本發(fā)明涉及航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)，更具體地說，是一種基于分析的氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)分析方法。

背景技術(shù)：

1、全球氣候變化時(shí)代，碳排放已經(jīng)成為人類發(fā)展所面臨最大的非傳統(tǒng)安全問題，隨著世界能源結(jié)構(gòu)加速向低碳化、無碳化方向演變，航空業(yè)面臨全球能源體系深刻變革帶來的挑戰(zhàn)，而使用氫燃料與是目前航空領(lǐng)域應(yīng)對(duì)氣候變化、實(shí)現(xiàn)碳減排的主流發(fā)展趨勢(shì)，氫燃料極有潛力成為未來航空業(yè)實(shí)現(xiàn)減碳目標(biāo)的主要能源選項(xiàng)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)浼夹g(shù)已經(jīng)展現(xiàn)出在航空領(lǐng)域的顯著潛在優(yōu)勢(shì)，其技術(shù)可行性得到了證明，氫燃料的制造、儲(chǔ)運(yùn)、使用等環(huán)節(jié)也具備現(xiàn)有工業(yè)基礎(chǔ)。

2、使用氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)，完成相同飛行任務(wù)所需燃油量為傳統(tǒng)飛機(jī)的35％，并能夠顯著降低飛機(jī)最大起飛重量。同時(shí)，氫燃料還具有清潔燃燒的特點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)飛機(jī)，使用氫燃料對(duì)氣候的影響能夠降低50％～75％，航空業(yè)使用氫燃料不但可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放，同時(shí)還能有效減少一氧化碳、硫化物等污染物的排放量。此外，氫的燃燒范圍廣、點(diǎn)火能量低，因此氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行工作包線更寬、空中啟動(dòng)包線更高，能夠在空氣稀薄的高原環(huán)境下啟動(dòng)。除了以上優(yōu)勢(shì)，氫燃料還有良好的低溫特性與高比熱容特性，依靠其優(yōu)越的冷卻換熱能力，能夠有效冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件。

3、然而，對(duì)于使用氫燃料的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，燃料性質(zhì)的巨大變化將會(huì)對(duì)其循環(huán)特性造成一定的影響，進(jìn)而導(dǎo)致各部件能量損失程度與規(guī)律產(chǎn)生變化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于分析的氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)分析方法，能夠準(zhǔn)確識(shí)別氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中能量利用薄弱的環(huán)節(jié)，并對(duì)其進(jìn)行分析與改進(jìn)，從而充分利用系統(tǒng)損失較大環(huán)節(jié)中含有的能量，最大發(fā)揮其剩余價(jià)值，提升氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的熱管理。

2、本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種基于分析的氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)分析方法，包括以下步驟：

4、步驟1，建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)的部件熱力學(xué)模型，以氫燃料作為動(dòng)力源，通過該模型計(jì)算得到氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)各部件截面的總溫t、總壓參數(shù)p、質(zhì)量流量w與推力f、耗油率sfc參數(shù)；

5、步驟2，基于計(jì)算模型與穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的能量平衡方程，構(gòu)建氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)各部件流模型，通過部件流模型與熱力學(xué)模型的耦合，實(shí)現(xiàn)氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件流計(jì)算；

6、步驟3，設(shè)立損率、效率、損系數(shù)三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行識(shí)別，確定系統(tǒng)能量利用薄弱的環(huán)節(jié)；

7、步驟4，基于分析結(jié)果，通過增加換熱器部件，對(duì)氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化與綜合熱管理研究，實(shí)現(xiàn)氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)性能的提高。

8、進(jìn)一步，步驟1中，選用航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)建模的方法來進(jìn)行截面總溫t、截面總壓p、質(zhì)量流量w、耗油率sfc、推力f參數(shù)的計(jì)算，具體過程包含以下步驟：

9、步驟2.1：根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的物理特性，依次建立進(jìn)氣道、低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪、內(nèi)涵噴管與外涵噴管部件的熱力學(xué)模型，當(dāng)確定部件入口截面工質(zhì)的總溫tin、總壓pin、與質(zhì)量流量win時(shí)，通過該部件的熱力學(xué)模型得到其出口截面工質(zhì)的總溫tout、總壓pout、與質(zhì)量流量wout；

10、步驟2.2：將各部件模型進(jìn)行串聯(lián)后按照航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣體流路進(jìn)行各部件截面的氣流參數(shù)計(jì)算，該計(jì)算流程符合航空發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)共同工作方程的約束。

11、步驟2.3：使用最小二乘解法對(duì)包含整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的共同工作方程進(jìn)行求解，將滿足共同工作方程的質(zhì)量流量w、轉(zhuǎn)速n、壓比π設(shè)計(jì)參數(shù)帶入至航空發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型中，從而得到符合航空發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前工況下的部件截面參數(shù)與推力f、耗油率sfc參數(shù)。

12、步驟2中，基于計(jì)算模型與穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的能量平衡模型，構(gòu)建氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)各部件流模型，通過部件流模型與熱力學(xué)模型的耦合，實(shí)現(xiàn)氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件流計(jì)算。

13、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

14、(1)本發(fā)明將航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件模型與分析方法相結(jié)合，以能量的做功能力作為度量其可用程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的流分析，能夠精確識(shí)別系統(tǒng)中能量耗散的根源及能量利用的低效環(huán)節(jié)。

15、(2)針對(duì)氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)提出一種架構(gòu)分析方法，主要是基于氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)各部件分析結(jié)果，通過增加換熱器等部件建立氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理架構(gòu)，以提高氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)性能。

技術(shù)特征：

1.一種基于?分析的氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)分析方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分析的氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)分析方法，其特征在于，步驟1中，選用航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)建模的方法來進(jìn)行截面總溫t、截面總壓p、質(zhì)量流量w、耗油率sfc、推力f參數(shù)的計(jì)算，具體過程包含以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分析的氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)分析方法，其特征在于，步驟2中，基于計(jì)算模型與穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的能量平衡模型，構(gòu)建氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)各部件流模型，通過部件流模型與熱力學(xué)模型的耦合，實(shí)現(xiàn)氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件流計(jì)算。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于分析的氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)分析方法，其特征在于，具體如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分析的氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)分析方法，其特征在于，步驟3中，效率γk、損率θk、損系數(shù)ξk三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算表達(dá)式如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分析的氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)分析方法，其特征在于，步驟4中，具體如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于?分析的氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)分析方法，包括建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)的部件熱力學(xué)模型，以氫燃料作為動(dòng)力源，通過該模型計(jì)算得到氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)各部件截面的總溫、總壓參數(shù)與推力、耗油率參數(shù)；基于穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的能量平衡方程，構(gòu)建氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)各部件?流模型，通過部件?流模型與熱力學(xué)模型的耦合，實(shí)現(xiàn)氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件?流計(jì)算；設(shè)立?損率、?效率、?損系數(shù)三個(gè)?評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于?評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件?流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行識(shí)別，確定系統(tǒng)能量利用薄弱的環(huán)節(jié)；基于?分析結(jié)果，通過增加換熱器部件，對(duì)氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化與綜合熱管理研究，實(shí)現(xiàn)氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)整體性能的提高。

技術(shù)研發(fā)人員：余之圳,康樂,王飛龍,毛軍逵,冉千禧
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9