[发明专利]一种蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法

权利要求书

1.本发明揭示一种蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法。其特征在于，燃气循环结构保持不变，增加了水蒸汽循环。如表1所示，水蒸汽循环有独立的工质，有独立的热源，有独立的压气机，独立的静叶，和燃气循环分享的动叶。在燃气循环结构的基础上稍加改进，几乎没有增加重量，没有多占用空间。新的热力系统是以燃气循环为主的高效一体机。

2.根据权利要求1所述的一种蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法，其特征在于，蒸汽循环是让飞机发动机携带一定重量的水，通过高压的压气机压力，把水从喷嘴喷入封闭式的离心压缩机叶轮内；水在离心压缩机保持液体，在离心压缩机叶轮的作用下，水送到叶片的内部；水在高压透平(HPT)叶片内部的流道上加热蒸发，膨胀做功并且从叶片出气边喷出。

3.根据权利要求1所述的一种蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法，其特征在于，独特的蒸汽循环压气机：把隔热的挡板(front cover plate)设计成离心压缩机叶轮。主要是利用隔热的挡板的曲面圆形形状，原有的隔热的挡板变成曲面圆形封闭式离心压缩机叶轮。封闭式离心压缩机叶轮和HPT叶轮之间为冷却空气通道。离心压缩机叶轮作为高压转子的一部分和高压透平(HPT)一起同步旋转。这个离心压缩机叶轮也起隔热的挡板作用。水在离心压缩机的作用下和部分冷却空气混合形成气液两相流的水雾并把水雾挤入叶片的根部。如果商业飞机高压转子有两级叶轮，可以使用两个离心压缩机叶轮，也可以共用一个。

4.根据权利要求1所述的一种蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法，其特征在于，独特的蒸汽循环喷嘴和静叶：水在叶片内的水冷通道(相当于静叶)受高压透平叶片高温加热蒸发膨胀。在蒸气主要通过喷气叶片出气边(trailing edge)喷嘴喷出，增加发动机推力。另一部分水蒸汽从叶片表面发汗蒸发带走热量。这个喷气叶片既是燃气循环的动叶叶片，也是蒸汽循环的静叶喷嘴和发动式动叶片。水冷通道可以设计成流道截面变化的以反映水蒸气膨胀。

5.根据权利要求1所述的一种蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法，其特征在于，叶片表面有两种类型的孔，一个是为了空气气膜冷却用的，一个是为了水蒸气发散冷却用的。发散冷却用的是一种盲孔，它的盲端是由叶片的多孔隔热陶瓷材料(thermalbarrier coatings)组成。在离心力压力和毛细管现象的作用下。这部分水蒸汽从叶片表面蒸发带走热量。

6.根据权利要求1所述的一种蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法，其特征在于，离心压缩机叶轮的水和空气流量比较关键。水在离心压缩机的作用下和部分冷却空气混合形成气液两相流。气液两相流必须设计成一空气为主流体，液体占一定的体积比(volume faction)。由于水的密度大，在离心力的作用下和空气分层，使得更多的水挤入叶片的水孔是设计要求之一。

7.根据权利要求1所述的一种蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法，其特征在于，离心压缩机叶轮的水的流量必须满足：水在离心压缩机内保持液体；水叶片中的全部蒸发的蒸发量来确定；水不可以以液体形式从叶片喷出。水流量太大，离心压缩机消耗功率太多，水在喷气叶片来不及蒸发。水流量太小，叶轮温度过高，水在离心泵叶轮就蒸发完了。

8.根据权利要求1所述的一种蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法，其特征在于，整个蒸汽循环的设计过程中最核心的是使用ANSYS CFX或Fluent。

三维流体力学计算，其中包括

第一，离心压缩机的气液两相流流体力学计算CFD。

第二，水蒸汽通过多孔介质的流体计算。

第三，气膜冷却和发汗冷却混合的叶片表面换热计算。

第四，喷射叶片空气动力学反作用力计算。