CN115405424A - 双循环中间冷却型氢气发动机架构 - Google Patents

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Abstract

在本公开的一方面，提供了一种燃气涡轮发动机。所述燃气涡轮发动机包括主气体路径，所述主气体路径具有处于流体串联连通的以下项：空气入口；压缩机，所述压缩机流体地连接到所述空气入口；燃烧器，所述燃烧器流体地连接到所述压缩机的出口；以及涡轮部段，所述涡轮部段流体地连接到压缩机部段的出口。在实施方案中，氢气膨胀涡轮处于流体连通中以从热交换器的气态氢气出口接收氢气。在某些实施方案中，所述燃气涡轮发动机包括热交换器，所述热交换器具有：气体导管，所述气体导管流体地连接到所述主气体路径；以及流体导管，所述流体导管与所述气体导管流体隔离并且与所述气体导管热连通。

Description

双循环中间冷却型氢气发动机架构
技术领域
本公开总体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及具有中间冷却的燃气涡轮发动机。在航空航天工业中，本领域始终需要改进发动机架构。
发明内容
在本公开的一方面，提供了一种燃气涡轮发动机。所述燃气涡轮发动机包括主气体路径，所述主气体路径具有处于流体串联连通的以下项：空气入口；压缩机，所述压缩机流体地连接到所述空气入口；燃烧器，所述燃烧器流体地连接到所述压缩机的出口；以及涡轮部段，所述涡轮部段流体地连接到压缩机部段的出口。所述涡轮部段操作性地连接到所述压缩机以驱动所述压缩机；并且输出轴操作性地连接到所述涡轮部段以由所述涡轮部段驱动。在某些实施方案中，所述燃气涡轮发动机包括热交换器，所述热交换器具有：气体导管，所述气体导管流体地连接到所述主气体路径；以及流体导管，所述流体导管与所述气体导管流体隔离并且与所述气体导管热连通，所述流体导管具有液态氢气入口和流体地连接到所述液态氢气入口的气态氢气出口。
在某些实施方案中，所述燃气涡轮发动机包括膨胀涡轮，所述膨胀涡轮具有流体地连接到所述气态氢气出口的气体入口和流体地连接到所述气体入口的气体出口，所述膨胀涡轮的所述气体出口流体地连接到所述燃烧器。在某些实施方案中，所述压缩机具有多个压缩机部段并且所述热交换器的所述气体导管在所述多个压缩机部段的相邻压缩机部段之间的位置处流体地连接到所述主气体路径。
在某些实施方案中，液态氢气泵流体地连接到所述热交换器的所述液态氢气入口并且可操作来将液态氢气供应到所述热交换器的所述液态氢气入口。在某些实施方案中，所述燃气涡轮发动机可包括以下项中的一者或两者：气态氢气蓄积器，所述气态氢气蓄积器相对于氢气流是在所述热交换器的下游，使得所述气态氢气蓄积器是在所述热交换器与所述燃烧器之间；以及气态氢气计量器，所述气态氢气计量器相对于氢气流是在所述气态氢气蓄积器的下游以控制流向所述燃烧器的氢气流，使得所述气态氢气计量器是在所述蓄积器与所述燃烧器之间。
在某些实施方案中，所述膨胀涡***作性地连接到所述输出轴以与所述涡轮部段并行地驱动所述输出轴。在某些实施方案中，所述燃气涡轮发动机包括齿轮箱，其中所述齿轮箱操作性地连接到由所述燃气涡轮发动机的涡轮部段驱动的主轴。所述齿轮箱还可包括输出轴，所述输出轴由来自所述涡轮部段和所述膨胀涡轮的联合动力驱动。在某些实施方案中，氢气膨胀涡轮的出口与所述燃烧器流体连通以将可供燃烧器使用的氢气体提供给所述燃烧器并且对所述齿轮箱添加额外的旋转动力。
在某些实施方案中，所述膨胀涡***作性地连接到以下项中的一者或两者：操作性地连接到电力发电机以驱动所述电力发电机；以及操作性地连接到辅助空气压缩机以驱动所述辅助空气压缩机。
在某些实施方案中，控制器操作性地连接到所述气态氢气计量器以及所述齿轮箱、所述氢气膨胀涡轮和/或所述涡轮部段中的任一者中的至少一个传感器。所述控制器可包括机器可读指令，所述机器可读指令致使所述控制器接收关于命令动力的输入，从所述齿轮箱、所述氢气膨胀涡轮和/或所述涡轮部段中的至少一者接收输入，经由所述气态氢气计量器调整所述气态氢气流以实现所述命令动力。
在本发明的另一方面，提供了一种主气体路径，所述主气体路径具有处于流体串联连通的以下项：空气入口；压缩机，所述压缩机流体地连接到所述空气入口；燃烧器，所述燃烧器流体地连接到所述压缩机的出口；以及涡轮部段，所述涡轮部段流体地连接到所述燃烧器的出口，所述涡轮部段操作性地连接到所述压缩机以驱动所述压缩机，其中所述压缩机具有多个压缩机部段。输出轴操作性地连接到所述涡轮部段以由所述涡轮部段驱动。所述燃气涡轮发动机包括热交换器，所述热交换器具有：气体导管，所述气体导管流体地连接到所述主气体路径；以及流体导管，所述流体导管与所述气体导管流体隔离并且与所述气体导管热连通，所述流体导管具有液态氢气入口和流体地连接到所述液态氢气入口的气态氢气出口，其中所述热交换器的所述气体导管在所述多个压缩机部段的相邻压缩机部段之间的位置处流体地连接到所述主气体路径。在某些实施方案中，所述压缩机、所述燃烧器和所述涡轮部段是以下项中的一者的一部分：燃气涡轮发动机、往复式热力发动机和旋转式热力发动机。
在某些实施方案中，液态氢气泵与所述热交换器的所述液态氢气入口流体连通，其中所述燃烧器也处于流体连通中以相对于氢气流在所述热交换器的下游接收氢气以使氢气和空气燃烧。
在某些实施方案中，所述燃气涡轮发动机包括氢气膨胀涡轮，所述氢气膨胀涡轮处于流体连通中以从所述热交换器的所述气态氢气出口接收氢气，所述膨胀涡轮包括可旋转部件，所述可旋转部件操作性地连接到所述膨胀涡轮以通过所述膨胀涡轮的旋转而旋转，‎‎其中所述可旋转部件还操作性地连接到齿轮箱。在某些实施方案中，氢气膨胀涡轮的出口与所述燃烧器流体连通以将可供燃烧器使用的氢气体提供给所述燃烧器并且对所述齿轮箱添加额外的旋转动力。
在某些实施方案中，所述燃气涡轮发动机包括气态氢气蓄积器，所述气态氢气蓄积器相对于氢气流是在所述热交换器的下游，其中所述气态氢气蓄积器是在所述热交换器与所述燃烧器之间。在某些实施方案中，所述燃气涡轮发动机包括气态氢气计量器，所述气态氢气计量器相对于氢气流是在所述气态氢气蓄积器的下游以控制流向所述燃烧器的氢气流，其中所述气态氢气计量器是在所述蓄积器与所述燃烧器之间。
在本公开的又一方面，提供了一种操作飞行器的方法。所述方法包括：使液态氢气流膨胀为气态氢气流；从所述气态氢气流中提取动能以使所述飞行器的可旋转部件旋转；在所述提取之后，在所述飞行器的燃气涡轮发动机的燃烧器中使所述气态氢气流燃烧。在某些实施方案中，使用所述可旋转部件的旋转，产生以下项中的一者或两者：推力和电力。
在实施方案中，所述方法包括利用在热交换器下游的氢气膨胀涡轮从气态氢气流中提取动力。在某些实施方案中，所述方法包括将来自所述膨胀涡轮的动力与来自由涡轮部段驱动的主轴的动力进行组合以驱动输出轴。在某些实施方案中，所述方法包括：从所述齿轮箱、氢气膨胀涡轮和/或所述涡轮部段中的至少一者接收输入；以及向气态氢气计量器输出命令以在所述输出轴处实现命令动力输出。
在某些实施方案中，所述方法包括利用双循环中间冷却架构改造燃气涡轮发动机。在某些此类实施方案中，改造可包括：引入液态氢气供应；将所述热交换器引入到第一级压缩机与第二级压缩机之间的管道；在所述热交换器与所述第二级压缩机之间引入气态氢气蓄积器和气态氢气计量器；以及在所述热交换器与所述气态氢气蓄积器之间引入膨胀涡轮，所述膨胀涡***作性地连接到齿轮箱。在某些此类实施方案中，改造还可包括：经由第一管线中的液态氢气泵将所述液态氢气供应连接到所述热交换器；经由第二管线将所述热交换器连接到所述膨胀涡轮；以及经由第三管线将所述膨胀涡轮连接到所述第二级压缩机，其中所述气态氢气蓄积器和所述气态氢气计量器设置在所述第三管线中。
根据以下结合附图进行的详细描述，本公开的***和方法的这些和其他特征对于本领域技术人员而言将变得更为显而易见。
附图说明
因此，本公开相关领域的技术人员将易于理解如何在无需过度实验的情况下制造和使用本公开的装置和方法，本文将在下文参考特定附图详细描述其实施方案，在附图中：
图1是根据本公开的飞行器的实施方案的示意图；
图2是根据本公开构造的燃气涡轮发动机的实施方案的示意图，其示出了双循环中间冷却型发动机架构；并且
图3是根据本公开构造的燃气涡轮发动机的另一个实施方案的示意图，其示出了另一个双循环中间冷却型发动机架构。
具体实施方式
现在将参考附图，其中相似的附图标记标识本公开的类似的结构特征或方面。出于解释和说明而非限制的目的，在图1中示出了根据本公开的***的实施方案的局部视图并且大体上由附图标号100表示。在图2中示出了本公开的其他实施方案和/或方面。本文描述的***和方法可用于提高发动机效率、减少碳排放并且提高动力重量比。
传统上，碳氢燃料用于为燃气涡轮发动机提供动力，然而，对于布雷顿循环的燃烧部分可能使用多种燃料，例如纯氢、非碳氢燃料或混合物。当将氢气用作燃料时，有可能在排气中几乎没有污染物或没有污染物的情况下操作燃气涡轮发动机。此外，如本文所述和所设想，当使用氢气燃料时，也可能有各种中间冷却/蒸发装置。作为非限制性实例，此类中间冷却/蒸发装置可包括在发动机入口中的原位预冷器或在轴向压缩机之间的轴向中间冷却器。
在某些实施方案中，参考图1，飞行器1可包括发动机100，其中发动机可为推进能量发动机(例如，为飞行器1产生推力)，或非推进能量发动机；以及燃料***100。如本文所述，发动机100是涡轮风扇发动机，但本技术同样可与其他发动机类型一起使用。发动机100包括压缩机部段102，所述压缩机部段在主气体路径106中具有压缩机104以将压缩空气供应到飞行器发动机100的燃烧器108，主气体路径106包括流体地串联的燃烧器108和喷嘴歧管110以向燃烧器108输送流体。
更具体地，主气体路径106包括处于流体串联连通的以下项：空气入口112；压缩机104，所述压缩机流体地连接到‎空气入口112；燃烧器108，所述燃烧器流体地连接到压缩机104的出口114；‎以及涡轮部段116，所述涡轮部段流体地连接到燃烧器108的出口118，涡轮部段‎116操作性地连接到压缩机104以驱动压缩机‎104。
主输出轴120操作性地连接到涡轮部段116以由涡轮部段116驱动。热交换器122流体地连接在液态氢气供应124与压缩机104之间。气体导管126流体地连接到主气体路径106，并且从液态氢气供应124运送液态氢气的与气体导管126热连通但与气体导管126流体地隔离的流体导管128将液态氢气供应124流体地连接到主气体路径106。
流体导管128具有液态氢气入口130和流体地连接到液态氢气入口130的气态氢气出口132。液态氢气泵133流体地连接到热交换器122的液态氢气入口130并且可操作来将液态氢气供应到液态氢气入口130。可设想的是，可使用任何合适的液态氢气供应，例如，液态氢气可使用安装在附件安装座上(例如，发动机附件齿轮箱上)的液态氢气泵133从飞行器低温贮罐131进行泵送，或者泵133可通过其他手段从外部进行驱动。
膨胀涡轮134具有流体地连接到气态氢气出口‎132的气体入口136和流体地连接到气体入口136的气体出口138，其中膨胀涡轮134的气体出口138‎经由导管139流体地连接到燃烧器‎108。
在某些实施方案中，压缩机104包括第一级(例如，低压)压缩机140和第二级(例如，高压)压缩机142。第二级压缩机142通过级间管道144与第一级压缩机140流体连通。热交换器122在相邻的第一级压缩机140与第二级压缩机142之间流体地连接到主气体路径106，使得级间管道144形成通过热交换器122的压缩机空气导管。例如，来自第一级压缩机140的热压缩空气通过导管126传递到第二级压缩机142，其中在热交换器122中交换热量，使得流体导管128中的液态氢气蒸发为气态氢气。这种热交换具有以下双重目的：将液态氢气119转化为气态氢气121以用作燃烧器108中的燃料，并且同时还冷却压缩机104的空气入口112，从而提高发动机效率。氢气(119、121)和压缩机空气在其相应的在热交换器122中的整个通道(导管126、138)中彼此流体隔离以避免空气和氢气在热交换器122中混合，但彼此热连通以在热交换器122中在氢气与压缩机空气之间进行热交换。
氢气膨胀涡轮134相对于氢气流(119、121)定位在热交换器122的下游和燃烧器108的上游。膨胀涡轮134的可旋转元件(例如，涡轮轴146)操作性地连接到齿轮箱148(例如，用于推进器的减速齿轮箱、附件齿轮箱等)以向齿轮箱128输入额外的旋转动力。更具体地说，膨胀涡轮轴146与齿轮箱148中的至少一个齿轮150啮合，使得当液态氢气119被转化为气态121时，通过膨胀涡轮134提取膨胀气体的动力，从而驱动膨胀涡轮134，由此对齿轮箱148添加额外的旋转动力。例如，膨胀涡轮134操作性地连接到主轴120(例如，经由齿轮箱148和输出轴151)以与涡轮部段116并行地驱动主轴120。以此方式，主轴120由来自涡轮部段116和膨胀涡轮134的联合动力驱动。在某些实施方案中，氢气膨胀涡轮134可操作性地连接到以下项中的一者或两者：操作性地连接到电力发电机152以驱动电力发电机152；以及操作性地连接到辅助空气压缩机154以驱动辅助空气压缩机154。
在某些实施方案中，气态氢气蓄积器156相对于氢气流在热交换器122的下游设置在导管139中‎，其中气态氢气蓄积器156是在热交换器122与‎燃烧器108之间。气态氢气计量器158相对于氢气流在气态氢气蓄积器156的下游设置在导管139中以控制流向燃烧器108的氢气流，气态氢气计量器158是在蓄积器156与燃烧器108之间。在气态氢气121被蒸发并且通过膨胀涡轮134提取之后，膨胀的低压气态氢气121被收集并储存在气态氢气蓄积器156中，然后被调节到之后可(例如，经由计量器158)对所述气态氢气进行计量的压力以将可供燃烧器‎使用的氢气体提供给燃烧器108。
在某些实施方案中，控制器160操作性地连接到气态氢气计量器158以及包括在齿轮箱148、氢气膨胀涡轮134和/或涡轮部段116中的任一者中的至少一个传感器。控制器160可包括机器可读指令，所述机器可读指令致使控制器接收关于命令动力的输入145，从齿轮箱128、氢气膨胀涡轮134和/或涡轮部段136中的至少一者接收输入147，并且基于由控制器160接收到的输入(例如，信号161、162、163、164)而经由气态氢气计量器158调整气态氢气121流以实现命令动力。在实施方案中，控制器160可另外接收来自压缩机压力(例如，P3压力，在蓄积器156上游)的输入和来自蓄积器156的在压缩机压力下游的输入。
在本公开的又一方面，提供了一种方法。‎例如，控制器160可包括可操作来执行所述方法的机器可读指令。所述方法包括：将液态氢气119供应到热交换器122并且使液态氢气119膨胀为气态氢气121，同时将热量供应到热交换器122；利用来自第一级压缩机140的压缩空气将热量供应到热交换器122，其中使液态氢气119膨胀为气态氢气121包括对来自第一级压缩机140的压缩空气进行冷却；对来自热交换器122的冷却空气进行压缩；以及在燃烧器108中利用压缩的冷却空气使气态氢气121燃烧。
在实施方案中，所述方法包括利用在热交换器122下游的氢气膨胀涡轮134从气态氢气121流中提取动力。在某些实施方案中，所述方法包括将来自膨胀涡轮134的动力与来自由涡轮部段116驱动的主轴120的动力进行组合以驱动例如输出轴151来产生推力和/或电力。在某些实施方案中，所述方法包括：从齿轮箱148、氢气膨胀涡轮134和/或涡轮部段116中的至少一者接收输入(例如，信号161、162、163、164)；以及向气态氢气计量器158输出命令165以调整流向燃烧器108的气态氢气121流以在输出轴151处实现命令动力输出。
可设想的是，如本文所述的双循环中间冷却架构可为现有的常规的燃气涡轮发动机的改型。例如，液态氢气供应124、热交换器122、气态氢气蓄积器156、气态氢气计量器158、在热交换器122与气态氢气蓄积器156之间的膨胀涡轮134中的任一者或全部都可被引入现有的涡轮发动机中。然后可如下连接***：经由第一管线(例如，流体导管128)中的液态氢气泵133将液态氢气供应124连接到热交换器122，经由第二管线(例如，导管139的上游部分)将热交换器122连接到膨胀涡轮134，并且经由第三管线(例如，导管139的下游部分)将膨胀涡轮134连接到燃烧器，其中气态氢气蓄积器156和气态氢气计量器158设置在第三管线中。
在某些实施方案中，例如，如图3中所提供，发动机200可以与燃气涡轮发动机100中类似的架构类似地进行改造。为简洁起见，不再重复上文已经描述的对共同元件的描述。发动机200可为氢气动力的飞行器发动机200，例如发动机200可为热力发动机、燃气涡轮发动机、往复式热力发动机、旋转式热力发动机等。发动机200可通过主气体路径106(例如，空气供应)和气态氢气121来进料。
液态氢气贮罐131流体地连接到液态氢气供应124以将氢气供应到氢气转化模块266。
氢气转化模块266可包括在发动机200内，以用于使氢气在燃烧器108内燃烧。氢气转化模块266流体地连接到膨胀涡轮134的入口136以驱动膨胀涡轮134。在某些实施方案中，氢气转化模块266可包括所有以下项：热交换器122、液态H2泵133、蓄积器156和计量器158。然而，可设想的是，氢气转化模块266可为被互连成可操作来提供气态氢气供应的元件的任何合适的不同组合，例如适合于氢气转化模块266与之一起使用的特定发动机的组合。
氢气燃烧模块268可流体地连接到膨胀涡轮134的出口138并且操作性地连接到输出轴151，以将热能转化为旋转能以驱动输出轴151。发动机200经由输出轴151操作性地连接到从动部件270。从动部件270由发动机200的输出轴151驱动并且可为例如转子、或以下项中的任一者或以下项的任何组合：推进器、风扇、压缩机、齿轮箱、发电机等。在某些实施方案中，膨胀涡轮134可任选地操作性地连接到另一个从动部件272以经由轴274驱动与从动部件270串联的从动部件272。可设想的是，从动部件272可与从动部件270相同或不同。还可设想的是，从动部件270可任选地经由轴276操作性地连接到从动部件272以驱动与从动部件270并联的从动部件272。
采用这种方法，通过使氢气燃烧产生动力，然后通过动力涡轮提取动力与通过膨胀涡轮提取动力进行复合，然后通过齿轮箱进行组合。例如，这种架构允许将利用中间冷却对氢气实现的膨胀和燃烧的双循环纳入现有的涡轮螺旋桨发动机短舱顶室内。
这种架构与其他中间冷却或膨胀涡轮发动机的不同之处在于，它通过利用冷的液态氢气进行冷却和膨胀而结合了多项发动机改进。如上文所述和附图所示，本公开的方法和***通过中间冷却提供了提高的发动机效率。另外，膨胀涡轮的加入允许在不牺牲动力输出的情况下实现更小的发动机，从而提高动力重量比。还可减少或消除碳排放。最后，这种布置在某一紧凑的封装件中实现了这些改进，所述紧凑的封装件将装配在现有的短舱顶室管线(例如，用于涡轮螺旋桨发动机)中，从而最小化阻力。
虽然已经示出和描述本公开的设备和方法，但本领域技术人员将很容易了解，在不脱离本公开的范围的情况下，可对其进行改变和/或修改。
例如，同样设想了本技术的以下特定实施方案，如本文接下来通过条款所述。
条款1. 一种燃气涡轮发动机(100)，所述燃气涡轮发动机包括：
主气体路径(106)，所述主气体路径具有处于流体串联连通的以下项：空气入口(112)；压缩机(104)，所述压缩机流体地连接到所述空气入口；燃烧器(108)，所述燃烧器流体地连接到所述压缩机的出口(114)；以及涡轮部段(116)，所述涡轮部段流体地连接到燃烧器部段的出口(118)，所述涡轮部段操作性地连接到所述压缩机以驱动所述压缩机；
输出轴(151)，所述输出轴操作性地连接到所述涡轮部段以由所述涡轮部段驱动；
热交换器(122)，所述热交换器具有：
气体导管(126)，所述气体导管流体地连接到所述主气体路径，以及
流体导管(128)，所述流体导管与所述气体导管流体隔离并且与所述气体导管热连通，所述流体导管具有液态氢气入口(128)和流体地连接到所述液态氢气入口的气态氢气出口(132)；
膨胀涡轮(134)，所述膨胀涡轮具有流体地连接到所述气态氢气出口的气体入口(136)和流体地连接到所述气体入口的气体出口(138)，所述膨胀涡轮的所述气体出口流体地连接到所述燃烧器。
条款2. 如条款1所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机还包括液态氢气泵(133)，所述液态氢气泵流体地连接到所述热交换器的所述液态氢气入口并且可操作来将液态氢气供应到所述热交换器的所述液态氢气入口。
条款3. 如条款1所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机还包括以下项中的一者或两者：
气态氢气蓄积器(156)，所述气态氢气蓄积器相对于氢气流是在所述热交换器的下游，其中所述气态氢气蓄积器是在所述热交换器与所述燃烧器之间；以及
气态氢气计量器(158)，所述气态氢气计量器相对于氢气流是在所述气态氢气蓄积器的下游以控制流向所述燃烧器的氢气流，其中所述气态氢气计量器是在所述蓄积器与所述燃烧器之间。
条款4. 如条款1所述的燃气涡轮发动机，其中所述膨胀涡***作性地连接到所述输出轴以与所述涡轮部段并行地驱动所述输出轴。
条款5. 如条款4所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机还包括齿轮箱(148)，并且其中所述齿轮箱操作性地连接到由所述燃气涡轮发动机的所述涡轮部段驱动的主轴(120)，其中所述齿轮箱还包括输出轴(151)，所述输出轴由来自所述涡轮部段和所述膨胀涡轮的联合动力驱动。
条款6. 如条款5所述的燃气涡轮发动机，其中所述膨胀涡***作性地连接到以下项中的一者或两者：操作性地连接到电力发电机(152)以驱动所述电力发电机；以及操作性地连接到辅助空气压缩机(154)以驱动所述辅助空气压缩机。
条款7. 如条款1所述的燃气涡轮发动机，其中所述压缩机具有多个压缩机部段并且所述热交换器的所述气体导管在所述多个压缩机部段的相邻压缩机部段之间的位置处流体地连接到所述主气体路径，所述燃气涡轮发动机还包括：
气态氢气蓄积器，所述气态氢气蓄积器相对于氢气流是在所述热交换器的下游，其中所述气态氢气蓄积器是在所述热交换器与所述燃烧器之间；
气态氢气计量器，所述气态氢气计量器相对于氢气流是在所述气态氢气蓄积器的下游以控制流向所述燃烧器的氢气流，其中所述气态氢气计量器是在所述蓄积器与所述燃烧器之间；以及
氢气膨胀涡轮，所述氢气膨胀涡轮相对于氢气流是在所述热交换器的下游和所述燃烧器的上游，其中所述氢气膨胀涡轮的涡轮轴操作性地连接到齿轮箱。
条款8. 如条款7所述的燃气涡轮发动机，其中所述氢气膨胀涡轮的出口与所述燃烧器流体连通以将可供燃烧器使用的氢气体提供给所述燃烧器并且对所述齿轮箱添加额外的旋转动力，其中所述齿轮箱操作性地连接到由所述燃气涡轮发动机的所述涡轮部段驱动的主轴，其中所述齿轮箱还包括输出轴，所述输出轴由来自所述涡轮部段和所述膨胀涡轮的联合动力驱动。
条款9. 如条款8所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机还包括控制器(160)，所述控制器操作性地连接到所述气态氢气计量器以及所述齿轮箱、所述氢气膨胀涡轮和/或所述涡轮部段中的任一者中的至少一个传感器，其中所述控制器包括机器可读指令，所述机器可读指令致使所述控制器进行以下操作：
接收关于命令动力的输入；
从所述齿轮箱、所述氢气膨胀涡轮和/或所述涡轮部段中的至少一者接收输入
接收来自压缩机压力的输入；
接收来自蓄积器下游压力的输入；以及
经由所述气态氢气计量器调整所述气态氢气流以实现所述命令动力。
条款10. 一种燃气涡轮发动机(100)，所述燃气涡轮发动机包括：
主气体路径(106)，所述主气体路径具有处于流体串联连通的以下项：空气入口(112)；压缩机(104)，所述压缩机流体地连接到所述空气入口；燃烧器(108)，所述燃烧器流体地连接到所述压缩机的出口(114)；以及涡轮部段(116)，所述涡轮部段流体地连接到所述燃烧器的出口(118)，所述涡轮部段操作性地连接到所述压缩机以驱动所述压缩机，其中所述压缩机具有多个压缩机部段；
输出轴(151)，所述输出轴操作性地连接到所述涡轮部段以由所述涡轮部段驱动；
热交换器(122)，所述热交换器具有：
气体导管(126)，所述气体导管流体地连接到所述主气体路径，以及
流体导管(128)，所述流体导管与所述气体导管流体隔离并且与所述气体导管热连通，所述流体导管具有液态氢气入口(130)和流体地连接到所述液态氢气入口的气态氢气出口(132)，
其中所述热交换器的所述气体导管在所述多个压缩机部段的相邻压缩机部段之间的位置处流体地连接到所述主气体路径。
条款11. 如条款10所述的燃气涡轮发动机，其中所述压缩机、所述燃烧器和所述涡轮部段是以下项中的一者的一部分：燃气涡轮发动机、往复式热力发动机和旋转式热力发动机。
条款12. 如条款10所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机还包括液态氢气泵，所述液态氢气泵与所述热交换器的所述液态氢气入口流体连通；并且其中所述燃烧器也处于流体连通中以相对于氢气流在所述热交换器的下游接收氢气以使氢气和空气燃烧。
条款13. 如条款10或11所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机还包括氢气膨胀涡轮，所述氢气膨胀涡轮处于流体连通中以从所述热交换器的所述气态氢气出口接收氢气，所述膨胀涡轮包括可旋转部件，所述可旋转部件操作性地连接到所述膨胀涡轮以通过所述膨胀涡轮的旋转而旋转，‎‎其中所述可旋转部件还操作性地连接到齿轮箱。
条款14. 如条款13所述的燃气涡轮发动机，其中所述氢气膨胀涡轮的出口与所述燃烧器流体连通以将可供燃烧器使用的氢气体提供给所述燃烧器并且对所述齿轮箱添加额外的旋转动力。
条款15. 如条款10所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机还包括：
气态氢气蓄积器(156)，所述气态氢气蓄积器相对于氢气流是在所述热交换器的下游，其中所述气态氢气蓄积器是在所述热交换器与所述燃烧器之间；以及
气态氢气计量器(158)，所述气态氢气计量器相对于氢气流是在所述气态氢气蓄积器的下游以控制流向所述燃烧器的氢气流，其中所述气态氢气计量器是在所述蓄积器与所述燃烧器之间。
条款16. 一种操作飞行器的方法，所述方法包括：
使液态氢气流膨胀为气态氢气流；
从所述气态氢气流中提取动能以使所述飞行器的可旋转部件旋转；以及
在所述提取之后，在所述飞行器的燃气涡轮发动机(100)的燃烧器中使所述气态氢气流燃烧，利用来自第一级压缩机(140)的压缩空气将热量供应到热交换器(122)，其中使所述液态氢气膨胀为气态氢气包括对来自所述第一级压缩机的所述压缩空气进行冷却；
对来自所述热交换器的冷却空气进行压缩；以及
使所述气态氢气在所述压缩的冷却空气中燃烧。
条款17. 如条款16所述的方法，所述方法还包括：使用所述可旋转部件的旋转，产生以下项中的一者或两者：推力和电力。
条款18. 如条款16所述的方法，其中所述部件是所述燃气涡轮发动机的涡轮(116)，并且所述方法还包括通过使用所述涡轮的旋转来使所述燃气涡轮发动机的输出轴(151)旋转而产生推力，其中所述产生所述推力包括将所述涡轮的所述旋转转化为所述输出轴的较慢旋转；并且
其中所述使所述液态氢气流膨胀包括对穿过所述燃气涡轮发动机的压缩气流进行冷却以加热所述液态氢气流。
条款19. 一种利用双循环中间冷却架构改造燃气涡轮发动机的方法，其中改造包括：
引入液态氢气供应(134)；
将热交换器(122)引入到第一级压缩机(140)与第二级压缩机(142)之间的管道；
在所述热交换器与所述第二级压缩机之间引入气态氢气蓄积器(156)和气态氢气计量器(158)，
在所述热交换器与所述气态氢气蓄积器之间引入膨胀涡轮(134)，所述膨胀涡***作性地连接到齿轮箱。
条款20. 如条款19所述的方法，所述方法还包括：经由第一管线中的液态氢气泵(133)将所述液态氢气供应连接到所述热交换器；经由第二管线将所述热交换器连接到所述膨胀涡轮；以及经由第三管线将所述膨胀涡轮连接到所述第二级压缩机，其中所述气态氢气蓄积器和所述气态氢气计量器设置在所述第三管线中。

Claims (20)

1.一种燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括：
主气体路径，所述主气体路径具有处于流体串联连通的以下项：空气入口；压缩机，所述压缩机流体地连接到所述空气入口；燃烧器，所述燃烧器流体地连接到所述压缩机的出口；以及涡轮部段，所述涡轮部段流体地连接到燃烧器部段的出口，所述涡轮部段操作性地连接到所述压缩机以驱动所述压缩机；
输出轴，所述输出轴操作性地连接到所述涡轮部段以由所述涡轮部段驱动；
热交换器，所述热交换器具有：
气体导管，所述气体导管流体地连接到所述主气体路径，以及
流体导管，所述流体导管与所述气体导管流体隔离并且与所述气体导管热连通，所述流体导管具有液态氢气入口和流体地连接到所述液态氢气入口的气态氢气出口；
膨胀涡轮，所述膨胀涡轮具有流体地连接到所述气态氢气出口的气体入口和流体地连接到所述气体入口的气体出口，所述膨胀涡轮的所述气体出口流体地连接到所述燃烧器。
2.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机还包括液态氢气泵，所述液态氢气泵流体地连接到所述热交换器的所述液态氢气入口并且可操作来将液态氢气供应到所述热交换器的所述液态氢气入口。
3. 如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机还包括以下项中的一者或两者：
气态氢气蓄积器，所述气态氢气蓄积器相对于氢气流是在所述热交换器的下游，其中所述气态氢气蓄积器是在所述热交换器与所述燃烧器之间；以及
气态氢气计量器，所述气态氢气计量器相对于氢气流是在所述气态氢气蓄积器的下游以控制流向所述燃烧器的氢气流，其中所述气态氢气计量器是在所述蓄积器与所述燃烧器之间。
4.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述膨胀涡***作性地连接到所述输出轴以与所述涡轮部段并行地驱动所述输出轴。
5.如权利要求4所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机还包括齿轮箱，并且其中所述齿轮箱操作性地连接到由所述燃气涡轮发动机的涡轮部段驱动的主轴，其中所述齿轮箱还包括输出轴，所述输出轴由来自所述涡轮部段和所述膨胀涡轮的联合动力驱动。
6.如权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其中所述膨胀涡***作性地连接到以下项中的一者或两者：操作性地连接到电力发电机以驱动所述电力发电机；以及操作性地连接到辅助空气压缩机以驱动所述辅助空气压缩机。
7.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述压缩机具有多个压缩机部段并且所述热交换器的所述气体导管在所述多个压缩机部段的相邻压缩机部段之间的位置处流体地连接到所述主气体路径，所述燃气涡轮发动机还包括：
气态氢气蓄积器，所述气态氢气蓄积器相对于氢气流是在所述热交换器的下游，其中所述气态氢气蓄积器是在所述热交换器与所述燃烧器之间；
气态氢气计量器，所述气态氢气计量器相对于氢气流是在所述气态氢气蓄积器的下游以控制流向所述燃烧器的氢气流，其中所述气态氢气计量器是在所述蓄积器与所述燃烧器之间；并且
其中所述膨胀涡轮是氢气膨胀涡轮，所述氢气膨胀涡轮相对于氢气流是在所述热交换器的下游和所述燃烧器的上游，其中所述氢气膨胀涡轮的涡轮轴操作性地连接到齿轮箱。
8.如权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其中所述氢气膨胀涡轮的出口与所述燃烧器流体连通以将可供燃烧器使用的氢气体提供给所述燃烧器并且对所述齿轮箱添加额外的旋转动力，其中所述齿轮箱操作性地连接到由所述燃气涡轮发动机的所述涡轮部段驱动的主轴，其中所述齿轮箱还包括输出轴，所述输出轴由来自所述涡轮部段和所述膨胀涡轮的联合动力驱动。
9.如权利要求8所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机还包括控制器，所述控制器操作性地连接到所述气态氢气计量器以及所述齿轮箱、所述氢气膨胀涡轮和/或所述涡轮部段中的任一者中的至少一个传感器，其中所述控制器包括机器可读指令，所述机器可读指令致使所述控制器进行以下操作：
接收关于命令动力的输入；
从所述齿轮箱、所述氢气膨胀涡轮和/或所述涡轮部段中的至少一者接收输入；以及
经由所述气态氢气计量器调整所述气态氢气流以实现所述命令动力。
10.一种燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括：
主气体路径，所述主气体路径具有处于流体串联连通的以下项：空气入口；压缩机，所述压缩机流体地连接到所述空气入口；燃烧器，所述燃烧器流体地连接到所述压缩机的出口；以及涡轮部段，所述涡轮部段流体地连接到所述燃烧器的出口，所述涡轮部段操作性地连接到所述压缩机以驱动所述压缩机，其中所述压缩机具有多个压缩机部段；
输出轴，所述输出轴操作性地连接到所述涡轮部段以由所述涡轮部段驱动；
热交换器，所述热交换器具有：
气体导管，所述气体导管流体地连接到所述主气体路径，以及
流体导管，所述流体导管与所述气体导管流体隔离并且与所述气体导管热连通，所述流体导管具有液态氢气入口和流体地连接到所述液态氢气入口的气态氢气出口，
其中所述热交换器的所述气体导管在所述多个压缩机部段的相邻压缩机部段之间的位置处流体地连接到所述主气体路径。
11.如权利要求10所述的燃气涡轮发动机，其中所述压缩机、所述燃烧器和所述涡轮部段是以下项中的一者的一部分：燃气涡轮发动机、往复式热力发动机和旋转式热力发动机。
12.如权利要求10所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机还包括液态氢气泵，所述液态氢气泵与所述热交换器的所述液态氢气入口流体连通；并且其中所述燃烧器也处于流体连通中以相对于氢气流在所述热交换器的下游接收氢气以使氢气和空气燃烧。
13.如权利要求10所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机还包括氢气膨胀涡轮，所述氢气膨胀涡轮处于流体连通中以从所述热交换器的所述气态氢气出口接收氢气，所述膨胀涡轮包括可旋转部件，所述可旋转部件操作性地连接到所述膨胀涡轮以通过所述膨胀涡轮的旋转而旋转，‎‎其中所述可旋转部件还操作性地连接到齿轮箱。
14.如权利要求13所述的燃气涡轮发动机，其中所述氢气膨胀涡轮的出口与所述燃烧器流体连通以将可供燃烧器使用的氢气体提供给所述燃烧器并且对所述齿轮箱添加额外的旋转动力。
15. 如权利要求10所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机还包括：
气态氢气蓄积器，所述气态氢气蓄积器相对于氢气流是在所述热交换器的下游，其中所述气态氢气蓄积器是在所述热交换器与所述燃烧器之间；以及
气态氢气计量器，所述气态氢气计量器相对于氢气流是在所述气态氢气蓄积器的下游以控制流向所述燃烧器的氢气流，其中所述气态氢气计量器是在所述蓄积器与所述燃烧器之间。
16.一种操作飞行器的方法，所述方法包括：
使液态氢气流膨胀为气态氢气流；
从所述气态氢气流中提取动能以使所述飞行器的可旋转部件旋转；以及
在所述提取之后，在所述飞行器的燃气涡轮发动机的燃烧器中使所述气态氢气流燃烧，利用来自第一级压缩机的压缩空气将热量供应到热交换器，其中使液态氢气膨胀为气态氢气包括对来自所述第一级压缩机的所述压缩空气进行冷却；
对来自所述热交换器的冷却空气进行压缩；以及
使所述气态氢气在所述压缩的冷却空气中燃烧。
17. 如权利要求16所述的方法，所述方法还包括：使用所述可旋转部件的旋转，产生以下项中的一者或两者：推力和电力。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述部件是所述燃气涡轮发动机的涡轮，并且所述方法还包括通过使用所述涡轮的旋转来使所述燃气涡轮发动机的输出轴旋转而产生推力，其中所述产生所述推力包括将所述涡轮的所述旋转转化为所述输出轴的较慢旋转；并且
其中所述使所述液态氢气流膨胀包括对穿过所述燃气涡轮发动机的压缩气流进行冷却以加热所述液态氢气流。
19.一种利用双循环中间冷却架构改造燃气涡轮发动机的方法，其中改造包括：
引入液态氢气供应；
将热交换器引入到第一级压缩机与第二级压缩机之间的管道；
在所述热交换器与所述第二级压缩机之间引入气态氢气蓄积器和气态氢气计量器，
在所述热交换器与所述气态氢气蓄积器之间引入膨胀涡轮，所述膨胀涡***作性地连接到齿轮箱。
20.如权利要求19所述的方法，所述方法还包括：经由第一管线中的液态氢气泵将所述液态氢气供应连接到所述热交换器；经由第二管线将所述热交换器连接到所述膨胀涡轮；以及经由第三管线将所述膨胀涡轮连接到所述第二级压缩机，其中所述气态氢气蓄积器和所述气态氢气计量器设置在所述第三管线中。
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