一种带热能回收的开放式发动机的制作方法

本发明涉及一种带热能回收的开放式发动机。

背景技术：

1、近代以来，众多科技领域取得了突飞猛进得发展，但是在基于化学燃料的发动机热效率方面，长期以来却停滞不前，1960年汽油内燃机最高热效率大约30%，到2020年最高热效率大概为40%，70年时间才提高10%左右，其发展已经进入明显的瓶颈期。

2、燃煤发电厂是中国电力生产的绝对主力，燃煤发电厂主要采用外燃机进行发电，即通过锅炉产生蒸汽，推动汽轮机进行发电；其发电效率在35%-45%之间，要达到45%的热效率，必须使用超超临界技术和最新型蒸汽机组，其投入成本是非常巨大的；部分热电厂通过热电联产可达到70%的热效率，但这是在特殊条件下的高效率，不具有普遍的参考意义。

3、热电厂的外燃机发电方式需要大量的水资源，除了非生产用水，生产用水占比95%左右，其中包括蒸汽的循环用水和冷却用水，而冷却用水是其中的主要消耗部分，由于新技术的采用，火电厂发电平均水耗逐年降低，但其用水总量仍然是一个不可忽视的因素。

4、火力发电厂的污染是多方面的，包括了尘粒、废气、废水、废渣和噪声等，而其中废气由于其高度扩散性和区域影响力，一直是治理的焦点所在，而日益严格的排放标准和监管要求，也让火力发电厂在环保治理方面背负更多的责任。

5、垃圾焚烧作为解决城市生活垃圾问题的有效手段，是近年来的热点话题；垃圾焚烧发电由于其燃料的特殊性和更高的环保要求，其发电效率一般较低；垃圾焚烧以垃圾的无害化处理为首要目的，其中二噁英的处理是重点，一般采用多级焚烧方式，典型的是采用二级燃烧设计，一级燃烧室温度控制在700度以下，并保持相对缺氧的环境以抑制二噁英的产生，达到垃圾的低温热分解目的，之后将一级燃烧室产生的气体引入二级燃烧室进行富氧高温燃烧，以保证二噁英等有毒气体的彻底燃烧分解；由于国内相关技术发展的相对滞后，部分重要设备需依靠进口。

技术实现思路

1、本发明提供一种带热能回收的开放式发动机，通过热能回收提高整机热效率并进行自冷却，支持使用多种燃料，并优化了对固体粉末、高粉尘燃料的支持；也可直接输入能量气流的进行能量转换。

2、实现本发明目的的技术方案：在开放式结构的基础上，通过创新的一体化内外扇叶转筒设计，利用转筒的外扇叶增强外涵道气流进行热能回收并自冷却，气流通过首端的换向器组件实现方向逆转，与内涵道主气流汇合后增强总能量；转筒内部优化设计的阿基米德螺旋扇叶在气流的推动下将动能转换为径向旋转能量，通过齿轮（或皮带轮）输出动力:

3、1）具有热能回收的开放式结构：本发明在开放式结构的基础上，采用双涵道设计，利用外涵道作为冷却和辅助进气预热通道进行热能回收； 如图1所示，高温高压气流（或预燃气流）从主进气口（8）进入内涵道，通过优化的螺旋扇叶组（10）后，其轴向动能转换为径向的旋转动能；在转筒转动的同时，转筒外围扇叶（4）的转动，将冷却气流从尾端进气口（1）吸入，通过转筒外扇叶（4）的加速作用，冷却气流沿外涵道吸收热量到达首端换向器（7），冷却气流通过气孔群方向逆转后以一定的角度（可调整）进入内涵道，与内涵道的主气流叠加后能量增强，进一步推动螺旋扇叶组（10）的旋转，通过动力齿轮（3）输出动力。

4、2）可选启动方式和运行模式：如图1所示，首端换向器功能插件孔位（6）安装有燃料喷口（液体或气体）、点火针和温度传感器，可在温度感应的基础上，控制点火针点火并喷入燃料实现系统的启动运转；在单独使用内置燃料喷口供应燃料且无外部辅助动力的情况下，可在端口封板卡口（8）处插入相应规格的封板（符合厚度和直径要求），燃料通过电火花点燃后产生爆燃，主进气口封闭情况下，换向器气孔群总面积远小于内涵道通过面积，膨胀气流将主要作用于螺旋扇叶而推动其转动，正常运转后即可撤掉主进气口封板，通过主进气口增加进气量后，可加大燃料供应量，提高运行功率。

5、3）一体化内外扇叶转筒设计:创新设计的转筒是本发明的核心部件，转筒外围安装增压涡轮叶片（或斜面叶片），其气流作用方向朝向首端换向器，转筒内部安装优化的阿基米德螺旋叶片，其优化特征在于实现轴向的气流全阻挡，杜绝无功气流的通过，实现能量的最大转换；由于螺旋叶片将轴向气流转换为旋转涡旋气流，对固体颗粒和粉尘具有强大的输送和冲刷效果，可确保固体颗粒废渣顺利通过内涵道到达出气口，速度下降后在重力的作用下通过固体颗粒分离口进行沉降处理。

6、4）高效热能回收系统：本发明的进气口设置于发动机尾端，与尾气完全隔离；空气沿外涵道从低温区向高温区前进并吸收热量，温度升高且体积膨胀；通过转筒外压气扇叶的压缩，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；通过首端换向器的气孔群逆转方向后进入内涵道，与内涵道的主气流混合，如果主气流中有未完全燃烧成分，在高温富氧的环境下将会充分燃烧并释放能量。

7、5）可控的成本优势：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，以通用的圆管为主，非高温部件可适当降低材料规格；高温部件可提高材料规格，也可采用310s不锈钢材料并表面喷涂耐高温材料（如氮化硅），除了两端的轴承外（建议采购专业轴承），整机对加工精度没有特别要求，总体成本相对低廉。

8、6）节约水资源：使用冷空气进行热能回收的同时实现了设备自冷却，不需要使用水或其它介质进行冷却，这是从根本上节约水资源的设计。

9、7）控制有害尾气排放：整机的开放式结构是偏向于流量型燃烧的，有别于压力型燃烧其总体压力偏低，只有首端换向器之后富氧阶段下短时高温阶段，通过燃料总量的供给控制可以调节最高温度；由于压力较低氮氧浓度相对较低，且高温驻留时间短暂，可保证产生的氮氧化物出于较低水平。

10、本发明的燃煤适应性优化：在使用煤粉作为燃料的前提下，可配合煤粉燃烧器一起使用，也可将首端换向器功能插件孔位的燃料喷口改良为粉末进料口；燃料喷入并点火后系统开始正常运转后，煤粉燃烧器可适当调高煤粉占比，燃煤燃烧器只实现煤粉的初步预燃即可，未充分燃烧的预燃气流与换向器气孔群的高温富氧空气混合后将得到充分燃烧，提高整体效率和功率。

11、本发明的垃圾焚烧适应性优化：本发明的带热能回收的开放式发动机可以作为垃圾焚烧的二级燃烧器，首端换向器功能插件孔位分别安装辅助燃料喷口（液体或气体）、点火针和温感器，将一级燃烧室的气体通过封闭管道接入到发动机的主进气口，相对低温的未完全燃烧气流与换向器的富氧高温气流混合后将得到充分燃烧，通过温感器反馈，点火装置在燃烧温度未达要求时点火并喷入辅助燃料（燃油或燃气）进行助燃，确保系统的正常运行，可实现有害气体的高效处理并带动发电设备发电。

技术特征：

1.一种带热能回收的开放式发动机，其特征在于：采用开放性结构，内涵道为轴向贯通式，沿主气流行进方向依次设置前端换向器、前端轴承、一体化内外扇叶转筒、外涵道壳体、动力齿轮、尾端轴承和尾端进排气组件，形成贯通式主循环通道。

2.根据权利要求1所述的一种带热能回收的开放式发动机，其特征在于：采用双涵道设计，利用外涵道作为冷却和辅助进气预热通道进行热能回收；与尾气完全隔离；内涵道从发动机尾端开始依次设置冷却进气口、压气扇叶和前端换向器，形成逆向汇合式的辅助循环通道。

3.根据权利要求1所述的一种带热能回收的开放式发动机，其特征在于：系统核心动力部件为一体化内外扇叶转筒，转筒外围安装增压涡轮叶片（或斜面叶片），其气流作用方向朝向首端换向器；转筒内部安装优化的阿基米德螺旋叶片，其优化特征是无中心轴状态下的轴向投影面全阻挡。

4.根据权利要求1所述的一种带热能回收的开放式发动机，其特征在于：轴承安装于外涵道外侧区域，避开高温区域，使用相应壳体的突出部分形成保护罩。

5.根据权利要求1所述的一种带热能回收的开放式发动机，其特征在于：一体化内外扇叶转筒通过预留导轨槽进行内外扇叶的安装，轴承套支撑结构设置在外扇叶相邻导轨槽居中位置。

6.根据权利要求1所述的一种带热能回收的开放式发动机，其特征在于：前端换向器预留功能插孔，采用标准螺纹接口，可根据需要安装喷油嘴、点火针、温度传感器等功能插件。

7.根据权利要求1所述的一种带热能回收的开放式发动机，其特征在于：前端换向器外侧预留主进气口封板卡口。

8.根据权利要求1所述的一种带热能回收的开放式发动机，其特征在于：外涵道壳体采用分离式设计，通过预留孔位采用螺栓、螺母进行连接和紧固，外涵道壳体在动力齿轮部位采用半圆形与尾端组件进行连接。

9.根据权利要求1所述的一种带热能回收的开放式发动机，其特征在于：尾端进排气组件具有冷却气进气口、固体颗粒沉降口和排气口，冷却气进气口通过尾端封板与排气口隔离，固体颗粒沉降口可连接沉降池，实现废气封闭并进行废渣收集和处理。

技术总结本发明涉及一种带热能回收的开放式发动机，采用开放性结构，可支持多种燃料的喷入燃烧或直接输入高能气流；能量气流通过转筒内优化设计的阿基米德螺旋扇叶将动能转换为径向旋转能量，通过齿轮输出动力，形成贯通式主循环通道；使用一体化内外扇叶的转筒，利用外涵道作为冷却和进气预热通道进行热能的回收；冷却气从尾端进气口进入，沿管壁吸收内涵道的热量，经转筒外扇叶增压加速，通过首端换向器实现方向逆转后汇入内涵道，形成辅助循环并提升主循环能量；对热能的回收利用可提高热效率；外涵道快速冷却气流可降低整机运行温度；优化的螺旋扇叶可对固体颗粒进行高效清理和疏通，拓展优化了使用固体颗粒燃料的场景（如燃煤和垃圾焚烧发电等）。技术研发人员：潘信睿,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：2024/7/18