一种耦合冷量回收动力循环的燃氢涡轮航空发动机系统

本发明涉及航空发动机节能减排，具体涉及一种耦合冷量回收动力循环的燃氢涡轮航空发动机系统。

背景技术：

1、氢能作为可替代绿色能源表现出巨大潜力，同时相比于其他替代燃料，氢燃料在性能和排放方面有较强的竞争力。目前普遍认为，从长远角度看，氢能是解决航空业环境问题和能源依赖的主要技术路径。

2、氢气质量能量密度大(142mj/kg)，而体积能量密度极小(5.3mj/l)，考虑在飞行器应用场景限制下提高储存密度，需要使用液氢储存(20k,0.1mpa)。研究表明，液氢燃烧必须吸热膨胀到合适的温度压力：温度不小于150k，以避免燃料在喷油器膨胀的过程中出现较大的密度和粘度波动以及部分液化现象的发生；同时为了使燃料与空气快速混合并且防止回火现象的发生，燃料的喷射压力必须高于燃烧室的气压。液氢在液化存储时耗费大量能量，约占氢气热值的1/3，而在气化的过程中会将这部分能量以高品质的冷量的形式释放出来，如何高效利用这部分冷量对于航空业节能减排具有重要意义。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供了一种耦合冷量回收动力循环的燃氢涡轮航空发动机系统，解决了现有技术中飞行器应用场景中发动机输出功率和能量利用率有待提高的技术问题。

2、本发明提供了一种耦合冷量回收动力循环的燃氢涡轮航空发动机系统，包括燃气涡轮发动机、液氢燃料输送装置、冷量回收装置以及传动装置，其中：

3、所述燃气涡轮发动机包括风扇1、压气机2、燃烧室3、涡轮4和发动机主轴5；风扇1、压气机2和涡轮4均与发动机主轴5连接；

4、所述液氢燃料输送装置包括顺序连接的液氢储液罐6、液氢泵7、第一膨胀机8和换热器9，所述换热器9与所述燃烧室3连接；

5、所述冷量回收装置包括工质泵10、加热器11、第二膨胀机12和冷凝器13，工质泵10的出口与加热器11的冷侧进口连接，加热器11的冷侧出口与第二膨胀机12的进口连接，第二膨胀机12的出口与冷凝器13的热侧进口连接，冷凝器13的热侧出口与工质泵10的进口连接，形成回路；

6、所述传动装置包括变速齿轮箱14和传动齿轮组15，变速齿轮箱14的输入轴分别与所述第一膨胀机8和所述第二膨胀机12连接，变速齿轮箱14的一输出轴分别与液氢泵7和工质泵10连接，另一输出轴通过传动齿轮组15与所述发动机主轴5连接。

7、优选地，对于所述冷量回收装置，所述加热器11的热侧与所述燃气涡轮发动机排出的烟气接触；所述冷凝器13的冷侧与所述液氢泵7泵送的液氢接触。

8、优选地，对于所述液氢燃料输送装置，所述液氢储液罐6流出的液氢燃料依次经过所述液氢泵7、冷凝器13、第一膨胀机8、换热器9，回收冷量后进入所述燃烧室3内燃烧。

9、优选地，所述冷量回收装置中所述回路的工质经过工质泵10加压后进入加热器11进行等压吸热变为过热蒸汽，接着流经第二膨胀机12膨胀做功，之后进入冷凝器13进行等压放热变为饱和液态，之后流入工质泵10构成循环。

10、优选地，所述压气机2出口的一部分空气流入所述燃烧室3中，另外一部分空气流经换热器9后被冷却。

11、优选地，对于所述传动装置，第一膨胀机8和第二膨胀机12通过变速齿轮箱14驱动液氢泵7和工质泵10工作，并且将机械能通过传动齿轮组15提供给发动机主轴5，用于匹配液氢泵7、工质泵10和发动机主轴5的转速。

12、与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

13、(1)本发明以发动机烟气作为热源、液氢燃料作为冷源构建朗肯循环，有着较高的能量利用率。液氢的冷量通过循环为发动机主轴提供轴功，提高发动机的输出功率。

14、(2)本发明的液氢冷量还能够冷却压气机出口的空气，降低空气温度，从而提高了发动机空气系统的冷效。这种冷却效果可以改善发动机的性能，增加其效率和可靠性。

15、(3)本发明的通过不仅实现了液氢冷量的充分利用，还减少了对其他冷却资源的依赖，优化了整个系统的资源配置和利用效率。

技术特征：

1.一种耦合冷量回收动力循环的燃氢涡轮航空发动机系统，其特征在于，所述系统包括燃气涡轮发动机、液氢燃料输送装置、冷量回收装置以及传动装置，其中：

2.根据权利要求1所述的耦合冷量回收动力循环的燃氢涡轮航空发动机系统，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的耦合冷量回收动力循环的燃氢涡轮航空发动机系统，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的耦合冷量回收动力循环的燃氢涡轮航空发动机系统，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的耦合冷量回收动力循环的燃氢涡轮航空发动机系统，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的耦合冷量回收动力循环的燃氢涡轮航空发动机系统，其特征在于：

技术总结
本发明涉及航空发动机节能减排技术领域，具体涉及一种耦合冷量回收动力循环的燃氢涡轮航空发动机系统，包括燃气涡轮发动机、液氢燃料输送装置、冷量回收装置以及传动装置，燃气涡轮发动机包括风扇、压气机、燃烧室、涡轮和发动机主轴；液氢燃料输送装置包括液氢储液罐、液氢泵、第一膨胀机和换热器；冷量回收装置包括工质泵、加热器、第二膨胀机和冷凝器形成的回路；传动装置包括变速齿轮箱和传动齿轮组；本发明能够提高航空发动机输出功率和能量利用率。

技术研发人员：刘鹏,郑宏彬,邱天,刘传凯,丁水汀
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23