基于航煤及氨分解双级CCA的涡扇发动机系统及工作方法

本发明涉及发动机，具体涉及基于航煤及氨分解双级cca的涡扇发动机系统及工作方法。

背景技术：

1、在全球绿色航空发展背景下，高效率、低排放航空发动机是航空领域的重要发展方向。提高涡轮入口温度是提升发动机热效率的有效途径之一。研究表明，涡轮入口温度每上升55℃，发动机热效率通常可以增加10％左右。然而，受制于现有涡轮叶片材料的耐温性能，材料的最高工作温度通常远低于燃烧室出口温度，需要对涡轮叶片等热端部件进行冷却以提高涡轮入口温度。

2、cca技术即冷却冷却空气技术，是提高涡轮入口温度的主要方式之一。通过布置cca换热器，利用外涵道空气、航空煤油等工质作为cca换热器的冷源并与高压压气机出口引气进行换热，从而能够提高引气的冷却品质，有助于实现对于涡轮叶片等热端部件的有效冷却，进而提高涡轮入口温度。

3、现有cca技术，可根据换热器中的冷端工质种类分为空-空换热器和空-油换热器两类，空-空换热器布置在涡扇发动机外涵道，并由外涵道空气流经空-空换热器冷侧以冷却热侧通道中的高温引气，但同时会造成较大的冷侧压力损失；空-油换热器可以布置在发动机内、外涵道间的舱体等部位中，以航空煤油等液体作为换热器冷端工质，相比于空-空换热器具有更低的空气侧压力损失。

4、新一代航空发动机追求更高的推进性能，因此发动机的总压比和涡轮前温度势必将不断提高，一方面发动机总压比的增加提高了高压压气机出口空气温度进而导致引气冷却品质的降低，另一方面涡轮前温度的增加又进一步加剧了涡轮叶片等热端部件工作的恶劣环境。考虑到外涵道空气、航空煤油的热沉有限，有必要探寻新一代具有更强冷却能力的工质作为冷源以提高引气的冷却品质，从而满足热端部件的冷却需求。

5、氨作为一种绿色环保的燃料，本身具有优秀的冷却能力，液氨相变能够提供高额的潜热吸热量，此外氨在催化剂及350℃以上的高温条件下将发生分解吸热反应，能够进一步提高氨燃料的热沉。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的传统cca发动机存在的cca换热器尺寸大、引气损失偏高的问题，从而提供一种基于航煤及氨分解双级cca的涡扇发动机系统及工作方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了基于航煤及氨分解双级cca的涡扇发动机系统，包括：进气道、风扇、高压压气机、航煤cca换热器、氨分解cca换热器、主燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、混合室、加力燃烧室、尾喷管、航煤供给系统及氨燃料供给系统；进气道和风扇依次布置在发动机的前端，高压压气机和主燃烧室、高压涡轮、以及低压涡轮依次连接、并布置在发动机内涵道中，混合室、加力燃烧室依次布置在发动机内涵道出口外侧，航煤cca换热器冷侧入口与航煤供给系统连接，氨分解cca换热器冷侧入口与氨燃料供给系统连接，并布置在内外涵道间的舱体中，航煤cca换热器与氨分解cca换热器冷侧出口分别与主燃烧室和加力燃烧室燃油入口连接，航煤cca换热器热侧入口与引气管连接，热侧出口与氨分解cca换热器热侧入口连接，氨分解cca换热器热侧出口与冷却气管路入口连接。

3、进一步地，航煤cca换热器的热端工质为高压压气机出口引气，冷端工质为航煤。

4、进一步地，航煤供给系统包括依次连接的航煤储箱和航煤泵、以及航煤调节阀，煤调节阀与航煤cca换热器连接。

5、进一步地，氨分解cca换热器的热端工质为航煤cca换热器热侧出口排出的冷却引气，冷端工质为氨燃料。

6、进一步地，氨燃料和航煤的流量比例范围为0.1-2。

7、进一步地，氨分解cca换热器中的冷侧通道内壁面涂覆有催化剂。

8、进一步地，催化剂为ru基催化剂。

9、进一步地，氨燃料供给系统包括液氨储箱和液氨泵、以及液氨调节阀，液氨调节阀与氨分解cca换热器连接。

10、进一步地，高压压气机出口的引气在航煤cca换热器和氨分解cca换热器热侧通道被冷却。

11、本发明还提供了一种采用基于航煤及氨分解双级cca的涡扇发动机系统的工作方法，包括：

12、飞行过程中，空气经进气道后进入风扇压缩，一部分空气由风扇出口流入发动机外涵道，其他部分空气由风扇出口流入发动机内涵道，并进入与风扇出口连接的高压压气机入口，部分内涵道空气从高压压气机引气管出口进入航煤cca换热器热侧通道，并从航煤cca换热器热侧通道出口流入氨分解cca换热器热侧通道入口，之后从氨分解cca换热器热侧通道出口流入高压涡轮冷却气管路入口，其余内涵道压缩空气从高压压气机出口进入主燃烧室中燃烧，主燃烧室出口连接高压涡轮，高压涡轮出口连接低压涡轮入口，燃气依次在高压涡轮、低压涡轮中膨胀做功，由高压涡轮带动高压压气机，由低压涡轮带动风扇工作，低压涡轮出口燃气在混合室中与外涵道空气掺混，并流入加力燃烧室中再次燃烧，最终燃气经尾喷管排出，产生推力。

13、本发明技术方案，具有如下优点：

14、本发明所述的航煤及氨分解双级cca，选择航煤及可发生化学分解反应的氨作为冷却工质，相比于传统cca所用航空煤油或外涵空气，氨作为冷却工质时的热沉组成包括显热、潜热及化学分解反应吸热三部分，因此具有更高的热沉，且通过航煤、氨的双级冷却能够实现对冷却引气的深冷。在相同的热端部件冷却效果和相同冷却工质流量下，相比传统cca，航煤及氨分解双级cca可以大幅提高高压压气机出口引气的冷却品质，降低需求的引气流量，从而降低引气损失和做功损失，提高航空涡扇发动机的推力和热效率；在相同热端部件冷却效果和引气流量下，航煤及氨分解双级cca可以减少所需冷却工质的流量，有助于cca换热器结构设计的轻质化，进而提高发动机的推重比。

15、氨燃料经cca换热器换热后发生分解反应得到包含n2、h2、nh3的混合气，实现了低品位热能向高品位化学能的转化，且混合气中的h2可以提高燃烧稳定性，有助于改善氨燃料在燃烧室中的燃烧情况。

16、本发明中的基于航煤及氨分解双级cca的涡扇发动机系统以航煤/氨双工质作为燃料，区别于采用传统碳氢燃料的航空发动机，由于氨及其分解产物燃烧过程中的零碳产出，能够使发动机尾气中的碳氧化物含量减少，有效降低排气污染。

17、发动机系统中航煤及氨燃料的流量可以通过调节阀进行调节，进而能够匹配不同发动机工作模式下对于热端冷却、提高推力、降低排碳方面的综合需求，有利于保障发动机在不同状态下的高效性能。

18、提供技术实现要素：部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。

技术特征：

1.基于航煤及氨分解双级cca的涡扇发动机系统，其特征在于，包括：进气道(1)、风扇(2)、高压压气机(3)、航煤cca换热器(4)、氨分解cca换热器(5)、主燃烧室(6)、高压涡轮(7)、低压涡轮(8)、混合室(9)、加力燃烧室(10)、尾喷管(11)、航煤供给系统及氨燃料供给系统；

2.根据权利要求1所述的基于航煤及氨分解双级cca的涡扇发动机系统，其特征在于，航煤cca换热器(4)的热端工质为高压压气机(4)出口引气，冷端工质为航煤。

3.根据权利要求2所述的基于航煤及氨分解双级cca的涡扇发动机系统，其特征在于，航煤供给系统包括依次连接的航煤储箱(41)和航煤泵(42)、以及航煤调节阀(43)，煤调节阀(43)与航煤cca换热器(4)连接。

4.根据权利要求3所述的基于航煤及氨分解双级cca的涡扇发动机系统，其特征在于，氨分解cca换热器(5)的热端工质为航煤cca换热器(4)热侧出口排出的冷却引气，冷端工质为氨燃料。

5.根据权利要求4所述的基于航煤及氨分解双级cca的涡扇发动机系统，其特征在于，氨燃料和航煤的流量比例范围为0.1-2。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的基于航煤及氨分解双级cca的涡扇发动机系统，其特征在于，氨分解cca换热器(5)中的冷侧通道内壁面涂覆有催化剂。

7.根据权利要求6所述的基于航煤及氨分解双级cca的涡扇发动机系统，其特征在于，催化剂为ru基催化剂。

8.根据权利要求6所述的基于航煤及氨分解双级cca的涡扇发动机系统，其特征在于，氨燃料供给系统包括液氨储箱(51)和液氨泵(52)、以及液氨调节阀(53)，液氨调节阀(53)与氨分解cca换热器(5)连接。

9.根据权利要求1所述的基于航煤及氨分解双级cca的涡扇发动机系统，其特征在于，高压压气机(4)出口的引气在航煤cca换热器(4)和氨分解cca换热器(5)热侧通道被冷却。

10.一种采用权利要求1-9中任一项所述的基于航煤及氨分解双级cca的涡扇发动机系统的工作方法，其特征在于，包括：

技术总结本发明涉及发动机技术领域，具体涉及基于航煤及氨分解双级CCA的涡扇发动机系统及工作方法；该发动机系统，包括：进气道、风扇、高压压气机、航煤CCA换热器、氨分解CCA换热器、主燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、混合室、加力燃烧室、尾喷管、航煤供给系统及氨燃料供给系统；进气道和风扇依次布置在发动机的前端，高压压气机和主燃烧室、高压涡轮、以及低压涡轮依次连接、并布置在发动机内涵道中，混合室、加力燃烧室依次布置在发动机内涵道出口外侧。航煤及氨分解双级CCA可以大幅提高高压压气机出口引气的冷却品质，降低需求的引气流量，从而降低引气损失和做功损失，提高航空涡扇发动机的推力和热效率。技术研发人员：王聪,张乐临,秦江,刘泽宽,徐静,李成杰受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/9/12