CN109322760A - 脉冲燃烧模式的燃气涡轮发动机及其燃料燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空发动机及燃气轮机技术领域，公开一种脉冲燃烧模式的燃气涡轮发动机及其燃料燃烧方法，燃料在燃烧室内以脉冲燃烧的方式进行，燃料和从压气机气流出口进入燃烧室内的气体混合爆燃产生高压使压气机气流出口短暂封闭。燃气涡轮发动机包括顺次连接的进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管，涡轮包括涡轮导向器，燃烧室内绕燃气涡轮发动机轴等半径均布多根脉冲燃烧管，脉冲燃烧管一端与压气机气流出口相接并在相接处设单向阀门、另一端可将燃气过渡至涡轮导向器，燃烧室内设气动雾化燃料喷嘴供燃料送入。本燃料燃烧方法通过使压气机气流出口瞬时关闭实现近似等容燃烧，上游空气压力对燃烧无影响，能有效提高燃气涡轮发动机的热循环效率。

Description

脉冲燃烧模式的燃气涡轮发动机及其燃料燃烧方法

技术领域

本发明涉及航空发动机及燃气轮机技术领域，具体地，涉及一种脉冲燃烧模式的燃气涡轮发动机及其燃料燃烧方法。

背景技术

传统的航空燃气涡轮发动机及燃气轮机的工作原理采用的是布雷顿（Brayton）气动热力循环（原理见说明书附图1、附图2所示气动热力循环），通过燃烧燃料将热能转换成动能的机械。

现在应用于各类飞机的航空燃气涡轮发动机有涡轮风扇发动机、涡轮喷气发动机、涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机等。组成这些燃气涡轮发动机的部件和系统主要有：进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管等部件单元，以及燃油控制、滑油润滑、电气、空气等系统。

经过几十年的发展，上述的航空燃气涡轮发动机技术日臻完善，发动机结构也越来越复杂，技术指标越来越先进，产品价格也越来越昂贵！在全部的动力机械装置领域中，它们的市场价值占到70%以上，航空燃气涡轮发动机更是占到了95%以上，远远超过活塞发动机的应用。

脉冲燃烧发动机相对航空燃气涡轮发动机而言，它的结构非常简单，前面只有进气道，中间有空气流动单向阀门，燃油供油管，燃烧室（燃烧管），后面是尾喷管。脉冲燃烧发动机的工作原理是在单向阀门关闭情况下，燃料喷到相对封闭的燃烧管内燃烧，产生高温高压燃气后加速喷出尾喷管而产生喷气推力（如果增加一级涡轮则是输出轴功率），一次燃烧完成及燃气喷出后，燃烧管内由于燃气惯性作用而产生负压，单向阀门立即自动打开吸入新的空气，为第二次脉冲燃烧做准备，循环往复。脉冲燃烧发动机的脉冲燃烧方式是一种非定常燃烧，燃烧室中的压力、温度、燃烧产物及组分浓度等参数高频变化，脉冲燃烧发动机只产生喷气推力。脉冲燃烧发动机的最成功应用是二战期间，作为德军发明的V-1飞弹的动力，共计生产了1万多件。

然而无论是哪种类型发动机，都存在各自的缺点，如小型航空燃气涡轮发动机的缺点是：结构复杂，重量大，价格昂贵，与同量级的其他发动机相比性价比不高；传统的脉冲燃烧发动机，虽然结构简单、成本低廉，但耗油率高、振动大、使用寿命短，现在基本缺乏市场；现在的活塞发动机虽单位功率耗油率低，但其体积大，重量大，结构复杂，环境适应性有限。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种可实现近似等容燃烧的燃气涡轮发动机燃料燃烧方法。

本发明同时还提供一种结构简单轻便、成本低、使用寿命长、工作性能可靠的燃气涡轮发动机。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种燃气涡轮发动机的燃料燃烧方法，燃料在燃烧室内以脉冲燃烧的方式进行，燃料和从压气机气流出口进入燃烧室内的气体混合爆燃产生的高压可使压气机气流出口短暂封闭。

进一步地，压气机气流出口的短暂封闭由单向阀门来执行。

一种脉冲燃烧模式的燃气涡轮发动机，包括顺次连接的进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管，涡轮包括涡轮转子和涡轮导向器，燃烧室内绕燃气涡轮发动机轴等半径均布有多根脉冲燃烧管，脉冲燃烧管第一端部与压气机气流出口相接并在相接处设有单向阀门，脉冲燃烧管第二端部可顺利将燃烧产生的燃气过渡至涡轮导向器，燃烧室内设有燃料喷嘴供燃料送入。

进一步地，单向阀门包括阀筒和阀体，阀筒内设有与阀体相互作用产生预紧力来顶开阀体的弹簧，单向阀门用于导通气流。

更进一步地，燃料喷嘴从单向阀门的阀筒和阀体中心贯穿。

进一步地，多根脉冲燃烧管第二端部处接有一环形腔，环形腔与涡轮导向器密封连通以使从多根脉冲燃烧管中流出的燃气汇到环形腔后流向涡轮导向器进口。

进一步地，环形腔与涡轮导向器在连接处设有振动阻尼结构。

进一步地，尾喷管末端呈锯齿形结构。

更进一步地，锯齿形结构的齿部角为50°～70°。

进一步地，脉冲燃烧管内壁采用耐高温陶瓷材料制作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）本燃气涡轮发动机的燃料燃烧方法借鉴了脉冲燃烧的优点，通过燃料与气体燃烧产生的高压燃气来使压气机气流出口短暂关闭从而实现近似等容燃烧，一来可提高燃烧效率，据相关数据统计，至少可节约燃料20%以上，二来则避免了传统燃气涡轮发动机进行连续性的等压燃烧时对上游空气稳定性要求高的缺陷，进而提高燃料在脉冲燃烧室中的利用率，同时提高燃气涡轮发动机的热循环效率；

2）本燃气涡轮发动机将现有的航空燃气涡轮发动机和脉冲燃烧发动机进行有效结合改进，充分利用脉冲燃烧的爆震特性，使脉冲燃烧管内产生高压来推动单向阀门关闭，使脉冲燃烧管内燃料进行近似等容燃烧，产生的燃气向后高效冲击涡轮做功，工作可靠性高；

3）燃料喷嘴设置为贯穿单向阀门，可满足燃料和气流被同时送入脉冲燃烧管，达到快速均匀混合的目的，使燃料能燃烧充分；

4）环形腔的设置可使多个脉冲燃烧管中流出的燃气先汇入到环形腔再进入涡轮导向器，环形腔可对各脉冲燃烧管汇入的燃气产生稳压作用；

5）振动阻尼结构可充分吸收脉冲燃烧管、环形腔与涡轮导向器连接处的振动（也即脉冲燃烧管与涡轮导向器连接处的振动），防止该处的振动对发动机结构产生危害，同时也能减少由此产生的噪音；

6）尾喷管末端采用的锯齿形结构设计可在燃气涡轮发动机工作时充分降噪，进一步提升其环境适应性；

7）脉冲燃烧管内壁采用耐高温陶瓷材料制作，其可耐高温达2000℃以上，可确保燃料高温燃烧时不烧蚀零件，且燃烧过程产生的高温不会辐射至整个燃烧室内；

8）本燃气涡轮发动机结构、重量和成本均优于现有技术的航空燃气涡轮发动机，体积、重量和环境适应性均优于活塞发动机，同时耗油率、振动、噪音和使用寿命又好于纯脉冲发动机，综合来说，本发明的燃气涡轮发动机可靠性更好、性价比更高，具有强大的市场竞争力。

附图说明

图1为传统燃气涡轮发动机气动热力循环的理想循环P-V图；

图2为传统燃气涡轮发动机气动热力循环的理想循环T-S图；

图3为实施例2所述的脉冲燃烧模式的燃气涡轮发动机的内部结构图示；

图4为图3中I部分放大图；

图5为环形腔的侧面结构示意图；

图6为实施例2所述的脉冲燃烧模式的燃气涡轮发动机气动热力循环的理想循环P-V图；

图7为实施例2所述的脉冲燃烧模式的燃气涡轮发动机气动热力循环的理想循环T-S图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

一种燃气涡轮发动机的燃料燃烧方法，燃料在燃烧室内以脉冲燃烧的方式进行，燃料和从压气机气流出口进入燃烧室内的气体混合爆燃产生的高压可使压气机气流出口短暂封闭，一次脉冲燃烧完成后，燃烧室内形成负压，导致压气机出口气流导通，准备第二次燃烧（脉冲燃烧方式更具体地见实施例2中相关描述）。

当压气机气流出口关闭后，燃料和气流在燃烧室内呈近似等容燃烧状态，颠覆了传统的燃气涡轮发动机连续近等压燃烧理念，本发明的近似等容燃烧对上游空气压力和稳定性要求不高，如此循环往复，可充分提高燃气涡轮发动机的热循环效率。

具体地，压气机气流出口的短暂封闭由单向阀门来执行，单向阀门结构简单、响应迅速、性能可靠，由单向阀门来对压气机气流出口进行控制，可确保燃烧室内脉冲燃烧过程顺利且充分进行。

实施例2

如图3所示，提供一种采用如实施例1所述方法的脉冲燃烧模式的燃气涡轮发动机，其包括顺次连接的进气道1、压气机2、燃烧室3、涡轮4和尾喷管5，涡轮4包括涡轮导向器41和涡轮转子42，燃烧室3内绕燃气涡轮发动机轴6等半径地均布有多根脉冲燃烧管31，脉冲燃烧管31第一端部与压气机气流出口21相接并在相接处设有单向阀门7，脉冲燃烧管31第二端部可顺利将燃烧产生的燃气导引至涡轮导向器41，燃烧室3内设有燃料喷嘴8供燃料送入。

本实施例主要针对小型的脉冲燃烧模式的燃气涡轮发动机，即推力在1500kg以下或输出轴功率在2MW以下的燃气涡轮发动机，以取代同功率级的航空燃气涡轮发动机、地面燃气轮机和活塞发动机等。

其中，压气机2、涡轮4的级数需要根据输出功率或喷气推力的大小来确定。

本实施例的进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管等部件均按照单元体结构形式设计，各部件单元体之间的连接采用发动机机匣端面安装边的设计，如燃烧室内的脉冲燃烧管前端靠伸出的安装边固定至机匣安装边上，脉冲燃烧管后端相关结构则固定到涡轮导向器进口的安装边上。

本燃气涡轮发动机将现有的航空燃气涡轮发动机和脉冲燃烧发动机进行有效结合和改进，充分利用脉冲燃烧的爆震特性，使脉冲燃烧管内产生高压来推动单向阀门关闭，使脉冲燃烧管内燃料进行近似等容燃烧，产生的燃气向后高效冲击涡轮做功，工作可靠性好、效率高，且对上游空气稳定性和压力无过多要求。

具体地，如图4所示，单向阀门包括阀筒71和阀体72，阀筒71内设有与阀体72相互作用产生预紧力来顶开阀体的弹簧73。单向阀7可自由选择为弹簧结构呈静态时单向阀处于常开或常闭状态，本实施例的单向阀选择为弹簧73结构呈静态时单向阀处于常开状态，气流与燃料在脉冲燃烧管31中燃烧时将产生大量高温高压气体，从而推动阀体72与阀筒71紧密贴合使气流出口21关闭，保证了脉冲燃烧管31中的燃料燃烧后产生的高压高温燃气不会向前窜，同时可避免燃气反传带来的压气机喘振等危害。

更具体来说，随着燃气涡轮发动机工作的持续进行，单向阀门7是按照一定的频率来自动完成关闭和打开的，充分保障脉冲燃烧管内的燃料燃烧充分和燃烧顺利进行。

为使得进入脉冲燃烧管31的燃料和气流充分混合，实现后续燃烧的充分进行，本实施例优选气动雾化燃料喷嘴8设置为贯穿单向阀门的阀筒71和阀体72中心，如图4所示，当单向阀门7开启，气流得以从气流出口21处被输入至脉冲燃烧管31内，同时燃料喷嘴8也适时向脉冲燃烧管内喷出燃料（燃料喷嘴受发动机整体控制来适时喷射燃料），燃料喷嘴的出口与气流出口距离非常近，燃料与气流可迅速接触并混合均匀进而弥散在脉冲燃烧管中完成后续燃烧过程。

多根脉冲燃烧管31第二端部处整体连接到一环形腔9，图5示出了环形腔9的侧面图（图中的孔91与脉冲燃烧管31的第二端部结构联接，事实上，脉冲燃烧管并非完全呈圆柱形结构，而是一端呈圆柱形，另一端呈如本图中孔般的扇形结构），该环形腔9的另一端与涡轮导向器41密封连通以使从各根脉冲燃烧管中流出的燃气在环形腔内汇成环形后流向涡轮导向器进口。

具体地，各脉冲燃烧管中的脉冲燃烧过程不可能完全同步，时间有先有后，当然时间先后间隔非常短暂，但这个极短的时间差往往可能造成燃气冲击涡轮时压力不均，而环形腔正好可以弥补这一时间差缺陷，考虑到气体有可压缩性，因而各脉冲燃烧管中输出的燃气可在环形腔内充分稳压后再连续冲击涡轮。

众所周知，燃气涡轮发动机在工作时，相关部件的振动对发动机结构将产生巨大危害，本实施例在环形腔9与涡轮导向器41的连接处设有振动阻尼结构A，该振动阻尼器可充分吸收脉冲燃烧管31、环形腔9及涡轮4三者之间的结构振动，有效提高本燃气涡轮发动机的工作可靠性和寿命，同时其在减小振动的同时也辅助降低了噪声。

此外，本实施例的燃气涡轮发动机针对噪声处理这一问题创新性地将尾喷管5末端设计为锯齿形结构51，这一锯齿状设计可充分削减燃气涡轮发动机工作时的噪声水平。

锯齿形结构的齿部角为50°～70°，本实施例优选地为60°。

脉冲燃烧管31工作环境严苛，需要设计为耐高温抗振结构，本实施例的脉冲燃烧管为双层管，其中外管采用高温合金材料制作（可耐1100℃以上高温），内管（即燃烧管内壁）采用耐高温陶瓷材料制作（可耐2000℃以上高温），此外，即使万一内管产生裂纹，因有外管的存在，内管裂纹也不至于在燃烧室内发生崩裂。

本燃气涡轮发动机的工作原理为：当空气通过进气道1和压气机2完成第一次增压后，由气流出口21处进入燃烧室的脉冲燃烧管31内，与同时由燃料喷嘴8喷出的雾化状燃料混合后点火爆燃，产生极高温度和极高压力的燃气。由于燃气的高压作用，将推动单向阀门7关闭压气机气流出口21，燃气向后冲击涡轮4做功。做完一次功后，向后冲击的高速燃气由于惯性的作用，使得脉冲燃烧管31内腔形成负压，并导致单向阀门7开启，引入第二次进气，开始第二次燃烧过程，如此循环往复，此也即本文提出的脉冲燃烧。

图6和图7示出了本发明的燃气涡轮发动机的工作热力循环状态，据图示可知：a.在循环的0-1阶段：进气道、压气机中的近等熵增压；b.在循环的1-2阶段：压气机气流出口瞬间关闭后，燃烧室中的气流和燃料近似等容燃烧；c.在循环的2-3阶段：涡轮部件中的近似等熵膨胀做功；d.在循环的3-0阶段：燃气排到大气中。

在循环1-2阶段的近似等容燃烧相比于传统的燃气涡轮发动机具有非常大的优点，如图1和图2所示，传统的燃气涡轮发动机设计在循环1-2阶段近似为等压燃烧，空气从进气道至压气机增压然后进入燃烧室与燃料混合燃烧，整个过程是连续性的等压燃烧，它对上游的空气压力要求非常高。

现举50-300kW功率级发动机为例，本发明的燃气涡轮发动机与现有的燃气涡轮发动机、纯脉冲发动机和活塞发动机的各项性能指标对比如下表：

/	活塞发动机	纯脉冲发动机	本发明发动机	同功率级燃气涡轮轴发动机
					燃油消耗率（kg/kW.hr）	低，<0.2	高，>0.8	中，0.3	高，>0.35
质量	大	最轻	轻	中等
					结构复杂性	复杂	最简单	简单	复杂
价格	低	最低	中等	贵
					工作寿命	长	最短	较长	较长
操作维护性	较复杂	最简单	较简单	复杂
					振动	一般	最大	较小	一般
噪音	较大	最大	较小	大

从上表的相关对比可看出：本发明的燃气涡轮发动机的性能特点介于其他三种发动机之间，但结构比其他三者更简单，性价比最高，它能够均衡燃气涡轮发动机、脉冲发动机和活塞发动机之间的优缺点，市场前景光明。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机的燃料燃烧方法，其特征在于，燃料在燃烧室内以脉冲燃烧的方式进行，燃料和从压气机气流出口进入燃烧室内的气体混合爆燃产生的高压可使压气机气流出口短暂封闭。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机的燃料燃烧方法，其特征在于，压气机气流出口的短暂封闭由单向阀门来执行。

3.一种脉冲燃烧模式的燃气涡轮发动机，其特征在于，包括顺次连接的进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管，涡轮包括涡轮转子和涡轮导向器，燃烧室内绕燃气涡轮发动机轴等半径地均布有多根脉冲燃烧管，脉冲燃烧管第一端部与压气机气流出口相接并在相接处设有单向阀门，脉冲燃烧管第二端部可顺利将燃烧产生的燃气过渡至涡轮导向器，燃烧室内设有燃料喷嘴供燃料送入。

4.根据权利要求3所述的脉冲燃烧模式的燃气涡轮发动机，其特征在于，单向阀门包括阀筒和阀体，阀筒内设有与阀体相互作用产生预紧力来顶开阀体的弹簧。

5.根据权利要求4所述的脉冲燃烧模式的燃气涡轮发动机，其特征在于，燃料喷嘴从单向阀门的阀筒和阀体中心贯穿。

6.根据权利要求3所述的脉冲燃烧模式的燃气涡轮发动机，其特征在于，多根脉冲燃烧管第二端部处接有一环形腔，环形腔与涡轮导向器密封连通以使从多根脉冲燃烧管中流出的燃气汇成环形后流向涡轮导向器进口。

7.根据权利要求6所述的脉冲燃烧模式的燃气涡轮发动机，其特征在于，环形腔与涡轮导向器在连接处设有振动阻尼结构。

8.根据权利要求3所述的脉冲燃烧模式的燃气涡轮发动机，其特征在于，尾喷管末端呈锯齿形结构。

9.根据权利要求8所述的脉冲燃烧模式的燃气涡轮发动机，其特征在于，锯齿形结构的齿部角为50°～70°。

10.根据权利要求3所述的脉冲燃烧模式的燃气涡轮发动机，其特征在于，脉冲燃烧管内壁采用耐高温陶瓷材料制作。