CN117627778A - 一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种分流储热式转子发动机‑氨水联合动力系统及方法，包括采用掺氢燃料的X型转子发动机以及采用氨水混合物为循环工质的蒸汽循环系统，蒸汽循环系统包括过热器、蒸发器、分离器、输出电机，X型转子发动机的高温排气出气口与过热器的热源进口连通，过热器的热源出口与蒸发器的热源进口连通，蒸发器的热源出口与大气连通；工质泵的工质出口与蒸发器的工质进口连通，蒸发器的工质出口与分离器的工质进口连通，分离器的富氨蒸汽出口与过热器的工质进口连通，过热器的工质出口与透平发电机的工质进口连通进行发电，透平发电机与输出电机连接；本发明系统能够储存转子发动机排气余热，并利用排气余热进行发电，从而提高热效率。
Description
技术领域
本发明属于内燃机动力技术领域，具体属于一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统及方法。
背景技术
小型无人机的动力装置应具备的基本能力和特点有：高空快速起动能力、长航时下低油耗工作和功率提取能力、高效推进能力、动力装置的使用安全性和可靠性。在小型无人机的动力装置选配上，可以采用电动机、活塞发动机、涡喷发动机、转子发动机等多种动力系统。其中，转子发动机具有部件少、结构紧凑、振动和噪声低、功重比高等突出优点，在小型低成本无人机的动力装置中具有优异的性能。
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、密封困难、热力学效率低等问题，甚至一度淡出内燃机历史。因此改善转子发动机使其有更高的排气利用率和热效率十分重要。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统及方法，利用蒸汽循环系统储存转子发动机排气余热，并利用排气余热进行发电，不仅使转子发动机具有更高的排气利用率还提高了转子发动机的热效率，克服了上述转子发动机耗油率高、污染排放严重、密封困难、热力学效率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，包括采用掺氢燃料的X型转子发动机以及采用氨水混合物为循环工质的蒸汽循环系统，其中X型转子发动机的高温排气出气口与蒸汽循环系统的进气口连通用于利用X型转子发动机的高温排气进行发电；
蒸汽循环系统包括过热器、蒸发器、分离器、输出电机，X型转子发动机的高温排气出气口与过热器的热源进口连通，过热器的热源出口与蒸发器的热源进口连通，蒸发器的热源出口与大气连通；工质泵的工质出口与蒸发器的工质进口连通，蒸发器的工质出口与分离器的工质进口连通，分离器的富氨蒸汽出口与过热器的工质进口连通，过热器的工质出口与透平发电机的工质进口连通进行发电，透平发电机与输出电机连接。
进一步的，所述X型转子发动机为反三角结构，采用字型转子型线，以外旋轮线作为转子型线，外包络线作为缸体型线。
进一步的，分离器的贫氨蒸汽出口与节流阀的进口连通，节流阀的出口与冷凝器的入口连通，冷凝器的出口与工质泵的进口连通。
进一步的，还包括回热器，工质泵的工质出口与回热器的工质入口连通，回热器的工质出口与蒸发器的工质进口连通；透平发电机的工质出口与回热器的热源进口连通，回热器的热源出口与冷凝器的入口连通，冷凝器的出口与工质泵的进口连通。
进一步的，还包括分流阀、一级储热再热器、二级储热再热器，X型转子发动机的高温排气出气口与分流阀的进气口连通，分流阀的第一出气口与一级储热再热器的热源进口连通，一级储热再热器的热源出口与二级储热再热器的热源进口连通，二级储热再热器的热源出口与过热器的热源进口连通，过热器的热源出口与蒸发器的热源进口连通，蒸发器的热源出口与大气连通；分流阀的第二出气口与过热器的热源进口连通。
进一步的，透平发电机包括高压级透平，中压级透平和低压级透平，过热器的工质出口与高压级透平的工质进口连通，高压级透平的工质出口通过开关阀一与中压级透平的工质进口连通，中压级透平的工质出口通过开关阀二与低压级透平的工质进口连通，低压级透平的工质出口与回热器的热源进口连通，回热器的热源出口与冷凝器的入口连通。
进一步的，处于低功率负荷工况情况下，开关阀一和开关阀二开启；处于高功率负载工况情况下，开关阀一和开关阀二关闭。
进一步的，透平发电机包括高压级透平，中压级透平和低压级透平，过热器的工质出口与高压级透平的工质进口连通，高压级透平的出口通过开关阀三与一级储热再热器的工质进口连通，一级储热再热器的工质出口与中压级透平的工质进口连通，中压级透平的工质出口通过开关阀四与二级储热再热器的工质入口连通，二级储热再热器的工质出口与低压级透平的工质进口连通，低压级透平的工质出口与回热器的热源进口连通，回热器的热源出口与冷凝器的入口连通。
进一步的，处于低功率负荷工况情况下，开关阀三和开关阀四关闭；处于高功率负载工况情况下，开关阀一和开关阀二开启。
本发明还提供一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统的运行方法，具体步骤如下：
S1以氢气、空气混合气体为助燃剂，向X型转子发动机中通入助燃剂，X型转子发动机内燃料与助燃剂充分燃烧产生的高温排气；
S2将高温排气通入蒸汽循环系统的过热器、蒸发器热源侧；蒸汽循环系统中，工质泵将氨水混合物通入蒸发器的工质侧吸收高温排气的热量得到氨水蒸汽，氨水蒸汽通入分离器中得到富氨蒸汽，富氨蒸汽通入过热器的工质侧吸收高温排气的热量后通入透平发电机中做功发电。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，使用采用掺氢燃料的X型转子发动机，燃料掺氢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，不仅能提供更高温度的排气，还可以提高发动机的燃烧性能与排放性能；且本发明将X型转子发动机的高温排气作为热源通入蒸汽循环系统中，利用高温排气的热量对蒸汽循环系统的循环工质进行加热，实现了余热发电；进一步的，在常规的蒸汽循环中，蒸发过程是导致蒸汽循环系统效率低的根本原因，水在蒸发段即相变气化段需要吸收的气化潜热量较大，水的相变过程具有定温特性，而X型转子发动机高温排气余热释放为变温过程，两者之间难以形成良好匹配，导致该过程能量损失较大，阻碍了蒸汽循环效能的进一步提升，为了解决上述问题，本发明采用氨水混合物作为循环工质，氨水混合物具有变温相变特性，与X型转子发动机高温排气温度的变化具有更好的匹配性，可以减少工质吸热过程的不可逆性，降低热源温度，提高热源利用率，可以有效改善加热过程中的热不匹配问题。
综上可以看出，本发明使得X型转子发动机原本只能排放至外界的带有大量高温热量的排气作为采用氨水混合物为循环工质的蒸汽循环系统的热源后，其热量得到了有效利用，减少了排放至大气的排气热量，降低了温室效应实现更高的热能利用率。
附图说明
图1是三角转子发动机与X型转子发动机的结构对比示意图
图2是三角转子发动机与X型转子发动机细节结构对比示意图；
图3是本发明充电阶段示意图；
图4是本发明放电阶段示意图。
附图中：1-X型转子发动机、2-混合阀、3-一级储热再热器、4-二级储热再热器、5-第二分流阀、6-过热器、7-蒸发器、8-分离器、9-节流阀、10-冷凝器、11-工质泵、12-回热器、13-输出电机、14-高压级透平、15-中压级透平、16-低压级透平、17-开关阀一、18开关阀二、19-开关阀三、20-开关阀四。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明为一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，包括X型转子发动机1和蒸汽循环系统，X型转子发动机1的高温排气出气口与蒸汽循环系统的进气口连通用于利用X型转子发动机1的高温排气进行发电，其中，X型转子发动机1的燃料为掺氢燃料，蒸汽循环系统的循环工质为氨水混合物。
如图1、2所示，X型转子发动机1为反三角结构，采用“8”字型转子型线，以外旋轮线作为转子型线，外包络线作为缸体型线，这种结构有更高的理论压缩比、更高的高效混合循环(High Efficiency Hybrid Cycle,HEHC)循环热效率、更高的热效率和更高的功重比等特点。能完美解决三角转子发动机的高油耗、易磨损、易泄露等问题。
X型转子发动机1结构主要由椭圆形转子、类三角形缸体、前后端盖、排气道、进气道等组成。转子围绕曲轴公转的同时反方向自转，曲轴转角每转720°为一个做功循环。燃烧阶段发动机燃烧室由两部分组成，固定的半球形区域和随转子旋转变化的狭缝区域。火花塞位于燃烧室的顶部。腔室的体积在曲轴转角360°的上死点处达到最小。X型转子发动机1的工作流程与二冲程往复式发动机相似，转子同时负责进气与排气，燃烧室凸坑置于转子外部，火花塞置于凸坑内。可燃混合气从进气道进入转子内腔后通入缸体，已燃废气通过转子周向排气口通入转子内腔与冷却气体混合，通过前端盖的三个排气道排出发动机。
混合阀2的第一进口用于通入空气，混合阀2的第一进口用于通入氢气，混合阀2的出口与X型转子发动机1的进气口连通，用于将掺氢燃料送入X型转子发动机1的燃烧室中；
蒸汽循环系统包括过热器6、蒸发器7、分离器8、节流阀9、冷凝器10、工质泵11、回热器12、输出电机13，X型转子发动机1的高温排气出气口与过热器6的热源进口连通，过热器6的热源出口与蒸发器7的热源进口连通，蒸发器7的热源出口与大气连通；工质泵11的工质出口与回热器12的工质入口连通，回热器12的工质出口与蒸发器7的工质进口连通用于将氨水混合物加热得到氨水蒸汽，蒸发器7的工质出口与分离器8的工质进口连通用于将氨水蒸汽分为富氨蒸汽和贫氨蒸汽，分离器8的富氨蒸汽出口与过热器6的工质进口连通，过热器6的工质出口与透平发电机的工质进口连通进行发电，透平发电机与输出电机13连接，分离器8的贫氨蒸汽出口与节流阀9的进口连通，节流阀9的出口与冷凝器10的入口连通，透平发电机的工质出口与回热器12的热源进口连通，回热器12的热源出口与冷凝器10的入口连通，氨蒸汽经过透平发电机做功发电后，剩余的余热富氨蒸汽为回热器12供热后与贫氨蒸汽结合并经过冷凝器10流回工质泵11，完成一个循环。
优选的，还包括分流阀5、一级储热再热器3、二级储热再热器4，X型转子发动机1的高温排气出气口与分流阀5的进气口连通，分流阀5的第一出气口与一级储热再热器3的热源进口连通，一级储热再热器3的热源出口与二级储热再热器4的热源进口连通，二级储热再热器4的热源出口与过热器6的热源进口连通，过热器6的热源出口与蒸发器7的热源进口连通，蒸发器7的热源出口与大气连通；分流阀5的第二出气口与过热器6的热源进口连通；
优选的，透平发电机包括高压级透平14，中压级透平15和低压级透平16，过热器6的工质出口与高压级透平14的工质进口连通，高压级透平14的工质出口通过开关阀一17与中压级透平15的工质进口连通，高压级透平14的出口通过开关阀三19与一级储热再热器3的工质进口连通，一级储热再热器3的工质出口与中压级透平15的工质进口连通，中压级透平15的工质出口通过开关阀二18与低压级透平16的工质进口连通，中压级透平15的工质出口通过开关阀四20与二级储热再热器4的工质入口连通，二级储热再热器4的工质出口与低压级透平16的工质进口连通；低压级透平16的工质出口与回热器12的进口连通，回热器12的出口与冷凝器10的入口连通。
本发明中，X型转子发动机1的高温排气首先经过分流阀5分流，一部分经过一级储热再热器3、二级储热再热器4后，经过过热器6和蒸发器7排出大气中，另外一部分不经过一级储热再热器和第二季储热再热器，直接经过过热器6和蒸发器7后排出，X型转子发动机1的高温排气为一级储热再热器3、二级储热再热器4、过热器6和蒸发器7均提供了高温热量来源。工质泵11中的氨水混合物经过回热器12和蒸发器7加热后，经过分离器8分离出高浓度氨水蒸汽(富氨蒸汽)和低浓度氨水蒸汽(贫氨蒸汽)，富氨蒸汽经过过热器7后分别经过高压级透平14，中压级透平15和低压级透平16做功发电。最后的余热富氨蒸汽为回热器12供热与低浓度氨水蒸汽(贫氨蒸汽)结合经过冷凝器10流回工质泵11；完成一个循环。
使用本发明系统进行工作时，主要包括四个步骤：发动机工作阶段、排气阶段、储热阶段与发电阶段，具体如下：
1)发动机工作阶段：X型转子发动机1以氢气、空气作为助燃剂，首先经过混合阀2成为预混合气后，进入X型转子发动机1的燃烧室中参与燃烧。
氢气为绿色染料，与常见的碳氢化合物燃料相比，具有更宽的可燃极限，更快的扩散速度，更高的绝热火焰温度和更低的点火能量等优秀的物理化学参数，氢的掺入有效减少发动机碳排放，并极大提高X型转子发动机1的制动平均有效压力和气缸温度，显著降低火焰发展和传播周期。因此也会产生温度更高的排气。
排气阶段：X型转子发动机1内燃料与混合助燃剂充分燃烧后所产生的高温排气经过排气管连接至分流阀5处。
储热阶段：X型转子发动机1排出的高温排气经过分流阀5分为两部分，一部分首先经过一级储热再热器3和二级储热再热器4，作为一级储热再热器3和二级储热再热器4的供热工质，为两个储热再热器提供高温热能，随后高温排气进入过热器6和蒸发器7排出大气。
由于经过一级储热再热器3和第二季储热再热器4的高温排气在储热再热器中作为高温工质传热，因此进入到过热器6和再热器7中的温度会有一定程度的降低，所以需要分流阀5所分出的另一部分高温排气直接经过过热器6和蒸发器7，与经过一级储热再热器3和二级储热再热器4后的排气一起作为过热器6和蒸发器7的高温工质后排出大气，为过热器6和蒸发器7提供高温热量。
发电阶段：发电阶段可主要分为两种工况：低功率负荷工况和高功率负荷工况。
如图3所示，低功率负荷工况下，此时外部机械处于低负载运行，不需要太多的电力供应。此时氨水混合物工质泵11将氨水经过回热器12输送至蒸发器7中，通过蒸发器7中发动机所排出的高温排气对低温氨水混合物加热，将其加热成高温氨气与水蒸气混合物，随后进入分离器8中，分离器8将高温混合气分离成富氨蒸汽与贫氨蒸汽，富氨蒸汽进入过热器6中，由发动机所排出的高温排气对其进一步加热至过热温度。同时开关阀一17、开关阀二18开启，开关阀三19、开关阀四20关闭。富氨蒸汽经过高压级透平14做功后从透平尾部链接进入中压级透平15，在中压级透平15做功从尾部后链接进入低压级透平16中，最后做功排出的富氨蒸汽进入回热器12作为回热器流动工质后经过冷却水为工质的冷凝器10冷却为氨水混合物回到工质泵11中，而经由分离器8分离出来的贫氨蒸汽经过节流阀节流9后直接经过冷凝器10冷却后回到工质泵11中。
如图4所示，高功率负载情况下，外部机械处于高负载运行，需要更多的电力，此时需要透平对外部电机做更多的功。意味着需要经过透平的富氨蒸汽需要携带更大的热量，因此当分离器8分离出富氨蒸汽时，开关阀一17、开关阀二18关闭，开关阀三19、开关阀四20开启，富氨蒸汽经过高压级透平14做功后从高压级透平14末端链接进入一级储热再热器3，在一级储热再热器3中通过X型转子发动机1排出的高温排气为富氨蒸汽传热，加热后的富氨蒸汽进入中压级透平15中做功，从中压级透平15末端排出的富氨蒸汽进入二级储热再热器4，经过二级储热再热器4中发动机所排出的高温排气传热后的高温蒸汽在进入低压级透平16中做功，做功后的富氨蒸汽进入回热器12作为流动工质后经过冷凝器10冷却回到工质泵1中，而经由分离器8分离出来的贫氨蒸汽经过节流阀9节流后直接经过冷凝器10冷却后回到工质泵中。
高压级透平14、中压级透平15和低压级透平16均与外部输出电机13相连，随透平做功驱动输出电机13发电，从而为外部机械提供电能。
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，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，其特征在于，包括采用掺氢燃料的X型转子发动机(1)以及采用氨水混合物为循环工质的蒸汽循环系统，其中，蒸汽循环系统包括过热器(6)、蒸发器(7)、分离器(8)、输出电机(13)，X型转子发动机(1)的高温排气出气口与过热器(6)的热源进口连通，过热器(6)的热源出口与蒸发器(7)的热源进口连通，蒸发器(7)的热源出口与大气连通；工质泵(11)的工质出口与蒸发器(7)的工质进口连通，蒸发器(7)的工质出口与分离器(8)的工质进口连通，分离器(8)的富氨蒸汽出口与过热器(6)的工质进口连通，过热器(6)的工质出口与透平发电机的工质进口连通进行发电，透平发电机与输出电机(13)连接。
2.根据权利要求1所述的一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，其特征在于，所述X型转子发动机(1)为反三角结构，采用(8)字型转子型线，以外旋轮线作为转子型线，外包络线作为缸体型线。
3.根据权利要求1所述的一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，其特征在于，分离器(8)的贫氨蒸汽出口与节流阀(9)的进口连通，节流阀(9)的出口与冷凝器(10)的入口连通，冷凝器(10)的出口与工质泵(11)的进口连通。
4.根据权利要求1所述的一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，其特征在于，还包括回热器(12)，工质泵(11)的工质出口与回热器(12)的工质入口连通，回热器(12)的工质出口与蒸发器(7)的工质进口连通；透平发电机的工质出口与回热器(12)的热源进口连通，回热器(12)的热源出口与冷凝器(10)的入口连通，冷凝器(10)的出口与工质泵(11)的进口连通。
5.根据权利要求1所述的一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，其特征在于，还包括分流阀(5)、一级储热再热器(3)、二级储热再热器(4)，X型转子发动机(1)的高温排气出气口与分流阀(5)的进气口连通，分流阀(5)的第一出气口与一级储热再热器(3)的热源进口连通，一级储热再热器(3)的热源出口与二级储热再热器(4)的热源进口连通，二级储热再热器(4)的热源出口与过热器(6)的热源进口连通，过热器(6)的热源出口与蒸发器(7)的热源进口连通，蒸发器(7)的热源出口与大气连通；分流阀(5)的第二出气口与过热器(6)的热源进口连通。
6.根据权利要求5所述的一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，其特征在于，透平发电机包括高压级透平(14)，中压级透平(15)和低压级透平(16)，过热器(6)的工质出口与高压级透平(14)的工质进口连通，高压级透平(14)的工质出口通过开关阀一(17)与中压级透平(15)的工质进口连通，中压级透平(15)的工质出口通过开关阀二(18)与低压级透平(16)的工质进口连通，低压级透平(16)的工质出口与回热器(12)的热源进口连通，回热器(12)的热源出口与冷凝器(10)的入口连通。
7.根据权利要求6所述的一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，其特征在于，处于低功率负荷工况情况下，开关阀一(17)和开关阀二(18)开启；处于高功率负载工况情况下，开关阀一(17)和开关阀二(18)关闭。
8.根据权利要求5所述的一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，其特征在于，透平发电机包括高压级透平(14)，中压级透平(15)和低压级透平(16)，过热器(6)的工质出口与高压级透平(14)的工质进口连通，高压级透平(14)的出口通过开关阀三(19)与一级储热再热器(3)的工质进口连通，一级储热再热器(3)的工质出口与中压级透平(15)的工质进口连通，中压级透平(15)的工质出口通过开关阀四(20)与二级储热再热器(4)的工质入口连通，二级储热再热器(4)的工质出口与低压级透平(16)的工质进口连通，低压级透平(16)的工质出口与回热器(12)的热源进口连通，回热器(12)的热源出口与冷凝器(10)的入口连通。
9.根据权利要求7所述的一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，其特征在于，处于低功率负荷工况情况下，开关阀三(19)和开关阀四(20)关闭；处于高功率负载工况情况下，开关阀一(17)和开关阀二(18)开启。
10.权利要求1-9中任一项所述的一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统的运行方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1以氢气、空气混合气体为助燃剂，向X型转子发动机(1)中通入助燃剂，X型转子发动机(1)内燃料与助燃剂充分燃烧产生的高温排气；
S2将高温排气通入蒸汽循环系统的过热器(6)、蒸发器(7)热源侧；蒸汽循环系统中，工质泵(11)将氨水混合物通入蒸发器(7)的工质侧吸收高温排气的热量得到氨水蒸汽，氨水蒸汽通入分离器(8)中得到富氨蒸汽，富氨蒸汽通入过热器(6)的工质侧吸收高温排气的热量后通入透平发电机中做功发电。
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