CN112483258B - 一种水、气冷却自循环旋转爆震涡轮驱动装置 - Google Patents

一种水、气冷却自循环旋转爆震涡轮驱动装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水、气冷却自循环旋转爆震涡轮驱动装置，包括水冷却系统、空气冷却循环系统、旋转爆震燃烧室、掺混室、涡轮及执行机构。环形旋转爆震燃烧室的内、外壁沿轴向均匀分布有水流冷却管，由水泵向其供水，在冷却过程中水流被加热汽化并喷出，在掺混室与高温高压爆震燃烧产物混合，使其降温降压到合适的条件，驱动涡轮装置。在水流冷却管外沿轴向盘旋有空气冷却盘管，可进行二次冷却，其内加热后的热空气循环到集气室，再喷入到旋转爆震燃烧室与燃料混合燃烧，从而实现冷却空气加热后的自循环再利用。本发明采用水、气冷却旋转爆震燃气驱动涡轮，冷却空气加热后再循环利用，提高了能量利用效率，结构简化，节省燃料，安全可靠。

Description

一种水、气冷却自循环旋转爆震涡轮驱动装置
技术领域
本发明属于动力技术领域，具体为一种水、气冷却自循环旋转爆震涡轮驱动装置。
背景技术
目前大多数动力装置是通过燃料的等压燃烧，将化学能转化为燃气的热能，再用燃气驱动涡轮将热能转化为机械能输出，例如涡轮带动发电机发电等。这种传统的能量转化方式，效率比较低，相对成本较高，所用燃料燃烧后容易造成环境污染。因此，提出用接近于等容燃烧的爆震燃烧来代替传统的等压燃烧，具有效率高、结构简单、轻量化等优点。但在爆震燃烧室内会产生大量高温高压燃气，影响爆震燃烧动力系统安全可靠运行。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种水、气冷却自循环旋转爆震涡轮驱动装置。
实现本发明目的的技术方案为：一种水、气冷却自循环旋转爆震涡轮驱动装置，包括水冷却系统、空气冷却循环系统、旋转爆震燃烧室、掺混室、涡轮装置及执行机构以及燃料供应装置；所述水冷却系统沿旋转爆震燃烧室的内壁和外壁设置，用于通过液体循环对旋转爆震燃烧室进行降温，同时将降温时产生的水蒸气传送至掺混室；所述空气冷却循环系统用于对旋转爆震燃烧室进行二次气体降温，并同时将气体输送至旋转爆震燃烧室；所述掺混室设置于旋转爆震燃烧室的尾部，所述燃料供应装置用于向旋转爆震燃烧室提供燃料；所述用涡轮装置设置在掺混室尾部，所述执行机构与涡轮装置连接。
优选地，所述水冷却系统包括水流冷却管、水箱、水泵和供水管路，水流冷却管置于环形旋转爆震燃烧室的内、外壁，沿轴向圆周均匀分布，水流冷却管的一端与供水管路的一端相连接，供水管路、水泵和水箱依次连接，由水箱和水泵通过所连接的供水管路向水流冷却管提供冷却水，水流冷却管的另一端与掺混室连接。
优选地，所述空气冷却循环系统包括依次相接的风机、空气管路、空气冷却盘管、热空气导管、集气室，所述风机、空气管路、空气冷却盘管、热空气导管依次连接，所述空气冷却盘管螺旋缠绕于水流冷却管的外径上，所述集气室设置在旋转爆震燃烧室的头部。
优选地，所述旋转爆震燃烧室为由两个同心的不同直径圆柱筒所形成的环形圆柱燃烧室，所述旋转爆震燃烧室内前端设置有依次连接的进气道和喉管，所述进气道与集气室连接。
优选地，所述燃料供应装置通过燃料供应管路与设置在喉管下方的喷嘴连接，所述点火器设置于喷嘴的下游。
优选地，所述喷嘴设置在旋转爆震燃烧室内部前端，且沿圆周均匀分布。
优选地，所述集气室内设置有温度和压强监测装置，所述集气室与进气道的连接处设置有阀门，当集气室内温度和压强满足工作要求，阀门打开。
优选地，所述掺混室为扩散状喷管。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明采用水和空气双重冷却系统，冷却空气加热后再作为氧化剂被循环利用，省去了吸气式旋转爆震系统的加热压缩装置，简化了结构，冷却水加热汽化后与高温燃气掺混，使燃气温度适用于驱动涡轮；
(2)本发明提高了旋转爆震燃烧室在各种运行工况下的安全可靠性，并实现了能量的自循环高效综合利用。
附图说明
图1是一种水、气冷却自循环旋转爆震涡轮驱动装置的示意图。
图2是沿图1中A-A线切分后的右断面示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，一种水、气冷却自循环旋转爆震涡轮驱动装置，包括水冷却系统、空气冷却循环系统、旋转爆震燃烧室7、掺混室9、涡轮及执行机构以及燃料供应装置18；所述水冷却系统沿旋转爆震燃烧室7的内壁和外壁设置，用于通过液体循环对旋转爆震燃烧室7进行降温，同时将降温时产生的水蒸气传送至掺混室9；所述空气冷却循环系统用于对旋转爆震燃烧室进行二次气体降温，并同时将气体输送至旋转爆震燃烧室7；掺混室9设置于旋转爆震燃烧室7的尾部，所述燃料供应装置18用于向旋转爆震燃烧室7提供燃料；所述用涡轮装置设置在掺混室9尾部，所述执行机构与涡轮装置连接。
进一步的实施例中，所述水冷却系统包括水流冷却管15、水箱16、水泵17和供水管路，水流冷却管15置于环形旋转爆震燃烧室7的内、外壁，沿轴向圆周均匀分布，水流冷却管15的一端与供水管路的一端相连接，供水管路、水泵17和水箱16依次连接，由水箱16和水泵17通过所连接的供水管路向水流冷却管15提供冷却水，水流冷却管15的另一端与掺混室9连接，所喷出的蒸汽与旋转爆震燃烧室7产生的高温高压燃烧产物混合。
进一步的实施例中，所述空气冷却循环系统包括依次相接的风机13、空气管路14、空气冷却盘管12、热空气导管8、集气室1，所述风机、空气管路14、空气冷却盘管12、热空气导管8依次连接，所述空气冷却盘管12螺旋缠绕于水流冷却管15的外径上，所述集气室1设置在旋转爆震燃烧室7的头部。
进一步的实施例中，所述旋转爆震燃烧室7为由两个同心的不同直径圆柱筒所形成的环形圆柱燃烧室，所述旋转爆震燃烧室7内前端设置有依次连接的进气道3和喉管4，所述进气道3与集气室1连接。
所述旋转爆震燃烧室7的前端与集气室1连接，压缩热空气循环输入到旋转爆震燃烧室7入口，依次经过燃烧室前端的进气道3和喉管4，与喉管4偏下处的燃料喷嘴5喷出的燃料混合形成可燃混合气，由燃料喷嘴5下游的点火器6点火起爆，形成连续旋转爆震波并稳定自持传播，进而产生大量高温高压燃烧产物。
进一步的实施例中，所述燃料供应装置18通过燃料供应管路19与设置在喉管4下方的喷嘴5连接，所述点火器6设置于喷嘴5的下游。
进一步的实施例中，所述喷嘴5设置在旋转爆震燃烧室7内部前端，且沿圆周均匀分布。燃料质量流率、喷嘴5的个数可根据实际情况进行调整。
进一步的实施例中，所述集气室1内设置有温度和压强监测装置2，所述集气室1与进气道3的连接处设置有阀门，当集气室1内温度和压强满足工作要求，阀门打开。
进一步的实施例中，所述掺混室9为扩散状喷管。
本发明的工作过程为：
集气室1中的热空气通过控制装置2按照工况要求进入进气道3，进而经过环形喉管4后加速至超声速，在喉管4下方与燃料喷嘴5喷注的燃料混合形成可燃混合气。点火器6点火起爆可燃混合气，在旋转爆震燃烧室7内形成连续旋转爆震波，并实现稳定自持传播。爆震燃烧产物经旋转爆震燃烧室7出口排出到掺混室9中。
由于爆震燃烧会产生高温高压燃气，在环形爆震燃烧室7的内、外壁沿圆周均匀布置有轴向水流冷却管15，在环形爆震燃烧室7的外壁沿圆周均匀布置有48根轴向水流冷却管15，在环形爆震燃烧室7的内壁沿圆周均匀布置有36根轴向水流冷却管15，在冷却水经爆震燃烧室7的内、外壁加热汽化后，进入掺混室9与高温高压爆震燃烧产物掺混，使掺混室输出的气体温度和压强适用于驱动涡轮10，将高温高压燃烧产物的热能转化为涡轮10的机械能并使其旋转运动，进而对执行机构11做功。
在水流冷却管15外沿周向盘绕空气冷却盘管12，冷却空气除对旋转爆震燃烧室7进行二次冷却外，冷却空气经加热后通过热气管路8循环到集气室1，进而进入旋转爆震燃烧室(7)继续参与爆震燃烧，完成加热空气的自循环再利用，同时又省去空气加热装置，简化了整个装置的结构。
燃料供应装置18固定于旋转爆震燃烧室7的前端，沿端面圆周均匀分布燃料供应口，通过燃料供应管路19，由沿喉管圆周均匀分布的燃料喷嘴5向旋转爆震燃烧室7内喷入燃料，并可根据不同动力要求，可调节燃料质量流率和燃料供应管路数量。
本发明中，水流冷却管15除了用于冷却旋转爆震燃烧室7外，同时受热产生的蒸汽与旋转爆震燃烧所产生的高温高压燃烧产物掺混，起到减温减压的作用，使其工作条件更适合于驱动涡轮10。
本发明中，对于旋转爆震燃烧室7的冷却，除了有水流冷却管15外，在其外部还缠绕着空气冷却盘管12，采用水、气双冷却系统，使得冷却效果更好，有效地防止爆震火焰的回流。
本发明中，冷却空气经旋转爆震燃烧室7内、外壁加热后，循环输入到集气室1中，其所设置的控制装置2监控集气室1中气体的温度和压强，以保证满足工作要求的热空气输入到进气道3中，进而参与燃烧。
本发明中，冷却空气的加热、燃烧再循环，省去了吸气式旋转爆震中所采用的压气机，使结构更加简化、轻巧。

Claims (8)

1.一种水、气冷却自循环旋转爆震涡轮驱动装置，其特征在于，包括水冷却系统、空气冷却循环系统、旋转爆震燃烧室(7)、掺混室(9)、涡轮装置(10)及执行机构(11)以及燃料供应装置(18)；所述水冷却系统沿旋转爆震燃烧室(7)的内壁和外壁设置，用于通过液体循环对旋转爆震燃烧室(7)进行降温，同时将降温时产生的水蒸气传送至掺混室(9)；所述空气冷却循环系统用于对旋转爆震燃烧室进行二次气体降温，并同时将气体输送至旋转爆震燃烧室(7)；所述掺混室(9)设置于旋转爆震燃烧室(7)的尾部，所述燃料供应装置(18)用于向旋转爆震燃烧室(7)提供燃料；所述涡轮装置(10)设置在掺混室(9)尾部，所述执行机构(11)与涡轮装置(10)连接。
2.根据权利要求1所述的水、气冷却自循环旋转爆震涡轮驱动装置，其特征在于，所述水冷却系统包括水流冷却管(15)、水箱(16)、水泵(17)和供水管路，水流冷却管(15)置于环形旋转爆震燃烧室(7)的内、外壁，沿轴向圆周均匀分布，水流冷却管(15)的一端与供水管路的一端相连接，供水管路、水泵(17)和水箱(16)依次连接，由水箱(16)和水泵(17)通过所连接的供水管路向水流冷却管(15)提供冷却水，水流冷却管(15)的另一端与掺混室(9)连接。
3.根据权利要求2所述的水、气冷却自循环旋转爆震涡轮驱动装置，其特征在于，所述空气冷却循环系统包括依次相接的风机(13)、空气管路(14)、空气冷却盘管(12)、热空气导管(8)、集气室(1)，所述风机、空气管路(14)、空气冷却盘管(12)、热空气导管(8)依次连接，所述空气冷却盘管(12)螺旋缠绕于水流冷却管(15)的外径上，所述集气室(1)设置在旋转爆震燃烧室(7)的头部。
4.根据权利要求3所述的水、气冷却自循环旋转爆震涡轮驱动装置，其特征在于，所述旋转爆震燃烧室(7)为由两个同心的不同直径圆柱筒所形成的环形圆柱燃烧室，所述旋转爆震燃烧室(7)内前端设置有依次连接的进气道(3)和喉管(4)，所述进气道(3)与集气室(1)连接。
5.根据权利要求4所述的水、气冷却自循环旋转爆震涡轮驱动装置，其特征在于，所述燃料供应装置(18)通过燃料供应管路(19)与设置在喉管(4)下方的喷嘴(5)连接，所述点火器(6)设置于喷嘴(5)的下游。
6.根据权利要求5所述的水、气冷却自循环旋转爆震涡轮驱动装置，其特征在于，所述喷嘴(5)设置在旋转爆震燃烧室(7)内部前端，且沿圆周均匀分布。
7.根据权利要求4～6任一所述的水、气冷却自循环旋转爆震涡轮驱动装置，其特征在于，所述集气室(1)内设置有温度和压强监测装置(2)，所述集气室(1)与进气道(3)的连接处设置有阀门，当集气室(1)内温度和压强满足工作要求，阀门打开。
8.根据权利要求1～6任一所述的水、气冷却自循环旋转爆震涡轮驱动装置，其特征在于，所述掺混室(9)为扩散状喷管。
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