一种液氢飞机联合循环动力系统及起动方法与流程

本发明属于循环动力，特别涉及一种液氢飞机联合循环动力系统及起动方法。

背景技术：

1、目前，氢燃料飞机主要以气态氢作为燃料，并主要采用燃气涡轮发动机作为氢飞机动力系统，如图1所示。氢燃料从储氢罐出来，通过氢气减压阀对高压氢气进行减压，随后通过氢气稳压阀减少管路压力波动，再通过氢气调节阀实现对氢气流量的调节，最后全部的氢气通过氢气总管进入燃气涡轮发动机燃烧室进行燃烧，燃烧后形成的高温燃气推动涡轮做功。该套系统的氢气流量计量完全依靠调节阀前后的压力和温度进行换算得到，由于氢气可压缩性极强，调节阀前后的压力、温度和调节阀节流面积均处于动态变化，导致氢流量实时计量精度非常低，难以满足高精度、低延时的氢燃料涡轮发动机动态控制，因此燃气涡轮发动机也转速难以实现快速的调节，加速性能较差；同时液氢飞机采用液氢作为燃料，但是液氢必须要转化为气态氢才能参与燃烧或其他化学反应并提供热量，由于液氢温度为20k，在动力系统起动时，难以对液氢进行换热汽化，导致无法起动液氢飞机动力系统。

技术实现思路

1、针对上述问题，本公开提出一种液氢飞机联合循环动力系统，包括液氢罐、截止阀、氢气缓存罐、电动机、压气机、燃烧室、燃气涡轮和尾喷管；

2、所述液氢罐内包含x％体积的液态氢和y％体积的气态氢，其中x％+y％＝1，且x％＞4y％；所述液氢罐的气体输出端连接氢气缓存罐的输入端，所述液氢罐与所述氢气缓存罐之间设置有截止阀；所述液氢罐的液体输出端依次连接有液氢增压泵、稳压阀和氢气调节阀；所述电动机依次连接压气机、燃烧室、燃气涡轮和尾喷管；

3、所述氢气调节阀的输出端与氢气缓存罐连接；所述氢气缓存罐的输出管与所述燃烧室连接；所述液氢罐的气体输出端先于液体输出端打开且不同时处于开启状态。

4、进一步地，所述液氢增压泵和所述稳压阀之间连接有液氢换热器；所述液氢换热器的液体输出端与冷却工质泵的输入端连接，所述冷却工质泵的输出端与所述蒸发器连接；所述蒸发器与尾喷管连接；所述蒸发器的输出端与所述液氢换热器的气体输入端之间连接有膨胀机；所述膨胀机与发电机连接；所述发电机驱动电动机做功。

5、进一步地，所述发电机依次连接逆变器和蓄电池；所述蓄电池连接所述电动机。

6、进一步地，所述冷却工质泵内的中间冷却工质为惰性气体。

7、进一步地，所述氢气缓存罐与所述燃烧室之间依次设置有止回阀和一号停车阀。

8、进一步地，所述稳压阀与所述氢气调节阀之间依次设置有安全阀、二号停车阀和一体化传感器。

9、进一步地，所述氢气调节阀与所述氢气缓存罐之间设置有压力传感器，所述燃气涡轮出口处设置有温度传感器。

10、一种液氢飞机联合循环动力起动方法，该方法适用于上述任一所述的一种液氢飞机联合循环动力系统；该方法包括以下步骤：

11、先启动电动机，电动机将压气机带转到一定的起转速度，并且启动燃烧室内的点火装置；

12、然后打开截止阀和一号停车阀，液氢罐内的气态氢流入氢气缓存罐内，之后进入燃烧室内与经压气机压缩的空气混合燃烧；

13、当燃气涡轮的转速达到设定值z时，且燃气涡轮附近的温度传感器监测到点火成功后，关闭截止阀；

14、再启动液氢罐中的液态氢进行传输，将液态氢汽化之后进入燃烧室内充当燃料；逐步提高氢燃料的流量；

15、随着液氢功率流量的升高，燃气涡轮的转速提高，当燃气涡轮转速提高至地面慢车转速时，动力系统进入自维持阶段，起动过程完成。

16、进一步地，液氢罐中的液态氢依次经过液氢增压泵、液氢换热器和氢气调节阀进入到氢气缓存罐内，再从氢气缓存罐内依次流经止回阀和一号停车阀后，进入燃烧室内燃烧；液态氢在液氢换热器内与经膨胀机膨胀降温后的中间冷却工质换热。

17、进一步地，中间冷却工质依次循环流经液氢换热器、冷却工质泵、蒸发器和膨胀机；中间冷却工质在液氢换热器中与液氢换热，中间冷却工质在蒸发器中与尾喷管中的高温燃气进行换热；膨胀机带动发电机工作。

18、本公开通过在液氢罐中同时存放有液态氢和气态氢，先通过气态氢输送将燃烧室点燃，再通过切换至液态氢作为燃烧室燃料，逐步提高氢燃料的流量，使得液氢飞机动力系统能够快速正常启动；

19、本公开通过在氢气调节阀的进口设置有稳压阀，在氢气调节阀的出口设置有氢气缓存罐，因此氢气调节阀的进出口压力波动较低；使得氢气流量计量较为准确，从而使得燃气涡轮转速控制更为精确。

20、本公开的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本公开而了解。本公开的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

技术特征：

1.一种液氢飞机联合循环动力系统，其特征在于，包括液氢罐(1)、截止阀(2)、氢气缓存罐(3)、电动机(4)、压气机(5)、燃烧室(6)、燃气涡轮(7)和尾喷管(8)；

2.根据权利要求1所述的一种液氢飞机联合循环动力系统，其特征在于，所述液氢增压泵(9)和所述稳压阀(10)之间连接有液氢换热器(12)；所述液氢换热器(12)的液体输出端与冷却工质泵(13)的输入端连接，所述冷却工质泵(13)的输出端与蒸发器(14)连接；所述蒸发器(14)与尾喷管(8)连接；所述蒸发器(14)的输出端与所述液氢换热器(12)的气体输入端之间连接有膨胀机(15)；所述膨胀机(15)与发电机(16)连接；所述发电机(16)驱动电动机(4)做功。

3.根据权利要求2所述的一种液氢飞机联合循环动力系统，其特征在于，所述发电机(16)依次连接逆变器(17)和蓄电池(18)；所述蓄电池(18)连接所述电动机(4)。

4.根据权利要求3所述的一种液氢飞机联合循环动力系统，其特征在于，所述冷却工质泵(13)内的中间冷却工质为惰性气体。

5.根据权利要求4所述的一种液氢飞机联合循环动力系统，其特征在于，所述氢气缓存罐(3)与所述燃烧室(6)之间依次设置有止回阀(19)和一号停车阀(20)。

6.根据权利要求5所述的一种液氢飞机联合循环动力系统，其特征在于，所述稳压阀(10)与所述氢气调节阀(11)之间依次设置有安全阀(21)、二号停车阀(22)和一体化传感器(23)。

7.根据权利要求6所述的一种液氢飞机联合循环动力系统，其特征在于，所述氢气调节阀(11)与所述氢气缓存罐(3)之间设置有压力传感器(24)，所述燃气涡轮(7)出口处设置有温度传感器。

8.一种液氢飞机联合循环动力起动方法，其特征在于，该方法适用于权利要求1-7中任一所述的一种液氢飞机联合循环动力系统；该方法包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种液氢飞机联合循环动力起动方法，其特征在于，液氢罐(1)中的液态氢依次经过液氢增压泵(9)、液氢换热器(12)和氢气调节阀(11)进入到氢气缓存罐(3)内，再从氢气缓存罐(3)内依次流经止回阀(19)和一号停车阀(20)后，进入燃烧室(6)内燃烧；液态氢在液氢换热器(12)内与经膨胀机(15)膨胀降温后的中间冷却工质换热。

10.根据权利要求9所述的一种液氢飞机联合循环动力起动方法，其特征在于，中间冷却工质依次循环流经液氢换热器(12)、冷却工质泵(13)、蒸发器(14)和膨胀机(15)；中间冷却工质在液氢换热器(12)中与液氢换热，中间冷却工质在蒸发器(14)中与尾喷管(8)中的高温燃气进行换热；膨胀机(15)带动发电机(16)工作。

技术总结本发明属于循环动力技术领域，特别涉及一种液氢飞机联合循环动力系统及起动方法；所述液氢罐内包含x％体积的液态氢和y％体积的气态氢，其中x％+y％＝1，且x％＞4y％；所述液氢罐的气体输出端连接氢气缓存罐的输入端，所述液氢罐与所述氢气缓存罐之间设置有截止阀；所述液氢罐的液体输出端依次连接有液氢增压泵、稳压阀和氢气调节阀；所述电动机4依次连接压气机、燃烧室、燃气涡轮和尾喷管；先通过气态氢输送将燃烧室点燃，再通过切换至液态氢作为燃烧室燃料，逐步提高氢燃料的流量，使得液氢飞机动力系统能够快速正常启动。技术研发人员：肖为,李维,曹俊,陈志雄,彭富霞,张坤受保护的技术使用者：中国航发湖南动力机械研究所技术研发日：技术公布日：2024/7/23