一种涵道式氢预冷燃料电池涡轮组合发动机

本发明涉及一种氢预冷燃料电池涡轮组合发动机，属于航空推进器。

背景技术：

1、目前飞机的推进系统热效率比较低且耗油率高，氮氧化物排放量较高，对环境产生较为严重的污染，因此开发新的能源以及设计新的推进系统是当前较为重要的内容。

2、传统的燃气涡轮航空发动机，将燃料的化学能转变为机械能产生推进功，能量损失很大，效率仅为35％左右。运转时发动机内部温度持续较高，冷却问题十分复杂，同时带来了成本较高、耐久性低等问题，怠速状态下耗油率极高，因此其经济性较低同时会对生态环境造成一定污染；而质子交换膜燃料电池pemfc是一种高效的能源转换装置，其效率高、功率密度高、环境可持续性好、启动速度快，具有极大的商业价值和广阔的开发前景，被认为是21世纪一种大有前途的清洁高效发电技术。质子交换膜燃料电池效率约为50％左右，而高温质子交换膜燃料电池相比一般质子交换膜燃料电池拥有优异的热管理、水管理能力以及更低技术成本低等特点，能将燃料的化学能转变为电能，提高系统的整体效率，该电池以氢气为燃料，氢气是一种绿色环保的燃料，有利于降低污染物排放量，对自然环境保护具有重要意义。

3、传统燃气涡轮发动机的压气机与涡轮在工作过程中相互影响、相互制约需要高度匹配，会影响发动机的性能，变工况下的性能容易受到影响。

技术实现思路

1、本发明为解决传统航空发动机耗油率较高以及空气污染物排放含量高的问题，进而提出一种涵道式氢预冷燃料电池涡轮组合发动机。

2、本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括进气道、直流电机、风扇、连接轴、压气机、电池系统、尾喷管、直流转换装置、冷却循环油运送通路和液氢输送通路；

3、尾喷管设置在进气道内的后部，直流电机、压气机、所述电池系统和直流转换装置由前至后依次设置在进气道内，直流电机电机轴通过连接轴与压气机连接，风扇同轴固定套装在连接轴上，直流电机通过直流转换装置与所述电池系统连接，所述冷却循环油运送通路和所述液氢输送通路设置在进气道内。

4、进一步的，冷却油输送泵；冷却油输送泵设置在进气道内的前部，且冷却油输送泵位于连接轴的下方，冷却油输送泵与直流电机和直流转换装置冷却油路连接。

5、进一步的，所述液氢输送通路包括液氢输送泵、预冷器和空气/氢气换热器；液氢输送泵、预冷器和空气/氢气换热器由前至后依次设置在进气道内，且液氢输送泵、预冷器和空气/氢气换热器依次连接，压气机位于预冷器的前方，空气/氢气换热器设置在压气机的后方，液氢输送泵位于连接轴的上方。

6、进一步的，所述电池系统包括电线、换热器、压缩机、高温质子交换膜燃料电池、毛细管和冷却通道；高温质子交换膜燃料电池通过电线与直流电机连接，换热器设置在高温质子交换膜燃料电池的外侧，所述冷却通道内填充有制冷剂，冷却通道中流体首先通过压缩机进行压缩，再进入换热器内与空气换热，最后流经毛细管进行循环，压缩机是由直流电机驱动。

7、进一步的，高温质子交换膜燃料电池由多个电池堆组合而成，每个电池堆内的电池通过并联组合，空气和氢气进入高温质子交换膜燃料电池内被分配给每个电池，发生电化学反应产生直流电。

8、本发明的有益效果是：

9、1、本发明相比于传统的燃气涡轮航空发动机，在结构上取消了涡轮，从而改变了涡轮带动压气机工作的模式；用高温质子交换膜燃料电池产生的直流电驱动直流电机，直流电机与直流转换装置相连再通过连接轴连接带动压气机工作，压气机在变工作状态时仅通过对电动机的变化即可，从而实现压气机和涡轮的解耦，解决了较为困难的压气机和涡轮的匹配问题，工作过程操作更加灵活，提高了系统的效率；

10、2、本发明利用高温质子交换膜燃料电池热效率高并且无污染气体排放的优点，解决了传统航空发动机耗油率高以及空气污染物排放含量高的问题；

11、3、本发明在结构上取消了涡轮，使用直流电机带动压气机和风扇，发动机的增压比和温度比不再受涡轮功率分配和涡轮前温度的限制，提高了发动机的功率；

12、4、本发明将喷管作为产生推力的主要部件，直接使用喷管对高温燃气加速，利用气流反作用力推进飞机，取消了传统涡轮与尾喷管的组合形式，减小了重量，也解决了尾喷管与涡轮工作过程相互影响的问题。

技术特征：

1.一种涵道式氢预冷燃料电池涡轮组合发动机，其特征在于：所述一种涵道式氢预冷燃料电池涡轮组合发动机包括进气道(1)、直流电机(2)、风扇(3)、连接轴(4)、压气机(8)、电池系统、尾喷管(15)、直流转换装置(16)、冷却循环油运送通路和液氢输送通路；

2.根据权利要求1所述的一种涵道式氢预冷燃料电池涡轮组合发动机，其特征在于：所述冷却循环油运送通路包括冷却油输送泵(7)；冷却油输送泵(7)设置在进气道(1)内的前部，且冷却油输送泵(7)位于连接轴(4)的下方，冷却油输送泵(7)与直流电机(2)和直流转换装置(16)冷却油路连接。

3.根据权利要求1所述的一种涵道式氢预冷燃料电池涡轮组合发动机，其特征在于：所述液氢输送通路包括液氢输送泵(5)、预冷器(6)和空气/氢气换热器(9)；液氢输送泵(5)、预冷器(6)和空气/氢气换热器(9)由前至后依次设置在进气道内，且液氢输送泵(5)、预冷器(6)和空气/氢气换热器(9)依次连接，压气机(8)位于预冷器(6)的前方，空气/氢气换热器(9)设置在压气机(8)的后方，液氢输送泵(5)位于连接轴(4)的上方。

4.根据权利要求1所述的一种涵道式氢预冷燃料电池涡轮组合发动机，其特征在于：所述电池系统包括电线(10)、换热器(11)、压缩机(12)、高温质子交换膜燃料电池(13)、毛细管(14)和冷却通道；高温质子交换膜燃料电池(13)通过电线(10)与直流电机(2)连接，换热器(11)设置在高温质子交换膜燃料电池(13)的外侧，所述冷却通道内填充有制冷剂，冷却通道中流体首先通过压缩机(12)进行压缩，再进入换热器(11)内与空气换热，最后流经毛细管(14)进行循环，压缩机(12)是由直流电机(2)驱动。

5.根据权利要求4所述的一种涵道式氢预冷燃料电池涡轮组合发动机，其特征在于：高温质子交换膜燃料电池(13)由多个电池堆组合而成，每个电池堆内的电池通过并联组合，空气和氢气进入高温质子交换膜燃料电池(13)内被分配给每个电池，发生电化学反应产生直流电。

技术总结
本发明提出一种氢预冷燃料电池涡轮组合发动机。本发明中尾喷管设置在进气道内的后部，直流电机、压气机、所述电池系统和直流转换装置由前至后依次设置在进气道内，直流电机电机轴通过连接轴与压气机连接，风扇同轴固定套装在连接轴上，直流电机通过直流转换装置与所述电池系统连接，所述冷却循环油运送通路和所述液氢输送通路设置在进气道内。本发明为了解决传统燃气涡轮航空发动机的耗油率较高以及空气污染物排放含量高的问题。本发明属于航空推进器技术领域。

技术研发人员：姬志行,张潇,王占学,程莉雯,梅晓雪
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/9