CN114876645B - 一种双燃料节能环保航空发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空发动机技术领域，具体公开一种双燃料节能环保航空发动机，其包括：预热油箱和燃料输送机构，其中：所述预热油箱设置在所述发动机的两级离心压缩机之间径向收缩形成的环形空间中，且所述预热油箱与该环形空间能够换热，以利用所述环形空间中压缩空气的热量对预热油箱中的生物柴油等辅助性燃料进行预热。所述燃料输送机构用于将预热油箱中的燃料输送至该环形空间中，以和该环形空间中的压缩空气混合。本发明通过生物柴油预热、雾化、汽化、与压缩空气掺混，达到其在燃烧室内高效燃烧的目的，成功将生物柴油作为辅助燃料在航空发动机上应用。

Description

一种双燃料节能环保航空发动机

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，具体涉及一种双燃料节能环保航空发动机。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着石化能源资源的不断枯竭，寻求新的燃料作为航空发动机的可用燃料是今后航空发动机技术发展的重要研究方向之一。同时减少碳排放也是今后全球能源与动力产业面临的新挑战。生物柴油又名脂肪酸甲酯，是大豆油、菜籽油、棕榈油等植物油经特定工艺处理并净化后的统称，其十六烷值略高于航空煤油，低位热值低于航空煤油约15%，常温粘性较大，但随温度的升高，快速降低。在80℃时粘性是石化柴油的两倍。由于其常温雾化特性差，燃烧速度慢，仅在压燃式低速活塞发动机上应用，在航空发动机领域国内尚无应用案例。其分子中氧含量高，具备良好的燃烧碳排放性能。其闪点大于170℃，燃点大于300℃，常温条件下性能稳定，工程应用安全性非常高。

压缩器是航空发动机核心部件之一，工作过程中约有40%的燃油燃烧的热能经涡轮转化成轴功消耗在压缩器上。中小型涡轮燃气航空发动机（涡轴或涡桨发动机）多数使用两级离心叶轮来提高压缩比，离心压缩器因其单级压比高，适应流量变化范围宽，广泛应用在中小型航空发动机上。先进高推重比（或功重比）、低油耗一直是航空发动研发过程中追求的目标。

提高压缩器总压比是提升整机推重的有效方法之一。单级离心叶轮的压比在中小型航空发动机上可超过4。两级压缩后的压比可超过15，可以满足高性能发动机需求，是中小型航空发动机最常用的压缩方式之一。

为了降低油耗，其传统的方法是提高燃烧效率或提升涡轮的效率或提高压缩器效率。但这种提升因其技术复杂，限制条件较多，在工程实际中效率提升幅度较小。

发明内容

针对上述的问题，本发明提供可掺混使用生物燃料的双燃料节能环保航空发动机，而且该发动机具有低功耗、低污染的技术优势。为实现上述目的，本发明公开如下所示的技术方案。

一种双燃料节能环保航空发动机，还包括：预热油箱和燃料输送机构，其中：所述预热油箱设置在所述发动机的两级离心压缩机之间径向收缩形成的环形空间中，且所述预热油箱与该环形空间能够换热，以利用所述环形空间中压缩空气的热量对预热油箱中的生物柴油等辅助性燃料进行预热。所述燃料输送机构用于将预热油箱中的燃料输送至该环形空间中，以和该环形空间中的压缩空气混合。

进一步地，所述燃料输送机构包括增压泵和第一喷嘴。其中：所述第一喷嘴位于所述环形空间中，且所述第一喷嘴通过所述增压泵与预热油箱连通，以对预热油箱中经过预热后的辅助燃料加压后送至第一喷嘴进行雾化。

进一步地，所述发动机主要包括：低压离心压缩机、高压离心压缩器、燃烧室、第二喷嘴等部件。其中：所述预热油箱位于低压离心压缩机和高压离心压缩器之间径向的环形空间中，所述燃烧室位于高压离心压缩器后方，所述第二喷嘴位于燃烧室中，以向燃烧室中喷射航空煤油等主燃料。雾化后的辅助燃料和环形空间中的压缩空气混合，并在向下游流动的过程中汽化，汽化后的生物柴油到达燃烧室中后与主燃料喷雾掺混并一起燃烧。

进一步地，所述发动机还包括低压离心压缩器扩压器、回流器。其中：所述低压离心压缩机、低压离心压缩器扩压器、回流器、高压离心压缩器依次连通。所述第一喷嘴位于回流器中。

进一步地，所述预热油箱是由所述回流器的外壁、高压离心压缩器盖板及预热油箱外壁共同形成的密封腔体。其中存储的生物柴油通过该密封腔体的内侧壁面与所述回流器、高压离心压缩器中的压缩气体换热，提升自身温度，形成发动机外部中冷。

进一步地，所述低压离心压缩机的低压离心叶轮与低压压缩器盖板之间形成第一压缩腔，所述低压离心压缩器扩压器与第一压缩腔连通，空气经过第一压缩腔后被初步压缩，然后进入低压离心压缩器扩压器中。

进一步地，所述高压离心压缩器的高压离心叶轮和高压离心压缩器盖板之间形成第二压缩腔，以便于对初步压缩空气和混入的雾化辅助燃料进一步压缩。所述第二压缩腔与燃烧室之间通过高压离心压缩器扩压器连通。

优选地，所述燃烧室为回流燃烧室。

进一步地，所述第二喷嘴与主燃油泵连接，以将加压后的航空煤油等主燃料喷射燃烧室中，所述第一喷嘴喷射生物柴油等辅助燃料。

进一步地，所述预热油箱上设置有供油接头，以向预热油箱中加注生物柴油等辅助性燃料。

进一步地，还包括设于所述预热油箱中的温度传感器，当预热油箱中燃料温度不低于预定温度后，再将燃料喷射到所述环形空间中进行气化。

进一步地，所述低压离心叶轮与低压涡轮连接，低压涡轮做功驱动低压离心压缩器叶轮旋转，对进入所述第一压缩腔的气体进行压缩。

进一步地，所述高压离心叶轮与高压涡轮连接，所述高压涡轮位于低压涡轮前方，高压涡轮做功驱动高压离心压缩器叶轮旋转，对进入所述第二压缩腔的气体进行压缩。

进一步地，还包括设置高压涡轮后方的自由涡轮，所述自由涡轮后方具有尾喷口，且所述自由涡轮与减速器连接，所述减速器还连接有功率输出轴。自由涡轮吸收燃气的热能，并转化为轴功，经减速器驱动功率输出轴旋转，并将功率输出。所述尾喷口的作用是将做完功的燃气加速后导出发动机。

进一步地，所述两级离心压缩机还可以是多级轴流压缩器和一级离心压缩器组成。其中：所述预热油箱设置在多级轴流压缩器与一级离心压缩器之间径向收缩形成的环形空间中。

进一步地，所述燃烧室设置在离心压缩器的后方，所述第一喷嘴位于离心压缩器进口前的导向叶片处。

进一步地，所述增压泵设置在多级轴流压缩器与发动机外涵道间的隔板处。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过预热油箱外部中冷两级压缩器，通过将预热油箱中的生物柴油向压缩器内雾化喷射，然后汽化，发挥内部冷却两级压缩器内的空气的作用，降低压缩器功率消耗，起到节能目的。通过生物柴油预热、雾化、汽化、与压缩空气掺混，达到其在燃烧室内高效燃烧的目的，成功将生物柴油作为辅助燃料在航空发动机上应用，从而实现部分工况条件下替代一部分主燃料，逐步降低航空煤油的使用比例，更加节能环保。本发明能够实现上述目的的主要原因包括：本发明巧妙地利用了两级离心压缩机之间径向的多余环形空间作为生物柴油的换热器，对燃料预热这种模式不仅可降低压缩器的空气温度，满足压缩机外部中冷需求；同时也可满足燃料预热，达到废热利用和降低生物柴油粘度的目的。将预热后的燃料从低压压缩器的弯道后端经雾化后注入压缩空气内，燃料在压缩器内经过扩压、压缩，温度持续升高，完成汽化过程，持续与空气优化混合，为其在燃烧室内高效燃烧做准备。同时喷入压缩器内的生物柴油与压缩空气掺混后，生物柴油汽化，吸收汽化潜热并持续降低压缩空气的温度增幅，达到压缩器内气体的内部冷却，减小压缩器功率销耗。综上，本发明得到了具有低功耗、低污染，可在部分工况使用生物柴油的航空发动机，其在航空领域有重要工程和经济价值。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为实施例中双燃料节能环保航空发动机的内部结构示意图。

图2为实施例中另一种双燃料节能环保航空发动机的内部结构示意图。

图中数字标记分别代表：1-低压离心压缩机、2-高压离心压缩器、3-预热油箱、4-燃烧室、5-第一喷嘴、6-第二喷嘴、7-高压离心压缩器扩压器、8-回流器、9-增压泵、10-高压离心压缩器盖板、11-预热油箱外壁、12-低压离心压缩器扩压器、13-低压离心叶轮、14-低压压缩器盖板、15-第一压缩腔、16-高压离心叶轮、17-第二压缩腔、18-低压涡轮、19-高压涡轮、20-自由涡轮、21-尾喷口、22-减速器、23-率输出轴、24-主燃油泵、25-供油接头、26-温度传感器、27-多级轴流压缩器、28-一级离心压缩器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅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设备或元件需要具有特定的方位，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。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。本发明中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。现根据说明书附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

参考图1，其以涡桨或涡轴航空发动机为例，来说明如何将生物燃料这类粘度较高的辅助燃料掺混到发动机中，形成双燃料节能环保航空发动机。具体地，所述发动机主要包括：低压离心压缩机1、高压离心压缩器2、预热油箱3、燃烧室4、第一喷嘴5和第二喷嘴6。其中：

所述预热油箱3位于低压离心压缩机1、高压离心压缩器2结合处径向收缩形成环形空间中，以充分利用该收缩特殊部位形成可以向发动机提供预热的生物柴油等辅助性燃油的预热油箱3。因此，所述预热油箱3是由所述低压离心压缩机的回流器8的外壁、高压离心压缩器盖板10及预热油箱外壁11共同封闭形成的密封腔体。

所述第一喷嘴5位于回流器8中的末端，且所述第一喷嘴5通过增压泵9与所述预热油箱3连接，增压泵9位于预热油箱3上部，增压泵9将预热后的生物柴油进行加压，通过第一喷嘴5可使生物柴油雾化，并喷入回流器8中和其中的压缩空气混合。为了确保向回流器8中喷入足够的生物柴油，在优选的实施方式中，沿着所述回流器8的周向均匀分布有如若干个第一喷嘴5。

由于经过低压离心压缩机1初步压缩后的高温空气要经过回流器8和高压离心压缩器盖板10，从而可使所述预热油箱3与所述回流器8中压缩气体换热，进而提升预热油箱3中存储的生物柴油自身温度，实现发动机外部中冷的目的，同时实现了废热利用和降低了生物柴油粘度的目的。

所述低压离心压缩机1的低压离心叶轮13与低压压缩器盖板14之间形成第一压缩腔15，所述低压离心压缩器扩压器12与第一压缩腔15连通，所述低压离心叶轮13的前端固定有进气导流锥，以便于将空气引导至第一压缩腔15中进行压缩，空气经过第一压缩腔15后被初步压缩，然后进入低压离心压缩器扩压器12中，其中的一部分热量被所述预热油箱3中存储的生物柴油吸收。

所述高压离心压缩器2的高压离心叶轮16和高压离心压缩器盖板10之间形成第二压缩腔17，以便于对初步压缩空气和混入的生物柴油进一步压缩。所述低压离心压缩器扩压器12、回流器8、第二压缩腔17的进气端依次连通。所述第二压缩腔17的出气端与燃烧室4之间通过高压离心压缩器扩压器7连通。

所述第二喷嘴6位于燃烧室4中，且该第二喷嘴6与主燃油泵24连接，以将加压后的航空煤油等主燃料喷射燃烧室4中。

所述低压离心叶轮13与低压涡轮18同轴连接，低压涡轮18做功驱动低压离心压缩器叶轮13旋转，对进入所述第一压缩腔15的气体进行压缩。所述高压离心叶轮16与高压涡轮19同轴连接，两个联接轴同心套用。所述高压涡轮19位于低压涡轮18前方，高压涡轮19做功驱动高压离心压缩器叶轮16旋转，对进入所述第二压缩腔17的气体进行压缩。还包括设置高压涡轮19后方的自由涡轮20，所述自由涡轮20后方具有尾喷口21，且所述自由涡轮20与减速器22连接，所述减速器22还连接有功率输出轴23。自由涡轮20吸收燃气的热能，并转化为轴功，经减速器22驱动功率输出轴23旋转，并将功率输出。所述尾喷口21的作用是将做完功的燃气加速后导出发动机。

使用时，所述预热油箱3对其中的生物柴油加热降低粘性，并由增压泵9增压，第一喷嘴5雾化后喷入回流器8内。进入回流器8内的生物柴油微粒与经过低压离心压缩机1初步压缩后的高温压缩空气掺混并吸热汽化，回流器8内气流因生物柴油微粒汽化吸热而降温，达到发动机外部中冷的目的，汽化后的生物柴油和压缩空气经过所述高压离心压缩器2进一步压缩后，通过所述高压离心压缩器扩压器7进入燃烧室4中，并与所述主燃油泵24和第二喷嘴6供给的航空煤油喷雾掺混并一起燃烧。

本实施例通过预热油箱外部中冷两级压缩器，通过生物柴油向压缩器内喷射并汽化，内部冷却两级压缩器内的空气，降低压缩器功率消耗，起到节能目的。通过生物柴油预热、雾化、汽化、与压缩空气掺混，达到其在燃烧室内高效燃烧的目的，成功将生物柴油作为辅助燃料应用在了航空发动机上。

继续参考图1，在优选的实施例中，所述燃烧室4为回流燃烧室。选择回流燃烧室的原因包括：一是回流燃烧室空间结构上很适合离心压缩器。二是回流燃烧室内部气流需要经过两次逆流才能进入涡轮，燃烧空间相对其它类型的燃烧室要长一些，气流速度较小，很适合生物柴油这种粘性较大，燃烧速度慢的燃料。

继续参考图1，在进一步的实施例中，所述预热油箱3上还设置有供油接头25，且该供油接头25位于预热油箱3的上部，以向预热油箱3中加注生物柴油等辅助性燃料。所述预热油箱3中设置有温度传感器26，所述温度传感器26主要用于探测预热油箱3中辅助燃料的预热温度，一般而言，需要辅助燃料的预热温度达到80℃以上后才更宜喷射到回流器8中。发动机转速由增压泵9和主燃油泵24的各自供油量共同控制。

发动机工作时，从所述供油接头25进入预热油箱3的生物柴油吸收两级压缩器外壁的热量加热生物柴油，这是因为生物柴油的粘性限制，发动机起动充分热机后，预热油箱3才能产生预热效果，增压泵9才启动工作将生物柴油通过第一喷嘴5喷入低压离心压缩器的回流器8内。进入回流器8内的生物柴油微粒与压缩空气掺混并吸热汽化，回流器8内气流因生物柴油微粒汽化吸热而降温，达到发动机外部中冷目的。气化的生物柴油和空气气流通过高压离心压缩器2进一步压缩升温，在这个过程中生物柴油颗粒吸热汽化并与压缩空气持续掺混，为其在下游的燃烧室4内高效燃烧做准备。高压离心压缩器内的气体因生物柴油颗粒吸热汽化而减少压缩升温，达到内部中冷的效果。携带着生物燃料的气流进入燃烧室4后，在流经回流燃烧室4的过程中速度降低，与喷入的雾化状态的航空煤油混合并燃烧。燃烧后的燃气由回流燃烧室依次导入高压涡轮19、低压涡轮18、自由涡轮20并由尾喷口21排出。所述高压涡轮19吸收燃气热能做功，并经过高压轴驱动高压离心压缩器2，低压涡轮18吸收燃气热能做功经过低压轴驱动低压离心压缩器1，自由涡轮20吸收燃气热能做功经过减速器由功率输出轴输出。

参考图2，示例另一种双燃料节能环保航空发动机，其以中小型涡扇航空发动机为例进行说明，中小型航空涡扇发动机常用多级轴流压缩器27加一级离心压缩器28的组合模式。其中：上述的预热油箱3设置在多级轴流压缩器27与一级离心压缩器28之间径向收缩形成的环形空间中。上述的燃烧室4设置在一级离心压缩器28的后方，上述的第一喷嘴5位于一级离心压缩器进口前的导向叶片处。上述的增压泵设置在多级轴流压缩器与发动机外涵道间的隔板处。所述供油接头25、气体温度传感器26的位置可参考图1所示的发动机。本实施例和图1所示的发动机进行生物柴油等辅助性燃料的利用的原理及起到的及节能环保效果基本类似，因此，不再赘述重复的细节。

经过测算，两级单压比约为4左右，总压比约15左右的中小型航空发动机经过预热油箱3外部中冷，低压压缩器出口气流温度增幅从最大200℃降至100℃以内，功率消耗降低15%左右。生物柴油喷入压缩空气内汽化，内部中冷高压压缩器，高压压缩器气流温度增幅从最大200℃降至140℃以内，功率消耗降低10%左右。整机最大油耗降低20%以上，起到节能作用。

另外，由于生物柴油含氧量高，燃烧产物碳排放相比航空煤油要小很多，可以起到环保作用。生物柴油燃烧温度要比航空煤油燃烧低100℃左右，因此需要冷却降温的气体减少，参与燃烧的气体相对增多，整机功率并不会降低，因此，上述示例的发动机在工程应用上具备实际应用的价值。

最后，需要说明的是，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种双燃料节能环保航空发动机，其中，还包括：

预热油箱，所述预热油箱设置在所述发动机的两级离心压缩机之间径向收缩形成的环形空间中，且所述预热油箱与该环形空间能够换热；以及

燃料输送机构，所述燃料输送机构用于将预热油箱中的燃料输送至该环形空间中和其中压缩空气混合；所述燃料为生物柴油；

所述燃料输送机构包括：增压泵和第一喷嘴；其中：所述第一喷嘴位于所述环形空间中，且所述第一喷嘴通过所述增压泵与预热油箱连通；

所述发动机还包括：低压离心压缩机、高压离心压缩器、燃烧室、第二喷嘴；其中：所述预热油箱位于低压离心压缩机和高压离心压缩器之间径向的环形空间中，所述燃烧室位于高压离心压缩器后方，所述第二喷嘴位于燃烧室中；所述第二喷嘴与主燃油泵连接；

所述发动机还包括低压离心压缩器扩压器、回流器；其中：所述低压离心压缩机、低压离心压缩器扩压器、回流器、高压离心压缩器依次连通；所述第一喷嘴位于回流器中，所述增压泵位于预热油箱上部，增压泵将预热后的生物柴油进行加压，通过第一喷嘴使生物柴油雾化，并喷入回流器中和其中的压缩空气混合；所述预热油箱是由所述回流器的外壁、高压离心压缩器盖板及预热油箱外壁共同形成的密封腔体；

所述低压离心压缩机的低压离心叶轮与低压压缩器盖板之间形成第一压缩腔，所述低压离心压缩器扩压器与第一压缩腔连通；所述高压离心压缩器的高压离心叶轮和高压离心压缩器盖板之间形成第二压缩腔；所述第二压缩腔与燃烧室之间通过高压离心压缩器扩压器连通；所述第二压缩腔对初步压缩空气和混入的生物柴油进一步压缩后，通过所述高压离心压缩器扩压器进入燃烧室中，并与所述主燃油泵和第二喷嘴供给的航空煤油喷雾掺混并一起燃烧。

2.根据权利要求1所述的双燃料节能环保航空发动机，其特征在于，所述燃烧室为回流燃烧室；所述预热油箱上设置有供油接头。

3.根据权利要求2所述的双燃料节能环保航空发动机，其特征在于，还包括设于所述预热油箱中的温度传感器，发动机转速由增压泵和主燃油泵的各自供油量共同控制。

4.根据权利要求1-3任一项所述的双燃料节能环保航空发动机，其特征在于，所述低压离心叶轮与低压涡轮连接，所述高压离心叶轮与高压涡轮连接，所述高压涡轮位于低压涡轮前方，还包括设置高压涡轮后方的自由涡轮，所述自由涡轮后方具有尾喷口，且所述自由涡轮与减速器连接，所述减速器还连接有功率输出轴。

5.根据权利要求1所述的双燃料节能环保航空发动机，其特征在于，所述两级离心压缩机由多级轴流压缩器和一级离心压缩器组成；其中：所述预热油箱设置在多级轴流压缩器与一级离心压缩器之间径向收缩形成的环形空间中。

6.根据权利要求5所述的双燃料节能环保航空发动机，其特征在于，所述一级离心压缩器的后方具有燃烧室，所述第一喷嘴位于离心压缩器进口前的导向叶片处。

7.根据权利要求1所述的双燃料节能环保航空发动机，其特征在于，所述增压泵设置在多级轴流压缩器与发动机外涵道间的隔板处。