一种等容燃烧室及等容燃烧燃气轮机

技术领域

本发明属于燃气轮机领域，更具体地，涉及一种等容燃烧室及等容燃烧燃气轮机。

背景技术

从燃气轮机问世至现在，循环加热方式都是采用等压燃烧方式。这种燃烧方式实现其燃烧的机构较为简单，圆筒式、环管式，容易实现。且流动是连续的，适应大流量、大功率发动机。但其循环热效率较低。简单循环热效率只能达到20～40％，在航空使用、热效率较高一些，在陆地与海洋上使用效率低一些，与蒸汽热力动力机构联合循环的热效率高一些，可达到52～60％；但与燃烧温度有关，如初温1200℃时热效率单机34％，联合循环可达53％；1400℃时单机为38％，联合循环57％；1550℃时，单机为40％，联合循环60％。所谓联合循环是燃气轮机与蒸汽轮机组合的联合循环，即是燃气轮机排出的高温气体引导到锅炉中把水加热成蒸汽，使蒸汽驱动蒸汽轮机做功。这样一个动力装置结构复杂、体积大、质量重，完全失去了燃气轮机的体积小，重量轻的优势，除了发电装置和大型船舶装置能采用外，其他方面无用武之地。

但是为了提高单机热效率并保持其体积小、重量轻、单机功率大的特点，按热力学原理，将等压燃烧加热改为等容燃烧加热循环，可提高其热效率。一般情况可以把单机热效率提高到55％～60％，可与联合循环相媲美。但其结构、体积、重量远小于联合循环装置。由于等容燃烧加热，比等压加热更能提高燃气的温度压力，这样可减少压气机的压比，减少压气机的级数，从而可以使得在同等功率下，单机结构比等压燃烧时的更紧凑，体积更小，重量更轻，更有利于应用。

等容燃烧的热效率的论证与计算

【一】、论证

等容燃烧、定压燃烧和混合燃烧的热效率的比较在热力学中已证明得很清楚。在压缩比相同、吸热量相同的情况下，等容加热的热效率高于其它两种。如图1的T-S图所示，因压缩比相同，压缩线1-2重合，工质的吸热量相同，即T-S图上等容加热的面积234562等于混合加热的面积22'3'4'5'62等于定压加热面积23”4”5”62。但是在相同的放热条件下各自的放热量不一样。等容加热循环的放热量面积14561小于混合加热循环放热面积14'5'61更小于定压放热面积14”5”61。吸热量相同，放热量少的热效率高。所以等容加热循环的热效率最高。

【二】、等容燃烧的热力计算(以某一场景下的具体取值为例)

设定流量：m＝0.25公斤/秒

体积压缩比：ε＝8

大气条件(标准气压及室温)：P

标准大气压下空气比容：v

压缩后的空气比容：

按等熵过程，则有：

压缩后的增压比：π

压缩后的压力：P

压缩后的温度：T

设计的标准体积流量：V

压缩后的体积流量：V

等容燃烧温度：T

几种燃料的发热量：

汽油：Hu＝44MJ/Kg

柴油：Hu＝42.5MJ/Kg

一公斤燃油燃烧所需的空气量：

汽油：L

柴油：L

空气的等容比热：

1300℃ Cv＝0.829KJ/Kg.K

2000℃ Cv＝0.8985KJ/Kg.K

T

＝1938.35K

上述公式中，k表示绝热指数，ξ表示热利用系数，α表示过量空气系数，γ表示剩余废气系数；

等容加热后的压力相关计算：

等容加热后的压力：

P

等容加热后的压力升高比：P

涡轮的等熵膨胀功：

L

＝1.4/(1.4-1)×0.287×1938.35×[1-1/(5.2036/0.1)

＝1317.584KJ/Kg

π

其中，R表示气体常数，k表示绝热指数；

压气机的等熵压缩功：

L

＝[1.4/(1.4-1)]×0.287×298×[(1.8379/0.1)

＝386.9282KJ/Kg

涡轮对外的驱动功：

L

压缩功与膨胀功之比：

β＝L

这就说明涡轮的膨胀功只用29.37％来驱动压气机压缩空气；而其余的70.63％作为有用功输出。

在此情况下不计其他损失，则等容燃烧效率可达：

η

如果按定压加热，则有：

加热后的温度：

T

＝685+{44000×0.85}/[2.2×14.80×(1+0.02)×1.161]

＝1654.9622K

其中，C

加热后的压力：

P

涡轮的等熵功：

L

＝[1.4/(1.4-1)]×0.287×1654.9622×{1-1/[1.8379/0.1]

＝938.7627KJ/Kg

定压加热涡轮对外的驱动功：

L

压缩功与涡轮膨胀功之比：

β

压缩功占膨胀功的41.22％

比等容燃烧的大(41.22-29.37)％＝11.85％

足见涡轮对外的驱动功，等容燃烧大于等压燃烧：

L′

实现等容燃烧加热循环，关键在燃烧室的构造。二十世纪50～60年代，苏联研发过自由活塞燃气轮机。实质上它也是一种等容燃烧的设想，总的来说是成功的，可以工作，发出功率，热效率可达40％。但未摆脱往复活塞式结构的束缚，机构笨重，间断供气，失掉了燃气轮机的特点，实际上在工业生产和交通工具中没有得到应用。

因此，有必要提供一种新的等容燃烧室及燃气轮机以克服上述问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种等容燃烧室及等容燃烧燃气轮机，其目的在于，抛弃往复式活塞构成的燃烧室的概念，以转轮式等容燃烧室产生高温高压燃气，其过程分进气、燃烧和排气三个阶段。燃烧加热是间断的，但进气、燃烧、排气三个过程是连续的。它与压气机和涡轮在气体流动过程能很好吻接，连续运行，可保持燃气轮机大流量高转速连续运行特点，由此提高热效率并同时实现连续供气及运行。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种等容燃烧室，包括：壳体、轮盘、叶片、导向槽以及至少一个等容燃烧单元；

轮盘和多个叶片设于壳体内部；轮盘沿周向等距排列多个导向槽，每个叶片均沿轮盘的径向可伸缩地设于一个对应的导向槽内；任意相邻的两个叶片均与壳体的内壁以及轮盘的外周面密封配合形成一个燃烧腔；壳体的内壁包括周向内壁面和两个内侧壁面；

所述等容燃烧单元由壳体的内壁与轮盘的外周面围成，包括沿壳体周向依次排列的进气空间、等容燃烧空间以及排气空间；进气空间设有进气口，排气空间设有排气口；壳体的周向内壁面位于进气空间内的部分沿轮盘的旋转方向渐扩过渡，位于排气空间内的部分沿轮盘的旋转方向渐缩过渡，位于等容燃烧空间的部分则与轮盘的外周面组成同心圆；

工作过程中，随着轮盘的旋转：当燃烧腔经过进气空间时由预设的喷油器喷油并通过进气口进气形成可燃混合气，此过程中，由于壳体的周向内壁面有一段渐扩过渡，与该渐扩过渡段配合的叶片处于收缩状态；随着轮盘的继续旋转，受压缩的叶片逐渐沿渐扩过渡段伸长，壳体的周向内壁面与轮盘的外周面组成同心圆，当燃烧腔经过等容燃烧空间的预定位置时由预设于等容燃烧空间内的点火器点火进行等容燃烧；当燃烧腔经过排气空间时通过排气口排气，此过程中，由于壳体的周向内壁面有一段渐缩过渡，与该渐缩过渡段配合的叶片处于收缩状态，燃烧腔容积逐渐缩小直至内部气体排空。

进一步地，导向槽内设置有压缩弹簧，叶片底部与压缩弹簧连接实现伸缩。

进一步地，导向槽内设置有导向块，与叶片配合以对叶片的伸缩进行导向。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种等容燃烧室，包括：壳体、星轮、导向槽、排气挡板以及至少一个等容燃烧单元；

星轮设于壳体内部，包括轮盘以及沿轮盘周向等距排布的多个叶片，相邻两个叶片之间呈内凹的弧形过渡，从而形成星轮的外周面；壳体沿周向设有至少一个导向槽，每个导向槽均设有一个沿轮盘的径向可伸缩的挡板，挡板的顶端与星轮的外周面密封接触；任意相邻的两个叶片及其之间的弧形过渡面均与壳体的内壁密封配合形成一个燃烧腔；壳体的内壁包括周向内壁面和两个内侧壁面，其中周向内壁面为圆形且与轮盘的转轴同心；

所述等容燃烧单元包括沿壳体周向依次排列的进气空间、等容燃烧空间以及排气空间；进气空间设有进气口，排气空间设有排气口；导向槽位于进气空间首端和/或排气空间尾端；

工作过程中，随着轮盘的旋转：当燃烧腔经过进气空间时由预设的喷油器喷油并通过进气口进气形成可燃混合气；随着轮盘的继续旋转，当燃烧腔经过等容燃烧空间的预定位置时由预设于等容燃烧空间内的点火器点火进行等容燃烧；当燃烧腔经过排气空间时通过排气口排气，此过程中，由于相邻两个叶片之间呈内凹的弧形过渡，与该弧形过渡面配合的挡板处于伸长状态，使得燃烧腔被截断而容积逐渐缩小，直至气体排空。

进一步地，导向槽内设置有压缩弹簧，挡板底部与压缩弹簧连接实现伸缩。

进一步地，挡板顶端开设有圆槽，圆槽内设有与圆槽等直径的辊柱，辊柱的侧面与星轮的外周面接触密封，辊柱的两端面与壳体的两个内侧壁面接触密封。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种等容燃烧燃气轮机，其特征在于，包括如前任一项所述的等容燃烧室。

进一步地，还包括涡轮，所述轮盘与所述涡轮连接。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、采用叶片可伸缩的叶轮式等容燃烧室，可以实现紧凑的结构设计，不占用额外空间；结合减缩、渐扩的壳内形状变化，不仅可以实现进气、燃烧、排气三个过程的连续运作，还能在排气过程中由于排气面积的缩小实现二次增压，进而可以在同等进气压力下实现更高的增压输出，或者在同等增压输出条件下，减小对进气设备的要求，例如缩小压气机长度。因此，本发明提供的叶轮式等容燃烧室具有紧凑、高效、轻便的特点。此外，减缩、渐扩的壳内形状变化自然在壳体内部形成隔断，对于多组等容燃烧单元而言可以保证其相互之间的独立，对于单组等容燃烧单元而言在最终排气的时候配合叶片的伸缩可以将燃烧腔内的气体排尽，大幅提高燃气利用率。

2、采用挡板可伸缩的星轮式等容燃烧室，虽然相比于叶轮式等容燃烧室需要占用一定的额外空间，但是大大降低了星轮及壳体的制造难度，尤其是大幅简化了星轮结构。星轮式等容燃烧室利用可伸缩的挡板与星轮上的弧形过渡面配合，同样不仅可以实现进气、燃烧、排气三个过程的连续运作，还能在排气过程中由于排气面积的缩小实现二次增压，进而可以在同等进气压力下实现更高的增压输出，或者在同等增压输出条件下，减小对进气设备的要求，例如缩小压气机长度。因此，本发明提供的星轮式等容燃烧室具有简单、高效、轻便的特点。此外，星轮的叶片自然在壳体内部形成隔断，对于多组等容燃烧单元而言可以保证其相互之间的独立，对于单组等容燃烧单元而言在最终排气的时候配合挡板的伸缩可以将燃烧腔内的气体排尽，大幅提高燃气利用率。

3、综上所述，本发明提供的等容燃气轮机由于其效率更高、更轻便，比等压燃烧燃气轮的应用范围更加广泛，应用前景会更加美好。本发明可广泛用作航空、车辆、坦克、舰船动力，满足各种需求，还可用作超燃冲压发动机。

附图说明

图1是T-S图；

图2是等容燃烧燃气轮机总体结构图；

图3是实施例1的等容燃烧室的局部剖视图；

图4是图3的A-A剖视图；

图5是实施例1的壳体结构示意图；

图6是实施例2的等容燃烧室结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-壳体，2-进气口，3-燃烧腔，4-排气口，5-轴孔，6-轮盘，7-弹簧，8-叶片，9-导向槽，10-导向块，11-伸缩杆，12-辊柱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图2所示，现代燃气轮机的构造主要是由进气道a、压气机b、燃烧室c、涡轮d和尾喷管e及其燃油系统、润滑系统、操控系统等组成。其中燃烧室c都是采用等压燃烧室。而本发明的等容燃烧燃气轮机主要是采用等容燃烧室取代等压燃烧室，用等容燃烧方式实现燃气轮机工作循环，其他器件、机构只作适当的变化，例如仅对轴系连接件、进出气口进行适应改造即可，无需改变燃气轮机的整体构造。因此，本发明的等容燃烧室广泛适用于各种旧机改造及新机生产。

本发明的等容燃烧燃气轮机的技术关键是以等容燃烧室代替现代广泛应用的等压燃烧室。燃料和空气在等容燃烧室中实现油气混合和燃烧，提高燃烧产物——混合气的温度和压力，为涡轮产生输出功率提供动力源。

优选地，本发明提供了等容燃烧室的两种结构设计方案：

【实施例1】旋转叶轮式

其结构如图3～5所示，由轮壳、轮盘、叶片构成。轮壳构成外壁空间，轮盘上装有能伸缩的叶片构成转子在轮壳内空间转动。轮壳、轮盘和叶片相互构成进气、燃烧、排气空间。轮壳一周可按照功能和结构需要，以进气、燃烧、排气三个间隔为一组分为两组至多组，以实现燃烧室的进气、燃烧、排气功能。进气空间与压气机的排气管相连，并装有喷油器，向进气空间喷射并雾化燃油，形成可燃混合气。在燃烧空间装有火花塞，适时点燃混合气，进行燃烧。排气空间与涡轮进气管相连，将燃气导入涡轮做功。轮盘与涡轮相连，由涡轮驱动连续旋转。

具体地，本实施例的旋转叶轮式等容燃烧室，包括：壳体1、轮盘6、叶片8、导向槽9以及至少一个等容燃烧单元，其中：

轮盘6和多个叶片8设于壳体1内部；轮盘6沿周向等距排列多个导向槽9，每个叶片8均沿轮盘6的径向可伸缩地设于一个对应的导向槽9内；任意相邻的两个叶片8均与壳体1的内壁以及轮盘6的外周面密封配合形成一个燃烧腔3；壳体1的内壁包括周向内壁面和两个内侧壁面。

所述等容燃烧单元由壳体1的内壁与轮盘6的外周面围成，包括沿壳体1周向依次排列的进气空间、等容燃烧空间以及排气空间；进气空间设有进气口2，排气空间设有排气口4；壳体1的周向内壁面位于进气空间内的部分沿轮盘6的旋转方向渐扩过渡，位于排气空间内的部分沿轮盘6的旋转方向渐缩过渡，位于等容燃烧空间的部分则与轮盘6的外周面组成同心圆。

优选地，导向槽9内设置有压缩弹簧7，叶片8底部与压缩弹簧7连接实现伸缩。导向槽9内还设置有导向块10，与叶片8配合以对叶片8的伸缩进行导向。压缩弹簧7还可以替换为其他伸缩器件例如气动伸缩杆等。

优选地，本实施例中进气口2和排气口4的形状分别与进气空间、排气空间的截面形状相同。

工作过程中，随着轮盘6的旋转：当燃烧腔3经过进气空间时由预设的喷油器喷油并通过进气口2进气形成可燃混合气，此过程中，由于壳体1的周向内壁面有一段渐扩过渡，与该渐扩过渡段配合的叶片8处于收缩状态；随着轮盘6的继续旋转，受压缩的叶片8逐渐沿渐扩过渡段伸长，壳体1的周向内壁面与轮盘6的外周面组成同心圆，当燃烧腔3经过等容燃烧空间的预定位置时由预设于等容燃烧空间内的点火器点火进行等容燃烧；当燃烧腔3经过排气空间时通过排气口4排气，此过程中，由于壳体1的周向内壁面有一段渐缩过渡，与该渐缩过渡段配合的叶片8处于收缩状态，燃烧腔3容积逐渐缩小直至内部气体排空。

【实施例2】旋转星轮式

如图6所示。旋转星轮式等容燃烧室主要由轮壳、星轮和排气挡板组成。轮壳是一个环形空间，内装可转动的星轮。星轮中间是凹槽(即弧形过渡段)，两边是幅射齿(即叶片)。轮壳分为两组或多组进气、燃烧、排气三个间隔空间，星轮的星齿与其他结构相应配合，完成进气、燃烧、排气三个过程。进气室与压气机排气管相连并安装燃油喷雾器，在燃烧间安有火花塞，排气室与涡轮进气管相连接，在排气过程中通过排气挡板使燃气全部进入涡轮。星轮与涡轮轴相连在旋转的过程中完成进、燃、排三个过程，连续向涡轮提供高温、高压的作功的工质，完成燃烧室的功能。

具体地，本实施例的旋转星轮式一种等容燃烧室，包括：壳体1、星轮、导向槽9、排气挡板11以及至少一个等容燃烧单元。

星轮设于壳体1内部，包括轮盘6以及沿轮盘6周向等距排布的多个叶片8，相邻两个叶片8之间呈内凹的弧形过渡，从而形成星轮的外周面；壳体1沿周向设有至少一个导向槽9，每个导向槽9均设有一个沿轮盘6的径向可伸缩的挡板11，挡板11的顶端与星轮的外周面密封接触；任意相邻的两个叶片8及其之间的弧形过渡面均与壳体1的内壁密封配合形成一个燃烧腔3；壳体1的内壁包括周向内壁面和两个内侧壁面，其中周向内壁面为圆形且与轮盘6的转轴同心。

所述等容燃烧单元包括沿壳体1周向依次排列的进气空间、等容燃烧空间以及排气空间；进气空间设有进气口2，排气空间设有排气口4；导向槽9位于进气空间首端和/或排气空间尾端。

优选地，导向槽9内设置有压缩弹簧7，挡板11底部与压缩弹簧7连接实现伸缩。本实施例中挡板11直接与导向槽9及壳体1的内壁配合实现导向。压缩弹簧7还可以替换为其他伸缩器件例如气动伸缩杆等。

优选地，挡板11顶端开设有圆槽，圆槽内设有与圆槽等直径的辊柱12，辊柱12的侧面与星轮的外周面接触密封，辊柱12的两端面与壳体1的两个内侧壁面接触密封，从而将滑动摩擦转换为滚动摩擦，使得旋转更为顺畅，进而节约能源、减小磨损。

优选地，本实施例中进气口2和排气口4的形状分别与进气空间、排气空间的截面形状相同。

工作过程中，随着轮盘6的旋转：当燃烧腔3经过进气空间时由预设的喷油器喷油并通过进气口2进气形成可燃混合气；随着轮盘6的继续旋转，当燃烧腔3经过等容燃烧空间的预定位置时由预设于等容燃烧空间内的点火器点火进行等容燃烧；当燃烧腔3经过排气空间时通过排气口4排气，此过程中，由于相邻两个叶片8之间呈内凹的弧形过渡，与该弧形过渡面配合的挡板11处于伸长状态，使得燃烧腔3被截断而容积逐渐缩小，直至气体排空。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。