姜均文1,康启明1,蒋昕洋1,李成杰1,吉雍彬1,秦江2
摘要: 航空电气化对机载电源系统的功率密度与运行效率提出了更高的要求,传统辅助动力装置目前正面临效率与排放的双重瓶颈。本文提出了一种基于液氢间冷回热与级间引气耦合的航空燃料电池-燃气轮机机载发电系统,旨在解决传统航空辅助动力装置效率与排放的双重瓶颈。本研究的核心创新在于:通过主发动机压气机级间引气替代了能耗巨大的独立高压空压机;同时,创新性地利用液氢冷能对高温引气进行间冷降温,并回收尾气涡轮余热对氢气进行回热升温。燃料电池尾气经催化燃烧后推动涡轮做功发电,实现了压力能与未反应化学能的梯级回收。研究通过分段压缩功计算法精确评估了引气代偿损失,并重点分析了关键参数对系统净收益的影响。优化结果表明:在典型工况下(引气压比7.25,电堆温度80 °C,匹配最佳电流密度、燃料利用率和过量空气系数),系统总发电功率由初始设计的 40.61 kW 提升至 61.31 kW,系统净收益(净发电功率扣除推进功率损失)由 14.38 kW 增至 32.19 kW,增幅高达 123.8%,整体发电效率达到 55.94%。由此可见,该机载引气耦合方案具备一定的性能优势,为氢能航空混合动力系统的设计提供了理论依据。
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