TWM451320U - 噴射發動機之整合電力及噴射推進裝置 - Google Patents

Description

噴射發動機之整合電力及噴射推進裝置

此創作相關於航空噴射發動機領域，此系統主要為燃料電池結合一個噴射氣流的分流及導流裝置；本裝置運用燃料電池生電化學反應，再配合燃燒器中的燃燒反應，噴射發動機便能以較高的效率進行燃料中的能量轉換，並可進一步再利用燃燒燃料所產生高溫高速噴流，將噴流的一部份作為協助發電用，以此產生之電力除載具本身使用外，也可用來驅動馬達而轉動噴射發動機之壓縮器，以此產生之流體質流量變化；而另一部份的噴流則產生推力所需之速度差，兩種效應便可產生噴射發動機之推進力。

飛行器用發動機，即航空引擎，目前是主要藉由石化燃料的燃燒來釋放其熱能，並經由活塞曲軸或渦輪來帶動引擎的螺旋槳或扇葉再對流體做功而產生推力，因推力迫使空氣流體流經機翼表面而產生升力，令飛具得以浮升並飛行；其所排放物及所用燃料，同樣於它種運用石化燃料驅動之內燃機之交通工具，皆受限於有限儲量之石化燃料，以及會排放溫室效應氣體。為因應日趨嚴峻之消耗需求，及減低對環境的衝擊，現已有數種設計致力於避開使用石化燃料，並嘗試滿足環保的要求。

要取代現有之石化燃料並可作為空用發動機燃料的諸多選擇中，氫燃料是可考慮的來源之一；已知在同樣的能量釋放下，液 氫重量幾為現有航空燃油的三分之一，且只放出水及少量的氮氧化物；再回顧航空用發動機的發展歷史，可得知早期之航空用渦輪噴射發動機，已有使用氫燃料的紀錄：西元1957年美國空軍已實際改裝一架B-57轟炸機作為測試並成功試飛，而近期則有如波音航太，將氫燃料電池作為能源轉換方式成功試飛一架小型有人飛機。如此來看，以氫燃料做為燃料來源，並據此加以發展之航空用發動機，截至目前公開證實的訊息，大致可分為直接燃燒產生熱能及先轉為電能後再加以利用兩種。

直接燃燒方式是以習知之現有渦輪扇葉噴射發動機，加以改裝以便可用來燃燒液氫而輸出熱能，以歐洲空中巴士航太公司所公佈之“Liquid Hydrogen Fuelled Aircraft-System Analysis”此文件為例，內文中提及數種改裝現役引擎之構想，包括直接將液氫注入燃燒，以及運用液氫冷卻高壓壓縮器段、冷卻渦輪散熱空氣以提高操作極限，或是以引擎出口排放廢熱來預熱液氫，以增進燃燒效率；總合以上之設計，根據計算模擬所得之性能結果皆較使用現有石化燃料引擎有所增進。

另一種方式是先轉換成電能，再以馬達驅動螺旋槳，或者導風扇來做為推進動力。此種電能驅動推進裝置，如以現有燃料電池的電化學反應做為轉換方式，其轉換效率將優於上述之現有化學燃燒轉換方式，而此種設計已有實體驗證，比如波音航太所製做之試飛機，然而截至西元2012年為止，如歐盟研究機構所贊助研發的新機，RAPID 200 FC小形單人螺旋槳動力座機，速度上為150 Km/hr左右，續航力45分鐘，若以通勤為需求者則尚可，且有達成碳排放 物定點回收之可能性，但以區間飛行甚至大型越洋飛行需求來說，則至少要求更高的飛行速度，是故噴射化依然是不可避免的需求。

在設計上，本創作中引擎系統可考慮由電動馬達來帶動扇葉及壓縮機來產生大部份推力，所以不一定要由燃燒器後的渦輪器來帶動壓縮器，故可視狀況與以省略渦輪器，改將燃燒器後直接裝配整合之燃料電池發電組及噴射流分流系統，而裝有渦輪器的噴射引擎也可加裝；此裝置相對於傳統構型的發動機，傳統發動機其發電方式多由渦輪段驅動壓縮器高壓段轉軸，連接傳動軸帶動機械式發電機；而燃料電池從發電系統來看，比傳統發電機具有更高能源轉換效率，並可減少在渦輪器取消後，高速噴流直接排出而造成能量浪費的情形；一方面來說，在所有種類的燃料電池中，固態熔融燃料電池本身因為需要相對高溫才適合運作，而這導致電池性能需要起動時間長、需要良好之隔熱及加熱系統、造價高等不利狀況，但若將其整合在燃氣渦輪引擎這種本來就是在高溫操作的環境下，反而成了合適之優點，還有加上電池本身在所有燃料電池中，具有高轉換效率和低排放(相對於傳統內燃引擎的排放量)特點，已經有西門子-西屋電氣和勞斯萊斯等廠家做成之SOFC-GT複合發電系統；本設計也類似於此種系統，但為一種開放式熱力循環，相比於發電用途者更為結構緊湊，以用於交通載具的推進上；而相對於某些將燃料電池整合在燃氣渦輪引擎的燃燒段中的設計，本設計更能避免複 雜的穩定貧油燃燒、及燃料電池發電時氣體擴散時，同時相互干涉之溫度或壓力不穩的狀況，可簡化燃燒室設計及控制程序。

第1圖

10‧‧‧燃料電池暨噴射流分流裝置

11‧‧‧高溫噴流加速導片

12‧‧‧高壓空氣連接口

13‧‧‧噴射流導流結構

14‧‧‧燃料管

15‧‧‧重組器

16‧‧‧噴射流分流結構

17‧‧‧電力分配系統

18‧‧‧內層間隔

19‧‧‧燃料電池

20‧‧‧會合整流結構

21‧‧‧裝置外殼

27‧‧‧外層間隔

28‧‧‧燃料電池暨噴射流分流裝置圖示剖面線

第2圖

15‧‧‧重組器

17‧‧‧電力分配系統

19‧‧‧燃料電池

22‧‧‧壓縮器

23‧‧‧馬達發電機

24‧‧‧轉軸

25‧‧‧燃燒器

26‧‧‧渦輪器

300‧‧‧未重組化之燃料

301‧‧‧供應燃燒器未重組化之燃料

302‧‧‧供應重組器未重組化之燃料

303‧‧‧重組化之燃料

310‧‧‧供應燃燒器之加壓空氣

311‧‧‧供應燃料電池之加壓空氣

320‧‧‧供應電力

321‧‧‧驅動馬達發電機之供應電力

322‧‧‧供應載具電力

331‧‧‧燃燒器產生之高溫高壓噴流

332‧‧‧分流之高溫高壓噴流

333‧‧‧加熱重組器之高速噴流

334‧‧‧會流後排出之高速噴流

341‧‧‧燃料電池反應後剩餘氣流

第3圖

15‧‧‧重組器

17‧‧‧電力分配系統

19‧‧‧燃料電池

22‧‧‧壓縮器

23‧‧‧馬達發電機

24‧‧‧轉軸

25‧‧‧燃燒器

300‧‧‧未重組化之燃料

301‧‧‧供應燃燒器未重組化之燃料

302‧‧‧供應重組器未重組化之燃料

303‧‧‧重組化之燃料

310‧‧‧供應燃燒器之加壓空氣

311‧‧‧供應燃料電池之加壓空氣

320‧‧‧供應電力

321‧‧‧驅動馬達發電機之供應電力

322‧‧‧供應載具電力

331‧‧‧燃燒器產生之高溫高壓噴流

332‧‧‧分流之高溫高壓噴流

333‧‧‧加熱重組器之高速噴流

334‧‧‧會流後排出之高速噴流

341‧‧‧燃料電池反應後剩餘氣流

第1圖係本創作之燃料電池暨噴射流分流裝置上半部剖視圖

第2圖係本創作之分流裝置整合於含渦輪機之噴射發動機之系統圖

第3圖係本創作之分流裝置整合於不含渦輪機之噴射發動機之系統圖

以上3圖皆非以實際比例尺度繪出

請參閱第1示意圖，本圖顯示燃料電池暨噴射流分流裝置10之剖面圖。本裝置以軸心方向向後，自前方以高溫噴流加速導片11和引擎燃燒器或渦輪器連接，高溫噴流加速導片11往後接有噴射流導流結構13，噴射流導流結構13後裝有重組器15，兩者間有間璧隔開，而重組器15外接一個燃料管14，後方再結合一燃料電池19，燃料電池19則外接一電力分配系統17，而燃料電池19和噴射流之間有一內層間隔18，重組器15則是和高速噴射流間隔有一噴射流分流結構16，此外，內層間隔18往後延伸則有會合整流結構20，會合整流結構20外部則包含著裝置外殼21，裝置外殼21前端結合高壓空氣連接口12，而裝置外殼21和噴射流導流結構13、燃料電池19及外層間隔27之間的間隙通路構成燃料電池19的空氣陽極反應路徑；而重組器15、噴 射流分流結構16、燃料電池19、內層間隔18、外層間隔27及會合整流結構20形成燃料電池19的燃料陰極反應路徑。

燃料電池暨噴射流分流裝置在操作上，請參閱第1、第2及第3示意圖，其中第2示意圖所示是一種將燃料電池暨噴射流分流裝置整合於發動機的渦輪器之後的系統流程圖，是將第1圖引入之燃料電池暨噴射流分流裝置10中各部份元件分別獨立描繪，以方便表達其功能及運作方式。首先如第1圖中，加壓空氣311自引擎的壓縮器22經管路連接到高壓空氣連接口12，再經由裝置中的空氣反應路徑流過燃料電池19；而同一時間，如第2圖示，自燃燒器25燃燒燃料301後所產生的高溫高壓噴流331，進入渦輪機26做功驅動轉軸24而轉動馬達發電機23，以及壓縮器22吸入空氣來加壓，以便供燃燒器25燃燒燃料使用，再排出的高溫高壓噴流331進入如第1圖示中裝置10的高溫噴流加速導片11而加速，再通過第1圖示中裝置10的噴射流導流結構13而折向，並通過第1圖示中裝置10的噴射流分流結構16，，而此時一部份的高溫高速噴射流332會分流流過如第2圖示中的重組器15，而主要部份之高溫高速噴射流334則如第2圖示，直接排出裝置；如第1圖示中重組器15中此時由燃料管14供應燃料302，並且因有高速噴射流332的加熱，促使重組器15中所含的觸媒產生重組反應，而使燃料302轉換成脫碳且富含氫之燃料303，燃料303再經流道進入燃料電池19，和已送達之加壓空氣311一起參與電化學反應，產生如第2圖示中之電力320，並經電力分配 系統17送至調頻器作電力調變322，以供載具其它系統使用，另外可進一步供應驅動引擎扇葉和壓縮器22之馬達23所需之電力321。如第1圖中所示，流過重組器15和噴射流分流結構16之高速氣流333再度導回主要高溫高速噴射流334中；而由於內層間隔18的阻隔，從而避免高溫高速噴射流334中的碳影響燃料電池19的反應，而燃料電池19反應後的產物，如第2圖中所示的加壓空氣暨剩餘之重組燃料，即反應剩餘氣流341，則再導入主要的噴射流334中，一起以高速排放出裝置10及噴射引擎外，便可造成速度差來提供引擎所需之推力。

又如第3圖所示，這是一種將燃料電池暨噴射流分流裝置整合於發動機燃燒器之後的系統流程圖，其將第1圖引入之燃料電池暨噴射流分流裝置10中各部份元件分別獨立描繪，以方便表達其功能及運作方式。首先如第1圖中，加壓空氣311自引擎的壓縮器22經管路連接到高壓空氣連接口12，再經由裝置中的空氣反應路徑流過燃料電池19；而同一時間，如第3圖所示，自燃燒器25燃燒燃料301後所產生的高溫高壓噴流331，直接進入如第1圖示中裝置10的高溫噴流加速導片11而加速，再通過第1圖示中裝置10的噴射流導流結構13而折向，並通過第1圖示中裝置10的噴射流分流結構16，而此時一部份的高溫高速噴射流332會分流流過如第3圖示中的重組器15，而主要部份之高溫高速噴射流334則如第3圖示，直接排出裝置；如第1圖示中重組器15中此時由燃料管14供應燃料302，並且因有高 速噴射流332的加熱，促使重組器15中所含的觸媒產生重組反應，而使燃料302轉換成脫碳且富含氫之燃料303，燃料303再經流道進入燃料電池19，和已送達之加壓空氣311一起參與電化學反應，產生如第3圖示中之電力320，並經電力分配系統17送至調頻器作電力調變322，以供載具的其它系統使用，另外可進一步供應驅動馬達發電機23，以便其馬達發電機23經轉軸24驅動發動機壓縮器22，以吸入空氣加壓供燃燒器25燃燒燃料301，以產生高溫高壓噴流331。又如第1圖中所示，流過重組器15和噴射流分流結構16之高速氣流333再度導回主要高溫高速噴射流334中；而由於內層間隔18的阻隔，從而避免高溫高速噴射流334中的碳影響燃料電池19的反應，而燃料電池19反應後的產物，如第3圖中所示的加壓空氣暨剩餘之重組燃料，即反應剩餘氣流341，則再導入主要的噴射流334中，一起以高速排放出裝置10及引擎外，便可造成速度差來提供引擎所需之推力。

如第1、第2及第3圖中所示，燃料電池19可為片狀或瓦狀之固體氧化物燃料電池，也可改為筒狀式，其細部流路及其它尺寸參數則隨之而調整；而燃料電化學反應後產生的水，則排放至高溫高速的噴射氣流中，被氣化成水蒸氣而排出發動機。重組器對燃料行重組反應後，所形成之碳排放物，其集中回收管路為求簡化並無顯示在圖示中；此外為求整體噴射發動機之性能最佳化，其它型態的燃料電池也並非排除在本創作採用形式的可能性之外。噴射發動機雖以航空 載具使用者居多，但其功能上先天並非只限定於航空使用，是故本創作之噴射發動機整合電力及噴射推進裝置並非只限定於航空用途，而包含任何需求使用到該裝置其產生的推力及電力之狀況。

10‧‧‧燃料電池暨噴射流分流裝置

11‧‧‧高溫噴流加速導片

12‧‧‧高壓空氣連接口

13‧‧‧噴射流導流結構

14‧‧‧燃料管

15‧‧‧重組器

16‧‧‧噴射流分流結構

17‧‧‧電力分配系統

18‧‧‧內層間隔

19‧‧‧燃料電池

20‧‧‧會合整流結構

21‧‧‧裝置外殼

27‧‧‧外層間隔

28‧‧‧燃料電池暨噴射流分流裝置圖示剖面線

Claims (7)

1. 一種整合噴射發動機之電力及噴射推進裝置，其構造上包含：噴射發動機，並在發動機尾端結合電力及噴射推進裝置；噴射發動機之構造至少包含壓縮器、轉軸、馬達發電機、燃燒器，並形成一序列之噴射流道，且可再附加渦輪機；電力及噴射推進裝置其構造自外而內，以流場方向由前向後排序，包含裝置外殼、燃料管、高壓空氣連接口、電力分配系統、外層間隔、高溫噴流加速導片、噴射流導流結構、重組器、燃料電池、噴射流分流結構、內層間隔、以及會合整流結構。
2. 如請求項1中所述之整合噴射發動機之電力及噴射推進裝置，其電力及噴射推進裝置和噴設發動機相接方式，可接在噴射發動機的渦輪器後方，兩者裝置之中心對齊相連，以利噴射流道順暢。
3. 如請求項1中所述之整合噴射發動機之電力及噴射推進裝置，其電力及噴射推進裝置和噴設發動機相接方式，也可以是連接在噴射發動機燃燒器的後方，而此時噴射發動機本身則省略渦輪器，兩者裝置之中心對齊相連，以利噴射流道順暢。
4. 如請求項1中所述之整合噴射發動機之電力及噴射推進裝置，其整體有一裝置外殼，該裝置外殼保護該裝置內部元件，且形成噴射發動機的末端，提供高速噴射氣流一出口；高壓空氣連接口則結合於裝置外殼前端，作為噴射發動機之壓縮器的壓縮空氣輸送管路的接入口，而高壓空氣連接口並無和噴射發動機之渦輪器，也無和燃燒器結合一起；高溫噴流加速導片則結合於噴射發動機之渦輪器，或燃燒器之後端，並結合於電力及噴射推進裝置的噴射流導流結構的前端，其作用為加速自噴射引擎燃燒器中所產生的高溫高壓噴射流，以及加速自噴射引擎渦輪器轉換出機械能後的高溫噴射流；噴射流導流結構則結合於高溫噴流加速導片之後，作為加速後之高溫噴射流之導向，和限流至噴射流分流結構之用；外層間隔則包覆於高溫噴流加速導片及噴射流導流結構、重組器及部 份的燃料電池之外，而自身則被裝置外殼和高壓空氣連接口包覆於內，該外層間隔和高壓空氣連接口及裝置外殼、及部份燃料電池體積間形成壓縮空氣反應流道，可供加壓空氣流通，並使加壓空氣可往後會合到電力及噴射推進裝置中的主要高速噴射流中；噴射流分流結構則獨立設置在噴射流導流結構之後、及內層間隔之內，並和重組器間留有間隙流道，可做為電力及噴射推進裝置中主要高速高溫噴射流之流道分隔器，使部份之高溫噴射流流經重組器加熱後再導入主流路中；內層間隔則結合於噴射流導流結構之後，並整合於會合整流結構之前，其和外層結構所包夾建構之通道，可容納重組器及部份之燃料電池，並形成重組燃料反應流路，而同時內層間隔也將高溫噴射流之主流路和燃料電池分隔開，且對重組器形成支撐，使其和噴射流分流結構共同形成重組器加熱流路；會合整流結構則結合在內層間隔之後，並和裝置外殼、外層間隔共構成一混合流道，可將燃料電池反應後的剩餘重整燃料、壓縮空氣重新混合後導向高溫噴射流主流路，形成噴流及推力而排出裝置和噴射發動機外。
5. 如請求項1中所述之整合噴射發動機之電力及噴射推進裝置，其燃料電池設置在重組器之後方，並由外層結構中設置支撐，且部份的燃料電池曝露在由裝置外殼和外層間隔所建構之壓縮空氣反應流道中，另一部份之燃料電池則曝露在由外層間隔和內層間隔所形成的重組燃料反應流道中，而重組燃料反應流道往前可接通重組器；燃料電池之種類並不限定樣式，其內部至少包含一種可用材質之固態電解質膜，可用材質之壓縮空氣反應電極和流路，以及可用材質之重組燃料反應電極及流路。
6. 如請求項1中所述之整合噴射發動機之電力及噴射推進裝置，其重組器裝設在由外層間隔和內層間隔所形成的空間，而由內層間隔中設置支撐，且排列在燃料電池之前，兩者間有外層間隔和內層間隔所形成之重組燃料反應流道來接通，此外重組器又接合燃料管，管身穿過外層間隔和裝置外殼，以便連接到噴射發動機外之燃料供應系統； 重組器本身和噴射流分流結構之間留有間隙，能使被分流之部份高溫噴射流流經重組器，因熱量傳導至重組器內，促使燃料在重組器中進行氣化和部份氧化反應；重組器本體外形可為任何可實行重組反應之構型，其內部則至少包含一個可用材質之觸媒反應裝置、反應和輸送流路系統，和相對應之反應溫度調節系統。
7. 如請求項1中所述之整合噴射發動機之電力及噴射推進裝置，其電力分配系統至少包含一電力調變系統和電力纜線，可以自燃料電池之燃料反應電極及壓縮空氣反應電極中接出，穿過裝置外殼而連接到噴射發動機外部，並和噴射發動機控制系統並聯調節，可依載具本身之電力需求和噴射發動機推力需求，而感測並控制如請求項1中所述之重組器和燃料電池的燃料對空氣反應量，及重組器之反應溫度，並將產生之電力輸送到電力調變系統調變後，傳送至如請求項1所述之噴射發動機的馬達發電機，以驅動壓縮器運轉並提供所需之壓縮氣流及推力，以及載具上任何需求電力之裝置。