一种飞机燃氢动力系统及飞行器的制作方法

本发明属于航空动力系统，尤其涉及一种飞机燃氢动力系统及飞行器。

背景技术：

1、航空脱碳的重要手段是使用清洁燃料，尤其是氢燃料被寄予厚望，这主要是因为氢气所产生的推力是航空煤油的3倍，但所释放的二氧化碳量为零，氮氧化物也为超低排放。

2、目前，为了实现发动机给飞机提供动力，常常采用氢涡轮动力方式，氢涡轮动力方式适用于支线飞机及中大型飞机，使用氢燃料替代现用的航空煤油以形成新的动力系统，但是航空发动机从燃油到燃氢需要对传统涡轮发动机改进设计，包括燃烧室、燃料系统和控制系统等，成本较高。

技术实现思路

1、为了解决现有中采用氢涡轮动力方式给飞机提供动力时航空发动机从燃油到燃氢需对传统涡轮发动机改进设计，改进大，成本较高的问题，本发明提供一种飞机燃氢动力系统及飞行器，为飞机提供飞行所需的主动力和辅助动力，该系统可以在地面起动发动机，在地面以常规辅助动力装置模式工作，并在全飞行包线范围内同时为飞机提供所需的主动力和辅助动力。所述技术方案如下：

2、第一方面，提供一种飞机燃氢动力系统，包括：燃氢发动机、燃氢辅助动力装置、氢能传输装置，燃氢发动机与氢能传输装置、燃氢辅助动力装置连接，氢能传输装置与燃氢辅助动力装置连接；

3、在地面起动和空中工作状态下，来自环境的空气进入燃氢发动机后的一部分压缩空气先经氢能传输装置，在氢能传输装置内与氢能传输装置得到的气态氢完成预冷，预冷后的空气进入燃氢辅助动力装置经过压缩，并和氢能传输装置出来的气态氢燃烧和膨胀，再进入燃氢发动机并作为燃料在燃氢发动机中与来自环境的空气进入燃氢发动机后的另一部分压缩空气混合燃烧、膨胀做功，最后排出。

4、本发明采用氢涡轮动力方式给飞机提供动力时，仅仅在原来的燃氢发动机、燃氢辅助动力装置的基础上增加了氢能传输装置，并没有对传统涡轮发动机包括燃烧室、燃料系统和控制系统等进行改进，所以改动较小，降低了改造成本。

5、可选地，燃氢发动机包括依次连接的风扇、第一起发电机、低压压气机、高压压气机、第一燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、喷嘴；第一起发电机与控制器连接；

6、在地面起动和空中工作状态下，来自环境的空气进入风扇，冷却第一起发电机，再进入低压压气机、高压压气机，之后从高压压气机流出的一部分压缩空气进入氢能传输装置，另外一部分压缩空气进入第一燃烧室并与来自燃氢辅助动力装置的燃料进行燃烧，燃烧后再经过高压涡轮、低压涡轮膨胀做功，最后由喷嘴排出。

7、可选地，燃氢辅助动力装置包括：第二起发电机、进气门、压气机、第二燃烧室、涡轮，其中，第二起发电机与氢能传输装置的燃料泵连接，第二起发电机、压气机和涡轮同轴，进气门与压气机连接，第二燃烧室与压气机、涡轮、氢能传输装置的换热器连接，第二燃烧室和压气机之间设有第四流量控制阀，第二起发电机、进气门与控制器连接；

8、在地面起动和空中工作状态下，进气门关闭，来自氢能传输装置预冷后的空气进入压气机进行升温、升压，经过第四流量控制阀进入第二燃烧室，与氢能传输装置出来的气态氢进行燃烧，再经过涡轮进行膨胀，经过第二流量控制阀进入燃氢发动机。

9、可选地，在地面辅助发电工作状态下，进气门打开，来自环境的空气进入压气机进行升温、升压，经过第四流量控制阀进入第二燃烧室，与氢能传输装置出来的气态氢进行燃烧，再经过涡轮进行膨胀，之后，一部分经过第三流量控制阀进入氢能传输装置的换热器，给氢能传输装置的换热器中的气态氢升温；其余排出。

10、可选地，氢能传输装置包括依次连接的液氢储罐、汽化器、燃料泵、换热器,

11、在地面起动和空中工作状态下，液氢储罐的液态氢经过第五流量控制阀进入汽化器，再经过燃料泵进入换热器，燃氢发动机的一部分压缩空气经过第一流量控制阀进入换热器，并与气态氢换热，氢气升温后经过稳压阀进入燃氢辅助动力装置的第二燃烧室进行燃烧，空气进入燃氢辅助动力装置的压气机进行压缩，燃料泵由燃氢辅助动力装置的第二起发电机驱动。

12、可选地，在地面辅助发电工作状态下，液氢储罐的液态氢经过第五流量控制阀进入汽化器，再经过燃料泵进入换热器，燃氢辅助动力装置的涡轮排出的一部分燃气进入换热器，给气态氢升温之后排出，气态氢升温后进入燃氢辅助动力装置的第二燃烧室进行燃烧。

13、可选地，涡轮上设有与控制器连接的转速传感器，用于采集涡轮转速，控制器基于该涡轮转速控制第一流量控制阀和第五流量控制阀的开度。控制器可根据转速传感器的转速反馈调节第一流量控制阀和第五流量控制阀的开度，控制系统燃料供给，从而保持系统转速恒定。

14、可选地，换热器设有与控制器连接的温度传感器，用于采集氢能辅助动力装置的涡轮排出的一部分燃气经过换热器后的温度，控制器基于该温度控制第三流量控制阀的开度，这样可控制涡轮排出的一部分燃气供给，从而保证气态氢得到所需的热量进行升温。

15、第二方面，提供一种飞行器，其特征在于，包括第一方面任一所述的飞机燃氢动力系统。

16、本发明的有益效果至少在于：

17、1、采用氢涡轮动力方式给飞机提供动力时，仅仅在原来的燃氢发动机、燃氢辅助动力装置的基础上增加了氢能传输装置，并没有对传统涡轮发动机包括燃烧室、燃料系统和控制系统等架构进行改进，所以改动较小，降低了改造成本；

18、2、飞机燃氢动力系统中的燃氢辅助动力装置在飞机飞行过程中一直工作，提高了飞机辅助动力装置的利用率；

19、3、燃氢辅助动力装置可以在飞行全程工作，并通过起发电机为飞机提供辅助电功率。因此，这套动力系统还可以减小发动机起发电机发电规模，发动机起发电机重量和体积都能得到减小；

20、4、换热器以低温氢燃料为冷源，替代了传统的滑油冷却，极大简化了系统冷却结构。

技术特征：

1.一种飞机燃氢动力系统，其特征在于，包括：燃氢发动机、燃氢辅助动力装置、氢能传输装置，燃氢发动机与氢能传输装置、燃氢辅助动力装置连接，氢能传输装置与燃氢辅助动力装置连接；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，燃氢发动机包括：依次连接的风扇、第一起发电机、低压压气机、高压压气机、第一燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、喷嘴；第一起发电机与控制器连接；

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，燃氢辅助动力装置包括：第二起发电机、进气门、压气机、第二燃烧室、涡轮，其中，第二起发电机与氢能传输装置的燃料泵连接，第二起发电机、压气机和涡轮同轴，进气门与压气机连接，第二燃烧室与压气机、涡轮、氢能传输装置的换热器连接，第二燃烧室和压气机之间设有第四流量控制阀，第二起发电机、进气门与控制器连接；

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，在地面辅助发电工作状态下，进气门打开，来自环境的空气进入压气机进行升温、升压，经过第四流量控制阀进入第二燃烧室，与氢能传输装置出来的气态氢进行燃烧，再经过涡轮进行膨胀，之后，一部分经过第三流量控制阀进入氢能传输装置的换热器，给氢能传输装置的换热器中的气态氢升温；其余排出。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，氢能传输装置包括依次连接的液氢储罐、汽化器、燃料泵、换热器,

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，涡轮上设有与控制器连接的转速传感器，用于采集涡轮转速，控制器基于该涡轮转速控制第一流量控制阀和第五流量控制阀的开度。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，换热器设有与控制器连接的温度传感器，用于采集氢能辅助动力装置的涡轮排出的一部分燃气经过换热器后的温度，控制器基于该温度控制第三流量控制阀的开度。

9.一种飞行器，其特征在于，包括权利要求1至8任一所述的飞机燃氢动力系统。

技术总结本发明提供一种飞机燃氢动力系统及飞行器，属于航空动力系统技术领域，该系统在地面起动和空中工作状态下，来自环境的空气进入燃氢发动机后的一部分压缩空气先经氢能传输装置，在氢能传输装置内与氢能传输装置得到的气态氢完成预冷，预冷后的空气进入燃氢辅助动力装置经过压缩，并和氢能传输装置出来的气态氢燃烧和膨胀，再进入燃氢发动机并作为燃料在燃氢发动机中与来自环境的空气进入燃氢发动机后的另一部分压缩空气混合燃烧、膨胀做功，最后排出；本发明采用氢涡轮动力方式给飞机提供动力时，仅仅在原来的燃氢发动机、燃氢辅助动力装置的基础上增加了氢能传输装置，改动较小，降低了改造成本。技术研发人员：张奇,徐亮,侯乐毅受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司金城南京机电液压工程研究中心技术研发日：技术公布日：2024/6/11