基于氢能的新型高超声速组合发动机的制作方法

本说明书涉及航空发动机，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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

技术特征：

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：

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。

技术总结
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。

技术研发人员：桂丰,马存祥,钟世林,康玉东,李丹,李中龙,杨磊,曹清源,张宇超,沈云超,周人治
受保护的技术使用者：中国航发四川燃气涡轮研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15