混合工质预冷循环的宽速域多模态动力系统及工作方法
本发明涉及一种混合工质预冷循环的宽速域多模态动力系统及该系统的工作方法，包括预燃室通过混合工质换热器与燃烧室相连通，工质罐(16)依次通过调压器和混合工质泵与预冷器相连通，预冷器又依次通过混合工质换热器、混合工质涡轮与蒸发冷凝器相连通，蒸发冷凝器又与工质罐(16)相连通；燃料罐中的燃料通过液态CH4泵进入蒸发冷凝器，使燃料由液态燃料转变为气态燃料，并通过涡轮组将气态燃料排放至预燃室和燃烧室中参与燃烧，燃烧产生的高温燃气通过推力喷管提供系统推力，并在飞行Ma>5时，将不符合飞行工况的燃料流量放空。本发明提出的混合工质闭式朗肯预冷循环，既避免了循环系统内部压力过高的问题，又使预冷器及液氢换热器结构更紧凑。
发明专利
CN202311581167.7
2023-11-24
CN117662300A
2024-03-08
F02C7/14(2006.01)
西北工业大学
陈玉春;胡秋晨;郑尚喆;朱源松;吴紫薇;黄新春;岳晨
710072 陕西省西安市友谊西路127号
西安维赛恩专利代理事务所(普通合伙)
张瑾
陕西;61
1.一种混合工质预冷循环的宽速域多模态动力系统，其特征在于，包括依次设置的进气道(1)、预冷器(2)、压气机(3)、预燃室(4)、燃烧室(6)及推力喷管(15)；所述的预冷器(2)用于使用循环冷却的混合工质对进气道(1)进入的热空气进行冷却；所述的压气机(3)用于将冷却后的空气增压后导入所述的预燃室(4)和燃烧室(6)中参与燃烧； 所述的预燃室(4)是通过混合工质换热器(5)与燃烧室(6)相连通，用于储存混合工质的工质罐(16)依次通过调压器(13)和混合工质泵(14)与预冷器(2)相连通，所述的预冷器(2)又依次通过混合工质换热器(5)、混合工质涡轮(12)与蒸发冷凝器(9)相连通，蒸发冷凝器(9)又与所述的工质罐(16)相连通；在所述工质罐(16)中的液态混合工质在预冷器(2)中换热变为饱和气态的混合工质，然后继续吸收由预燃室(4)进入燃烧室(6)高温燃气的温度，并通过混合工质涡轮(12)排入蒸发冷凝器(9)，所述饱和气态的混合工质在蒸发冷凝器(9)交换热量后重新变为液态的混合工质回到所述的工质罐(16)中；所述的调压器(13)用于调整混合工质的蒸发压力，从而稳定压气机(3)入口的温度； 还包括燃料罐(7)，燃料罐(7)中的燃料通过液态CH4泵(8)进入所述的蒸发冷凝器(9)，蒸发冷凝器(9)用于燃料和所述饱和气态的混合工质进行热量交换，使燃料由液态燃料转变为气态燃料，并通过涡轮组将气态燃料排放至所述的预燃室(4)和燃烧室(6)中参与燃烧，燃烧产生的高温燃气通过推力喷管(15)提供系统推力，并在飞行Ma>5时，将不符合飞行工况的燃料流量放空。 2.如权利要求1所述的混合工质预冷循环的宽速域多模态动力系统，其特征在于，由所述混合工质泵(14)排出的混合工质进入所述预冷器(2)的冷侧入口，由所述进气道(1)进入的热空气进入预冷器(2)的热侧入口，所述的混合工质和热空气在预冷器(2)中换热后，换热降温后的空气由预冷器(2)的冷侧出口排出进入所述的压气机(3)，换热后变为所述饱和气态的混合工质由预冷器(2)的热侧出口排入所述的混合工质换热器(5)的冷侧入口； 所述预燃室(4)的燃气出口与混合工质换热器(5)的热侧入口相连通，使高温燃气与饱和气态的混合工质在混合工质换热器(5)中换热，换热降温后的燃气由混合工质换热器(5)的热侧出口排入燃烧室(6)的燃气入口；被继续加热的饱和气态的混合工质由混合工质换热器(5)的冷侧出口排出，并由混合工质涡轮(12)排入蒸发冷凝器(9)的热侧入口； 由所述液态CH4泵(8)的出口与所述蒸发冷凝器(9)的冷侧入口连接，液态燃料与饱和气态的混合工质在蒸发冷凝器(9)内进行换热，换热后的气态燃料由蒸发冷凝器(9)的冷侧出口进入所述的高压气态CH4涡轮(10)；换热后的液态混合工质由蒸发冷凝器(9)的热侧出口进入所述的工质罐(16)中。 3.如权利要求1所述的混合工质预冷循环的宽速域多模态动力系统，其特征在于，所述的涡轮组包括依次连通设置的高压气态CH4涡轮(10)和低压涡轮(11)，由所述蒸发冷凝器(9)排出的气态燃料先通过高压气态CH4涡轮(10)后又经过低压涡轮(11)后分别排入所述的燃烧室(6)和预燃室(4)。 4.如权利要求3所述的混合工质预冷组合循环的宽速域多模态动力系统，其特征在于，所述的高压气态CH4涡轮(10)与液态CH4泵(8)共轴，用于驱动液态CH4泵(8)；所述的低压涡轮(11)与混合工质泵(14)同轴设置，混合工质泵(14)是由低压涡轮(11)驱动。 5.如权利要求1所述的混合工质预冷组合循环的宽速域多模态动力系统，其特征在于，所述的混合工质涡轮(12)与压气机(3)共轴，用于驱动压气机(3)对空气的增压。 6.如权利要求1-5任一所述的混合工质预冷组合循环的宽速域多模态动力系统，其特征在于，所述的混合工质为R600a/R1150或R170/R290；所述的燃料为液态天然气。 7.如权利要求1-6所述动力系统的工作方法，其特征在于，所述动力系统在低速模态工作过程为：在来流空气速度Ma<5时，所述动力系统推力对应所述燃烧室(6)需要消耗的燃料量远大于预冷需要的燃料蒸发量，通过所述的调压器(13)将混合工质的蒸发压力调至0.8MPa以下，蒸发压力即为所述动力系统的基础工作压力，所述预冷器(2)可将压气机(3)入口空气预冷至250K～350K，此时，所述压气机(3)的功耗低，预燃室(4)需要消耗的燃料流量也低，则所述动力系统使用由组合涡轮进入所述燃烧室(6)中产生的高温燃气通过推力喷管(15)提供推力；而进入预燃室(4)的燃料只用于加热所述混合工质换热器(5)中冷侧的混合工质。 8.如权利要求1-6所述动力系统的工作方法，其特征在于，所述动力系统在高速模态工作过程为：在所述来流空气速度Ma>5时，所述动力系统的滞止温度提高，所述预冷器(2)的负荷提高，通过调压器(13)将混合工质的蒸发压力调至1MPa以上，随之，预冷器(2)将压气机(3)入口空气预冷温度不超过350K，所述的压气机(3)的功耗提高，预燃室(4)需要消耗的燃料流量也提高，然而，由于预冷器(2)负荷提高导致蒸发冷凝器(9)对应的燃料流量高于推力需要的燃料量，为了满足推力平衡，此时，所述动力系统仍然使用由组合涡轮进入所述燃烧室(6)中产生的高温燃气通过推力喷管(15)提供推力；而进入预燃室(4)的燃料用于加热所述混合工质换热器(5)中冷侧的混合工质；而将不符合飞行工况的燃料流量由低压气态CH4涡轮(11)放空，保证了进出口温度相同，相同推力的条件下燃料流量与飞行工况的匹配。 9.如权利要求7或8所述动力系统的工作方法，其特征在于，所述的混合工质为R600a/R1150或R170/R290；所述的燃料为液态天然气。