CN109268141A - 多燃料发动机 - Google Patents

Abstract

本发明属于发动机，特别是指一种多燃料发动机。包括燃烧室、涡轮机；涡轮机包括设于涡轮机动力输出轴上的飞轮，对称设于飞轮两侧且表面设有涡轮叶片的第一级、第二级涡轮，第一级、第二级涡轮外侧对应设有第一、第二涡轮壳，第一、第二涡轮壳由中间连接体连接为一整体，由中间连接体、飞轮外缘形成整体呈C型或圆拱形的涵道，涵道两端与第一级、第二级涡轮气路端口连通，涵道在中间连接体内腔中沿径向等角度均布；第一级、第二级涡轮为侧面呈凹形弧面且底面呈圆形的台式结构，其凹形弧面上沿径向均布有涡卷状涡轮叶片。本发明有效解决了现有技术中做功不连续、能耗大、结构复杂等技术难题，具有结构简单、能耗小、做功连续等优点。

Description

多燃料发动机

技术领域

本发明属于发动机，特别是指一种多燃料发动机。

背景技术

目前常用发动机大体上分为内燃机、外燃机、喷气式发动机、燃气轮机等。它们通常使用特定燃料，以保证动力性和经济性，并在此基础上兼顾发动机的使用寿命和环保要求。虽然这些发动机技术已相当成熟且用途广泛，但在很多特殊的应用场合使用上述常规发动机的各种车辆、机械和设备会受到很大局限，如在抢险救灾和人道主义救援等过程中，受很多条件限制；再加上燃料需求的品类较多，使后勤供应及保障非常困难，一旦出现燃料短缺或燃料不匹配，就会造成难以估量的损失和影响。

目前普遍采用的四冲程内燃式发动机，使用的是常规燃料(液体或气体)，通过燃烧做功产生动力。燃烧过程很大程度上受燃料和配比的空气量以及燃烧室结构所限制。

所谓涡轮发动机(Turbine engine，或常简称为Turbine)是一种利用旋转的机件自穿过它的流体中汲取动能的发动机形式，属内燃机的一种。常用作飞机与大型的船舶或车辆的发动机。目前常用的活塞式发动机，如二冲程发动机、四冲程发动机等，也属内燃机。为了提高燃烧做功的效率，目前普遍采用“压气机”或“涡轮增压器”来加大发动机的进气量，以此配合更多的燃料进行燃烧，从而达到增加输出功率的目的。据报道，配备了“涡轮增压器”能使发动机的功率增加40％甚至更高，此外还可改善燃油的经济性和降低尾气的有害排放，从另一方面上讲，还可大幅度提高化学能的利用率。

但通常的活塞式发动机(如常见的四冲程内燃发动机)在不加装涡轮增压器的情况下的排气温度均在600℃以上，而涡轮发动机排气温度则可达到1200℃(这还是在有散热措施的情况下，说明热效率是很低的)，当采用了涡轮增压器以后发动机和增压器工作温度会进一步的增加，这又会严重影响发动机的寿命和缩短正常的无故障工作时间，这主要是由于温度提高后造成一些零部件的机械强度降低，再加上材料和零部件受力条件的改变也会过早达到疲劳强度的极限。

目前常见的四冲程内燃发动机，在转动两圈的情况下完成一个工作循环(吸气、压缩、爆发、排气)，实际上只有“爆发”这个工作阶段才是做功状态，其余的三个工作阶段都是消耗能量的。

而相对内燃发动机的燃气轮机和喷气发动机，它们的工作状态才是连续做功的。但是我们也知道，燃气轮机和航空发动机也是采用涡轮带动压气机的形式来实现增压过程，它们的排气温度更高，因此航空发动机使用寿命就更短(国产一般情况下为2000多小时，美国为4000小时)。更为严重的是，燃气轮机和喷气发动机还有着能源消耗大、工作效率低、制造成本高、结构更为复杂等缺点。

涡轮叶片是涡轮发动机中涡轮段的重要组成部件。高速旋转的叶片负责将高温高压的气流吸入燃烧器，以维持引擎的工作。涡轮发动机叶片一般承受较大的工作应力和较高的工作温度,且应力和温度的变化也较频繁和剧烈,此外还有腐蚀和磨损问题,其对工作条件的要求非常苛刻,因此要求叶片的加工精度很高。同时为提高涡轮效率，涡轮叶片的表面形状通常设计成扭曲的变截面曲面,形状复杂。因而，涡轮叶片的精确几何造型就成了涡轮加工的必要前提。涡轮叶片几何造型实质就是要找到一种既能有效地满足形状表示和几何设计要求，又便于形状信息和产品数据交换的数学方法来描述涡轮叶片曲面。目前的涡轮式发动机或燃气轮机所采用的涡轮形式都是多层桨式叶片，气流在流动中不是连贯的，实际是在动叶片和静叶片之间反射式交互传递，这就难免出现气流紊乱、气流泄漏量较大的缺点，造成较大气量传递损失。

申请人检索的专利文献包括：

目前普遍采用的多燃料发动机，一般是在现有传统内燃机使用液体燃料(如汽油、柴油)基础上通过增加控制系统，增加使用气体燃料(如压缩天然气、液化天然气等)，而称为双燃料发动机或多燃料发动机。例如公开号为CN105697140A的专利文献中公开了多燃料发动机系统，所述发动机为传统多缸往复活塞式发动机。公开号为CN107849989A的专利文献中公布了用于多燃料发动机的设备，其所述发动机属于多缸往复活塞式发动机。不论采用何种燃料，其在结构和性能上均不能摆脱传统往复活塞式内燃机做功不连续、能耗大、结构复杂等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相比现有技术能够有效降低能耗、做功连续且结构简单的多燃料发动机。

本发明的整体技术构思是：

多燃料发动机，包括燃烧室、涡轮机；所述的涡轮机包括装配于涡轮机的动力输出轴上的飞轮，对称分布于飞轮两侧且表面设有涡轮叶片的第一级涡轮以及第二级涡轮，第一级涡轮、第二级涡轮外侧对应设有第一涡轮壳以及第二涡轮壳，第一涡轮壳与第二涡轮壳通过中间连接体连接为一整体，由中间连接体、飞轮的外缘形成整体呈C型或圆拱形的涵道，涵道的两端分别与第一级涡轮及第二级涡轮的气路端口连通，涵道在中间连接体内腔中沿径向等角度均布；第一级涡轮、第二级涡轮均采用侧面为凹形弧面且上下底面呈圆形的台式结构，其凹形弧面上沿径向均布有涡卷状的涡轮叶片。

本发明的具体技术构思还有：

为适合于选用多种燃料以及调整燃料与空气的混合比，燃烧室优选采用如下结构设计形式，所述的燃烧室包括开口于加热室内腔中的燃料喷嘴以及空气喷孔，燃料喷嘴通过管路与燃料储罐连通，空气喷孔通过管路与压缩空气储罐连通，燃料喷嘴外周设有同轴配合的内配气套及外配气套，内配气套及外配气套表面设有开孔，在驱动装置作用下使内配气套、外配气套产生相对转动以调整开孔的开口量，在内配气套及外配气套的物料输出端口外侧设有点火装置。

为保证气流在第一级涡轮、涵道、第二级涡轮中通行顺畅，优选的结构设计是，第一级涡轮的气流出口以及第二级涡轮的气流入口与相邻的涵道两端的开口方向适配。

为便于对燃烧室输出的工质增效，以增加其对于涡轮叶片的推动力，优选的技术方案是，还包括工质增效装置，该装置包括连接于燃烧室的物料出口与涡轮喷孔之间的输送管，设置于输送管外部的加热元件。

申请人需要说明的是，工质增效装置的主要作用之一是为燃烧室输出的工质增效，因此为便于满足工作的需要，燃烧室和工质增效装置可以是彼此对应的一个或多个。

为便于节省空间，使结构更加紧凑，更为优选的技术方案是，所述的输送管选用螺旋盘管，所述的加热元件选用电感加热线圈。

为便于对燃烧气体的相关数据进行监测并实现过程中的有效控制，优选的技术方案是，所述的涡轮机的排气端连通涡轮回旋腔，在涡轮回旋腔中设有燃烧气氛传感器。

为便于对燃料及压缩空气预热以产生更好的燃烧效果，优选的技术方案是，燃料预热管连通燃料喷嘴与燃料储罐，空气预热管连通空气喷孔与压缩空气储罐，燃料预热管及空气预热管的中部设于盘管状输送管所形成的空腔中。

为降低能耗，提高使用过程中的安全性，优选的技术方案是，所述的燃烧室、工质增效装置外侧设有保温壳。

为进一步提高对涡轮机外排气体中能量的利用率，进一步降低能耗，优选的技术方案是，涡轮回旋腔的物料出口经涡轮增压器及消音器后排空，涡轮增压器对外部进入的空气预压缩并将其输送至空气压缩机二次压缩，二次压缩后的空气输送至压缩空气储罐内。

为便于对燃料储罐内的燃料以及压缩空气储罐中的压缩空气的工况进行监测控制，优选的技术方案是，燃料储罐上设有燃料调控阀及燃料识别传感器，压缩空气储罐上设有压气调控阀及压力传感器；燃料储罐和压缩空气储罐之间设有压力调节阀。

为便于实现自动化控制，优选的技术方案是，燃烧气氛传感器、燃料识别传感器、压力传感器将信号传递至控制系统，驱动装置、加热元件、涡轮增压器、空气压缩机、燃料调控阀、压气调控阀、压力调节阀由控制系统发出的动作指令进行控制。

申请人需要说明的是：

在本发明的描述中，术语“外周”、“外侧”、“径向”、“两端”、“中部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于简化描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明所具备的实质性特点及取得的显著技术进步在于：

1、气流在第一级涡轮及涡轮叶片形成的通道里流动过程中，在涡轮叶片转动离心力的作用下会沿涡轮叶片往顶端运动至涵道，气体在涵道内发生转向后自涵道另一端出口喷出并冲击第二级涡轮的涡轮叶片，带动动力输出轴做功，从而实现复合加力效果，充分进行能量转换，提高涡轮工作效率并降低能耗。

2、由第一、第二级涡轮，涡轮壳、中间连接体以及飞轮组成的涡轮机主体，在能够实现复合加力的前提下，由于飞轮的作用，具有较好的能量储备功效，第一、第二级涡轮侧面呈凹形弧面且上下底面呈圆形的台式结构，在节约制作材料的同时具有较好的散热效果。同时具有很好的“牛马特性”和“动力储备”功能，从而能使发动机的工作过程更加平稳沉静，噪音与振动现象也能得到极大改善。

3、气流在冲击叶片时紧贴叶片的主作用面，具有很高的气流依附特性和转化效率，相比较现有桨式叶片(动静叶片)，不会出现气流紊乱现象，泄漏量相对较小，本发明中的涡轮叶片沿涡轮径向分布并沿涡轮凹形弧面延伸，涡轮叶片受力条件相比桨式叶片大为提高，能够较好避免气蚀现象发生，显著提高发动机寿命。

4、燃烧室中内、外配气套由动力装置驱动产生相对转动，在易于实现控制进气量与燃料混合比的同时，有利于燃料充分燃烧，提高热效率和减少有害物质的产生，有利于发动机适应于各种燃料的正常使用。

5、工质增效装置的采用能够进一步使燃烧室输出的气体受热膨胀，一是对于涡轮叶片具有较好的冲击效果，二是对于燃料及压缩空气进行预热后能够更有利于二者在燃烧室的工作。

6、控制系统接收多个信号测定装置输出的感应信号，并依据感应信号及控制程序发出控制指令至相应的动作执行机构，可以方便地实现远程自动控制。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图中右侧涡轮机部分视图为图4中C-C向视图。

图2是本发明的工作原理示意图。

图3是图1的左视图。

图4是图1的D-D向视图。

图5是图1中的A部局部放大图。

图6是图5中的B部局部放大图。

图7是涡轮及涡轮叶片的结构示意图。

图7A是图7C的后视图。

图7B是图7C的G-G向视图。

图7C涡轮及涡轮叶片的主视图。

图8是涵道在中间连接体的右半部中的分布结构示意图。

图8A涵道在中间连接体的右半部中的分布主视图。

图8B是图8A的F-F向视图。

图8C是图8A的后视图。

附图中的附图标记如下：

1、动力输出轴；2、飞轮；3、涡轮叶片；4、第一涡轮壳；5、第二涡轮壳；6、涵道；7、加热室；8、燃料喷嘴；9、空气喷孔；10、内配气套；11、外配气套；12、开孔；13、驱动装置；14、点火装置；16、涡轮喷孔；17、输送管；18、加热元件；19、涡轮回旋腔；20、燃烧气氛传感器；21、燃料预热管；22、燃料储罐；23、空气预热管；24、压缩空气储罐；25、保温壳；26、空气压缩机；27、燃料调控阀；28、燃料识别传感器；29、压气调控阀；30、压力传感器；31、控制系统；32、第一级涡轮；33、第二级涡轮；34、中间连接体；35、压力调节阀。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步描述，但不应理解为对本发明的限定，本发明的保护范围以权利要求记载的内容为准，任何依据说明书所做出的等效技术手段替换，均不脱离本发明的保护范围。

本实施例的整体结构如图示，其中包括燃烧室、涡轮机；所述的涡轮机包括装配于涡轮机的动力输出轴1上的飞轮2，对称分布于飞轮2两侧且表面设有涡轮叶片的第一级涡轮32以及第二级涡轮33，第一级涡轮32、第二级涡轮33外侧对应设有第一涡轮壳4以及第二涡轮壳5，第一涡轮壳4与第二涡轮壳5通过中间连接体34连接为一整体，由中间连接体34、飞轮2的外缘形成整体呈C型或圆拱形的涵道6，涵道6的两端分别与第一级涡轮32及第二级涡轮33的气路端口连通，涵道6在中间连接体34内腔中沿径向等角度均布；第一级涡轮32、第二级涡轮33均采用侧面为凹形弧面且上下底面呈圆形的台式结构，其凹形弧面上沿径向均布有涡卷状的涡轮叶片3。

所述的燃烧室包括开口于加热室7内腔中的燃料喷嘴8以及空气喷孔9，燃料喷嘴8通过管路与燃料储罐22连通，空气喷孔9通过管路与压缩空气储罐24连通，燃料喷嘴8外周设有同轴配合的内配气套10及外配气套11，内配气套10及外配气套11表面设有开孔12，在驱动装置13作用下使内配气套10、外配气套11产生相对转动以调整开孔12的开口量，在内配气套10及外配气套11的物料输出端口外侧设有点火装置14。

第一级涡轮32的气流出口以及第二级涡轮33的气流入口与相邻的涵道6两端的开口方向适配。

还包括工质增效装置，该装置包括连接于燃烧室的物料出口与涡轮喷孔16之间的输送管17，设置于输送管17外部的加热元件18。

所述的输送管17选用螺旋盘管，所述的加热元件18选用电感加热线圈。

所述的涡轮机的排气端连通涡轮回旋腔19，在涡轮回旋腔19中设有燃烧气氛传感器20。

燃料预热管21连通燃料喷嘴8与燃料储罐22，空气预热管23连通空气喷孔9与压缩空气储罐24，燃料预热管21及空气预热管23的中部设于盘管状输送管17所形成的空腔中。

所述的燃烧室、工质增效装置外侧设有保温壳25。

涡轮回旋腔19的物料出口经涡轮增压器及消音器后排空，涡轮增压器对外部进入的空气预压缩并将其输送至空气压缩机27二次压缩，二次压缩后的空气输送至压缩空气储罐24内。

燃料储罐22上设有燃料调控阀27及燃料识别传感器28，压缩空气储罐24上设有压气调控阀29及压力传感器30；燃料储罐22和压缩空气储罐24之间设有压力调节阀35。

燃烧气氛传感器20、燃料识别传感器28、压力传感器30将信号传递至控制系统31，驱动装置13、加热元件18、涡轮增压器、空气压缩机26、燃料调控阀27、压气调控阀29、压力调节阀35由控制系统31发出的动作指令进行控制。

本实施例的工作原理是：

控制系统31接收燃烧气氛传感器20获取的燃烧过程中相关数据，通过分析处理后，下达调整配气指令，驱动装置13动作实现内配气套10相对外配气套11的转动，以调整开孔12开口量的大小，进而将燃气的“混合比”调整到最佳状态，以此实现理想燃烧过程。燃烧后的过热气体随即再混合加热于另一部分即将进行喷射做功的“压力空气”，使这部分空气受热再膨胀若干倍，这样一来就能以最小的能源消耗，在保证极高的热效率的情况下，获得连续和充足的做功气流，共同对第一级涡轮32、第二级涡轮壳33中的涡轮叶片3做功，使其旋转并通过动力传输轴22输出扭矩。

Claims (11)

1.多燃料发动机，包括燃烧室、涡轮机；其特征在于所述的涡轮机包括装配于涡轮机的动力输出轴(1)上的飞轮(2)，对称分布于飞轮(2)两侧且表面设有涡轮叶片的第一级涡轮(32)以及第二级涡轮(33)，第一级涡轮(32)、第二级涡轮(33)外侧对应设有第一涡轮壳(4)以及第二涡轮壳(5)，第一涡轮壳(4)与第二涡轮壳(5)通过中间连接体(34)连接为一整体，由中间连接体(34)、飞轮(2)的外缘形成整体呈C型或圆拱形的涵道(6)，涵道(6)的两端分别与第一级涡轮(32)及第二级涡轮(33)的气路端口连通，涵道(6)在中间连接体(34)内腔中沿径向等角度均布；第一级涡轮(32)、第二级涡轮(33)均采用侧面为凹形弧面且上下底面呈圆形的台式结构，其凹形弧面上沿径向均布有涡卷状的涡轮叶片(3)。

2.根据权利要求1所述的多燃料发动机，其特征在于所述的燃烧室包括开口于加热室(7)内腔中的燃料喷嘴(8)以及空气喷孔(9)，燃料喷嘴(8)通过管路与燃料储罐(22)连通，空气喷孔(9)通过管路与压缩空气储罐(24)连通，燃料喷嘴(8)外周设有同轴配合的内配气套(10)及外配气套(11)，内配气套(10)及外配气套(11)表面设有开孔(12)，在驱动装置(13)作用下使内配气套(10)、外配气套(11)产生相对转动以调整开孔(12)的开口量，在内配气套(10)及外配气套(11)的物料输出端口外侧设有点火装置(14)。

3.根据权利要求1所述的多燃料发动机，其特征在于第一级涡轮(32)的气流出口以及第二级涡轮(33)的气流入口与相邻的中间连接体(34)上的涵道(6)两端的开口方向适配。

4.根据权利要求1所述的多燃料发动机，其特征在于还包括工质增效装置，该装置包括连接于燃烧室的物料出口与涡轮喷孔(16)之间的输送管(17)，设置于输送管(17)外部的加热元件(18)。

5.根据权利要求4所述的多燃料发动机，其特征在于所述的输送管(17)选用螺旋盘管，所述的加热元件(18)选用电感加热线圈。

6.根据权利要求1所述的多燃料发动机，其特征在于所述的涡轮机的排气端连通涡轮回旋腔(19)，在涡轮回旋腔(19)中设有燃烧气氛传感器(20)。

7.根据权利要求4或5所述的多燃料发动机，其特征在于燃料预热管(21)连通燃料喷嘴(8)与燃料储罐(22)，空气预热管(23)连通空气喷孔(9)与压缩空气储罐(24)，燃料预热管(21)及空气预热管(23)的中部设于盘管状输送管(17)所形成的空腔中。

8.根据权利要求1、2或4所述的多燃料发动机，其特征在于所述的燃烧室、工质增效装置外侧设有保温壳(25)。

9.根据权利要求6所述的多燃料发动机，其特征在于涡轮回旋腔(19)的物料出口经涡轮增压器及消音器后排空，涡轮增压器对外部进入的空气预压缩并将其输送至空气压缩机(27)二次压缩，二次压缩后的空气输送至压缩空气储罐(24)内。

10.根据权利要求7所述的多燃料发动机，其特征在于燃料储罐(22)上设有燃料调控阀(27)及燃料识别传感器(28)，压缩空气储罐(24)上设有压气调控阀(29)及压力传感器(30)；燃料储罐(22)和压缩空气储罐(24)之间设有压力调节阀(35)。

11.根据权利要求2、6、9、10中任一项所述的多燃料发动机，其特征在于燃烧气氛传感器(20)、燃料识别传感器(28)、压力传感器(30)将信号传递至控制系统(31)，驱动装置(13)、加热元件(18)、涡轮增压器、空气压缩机(26)、燃料调控阀(27)、压气调控阀(29)、压力调节阀(35)由控制系统(31)发出的动作指令进行控制。