CN101915132A - 富氧燃烧发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种富氧燃烧发动机，包括：铺设有喷水管路的燃烧室缸体，喷水管路上的喷嘴伸入燃烧室缸体内部，其上还设有第一气体喷射孔；套设在燃烧室缸体外的转子，其外侧倾斜安装有多个叶片，其上还开设有与叶片的倾斜方向相反的第二气体喷射孔；设置在燃烧室缸体开口端的前盖，其上开设有进气管腔和进水管腔；一端固定在前盖上的外壳；与外壳的另一端相连的后盖，其上开设有放气孔本发明通过将水蒸气、氧气、二氧化碳作为工质运用到汽轮机上，而且转子安装在燃烧室的外面，使燃烧室释放的热量能被充分利用，有效地提高了汽轮机的热效率，使用可再生能源或生物质能源，实现了对大气零增量碳排放。

Description

富氧燃烧发动机

技术领域

本发明涉及汽轮机技术领域，更具体地说，特别涉及一种富氧燃烧发动机。

背景技术

随着科学技术的迅猛发展与改革开放的不断深入，汽轮机已广泛应用于发电、汽车、船舶、航空等工业领域。提高汽轮机的热效率，减少汽轮机污染废气物的排放和提高自然资源的利用率已成为当今汽轮机研究和发展的重要趋势。

目前，汽轮机有以下三种；

1.蒸汽汽轮机：蒸汽汽轮机是用高温、高压水蒸气作为工质的汽轮机，其通过高温、高压的水蒸气在汽缸内的转子叶片间膨胀做功，推动转子高速旋转，从而输出机械功。

2.燃气轮机：燃气轮机是用柴油、汽油、甲乙醇合成燃油等作燃料，利用压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩，压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气透平中膨胀做功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起高速旋转，高温燃气做功在带动压气机的同时输出机械功。

3.燃气-蒸汽轮机联合循环：是把燃气轮机和蒸汽轮机这两种不同热力循环工作的热机联合在一起的装置，以燃气轮机的排热来加热蒸汽，就可以同时取得燃气轮机加热温度较高和蒸汽轮机排热温度较低的双重优点。

现有燃气轮机都存在不同的缺陷：

1.用高温、高压水蒸气作为工质的蒸汽汽轮机，热效率低，结构复杂，制造困难，由于需要大量燃煤高温500℃加热水蒸气，造成了水煤资源的浪费，以及环境的污染，而且配套设备多，投资成本高。

2.用柴油、汽油、甲乙醇合成燃油作燃料的燃气轮机，热效率虽然得到了提高但是油耗大，空气吸入量大，结构复杂，维修困难，且排放大量有害气体，污染环境。

3.燃气-蒸汽轮机联合循环，占地面积很大，且设备多、复杂，应用范围受限制一般只应用与大型发电厂。

伴随着建设节能、环保型社会的要求和人们日益增长的健康要求，开发一种新的节能、环保燃能动力驱动技术并将其应用于汽轮机上极为迫切。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种富氧燃烧发动机，以提高热效率，减少有害资源的排放。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种富氧燃烧发动机，包括：

燃烧室缸体，其为一端封闭一端开口的缸体，其外部铺设有喷水管路，所述喷水管路上设有喷嘴，所述喷嘴伸入所述燃烧室缸体的内部，在所述燃烧室缸体上且避开所述喷水管路的位置开设有第一气体喷射孔；

转子，其套设在所述燃烧室缸体外，且在该转子的外侧沿圆周方向倾斜安装有多个叶片，所述转子上还开设有第二气体喷射孔，且所述第二气体喷射孔的倾斜方向和所述叶片的倾斜方向相反；

前盖，其设置在所述燃烧室缸体的开口端，其上开设有进气管腔和进水管腔，该进气管腔分别与输送氧气和燃料的管路连接，所述进水管腔与所述喷水管路相连；

外壳，其一端固定在所述前盖上；

后盖，其可拆卸的与所述外壳的另一端相连，其上开设有放气孔；

转轴，其一端固定在所述转子上，另一端穿过所述后盖中间开设的孔伸出汽轮机；

点火装置，该点火装置设置在所述燃烧室缸体内。

优选的，上述富氧燃烧发动机中，所述燃烧室缸体的外部沿其圆周方向均匀的铺设有多条喷水管路，且各喷水管路上分布有多个喷嘴。

优选的，上述富氧燃烧发动机中，所述燃烧室缸体沿圆周方向开设有多列倾斜的第一气体喷射孔，且每列为多个。

优选的，上述富氧燃烧发动机中，所述转子沿圆周方向分布有多列叶片，且每列为多个；

每列叶片中的任意相邻两个叶片之间开设有第二气体喷射孔。

优选的，上述富氧燃烧发动机中，所述叶片为弧形叶片，所述第二气体喷射孔的倾斜方向与所述叶片的弯曲方向相反，且所述第二气体喷射孔的轴线与和其相对的叶片的交点处的切线垂直。

优选的，上述富氧燃烧发动机中，还包括套设在所述燃烧室缸体和所述转子之间的内缸，所述内缸的两端均套装有滑动轴承，所述内缸根据所述第一气体喷射孔的位置亦开设了相应的倾斜的第三气体喷射孔。

优选的，上述富氧燃烧发动机中，从所述前盖到所述后盖的方向上，所述叶片的长度逐渐增大。

优选的，上述富氧燃烧发动机中，所述叶片为五列。

优选的，上述富氧燃烧发动机中，所述外壳上避开叶片的位置安装有静止叶片。

优选的，上述富氧燃烧发动机中，所述输送氧气和燃料的管路分成两支，分别为与压气机相连的输送氧气管路及与燃料贮存器相连的输送燃料管路；

所述输送氧气管路上靠近压气机的位置处安装有第一防回火阀，在与所述输送燃料管路的交汇处和所述第一防回火阀之间安装有第一开关控制阀；

所述输送燃料管路上靠近贮存器的位置处安装有第二防回火阀，在与所述输送氧气管路的交汇处和所述第二防回火阀之间安装有第二开关控制阀。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的富氧燃烧发动机是一种新的热能驱动技术。通过将过量的氧气与燃料混合，发生化学反应，释放热量，释放的热量被喷嘴喷出的水吸收，将水从液态转化成气态，体积增大，得到富含大量的水蒸气、氧气、二氧化碳的混合气体，该混合气体分别通过第一气体喷射孔和第二气体喷射孔，喷射在转子的叶片上，驱动转子运转。本发明通过将水蒸气、氧气、二氧化碳的混合气体作为工质运用到汽轮机上，而且转子安装在燃烧室的外面，使燃烧室释放的热量能被充分利用，有效地提高了汽轮机的热效率，使用可再生能源或生物质能源，实现了对大气零增量碳排放。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的富氧燃烧发动机的主视剖面示意图；

图2为本发明实施例提供的富氧燃烧发动机的左视局部剖面示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种富氧燃烧发动机，以实现提高热效率，减少有害资源排放的目的。

本发明提供的新的燃烧形式的汽轮机是由碳粉与过量的氧气燃烧生成二氧化碳并释放热量，释放的热量被水吸收从而使水由液态变成气态，体积增大，使燃烧室内获得具有高温、高压的二氧化碳、氧气、水蒸气的混合气体，气流穿过沿圆周分布的一系列倾斜的气体喷射孔，吹向叶片，推动叶片旋转，从而带动转子高速旋转，输出机械功的碳粉燃气轮机。

通过精确控制进入燃烧室内的氧气、碳粉、水的摩尔量之比，可以提高汽轮机的热效率。为了保证碳粉燃烧时生成的气体为二氧化碳，我们需要给汽轮机提供过量的氧气，即氧气与碳粉的摩尔量之比的范围为101∶100-105∶100。并精确控制从喷嘴进入燃烧室内的水量，使碳粉燃烧时释放的热量能把进入燃烧室内的液态水全部变成具有做功能力的气态水。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图2，图1为本发明实施例提供的富氧燃烧发动机的主视剖面示意图，图2为本发明实施例提供的富氧燃烧发动机的左视局部剖面示意图。

其中，1为火花塞，2为滑动轴承，3为轴承挡圈，4为静叶，5为(动)叶片，6为滑动轴承，7为皮带轮，8为转轴，9为后盖，10为转子，11为外壳，12为内缸，13为燃烧室缸体，14为前盖，15为水管，16为连接器，17为管路，18为阀门，19为防回火阀，20为喷嘴，21为第一气体喷射孔，22为第三气体喷射孔，23为第二气体喷射孔。

本发明提供的富氧燃烧发动机，包括：燃烧室缸体13、转子10、前盖14、外壳11、后盖9、转轴8和点火装置1。

燃烧室缸体13为一端封闭一端开口的缸体，内部为燃烧室，其外部铺设有喷水管路，喷水管路上设有喷嘴20，喷嘴20伸入所述燃烧室缸体13的内部，可以通过喷嘴20将水喷入燃烧室内。在燃烧室缸体13上，且避开喷水管路的位置开设有第一气体喷射孔21。

转子10套设在燃烧室缸体13外，且在该转子10的外侧沿圆周方向倾斜安装有多个叶片5，所述转子10上还开设有第二气体喷射孔23，且所述第二气体喷射孔23的倾斜方向和所述叶片5的倾斜方向相反。由于第二气体喷射孔23的倾斜方向和所述叶片5的倾斜方向相反，因此使得在第二气体喷射孔23喷出的气体能够冲击叶片5使转子10转动。

前盖14设置在所述燃烧室缸体13的开口端，并完全堵住开口端，其上开设有进气管腔和进水管腔，该进气管腔通过连接器16分别与输送氧气和燃料(此处的燃料优选为可燃粉末材料及可燃固液混合材料，更优选为碳粉，以后涉及燃料的描述均称为碳粉，但并不限于此一种燃料)的管路17连接，所述进水管腔与所述喷水管路相连。进气管腔和进水管腔为氧气、碳粉和水的输送管腔。

外壳11的一端固定在所述前盖14上，另一端可拆卸(螺栓)的与后盖9相连，后盖9上开设有使气流排入到大气中的排气孔。

转轴8的一端固定在所述转子10上，另一端穿过所述后盖9中间开设的孔伸出汽轮机。通过转子的转动带动转轴8转动，转轴8上设有皮带轮7，通过皮带轮7将动力传给发电机或其他设备。

点火装置1设置在燃烧室缸体13内，起到点燃碳粉的作用。

综上所述，本发明提供的富氧燃烧发动机是一种新的热能驱动技术。通过将过量的氧气与碳粉混合，发生化学反应，释放热量，释放的热量被喷嘴喷出的水吸收，将水从液态转化成气态，体积增大，得到含有大量水蒸气、氧气、二氧化碳的混合气体，该混合气体分别通过第一气体喷射孔和第二气体喷射孔，喷射在转子的叶片上，驱动转子运转。本发明通过将水蒸气、氧气、二氧化碳的混合气体作为工质运用到汽轮机上，有效地提高了汽轮机的热效率，使用可再生能源或生物质能源，实现了对大气零增量碳排放。

为了进一步提高富氧燃烧发动机的热效率，燃烧室缸体13的外部沿其圆周方向均匀的铺设有多条喷水管路，且各喷水管路上分布有多个喷嘴20。通过在圆周方向上铺设多条喷水管路，能够使得水从燃烧室缸体13的多方向均匀喷出，喷水面积更大、更均匀，能够快速将碳粉的热量吸收汽化。

同理，燃烧室缸体13沿圆周方向开设有多列倾斜的第一气体喷射孔21，且每列为多个。转子10沿圆周方向分布有多列叶片5，且每列为多个，每列叶片中的任意相邻两个叶片之间开设有第二气体喷射孔23。

需要说明的是，上述提到的列是指圆周方向上的一圈成为一列，即在燃烧室缸体13的轴向分布有多列第一气体喷射孔21；转子10的轴向分布有多列叶片5。由于第二气体喷射孔23为倾斜设置，为了尽量少受阻碍的将燃烧室缸体13内的混合气体喷到叶片5上，将第一气体喷射孔21也倾斜设置，优选的第一气体喷射孔21的轴线和与其相对应的第二气体喷射孔23的轴线同线，从而使得在第一气体喷射孔21喷出的混合气体不受阻碍的喷入第二气体喷射孔23。

叶片5为弧形叶片，所述第二气体喷射孔23的倾斜方向与所述叶片5的弯曲方向相反，且所述第二气体喷射孔23的轴线与和其相对的叶片5的交点处的切线垂直。二者夹角为90°时，可以使叶片5受到的冲击力达到最大从而让转子10获得最大的旋转速度。使燃烧室内的得到的内能，最大限度地转化为气流的动能，最后再最大限度地转化为转子旋转的机械能。

本发明还包括套设在燃烧室缸体13和转子10之间的内缸12，内缸12的两端均套装有滑动轴承，内缸12根据第一气体喷射孔21的位置亦开设了相应的倾斜的第三气体喷射孔22，第一气体喷射孔21和与其对应的第三气体喷射孔22的轴线尽量做到同线，当达到同线时可使得喷出的混合气体对叶片5的冲击最大，从而使转子滑动更大的机械能。

从前盖14到后盖9的方向上，叶片5的长度逐渐增大。若本发明提供的叶片5为五列的话，且靠近前盖14的为第一列，靠近后盖9的为第五列，从第一列到第五列的方向上分别分布有第二列、第三列和第四列，那么从第一列到第五列叶片的长度越来越长，使得当气流吹向第一列时，不受阻碍的其余气流可以继续吹向其下一列叶片。

外壳11上避开叶片5的位置安装有静止叶片。即外壳11上根据叶片5安装了相应数量的静叶4，可以使喷出的气体在达到另一级叶片时减缓气流压力损失。

输送氧气和碳粉的管路17分成两支，分别为与压气机相连的输送氧气管路及与碳粉贮存器相连的输送碳粉管路。输送氧气管路上靠近压气机的位置处安装有第一防回火阀，在与所述输送碳粉管路的交汇处和所述第一防回火阀之间安装有第一开关控制阀；输送碳粉管路上靠近贮存器的位置处安装有第二防回火阀，在与所述输送氧气管路的交汇处和所述第二防回火阀之间安装有第二开关控制阀。

汽轮机工作原理及其流程：氧气从压气机出来，进入管路17，在靠近压气机方向的管路17上安装了一个防回火阀，然后在快与碳粉混合的地方安装了一个控制其启闭的阀门，同理，在碳粉贮存器出来的管路上靠近贮存器的方向安装了一个防回火阀，在靠近与氧气汇合的地方安装了一个控制启闭的阀门。

从压气机出来的经过压缩的氧气(氧气摩尔量超过碳粉的摩尔量1％-5％)通过打开两个开关控制阀，沿管路17流动与从碳粉贮存器出来的碳粉混合，穿过带有空腔的前盖14一起进入燃烧室。点燃点火装置(火花塞)，氧气与碳粉发生化学反应生成二氧化碳并释放出大量的热量。从喷嘴20出来的水吸收其释放的热量由液态变成气态的水蒸气，体积增大约2400倍。此时，燃烧室内充满具有高温、高压的二氧化碳、氧气和水蒸气的混合气体。混合气体依次连续地从燃烧室和内缸12上开设的倾斜的气体喷射孔高速喷出，再从转子10上开设的倾斜的气体喷射孔以接近90°吹向叶片5。叶片5在喷气反作用力下旋转，从而带动转子10旋转，旋转能量再通过转子10一端的转轴8输出，在转轴8上安装皮带轮7等出力装置可输出机械功。

气流从高压空间流向低压空间，压强差越大，流动的速度也越大。汽轮机中蒸汽的压力和温度越高，热效率就越高。

本发明提供的碳粉燃气轮机中的气体流动是连续的、高速的，转子直接安装在燃烧室外，可以最大限度地吸收燃烧室的热量。水由液态变成气态，体积增大2400倍，二氧化碳是无毒无味，不腐、不燃的气体，是热力学中十分稳定的化合物，可广泛应用于热力机械和环保化工系统中。精确确定转子上开设的倾斜的气体喷射孔的倾斜角度和弧形叶片的角度，使它们之间的夹角接近于90°。这样可以使叶片受到的气流的冲击力尽可能的达到最大，使转子得到的转速达到最大，提高汽轮机的热效率，对充分利用资源，节约能源有着重大的意义。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种富氧燃烧发动机，其特征在于，包括：

燃烧室缸体(13)，其为一端封闭一端开口的缸体，其外部铺设有喷水管路，所述喷水管路上设有喷嘴(20)，所述喷嘴(20)伸入所述燃烧室缸体(13)的内部，在所述燃烧室缸体(13)上且避开所述喷水管路的位置开设有第一气体喷射孔(21)；

转子(10)，其套设在所述燃烧室缸体(13)外，且在该转子(10)的外侧沿圆周方向倾斜安装有多个叶片(5)，所述转子(10)上还开设有第二气体喷射孔(23)，且所述第二气体喷射孔(23)的倾斜方向和所述叶片(5)的倾斜方向相反；

前盖(14)，其设置在所述燃烧室缸体(13)的开口端，其上开设有进气管腔和进水管腔，该进气管腔分别与输送氧气和燃料的管路(17)连接，所述进水管腔与所述喷水管路相连；

外壳(11)，其一端固定在所述前盖(14)上；

后盖(9)，其可拆卸的与所述外壳(11)的另一端相连，其上开设有放气孔；

转轴(8)，其一端固定在所述转子(10)上，另一端穿过所述后盖(9)中间开设的孔伸出汽轮机；

点火装置(1)，该点火装置(1)设置在所述燃烧室缸体(13)内。

2.根据权利要求1所述的富氧燃烧发动机，其特征在于，所述燃烧室缸体(13)的外部沿其圆周方向均匀的铺设有多条喷水管路，且各喷水管路上分布有多个喷嘴(20)。

3.根据权利要求1所述的富氧燃烧发动机，其特征在于，所述燃烧室缸体(13)沿圆周方向开设有多列倾斜的第一气体喷射孔(21)，且每列为多个。

4.根据权利要求1所述的富氧燃烧发动机，其特征在于，所述转子(10)沿圆周方向分布有多列叶片(5)，且每列为多个；

每列叶片中的任意相邻两个叶片之间开设有第二气体喷射孔(23)。

5.根据权利要求4所述的富氧燃烧发动机，其特征在于，所述叶片(5)为弧形叶片，所述第二气体喷射孔(23)的倾斜方向与所述叶片(5)的弯曲方向相反，且所述第二气体喷射孔(23)的轴线与和其相对的叶片(5)的交点处的切线垂直。

6.根据权利要求5所述的富氧燃烧发动机，其特征在于，还包括套设在所述燃烧室缸体(13)和所述转子(10)之间的内缸(12)，所述内缸的两端均套装有滑动轴承，所述内缸(12)根据所述第一气体喷射孔(21)的位置亦开设了相应的倾斜的第三气体喷射孔(22)。

7.根据权利要求4所述的富氧燃烧发动机，其特征在于，从所述前盖到所述后盖的方向上，所述叶片的长度逐渐增大。

8.根据权利要求7所述的富氧燃烧发动机，其特征在于，所述叶片为五列。

9.根据权利要求1所述的富氧燃烧发动机，其特征在于，所述外壳(11)上避开叶片(5)的位置安装有静止叶片。

10.根据权利要求1所述的富氧燃烧发动机，其特征在于，所述输送氧气和燃料的管路(17)分成两支，分别为与压气机相连的输送氧气管路及与燃料贮存器相连的输送燃料管路；

所述输送氧气管路上靠近压气机的位置处安装有第一防回火阀，在与所述输送燃料管路的交汇处和所述第一防回火阀之间安装有第一开关控制阀；

所述输送燃料管路上靠近贮存器的位置处安装有第二防回火阀，在与所述输送氧气管路的交汇处和所述第二防回火阀之间安装有第二开关控制阀。

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