一种新型预冷空气组合发动机制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
一种新型预冷空气组合发动机
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：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。本专利技术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。本专利技术与现有技术相比的优点在于：本专利技术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为专利技术提供的发动机系统结构线路图；图2为专利技术提供的发动机系统结构图；图3为专利技术提供的空气燃烧路线路图；图4为专利技术提供的氦气冷却路线路图；图5为专利技术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、第二氦氦换热器27，氦气加注管4分别向氦涡轮21、第二氦氦换热器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氦氦换热器27，第二氦氦换热器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、高本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)对该路空气进行冷却，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。

【技术特征摘要】
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)对该路空气进行冷却，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。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)、第二氦氦换热器(27)，所述氦气加注管(4)分别向氦涡轮(21)、第二氦氦换热器(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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张蒙正，马海波，李光熙，刘典多，南向谊，马元，逯婉若，
申请(专利权)人：西安航天动力研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61