CN105386875A - 涡轮活塞混合动力*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种涡轮活塞混合动力***，其包括：发动机、燃气轮机和发动机燃料提供装置。发动机具有：发动机用进气口；以及发动机用出气口。燃气轮机包括：压气机、燃烧室、涡轮机、动力涡轮以及机匣。在根据本发明的涡轮活塞混合动力***中，将来自压气机的高压空气和来自发动机的高温高压燃气引入到燃烧室内混合燃烧，强化了燃烧过程，提升了燃烧品质，同时也提升了发动机整体热力循环效率。基于燃烧室的排气过程需通过动力涡轮膨胀做工，因此在膨胀做工过程中燃烧室排出的气体的温度相对发动机中排出的气体温度会大大降低，从而可明显提升红外隐身特性。
Description
技术领域
本发明涉及航空、航海、陆地车辆设备技术领域，尤其涉及一种涡轮活塞混合动力***。
背景技术
节能与高功重比是先进动力***的重要评价指标，为此，高功率与低油耗的组合循环发动机已成为未来动力***的发展趋势。
涡轮活塞组合循环发动机是一种兼顾常规活塞式柴油机油耗低且经济性好、燃气轮机功率密度高等优点的组合式动力***，它是能实现高功率密度、部分功率状态低油耗的创新型动力型式，其中的关键循环模式是柴油机与燃气轮机的联合循环(柴-燃联合循环)，在此循环模式中，经压气机压缩后的高增压比大流量空气被分流，分别进入燃气轮机与柴油机，燃气轮机与柴油机同时并联工作。在现有技术中(如图4所示)，柴油机(即发动机1)的气缸消耗高压空气后排出的燃气直接进入燃气轮机的涡轮机23中并与燃气轮机的燃烧室22排出的气体一起驱动动力涡轮24做功。
然而，柴油机的气缸消耗高压空气后排出的燃气为高压状态，温度较高且富含氧气，可直接引入燃气轮机的燃烧室中而被再次燃烧利用。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的一个目的在于提供一种涡轮活塞混合动力***，其能将压气机压缩后的高压空气与柴油机排出的高压、高温、富氧燃气这两种非均压异质气流引入燃气轮机的燃烧室中燃烧，强化了燃烧性能，提高了燃气轮机热力循环效率。
本发明的另一个目在于提供一种涡轮活塞混合动力***，其能避免柴油机的高压、高温、富氧燃气直接排放，提升了运载器红外隐身特性。
为了实现上述目的，本发明提供了一种涡轮活塞混合动力***，其包括：发动机、燃气轮机和发动机燃料提供装置。
发动机具有：发动机用进气口；以及发动机用出气口。
燃气轮机包括：压气机、燃烧室、涡轮机、动力涡轮以及机匣。压气机具有：压气机用进气口，用于引入外部的空气；以及压气机用出气口。燃烧室具有：燃烧室用进气口；以及燃烧室用出气口，设置在燃烧室的尾部。涡轮机具有：涡轮机用进气口，连通于燃烧室用出气口；以及涡轮机用出气口。动力涡轮具有：动力涡轮用进气口，连通于涡轮机用出气口；以及动力涡轮用出气口。机匣包裹燃烧室。
发动机燃料提供装置连通于发动机，向发动机提供发动机用燃料。
其中，从压气机用出气口排出的高压气体穿过机匣，经由燃烧室用进气口进入到燃烧室内，从发动机用出气口排出的高温高压燃气穿过机匣，经由燃烧室用进气口进入到燃烧室内，从而进入到燃烧室中的高压气体和高温高压燃气在燃烧室中混合燃烧，燃烧室中混合燃烧后形成高温高压的废气经由燃烧室用出气口穿过机匣并经由涡轮机用进气口进入涡轮机，涡轮机驱动压气机而使压气机压缩经由压气机用进气口引入到压气机内的空气，压缩后的空气变为高压气体并经由压气机用出气口排出，排出的高压气体分流而使一部分高压气体穿过机匣并经由燃烧室用进气口进入燃烧室而另一部分高压气体经由发动机用进气口进入发动机，发动机用燃料在发动机内燃烧，形成高温高压燃气并经由发动机用出气口排出，排出的高温高压燃气穿过机匣并经由燃烧室用进气口进入燃烧室内，如此往复循环工作。
本发明的有益效果如下：
在根据本发明的涡轮活塞混合动力***中，通过压气机用出气口和机匣引入到燃烧室内的来自压气机的高压空气与通过发动机用出气口和机匣引入到燃烧室内的来自发动机的高温高压燃气混合燃烧，强化了燃烧过程，提升了燃烧品质。同时，基于燃烧室与发动机的连通，可以充分利用发动机中的余能，从而提高了经由燃烧室用出气口排出的燃气的平均温度，并且提升了发动机整体热力循环效率。此外，在本发明的涡轮活塞混合动力***中，发动机无需直接向外排气，而是先将发动机排出的高温高压燃气引入到燃烧室中，然后通过燃烧室向外排气，基于燃烧室的排气过程需通过动力涡轮膨胀做工，因此在膨胀做工过程中燃烧室排出的气体的温度相对发动机中排出的气体温度会大大降低，从而可明显提升红外隐身特性。
附图说明
图1是根据本发明的涡轮活塞混合动力***的一实施例的***连接示意图(箭头只表示气体流向，不表示具体管道)，其中机匣只有一个第一引气孔和一个第二引气孔；
图2是根据本发明的涡轮活塞混合动力***的另一实施例的***连接示意图(箭头只表示气体流向，不表示具体管道)，其中机匣有多个第一引气孔和多个第二引气孔；
图3是根据本发明的涡轮活塞混合动力***的另一实施例的***连接示意图(箭头只表示气体流向，不表示具体管道)；
图4是现有技术中的涡轮活塞混合动力***的***连接示意图。
其中，附图标记说明如下：
1发动机231涡轮机用进气口
11发动机用进气口232涡轮机用出气口
12发动机用出气口24动力涡轮
2燃气轮机241动力涡轮用进气口
21压气机242动力涡轮用出气口
211压气机用进气口25机匣
212压气机用出气口251第一引气孔
22燃烧室252第二引气孔
221燃烧室用进气口253管道入孔
222燃烧室用出气口254管道出孔
23涡轮机3发动机燃料提供装置
具体实施方式
下面参照附图来详细说明根据本发明的涡轮活塞混合动力***。
参照图1至图3，根据本发明的涡轮活塞混合动力***包括：发动机1、燃气轮机2和发动机燃料提供装置3。
发动机1具有：发动机用进气口11；以及发动机用出气口12。
燃气轮机2包括：压气机21、燃烧室22、涡轮机23、动力涡轮24以及机匣25。压气机21具有：压气机用进气口211，用于引入外部的空气；以及压气机用出气口212。燃烧室22具有：燃烧室用进气口221；以及燃烧室用出气口222，设置在燃烧室22的尾部。涡轮机23具有：涡轮机用进气口231，连通于燃烧室用出气口222；以及涡轮机用出气口232。动力涡轮24具有：动力涡轮用进气口241，连通于涡轮机用出气口232；以及动力涡轮用出气口242。机匣25包裹燃烧室22。
发动机燃料提供装置3连通于发动机1，向发动机1提供发动机用燃料。
其中，从压气机用出气口212排出的高压气体穿过机匣25，经由燃烧室用进气口221进入到燃烧室22内，从发动机用出气口12排出的高温高压燃气穿过机匣25，经由燃烧室用进气口221进入到燃烧室22内，从而进入到燃烧室22中的高压气体和高温高压燃气在燃烧室22中混合燃烧，燃烧室22中混合燃烧后形成高温高压的废气经由燃烧室用出气口222穿过机匣25并经由涡轮机用进气口231进入涡轮机23，涡轮机23驱动压气机21而使压气机21压缩经由压气机用进气口211引入到压气机21内的空气，压缩后的空气变为高压气体并经由压气机用出气口212排出，排出的高压气体分流而使一部分高压气体穿过机匣25并经由燃烧室用进气口221进入燃烧室22而另一部分高压气体经由发动机用进气口11进入发动机1，发动机用燃料在发动机1内燃烧，形成高温高压燃气并经由发动机用出气口12排出，排出的高温高压燃气穿过机匣25并经由燃烧室用进气口221进入燃烧室22内，如此往复循环工作。
在根据本发明的涡轮活塞混合动力***中，通过压气机用出气口212和机匣25引入到燃烧室22内的来自压气机21的高压空气与通过发动机用出气口12和机匣25引入到燃烧室22内的来自发动机1的高温高压燃气混合燃烧，强化了燃烧过程，提升了燃烧品质。同时，基于燃烧室22与发动机1的连通，可以充分利用发动机1中的余能，从而提高了经由燃烧室用出气口222排出的燃气的平均温度，并且提升了发动机1整体热力循环效率。此外，在本发明的涡轮活塞混合动力***中，发动机1无需直接向外排气，而是先将发动机1排出的高温高压燃气引入到燃烧室22中，然后通过燃烧室22向外排气，基于燃烧室22的排气过程需通过动力涡轮24膨胀做工，因此在膨胀做工过程中燃烧室22排出的气体的温度相对发动机1中排出的气体温度会大大降低，从而可明显提升红外隐身特性。根据本发明的涡轮活塞混合动力***，在一实施例中，参照图1和图2，机匣25具有：第一引气孔251，与压气机用出气口212直接连通；以及第二引气孔252，与发动机用出气口12直接连通。燃烧室用进气口221设置在燃烧室22的外壁上同时连通于机匣25的第一引气孔251和机匣25的第二引气孔252。从压气机用出气口212排出的高压气体经由机匣25的第一引气孔251进入燃烧室用进气口221、再经由燃烧室用进气口221进入到燃烧室22中，从发动机用出气口12排出的高温高压燃气经由机匣25的第二引气孔252进入燃烧室用进气口221、再经由燃烧室用进气口221进入到燃烧室22中，从而进入到燃烧室22中的高压气体和高温高压燃气在燃烧室22中混合燃烧，燃烧室22中混合燃烧后形成高温高压的废气经由燃烧室用出气口222穿过机匣25并经由涡轮机用进气口231进入涡轮机23，涡轮机23驱动压气机21而使压气机21压缩经由压气机用进气口211引入到压气机21内的空气，压缩后的空气变为高压气体并经由压气机用出气口212排出，排出的高压气体分流而使一部分高压气体经由第一引气口及燃烧室用进气口221进入燃烧室22而另一部分高压气体经由发动机用进气口11进入发动机1，发动机1用燃料在发动机1内燃烧，形成高温高压燃气并经由发动机用出气口12排出，排出的高温高压燃气经由第二引气口及燃烧室用进气口221进入燃烧室22内，如此往复循环工作。在这里补充说明的是，在该实施例中，来自压气机21的高压气体经由机匣25的第一引气孔251首先进入机匣25的内腔中，然后通过燃烧室用进气口221自由流入燃烧室22中。同理，来自发动机1的高温高压燃气经由机匣25的第二引气孔252首先进入机匣25的内腔中，然后经由燃烧室用进气口221自由流入燃烧室22中。
在一实施例中，参照图1和图2，机匣25的第一引气孔251为一个或多个。
在一实施例中，参照图1和图2，机匣25的第二引气孔252为一个或多个。
在一实施例中，机匣25的第一引气孔251和机匣25的第二引气孔252可为同一个。在这种情况下，所述同一个也可为一个或多个。当所述同一个仅为一个时，可称为单口引气，单口引气同样能实现将压气机21放气与发动机1排气引入到燃烧室22中。进一步地，机匣25的第一引气孔251(或第二引气孔252)可经由三通管与压气机用出气口212和发动机用出气口12直接连通。
在一实施例中，参照图3，燃烧室22的燃烧室用进气口221设置在燃烧室22的头部。机匣25具有：入孔253，设置在机匣25的头部，以供连通压气机用出气口212和发动机用出气口12的管道穿过机匣25并连通燃烧室用进气口221，以直接向燃烧室22内供入气体；以及出孔254，设置在机匣25的尾部并连通于燃烧室用出气口222，燃烧室22内的高温高压的废气经由燃烧室用出气口222、出孔254以及涡轮机用进气口231进入涡轮机23内。在这里补充说明的是，在该实施例中，压气机用出气口212和发动机用出气口12均与燃烧室用进气口221直接连通，从而使压气机21中的高压空气和发动机1中的高温高压燃气不通过机匣25的内腔而直接进入燃烧室22中，机匣25与燃烧室22的这种结构设计同样能实现将压气机21的放气与发动机1的排气同时引入到燃烧室22中，且结构简单可靠。
在一实施例中，参照图3，燃烧室用进气口221为一个，燃烧室用进气口221可经由三通管与压气机用出气口212和发动机用出气口12直接连通。
在一实施例中，发动机1可为柴油机。
在一实施例中，燃烧室22可为环管燃烧室或环形燃烧室，但不仅限如此，还可根据具体的实际需要将燃烧室22设计成其它形状。
Claims (10)
1.一种涡轮活塞混合动力***，包括：
发动机(1)，具有：
发动机用进气口(11)；以及
发动机用出气口(12)；
燃气轮机(2)，包括：
压气机(21)，具有：
压气机用进气口(211)，用于引入外部的空气；以及
压气机用出气口(212)；
燃烧室(22)，具有：
燃烧室用进气口(221)；以及
燃烧室用出气口(222)，设置在燃烧室(22)的尾部；
涡轮机(23)，具有：
涡轮机用进气口(231)，连通于燃烧室用出气口(222)；以及
涡轮机用出气口(232)；
动力涡轮(24)，具有：
动力涡轮用进气口(241)，连通于涡轮机用出气口(232)；以及
动力涡轮用出气口(242)；以及
机匣(25)，包裹燃烧室(22)；
发动机燃料提供装置(3)，连通于发动机(1)，向发动机(1)提供发动机用燃料；
其特征在于，
从压气机用出气口(212)排出的高压气体穿过机匣(25)，经由燃烧室用进气口(221)进入到燃烧室(22)内，从发动机用出气口(12)排出的高温高压燃气穿过机匣(25)，经由燃烧室用进气口(221)进入到燃烧室(22)内，从而进入到燃烧室(22)中的高压气体和高温高压燃气在燃烧室(22)中混合燃烧，燃烧室(22)中混合燃烧后形成高温高压的废气经由燃烧室用出气口(222)穿过机匣(25)并经由涡轮机用进气口(231)进入涡轮机(23)，涡轮机(23)驱动压气机(21)而使压气机(21)压缩经由压气机用进气口(211)引入到压气机(21)内的空气，压缩后的空气变为高压气体并经由压气机用出气口(212)排出，排出的高压气体分流而使一部分高压气体穿过机匣(25)并经由燃烧室用进气口(221)进入燃烧室(22)而另一部分高压气体经由发动机用进气口(11)进入发动机(1)，发动机用燃料在发动机(1)内燃烧，形成高温高压燃气并经由发动机用出气口(12)排出，排出的高温高压燃气穿过机匣(25)并经由燃烧室用进气口(221)进入燃烧室(22)内，如此往复循环工作。
2.根据权利要求1所述的涡轮活塞混合动力***，其特征在于，
机匣(25)具有：
第一引气孔(251)，与压气机用出气口(212)直接连通；以及
第二引气孔(252)，与发动机用出气口(12)直接连通；
燃烧室用进气口(221)设置在燃烧室(22)的外壁上同时连通于机匣(25)的第一引气孔(251)和机匣(25)的第二引气孔(252)；
从压气机用出气口(212)排出的高压气体经由机匣(25)的第一引气孔(251)进入燃烧室用进气口(221)、再经由燃烧室用进气口(221)进入到燃烧室(22)中，从发动机用出气口(12)排出的高温高压燃气经由机匣(25)的第二引气孔(252)进入燃烧室用进气口(221)、再经由燃烧室用进气口(221)进入到燃烧室(22)中，从而进入到燃烧室(22)中的高压气体和高温高压燃气在燃烧室(22)中混合燃烧，燃烧室(22)中混合燃烧后形成高温高压的废气经由燃烧室用出气口(222)穿过机匣(25)并经由涡轮机用进气口(231)进入涡轮机(23)，涡轮机(23)驱动压气机(21)而使压气机(21)压缩经由压气机用进气口(211)引入到压气机(21)内的空气，压缩后的空气变为高压气体并经由压气机用出气口(212)排出，排出的高压气体分流而使一部分高压气体经由第一引气口及燃烧室用进气口(221)进入燃烧室(22)而另一部分高压气体经由发动机用进气口(11)进入发动机(1)，发动机(1)用燃料在发动机(1)内燃烧，形成高温高压燃气并经由发动机用出气口(12)排出，排出的高温高压燃气经由第二引气口及燃烧室用进气口(221)进入燃烧室(22)内，如此往复循环工作。
3.根据权利要求2所述的涡轮活塞混合动力***，其特征在于，机匣(25)的第一引气孔(251)为一个或多个。
4.根据权利要求2所述的涡轮活塞混合动力***，其特征在于，机匣(25)的第二引气孔(252)为一个或多个。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的涡轮活塞混合动力***，其特征在于，机匣(25)的第一引气孔(251)和机匣(25)的第二引气孔(252)为同一个。
6.根据权利要求5所述的涡轮活塞混合动力***，其特征在于，机匣(25)的第一引气孔(251)经由三通管与压气机用出气口(212)和发动机用出气口(12)直接连通。
7.根据权利要求1所述的涡轮活塞混合动力***，其特征在于，
燃烧室(22)的燃烧室用进气口(221)设置在燃烧室(22)的头部；
机匣(25)具有：
入孔(253)，设置在机匣(25)的头部，以供连通压气机用出气口(212)和发动机用出气口(12)的管道穿过机匣(25)并连通燃烧室用进气口(221)，以直接向燃烧室(22)内供入气体；
出孔(254)，设置在机匣(25)的尾部并连通于燃烧室用出气口(222)，燃烧室(22)内的高温高压的废气经由燃烧室用出气口(222)、出孔(254)以及涡轮机用进气口(231)进入涡轮机(23)内。
8.根据权利要求7所述的涡轮活塞混合动力***，其特征在于，燃烧室用进气口(221)为一个，燃烧室用进气口(221)经由三通管与压气机用出气口(212)和发动机用出气口(12)直接连通。
9.根据权利要求1所述的涡轮活塞混合动力***，其特征在于，发动机(1)为柴油机。
10.根据权利要求1所述的涡轮活塞混合动力***，其特征在于，燃烧室(22)为环管燃烧室或环形燃烧室。
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