一种用于涡轮冲压组合发动机的综合热管理系统

本发明属于航空发动机，具体地说，涉及一种用于涡轮冲压组合发动机的综合热管理系统。

背景技术：

1、空中优势是影响现代战争走向的重要因素，为了适应复杂多变的战场环境，未来高性能军用飞机需要在更加宽广的飞行包线内执行各种类型的作战任务，这对动力系统提出了新的性能要求。涡轮冲压组合发动机可以实现涡轮发动机和冲压发动机的高效集成，进而在全飞行包线范围内充分发挥不同系统在其工作范围内的性能优势，是一种极具发展前景的组合式动力装置。

2、然而，随着发动机循环参数的不断提升，在不同的飞行速域内，组合式发动机将面临不同的综合能量与热管理需求。对于涡轮发动机来说，当马赫数达到3以上时，压气机末级温度可能接近甚至超过1000k，这将给压气机末级叶片带来严峻的热防护问题，同时较高温度的压气机末级引气也很难满足涡轮叶片等热端部件的热防护需求，此外，在该马赫数附近，组合式发动机将处于涡轮模态到冲压模态的转换阶段，此时涡轮发动机工作转速较低，冲压发动机进气流量较小，飞行器将面临推力不足的问题；对于冲压发动机来说，缺少旋转机械带来的功率提取困难和高温来流造成的冲压壁面热防护问题同样是热管理系统研究的主要难题。因此，亟需一种能够针对宽速域的涡轮冲压组合发动机，既能保障航空发动机在不同模态下安全可靠工作，也能满足系统用电发电需求的热管理系统。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种用于涡轮冲压组合发动机的综合热管理系统，该系统针对组合式发动机在不同工作模态下的功能特点和综合能量管理需求，利用机载燃油的物理及化学热沉，冷却发动机内部多股热载荷，为发动机附件舱提供合适温度的引气，并解决冲压发动机功率提取困难的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

3、基于涡轮冲压组合发动机的综合能量和热管理需求，在高马赫数涡轮发动机模态下，利用燃油热沉优先吸收温度与流量较低的热侧工质来满足整机热防护需求，再去冷却整机进气提高发动机进气流量来增加发动机推力，在冲压模态下，利用燃油热沉吸收冲压燃烧室等高温壁面的热量，裂解后的煤油蒸汽可用于驱动蒸汽涡轮，并用于后续冲压空气的冷却，确保空气涡轮安全运转，进而实现整机热防护与附件功率提取的要求。

4、一种用于涡轮冲压组合发动机的综合热管理系统，包括高马赫数涡轮模态热管理系统、冲压模态热管理系统；

5、涡轮发动机包括依次顺序连接的进气道、风扇、压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、混合室、加力燃烧室、尾喷管；所述高马赫数涡轮模态热管理系统包括低压燃油泵、高压燃油泵、涡轮冷却气-燃油换热器、轴承腔引气-燃油换热器、附件舱引气-燃油换热器、进气预冷换热器；所述低压燃油泵与高压燃油泵依次串联在燃油进口管路上，且高压燃油泵位于低压燃油泵下游；所述涡轮冷却气-燃油换热器、轴承腔引气-燃油换热器、附件舱引气-燃油换热器组成换热器组，冷端并联连接在高压燃油泵与进气预冷换热器之间，涡轮冷却气-燃油换热器的热端进口与压气机末级连接，热端出口与高压涡轮高温叶片连接，轴承腔引气-燃油换热器的热端进口与压气机中间级连接，热端出口与轴承腔连接，附件舱引气-燃油换热器的热端进口引入冲压空气，热端出口与发动机附件舱连接；所述进气预冷换热器的冷端串联在换热器组与燃烧室、加力燃烧室之间，热端进口空气引自于进气道、热端出口与风扇连接；

6、冲压发动机包括依次顺序连接的冲压进气道、隔离段、冲压燃烧室、冲压尾喷管；所述冲压模态热管理系统包括冲压燃油泵、裂解油气涡轮、冲压空气-油气换热器、冲压空气-涡轮排气换热器、空气涡轮；所述冲压燃油泵、裂解油气涡轮、冲压空气-油气换热器的冷端、冲压燃烧室依次串联，所述冲压燃油泵与裂解油气涡轮之间的冷却管路与冲压燃烧室紧贴以吸收壁面热载荷；所述冲压空气-油气换热器的热端进口与冲压进气道连通，热端出口与冲压空气-涡轮排气换热器的热端进口连接，冲压空气-涡轮排气换热器的热端出口与空气涡轮进气口连接，空气涡轮的出气口与冲压空气-涡轮排气换热器的冷端进口以及发动机附件舱连接；

7、进一步地，所述高马赫数涡轮模态热管理系统中的涡轮冷却气-燃油换热器、轴承腔引气-燃油换热器、附件舱引气-燃油换热器、进气预冷换热器以及冲压模态热管理系统中的冲压空气-油气换热器、冲压空气-涡轮排气换热器采取管壳式或蛇管式布局，兼顾换热效率和结构强度。

8、采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

9、涡轮冲压组合发动机在全飞行包线内的综合能量和热管理需求是复杂多变的，通过本发明所述系统，能够基于发动机在不同工作模态下的能量管理和热防护/热控制需求，高效利用机载燃油热沉，形成适用于高马赫数涡轮发动机和冲压发动机的热管理技术方案，支撑未来先进航空发动机能量综合管理研究。

10、下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

技术特征：

1.一种用于涡轮冲压组合发动机的综合热管理系统，其特征在于：包括高马赫数涡轮模态热管理系统、冲压模态热管理系统；

2.根据权利要求1所述的一种用于涡轮冲压组合发动机的综合热管理系统，其特征在于：

技术总结本发明公开了一种用于涡轮冲压组合发动机的综合热管理系统，包括高马赫数涡轮模态热管理系统、冲压模态热管理系统；在高马赫数涡轮模态下，采用航空煤油作为热沉，优先冷却高压涡轮冷却空气、轴承腔封严引气、发动机附件舱冷却引气等温度和流量较低的热侧工质，再对温度和流量均较高的发动机进气进行预冷；在冲压模态下，采用燃油热沉吸收冲压发动机燃烧室壁面的热载荷，再驱动油气涡轮膨胀做功并带动发电机发电，之后冷却用于驱动空气涡轮工作的冲压引气，确保空气涡轮安全可靠运转。该系统可以有效满足涡轮冲压组合发动机在不同飞行速域下的综合热管理需求。技术研发人员：徐国强,庄来鹤,栗孟晨,董苯思,闻洁,全永凯,张丽娜,赵冀昊,陈俊杰,刘梓宸受保护的技术使用者：北京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/7/11