CN109372657B - 一种新型预冷空气组合发动机 - Google Patents

Abstract

一种新型预冷空气组合发动机，包括空气燃烧路(1)、氦气冷却路(2)、氢气供能路(3)，通过利用液氢燃料的超低温特性，来冷却经进气道滞止后的高温来流空气，并引入氦气冷却路(2)作为中间循环，进行氢气供能路(3)与空气燃烧路(1)之间的能量传递和转换，降低了冷却需求的燃料及燃料燃烧率，同时降低了加热器的补热功率，具有飞行包线大、模态转换简捷、空气预冷效率高以及系统比冲高的特点，可作为水平起降可重复两级入轨飞行器的一级和临近空气高超声速投放平台的动力系统。

Description

一种新型预冷空气组合发动机

技术领域

本发明涉及一种新型预冷空气组合发动机，属于预冷空气类组合发动机设计领域。

背景技术

随着航天发射活动的日益频繁，对可重复、低成本航天运载器的要求越来越迫切，同时临近空间高超声速飞行器的战略地位也逐渐得到重视。在这个背景下，引入闭式氦循环作为中间介质的预冷空气类组合动力系统由于具有工作包线大、模态转换简捷、部件共用度高等优点，成为了国内外高超声速领域的研究热点之一。目前世界上该类发动机的热门是英国REL公司提出的SABRE方案，该方案包括吸气模态和纯火箭模态两个工作模态，引入闭式氦循环作为中介吸收来流空气的热量，同时利用低温氢燃料吸收氦路的余热使其流路封闭，当氦从空气中吸收的热量不足时，SABRE方案特地利用加热器为氦补热。SABRE方案的主要不足：该方案的空气预冷效率低，造成系统燃料消耗率高，使得系统比冲性能低；吸气模态利用空气和氢冷却燃烧室壁面，需要牺牲一部分燃料冷却能力，造成额外的燃料消耗，使系统比冲进一步降低；对各个部件的设计要求高，涉及许多难实现的关键技术，系统方案目前的工程可行性低。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，发动机预冷技术燃料消耗率过高、系统比冲性能较低，难以实现系统高性能的问题，提出了一种新型预冷空气组合发动机。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种新型预冷空气组合发动机，包括空气燃烧路、氦气冷却路、氢气供能路，所述空气燃烧路接收外部空气，所述氦气冷却路对该路空气进行冷却，同时对氢气供能路中氢气进行升温，所述氢气供能路向空气燃烧路输出升温后氢气，使升温后氢气与空气燃烧路内空气于输出端汇合进行燃烧供能。

还包括空气燃烧辅路，若空气燃烧路进气量大于最大允许进气阈值，则超出最大允许进气阈值部分空气送入空气燃烧辅路，与氢气供能路输出的升温后氢气于空气燃烧辅路输出端汇合进行辅助供能。

所述空气燃烧路包括进气道、空气压气机、外涵燃烧室、外涵喷管、一体化加热器，空气由进气道采集并进行两路输出，一路输出至外涵燃烧室与氢气供能路提供的氢气汇合进行燃烧，一路经由氦气冷却路进行预冷后，再经空气压气机增压并通过外涵喷管进入一体化加热器，与氢气供能路提供的氢气进行汇合并充分燃烧。

所述氦气冷却路包括氦气加注管、预冷器、氦涡轮、第一氦压气机、第二氦压气机、第一氢氦换热器、第二氦氦换热器，所述氦气加注管分别向氦涡轮、第二氦氦换热器加注热循环氦气，其中：

所述氦涡轮对热循环氦气进行降温降压，将降温降压后氦气发送至第一氢氦换热器，所述第一氢氦换热器利用降温降压后氦气对氢气供能路内氢气进行升温并将降温后氦气发送至第一氦压气机，所述第一氦压气机对降温后氦气进行补压后发送至预冷器对空气燃烧路中的空气进行冷却；

所述第二氦氦换热器利用热循环氦气为氢气供能路中氢气进行升温并将降温后氦气发送至第二氦压气机，所述第二氦压气机对降温后氦气进行补压并将补压后氦气发送至预冷器对空气燃烧辅路中的空气进行冷却。

所述氢气供能路包括燃料贮箱、氢泵、氢涡轮，其中：

所述燃料贮箱将液氢送入氢泵，所述氢泵对液氢进行增压并将增压后液氢发送至第一氢氦换热器吸热，所述氢涡轮对升温后氢气进行降温并送入第二氦氦换热器吸热，升温后氢气分别送至一体化加热器及外涵燃烧室。

所述由氦气加注管初次加注的热循环氦气温度为1000K，压强为20Mpa。

所述氦气冷却路中氦气经过第一氢氦换热器换热后，温度为600K。

所述氢气供能路中氢气经过第一氢氦换热器换热后，温度为600K。

优选的，所述氦气冷却路中氦气经过第二氢氦换热器换热后，温度为350K。

进一步的，所述氢气供能路中氢气经过第二氢氦换热器换热后，温度为300K。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提供的一种新型预冷空气组合发动机，利用液氢燃料的超低温特性冷却经进气道滞止后的高温来流空气，并引入氦路作为中间循环，进行氢路与空气路之间的能量传递和转换，并采用分流回热的循环方案，利用推力室为氦路补一部分热量，同时在氢路采用分级冷却的循环方案，在氢氦换热器中吸收来自氦的余热后，进入氢涡轮膨胀做功，温度降低后再进入另一组氢氦换热器吸收氦路余热，使得冷却过程消耗的氢流量显著降低，避免燃料冷却推力室造成的额外燃料浪费，又能利用推力室的热量为氦路补热，提高了系统比冲性能，同时降低了燃料消耗率。

附图说明

图1为发明提供的发动机系统结构线路图；

图2为发明提供的发动机系统结构图；

图3为发明提供的空气燃烧路线路图；

图4为发明提供的氦气冷却路线路图；

图5为发明提供的氢气供能路线路图；

具体实施方式

一种新型预冷空气组合发动机，如图1所示，包括空气燃烧路1、氦气冷却路2、氢气供能路3，利用液氢燃料的超低温特性吸收经进气道滞止后的高温来流空气中的热量，引入氦气冷却路2作为中间循环，进行空气燃烧路1与氢气供能路3之间的能量传递和转换。其特点在于：氦气冷却路2采用分流回热的循环方案，并利用推力室为氦气冷却路2补一部分热量；氢气供能路3采用分级冷却的循环方案，氢在换热器中吸收来自氦的余热后，进入氢涡轮膨胀做功，温度降低后再进入另一换热器吸收氦路余热。

在空气燃烧路1中，包括进气道11、空气压气机14、外涵燃烧室15、外涵喷管16、一体化加热器17，其中，进气道11作用为捕获来流空气并利用激波系使其增压。预冷器位于进气道后，作用是利用低温氦冷却来流空气。空气压气机14位于预冷器下游，作用是提升预冷后的空气压力。一体化加热器17从功能上可以分为预燃模块、换热模块和推力室模块，其作用是形成富氧高温燃气，当氦在进气道11中吸热不足时为氦补热，维持氦气冷却路2循环闭合，补热完成后的富氧燃气在推力室模块中与燃料进行更充分地燃烧，为发动机提供能量。当进气道11捕获的空气量大于空气压气机需要的空气量时，多余空气与燃料在外涵燃烧室15中燃烧，形成高温燃气在外涵喷管16中膨胀，为系统提供一部分推力。

所述氦气冷却路2包括氦气加注管4、预冷器5、氦涡轮21、第一氦压气机22、第二氦压气机24、第一氢氦换热器26、第二氢氦换热器27，氦气加注管4分别向氦涡轮21、第二氢氦换热器27加注热循环氦气，其中一路通过第一氢氦换热器26与氢气供能路3进行换热，利用降温降压后氦气对氢气供能路3内氢气进行升温并将降温后氦气发送至第一氦压气机22，第一氦压气机22再对降温后氦气进行补压后发送至预冷器5对空气燃烧路1其中一路空气进行冷却；另一路氦气为氢气供能路3中氢气进行升温并将降温后氦气发送至第二氦压气机24，再由第二氦压气机24对降温后氦气进行补压并将补压后氦气发送至预冷器5对空气燃烧路1同一路空气进行冷却。

氢气供能路3包括燃料贮箱31、氢泵32、氢涡轮33，燃料贮箱31将液氢送入氢泵32，氢泵32对液氢进行增压并将增压后液氢发送至第一氢氦换热器26，再经由第一氢氦换热器26为氦气冷却路2中氦气进行降温并将升温后氢气送入氢涡轮33，氢涡轮33对升温后氢气进行降温并将降温后氢气送入第二氢氦换热器27，第二氢氦换热器27再为氦气冷却路2中氦气进行降温并将升温后氢气分别送至一体化加热器17及外涵燃烧室15与空气汇合进行燃烧。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

设定一种新型预冷空气组合发动机，其中包括空气燃烧路1、氦气冷却路2、氢气供能路3、高温预冷器12、低温预冷器13、第一调节阀28、第二调节阀29；

空气燃烧路1包括进气道11、空气压气机14、外涵燃烧室15、外涵喷管16、一体化加热器17；

氦气冷却路2包括氦涡轮21、第一氦压气机22、第二氦压气机23、第三氦压气机24、第一氢氦换热器26、第三氦氦换热器29、第二氢氦换热器27；

氢气供能路3包括燃料贮箱31、氢泵32、第一氢涡轮33、第二氢涡轮34、第三氢涡轮35，其中，该发动机的连接关系及工作流程如下：

氦在预冷器中吸收空气的热量，并在需要的时候利用燃气在一体化加热器17为氦路补热。吸收足够热量的氦进入氦涡轮21膨胀做功，将一部分热量转化为机械功带动空气压气机14旋转。氦在氦涡轮21出口处分为两路，一路直接进入第一氢氦换热器26与低温氢换热后进入第一氦压气机22补压，增压后作为冷煤进入第三氦氦换热器29换热，最后依次进入高温预冷器12、一体化加热器17吸热，完成流路闭合；另一路于第三氦氦换热器29利用低温氦冷却后进入第二氦压气机23补压，最后依次进入低温预冷器13、高温预冷器12、一体化加热器17吸热，完成流路闭合。

从加热器出口处，分一部分氦进入第二氢氦换热器27与氢换热，换热后利用压比非常小的第三氦压气机24为氦补压，最后与第二氦压气机23出口的氦汇合后经第二调节阀29进入低温预冷器13冷却空气。本发明中利用氦作为推力室喉部壁面的冷却介质，从第三氦氦换热器29冷流侧出口处，引部分氦进入推力室喉部壁面冷却通道，最后在氦涡轮21入口前与来自加热器的氦汇合。利用流量调节阀实现相应节点处的分流和流量控制。

氢气供能路3包括包括燃料贮箱31、氢泵32、第一氢涡轮33、第二氢涡轮34、第三氢涡轮35，所述氢在贮箱出口经氢泵增压后，进入第一氢氦换热器26吸收一部分氦路余热，变成具有做功能力的高温高压氢，依次进入第一氢涡轮33、第二氢涡轮34、第三氢涡轮35膨胀做功带动氦压气机和氢泵，膨胀后温度降低再次具备冷却能力，进入第二氢氦换热器27吸收来自氦路的另一部分余热，最后分为三路分别进入外涵燃烧室、一体化加热器17的预燃模块和推力室模块。

新的发动机系统如图2所示，包括空气燃烧路1、氦气冷却路2、氢气供能路3、高温预冷器12、低温预冷器13、第一氢氦换热器26、第一氢氦换热器26、第二氢氦换热器27、第一调节阀28、第二调节阀29，所述氦气冷却路2通过高温预冷器12、低温预冷器13对空气燃烧路1提供的助燃空气进行冷却，同时通过第一调节阀28、第二调节阀29控制高温预冷器12、低温预冷器13的通断状态，并从氢气供能路3提供的待燃气体吸收热量，所述待燃气体与助燃空气于空气燃烧路1输出端进行燃烧为发动机提供热量，其中：

如图3所示，空气燃烧路1包括进气道11、空气压气机14、外涵燃烧室15、外涵喷管16、一体化加热器17，空气由所述进气道11发送至与进气道11输出端相连的空气压气机14，高温预冷器12、低温预冷器13设置于进气道11、空气压气机14之间，若进气量低于空气压气机14进气流量阈值，全部空气通过高温预冷器12、低温预冷器13进行冷却，冷却后空气于空气压气机14进行增压形成富氧燃气进入一体化加热器17；若进气量高于空气压气机14进气流量阈值，多余空气由进气道11进入与进气道11输出端相连的外涵燃烧室15进行充分燃烧并由与外涵燃烧室15输出端相连的外涵喷管16提供额外推力。

如图4所示，氦气冷却路2包括氦涡轮21、第一氦压气机22、第二氦压气机23、第三氦压气机24、外部加注器输出端分别与氦涡轮21、第二氢氦换热器27输入端相连，高温高压氦气通过外部加注器分别送至氦涡轮21及第二氢氦换热器27，其中：

所述第二氢氦换热器27接收外部加注器送入的高温高压氦气与氢路进行换热降温，并将降温后氦气发送至与第二氢氦换热器27输出端相连的第三氦压气机24进行补压，补压后氦气与第二氦压气机23输出的补压氦气汇合并依次发送至低温预冷器13、高温预冷器12进行空气路冷却。

所述氦涡轮21接收外部加注器送入的高温高压氦气进行膨胀做功并分别发送至与氦涡轮21输出端相连的第一氢氦换热器26、第三氦氦换热器29；所述第一氢氦换热器26输入端接收膨胀做功后中压氦气并与氢路进行换热降温后，将低温氦气送入与第一氢氦换热器26输出端相连的第一氦压气机22进行补压，补压后氦气经由与第一氦压气机22输出端相连的第三氦氦换热器29，第三氦氦换热器29接收补压后氦气进行换热升温，并将升温后氦气分为两路，其中一路送入与第三氦氦换热器29输出端相连的冷却推力室17输入端，另一路送入第一调节阀28，并再经由第一调节阀28进入高温预冷器12对空气路进行冷却；

所述第三氦氦换热器29接收膨胀做功后中压氦气后发送至与第三氦氦换热器29输出端相连的第二氦压气机23进行补压，所述第二氦压气机23将补压后氦气发送至与第二氦压气机23输出端连接的第二调节阀29，并与第三氦压气机24发送的补压后氦气汇合并共同发送至与第二调节阀29相连的低温预冷器13对空气进行冷却，在低温预冷器13与来自第一调节阀28的氦气汇合后进入高温预冷器12冷却空气，再进入一体化加热器17进行加热实现闭路循环。

如图5所示，氢气供能路3包括燃料贮箱31、氢泵32、第一氢涡轮33、第二氢涡轮34、第三氢涡轮35，用于储存氢气的燃料贮箱31输出端与氢泵32输入端相连，氢气经由氢泵32增压后送入与氢泵32输出端相连的第一氢氦换热器26吸收氦路热量，升温后氢气依次通过与第一氢氦换热器26输出端相连的第一氢涡轮33、第二氢涡轮34、第三氢涡轮35进行膨胀做功后降温，降温后氢气经由与第三氢涡轮35输出端相连的第二氢氦换热器27吸收氦路热量，再通过第二氢氦换热器27输出端分别进入空气路的外涵燃烧室15、一体化加热器17。

以第二氢氦换热器27左上方的黑色实心点作为起始节点，将上文描述中的氦气工作方式进行简单流程示意，要求各路氦气在工作后再次回到起始点，实现闭式循环：

1.开始→21→25→22→26→28→12→17的加热模块→结束

2.开始→21→25→22→26→17的喉部→结束

3.开始→21→26→23→29→13→12→17的加热模块→结束

4.开始→27→24→29→13→12→17的加热模块→结束

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种新型预冷空气组合发动机，其特征在于：包括空气燃烧路(1)、氦气冷却路(2)、氢气供能路(3)，所述空气燃烧路(1)接收外部空气，所述氦气冷却路(2)对空气燃烧路(1)空气进行冷却，同时对氢气供能路(3)中氢气进行升温，所述氢气供能路(3)向空气燃烧路(1)输出升温后氢气，使升温后氢气与空气燃烧路(1)内空气于输出端汇合进行燃烧供能，氦气冷却路(2)通过分流回热进行热循环，并利用推力室为氦气冷却路(2)补充热量。

2.根据权利要求1所述的一种新型预冷空气组合发动机，其特征在于：还包括空气燃烧辅路(6)，若空气燃烧路(1)进气量大于最大允许进气阈值，则超出最大允许进气阈值部分空气送入空气燃烧辅路(6)，与氢气供能路(3)输出的升温后氢气于空气燃烧辅路(6)输出端汇合进行辅助供能。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型预冷空气组合发动机，其特征在于：所述空气燃烧路(1)包括进气道(11)、空气压气机(14)、外涵燃烧室(15)、外涵喷管(16)、一体化加热器(17)，空气由进气道(11)采集并进行两路输出，一路输出至外涵燃烧室(15)与氢气供能路(3)提供的氢气汇合进行燃烧，一路经由氦气冷却路(2)进行预冷后，再经空气压气机(14)增压并通过外涵喷管(16)进入一体化加热器(17)，与氢气供能路(3)提供的氢气进行汇合并充分燃烧。

4.根据权利要求3所述的一种新型预冷空气组合发动机，其特征在于：所述氦气冷却路(2)包括氦气加注管(4)、预冷器(5)、氦涡轮(21)、第一氦压气机(22)、第二氦压气机(24)、第一氢氦换热器(26)、第二氢氦换热器(27)，所述氦气加注管(4)分别向氦涡轮(21)、第二氢氦换热器(27)加注热循环氦气，其中：

所述氦涡轮(21)对热循环氦气进行降温降压，将降温降压后氦气发送至第一氢氦换热器(26)，所述第一氢氦换热器(26)利用降温降压后氦气对氢气供能路(3)内氢气进行升温并将降温后氦气发送至第一氦压气机(22)，所述第一氦压气机(22)对降温后氦气进行补压后发送至预冷器(5)对空气燃烧路(1)中的空气进行冷却；

所述第二氢氦换热器(27)利用热循环氦气为氢气供能路(3)中氢气进行升温并将降温后氦气发送至第二氦压气机(24)，所述第二氦压气机(24)对降温后氦气进行补压并将补压后氦气发送至预冷器(5)对空气燃烧辅路(6)中的空气进行冷却。

5.根据权利要求4所述的一种新型预冷空气组合发动机，其特征在于：所述氢气供能路(3)包括燃料贮箱(31)、氢泵(32)、氢涡轮(33)，其中：

所述燃料贮箱(31)将液氢送入氢泵(32)，所述氢泵(32)对液氢进行增压并将增压后液氢发送至第一氢氦换热器(26)吸热，所述氢涡轮(33)对升温后氢气进行降温并送入第二氢氦换热器(27)吸热，升温后氢气分别送至一体化加热器(17)及外涵燃烧室(15)。

6.根据权利要求4所述的一种新型预冷空气组合发动机，其特征在于：所述由氦气加注管(4)初次加注的热循环氦气温度为1000K，压强为20Mpa。

7.根据权利要求4所述的一种新型预冷空气组合发动机，其特征在于：所述氦气冷却路(2)中氦气经过第一氢氦换热器(26)换热后，温度为600K。

8.根据权利要求4所述的一种新型预冷空气组合发动机，其特征在于：

所述氢气供能路(3)中氢气经过第一氢氦换热器(26)换热后，温度为600K。

9.根据权利要求7所述的一种新型预冷空气组合发动机，其特征在于：所述氦气冷却路(2)中氦气经过第二氢氦换热器(27)换热后，温度为350K。

10.根据权利要求8所述的一种新型预冷空气组合发动机，其特征在于：所述氢气供能路(3)中氢气经过第二氢氦换热器(27)换热后，温度为300K。

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