一种氢燃气涡轮和氢燃料电池混动APU的低污染飞机能源系统及其运行方法技术方案

本发明专利技术属于航空氢能动力系统技术领域，公开了一种氢燃气涡轮和氢燃料电池混动APU的低污染飞机能源系统，包括主发动机、APU、水蒸发系统、阀门组、液氢汽化系统和控制器，其中APU包括氢燃气涡轮和氢燃料电池；液氢汽化系统与主发动机、APU连接，液氢汽化系统对主发动机、APU供汽化氢，APU对液氢汽化系统供液氢汽化的热源；水蒸发系统与主发动机、APU连接，水蒸发系统接收氢燃料电池的水并对水进行加压、蒸发，然后将水蒸气喷射给氢燃气涡轮和主发动机，主发动机排气和氢燃气涡轮排气为水蒸发系统的水汽蒸发提供热源；控制器连接并控制阀门组，控制器通过控制阀门组的开度来调整能源系统的运行状态。本发明专利技术减去飞机RAT系统，在任意高度都能完成飞机APU的启动，并能提高主发动机能效。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于航空氢能动力系统，涉及一种飞机氢能源系统及其运行方法，具体涉及一种具有氢燃气涡轮和氢燃料电池混动apu和燃氢发动机的低污染飞机能源系统及其运行方法。

技术介绍

1、传统以航空煤油为燃料的飞机排放污染过大，不符合飞机净零碳排放目标，必须改用清洁燃料。氢燃料是航空脱碳的重要手段，飞机氢能动力系统产生的二氧化碳量为零，排放的污染物主要是氮氧化物。氮氧化物会破坏臭氧层、形成酸雨等，对环境和人体危害大。

2、传统的飞机的辅助动力系统即apu只能在1.2万米高度以下提供辅助起动功能，1.2万米高度以上由于环境进气不足无法工作，飞机需要配备rat系统，提供应急动力。飞机apu功能受高度限制，并且飞机需同时配备apu和rat导致系统复杂，重量大。

3、传统飞机的主发动机和apu排出的高温高压气体直接排到机外，浪费了大量的热量。

4、针对这些问题，需要研制一种低污染、高效能、重量小的飞机能源系统。

5、以往的氢能源飞机都是将氢能作为一个单一主驱能源使用，还需要平衡电功率，然而该技术并不成熟，影响了主发动机的运行效本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种氢燃气涡轮和氢燃料电池混动APU的低污染飞机能源系统，其特征在于，包括主发动机、APU、水蒸发系统、阀门组、液氢汽化系统和控制器，其中APU包括氢燃气涡轮和氢燃料电池；液氢汽化系统与主发动机、APU连接，液氢汽化系统对主发动机、APU供汽化氢，APU对液氢汽化系统供液氢汽化的热源；水蒸发系统与主发动机、APU连接，水蒸发系统接收氢燃料电池的水并对水进行加压、蒸发，然后将水蒸气喷射给氢燃气涡轮和主发动机，主发动机排气和氢燃气涡轮排气为水蒸发系统的水汽蒸发提供热源；控制器连接并控制阀门组，控制器通过控制阀门组的开度来调整能源系统的运行状态；阀门组是设在能源系统各个结构连接节点的全部阀...

【技术特征摘要】

1.一种氢燃气涡轮和氢燃料电池混动apu的低污染飞机能源系统，其特征在于，包括主发动机、apu、水蒸发系统、阀门组、液氢汽化系统和控制器，其中apu包括氢燃气涡轮和氢燃料电池；液氢汽化系统与主发动机、apu连接，液氢汽化系统对主发动机、apu供汽化氢，apu对液氢汽化系统供液氢汽化的热源；水蒸发系统与主发动机、apu连接，水蒸发系统接收氢燃料电池的水并对水进行加压、蒸发，然后将水蒸气喷射给氢燃气涡轮和主发动机，主发动机排气和氢燃气涡轮排气为水蒸发系统的水汽蒸发提供热源；控制器连接并控制阀门组，控制器通过控制阀门组的开度来调整能源系统的运行状态；阀门组是设在能源系统各个结构连接节点的全部阀门。

2.根据权利要求1所述的一种氢燃气涡轮和氢燃料电池混动apu的低污染飞机能源系统，其特征在于，液氢汽化系统包括液压储罐、液氢泵、换热器和氢气储罐，液氢从液压储罐经过液氢泵进入换热器，与apu的氢燃气涡轮的高温高压气体换热后进入氢气储罐，或者，与来自主发动机的高温高压气体换热后进入氢气储罐，再通过通过控制三个阀门分别分配给主发动机、氢燃气涡轮和氢燃料电池。

3.根据权利要求1所述的一种氢燃气涡轮和氢燃料电池混动apu的低污染飞机能源系统，其特征在于，水蒸发系统包括冷凝器、储水装置、水泵和蒸发器，来自apu的氢燃料电池的水在冷凝器中换热后进入储水装置，经过水泵进入蒸发器，水在蒸发器中与apu的氢燃气涡轮排气进行热交换后喷射进入apu的氢燃气涡轮，或者，水在蒸发器中与主发动机排气进行热交换后喷射进入主发动机。

4.根据权利要求1所述的一种氢燃气涡轮和氢燃料电池混动apu的低污染飞机能源系统，其特征在于，apu的氢燃气涡轮包括压气机、燃烧室、涡轮，apu的氢燃气涡轮与apu的氢燃料电池、水蒸发系统、液氢汽化系统连接；apu的氢燃料电池包括燃料电池、蓄电池、pmad、电机，apu的氢燃料电池与主发动机、apu的氢燃气涡轮、水蒸发系统、液氢汽化系统连接；地面辅助状态和地面起动状态和1.2万米以下空中辅助起动状态下，来自apu氢燃气涡轮后的高温高压气体进入apu氢燃料电池，与来自液氢汽化系统的氢气发生化学反应，为飞机提供电能。多余的电能储存在蓄电池中，蓄电池中的电能通过pmad分配进入电机驱动负载；空中工作状态，来自主发动机的高温高压气体进入apu氢燃料电池，与来自液氢汽化系统的氢气发生化学反应，为飞机提供电能。多余的电能储存在蓄电池中，蓄电池中的电能通过pmad分配进入电机驱动负载。

5.一种氢燃气涡轮和氢燃料电池混动apu的低污染飞机能源系统运行方法，使用如权利要求1-4中任意一项所述的一种氢燃气涡轮和氢燃料电池混动apu的低污染飞机能源系统，其特征在于，飞机在地面状态下，且主发动机不工作时，apu工作为飞机提供辅助电功率，此时环境空气经过氢燃气涡轮后得到高温高压气体，高温高压气体分3路，第1路高温高压气体进入液氢汽化系统，在液氢汽化系统中进行换热，第2路高温高压气体进入apu氢燃料电池与来自液氢汽化系统氢气发生化学反应，为飞机提供电能；第1路高温高压气体在液氢汽化系统排出后与第3路高温高压气体和氢气在氢燃气涡轮中燃烧做功，为飞机提供主发动机起动的轴功率；氢燃料电池产生的水在水蒸发系统中与氢燃气涡轮出口的高温高压废气...

【专利技术属性】
技术研发人员：张奇，徐亮，侯乐毅，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司金城南京机电液压工程研究中心，
类型：发明
国别省市：