CN118066017A - 一种以液氨为燃料的航空动力装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供的一种以液氨为燃料的航空动力装置，包括压气机、燃烧室、涡轮及排气装置，还包括：换热器、加热器、分解炉、催化剂、PSA气体分离器、液氨燃料箱、氢气系统及氮气系统；通过利用发动机工作时的自身热量将液氨气化为氨气，氨气在催化剂的作用下分解为氢气和氮气的混合气，进一步地PSA气体分离器将混合气分离为氢气、氮气，再分别输入到氢气系统、氮气系统，进入氢气系统的氢气用作燃烧室的燃料，使航空发动机具备了使用氨燃料的能力；氮气系统的氮气可用于冷却涡轮转静子叶片、实现发动机增推、置换吹除进入燃烧室的氢气管路中的氢气、吹动发动机涡轮、及稀释进入燃烧室的氢气的流量。

Description

一种以液氨为燃料的航空动力装置

技术领域

本发明涉及航空器动力装置技术领域，特别涉及一种以液氨为燃料的航空动力装置。

背景技术

随着绿色航空理念的深入，在传统航空燃气涡轮发动机基础上，对燃烧室部件、燃料控制系统进行了适氢改进而发展研制成了燃氢发动机。氢能因其不含碳元素且单位质量热值高，成为了国内外研究的热门理想清洁能源。但由于氢气密度低、易泄漏，不管是气氢还是液氢，其储存和运输成本都较高；故氢能商用于航空领域还有很长的路要走。

目前现有技术主要存在以下缺点：(1)传统航空动力由燃烧煤油的涡轮发动机提供，燃油的燃烧产生二氧化碳，不是一种清洁能源，且航空煤油来源于对石油的提炼，是不可再生能源。(2)传统航空发动机追求高效率，导致涡轮部件温度超过材料抗温极限，需要引压气机空气进行涡轮部件冷却，对发动机进一步提升性能不利。(3)目前世界各主要航空大国正紧锣密鼓开展基于氢燃料的航空涡轮发动机的研究，虽有一定技术积累，但氢回火、热烧蚀仍是待解决难题。(4)氢发动机需要备有专用氮气源，在发动机启停过程置换、吹除氢管路的氢气，以防氢气残留引起的爆炸风险。(5)关于氢能在飞机上如何储运的问题仍然未有较好的解决方案，这是以氢能为燃料的航空动力装置工程应用的巨大障碍。

因此，克服现有技术的上述缺陷是本领域普通技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种以液氨为燃料的航空动力装置。

本发明的目的可以通过以下方案实现：

本发明提供的一种以液氨为燃料的航空动力装置，包括压气机、燃烧室、涡轮及排气装置，还包括：换热器、加热器、分解炉、催化剂、PSA气体分离器、液氨燃料箱、氢气系统及氮气系统；

所述换热器与所述压气机的机匣结合为一体，所述加热器与所述涡轮的机匣结合为一体，所述分解炉与所述排气装置的机匣结合为一体；

所述液氨燃料箱的液氨一路流向所述加热器，另一路流向所述换热器、其后流入所述加热器；

在所述涡轮的高温燃气的作用下，流经所述加热器的液氨受热气化为氨气；

所述加热器连通所述分解炉，在所述催化剂的作用下，所述氨气分解为氢气和氮气的混合气；

所述混合气经过所述PSA气体分离器分离为氢气与氮气，所述氢气进入所述氢气系统，所述氮气进入所述氮气系统；所述氢气系统的氢气用作所述燃烧室的燃料。

进一步地，所述氢气系统包括：高压氢气储箱和第一控制系统；从所述PSA气体分离器分离出的氢气一路流入所述高压氢气储箱，另一路在所述第一控制系统的控制下进入所述燃烧室用作燃料。

进一步地，所述高压氢气储箱内存储有氢气，在所述航空动力装置的发动机刚起动时，存储的氢气预先参与所述燃烧室的燃烧保障发动机的起动和运转。

进一步地，所述氮气系统包括：高压氮气储箱、第二控制系统及三通阀门；

从所述PSA气体分离器分离出的氮气通过第一阀门经过第一管路进入所述高压氮气储箱；通过第二阀门经过第二管路，在所述第二控制系统的控制下进入所述涡轮；通过第三阀门经过第三管路，在所述第二控制系统的控制下排入所述排气装置实现增推。

进一步地，所述高压氮气储箱内存储有氮气，在所述航空动力装置的发动机起动或停机时，存储的氮气用于置换、吹除进入所述燃烧室的氢气管路中的氢气；

在所述航空动力装置的发动机起动时，存储的氮气用于吹动所述涡轮，带动发动机转子以实现发动机起动。

进一步地，在所述航空动力装置的增推较大时，所述高压氮气储箱内的氮气用于排入所述排气装置实现增推。

进一步地，在所述第二控制系统的作用下，所述高压氮气储箱内的氮气用于掺混到所述氢气进入所述燃烧室的氢气管路中，以稀释所述氢气的流量。

进一步地，所述航空动力装置还包括：第一泵体、第二泵体及第三泵体；

所述第一泵体与所述液氨燃料箱的出液口连通，所述第一泵体用于抽取所述液氨分别进入所述换热器及所述加热器；

所述第二泵体位于所述分解炉与所述PSA气体分离器之间，所述第二泵体用于将分解为氢气和氮气的混合气输入所述PSA气体分离器；

所述第三泵体设置在所述PSA气体分离器之后，在所述氢气系统和所述氮气系统之前，所述第三泵体用于将分离后的氢气、氮气增压后分别输入所述氢气系统、所述氮气系统。

进一步地，所述PSA气体分离器作为附件安装于所述航空动力装置的发动机机匣外。

进一步地，所述液氨燃料箱位于所述航空动力装置所在的飞机上、所述氢气系统及所述氮气系统安装于发动机机匣外。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

本发明实施例在现有航空发动机或氢燃料发动机的基础上，增加了液氨的使用，通过利用发动机工作时的自身热量将液氨气化为氨气，氨气在催化剂的作用下分解为氢气和氮气的混合气，进一步地PSA气体分离器将混合气分离为氢气、氮气，再分别输入到氢气系统、氮气系统，进入氢气系统的氢气用作燃烧室的燃料，使航空发动机具备了使用氨燃料的能力。相比于传统发动机使用的煤油为不可再生能源，发动机产生二氧化碳不清洁，本发明航空动力装置使用的氨为可再生能源，实现零碳排放。相较于液氢在飞机上储运的复杂难解问题，液氨的储运较成熟安全便捷。

本发明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，或者通过实施本发明而了解。本发明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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了传统航空燃气涡轮发动机的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种以液氨为燃料的航空动力装置的结构示意图；

图中：1-换热器；2-加热器；3-分解炉；4-PSA气体分离器；5-高压氢气储箱；6-高压氮气储箱；7-液氨燃料箱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的一种以液氨为燃料的航空动力装置是以现有航空发动机或氢燃料发动机为基础，基于液氨为燃料的航空动力装置具备传统航空发动机的发动机附件传动系统、压气机、燃烧室、涡轮、排气装置等结构。

本发明实施例提供的一种以液氨为燃料的航空动力装置，包括压气机、燃烧室、涡轮及排气装置，还包括：换热器、加热器、分解炉、催化剂、PSA气体分离器、液氨燃料箱、氢气系统及氮气系统；

所述换热器与所述压气机的机匣结合为一体，所述加热器与所述涡轮的机匣结合为一体，所述分解炉与所述排气装置的机匣结合为一体；

所述液氨燃料箱的液氨一路流向所述加热器，另一路流向所述换热器、其后流入所述加热器；

在所述涡轮的高温燃气的作用下，流经所述加热器的液氨受热气化为氨气；

所述加热器连通所述分解炉，在所述催化剂的作用下，所述氨气分解为氢气和氮气的混合气；

所述混合气经过所述PSA气体分离器分离为氢气与氮气，所述氢气进入所述氢气系统，所述氮气进入所述氮气系统；所述氢气系统的氢气用作所述燃烧室的燃料。

本发明实施例在现有航空发动机或氢燃料发动机的基础上，增加了液氨的使用，通过利用发动机工作时的自身热量将液氨气化为氨气，氨气在催化剂的作用下分解为氢气和氮气的混合气，进一步地PSA气体分离器将混合气分离为氢气、氮气，再分别输入到氢气系统、氮气系统，进入氢气系统的氢气用作燃烧室的燃料，使航空发动机具备了使用氨燃料的能力。

相比于传统发动机使用的煤油为不可再生能源，发动机产生二氧化碳不清洁，本发明航空动力装置使用的氨为可再生能源，实现零碳排放。相较于液氢在飞机上储运的复杂难解问题，液氨的储运较成熟安全便捷。

本发明实施例提供的一种以液氨为燃料的航空动力装置是以现有传统航空发动机为基础的，传统航空燃气涡轮发动机组成示意图如图1所示，其由压气机、燃烧室、涡轮、排气装置等组成。其各部件功能为：压气机增加进入发动机气流压力，并为进气防冰、轴承腔通风与隔热、热端机匣冷却等提供引气；燃烧室具备在高压气流中燃烧燃油以形成做功能力燃气的功能；涡轮具备提取燃气中能量形成轴功率，以驱动压气机压缩气流的功能；排气装置用于引导涡轮后的燃气排出发动机产生推力。

参阅图2，对本发明实施例提供的一种以液氨为燃料的航空动力装置的结构和工作原理进行详细说明。

结合本发明实施例，换热器1和压气机的机匣结合为一体，加热器2与涡轮的机匣结合为一体，分解炉3与排气装置的机匣结合为一体，PSA气体分离器4作为附件安装于航空动力装置的发动机机匣外，液氨燃料箱7位于航空动力装置所在的飞机上、氢气系统及氮气系统安装于发动机机匣外。优选的，航空装置为飞机，航空动力装置的发动机为飞机发动机。

在一个优选的实施例中，氢气系统包括高压氢气储箱5和第一控制系统；氮气系统包括高压氮气储箱6、第二控制系统及三通阀门。

在一个优选的实施例中，航空动力装置还包括第一泵体、第二泵体及第三泵体。

液氨燃料箱7通过管路分别连通换热器1、加热器2，第一泵体与液氨燃料箱7的出液口连通。在第一泵体的抽取作用下，液氨分为两路，一路液氨流向加热器2；另一路液氨按照压气机的冷量需求进入换热器1对压气机进行冷却降温，可实现发动机提升性能参数，液氨从换热器1出来后与前一路汇合流入加热器2。

在涡轮的高温燃气的作用下，流经加热器2的液氨受热气化为氨气，气化后的氨气由阀门控制进入分解炉3。加热器2和分解炉3之间通过管路连通，其间设置有阀门。分解炉3通过流经排气装置的高温燃气对氨气进行加热保温，在催化剂的作用下氨气化学分解成氢气和氮气的混合气。

分解炉3和PSA气体分离器4之间设置有第二泵体，且两者之间以管路连通，第二泵体用于将氢气和氮气的混合气输入PSA气体分离器4。

PSA气体分离器4把混合气分离为氢气、氮气，氢气、氮气分别由第三泵体增压后输送入氢气系统、氮气系统。PSA气体分离器4分别与氢气系统、氮气系统以管路连接，第三泵体设置在PSA气体分离器4与氢气系统、氮气系统之间的管路上，第三泵体设置在PSA气体分离器4之后，在氢气系统、氮气系统之前。

结合本发明实施例，由第三泵体增压后进入氢气系统的氢气，高压氢气由阀门控制分为两路，一路流入高压氢气储箱5，直至高压氢气储箱5储满，另一路在第一控制系统的控制下进入飞机发动机的燃烧室作为最终燃料进行燃烧。高压氢气储箱5内存储有氢气，在飞机发动机刚起动时，存储的氢气预先参与燃烧室的燃烧保障发动机的起动和运转，直至以液氨为燃料的航空动力装置产生足够的氢气。

结合本发明实施例，由第三泵体增压后进入氮气系统的氮气，由三通阀门分为三路，通过第一阀门经过第一管路进入高压氮气储箱6；通过第二阀门经过第二管路，在第二控制系统的控制下进入涡轮，对涡轮转静子叶片进行冷却；通过第三阀门经过第三管路，在第二控制系统的控制下排入排气装置实现增推。

在一个优选的实施例中，高压氮气储箱6内存储有氮气，在飞机的发动机起动或停止时，存储的氮气用于置换、吹除进入所述燃烧室的氢气管路中的氢气，以防氢气残留引起的爆炸风险。在飞机的发动机起动时，存储的氮气还用于吹动涡轮，带动发动机转子以实现发动机起动。当飞机发动机的增推较大时，高压氮气储箱6内的氮气可用于排入所述排气装置实现增推。优选的，在第二控制系统的作用下，高压氮气储箱6内的氮气还用于掺混到氢气进入燃烧室的氢气管路中，以稀释氢气的流量，降低燃烧室的氢回火、热烧蚀的风险。

相对于现有技术，本发明实施例具有以下优点：

(1)相较于传统煤油为不可再生能源，发动机产生二氧化碳不清洁，本发明中氨为可再生能源，燃烧零碳。

(2)相较于传统航空发动机的涡轮部件需要引压气机空气进行冷却，本发明的发动机由氨的副产品氮气进行冷却，可实现发动机进一步提升性能参数。

(3)相较于目前直接燃氢发动机面临的氢回火、热烧蚀的难题，本发明的发动机可实现氮气稀释氢流量，降低燃烧室氢回火、热烧蚀的风险。

(4)相较于燃氢发动机需要备有专用氮气源，本发明可自制氮气用于发动机启停过程置换、吹除氢管路的氢气，以防氢气残留引起的爆炸风险。

(5)相较于液氢在飞机上储运的复杂难解问题，液氨的储运较成熟安全便捷。

结合本发明实施例，接下来对本发明实施例提供的以液氨为燃料的航空动力装置的工作过程进行描述。接下来以飞机的发动机为例进行说明。

在发动机起动时，高压氮气储箱6内的氮气置换、吹除进入燃烧室的氢气管路中的氢气，以防氢气残留引起的爆炸风险；存储的氮气还用于吹动涡轮，带动发动机转子以实现发动机起动。

高压氢气储箱5内的氢气预先参与燃烧保障发动机的起动和运转，直至待液氨燃料箱7内的液氨经过换热器、加热器、分解炉、PSA气体分离器产生足够氢气、氮气，产生的氢气一路流入高压氢气储箱5，另一路由第一控制系统控制进入发动机的燃烧室作为最终燃料进行燃烧。

产生的氮气由阀门控制分为三路，通过第一阀门经过第一管路进入高压氮气储箱6；通过第二阀门经过第二管路，在第二控制系统的控制下进入涡轮，对涡轮转静子叶片进行冷却；通过第三阀门经过第三管路，在第二控制系统的控制下排入排气装置实现增推。如果飞机需要发动机增推较大，高压氮气储箱6中的氮气也可排入排气装置实现短时大幅增推。其中，高压氮气储箱6内的氮气可按需要由第二控制系统控制气掺混到氢气进入燃烧室的氢气管路中，以稀释氢气流量，降低燃烧室的氢回火、热烧蚀的风险。

在发动机停机后，由高压氮气储箱6内的氮气置换、吹除进入燃烧室的氢气管路中的氢气，以防氢气残留引起的爆炸风险。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种以液氨为燃料的航空动力装置，包括压气机、燃烧室、涡轮及排气装置，其特征在于，还包括：换热器(1)、加热器(2)、分解炉(3)、催化剂、PSA气体分离器(4)、液氨燃料箱(7)、氢气系统及氮气系统；

所述换热器(1)与所述压气机的机匣结合为一体，所述加热器(2)与所述涡轮的机匣结合为一体，所述分解炉(3)与所述排气装置的机匣结合为一体；

所述液氨燃料箱(7)的液氨一路流向所述加热器(2)，另一路流向所述换热器(1)、其后流入所述加热器(2)；

在所述涡轮的高温燃气的作用下，流经所述加热器(2)的液氨受热气化为氨气；

所述加热器(2)连通所述分解炉(3)，在所述催化剂的作用下，所述氨气分解为氢气和氮气的混合气；

所述混合气经过所述PSA气体分离器(4)分离为氢气与氮气，所述氢气进入所述氢气系统，所述氮气进入所述氮气系统；所述氢气系统的氢气用作所述燃烧室的燃料。

2.根据权利要求1所述的航空动力装置，其特征在于，所述氢气系统包括：高压氢气储箱(5)和第一控制系统；从所述PSA气体分离器(4)分离出的氢气一路流入所述高压氢气储箱(5)，另一路在所述第一控制系统的控制下进入所述燃烧室用作燃料。

3.根据权利要求2所述的航空动力装置，其特征在于，所述高压氢气储箱(5)内存储有氢气，在所述航空动力装置的发动机刚起动时，存储的氢气预先参与所述燃烧室的燃烧保障发动机的起动和运转。

4.根据权利要求1所述的航空动力装置，其特征在于，所述氮气系统包括：高压氮气储箱(6)、第二控制系统及三通阀门；

从所述PSA气体分离器(4)分离出的氮气通过第一阀门经过第一管路进入所述高压氮气储箱(6)；通过第二阀门经过第二管路，在所述第二控制系统的控制下进入所述涡轮；通过第三阀门经过第三管路，在所述第二控制系统的控制下排入所述排气装置实现增推。

5.根据权利要求4所述的航空动力装置，其特征在于，所述高压氮气储箱(6)内存储有氮气，在所述航空动力装置的发动机起动或停机时，存储的氮气用于置换、吹除进入所述燃烧室的氢气管路中的氢气；

在所述航空动力装置的发动机起动时，存储的氮气用于吹动所述涡轮，带动发动机转子以实现发动机起动。

6.根据权利要求4所述的航空动力装置，其特征在于，在所述航空动力装置的增推较大时，所述高压氮气储箱(6)内的氮气用于排入所述排气装置实现增推。

7.根据权利要求4所述的航空动力装置，其特征在于，在所述第二控制系统的作用下，所述高压氮气储箱(6)内的氮气用于掺混到所述氢气进入所述燃烧室的氢气管路中，以稀释所述氢气的流量。

8.根据权利要求1所述的航空动力装置，其特征在于，所述航空动力装置还包括：第一泵体、第二泵体及第三泵体；

所述第一泵体与所述液氨燃料箱(7)的出液口连通，所述第一泵体用于抽取所述液氨分别进入所述换热器(1)及所述加热器(2)；

所述第二泵体位于所述分解炉(3)与所述PSA气体分离器(4)之间，所述第二泵体用于将分解为氢气和氮气的混合气输入所述PSA气体分离器(4)；

所述第三泵体设置在所述PSA气体分离器(4)之后，在所述氢气系统和所述氮气系统之前，所述第三泵体用于将分离后的氢气、氮气增压后分别输入所述氢气系统、所述氮气系统。

9.根据权利要求1所述的航空动力装置，其特征在于，所述PSA气体分离器(4)作为附件安装于所述航空动力装置的发动机机匣外。

10.根据权利要求1所述的航空动力装置，其特征在于，所述液氨燃料箱(7)位于所述航空动力装置所在的飞机上、所述氢气系统及所述氮气系统安装于发动机机匣外。