CN114856813A - 一种配置预混催化装置的高空航煤转子发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配置预混催化装置的高空航煤转子发动机。所述发动机采取传统燃油航煤为燃料，包括进气装置、喷油装置、裂解装置、预混装置、转子发动机、排气装置。空气来流经过过滤装置后，与周向布置的喷嘴所喷射的燃油喷雾掺混，喷雾经过裂解装置所产生的电弧后，航煤发生裂解产生氢气，而后进入搅拌器，在其高速旋转作用下，燃料与空气充分混合且压力升高。航空重油转子发动机在工作时，其特殊的高空、低温、低压环境使得发动机点火困难，燃烧不够充分，而这种高压、充分混合的掺氢燃料进入发动机后，可显著降低燃烧反应活化能，加快燃烧进程，促使燃料充分燃烧，降低重油转子发动机制动比油耗，减少其碳排放。
Description
技术领域
本发明属于内燃机动力领域，具体涉及一种配置预混催化装置的高空航煤转子发动机。
背景技术
转子发动机具有结构简单、体积小、功重比高、运行稳定、噪音小等优点，使得其在微、小型航空发动机动力领域具有独特的优势。与活塞发动机不同，转子发动机依靠内部的三角转子旋转能够直接将燃烧室内燃气的膨胀力转化为扭矩对外做功，不需要复杂的连杆机构。然而，转子发动机多燃烧传统燃油，加上航空转子发动机特殊的高空、低压、低压环境，以及其狭长的燃烧室导致燃烧不够充分，使得发动机存在耗油率高、污染排放严重等问题，甚至一度淡出内燃机历史。
氢作为一种绿色染料，其较小的熄灭距离与低的活化能可有效改善发动机燃烧不成分的不足。燃料中掺入少量的氢，在提高发动机热效率，减小碳排放方面有出色的表现。然而氢具有不易储存，输送的特点，针对该困难，已有航空发动机点火器中开展燃油裂解产生氢，以降低点火条件方面的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种配置预混催化装置的高空航煤转子发动机，以解决上述存在的技术问题。本发明通过控制燃油裂解使其产生氢气，并使得燃料与空气充分混合，得到高压混合气，进而降低高空航煤转子发动机点火难度，提高其燃烧效率。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种配置预混催化装置的高空航煤转子发动机，包括进气装置、转子发动机、排气装置、涡轮和控制器；
在进气装置的内部布置有供油装置和裂解装置，进气装置后连接有预混装置，进气装置的进气管道出口与转子发动机进口连通，转子发动机出口与排气装置连通，涡轮设置在排气装置内，并与预混装置同轴联动；
工作时，空气来流进入进气装置后，与供油装置喷出的燃油进行混合，在供油装置后形成锥形油气混合物喷射而出，混合物经过裂解装置后，燃油中的化石燃料进行裂解，产生高热值、低活化能和绿色的氢，而后油气混合物经过预混装置后，达到高度预混，使得进入转子发动机后能够实现更加充分的燃烧；与预混装置同轴联动的涡轮和排气装置中的收敛型喷管，使得尾气进一步膨胀做功，提高能量利用率。
本发明进一步的改进在于，进气装置为分段的圆柱桶状，包括连接在一起的过滤装置和进气管道，进气管道靠近过滤装置的前段下部开设有第一通孔，中段延周向均匀布置若干第二通孔，进气管道末端与转子发动机进口相连接。
本发明进一步的改进在于，供油装置布置在进气装置的进气管道上，包括输油圈、供油管路、喷嘴和流量阀门，输油圈位于进气管道内部并紧贴进气管道，输油圈通过第一通孔与供油管路相连接，控制器通过控制流量阀门来控制进入供油管路的供油量；若干喷嘴内部开设有喷油管路，前端与输油圈一体连接，后端延进气管道周向分布且向后延伸。
本发明进一步的改进在于，输油圈与进气管道之间为过盈配合。
本发明进一步的改进在于，若干喷嘴的开口方向与进气管道切向平面夹角为20°。
本发明进一步的改进在于，裂解装置布置在进气装置的进气管道上，包括裂解器、线圈和电源，若干裂解器延进气管道并周向均匀排布，且排布规律与喷嘴相对应，裂解器内端通过第二通孔插入进气管道内部，外端与进气管道通过线圈分别与电源连通。
本发明进一步的改进在于，裂解器与喷嘴之间轴向距离不超过5cm。
本发明进一步的改进在于，裂解器由固定支座、套筒和钨丝组成，固定支座用于固定钨丝，套筒为绝缘材料，与进气管道之间为过盈配合，用于隔绝钨丝与进气管道；钨丝穿过固定支座与套筒，进入进气管道后向同一方向弯折，钨丝的外端与线圈连接，使用时，钨丝通电，尖端与进气管道之间能够产生电弧。
本发明进一步的改进在于，预混装置包括搅拌器和轴，搅拌器由若干个搅拌叶片组成，与轴之间为过盈配合，轴与转子发动机的发动机曲轴之间为套式结构，且轴为内轴，发动机曲轴为外轴。
本发明进一步的改进在于，排气装置为分段连接结构，前段为圆筒形的套筒，后段为收敛形的尾喷管，涡轮位于套筒中，与轴之间为过盈配合，与搅拌器同轴联动。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
在发动机燃料方面，氢燃料具有热值高，活化能低，燃烧速度快等优势，并且燃烧后不产生二氧化碳，是一种绿色染料。本发明中，将传统燃油、氢气混合燃料通入发动机，可以有效推进发动机燃烧进程，减小燃烧持续角，促进燃料完全燃烧。
氢燃料的应用过程中，存在着密度低，不易保存；提取困难；造价较高等问题。本发明中，预装在进气管道的裂解器与进气道壁面之间包有绝缘材料，其中的钨丝外端与电源连接，内端弯折，尖端靠近进气管道内壁面，通电后产生等离子体电弧，燃料经过电弧后发生裂解，产生氢气，实现掺氢燃烧。解决了发动机氢燃料存储、供给问题，装置设置与进气道内部，燃料获取简便，且降低了制取成本。
本发明中，来流首先进入进气装置，经过喷油装置、电极装置后，形成燃气混合物，混合气经过搅拌器叶片旋转做功后，压力升高，燃料与空气高度混合，达到理想的预混状态。与传统发动机缸内喷射相比，本发明使得发动机燃烧过程中，预混燃烧所占比例增加，降低了影响燃烧速度的掺混速度。实现更高的燃烧速率，降低燃烧持续角，发动机燃烧更加充分。
本发明中，增加设置了与搅拌器同轴的涡轮，实现了高温可燃气的二次膨胀的同时带动搅拌器旋转，将燃气二次利用，提高发动机效能。燃气经过涡轮做功后，进入收敛性喷管，再次膨胀加速喷出，将剩余可用功转变为动能，提高发动机推力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中的一种配置预混催化装置的高空航煤转子发动机的示意图。
图2是本发明实施例中的一种配置预混催化装置的高空航煤转子发动机三维结构的示意图。
图3是本发明实施例中的针状电极布置的示意图。
图4是本发明实施例中的针状电极结的构示意图。
图5是本发明实施例中，汽油燃料掺混不同浓度氢气后，发动机放热率曲线。
图6是本发明实施例中，汽油燃料掺混不同浓度氢气后，发动机制动比油耗变化示意图。
附图标记说明：
1为进气装置，1-1为过滤装置，1-2为进气管道，1-3为第一连接法兰，1-5为第一通孔，1-6为第二通孔，1-7为螺栓；
2为供油装置，2-1为输油圈，2-2为供油管路，2-3为喷嘴，2-4为流量阀门；
3为裂解装置，3-1为裂解器，3-2为线圈，3-3为电源，3-4为固定支座，3-5为套筒，3-6为钨丝；
4为预混装置，4-1为搅拌器，4-2为轴；
5为转子发动机，5-1为发动机曲轴；
6为排气装置，6-1为套筒，6-2为尾喷管，6-3为第二连接法兰；
7为涡轮；
8为控制器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1、2所示，本发明提供的一种配置预混催化装置的高空航煤转子发动机，包括进气装置1，在进气装置1的内部布置有供油装置2和裂解装置3，供油装置2与供油管路相连，裂解装置3与电源连通。进气装置1后连接有预混装置4，进气管道1-2出口与转子发动机5进口连通，同时，转子发动机5出口与排气装置6连通，涡轮7与预混装置4同轴联动。
其中，本实施例中进气装置1为分段的圆柱桶状，包含过滤装置1-1，进气管道1-2。进气管道1-2两端通口均设置第一连接法兰1-3，前段下部开设有第一通孔1-5，中段延周向均匀布置八个第二通孔1-6。过滤装置1-1采用双层栅形过滤，通过六个螺栓1-7同第一连接法兰1-3进行连接。进气管道1-2末端通过第一连接法兰1-3与转子发动机5进口相连接。
如图1、3所示，本实施例中进气管道1-2上布置有供油装置2，供油装置2包括输油圈2-1、供油管路2-2、喷嘴2-3和流量阀门2-4。输油圈2-1位于进气管道1-2内部并紧贴进气管道1-2，输油圈2-1通过第一通孔1-5与供油管路2-2相连接且与进气管道1-2之间为过盈配合，控制器8通过控制流量阀门2-4来控制进入供油管路2-2的供油量。八个喷嘴2-3内部开设有喷油管路，前端与输油圈2-1一体连接，后端延进气管道1-2周向分布且向后延伸，喷嘴2-3的开口方向与进气管道1-2切向平面夹角为20°。工作时，控制器8控制流量阀门2-4打开，油箱内的燃油经油泵进入输油圈2-1，随着输油圈2-1中燃油压力增大，输油圈2-1中的燃油经过喷嘴2-3喷入进气管道。
如图1、4所示，本实施例中进气管道1-2上布置有燃油的裂解装置3，裂解装置3包括裂解器3-1、线圈3-2和电源3-3。八个裂解器3-1延进气管道1-2并周向均匀排布，且排布规律与喷嘴2-3相对应，裂解器3-1内端通过第二通孔1-6插入进气管道1-2内部，外端与进气管道1-2通过线圈3-2分别与电源3-3连通。使用时，为保证裂解效果，裂解器3-1与喷嘴2-3之间轴向距离理论上不超过5cm。
如图4、5所示，本实施例中裂解器3-1由固定支座3-4、套筒3-5和钨丝3-6组成。固定支座3-4用于固定钨丝3-6，套筒3-5为绝缘材料，与进气管道1-2之间为过盈配合，用于隔绝钨丝3-6与进气管道1-2。钨丝3-6穿过固定支座3-4与套筒3-5，进入进气管道1-2后向同一方向弯折，尖端距进气管道1-2约1-2cm，外端与线圈3-2连接。使用时，钨丝3-6通电，尖端与进气管道1-2之间产生电弧，为保证裂解效果，应保证电弧穿过燃料喷雾的大部分面积。
如图1、2所示，本实施例中预混装置4由搅拌器4-1和轴4-2组成，搅拌器4-1由八个搅拌叶片组成，与轴4-2之间为过盈配合，轴4-2与转子发动机5的发动机曲轴5-1之间为套式结构，且轴4-2为内轴，发动机曲轴5-1为外轴。
如图1、2所示，本实施例中排气装置6为分段连接结构，前段为圆筒形的套筒6-1，前端通过第二连接法兰6-3与转子发动机5相连接；后段为收敛形的尾喷管6-2，涡轮7位于套筒6-1中，与轴4-2之间为过盈配合，与搅拌器4-1同轴联动。
使用时，将转子发动机5固定，进气装置1与排气装置6分别通过第一连接法兰1-3与第二连接法兰6-3与发动机5进气口、排气口相连接，轴4-2穿过发动机偏心轴5-1，并与搅拌器4-1、涡轮7过盈配合。过滤装置1-1与进气管道1-2之间通过第一连接法兰1-3连接。供油装置2与燃油裂解装置3延进气管道1-2周向分布，且喷嘴2-3与裂解器3-1排布一一对应，输油管路、裂解器3-1与进气管道1-2之间应做好密封。
所述供油装置2与裂解装置3工作时，燃油从喷嘴2-3喷出，延气流方向形成锥形喷雾，同时，裂解器3-1通电，基础电压1100V，钨丝3-6尖端与进气管道1-2之间空气击穿产生等离子体电弧。喷雾的大部分面积通过电弧，并发生裂解生成氢气等小分子燃料和活性基团，降低燃烧反应活化能，促进发动机充分燃烧。
工作时，控制器分别与燃油泵、流量阀门2-4、电源3-3、转子发动机5相连接，转子发动机5工作状态发生改变时，控制器接受信号并处理，进而控制阀门2-4以改变供油量，控制电源3-3电压强度以改变裂解器3-1放电强度，控制氢气制造量，进而调整发动机工作状态。
由于钨丝3-6与进气管道1-2之间存在电弧放电，两者分别与电源3-3正、负极连接，因此，裂解器3-1的固定支座3-4与套筒3-5均为绝缘材料。
由于排气装置6与涡轮7工作时均处于高温环境，因此需采用耐高温材料。
请参阅图5，燃油喷雾经过等离子体电弧后，发生裂解产生氢气，氢气的量通过电源强度和频率来控制，随着氢气含量的升高，混合燃料活化能降低，燃烧反应速度加快，放热曲线前移，35％掺氢比下，燃烧持续角相比于0％掺氢比下燃烧持续角缩短了约20°。
请参阅图6，氢含量的升高可有效降低发动机尾气的碳排放量，同时掺氢可有效改善发动机的燃烧性能，提高发动机功率，发动机制动比油耗显著降低，掺氢量由0％升至30％，制动比油耗由717g/(kW·h)降至630g/(kW·h)。理论上，当掺氢比达到90％，发动机制动比油耗仅为112g/(kW·h)。可以看出，掺氢燃烧可有效降低发动机制动比油耗，改善排放与经济性能。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种配置预混催化装置的高空航煤转子发动机，其特征在于，包括进气装置、转子发动机、排气装置、涡轮和控制器；
在进气装置的内部布置有供油装置和裂解装置，进气装置后连接有预混装置，进气装置的进气管道出口与转子发动机进口连通，转子发动机出口与排气装置连通，涡轮设置在排气装置内，并与预混装置同轴联动；
工作时，空气来流进入进气装置后，与供油装置喷出的燃油进行混合，在供油装置后形成锥形油气混合物喷射而出，混合物经过裂解装置后，燃油中的化石燃料进行裂解，产生高热值、低活化能和绿色的氢，而后油气混合物经过预混装置后，达到高度预混，使得进入转子发动机后能够实现更加充分的燃烧；与预混装置同轴联动的涡轮和排气装置中的收敛型喷管，使得尾气进一步膨胀做功，提高能量利用率。
2.根据权利要求1所述的一种配置预混催化装置的高空航煤转子发动机，其特征在于，进气装置为分段的圆柱桶状，包括连接在一起的过滤装置和进气管道，进气管道靠近过滤装置的前段下部开设有第一通孔，中段延周向均匀布置若干第二通孔，进气管道末端与转子发动机进口相连接。
3.根据权利要求2所述的一种配置预混催化装置的高空航煤转子发动机，其特征在于，供油装置布置在进气装置的进气管道上，包括输油圈、供油管路、喷嘴和流量阀门，输油圈位于进气管道内部并紧贴进气管道，输油圈通过第一通孔与供油管路相连接，控制器通过控制流量阀门来控制进入供油管路的供油量；若干喷嘴内部开设有喷油管路，前端与输油圈一体连接，后端延进气管道周向分布且向后延伸。
4.根据权利要求3所述的一种配置预混催化装置的高空航煤转子发动机，其特征在于，输油圈与进气管道之间为过盈配合。
5.根据权利要求3所述的一种配置预混催化装置的高空航煤转子发动机，其特征在于，若干喷嘴的开口方向与进气管道切向平面夹角为20°。
6.根据权利要求3所述的一种配置预混催化装置的高空航煤转子发动机，其特征在于，裂解装置布置在进气装置的进气管道上，包括裂解器、线圈和电源，若干裂解器延进气管道并周向均匀排布，且排布规律与喷嘴相对应，裂解器内端通过第二通孔插入进气管道内部，外端与进气管道通过线圈分别与电源连通。
7.根据权利要求6所述的一种配置预混催化装置的高空航煤转子发动机，其特征在于，裂解器与喷嘴之间轴向距离不超过5cm。
8.根据权利要求6所述的一种配置预混催化装置的高空航煤转子发动机，其特征在于，裂解器由固定支座、套筒和钨丝组成，固定支座用于固定钨丝，套筒为绝缘材料，与进气管道之间为过盈配合，用于隔绝钨丝与进气管道；钨丝穿过固定支座与套筒，进入进气管道后向同一方向弯折，钨丝的外端与线圈连接，使用时，钨丝通电，尖端与进气管道之间能够产生电弧。
9.根据权利要求1所述的一种配置预混催化装置的高空航煤转子发动机，其特征在于，预混装置包括搅拌器和轴，搅拌器由若干个搅拌叶片组成，与轴之间为过盈配合，轴与转子发动机的发动机曲轴之间为套式结构，且轴为内轴，发动机曲轴为外轴。
10.根据权利要求9所述的一种配置预混催化装置的高空航煤转子发动机，其特征在于，排气装置为分段连接结构，前段为圆筒形的套筒，后段为收敛形的尾喷管，涡轮位于套筒中，与轴之间为过盈配合，与搅拌器同轴联动。
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