一种氢燃料燃气涡轮发动机的制作方法

1.本发明涉及涡轮发动机技术领域，具体涉及一种氢燃料燃气涡轮发动机。


背景技术：

2.目前航空燃气涡轮发动机大多采用布雷顿循环的燃气发生器，空气由发动机的进气道进入发动机，随后气流先后经过低压压气机、高压压气机并被压缩成压力2mpa以上的高压气流，高压气流再进入燃烧室与航空煤油进行混合并燃烧，燃烧产生大量的热量并形成温度达到1600k左右的高温燃气，高温燃气随后进入涡轮并在涡轮通道内膨胀，驱动涡轮以最高4万转/秒左右的转速做功，一部分涡轮膨胀功带动压气机旋转，一部分涡轮膨胀功用于驱动螺旋桨或者风扇。由于燃气涡轮发动机内各部件处于高温、高压、高速的工作状态，使得压气机、燃烧室和涡轮等关键部件处于材料的工作极限状态，很难通过进一步提高发动机各部件的热力循环参数来进一步提高发动机热效率。此外，由于航空煤油c
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为高碳氢比燃料，其在航空燃气涡轮发动机中燃烧会产生大量的二氧化碳和氮氧化物。特别是在地面滑行状态下，由于发动机处于低负荷工作状态，燃料在发动机中不能充分燃烧，导致发动机会排放出大量未能充分燃烧的一氧化碳，这些碳排放会对环境产生严重的污染。


技术实现要素：

3.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的燃气涡轮发动机热效率较低，耗油率较高，且对环境污染较大的缺陷，从而提供一种热效率较高，耗油率较低，对环境友好的氢燃料燃气涡轮发动机。
4.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氢燃料燃气涡轮发动机，包括：
5.壳体，所述壳体内依次共轴设置有压气机构、燃烧室、涡轮机构和喷管机构；
6.第一换热结构，设于所述压气机构中，所述第一换热结构设有第一液氢进口、第一氢气出口、空气进口和空气出口，所述氢气出口和空气出口均与所述燃烧室连通，液氢和空气在所述第一换热结构中换热后，进入燃烧室中燃烧，并驱动涡轮机构做功，再经喷管机构加速后喷出。
7.可选地，所述氢气出口与所述燃烧室之间设有稳压机构，所述氢气出口输出的氢气经所述稳压机构整流和稳压后进入所述燃烧室中。
8.可选地，所述稳压机构包括稳压室和设于稳压室内的格栅。
9.可选地，还包括设于所述喷管机构中的第二换热结构，所述第二换热结构设有第二液氢进口、第二氢气出口、燃气进口和燃气出口，所述第二氢气出口与所述稳压机构连通。
10.可选地，所述第一换热结构和第二换热结构均环向设置在所述壳体内壁上。
11.可选地，所述空气进口和空气出口为设于所述第一换热结构朝向所述壳体内部的多个第一开孔，所述燃气进口和燃气出口为设于所述第二换热结构朝向所述壳体内部的多个第二开孔。
12.可选地，所述压气机构包括依次设置的离心式压气机、离心叶轮和扩压器，所述扩压器与所述燃烧室连通。
13.可选地，所述燃烧室内设有环形燃烧腔，所述环形燃烧腔的进口通过喷嘴结构与稳压机构连通。
14.可选地，所述涡轮机构包括与所述环形燃烧腔连通的导向结构和与离心叶轮同轴设置的涡轮结构。
15.可选地，所述喷管机构包括内环和外环，内环和外环之间形成有腔体，所述腔体与所述涡轮机构连通，所述第二换热结构设于所述外环内壁上。
16.本发明技术方案，具有如下优点：
17.1.本发明提供的氢燃料燃气涡轮发动机，液氢和空气在第一换热结构中换热后，进入燃烧室中燃烧，并驱动涡轮机构做功，再经喷管机构加速后喷出。采用液氢作为燃气涡轮发动机的燃料，实现了零碳排放，大幅减少发动机尾气对环境的污染；且液氢和空气换热时，降低了压气机构中压缩空气的温度，从而提高了压气机构的工作效率，进而降低了发动机的整体耗油率。
18.2.本发明提供的氢燃料燃气涡轮发动机，氢气出口与燃烧室之间稳压机构的设置，实现了液态氢向气态氢的稳定有序转化，保证氢气在燃烧室内稳定燃烧，进而实现发动机稳定的功率输出和高精度控制。
19.3.本发明提供的氢燃料燃气涡轮发动机，喷管机构中第二换热结构的设置，使得液氢可以与涡轮机构输出的燃气进行换热，降低喷管机构中的燃气温度和壳体壁面的温度，从而降低喷管机构的红外辐射信号，提升其红外隐身性能，避免喷管机构和飞机蒙皮的烧蚀。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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方式，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。
21.图1为本发明提供的氢燃料燃气涡轮发动机的示意图。
22.附图标记说明：
23.1、壳体；2、燃烧室；3、离心式压气机；4、离心叶轮；5、扩压器；6、叶片；7、第一换热结构；8、第一开孔；9、稳压室；10、格栅；11、环形燃烧腔；12、内环通道；13、外环通道；14、喷嘴结构；15、导向器；16、主轴；17、涡轮盘；18、涡轮叶片；19、内环；20、外环；21、腔体；22、第二换热结构；23、第二开孔。
具体实施方式
24.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
25.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构
成冲突就可以相互结合。
26.如图1所示的氢燃料燃气涡轮发动机的一种具体实施方式，以航空燃气涡轮发动机为例，包括依次共轴设置于壳体1中的压气机构、燃烧室2、涡轮机构和喷管机构。当氢燃料燃气涡轮发动机运行时，空气在压缩机构中被压缩成高压气体，与氢气一同进入燃烧室中燃烧形成高温高压燃气，然后进入涡轮机构膨胀做功，再经喷管机构加速后产生向前的推力喷出。
27.所述压气机构包括依次设置的离心式压气机3、离心叶轮4和扩压器5，离心叶轮4前端设有叶片6。第一换热结构7环向设于所述压气机构前端的机匣中，所述第一换热结构7设有第一液氢进口、第一氢气出口、空气进口和空气出口，所述空气进口和空气出口为设于所述第一换热结构7朝向所述壳体1内部的多个第一开孔8，第一开孔8的直径为0.3－1mm，所述空气出口经所述扩压器5与所述燃烧室2连通。空气从发动机进口进入压气机构中，一部分经空气进口进入第一换热结构7中，与由第一液氢进口进入的液氢换热后，经空气出口输出，与另一部分空气依次经离心叶轮4压缩成为高压气流，进入扩压器5中扩压离开压气机构，与由第一氢气出口输出的氢气一同进入燃烧室2中燃烧。
28.所述氢气出口与所述燃烧室2之间还设有稳压机构，所述稳压机构包括稳压室9和设于稳压室9内的格栅10。所述氢气出口输出的氢气经所述稳压机构整流和稳压后进入所述燃烧室2中。
29.所述燃烧室2内设有环形燃烧腔11，环形燃烧腔11与壳体1之间形成内环通道12和外环通道13，所述环形燃烧腔11的进口通过喷嘴结构14与稳压机构连通。喷嘴结构14为10－30个喷嘴。
30.所述涡轮机构包括与所述环形燃烧腔11连通的导向结构和与离心叶轮4同轴设置的涡轮结构。导向结构为设于环形燃烧腔11出口的导向器15。涡轮结构包括与离心叶轮4通过发动机主轴16连接为一体的涡轮盘17和设于涡轮盘17上的涡轮叶片18。高温燃气在涡轮叶片18通道内膨胀做功，驱动燃气涡轮盘17旋转，燃气涡轮盘17进一步带动离心叶轮4旋转。
31.所述喷管机构包括内环19和外环20，内环19和外环20之间形成有腔体21，所述腔体21与所述涡轮机构连通，外环20为一个双层壁结构，所述第二换热结构22环向设于所述外环20内壁上。所述第二换热结构22设有第二液氢进口、第二氢气出口、燃气进口和燃气出口，所述第二氢气出口与所述稳压机构连通，所述燃气进口和燃气出口为设于所述第二换热结构22朝向所述壳体1内部的多个第二开孔23，第二开孔23的直径为0.3－1mm。经涡轮机构输出的燃气由第二开孔23进入第二换热结构22中，与由第二液氢进口进入的液氢进行换热，液氢换热后经第二氢气出口进入稳压机构中参与燃烧，换热后的燃气则排出喷管机构。
32.当发动机起动时，液氢由燃料储箱分别进入第一换热结构7和第二换热结构22中，空气则由发动机进口进入压气机构中，一部分经空气进口进入第一换热结构7中，与由第一液氢进口进入的液氢换热后，经空气出口输出，与另一部分空气依次经离心叶轮4压缩成为高压气流，进入扩压器5中扩压离开压气机构，由第一氢气出口输出的氢气经稳压机构降压后与压缩空气一同进入燃烧室2中燃烧。高温燃气在涡轮叶片18通道内膨胀做功，驱动燃气涡轮盘17旋转，燃气涡轮盘17进一步带动离心叶轮4旋转。经涡轮机构输出的燃气由第二开孔23进入第二换热结构22中，与由第二液氢进口进入的液氢进行换热，液氢换热后经第二
氢气出口进入稳压机构中参与燃烧，换热后的燃气则排出喷管机构。
33.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。