一种基于燃料能量梯级利用的电动预冷涡轮发动机

本发明涉及航空动力系统，更具体地说，涉及一种基于燃料能量梯级利用的电动预冷涡轮发动机。

背景技术：

1、空天飞行器是实现天地往返的重要方式之一，可自由穿梭于稠密大气、临近空间和近地轨道，突破了传统航天器和航空器的飞行范围局限，具有极高的战略价值。下一代空天飞行器的发展目标为可重复使用、水平起降和航班化发射，要求其推进系统具有宽速域飞行能力，预冷器吸气式组合发动机这一新型发动机的研究受到越来越多的关注。然而，以sabre发动机为代表的深度预冷发动机因需大量燃料冷却空气，导致燃料利用率低，成为其发展的主要瓶颈之一。

2、随着高功率航空电机等技术的发展，混合动力逐渐成为一种具有潜力的未来飞行器的发展方向。常见的油电混动系统大致分为串联式、并联式与串+并联式混合动力系统，比常规的燃油推进系统具有更高的比冲。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种基于燃料能量梯级利用的电动预冷涡轮发动机，通过电机辅助增压，降低预冷器的预冷深度，减少冷却燃料用量，从而提高发动机的比冲和燃料利用效率。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于燃料能量梯级利用的电动预冷涡轮发动机，包括燃料储箱、氢泵、分流器、回热器、冷却器、氦氙压气机、发电机、氦氙涡轮、混合室及发动机主体，发动机主体又包括发动机外壳以及设于发动机外壳内的预冷器、外涵冲压燃烧室、加热器、外涵喷管、进气道中心锥、风扇、第一离合器、电动机、第二离合器、压气机、主燃烧室、涡轮、加力燃烧室、内涵喷管；

4、燃料储箱的出料口与氢泵的进料口相连接，氢泵的出料口与分流器的入口相连接，分流器的一个出口与冷却器的冷端入口相连接，冷却器的冷端出口与混合室的入口相连接，分流器的另一个出口与预冷器的冷端入口相连接，预冷器的冷端出口与混合室的入口相连接，混合室的出口分别与主燃烧室的入口、加力燃烧室的入口以及外涵冲压燃烧室的入口相连接；

5、氦氙压气机的出口与回热器的冷端入口相连接，回热器的冷端出口与加热器的入口相连接，加热器的出口与氦氙涡轮的入口相连接，氦氙涡轮的出口与回热器的热端入口相连接，回热器的热端出口与冷却器的热端入口相连接，冷却器的热端出口与氦氙压气机的入口相连接；

6、发电机与电动机电连接，电动机通过第一离合器与前端的风扇连接，通过第二离合器与后端的压气机连接；风扇的前端为进气道中心锥，压气机与后方的涡轮之间设置主燃烧室，涡轮与后方的内涵喷管之间设置加力燃烧室；外涵喷管与外涵冲压燃烧室的出口相连接；加热器对应安装于主燃烧室，预冷器对应安装于压气机和风扇之间的气流通道内部。

7、进一步的，进气道中心锥为收缩状结构，进气道中心锥前体伸出发动机外壳，发动机外壳的前端作为唇口。

8、进一步的，燃料储箱装载的燃料为液氢，燃料储箱的压力不低于0.5mpa，温度不高于20k。

9、进一步的，分流器能够根据不同的飞行工况调节流量分配。

10、进一步的，回热器、冷却器、预冷器以及加热器均为间壁式换热器。

11、进一步的，氦氙压气机、发电机和氦氙涡轮采用同轴方式布置。

12、进一步的，发电机为启发一体电机，具有电动机模式和发电机模式两种工作模式。

13、进一步的，电动机为高速电机。

14、进一步的，外涵喷管和内涵喷管均为拉瓦尔喷管，且喷管几何结构可调。

15、相较于现有技术，本发明一种基于燃料能量梯级利用的电动预冷涡轮发动机具有以下优势：

16、1.本发明构建了一种基于燃料能量梯级利用的电动预冷涡轮发动机，结合了电动机和燃气涡轮发动机的优势，提高了发动机的整体性能和适应性。在低速时电动机驱动风扇，高速时电动机辅助压气机，优化了不同飞行状态下的能量分配。本发明通过电机辅助增压，降低了预冷器的预冷深度，减少了冷却用燃料的量，提升了系统的比冲，提高了燃料利用效率。

17、2.本发明一种基于燃料能量梯级利用的电动预冷涡轮发动机中，低温液氢作为闭式布雷顿循环系统的冷源，氦氙混合气在传热和能量转换方面的优异表现，保证了闭式布雷顿循环的高发电效率。

18、3.本发明设计难度低，动力强劲，工作效率高，采用液氢作为燃料，减少了碳排放，符合未来航空和航天器环保和可持续发展的趋势。

技术特征：

1.一种基于燃料能量梯级利用的电动预冷涡轮发动机，其特征在于，包括燃料储箱(1)、氢泵(2)、分流器(3)、回热器(4)、冷却器(5)、氦氙压气机(6)、发电机(7)、氦氙涡轮(8)、混合室(11)及发动机主体，发动机主体又包括发动机外壳(9)以及设于发动机外壳(9)内的预冷器(10)、外涵冲压燃烧室(12)、加热器(13)、外涵喷管(14)、进气道中心锥(15)、风扇(16)、第一离合器(17)、电动机(18)、第二离合器(19)、压气机(20)、主燃烧室(21)、涡轮(22)、加力燃烧室(23)、内涵喷管(24)；

2.根据权利要求1所述的一种基于燃料能量梯级利用的电动预冷涡轮发动机，其特征在于，进气道中心锥(15)为收缩状结构，进气道中心锥前体伸出发动机外壳(9)，发动机外壳(9)的前端作为唇口。

3.根据权利要求1所述的一种基于燃料能量梯级利用的电动预冷涡轮发动机，其特征在于，燃料储箱(1)装载的燃料为液氢，燃料储箱(1)的压力不低于0.5mpa，温度不高于20k。

4.根据权利要求1所述的一种基于燃料能量梯级利用的电动预冷涡轮发动机，其特征在于，分流器(3)能够根据不同的飞行工况调节流量分配。

5.根据权利要求1所述的一种基于燃料能量梯级利用的电动预冷涡轮发动机，其特征在于，回热器(4)、冷却器(5)、预冷器(10)以及加热器(13)均为间壁式换热器。

6.根据权利要求1所述的一种基于燃料能量梯级利用的电动预冷涡轮发动机，其特征在于，氦氙压气机(6)、发电机(7)和氦氙涡轮(8)采用同轴方式布置。

7.根据权利要求1所述的一种基于燃料能量梯级利用的电动预冷涡轮发动机，其特征在于，发电机(7)为启发一体电机，具有电动机模式和发电机模式两种工作模式。

8.根据权利要求1所述的一种基于燃料能量梯级利用的电动预冷涡轮发动机，其特征在于，电动机(18)为高速电机。

9.根据权利要求1所述的一种基于燃料能量梯级利用的电动预冷涡轮发动机，其特征在于，外涵喷管(14)和内涵喷管(24)均为拉瓦尔喷管，且喷管几何结构可调。

技术总结
本发明涉及航空动力系统技术领域，公开了一种基于燃料能量梯级利用的电动预冷涡轮发动机，包括燃料储箱、氢泵、分流器、回热器、冷却器、氦氙压气机、发电机、氦氙涡轮、混合室及发动机主体，发动机主体又包括发动机外壳以及设于发动机外壳内的预冷器、外涵冲压燃烧室、加热器、外涵喷管、进气道中心锥、风扇、第一离合器、电动机、第二离合器、压气机、主燃烧室、涡轮、加力燃烧室、内涵喷管。本发明解决了深度预冷发动机高速飞行时燃料冷却用量大于燃烧用量导致燃料利用率低的问题，它通过电机辅助增压，降低了预冷器的预冷深度，减少了冷却燃料用量，从而提高了发动机的比冲和燃料利用效率。

技术研发人员：程昆林,李嘉辉,秦江,王聪
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/28