一种带热能回收的涡轮轴发动机的制作方法

本发明涉及一种带热能回收的涡轮轴发动机。

背景技术：

1、基于化学燃料的发动机热效率普遍不高，从外燃机到内燃机，目前主流发动机的最高热效率一般在40%左右，而热电厂的综合热效率可以提高到70%左右，其效率提高主要来自于热能的回收利用，包括冷却热的循环利用和热电联产综合利用等，其直接发电效率一般也在40%左右。

2、传统涡轮喷气发动机热效率一般不超过30%，其高温高压的尾气带走了大部分的能量；而传统涡扇、涡浆和涡轴发动机通过综合手段提高了能量的利用，降低了尾气的温度，将热效率提高到40%以上，其核心主要是加大了对动力涡轮的能量提取，通过轴输出将其转换为额外动力。

3、电气化的普及浪潮下，电动机的高功率密度和高效率（90%以上）让传统发动机日益相形见绌，甚至可以说是降维打击；而电动机必须配合相应的电源供给，在没有外部电源的情况下，采用储能电池是一个普遍的方法，而目前电池的技术瓶颈（包括能量密度、安全性和寿命等），以及出于总成本和生命周期内总排放等综合考虑，电气化路线存在争议和分歧。

4、 1)纯电模式下电能主要来源于电网，而我国主要电力来源为火力发电厂，火力发电一般以燃煤为主，其排放可以集中处理，但其污染也无可避免；而大功率充电在用电高峰时也将对电网造成一定的压力。

5、 2)增程和混动模式下，增程器或发动机热效率依然是整机效率的决定因素，现有方案是让增程器和发动机工作在高效率区间，其热效率高低决定了整体使用成本。

6、 3)清洁能源（包括风电、太阳能等）的高投入成本和不稳定因素，使其未能成为主流，部分甚至沦落到依靠补贴生存的境地。而可再生燃料（包括生物柴油、醇类等）由于其适用性问题，推广存在一定难度，目前主流活塞式内燃机在燃料选择方面并不具普适性。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种创新结构的带热能回收的涡轮轴发动机，通过热能回收提高整机热效率，并支持使用多种燃料（包括普通石化燃料和可再生燃料）。

2、实现本发明目的的技术方案：通过创新的结构优化和组合，重新设计结构简约可靠、更具成本优势的涡轮喷气发动机作为核心机，并增加外涵道作为热能回收装置，实现内涵道的冷却和空气的预热。大大提高整机热效率。

3、1）全新结构的涡轮发动机：本发明采用双涵道设计，利用外涵道作为冷却和进气预热通道进行热能回收，过滤后的空气从发动机尾端的进气口（1）进入，沿管壁吸收内涵道的热量后，通过压气涡轮（6）增压，经过锥形通道（7）进入燃烧室（9），燃料以切线方向从燃料喷口（3）喷入圆形沟槽（8），在高温高压气流的作用下，燃料迅速蒸腾并与空气充分混合燃烧，形成高温高压气体，推动动力涡轮（10）转动，通过轴端的皮带轮（4）（或齿轮）输出动力。

4、2）简单可靠的启动方式：在发动机启动时电子点火针（2）通过高压产生电火花，燃料沿切线方向从燃料喷口（3）喷入圆形沟槽（8）后，接触到电火花后产生爆燃，在燃烧室（9）内形成高温高压气体，由于动力涡轮（10）方向的受力面积远大于压气涡轮（6）方向的受力面积，动力涡轮（10）将正常转动并带动压气涡轮（6）转动，在达到正常的转速后，空气在吸收内涵道外壁热能和压气机（6）的作用下，其温度将大幅度提高，燃烧室（9）也一直维持燃烧状态，此时只需要控制燃料的喷入量即可调节动力的输出，点火针（2）不再工作。

5、3）高效的热能回收系统：本发明的进气口设置于发动机尾端，与尾气排放完全隔离；空气从低温区向高温区行进并吸收热量，温度升高且体积膨胀；通过压气涡轮的压缩，空气温度进一步升高，而体积膨胀则受到控制甚至转为压缩；由于进入燃烧室的空气温度较高，只需要少量的燃料即可维持燃烧室的高温高压状态，通过对压气涡轮和动力涡轮级数的精确配比、燃料的供给控制和尾气含氧量的检测，可以实现高效率的稀薄燃烧，实现热效率的提升。

6、4）更可控的成本优势：传统涡轮发动机大多采用异形结构设计，对工艺和材料都有着较高的要求。本发明结构简约可靠，加工难度低，可采用通用型材料（如310s不锈钢）作为主体材料，以通用的圆管或圆柱型材为主，高温燃烧室、动力涡轮和主轴（非连接紧固部位）可喷涂高温陶瓷材料（如氮化硅）。燃料喷嘴和点火针都可选用通用型组件，只需对接口进行适配即可。

技术特征：

1.一种带热能回收的涡轮轴发动机，其特征在于：采用双涵道设计，内外涵道通过支撑结构和螺丝进行固定；内涵道依次设置压气涡轮室、锥形通道、燃烧室和动力涡轮室，外涵道在发动机的尾端设置了进气口，以及和内涵道相连的封闭端板，在外涵道的压气涡轮端外侧设置了动力输出装置（皮带轮或齿轮），主轴通过动力端轴承和尾端轴承进行安装，压气涡轮和动力涡轮通过卡口和紧固螺母安装在主轴上。

2.根据权利要求1所述的一种带热能回收的涡轮轴发动机，其特征在于：在燃烧室内有圆形沟槽，其开口方向平行于主轴并朝向动力涡轮端，燃料喷口安装在圆形沟槽切线方向并垂直主轴平面。

3.根据权利要求1所述的一种带热能回收的涡轮轴发动机，其特征在于：在燃烧室内有点火针孔，其位置靠近圆形沟槽开口方向，点火针垂直于主轴平面进行安装。

4.根据权利要求1所述的一种带热能回收的涡轮轴发动机，其特征在于：在压气涡轮和燃烧室之间设置收敛状锥形通道，空气沿锥形通道通过后体积得到压缩，温度进一步升高。

5.根据权利要求1所述的一种带热能回收的涡轮轴发动机，其特征在于：燃烧室采用类半圆球状设计，半圆开口朝向动力涡轮方向。

6.根据权利要求1所述的一种带热能回收的涡轮轴发动机，其特征在于：燃烧室内壁、主轴和动力涡轮均可喷涂耐高温材料（如氮化硅）。

7.根据权利要求1所述的一种带热能回收的涡轮轴发动机，其特征在于：压气涡轮和动力涡轮的级数均可根据实际需要进行调整。

技术总结本发明涉及一种带热能回收的涡轮轴发动机，以创新结构设计的涡轮喷气发动机作为核心，利用外涵道作为冷却和进气预热通道进行热能的回收；过滤后的空气从尾端进气口进入，沿管壁吸收内涵道的热量后，通过压气机增压进入燃烧室，与燃料充分混合燃烧，形成高温高压气体，推动动力涡轮转动，通过轴端的皮带轮（或齿轮）输出动力；由于对热能进行充分回收利用，热效率得到极大提高；利用低温空气对内涵道快速冷却，整机温度得到良好控制，降低材料要求和成本；通过对燃料供给的控制，并采用稀燃技术，降低污染物的排放；整机具有较高的功率密度；可使用多种燃料，具有普适性和良好的成本效益。技术研发人员：潘如奎受保护的技术使用者：潘如奎技术研发日：技术公布日：2024/6/18