括引氣單元和換熱器單元；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于渦扇發(fā)動機的氫能渦輪發(fā)動機架構(gòu)，其特征在于：換熱器單元包括第一換熱器（1）、第二換熱器（2）、第三換熱器（3），第一換熱器（1）對應(yīng)的熱源氣流為由壓氣機（22）前引出的氣流，第二換熱器（2）對應(yīng)的熱源氣流為噴管（25）前引出的氣流，第三換熱器（3）對應(yīng)的熱源氣流為渦輪（24）引出的氣流。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于渦扇發(fā)動機的氫能渦輪發(fā)動機架構(gòu)，其特征在于：第一換熱器（1）中，壓氣機（22）前的引氣與一部分氫燃料進行換熱，其中從壓氣機（22）前的主流中的引氣比例由引氣單元控制，分配給第一換熱器（1）的氫燃料比例由燃油泵（12）控制；換熱結(jié)束后，經(jīng)過加熱后的氫燃料通入燃燒室（23）中，被冷卻的空氣則回到壓氣機（22）前并匯入主流。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于渦扇發(fā)動機的氫能渦輪發(fā)動機架構(gòu)，其特征在于：第二換熱器（2）中，噴管（25）前的引氣與一部分氫燃料進行換熱，其中從噴管（25）前的主流中的引氣比例由引氣單元控制，分配給第二換熱器（2）的氫燃料比例由燃油泵（12）控制；換熱結(jié)束后，經(jīng)過加熱后的氫燃料通入燃燒室（23）中，被冷卻后的空氣則回到噴管（25）前匯入主流。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于渦扇發(fā)動機的氫能渦輪發(fā)動機架構(gòu)，其特征在于：第三換熱器（3）中，壓氣機（22）后引出的渦輪冷卻氣與氫燃料進行換熱，其中引氣比例由引氣系統(tǒng)控制，燃油泵（12）控制分配給第三換熱器（3）的氫燃料比例；換熱結(jié)束后，渦輪冷卻氣繼續(xù)去冷卻渦輪（24），氫燃料進入燃燒室（23）中燃燒。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于渦扇發(fā)動機的氫能渦輪發(fā)動機架構(gòu)，包括：儲氫系統(tǒng)、渦扇發(fā)動機系統(tǒng)以及換熱系統(tǒng)，儲氫罐維持低溫高壓的內(nèi)部環(huán)境，將氫燃料以液體的形式儲存在其中；燃油泵負(fù)責(zé)將氫燃料輸送至換熱系統(tǒng)中的換熱器單元用作冷源，并將經(jīng)過換熱器加熱后的氫燃料通入渦扇發(fā)動機系統(tǒng)的燃燒室中進行燃燒。風(fēng)扇與壓氣機對來流空氣進行壓縮后形成高壓氣流，通入燃燒室與氫燃料進行燃燒產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)猓谕苿訙u輪轉(zhuǎn)動后，從噴管噴出，最終產(chǎn)生推力輸出。引氣單元的主要功能為從發(fā)動機系統(tǒng)內(nèi)部引氣作為換熱器單元的熱源氣流。本發(fā)明采用氫燃料的高熱沉對發(fā)動機不同位置進行冷卻，以提升發(fā)動機效率、減少氫燃料的消耗。

技術(shù)研發(fā)人員：康樂,鮑晟澤,毛軍逵,劉毓林
受保護的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15