本發(fā)明涉及航空發(fā)動機熱管理技術，更具體地說，是一種基于分析的氫燃料航空發(fā)動機架構分析方法。

背景技術：

1、全球氣候變化時代，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，隨著世界能源結構加速向低碳化、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域應對氣候變化、實現(xiàn)碳減排的主流發(fā)展趨勢，氫燃料極有潛力成為未來航空業(yè)實現(xiàn)減碳目標的主要能源選項。航空發(fā)動機燃氫技術已經(jīng)展現(xiàn)出在航空領域的顯著潛在優(yōu)勢，其技術可行性得到了證明，氫燃料的制造、儲運、使用等環(huán)節(jié)也具備現(xiàn)有工業(yè)基礎。

2、使用氫燃料航空發(fā)動機的飛機，完成相同飛行任務所需燃油量為傳統(tǒng)飛機的35％，并能夠顯著降低飛機最大起飛重量。同時，氫燃料還具有清潔燃燒的特點，相對于傳統(tǒng)飛機，使用氫燃料對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現(xiàn)二氧化碳零排放，同時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、點火能量低，因此氫燃料航空發(fā)動機的飛行工作包線更寬、空中啟動包線更高，能夠在空氣稀薄的高原環(huán)境下啟動。除了以上優(yōu)勢，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)動機熱端部件。

3、然而，對于使用氫燃料的航空發(fā)動機，燃料性質的巨大變化將會對其循環(huán)特性造成一定的影響，進而導致各部件能量損失程度與規(guī)律產(chǎn)生變化。

技術實現(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)動機架構分析方法，能夠準確識別氫燃料航空發(fā)動機系統(tǒng)中能量利用薄弱的環(huán)節(jié)，并對其進行分析與改進，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)揮其剩余價值，提升氫燃料航空發(fā)動機的性能，實現(xiàn)對氫燃料航空發(fā)動機系統(tǒng)的熱管理。

2、本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現(xiàn)：

3、一種基于分析的氫燃料航空發(fā)動機架構分析方法，包括以下步驟：

4、步驟1，建立航空發(fā)動機的部件熱力學模型，以氫燃料作為動力源，通過該模型計算得到氫燃料航空發(fā)動機各部件截面的總溫t、總壓參數(shù)p、質量流量w與推力f、耗油率sfc參數(shù)；

5、步驟2，基于計算模型與穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量平衡方程，構建氫燃料航空發(fā)動機各部件流模型，通過部件流模型與熱力學模型的耦合，實現(xiàn)氫燃料航空發(fā)動機部件流計算；

6、步驟3，設立損率、效率、損系數(shù)三個評價指標，基于評價指標對氫燃料航空發(fā)動機部件流計算結果進行識別，確定系統(tǒng)能量利用薄弱的環(huán)節(jié)；

7、步驟4，基于分析結果，通過增加換熱器部件，對氫燃料航空發(fā)動機系統(tǒng)進行拓撲結構變化與綜合熱管理研究，實現(xiàn)氫燃料航空發(fā)動機系統(tǒng)性能的提高。

8、進一步，步驟1中，選用航空發(fā)動機部件級建模的方法來進行截面總溫t、截面總壓p、質量流量w、耗油率sfc、推力f參數(shù)的計算，具體過程包含以下步驟：

9、步驟2.1：根據(jù)航空發(fā)動機各部件的物理特性，依次建立進氣道、低壓壓氣機、高壓壓氣機、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模型，當確定部件入口截面工質的總溫tin、總壓pin、與質量流量win時，通過該部件的熱力學模型得到其出口截面工質的總溫tout、總壓pout、與質量流量wout；

10、步驟2.2：將各部件模型進行串聯(lián)后按照航空發(fā)動機氣體流路進行各部件截面的氣流參數(shù)計算，該計算流程符合航空發(fā)動機穩(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包含整個航空發(fā)動機穩(wěn)態(tài)模型的共同工作方程進行求解，將滿足共同工作方程的質量流量w、轉速n、壓比π設計參數(shù)帶入至航空發(fā)動機穩(wěn)態(tài)模型中，從而得到符合航空發(fā)動機當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，基于計算模型與穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量平衡模型，構建氫燃料航空發(fā)動機各部件流模型，通過部件流模型與熱力學模型的耦合，實現(xiàn)氫燃料航空發(fā)動機部件流計算。

13、本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點：

14、(1)本發(fā)明將航空發(fā)動機部件模型與分析方法相結合，以能量的做功能力作為度量其可用程度的評價指標，通過對航空發(fā)動機部件的流分析，能夠精確識別系統(tǒng)中能量耗散的根源及能量利用的低效環(huán)節(jié)。

15、(2)針對氫燃料航空發(fā)動機系統(tǒng)提出一種架構分析方法，主要是基于氫燃料航空發(fā)動機各部件分析結果，通過增加換熱器等部件建立氫燃料航空發(fā)動機熱管理架構，以提高氫燃料航空發(fā)動機系統(tǒng)性能。

技術特征：

1.一種基于?分析的氫燃料航空發(fā)動機架構分析方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于分析的氫燃料航空發(fā)動機架構分析方法，其特征在于，步驟1中，選用航空發(fā)動機部件級建模的方法來進行截面總溫t、截面總壓p、質量流量w、耗油率sfc、推力f參數(shù)的計算，具體過程包含以下步驟：

3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于分析的氫燃料航空發(fā)動機架構分析方法，其特征在于，步驟2中，基于計算模型與穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量平衡模型，構建氫燃料航空發(fā)動機各部件流模型，通過部件流模型與熱力學模型的耦合，實現(xiàn)氫燃料航空發(fā)動機部件流計算。

4.根據(jù)權利要求3所述的一種基于分析的氫燃料航空發(fā)動機架構分析方法，其特征在于，具體如下：

5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于分析的氫燃料航空發(fā)動機架構分析方法，其特征在于，步驟3中，效率γk、損率θk、損系數(shù)ξk三個評價指標，其計算表達式如下：

6.根據(jù)權利要求1所述的一種基于分析的氫燃料航空發(fā)動機架構分析方法，其特征在于，步驟4中，具體如下：

技術總結
本發(fā)明公開了一種基于?分析的氫燃料航空發(fā)動機架構分析方法，包括建立航空發(fā)動機的部件熱力學模型，以氫燃料作為動力源，通過該模型計算得到氫燃料航空發(fā)動機各部件截面的總溫、總壓參數(shù)與推力、耗油率參數(shù)；基于穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量平衡方程，構建氫燃料航空發(fā)動機各部件?流模型，通過部件?流模型與熱力學模型的耦合，實現(xiàn)氫燃料航空發(fā)動機部件?流計算；設立?損率、?效率、?損系數(shù)三個?評價指標，基于?評價指標對氫燃料航空發(fā)動機部件?流計算結果進行識別，確定系統(tǒng)能量利用薄弱的環(huán)節(jié)；基于?分析結果，通過增加換熱器部件，對氫燃料航空發(fā)動機系統(tǒng)進行拓撲結構變化與綜合熱管理研究，實現(xiàn)氫燃料航空發(fā)動機系統(tǒng)整體性能的提高。

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