CN116906178A - 微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机及单元堆型动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机及及单元堆型动力系统，该微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机包括包括微尺度脉冲爆震燃烧室和特斯拉涡轮；所述微尺度脉冲爆震燃烧室用于产生气流脉冲，包括螺线型通道；所述特斯拉涡轮和微尺度脉冲爆震燃烧室的螺线型通道出口端相连通，用于将气流脉冲的动能转换为轴功进行输出，并为微尺度脉冲爆震燃烧室提供起爆初压。本发明通过设置微尺度脉冲爆震燃烧室与微型特斯拉涡轮，使用微尺度脉冲爆震管代替限制了特斯拉涡轮机效率的喷管，使用特斯拉涡轮代替传统叶片涡轮对强脉动特性的爆震燃气进行能量转换，从而提高爆震涡轮发动机的效率。

Description

微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机及单元堆型动力系统

技术领域

本发明涉及爆震涡轮发动机技术领域，具体涉及一种微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机及及单元堆型动力系统。

背景技术

随着氢能产业的发展，对氢能向电能、机械能转换方法的要求增高。现有的氢燃料电池因其高效和清洁成为了发展的核心，但其高成本、低寿命的痛点极大地限制了其推广价值。目前，日本主打高功率密度的Ⅲ代金属堆PEM燃料电池升功率约4kW/L，与动辄百千瓦升功率的普通内燃机仍存在较大差距，故燃料电池尚难以胜任高负荷、高性能工况。然而，传统内燃机并不适合直接燃氢：对于活塞往复式氢内燃机，缸内爆震难以解决，且氢气体积密度低，相同排量下氢内燃机功率降低较多；对于燃气轮机，由于氢气火焰传播速度非常高，导致预混燃烧时易发生回火，故目前基于强旋流预混燃烧器的燃气轮机不能适应纯氢燃料。此外，传统内燃机中高温燃气停留时间较长，采用氢气作燃料时NOx排放较高，还需对尾气进行处理。

氢气是极易产生爆震燃烧的零碳燃料，在内燃机研究领域，几乎所有现有的氢气燃烧研究都集中于抑制爆震，而利用氢气爆震也可能是未来内燃机的研究方向。基于脉冲爆震燃烧的发动机因其理论热循环效率高(近似等容循环)、功率密度高、NOx排放低、结构简单、易小型化的特点受到研究者的青睐，是氢能高性能应用的理想方法。

在已有的脉冲爆震发动机的技术方案中，除了将爆震燃烧的产物直接用于推进的纯脉冲爆震发动机，还有很多将脉冲爆震燃烧室与传统涡轮发动机相结合的概念，这类发动机的用途更为广泛。脉冲爆震燃烧室可以代替传统涡轮发动机中的等压燃烧室或加力燃烧室，也可以额外增设于涡扇发动机的外涵道，这些概念都属于爆震涡轮发动机。此类发动机设计的主要目的是为了利用爆震燃烧自增压的特性，提高燃烧室中的燃烧压力，从而提高发动机热效率，降低油耗。但很多研究表明，虽然爆震燃烧相比等压燃烧具有优势，但传统叶片涡轮对爆震燃气的能量转换效率不高且容易损坏，因此爆震燃烧室与涡轮的匹配问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机，以提高爆震涡轮发动机的效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机，包括微尺度脉冲爆震燃烧室和特斯拉涡轮；

所述微尺度脉冲爆震燃烧室用于产生气流脉冲，包括螺线型通道；

所述特斯拉涡轮和微尺度脉冲爆震燃烧室的螺线型通道出口端相连通，用于将气流脉冲的动能转换为轴功进行输出，并为微尺度脉冲爆震燃烧室提供起爆初压。

进一步地，在所述螺线型通道壁面顶部设置有超焓调节槽，所述超焓调节槽内部镶嵌有柔性材料。

进一步地，所述螺线型通道的横截面的周长范围在1mm至300mm。

进一步地，所述微尺度脉冲爆震燃烧室还包括火花塞、进气孔，所述火花塞、进气孔位于螺线型通道中心处的空间内。

进一步地，所述特斯拉涡轮包括涡轮转子、蜗壳；所述涡轮转子安装在蜗壳中，所述涡轮转子包括主轴、底部盘、上层盘、贯穿支柱，所述底部盘比上层盘厚，所述主轴固定在底部盘中心孔内，所述贯穿支柱在底部盘上以环形阵列固定，所述上层盘至少设置有两个，以同轴且相互平行不接触的方式排列并固定在贯穿支柱上。

进一步地，所述主轴上带有导流锥，所述上层盘之间的贯穿支柱上带有间距调节垫片。

进一步地，相邻两所述上层盘之间的间距不超过3mm。

进一步地，所述螺线型通道内的起爆初压高于大气压，单个螺线型通道内的脉冲爆震频率不超过300Hz；所述特斯拉涡轮的工作转速不超过200000rpm。

进一步地，所述的微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机还包括辅机设备，所述辅机设备包括辅助电机、燃料源、压缩空气源、预混装置以及电控系统；

所述辅助电机和特斯拉涡轮的主轴相传动；

所述预混装置分别和燃料源和压缩空气源相连接，预混装置的输出端口和螺线型通道的进气孔相连通，在相连通的管路上设置有燃气进气控制阀；

所述压缩空气源还和螺线型通道的进气孔相连通，在相连通的管路上设置有隔离气进气控制阀；

所述电控系统用于控制燃气进气控制阀和有隔离气进气控制阀的打开与关闭。

第二方面，本发明提供一种单元堆型动力系统，包括如上任一所述的微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机，将单台微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机作为最小动力单元，即微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴动力单元(PulseDetonationTeslaTurboshaftUnit,简称PDTTU)，通过组建“单元堆”型系统并使用单元并行、变频、启停的控制方法对系统功率进行放大输出与调节。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

1.对于特斯拉涡轮领域，本发明使用微尺度脉冲爆震管代替限制了特斯拉涡轮机效率的喷管，使特斯拉涡轮效率更高。

2.对于爆震涡轮发动机领域，本发明使用特斯拉涡轮代替传统叶片涡轮，使通道内的起爆初压高于大气压，并在微尺度条件下通过粘性力将脉动周期内爆震燃气的大部分动能传递至盘片，使爆震燃气能量转换效率更高，同时提高了爆震燃烧室和涡轮的寿命。

3.对于氢能应用领域，本发明提供了基于氢气爆震燃烧的动力装置，提高了氢能动力装置的功率密度，降低了燃氢热机的NOx排放。

4.对于内燃机领域，本发明提供了基于微尺度脉冲爆震燃烧的微型热机方案，比传统微型热机有着更高的功率密度和效率，通过组建“单元堆”型系统可以在不改变燃烧工况的前提下实现极强的变负荷性能和更好的排放特性。

综合上述几点：本发明拥有热效率高、功率密度高、变负荷性能强、NOx排放低、用途广泛易推广的特点，可以助力实现氢能等新能源的低成本、高性能应用。

附图说明

图1为微尺度脉冲爆震燃烧室与微型特斯拉涡轮匹配结构示意图；

图2为燃烧室与涡轮剖面的三维结构与气流路径示意图；

图3为微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机所需辅机设备示意图；

图4为微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机启动过程及工作循环示意图；

图5为微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机“单元堆”型系统示意图；

附图标记说明：1、微尺度脉冲爆震燃烧室；2、火花塞；3、进气孔；4、螺线型通道；5、超焓调节槽；6、蜗壳；7、贯穿支柱；8、主轴；9、上层盘；10、底部盘；11、特斯拉涡轮；12、机盖；13、火花塞螺孔；14、涡轮排气口；15、辅助电机；16、微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机(六燃烧室)；17、燃料源；18、压缩空气源；19、预混装置；20、燃气进气控制阀；21、电控系统；22、六燃烧室与涡轮匹配结构；23、隔离气进气控制阀。

具体实施方式

实施例：

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

参阅图1-3所示，本实施例提供的微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机16其主体主要包括微尺度脉冲爆震燃烧室1和微型特斯拉涡轮11。该微尺度脉冲爆震燃烧室1用于产生高速气流脉冲，包括螺线型通道4；该微型特斯拉涡轮11和微尺度脉冲爆震燃烧室1的螺线型通道4出口端相连通，用于将高速气流脉冲的动能转换为轴功进行输出，并为微尺度脉冲爆震燃烧室提供起爆初压，具体的，微尺度脉冲爆震燃烧室1和特斯拉涡轮11中的气体流路如图2中箭头所示，

由此可见，本实施提供的微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机，采用DDT(Deflagration toDetonationTransition，爆燃向爆震转变)与流体黏性力做功原理，设置微尺度脉冲爆震燃烧室与微型特斯拉涡轮，使用微尺度脉冲爆震管代替限制了特斯拉涡轮机效率的喷管，使用特斯拉涡轮代替传统叶片涡轮对强脉动特性的爆震燃气进行能量转换，从而提高爆震涡轮发动机的效率。

在一具体实施例中，螺线型通道4内的起爆初压(静压)高于大气压，单个螺线型通道4内的脉冲爆震频率不超过300Hz，特斯拉涡轮11的工作转速范围不超过200000rpm。

在一具体实施例中，该微尺度脉冲爆震燃烧室1除了螺线型通道4之外还包括火花塞2、进气孔3、超焓调节槽5，该螺线型通道4的螺线中心点处空间内设有该火花塞2和进气孔3，螺线型通道4的横截面可以为矩形、椭圆形或其他封闭图形，所述横截面的周长范围在1mm至300mm，横截面的大小、形状在螺线的不同位置处可逐渐改变，该超焓调节槽5设于螺线型通道4壁面顶部，内部可镶嵌柔性材料用于抑制相邻通道间的漏气。

在一具体实施例中，特斯拉涡轮11包括涡轮转子、蜗壳6，所述涡轮转子安装在蜗壳6中，所述涡轮转子包括主轴7、底部盘8、上层盘9、贯穿支柱10，所述底部盘8比上层盘9更厚，所述主轴7固定在底部盘8中心孔内，所述贯穿支柱10在底部盘上以环形阵列固定，所述上层盘9设置有两个以上、以同轴且相互平行不接触的方式排列并固定在贯穿支柱10上，相邻上层盘9之间的间距范围不超过3mm，所述底部盘8、上层盘9外径范围不超过300mm。此外，主轴7上可带有导流锥，以引导废气流出特斯拉涡轮，提高排气性能；所述上层盘9之间的贯穿支柱10上可带有间距调节垫片，从而可以调节相邻两上层盘9之间的距离；所述特斯拉涡轮转子也可为轮辐结构。

在一具体实施例中，该微尺度脉冲爆震燃烧室1和特斯拉涡轮11由机盖12密封，机盖12上可带有火花塞螺孔、进气孔、涡轮排气孔、散热肋片等。火花塞2和进气孔3可布置于微尺度脉冲爆震燃烧室螺线中心点处空间的底部材料上，也可布置于微尺度脉冲爆震燃烧室和微型特斯拉涡轮的密封机盖上。

在一具体实施例中，如图3所示，该微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机16除了主体之外还包括辅机设备，辅机设备由辅助电机15、燃料源17、压缩空气源18、预混装置19、燃气进气控制阀20、隔离气进气控制阀23以及电控系统21组成，该燃料源可以为氢气、液氢、乙烯、乙炔、丙烷、乙烷、甲烷、汽油或其他可爆震燃料，在本实施例中燃料源17为高压氢气，微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机16的主体由6个微尺度脉冲爆震燃烧室1和1个微型特斯拉涡轮11组成，其结构为六燃烧室与涡轮匹配结构22。

微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机14里单个燃烧室的启动过程及工作循环如图4所示，在发动机启动前，辅机设备应事先完成启动，压缩空气源18达到稳定储气压力后，第一路空气流至预混装置19，第二路空气流向隔离气进气控制阀23作为隔离气，第三路空气供给空气轴承等零部件，燃料源17通过储存压力或泵送的方式流至预混装置19与第一路空气进行混合形成设定当量比的可燃预混气，可燃预混气流至燃气进气控制阀20，可燃预混气总压不小于隔离气总压，电控系统21通电，此时辅机设备启动完成，随后电控系统21开启隔离气进气控制阀23使螺线型通道4内进入隔离气，螺线型通道4内气体流动如图2箭头所示，电控系统21再驱动辅助电机15使其转速上升至启动转速，此时特斯拉涡轮上层盘9之间流道内的气流由于离心运动而产生径向压力梯度，使特斯拉涡轮转子外径处压力升高，此时螺线型通道4内的隔离气流速减慢静压上升，待静压达到设定的起爆压力，此时微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机16启动过程完成，随后电控系统21瞬间开启燃气进气控制阀20并关闭隔离气进气控制阀23，待螺线型通道4内进入适量的可燃预混气后电控系统21立刻关闭燃气进气控制阀20，待高压可燃预混气膨胀充满螺线型通道4且静压降至设定的起爆压力时，电控系统21向火花塞2发出点火信号，如图2所示，可燃预混气从中心被点燃后爆燃火焰沿螺线型通道4传播，爆燃火焰经拉伸、激波汇聚等作用迅速转变成爆震燃烧形成高速气流脉冲，高速气流脉冲在螺线型通道4的变截面处进一步膨胀加速后进入特斯拉涡轮的上层盘9之间，高速气流脉冲利用流体粘性给上层盘9施加力的作用，力依次通过上层盘9、贯穿支柱7、底部盘10、主轴8后向外界输出，可驱动辅助电机15发电或作为轴功向外界输出，气流脉冲的动能降至较低水平后从上层盘9的中心处流出并排向大气，此时微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机16启动过程后的第一个工作循环完成，第二个工作循环从电控系统21开启隔离气进气控制阀23使通道内重新进入隔离气开始，由于此时特斯拉涡轮转子已在启动转速运行，隔离气进入并吹扫螺线型通道4后会直接达到设定的起爆压力，再填充可燃预混气并点火完成第二个工作循环，随后按照第二个工作循环周而复始的运行，此时微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机16进入工作循环。

微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机16的6个燃烧室均按上述方式启动并以一定相位差运行，通过调节预混装置19的压力、隔离气的压力、特斯拉涡轮主轴8的转速、燃气进气控制阀20、隔离气进气控制阀23的开启时间、火花塞2的点火相位和周期可以控制脉冲爆震燃烧室的工作频率和起爆压力，从而实现单机的变频变负荷运行。

微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机16、辅助电机15、燃气进气控制阀20、隔离气进气控制阀23、电控系统21可组成发电型微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴动力单元(PDTTU)，如图5所示，将多个微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴动力单元组建“单元堆”型系统，使用发动机并行、变频、启停的方法对系统功率进行放大输出和调节，可以在不改变燃烧工况的前提下实现极强的变负荷性能和更好的排放特性。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机，其特征在于，包括微尺度脉冲爆震燃烧室和特斯拉涡轮；

所述微尺度脉冲爆震燃烧室用于产生气流脉冲，包括螺线型通道；

所述特斯拉涡轮和微尺度脉冲爆震燃烧室的螺线型通道出口端相连通，用于将气流脉冲的动能转换为轴功进行输出，并为微尺度脉冲爆震燃烧室提供起爆初压。

2.如权利要求1所述的微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机，其特征在于，在所述螺线型通道壁面顶部设置有超焓调节槽，所述超焓调节槽内部镶嵌有柔性材料。

3.如权利要求1所述的微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机，其特征在于，所述螺线型通道的横截面的周长范围在1mm至300mm。

4.如权利要求2所述的微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机，其特征在于，所述微尺度脉冲爆震燃烧室还包括火花塞、进气孔，所述火花塞、进气孔位于螺线型通道中心处的空间内。

5.如权利要求1所述的微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机，其特征在于，所述特斯拉涡轮包括涡轮转子、蜗壳；所述涡轮转子安装在蜗壳中，所述涡轮转子包括主轴、底部盘、上层盘、贯穿支柱，所述底部盘比上层盘厚，所述主轴固定在底部盘中心孔内，所述贯穿支柱在底部盘上以环形阵列固定，所述上层盘至少设置有两个，以同轴且相互平行不接触的方式排列并固定在贯穿支柱上。

6.如权利要求5所述的微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机，其特征在于，所述主轴上带有导流锥，所述上层盘之间的贯穿支柱上带有间距调节垫片。

7.如权利要求5所述的微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机，其特征在于，相邻两所述上层盘之间的间距不超过3mm。

8.如权利要求1所述的微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机，其特征在于，所述螺线型通道内的起爆初压高于大气压，单个螺线型通道内的脉冲爆震频率不超过300Hz；所述特斯拉涡轮的工作转速不超过200000rpm。

9.如权利要求5所述的微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机，其特征在于，还包括辅机设备，所述辅机设备包括辅助电机、燃料源、压缩空气源、预混装置以及电控系统；

所述辅助电机和特斯拉涡轮的主轴相传动；

所述预混装置分别和燃料源和压缩空气源相连接，预混装置的输出端口和螺线型通道的进气孔相连通，在相连通的管路上设置有燃气进气控制阀；

所述压缩空气源还和螺线型通道的进气孔相连通，在相连通的管路上设置有隔离气进气控制阀；

所述电控系统用于控制燃气进气控制阀和隔离气进气控制阀的打开与关闭。

10.一种单元堆型动力系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机，将单台微尺度脉冲爆震特斯拉涡轴发动机作为最小动力单元，通过组建单元堆型系统并使用单元并行、变频、启停的控制方法对系统功率进行放大输出与调节。