CN111963314B - 一种吸水增程节能减排绿色航空发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种吸水增程节能减排绿色航空发动机，在原有喷气发动机结构基础上增加了吸水储水装置，该装置由吸水进气口、主储水箱、导热片、树脂焚烧通道、储水箱压水传动杆、尾喷水口输水导管、尾部蒸发水箱、尾喷水口、机身至发动机水仓连接口以及加热片漏水口组成。利用高性能吸水材料在高空大气层中吸收水分，注入燃烧室，参与提高喷气式发动机的推力。吸水材料中的水分在燃烧室中吸热蒸发成水蒸气，这一过程消耗了部分热能，实现降温保护。同时涵道内流动工质的整体温度被降低，喷气尾焰温度也随之降低，减少热能耗散。本发明不仅可以运用在飞机上，还可用于火箭发射初期阶段，鱼雷潜行，及其他陆地飞行器大气层内的推进，具有广泛应用潜力。
Description
技术领域
本发明属于能源动力及航空航天领域，涉及一种吸水增程节能减排绿色航空发动机。
背景技术
喷气发动机是一种通过喷气产生推力的反作用式发动机。广义上的喷气发动机包括火箭发动机和空气喷气发动机。火箭发动机的燃料和氧化剂均由飞行器携带，以燃料种类分为固体燃料火箭发动机和液体燃料火箭发动机,特点是能在大气层外工作；空气喷气发动机不自带氧化剂而从大气中吸取空气作为氧化剂，包括冲压发动机、脉冲发动机、涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机等。
对于喷气式航空发动机，其基本原理为牛顿第三定律，该定律表述为：“作用在一物体上的每一个力都有一方向相反大小相等的反作用力。”就飞机推进而言，“物体”是通过发动机时受到加速的空气。产生这一加速度所需的力，必然有一大小相等方向相反的反作用力作用在发动机上，此即为飞机飞行的推进力。喷气发动机用类似于螺旋桨/发动机组合的方式产生推力。二者均靠短时间内将大量气体向后推来实现飞机的推进，前者是以比较低速的大量空气滑流的形式，而后者是以极高速的燃气喷气流形式。根据动量定理，可估算发动机的推力为：
F＝Woco-Wici
其中Wi为被吸入发动机的空气质量流量(Kg/s),ci为进气流速(m/s),Wo为排出发动机的燃气质量流量(Kg/s),co为燃气喷出流速(m/s)。由上面公式可知，燃气的质量流量以及燃气喷出的流速越大，发动机的动力越足。
涡轮喷气发动机具有加速快、设计简便等优点，是较早实用化的喷气发动机类型。但如果要让涡喷发动机提高推力，则必须增加燃气在涡轮前的温度和增压比，这将会使排气速度增加而损失更多动能，于是产生了提高推力和降低油耗的矛盾。而涡喷发动机油耗大，对于商业民航机来说是个致命弱点。
由于飞机自身携带燃料量有限，飞行距离便受到限制。现有的解决措施有两种，一是设计携带燃料量更大的飞机，二是实行空中加油。现代化的空中加油作业多用于军用战斗机，需要飞行员正确且细心的操作，以及加油机与受油机的配合协调，才能安全完成加油任务。安全可靠且高效地增加飞行航程手段仍在探索中。
此外，喷气式发动机高温尾气排放不仅意味着能量的浪费，对发动机本身的耐热性也产生了极大的挑战。一些喷气式发动机采用航空燃油降温，必然导致燃油的浪费，这也限制了飞机的性能和飞行里程。
同时，航空燃料燃烧生成的温室气体如二氧化碳等，会造成温室效应，影响人类生存环境，少量的含硫含氮气体还会导致环境污染。
大气层中除了含有氮气、氧气等空气主要成分外，还含有水分，云层中的水分储存量巨大。氮气的物理化学性质相对稳定，不活泼。氧气是常见的氧化剂，可以参与燃烧反应。水作为一种常见物质，相变潜热大，具有很好的利用价值。如果将空气中尤其是云层中的水分收集起来对喷气式发动机加以利用，对增加发动机推力，降低排放尾气温度以及减少温室气体排放有着极大的潜力。
综上所述，提高推力，增加飞行里程而尽可能不增加油耗，减小能源浪费和有害气体排放，是研发新型喷气式发动机，提升现有发动机工作效能的关键所在。
发明内容
本发明的目的是改进喷气发动机油耗大、飞行航程短、燃料利用率低、尾气排放温度高等缺陷，提出一种吸水增程节能减排绿色航空发动机。该航空发动机利用高吸水材料，在高空大气层中吸收水分(例如云层中的大量水分)，并将其注入燃烧室进行换热，既起到降温保护作用，又参与提升喷气式发动机气体质量流量，提高发动机的推力。本发明将有利于将水作为动力原料，实现空中补水替代空中加油，并进一步减少喷出气体的能量耗散，实现飞行航程增加，同时减少温室气体和有害气体的排放。本发明所提出的吸水增程节能减排绿色航空发动机，可突破从地面携带航空燃料的传统方式，同时还能避免尾焰高温弊端。
为实现上述功能，本发明采用的技术方案如下：一种吸水增程节能减排绿色航空发动机，由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾气喷口以及吸水储水装置组成，进气道位于发动机的头部，进气道后部为压气系统的压气机，压气机与燃烧室相连，燃烧室的末端与涡轮前端相连，涡轮的后方为尾气喷口。主进气道为空气进入发动机的通道，航空器运行时和大气层中的空气形成对流，使空气可以顺利由进气口进入主进气道。压气系统为发动机对空气的预处理系统，将空气经过加压，形成高温高压气体，此时的气体温度约为450℃，压力约为35bar。燃烧室为航空燃料、水动力原料及吸水材料燃烧的场所，空气中氧气作为氧化剂，反应后航空燃料的化学能转化为气体的热能，吸水材料中的水转化为水蒸气，此时燃烧室内温度约为1600-1800℃左右。在原有喷气式发动机的基础上，本发明在原有喷气发动机结构基础上增加了吸水储水装置，该装置由吸水进气口、主储水箱、导热片、树脂焚烧通道、储水箱压水传动杆、尾喷水口输水导管、尾部蒸发水箱、尾喷水口、机身至发动机水仓连接口以及加热片漏水口组成。吸水进气口位于发动机头部的主进气道的周围。吸水进气口之后设置主储水箱，主储水箱中存放吸水材料。主储水箱靠近发动机主轴一侧设有导热片，用于主储水箱与燃烧室之间的热量传递。主储水箱与燃烧室之间设有树脂焚烧通道，该通道使主储水箱中的吸水后的高吸水性树脂进入燃烧室。主储水箱后侧有一储水箱压水传动杆，用来将主储水箱中产生的水蒸气导入尾喷水口输水导管。尾喷水口输水导管连接尾部蒸发水箱，尾部蒸发水箱末端为尾喷水口。
本发明通过飞行器与空中水分的对流，将水分引入吸水室，利用吸水室内的高吸水性树脂(Super Absorbent Polymer简称SAP)、氧化钙以及碳化钙等吸水材料，将水吸附后储存。将吸收水分的吸水材料通入燃烧室中，与燃料室内的航空燃料共同作用。含水的SAP等补充材料进入燃烧室后，其水分受高温蒸发而脱离出来，在燃烧室中形成的混合气体有一定幅度的降温保护作用，减缓了现有发动机燃烧气体温度过高对燃烧室壁和后段涡轮叶片产生的热损害。同时，吸水材料中的水分在燃烧室内高温高压下形成携带能量的水蒸气，增加了气体质量流量，流经涡轮时将热能转化为动能，进一步推动涡轮旋转，为发动机提供推力。
对于氧化钙吸水的喷气式发动机，氧化钙与水反应生成氢氧化钙，氢氧化钙被发动机排出后，温度不高的条件下可以吸收低温尾焰中的二氧化碳生成碳酸钙，凝结在空气中降落，实现绿色排放。
为了保证SAP等吸水剂的多次循环利用，可采取吸水材料不进入燃烧室的设计。大气中的水分经过吸水仓进气口进入主吸水仓后，被主吸水仓内的SAP吸收。在压力推杆的作用下，吸水后的树脂进入升温吸水仓，在燃烧室和吸水仓之间设置一个耐高温的导热片，通过导热片，可将燃烧室内产生的多余热量传递给升温吸水仓内的吸水材料，使得吸收的水分蒸发，作为喷气式发动机的动力原料。
为使发动机结构简单，便于制造，可将吸水储水器设置在发动机外，如设置在机身、机翼等位置。此种情况下，既可以保持涡喷发动机结构简单的优点，又可增大吸水储水装置的吸水储水能力(使吸水储水装置的大小不再受发动机大小限制。
本发明一种吸水增程节能减排绿色航空发动机，其优点和作用为：
(1)实现航空发动机空中补充动力原料。本发明一种吸水增程节能减排绿色航空发动机，利用高吸水树脂以及氧化钙等高性能吸水材料，在高空大气层中吸收水分(例如云层中的大量水分)，注入燃烧室，参与提高喷气式发动机的推力。
(2)实现降温保护以及减少尾焰能源浪费。本发明一种吸水增程节能减排绿色航空发动机，吸水材料中的水分在燃烧室中吸热蒸发成水蒸气，这一过程消耗了部分热能，实现降温保护。同时涵道内流动工质的整体温度被降低，因此喷气尾焰温度也随之降低，减少热能耗散。
(3)应用领域广泛。本发明中的吸水增程节能减排绿色航空发动机以水作为动力原料，不仅可以运用在飞机上，还可用于火箭发射初期阶段，鱼雷潜行，以及其他陆地飞行器大气层内的推进，具有广泛应用潜力。。
附图说明
图1是本发明一种吸水增程节能减排绿色航空发动机的结构图。
图2是本发明一种吸水增程节能减排绿色航空发动机的轴测图。
图3是具体实施例二的发动机的结构图，高吸水树脂不进入燃烧室。
图4是本发明一种吸水增程节能减排绿色航空发动机的第三实施例。
图中：1-进气道，2-压气机，3-燃烧室，4-涡轮，5-尾气喷口，6-1-吸水进气口，6-2-主储水箱，6-3-导热片，6-4-树脂焚烧通道，6-5-储水箱压水传动杆，6-6-尾喷水口输水导管，6-7-尾部蒸发水箱，6-8-尾喷水口，6-9-机身至发动机水仓连接口，6-10-机身吸水进气口，6-11-加热片漏水口，6-12-机身储水箱，6-13-外置导热片，7-发动机主体。
具体实施方式
本发明提出一种吸水增程节能减排绿色航空发动机，由进气道1、压气机2、燃烧室3、涡轮4、尾气喷口5以及吸水储水装置组成，其中进气道1、压气系统2、燃烧室3、涡轮4、尾气喷口5为涡喷发动机的原有装置，其位置关系为进气道1位于发动机的头部，进气道1后部为压气系统的压气机2，压气机2与燃烧室3相连，燃烧室3的末端与涡轮4前端相连，涡轮4的后方为尾气喷口5。主进气道1为空气进入发动机的通道，航空器运行时和大气层中的空气形成对流，使空气可以顺利由进气口进入主进气道1。压气系统2为发动机对空气的预处理系统，将空气经过加压，形成高温高压气体，此时的气体温度约为450℃，压力约为35bar。燃烧室3为航空燃料、水动力原料及吸水材料燃烧的场所，空气中氧气作为氧化剂，反应后航空燃料的化学能转化为气体的热能，吸水材料中的水转化为水蒸气，此时燃烧室内温度约为1600-1800℃左右。
本发明在原有喷气式发动机的基础上，增加了吸水储水装置，该装置由吸水进气口6-1、主储水箱6-2、导热片6-3、树脂焚烧通道6-4、储水箱压水传动杆6-5、尾喷水口输水导管6-6、尾部蒸发水箱6-7、尾喷水口6-8、机身至发动机水仓连接口6-9以及加热片漏水口6-10组成。吸水进气口6-1位于发动机头部，位于主进气道1的周围。吸水进气口6-1之后设置主储水箱6-2，主储水箱6-2中存放高吸水材料。主储水箱6-2靠近发动机主轴一侧设有导热片6-3，用于主储水箱6-2与燃烧室3之间的热量传递。主储水箱6-2与燃烧室3之间设有树脂焚烧通道6-4，该通道使主储水箱6-2中的SAP进入燃烧室3。主储水箱6-2后侧有一储水箱压水传动杆6-5，用来将主储水箱6-2中产生的水蒸气导入尾喷水口输水导管6-6。尾喷水口输水导管6-6连接尾部蒸发水箱6-7，尾部蒸发水箱6-7末端为尾喷水口6-8。
SAP、氧化钙以及碳化钙等吸水材料为吸水剂。
如图1，2所示，以SAP作为吸水材料，一种吸水增程节能减排绿色航空发动机的具体实施例为：飞行器在空中飞行时与空气形成对流，空气从主进气道1进入发动机，经过压气系统2的逐级压缩后形成高温高压空气，流入燃烧室3。吸水储水装置的主储水箱6-2中含有SAP，大气中的水蒸气经过吸水仓进气口6-1进入主储水箱6-2后，被主储水箱6-2内的SAP吸收，吸水后SAP可由树脂焚烧通道6-4送入燃烧室3。由于燃烧室3中燃料燃烧后的温度过高，有很大一部分能热量不能完全转化为动能为发动机提供动力，同时过高的温度可能导致涡轮4叶片难以承受，造成设备失效，树脂焚烧通道6-4送入燃烧室3的SAP和水分可起到降温作用。SAP在燃烧室6中经上千度的高温完全分解，而水分完全变为高温高压蒸汽，随着从主进气道1进入发动机的未发生燃烧反应的剩余空气，一起流入涡轮4前段。含有大量水蒸气的高温高压蒸汽推动涡轮4转动，实现热能向机械能的转换。做功后的气体从涡轮4后段流出，最终由尾气喷管5喷出，对航空器实现反推。此实施方式下，空气中的水分作为喷气发动机除航空燃料外的另一种动力原料，被直接送入燃烧室3，对发动机的涵道进行整体降温，尤其是涡轮4处的温度以及尾气喷管5喷出尾气的温度，减少热能损失。同时水分在经过燃烧室3和涡轮4时，可将自身的相变潜热转化为动能，为发动机提供推力，最终实现发动机的增程。
如图3所示，以SAP作为吸水材料，一种吸水增程减能减排绿色航空发动机的具体实施例二为：飞行器在空中飞行时与空气形成对流，空气从主进气道1进入发动机，经过压气系统2的逐级压缩后形成高温高压空气，流入燃烧室3。吸水储水系统中含有SAP，大气中的水分经过吸水仓进气口6-1进入主储水箱6-2后，被主储水箱6-2内的SAP吸收。主储水箱6-2后侧设有导热片6-3，作为燃烧室3与主储水箱6-2的传热元件。燃烧室3中的部分热量通过导热片6-3传递给主储水箱6-2中吸水后的SAP，使SAP中的水分被蒸发出来。在储水箱压水传动杆6-5的作用下，水分经过尾喷水口输水导管6-6进入尾部蒸发水箱6-7，二次蒸发后由尾喷水口6-8排出。同时，水蒸气在尾部蒸发水箱6-7中与从涡轮4流出的空气进行进一步热交换，将部分热量转化为动能，对尾气喷管5喷出的气体降温。发动机在主进气道1、压气机2、燃烧室3、涡轮4、尾气喷口5的实施方式与实施例一相同，该方案中省去树脂焚烧通道6-4，即高吸水树脂不经过树脂焚烧通道6-4进入燃烧室3，高吸水树脂不参与燃烧，用于反复吸水。
如图4所示，本发明一种吸水增程节能减排绿色航空发动机的第三实施例，除将吸水储水装置设置在喷气式发动机内部之外，还可将吸水储水装置设置在机身或机翼等位置，以增大装置的吸水面积。吸水储水装置可设置导管连接至发动机燃烧室3处，工作过程与之前所述两种实施例类似。本实施例通过在机身吸水进气口6-10，以获得空气中更多的水分进行发动机增效。机身储水箱6-12充满吸水材料。飞机飞行时，大量气流从机身流过，其中的水分会通过机身吸水进气口6-10吸入机身储水箱6-12。机身储水箱6-12下方有一个从尾喷管引出的外置导热片6-13，用以将机身储水箱6-12下方的吸满水的吸水材料加热，分离水分。水分从加热片漏水口6-11流下，通过机身至发动机水仓连接口6-9流入吸水增程发动机前方的储水箱6-2，接下来的工作同先前实施例。通过本方案，可以解决仅仅靠进气道空气水分不充足的缺点。机身吸水进气口6-10有膜，防止树脂外泄，减轻开孔对飞机外表流线的影响，还可以有控制地吸取水分，通过对飞机总载荷的实时监测和控制，使飞机飞行效率尽最大可能的提升。本发明一种吸水增程节能减排绿色航空发动机，除使用SAP作为吸水材料外，还可使用氧化钙、碳化钙等作为吸水剂。氧化钙吸水后与水发生反应后生成氢氧化钙，并放出热量。碳化钙吸水后生成乙炔，并放出热量，生成的含能气体可成为反推发动机的动力源。
本发明一种吸水增程节能减排绿色航空发动机，除使用在飞机中，还可使用在火箭发射初期在大气层内的推进阶段，以及鱼雷等其他海面或陆地推进装置中。
Claims (2)
1.一种吸水增程节能减排绿色航空发动机，其特征在于：由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾气喷口以及吸水储水装置组成，进气道位于发动机的头部，进气道后部为压气系统的压气机，压气机与燃烧室相连，燃烧室的末端与涡轮前端相连，涡轮的后方为尾气喷口；主进气道为空气进入发动机的通道，航空器运行时和大气层中的空气形成对流，使空气可以顺利由进气口进入主进气道；压气系统为发动机对空气的预处理系统，将空气经过加压，形成高温高压气体；燃烧室为航空燃料、水动力原料及吸水材料燃烧的场所，空气中氧气作为氧化剂，反应后航空燃料的化学能转化为气体的热能，吸水材料中的水转化为水蒸气；吸水储水装置由吸水进气口、主储水箱、导热片、树脂焚烧通道、储水箱压水传动杆、尾喷水口输水导管、尾部蒸发水箱、尾喷水口、机身至发动机水仓连接口以及加热片漏水口组成，吸水进气口位于发动机头部的主进气道的周围，吸水进气口之后设置主储水箱，主储水箱中存放吸水材料，主储水箱靠近发动机主轴一侧设有导热片，主储水箱与燃烧室之间设有树脂焚烧通道，主储水箱后侧有一储水箱压水传动杆，用来将主储水箱中产生的水蒸气导入尾喷水口输水导管，尾喷水口输水导管连接尾部蒸发水箱，尾部蒸发水箱末端为尾喷水口；将吸水储水器设置在发动机外，吸水储水装置可设置导管连接至发动机燃烧室处，在机身吸水进气口，以获得空气中更多的水分进行发动机增效，机身储水箱充满吸水材料，大量气流从机身流过，其中的水分会通过机身吸水进气口吸入机身储水箱，机身储水箱下方有一个从尾喷管引出的外置导热片，用以将机身储水箱下方的吸满水的吸水材料加热，分离水分；水分从加热片漏水口流下，通过机身至发动机水仓连接口流入吸水增程发动机前方的储水箱；机身吸水进气口设置有膜。
2.根据权利要求1所述的一种吸水增程节能减排绿色航空发动机，其特征在于：吸水材料为高吸水性树脂、氧化钙或碳化钙。
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