涡轮级间燃料电池组合喷气发动机

本发明属于飞机推进系统，涉及一种喷气发动机，特别是涉及一种涡轮级间燃料电池组合喷气发动机。

背景技术：

1、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，热效率较低且耗油率高，nox排放量较高，对环境产生较大污染；而氢能可以显著减少碳排放和空气污染，有助于缓解全球气候变化问题，并且氢能飞机具有更低的碳排放和更高的能源效率。

2、以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池作为一种前沿的清洁能源技术，具有诸多优势。首先，质子交换膜燃料电池具有高能量转化效率。相较于传统燃烧发电方式，质子交换膜燃料电池在能量转化过程中损失较少，能够更有效地将燃料的化学能转化为电能，从而提高能源利用效率。这种高效率的能源转化过程使得质子交换膜燃料电池在能源利用方面具有明显优势。

3、其次，质子交换膜燃料电池具有零排放特性。在工作过程中，质子交换膜燃料电池只会产生水和少量热能，不会排放有害气体和颗粒物，对环境影响极小。这种清洁的能源特性使得质子交换膜燃料电池成为低碳环保的能源选择，有助于减少空气污染和全球温室气体排放，推动可持续发展。

4、另外，质子交换膜燃料电池还具有快速启动和低噪音的特点，适用于需要快速响应和低噪音环境的场合。近年来在发展绿色航空方面受到越来越多的关注。氢燃料电池作为一种清洁、低噪音和具有长续航能力的能源解决方案，在航空领域具有巨大的应用潜力，为其提供了广阔的发展空间。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明为了解决传统燃气轮机推进系统的热效率较低且耗油率高，nox排放量较高，对环境产生较大污染的问题，提出一种涡轮级间燃料电池组合喷气发动机，不使用传统燃油，增加质子交换膜燃料电池组，使用电推进。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种涡轮级间燃料电池组合喷气发动机，包括液氢输送系统、飞机推进系统和空气输送系统；

3、所述飞机推进系统包括主推进系统与副推进系统，其中主推进系统包括低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、中压涡轮、低压涡轮、发电机、连接轴和尾喷管，所述低压压气机通过连接轴与中压涡轮相连；所述高压压气机通过连接轴与高压涡轮相连；所述低压涡轮与发电机相连；所述副推进系统包括换热器、质子交换膜燃料电池系统、dc/dc、电动机和涵道风扇；所述低压涡轮连接发电机，所述质子交换膜燃料电池系统和发电机均通过电线与dc/dc、电动机和涵道风扇依次相连，为涵道风扇供能；

4、所述液氢输送系统与质子交换膜燃料电池系统连接，

5、所述空气输送系统中空气经进气道进入低压压气机压缩后，与液氢输送系统换热，再送至质子交换膜燃料电池系统，与液氢发生电化学反应；

6、三通连接件ⅰ与质子交换膜燃料电池系统反应后生成的含有水的空气相连，所述三通连接件ⅰ的空气出口端通过空气流通管道与高压压气机相连，所述三通连接件ⅰ的水出口段与燃烧室相连；三通连接件ⅱ与质子交换膜燃料电池系统反应后生成的含有水的空气相连，出口段分别接入高压涡轮叶根处、中压涡轮叶根处；三通连接件ⅲ与所述三通连接件ⅰ的水出口段相连，出口段分别接入高压压气机和燃烧室。

7、更进一步地，所述空气输送系统分为两部分，一部分空气经进气道进入低压压气机压缩后，横掠液氢输送系统，与液氢进行换热，送至质子交换膜燃料电池系统，与质子交换膜燃料电池系统内部液氢发生电化学反应，另一部分空气直接流过外涵，与质子交换膜燃料电池系统进行换热后，经尾喷管流出。

8、更进一步地，所述质子交换膜燃料电池系统通入空气与氢气发生电化学反应，产生直流电，通过电线传给dc/dc，dc/dc将电能供给电动机，所述电动机驱动电动涵道风扇。

9、更进一步地，所述液氢输送系统包括压力自平衡式氢罐、阀门ⅳ、风机ⅴ和液氢输送管道，所述压力自平衡式氢罐通过液氢输送管道与质子交换膜燃料电池系统连接，所述液氢输送管道上设置有阀门ⅳ和风机ⅴ，所述压力自平衡式氢罐采用杜瓦瓶与保温材料相结合的机构，当温度升高时，液氢蒸发，使得压力自平衡式氢罐内的压力升高，此时压力自平衡式氢罐会释放出氢气，使压力降低。

10、更进一步地，所述液氢输送系统中液氢经液氢输送泵流经换热器，送至质子交换膜燃料电池系统。

11、更进一步地，所述涵道风扇有两种驱动模式：一种为通过涡轮带动的发电机驱动涵道风扇，另一种为通过质子交换膜燃料电池系统发电驱动涵道风扇。

12、更进一步地，所述涵道风扇对称设置于发动机两侧。

13、更进一步地，所述dc/dc将低压直流转换为高压直流，所述高压直流为380v。

14、更进一步地，所述质子交换膜燃料电池系统包括多个质子交换膜燃料电池，每个质子交换膜燃料电池并联组合，空气与氢气分别进入质子交换膜燃料电池系统，发生电化学反应产生直流电。

15、与现有技术相比，本发明所述的一种涡轮级间燃料电池组合喷气发动机的有益效果是：

16、(1)本发明相比于传统的燃气涡轮航空发动机，在结构上增加了质子交换膜燃料电池系统，改变了发动机的供能来源。本发明利用质子交换膜燃料电池产生的直流电驱动电动机，电动机直接通过连接轴连接带动电动涵道风扇工作，解决了较燃料电池重量加大，燃气涡轮效率较低，推力不足问题，提高了总效率。

17、(2)本发明利用质子交换膜燃料电池热效率高且污染气体排放量少的优点，解决了传统航空发动机耗油率高和空气污染物排放含量高的问题。

18、(3)本发明通过携带液氢储氢罐，满足了在飞机上用于燃料电池的反应气的需求，解决了直接携带气态氢罐储存量较小的问题。

19、(4)本发明在结构上增加了中压涡轮，使得燃气燃烧利用效率增大，提高了发动机的功率。

技术特征：

1.一种涡轮级间燃料电池组合喷气发动机，其特征在于：包括液氢输送系统、飞机推进系统和空气输送系统；

2.根据权利要求1所述的涡轮级间燃料电池组合喷气发动机，其特征在于：所述空气输送系统分为两部分，一部分空气经进气道(8)进入低压压气机(1)压缩后，横掠液氢输送系统，与液氢进行换热，送至质子交换膜燃料电池系统，与质子交换膜燃料电池系统内部液氢发生电化学反应，另一部分空气直接流过外涵，与质子交换膜燃料电池系统进行换热后，经尾喷管(16)流出。

3.根据权利要求1所述的涡轮级间燃料电池组合喷气发动机，其特征在于：所述质子交换膜燃料电池系统通入空气与氢气发生电化学反应，产生直流电，通过电线(11)传给dc/dc(13)，dc/dc(13)将电能供给电动机(14)，所述电动机(14)驱动电动涵道风扇(15)。

4.根据权利要求1所述的涡轮级间燃料电池组合喷气发动机，其特征在于：所述液氢输送系统包括压力自平衡式氢罐(12)、阀门ⅳ、风机ⅴ和液氢输送管道，所述压力自平衡式氢罐(12)通过液氢输送管道与质子交换膜燃料电池系统连接，所述液氢输送管道上设置有阀门ⅳ和风机ⅴ，所述压力自平衡式氢罐(12)，采用杜瓦瓶与保温材料相结合的机构，当温度升高时，液氢蒸发，使得压力自平衡式氢罐(12)内的压力升高，此时压力自平衡式氢罐(12)会释放出氢气，使压力降低。

5.根据权利要求1所述的涡轮级间燃料电池组合喷气发动机，其特征在于：所述液氢输送系统中液氢经液氢输送泵流经换热器(9)，送至质子交换膜燃料电池系统。

6.根据权利要求1所述的涡轮级间燃料电池组合喷气发动机，其特征在于：所述涵道风扇(15)有两种驱动模式：一种为通过涡轮带动的发电机(7)驱动涵道风扇(15)，另一种为通过质子交换膜燃料电池系统发电驱动涵道风扇(15)。

7.根据权利要求1所述的涡轮级间燃料电池组合喷气发动机，其特征在于：所述涵道风扇(15)对称设置于发动机两侧。

8.根据权利要求1所述的涡轮级间燃料电池组合喷气发动机，其特征在于：所述dc/dc(13)将低压直流转换为高压直流，所述高压直流为380v。

9.根据权利要求1所述的涡轮级间燃料电池组合喷气发动机，其特征在于：所述质子交换膜燃料电池系统包括多个质子交换膜燃料电池(10)，每个质子交换膜燃料电池(10)并联组合，空气与氢气分别进入质子交换膜燃料电池系统，发生电化学反应产生直流电。

10.根据权利要求1所述的涡轮级间燃料电池组合喷气发动机，其特征在于：所述液氢输送系统在氢气输送管道上等距离开孔，氢气通过分流器vi分多股流入质子交换膜燃料电池(10)，每股流量、压力相等。

技术总结本发明提出了一种涡轮级间燃料电池组合喷气发动机，属于飞机推进系统技术领域。解决了传统燃气轮机推进系统的热效率较低且耗油率高，NOx排放量较高，对环境产生较大污染的问题。它包括液氢输送系统、飞机推进系统和空气输送系统；飞机推进系统包括主推进系统与副推进系统，主推进系统与副推进系统均通过电线与电动机和涵道风扇依次相连；液氢输送系统与质子交换膜燃料电池系统连接，空气输送系统中空气经进气道进入低压压气机压缩后，与液氢输送系统换热，再送至质子交换膜燃料电池系统，与液氢发生电化学反应。本发明利用质子交换膜燃料电池产生的直流电驱动电动机，电动机直接通过连接轴连接带动电动涵道风扇工作，提高了总效率。技术研发人员：姬志行,梅晓雪,王占学,程莉雯,张潇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：2024/6/20