涡旋式氢焰磁流体发电/喷气发动一体机及发电方法

技术领域

本发明属于动力装置领域，尤其是交通运输载运工具动力系统领域，具体涉及涡旋式氢焰磁流体发电/喷气发动一体机及发电方法。

背景技术

一些载运工具可以同时用到喷气与电的动力，例如：航空飞行器（electricVertical Take-Off and Landing，eVTOL，电动垂直起降飞行器）、磁悬浮高速飞行列车、飞行汽车（既能在陆地上行驶，也能在空中飞行）、复杂路况行驶的特种车辆，等等。

氢气是当前行业认可的一种清洁、安全和廉价的化石燃料替代品，使用氢气作为燃料具有诸多优势，将氢能作为载运工具动力系统能源是未来的绿色发展趋势。氢能作为载运工具动力系统能源的主要利用方式有两种：一种是氢燃料发动机（内燃机），其能量转换效率遵守卡诺循环；另一种是氢燃料电池，不受卡诺循环的限制，能量转换效率高，但是，质子交换膜作为燃料电池的核心部件，其性能的高低直接影响着燃料电池的稳定性和耐久性，同时其制备不易且受制于寿命，价格昂贵、技术门槛高，单位体积、单位质量的功率还需进一步提高。

电气化是载运工具的重要发展趋势，无论是内燃机还是其他能源转换形式，都希望最终输出电能。在发电的同时，若能利用化学能转换为电能之外的其它能量可以提高氢能综合利用效率。

在利用氢燃料时，以热能形式散失的能量往往不能有效利用（例如：一些发电的副产品是高温高压气体）；而以航空飞行器为代表的载运工具往往可以利用喷气推进，在发电的同时利用高温高压气体作为喷气推进动力，实现发电和喷气动力的融合，提高氢能的综合利用效率，期望实现氢能利用效率高于内燃机和燃料电池的能量利用效率。

综上，本发明针对载运工具的动力需求，瞄准氢能清洁利用，旨在提供不同于氢内燃机和氢燃料电池的第三类氢能高利用效率的解决方案。

发明内容

本发明利用氢燃料喷气发动机与发电机融为一体，同时利用氢燃料电池发电部分机理、氢自燃涡旋运动驱动法拉第发电原理、以及微气隙氢焰磁流体的新发电机理，探索第三种氢燃料利用的技术途径，提供了一种涡旋式氢焰磁流体发电/喷气发动一体机及发电方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：涡旋式氢焰磁流体发电/喷气发动一体机，包括壳体、进气部分、发电部分以及喷气部分，

所述进气部分包括设于壳体上的空气进气口；

所述发电部分包括氢源、涡轮、至少两个条形电磁铁、圆环状的正电极板以及固设于壳体内部的支撑轴；所述涡轮包括转动安装于支撑轴上且与空气进气口相对的轴流式涡轮扇叶；每片轴流式涡轮扇叶均为两层结构，其中一层结构为导电极板层、另一层结构为支撑层，所述导电极板层和支撑层之间具有至少一条由支撑轴向圆周延伸的沟槽，所述氢源的氢气能够由支撑轴、沟槽输送至轴流式涡轮扇叶的扇叶尖端，且沟槽内表面附着有催化氢气分解成氢离子和电子的催化剂；所述轴流式涡轮扇叶圆周外围环设有正电极板，轴流式涡轮扇叶与正电极板之间存在间隙；所有条形电磁铁布设于正电极板外围且与正电极板之间绝缘，相邻条形电磁铁之间不接触；

所述喷气部分包括设于壳体上的喷气口、转动安装于壳体内的电风扇；所述电风扇位于喷气口处。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述涡轮还包括转动安装于支撑轴上且固设于轴流式涡轮扇叶出气端的螺旋导流扇叶，所述螺旋导流扇叶的螺旋方向与来自轴流式涡轮扇叶出气端的气流方向相适配。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述发电部分还包括两呈环状的导磁圆盘，两个导磁圆盘分别固定盖设于所有条形电磁铁的磁极两端。

作为本发明技术方案的进一步改进，两个导磁圆盘的内缘延伸至轴流式涡轮扇叶，且与轴流式涡轮扇叶之间存在间距。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述导电极板层至支撑层的布置方向与涡轮旋转方向一致。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述空气进气口处设置有导流罩，导流罩内缘具有进气弧面。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述支撑层为碳纤维层。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述支撑轴呈中空结构，所述氢源来自于设于壳体腰部的氢罐，氢罐通过软管、减压阀、流量控制阀与支撑轴气动连接，与沟槽相对的支撑轴上设置有出氢口。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述氢罐与壳体之间设有气凝胶隔热层。

本发明进一步提供了一种微气隙氢焰燃料电池发电方法，是通过涡旋式氢焰磁流体发电/喷气发动一体机实现的，包括以下步骤：

①氢气通过沟槽向正电极板方向流动，其中一部分氢气在轴流式涡轮扇叶的扇叶尖端与正电极板之间的间隙进行稀薄燃烧，氢气燃烧形成导电氢焰与水；一部分氢气在沟槽表面催化剂作用下分解成电子e和氢离子H

②氢离子H

③氢离子H

④在轴流式涡轮扇叶的扇叶尖端与正电极板之间的间隙里氢离子H

本发明所述的涡旋式氢焰磁流体发电/喷气发动一体机，与现有技术相比，具有如下有益效果：

1.涡旋运动是流体运动中极普遍的运动形态，采用涡旋结构，利用涡旋运动代替传统内燃机的活塞运动，这种结构可以充分利用氢气储存的势能，同时有利于氢气燃烧后进行喷气，尽可能的减少能量的损耗，提高动力装置的能量利用效率。

2.相对于传统的氢燃料电池，本发明中氢气作为燃料通过特殊的涡轮叶片结构，利用磁场驱动、离心力以及氢气和水的压力推力代替质子交换膜渗透，在不使用质子交换膜的情况下充分发挥氢燃料的优势。

3.氢焰磁流体发电和涡轮旋转切割磁感线发电所组成的复合发电系统具有低温、高压、高速的优点，能够将化学能高效率的转化为电能，充分利用热能、减少散失，其能量利用效率大大提高。

4.本发明利用静压高、动压低的特点，采用大喷口的设计，使得喷气量增大，充分利用涡旋运动的喷气动力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为涡旋式氢焰磁流体发电/喷气发动一体机的整体结构图。

图2为涡旋式氢焰磁流体发电/喷气发动一体机的内部结构图。

图3为涡旋式氢焰磁流体发电/喷气发动一体机的底部结构图。

图4为涡旋式氢焰磁流体发电/喷气发动一体机的整体剖视图。

图5为涡旋式氢焰磁流体发电/喷气发动一体机的涡轮结构图。

图6为涡旋式氢焰磁流体发电/喷气发动一体机离心力和压力推力作用下的粒子运动图。

图7为涡旋式氢焰磁流体发电/喷气发动一体机磁场作用下带电粒子运动图。

图8为涡旋式氢焰磁流体发电/喷气发动一体机切割磁感线发电过程电子运动图。

图9为涡旋式氢焰磁流体发电/喷气发动一体机的电风扇结构图。

图10为涡旋式氢焰磁流体发电/喷气发动一体机的发电原理图。

图11为涡旋式氢焰磁流体发电/喷气发动一体机的涡轮旋转示意图。

图12为涡旋式氢焰磁流体发电/喷气发动一体机的涡旋示意图。

图13为涡旋式氢焰磁流体发电/喷气发动一体机的轴流式涡轮扇叶与正电极板间隙俯视图。

图中：1a-轴流式涡轮扇叶，1b-螺旋导流扇叶，2-条形电磁铁，3-气凝胶隔热层，4-氢罐，5-绝缘层，6-电风扇，7-第一轴承，8-壳体，9-正电极板，10-第二轴承，11-导电极板层，12-支撑层，13-沟槽，14-第一支架，15-支撑轴，16-空气进气口，17-喷气口，18-第三轴承，19-第二支架，20-导磁圆盘，21-导流罩。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

如图1至4所示，本发明提供了所述涡旋式氢焰磁流体发电/喷气发动一体机的一种具体实施方式，包括壳体8、进气部分、发电部分以及喷气部分，

所述进气部分包括设于壳体8上的空气进气口16；

所述发电部分包括氢源、涡轮、至少两个条形电磁铁2、圆环状的正电极板9以及固设于壳体8内部的支撑轴15；所述涡轮包括转动安装于支撑轴15上且与空气进气口16相对的轴流式涡轮扇叶1a；每片轴流式涡轮扇叶1a均为两层结构，其中一层结构为导电极板层11、另一层结构为支撑层12，所述导电极板层11和支撑层12之间具有至少一条由支撑轴15向圆周延伸的沟槽13，所述氢源的氢气能够由支撑轴15、沟槽13输送至轴流式涡轮扇叶1a的扇叶尖端，且沟槽13内表面附着有催化氢气分解成氢离子和电子的催化剂；所述轴流式涡轮扇叶1a圆周外围环设有正电极板9，轴流式涡轮扇叶1a与正电极板9之间存在间隙；所有条形电磁铁2布设于正电极板9外围且与正电极板9之间绝缘，相邻条形电磁铁2之间不接触；

所述喷气部分包括设于壳体8上的喷气口17、转动安装于壳体8内的电风扇6；所述电风扇6位于喷气口17处。

在本实施例中，所述正电极板9和支撑轴15均是能够导电的，其中正电极板9作为发电机正极，支撑轴15作为发电机负极。

本发明进一步提供了一体机的工作过程：

（1）进气过程：

a.氢气进气：氢气通过支撑轴15、沟槽13输送至轴流式涡轮扇叶1a的扇叶尖端，氢气从沟槽13喷出，喷出方向与涡轮旋转方向相反。

b.空气进气：轴流式涡轮扇叶1a转动，带动空气由空气进气口16进入壳体8内；而且可通过控制轴流式涡轮扇叶1a的转速以及在空气进气口16上设置进气挡板控制空气进气量。

（2）发电过程：

本领域公知的，燃烧的气体产生高温高压等离子体。在本实施例中，氢气储存的势能和燃烧产生的高压气体带动涡轮高速运动，在轴流式涡轮扇叶1a的扇叶尖端与正电极板9之间的间隙处产生高温高压高速的磁流体等离子体。以图11所示方向为例，两个导磁圆盘20之间产生竖直向上的磁场，轴流式涡轮扇叶1a逆时针旋转，电风扇6顺时针旋转。发电部分的工作原理包括两个部分：电磁感应发电和微气隙氢焰燃料电池发电。

a.电磁感应发电：轴流式涡轮扇叶1a在磁场中做切割磁感线运动，导电极板层11产生感应电动势，电子e向负极（支撑轴15）移动，如图8所示；电子e经过负载到正电极板9上并且聚集，如图10所示；由于电子e的不断聚集，产生电势，与此同时氢气在轴流式涡轮扇叶1a的扇叶尖端与正电极板9之间的微气隙处进行稀薄燃烧，在轴流式涡轮扇叶1a的扇叶尖端与正电极板9之间间隙击穿导电，此时电子e（负电荷）闭环定向流动，实现发电。具体实施时，涡轮的旋转方向、磁场方向中如果改变其中一个方向，另一个方向也需要跟着改变，需要实现电子向心、氢离子离心。即，当两个导磁圆盘20之间产生竖直向下的磁场时，轴流式涡轮扇叶1a顺时针旋转，且轴流式涡轮扇叶1a和螺旋导流扇叶1b的设置方向需保证外界空气由空气进气口16进入且由喷气口17喷出。

b.微气隙氢焰燃料电池发电：

①氢气通过沟槽13向正电极板9方向流动，其中一部分氢气在轴流式涡轮扇叶1a的扇叶尖端与正电极板9之间的间隙进行稀薄燃烧，氢气燃烧形成导电氢焰与水；一部分氢气在沟槽13表面催化剂作用下分解成电子e和氢离子H

②氢离子H

③氢离子H

④在轴流式涡轮扇叶1a的扇叶尖端与正电极板9之间的间隙里氢离子H

由于本发明中的微气隙氢焰燃料电池发电是重复步骤①至④的过程，所以在步骤③中，氢离子H

（3）喷气过程：

气体进入系统后，涡轮充分利用氢气储存的势能，提高了气体的流速，减少了能量转换过程中的损耗，在氢气燃烧发电后，空气与生成的部分水蒸气一起在电风扇6作用下从喷气口17喷出。

本发明中，在磁场作用下，氢离子H

在本发明中，利用氢焰磁流体导电、磁场的驱动、离心力以及氢气和水的压力推力代替传统质子交换膜渗透，将H

氢气在轴流式涡轮扇叶1a的扇叶尖端与正电极板9间隙内稀薄燃烧，间隙局部高温，但是壳体8内整体处于较低温度（略比环境空气温度高），氢气稀薄燃烧生成的液态水，一部分随着喷气排出，一部分回收至沟槽13，用于湿润催化剂和氢气。

氢气在空气中燃烧的体积浓度范围是4％～75％；在空气进气口16上可设置进气挡板控制空气进气量，待加大动力功率输出时候，加大空气进气量、同时通过氢气管路的减压阀和流量控制阀，实现氢气与空气体积比略大于4%实现稀薄燃烧，进而有利于氢气充分燃烧（充分利用）。

如图5所示，优选的，所述轴流式涡轮扇叶1a的扇叶不少于2个，沿支撑轴15的轴心圆周方向对称布置。另外，在本实施例中，优选的，所述轴流式涡轮扇叶1a位于空气进气口16中，而且与壳体8位于同轴线上，这样能够增大空气进气口16的空气进气量。

进一步的，为了增加轴流式涡轮扇叶1a的支撑强度，也为了促进空气从喷气口17排出，所述涡轮还包括转动安装于支撑轴15上且固设于轴流式涡轮扇叶1a出气端的螺旋导流扇叶1b，所述螺旋导流扇叶1b的螺旋方向与来自轴流式涡轮扇叶1a出气端的气流方向相适配。

在上述结构的基础上，本实施例进一步提供了支撑轴15的一种安装方式，即如图4所示，位于轴流式涡轮扇叶1a外的支撑轴15一端通过第一支架14固定支撑于壳体8内。具体的，所述第一支架14包括若干呈放射状固设于支撑轴15上的第一支撑杆，第一支撑杆的外围可固定于导流罩21上，也可固定于壳体8上；优选的，所有的第一支撑杆沿支撑轴15的轴心圆周方向对称布置。另外，位于电风扇6内的支撑轴15一端通过第二支架19固定支撑于壳体8内。具体的，第二支架19包括若干呈放射状固设于支撑轴15上的第二支撑杆，第二支撑杆的外围固定于壳体8上；优选的，所有的第二支撑杆沿支撑轴15的轴心圆周方向对称布置。优选的，所述第一支撑杆和第二支撑杆可通过焊接或螺纹连接的方式固定于支撑轴15上。

另外，本实施例提供了轴流式涡轮扇叶1a的安装方式，即如图4所示，所述轴流式涡轮扇叶1a的中心孔与第一轴承7的外圆过盈配合，第一轴承7的内圆与支撑轴15之间过盈配合，这样轴流式涡轮扇叶1a能够转动安装于支撑轴15上。

进一步的，在本发明中，所述轴流式涡轮扇叶1a和螺旋导流扇叶1b可通过一体成型或者后期焊接固定连接在一起。优选的，所述轴流式涡轮扇叶1a的扇叶与螺旋导流扇叶1b一一对应。本实施例还提供了螺旋导流扇叶1b的安装方式，如图4所示，所述螺旋导流扇叶1b的下部与第二轴承10的外圆过盈配合，第二轴承10的内圆与支撑轴15之间过盈配合，这样螺旋导流扇叶1b能够转动安装于支撑轴15上。

在本实施例中，优选的，电风扇6的扇叶不少于2个，且扇叶沿电风扇6的轴心圆周方向对称布置。优选的，电风扇6位于喷气口17空腔内部，电风扇6与壳体8同轴线。

在本发明中，优选的，所述支撑轴15与壳体8同轴线，并且通过第一支架14和第二支架19固定支撑于壳体8内部。

进一步的，本实施例还提供了电风扇6的安装方式，如图3和9所示，所述电风扇6的中心孔与第三轴承18的外圆过盈配合，第三轴承18的内圆与支撑轴15之间过盈配合，这样电风扇6能够转动安装于支撑轴15上。

在本实施例中，所述催化剂可采用铂催化剂，也可采用其他可实现催化氢气分解成氢离子和电子的非铂催化剂。

优选的，所述发电部分还包括两个呈环状的导磁圆盘20，两个导磁圆盘20分别固定盖设于所有条形电磁铁2的磁极两端。本发明中的导磁圆盘20是用来聚集条形电磁铁2的磁感线（也称为磁力线），将条形电磁铁2产生的磁感线封闭在内部，提高电磁铁的效率，条形电磁铁2工作电源依靠超级电容储能；具体实施时，两个导磁圆盘20之间产生磁场即可，可以采用条形永磁铁代替条形电磁铁2，也可以采用两个环状永磁铁代替条形电磁铁2和导磁圆盘20；导磁圆盘20的材料可以采用导磁性强的材料。

本发明所述的电风扇6的启动电源依靠超级电容储能，其作用有如下四点：

（1）喷气动力与发电的解耦、灵活调节；电风扇6可以将一部分电能转换为喷气动能，增加喷气与电功率调节的灵活性。

（2）增加氢焰磁流体发电/喷气动力一体机的稳定性（鲁棒性）：涡轮间隙空腔内的气体随涡轮涡旋运动，由于电风扇6叶片旋转方向与涡轮叶片旋转方向相反，电风扇6叶片的曲面流线方向与涡轮叶片曲面流线方向也相反，对尾部喷气口17喷出的气体涡旋运动起到一定的缓冲作用，使得喷气口17喷出的气体以直线或者近似于直线喷出，增加以eVTOL为代表的载运工具的稳定性；涡轮旋转方向、电风扇6旋转方向、涡轮叶片曲面流线方向和电风扇6叶片的曲面流线方向在具体实施时，如果改变其中一个的方向，其余的方向跟着改变，其目的是实现外界空气由空气进气口16进入且由喷气口17喷出。

（3）增加进气/排气的通畅度：空气进气口16吸气（往腔体内部压气）、喷气口17吹气（往外排气、抽气），更有利于气体流体流动。

（4）辅助启动：采用电风扇6有助于启动，其原理是电风扇6在储能供电作用下往外吹气，有助于增加进气口的进气量，进而涡轮涡旋，氢气稀薄燃烧，进而实现涡轮高速旋转。

如图4所示，两个导磁圆盘20的内缘延伸至轴流式涡轮扇叶1a，且与轴流式涡轮扇叶1a之间存在间距。具体实施时，导磁圆盘20与条形电磁铁2之间通过焊接或胶粘的方式固定连接。

在本实施例中，所述正电极板9为圆环形金属板，位于绝缘层5的内侧，正电极板9与轴流式涡轮扇叶1a的扇叶尖端留有间隙，其间距大小在5mm以内，正电极板9与条形电磁铁2通过绝缘层5固定连接，正电极板9与绝缘层5通过胶粘的方式固定连接，绝缘层5与条形电磁铁2通过胶粘的方式固定连接。优选的，正电极板9可采用铝合金金属板，在铝合金金属板靠近轴流式涡轮扇叶1a的扇叶尖端一侧镀有铂，作为氢离子H

在本发明中，所述条形电磁铁2不少于两个，且均匀分布于正电极板9的圆周外围。如图2所示，所述条形电磁铁2的数量可采用十二个。

在本实施例中，所述支撑层12的作用是起到固定支撑导电极板层11的作用，沟槽13是用于通气通水以及附着催化剂。优选的，所述支撑层12为碳纤维层。

进一步的，所述导电极板层11至支撑层12的布置方向与涡轮旋转方向一致。沟槽13的开孔方向需保证氢气的喷出方向与轴流式涡轮扇叶1a的旋转方向相反，能够辅助带动轴流式涡轮扇叶1a旋转。具体的，如图5所示，位于轴流式涡轮扇叶1a的扇叶尖端，导电极板层11将支撑层12包覆，且轴流式涡轮扇叶1a的扇叶尖端的沟槽13开口位于导电极板层11上，这样便于离子运输到正电极板9上。另外，当支撑层12为碳纤维层时，碳纤维层与导电极板层11相比，导电极板层11的强度更高，此时包覆设置更便于提升扇叶强度。

如图4所示，所述空气进气口16处设置有导流罩21，导流罩21内缘具有进气弧面。这样更便于气流通过空气进气口16进入。

具体实施时，所述支撑轴15呈中空结构，所述氢源来自于设于壳体8腰部的氢罐4，氢罐4通过软管、减压阀、流量控制阀与支撑轴15气动连接，与沟槽13相对的支撑轴15上设置有出氢口。在本实施例中，可通过调节流量控制阀来调节氢气的流量。

具体的，所述氢罐4与壳体8之间设有气凝胶隔热层3。气凝胶隔热层3能够起到良好的隔热作用。

为了更好地将氢罐4集成于壳体8上，所述壳体8的腰部具有与螺旋导流扇叶1b相适配的弧形内缩结构。

本发明上述各部件的安装方式绝不仅仅只有上述结构，只要能将各部件固定安装的安装方式都可使用。

本发明利用气体“湍流”（当气体流速增加到一定程度时，流场中会产生很多小涡旋），产生蝴蝶效应，从而形成更大的涡旋，对气体带动涡轮扇叶运动产生增幅，且“湍流”可强化能量传递和反应过程。

喷气部分将储存氢气的势能以及氢气的内能（稀薄燃烧）转换为涡轮旋转的动能，同时利用涡轮自身结构优势产生涡旋，加速气体速度，增大喷气动力效能。

本发明利用涡旋运动使轴流式涡轮扇叶1a在磁场中做切割磁感线运动，与此同时，催化剂催化氢气使氢气分解成氢离子H

本发明所述的涡旋式氢焰磁流体发电/喷气发动一体机，喷气动力与发电的灵活调节，可以适用于eVTOL（电动垂直起降飞行器）的动力系统；也可以适用于特种动力装备，例如飞车（空中飞行的汽车）；也可以为磁悬浮高速飞车或者轨道交通车辆提供动力；还可以作为发电装置。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。