CN113202631A - 一种涡轮轴及涡轮螺旋桨发动机用补氧装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涡轮轴及涡轮螺旋桨发动机用补氧装置及其工作方法，喷射装置设置在发动机的进气口处，通过输氧管与补氧舱连接；喷射装置能够将补氧舱产生的氧气与水蒸气的混合气体喷入发动机进气道。本发明适用于高海拔地区军民用涡轮螺旋桨飞机及涡轮轴发动机驱动的直升机运行。
Description
技术领域
本发明属于飞行器动力工程技术领域，具体涉及一种涡轮轴及涡轮螺旋桨发动机用补氧装置及其工作方法。
背景技术
近年来，受制于空气稀薄的情况，高海拔地区直升机及运输机起降需要减载，未经过强化动力改装的直升机及运输机甚至无法进入高原地区飞行，造成运力损失及资源浪费。因此，迫切的需要提升发动机在高海拔地区动力性能。
高海拔地区空气稀薄且含氧量低，吸入发动机的空气无法使燃料完全燃烧，燃烧效率的降低导致发动机性能急剧衰减、推力明显减少。若能够对发动机进行人工补氧，则可以有效改善航空发动机在高原地区运行性能。
目前一般采用选装增大功率发动机的方式来适应高海拔地区飞行的需要，但是，航空发动机性能急剧衰减使这一方式仍存在大量减载，且大功率航空发动机的采购成本、维护成本及使用成本均十分高昂；因此一种新的适用于航空发动机的补氧方法将能够从根本上适应高海拔地区飞行的需要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种涡轮轴及涡轮螺旋桨发动机用补氧装置及其工作方法，解决目前两种发动机在高原地区运行性能降低、发动机推力减少的问题，适用于高海拔地区军民用涡轮螺旋桨飞机及涡轮轴发动机驱动的直升机运行。
本发明采用以下技术方案：
一种涡轮轴及涡轮螺旋桨发动机用补氧装置，包括喷射装置，喷射装置设置在发动机的进气口处，通过输氧管与补氧舱连接；喷射装置能够将补氧舱产生的氧气与水蒸气的混合气体喷入发动机进气道。
具体的，喷射装置为环形金属结构。
进一步的，喷射装置的内侧间隔设置有多个喷嘴。
具体的，补氧舱的内部设置有氧气泵，氧气泵的一端与输氧管连接，另一端经电压力泵与水箱连接。
进一步的，电压力泵与氧气泵之间设置有氧气发生器。
更进一步的，氧气发生器的内部设置有电加热装置。
进一步的，水箱内部设置有双氧水。
进一步的，水箱包括陶瓷内胆，陶瓷内胆的外部依次设置有减震保温层和金属外壳。
具体的，电压力泵内部为陶瓷芯结构。
本发明的另一技术方案是，一种涡轮轴及涡轮螺旋桨发动机用补氧装置的工作方法，包括以下步骤：
S1、补氧舱的内部的氧气泵一端与输氧管连接，另一端经氧气发生器和电压力泵与水箱连接，通过电压力泵将水箱中的双氧水注入氧气发生器；
S2、氧气发生器内的电加热装置将氧气发生器腔内温度加热并维持在187～190℃，通过步骤S1注入的双氧水发生化学反应生成氧气与水蒸气的混合气体；
S3、当氧气发生器腔内气压达到1200～1300百帕后，氧气泵启动，将步骤S2生成的氧气与水蒸气的混合气体通过输氧管加压1500～1700百帕输送到喷射装置；
S4、当步骤S3加压处理后的氧气与水蒸气的混合气体抵达喷射装置时，从喷射装置的喷嘴直接喷入发动机进气道，对氧气进行补偿。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种涡轮轴及涡轮螺旋桨发动机用补氧装置，由喷射装置、输氧管、氧气泵、氧气发生器、陶瓷芯电压力泵和双氧水箱组成，喷射装置用于向发动机进气道喷射由氧气发生器产生的氧气和水蒸气的混合气体、输氧管用于向喷射状指输送氧气和水蒸气的混合气体、氧气发生器用于长时间稳定的产生氧气和水蒸气的混合气体、陶瓷芯电压力泵用于将双氧水输送到氧气发生器、双氧水箱用于储存双氧水。
进一步的，喷射装置设置在发动机短舱外进气道口处，设计成环状能够在不影响发动机进气的情况下方便的使喷射的气体与外界进气一起被发动机吸收。
进一步的，喷射装置内侧设置多个喷嘴能够满足补氧气体与外界进气混合的需要，避免因进气氧含量不稳定造成发动机喘震。
进一步的，氧气泵的设置能够为喷射装置的提供必要的喷射压力，从而赋予补氧气体稳定的流向，避免补氧气体的逸散
进一步的，设置氧气发生器，将双氧水转化为氧气和水的混合气体的反应与双氧水箱隔离开，能提供稳定的双氧水转化反应，合理有效的利用该反应形成长时间稳定的可用补氧气体，避免双氧水箱内爆发性转化反应产生的超量氧气转换为危险的爆炸源。
进一步的，氧气发生器内部设置电加温装置能够提供持续的双氧水转化为氧气和水的混合气体的反应条件。
进一步的，使用双氧水箱存储足够量的双氧水能够为补氧装置提供可靠地氧原子来源，双氧水本身的稳定性和廉价性使整个装置经济可靠，避免了使用液体氧所必须维持的低温与高压条件，极大地简化了整个补氧装置。
进一步的，双氧水箱的陶瓷内胆能够有效避免双氧水对内胆的氧化；内胆外部设置的减震保温层能够保护陶瓷内胆不受外界冲击，也避免的外界气温，尤其是高空飞行时低温造成水箱内双氧水结冰的影响；金属外壳能够保护减震保温层，同事提供与航空器结合的紧箍条件。
进一步的，电压力泵用于抽取输送双氧水，陶瓷芯能有效避免双氧水对泵芯的氧化。
一种涡轮轴及涡轮螺旋桨发动机补氧方法，通过氧气发生器产生稳定的氧气与水蒸气的混合气体，经氧气泵加压后通过管路输送到位于发动机进气道口的喷射装置喷入进气道，与外界进气一起被发动机压气机压入燃烧室，从而完成补氧的目的
综上所述，本发明通过向涡轮螺旋桨和涡轮轴发动机进气道喷射氧气，直接补偿发动机压气机单位时间吸入的氧气总量，使发动机工作环境达到平原地区状态，从而消除高高原运行发动机功率损失，根本性的改善涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机驱动的航空器在高高原运行时的性能。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明中氧气喷射装置结构示意图；
图2为本发明中制氧舱内部结构示意图；
图3为补氧装置应用于涡轮轴发动机的工作原理图；
图4为补氧装置应用于涡轮螺旋桨发动机的工作原理图。
其中：1.喷射装置；2.输氧管；3.补氧舱；4.氧气发生器；5.水箱；6.电压力泵；7.氧气泵。
具体实施方式
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
请参阅图2，本发明一种涡轮轴及涡轮螺旋桨发动机用补氧装置，包括喷射装置1、输氧管2和补氧舱3，喷射装置1设置于发动机进气口处，通过输氧管2与补氧舱3连接；输氧管2用于将补氧舱产生的氧气与水蒸气混合气体输送至喷射装置，喷射装置1能够将氧气与水蒸气的混合气体喷入发动机进气道，直接补偿高原山地发动机压气机单位时间吸入的氧气总量，使发动机工作环境达到平原地区状态，消除高高原运行发动机功率损失的装置。
请参阅图1，喷射装置1为环形金属结构，内侧间隔设置有喷嘴，整个装置的外形尺寸、制氧装置的大小及喷射装置的尺寸需要根据加装的涡轮轴或涡轮螺旋桨发动机的进气道外形及需要的补氧量进行的具体调整。
补氧舱3根据根据加装的涡轮轴或涡轮螺旋桨发动机航空器的设计灵活设置，一般设置在发动机短舱外侧或发动机短舱内，补氧舱3内部设置有氧气发生器4、水箱5、电压力泵6和氧气泵7；水箱5与电压力泵6的一端连接，电压力泵6的另一端经氧气发生器4与氧气泵7的一端连接；氧气泵7的另一端通过输氧管2与喷射装置1连接，氧气泵7用于向输氧管2加压输送氧气与水蒸气的混合气体。
氧气发生器4内部设置有电加热装置，能够在设定温度条件下分解双氧水并产生氧气，电加热装置通过外接电源供电并通过温控装置维持氧气发生器4腔内温度为187℃。
水箱5用于存储双氧水，包括陶瓷内胆，陶瓷内胆的外部依次设置有减震保温层和金属外壳。
电压力泵6内部为陶瓷芯，用于抽取水箱5中的双氧水并输送至氧气发生器4。
请参阅图3和图4，本发明涡轮轴及涡轮螺旋桨发动机用补氧装置的工作过程如下：
S1、电压力泵6连续从水箱5中将双氧水抽出，注入氧气发生器4；
S2、氧气发生器4内的加热及温控装置将发生器腔内温度加热并维持在187℃，注入的双氧水在此温度条件下发生如下化学反应，
生成氧气与水蒸气的混合气体；
S3、当氧气发生器4腔内气压达到1200～1300百帕后，氧气泵7启动，将氧气与水蒸气的混合气体通过输氧管2加压到1500～1700百帕输送到喷射装置1；
S4、氧气与水蒸气的混合气体抵达喷射装置1直接补偿高原山地发动机压气机单位时间吸入的氧气总量。
本发明的涡轮轴及涡轮螺旋桨发动机用补氧装置均由一套电子控制系统控制，使其能够连续稳定工作。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
本发明涉及的外置补氧装置可以放置在发动机短舱外侧或直接放置在发动机短舱内，用两个螺栓卡箍固定；开启电门放置在驾驶舱内的侧板上，用弱电与补氧装置继电器连接，控制继电器接通或断开；继电器与飞机/直升机机载电源系统连接；接通时向补氧装置中的陶瓷芯涡旋泵、氧气发生器内的电加热及温控装置、氧气泵和电子控制系统供电，使整个补氧装置启动并连续稳定工作；断开时，停止向补氧装置供电，整个补氧装置停止工作。
对于涡轮螺旋桨飞机而言，在高海拔机场机场起飞时，按照现行的飞行标准，必须按照飞机起飞滑跑速度达到起飞决断速度V1时一台发动机失效，另一台发动机能够驱动飞机速度达到V2，使飞机离地后保持速度V2继续爬升并按越障标准超越障碍物，能够进入航线飞行或可以加入进近航线返回原机场；因此外置补氧装置只需要在起飞全过程中工作，通过人工补氧使发动机工作环境达到与平原运行时相当的状态，使飞机的起飞性能达到平原运行同等的状态，当飞机完成起飞后，外置补氧装置即可停止工作，整个过程12～15分钟。
对于涡轮轴直升机而言，在高海拔地区运行过程中，都需要外置补氧装置实施人工补氧，特别是飞入地形复杂区域、遇到特殊气象条件或需要执行高机动飞行时，更需要通过人工补氧全面改善涡轴发动机性能，从而提高飞行安全，有效避免动力不足产生的涡旋等危及飞行安全的现象，因此，飞行员可根据飞行需要和双氧水携带量，灵活安排外置补氧装置工作。
航空器在海拔较高的高高原运行时，由于外界空气的密度远小于平原地区，涡轮发动机单位时间吸入的空气总量也就远小于平原，这样，发动机燃烧室内的氧气就不足，造成燃烧效率与热功率远小于平原；功率的不足，造成航空器运载能力急剧下降，飞行安全系数降低，成为高高原航空器运行的巨大障碍。本补氧装置通过向涡轮螺旋桨和涡轮轴发动机进气道喷射氧气，直接补偿发动机压气机单位时间吸入的氧气总量，使发动机工作环境达到平原地区状态，从而消除高高原运行发动机功率损失，根本性的改善涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机驱动的航空器在高高原运行时的性能。
由于涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机进气道直接连接低压压气机，没有通向外界的气流通道，补氧装置的设置不需要改变发动机的结构，只需要将喷射装置设置在航空器发动机进气道前缘即可，这种外置式的补氧装置与发动机不直接接触，可以独立设置，极大地降低了相应的成本和技术难度。
综上所述，本发明一种涡轮轴及涡轮螺旋桨发动机用补氧装置，通过核心机提供的高温高压燃气喷流喷射在动力涡轮上，产生旋转动力并通过动力轴传递给减速箱，减速后驱动螺旋桨或旋翼，这类发动机的进气道直接连接核心机的低压压气机，没有通向外界的气流涵道，因此，补氧装置的设置不用改变发动机的结构，补氧喷口设在飞机发动机进气道前缘即可，这种附加型补氧装置与发动机不直接接触，可以独立设置；由于通过人工补氧，使在高原山地运行的涡桨飞机及涡轴直升机的发动机工作环境达到与平原运行时相当的状态，其飞行性能也就能达到平原运行同等的状态，使其运载能力、安全性能、特技飞行性能都能达到平原地区的水平，从而达到全面改善涡桨飞机及涡轴直升机在高原山地运行性能的目的。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种涡轮轴及涡轮螺旋桨发动机用补氧装置，其特征在于，包括喷射装置(1)，喷射装置(1)设置在发动机的进气口处，通过输氧管(2)与补氧舱(3)连接；喷射装置(1)能够将补氧舱(3)产生的氧气与水蒸气的混合气体喷入发动机进气道。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，喷射装置(1)为环形金属结构。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，喷射装置(1)的内侧间隔设置有多个喷嘴。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，补氧舱(3)的内部设置有氧气泵(7)，氧气泵(7)的一端与输氧管(2)连接，另一端经电压力泵(6)与水箱(5)连接。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，电压力泵(6)与氧气泵(7)之间设置有氧气发生器(4)。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，氧气发生器(4)的内部设置有电加热装置。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，水箱(5)内部设置有双氧水。
8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，水箱(5)包括陶瓷内胆，陶瓷内胆的外部依次设置有减震保温层和金属外壳。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，电压力泵(6)内部为陶瓷芯结构。
10.根据权利要求1所述装置对涡轮轴及涡轮螺旋桨发动机进行补氧的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、补氧舱的内部的氧气泵一端与输氧管连接，另一端经氧气发生器和电压力泵与水箱连接，通过电压力泵将水箱中的双氧水注入氧气发生器；
S2、氧气发生器内的电加热装置将氧气发生器腔内温度加热并维持在187～190℃，通过步骤S1注入的双氧水发生化学反应生成氧气与水蒸气的混合气体；
S3、当氧气发生器腔内气压达到1200～1300百帕后，氧气泵启动，将步骤S2生成的氧气与水蒸气的混合气体通过输氧管加压1500～1700百帕输送到喷射装置；
S4、当步骤S3加压处理后的氧气与水蒸气的混合气体抵达喷射装置时，从喷射装置的喷嘴直接喷入发动机进气道，对氧气进行补偿。
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