本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，尤其涉及一種基于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)。

背景技術(shù)：

燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)熱效率是評(píng)定燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)水平的最主要性能指標(biāo)，提高燃?xì)廨啓C(jī)熱效率的途徑有以下幾點(diǎn)：提高燃?xì)獬鯗夭⑴浜献罴褖罕?，然而受渦輪葉片材料的限制，燃?xì)獬鯗孛磕昶骄芴岣?0攝氏度，效率提高幅度越來越有限；減小壓氣機(jī)抽氣量，為了進(jìn)行渦輪葉片冷卻、輪盤和葉根冷卻、機(jī)匣隔熱和軸向力平衡等需要消耗的壓縮空氣大約占?jí)簹鈾C(jī)進(jìn)口空氣量的20％左右，如果能夠減少1％的壓氣機(jī)出口抽氣量，就可使燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)效率和比功相對(duì)提高2％左右；進(jìn)行排氣余熱，燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度在500攝氏度左右，隨煙氣排出的廢熱損失大致占燃料加熱量的55％以上，如果能夠利用一部分廢熱損失，將會(huì)顯著提高燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)效率；減小循環(huán)熵增，傳統(tǒng)的等壓燃燒過程是布雷頓循環(huán)中熵增最大的熱力過程，降低該熱力過程的熵增受到了等壓燃燒原理的限制，進(jìn)而限制了簡(jiǎn)單布雷頓循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)效率的大幅度提高。

爆轟燃燒近似為等容燃燒，過程熵增較小，放熱快，排放低。爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的形式主要有三種：駐定爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)、脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)。其中旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)由于其只需要一次點(diǎn)火且工作范圍較為寬泛的優(yōu)勢(shì)更容易為燃?xì)廨啓C(jī)接受，然而爆轟燃燒室在高空燃比條件下燃燒并不穩(wěn)定，而在較低空燃比條件下，爆轟燃燒室出口溫度過高，渦輪葉片又無法承受。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在下文中給出了關(guān)于本發(fā)明的簡(jiǎn)要概述，以便提供關(guān)于本發(fā)明的某些方面的基本理解。應(yīng)當(dāng)理解，這個(gè)概述并不是關(guān)于本發(fā)明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發(fā)明的關(guān)鍵或重要部分，也不是意圖限定本發(fā)明的范圍。其目的僅僅是以簡(jiǎn)化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細(xì)描述的前序。

鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，以至少解決爆轟燃燒室在高空燃比條件下燃燒不穩(wěn)定、而在較低空燃比條件下出口溫度過高使得渦輪葉片無法承受的問題。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，基于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)包括壓氣機(jī)、旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室、引射器、摻混器、渦輪、負(fù)載以及冷源；壓氣機(jī)的入口端與渦輪的出口端分別連接冷源；壓氣機(jī)具有三個(gè)出口端；壓氣機(jī)的第一出口端連接旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室的進(jìn)口端，旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室的出口端連接摻混器的第一進(jìn)口端；壓氣機(jī)的第二出口端連接引射器的進(jìn)口端，引射器的出口端連接摻混器的第二進(jìn)口端，摻混器的出口端連接渦輪的第一進(jìn)口端；壓氣機(jī)的第三出口端連接渦輪的第二進(jìn)口端；壓氣機(jī)的三個(gè)出口端用于將壓氣機(jī)出口空氣分為三部分：第一部分進(jìn)入旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室參與燃燒過程；第二部分通過引射器進(jìn)入設(shè)于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室尾部的摻混器中來與旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室出口工質(zhì)進(jìn)行摻混，以實(shí)現(xiàn)對(duì)出口工質(zhì)的降溫；第三部分進(jìn)入渦輪參與冷卻過程。

進(jìn)一步地，冷源為大氣環(huán)境，循環(huán)工質(zhì)在渦輪膨脹做功后直接排出至大氣環(huán)境，壓氣機(jī)從大氣環(huán)境中吸入空氣。

進(jìn)一步地，旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室為非預(yù)混燃燒室，采用熱射流起爆管起爆，其燃料供給方式為壓氣機(jī)出口的部分空氣在燃燒室入口和燃料一邊摻混一邊進(jìn)入燃燒室。

本發(fā)明的基于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，包括壓氣機(jī)、旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室、熱射流起爆管、引射器、摻混器、渦輪、負(fù)載、冷源，其特征是：空氣經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后分為三部分，第一部分空氣進(jìn)入旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室參與燃燒過程，燃燒后工質(zhì)進(jìn)入摻混器，與第二部分空氣進(jìn)行摻混，實(shí)現(xiàn)降溫過程后進(jìn)入渦輪；第三部分空氣進(jìn)入渦輪參與冷卻過程，最終所有工質(zhì)從渦輪出口排出至大氣。

本發(fā)明的上述基于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，通過引射器和摻混器的加入，將旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒應(yīng)用于簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)上，顯著提高了燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)熱效率。

此外，通過旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室的增壓特性，克服了基于等壓燃燒的傳統(tǒng)燃燒室熵增過大的問題，增加了燃燒室出口工質(zhì)的做功能力，顯著提高了燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)熱效率。

此外，摻混器利用引射器，將壓氣機(jī)出口部分空氣與經(jīng)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室增壓的工質(zhì)進(jìn)行摻混，降低工質(zhì)溫度進(jìn)入渦輪。

本發(fā)明的基于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，在渦輪進(jìn)口處溫度、部件效率、壓氣機(jī)壓比相同的條件下，循環(huán)熱效率提高了5％-10％，同時(shí)也降低了污染物排放。

本發(fā)明的基于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)提高循環(huán)熱效率的原理：傳統(tǒng)簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒過程近似于等壓燃燒過程，約有5％的總壓損失，且在等壓燃燒模態(tài)下燃燒過程熵增太大，是燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)過程中熵增最大的一部分，因此損失了工質(zhì)過多的做功能力；爆轟燃燒是一種近似于等容燃燒的燃燒過程，熵增比等壓燃燒小，且旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室具有一定的增壓能力，顯著提高了燃燒室出口工質(zhì)的做功能力，從而提高了燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)熱效率。

現(xiàn)有技術(shù)的旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室在高空燃比下燃燒不穩(wěn)定，但如果空燃比較小，會(huì)造成燃燒室出口溫度過高。渦輪第一級(jí)葉片能否承受如此高的溫度，這是能否將旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室應(yīng)用到燃?xì)廨啓C(jī)中的重要問題。相比之下，本發(fā)明的基于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)通過在旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室尾部增加引射器和摻混器，將從壓氣機(jī)出口的部分空氣引射進(jìn)入燃燒室出口的高壓工質(zhì)中，實(shí)現(xiàn)降溫過程，無需進(jìn)一步增加壓縮結(jié)構(gòu)獲得高壓空氣參與旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室出口的工質(zhì)摻混過程，減少了壓氣機(jī)的耗功，進(jìn)一步提高了燃?xì)廨啓C(jī)的循環(huán)熱效率。

通過以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的最佳實(shí)施例的詳細(xì)說明，本發(fā)明的這些以及其他優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。

附圖說明

本發(fā)明可以通過參考下文中結(jié)合附圖所給出的描述而得到更好的理解，其中在所有附圖中使用了相同或相似的附圖標(biāo)記來表示相同或者相似的部件。所述附圖連同下面的詳細(xì)說明一起包含在本說明書中并且形成本說明書的一部分，而且用來進(jìn)一步舉例說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例和解釋本發(fā)明的原理和優(yōu)點(diǎn)。在附圖中：

圖1是示意性地示出本發(fā)明的基于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的循環(huán)示意圖；

圖2是基于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)和基于等壓燃燒的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)溫熵對(duì)比示意圖。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，附圖中的元件僅僅是為了簡(jiǎn)單和清楚起見而示出的，而且不一定是按比例繪制的。例如，附圖中某些元件的尺寸可能相對(duì)于其他元件放大了，以便有助于提高對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的理解。

具體實(shí)施方式

在下文中將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的示范性實(shí)施例進(jìn)行描述。為了清楚和簡(jiǎn)明起見，在說明書中并未描述實(shí)際實(shí)施方式的所有特征。然而，應(yīng)該了解，在開發(fā)任何這種實(shí)際實(shí)施例的過程中必須做出很多特定于實(shí)施方式的決定，以便實(shí)現(xiàn)開發(fā)人員的具體目標(biāo)，例如，符合與系統(tǒng)及業(yè)務(wù)相關(guān)的那些限制條件，并且這些限制條件可能會(huì)隨著實(shí)施方式的不同而有所改變。此外，還應(yīng)該了解，雖然開發(fā)工作有可能是非常復(fù)雜和費(fèi)時(shí)的，但對(duì)得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，這種開發(fā)工作僅僅是例行的任務(wù)。

在此，還需要說明的一點(diǎn)是，為了避免因不必要的細(xì)節(jié)而模糊了本發(fā)明，在附圖中僅僅示出了與根據(jù)本發(fā)明的方案密切相關(guān)的裝置結(jié)構(gòu)和/或處理步驟，而省略了與本發(fā)明關(guān)系不大的其他細(xì)節(jié)。

本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種基于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，基于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)包括壓氣機(jī)、旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室、引射器、摻混器、渦輪、負(fù)載以及冷源；壓氣機(jī)的入口端與渦輪的出口端分別連接冷源；壓氣機(jī)具有三個(gè)出口端；壓氣機(jī)的第一出口端連接旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室的進(jìn)口端，旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室的出口端連接摻混器的第一進(jìn)口端；壓氣機(jī)的第二出口端連接引射器的進(jìn)口端，引射器的出口端連接摻混器的第二進(jìn)口端，摻混器的出口端連接渦輪的第一進(jìn)口端；壓氣機(jī)的第三出口端連接渦輪的第二進(jìn)口端；壓氣機(jī)的三個(gè)出口端用于將壓氣機(jī)出口空氣分為三部分：第一部分進(jìn)入旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室參與燃燒過程；第二部分通過引射器進(jìn)入設(shè)于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室尾部的摻混器中來與旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室出口工質(zhì)進(jìn)行摻混，以實(shí)現(xiàn)對(duì)出口工質(zhì)的降溫；第三部分進(jìn)入渦輪參與冷卻過程。

圖1給出了本發(fā)明的基于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的一個(gè)示例的結(jié)構(gòu)圖。

如圖1所示，在該示例中，基于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)包括壓氣機(jī)、旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室、引射器、摻混器、渦輪、負(fù)載以及冷源。壓氣機(jī)的入口端與渦輪的出口端分別連接冷源。

壓氣機(jī)具有三個(gè)出口端；壓氣機(jī)的第一出口端連接旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室的進(jìn)口端，旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室的出口端連接摻混器的第一進(jìn)口端；壓氣機(jī)的第二出口端連接引射器的進(jìn)口端，引射器的出口端連接摻混器的第二進(jìn)口端，摻混器的出口端連接渦輪的第一進(jìn)口端；壓氣機(jī)的第三出口端連接渦輪的第二進(jìn)口端。

壓氣機(jī)的三個(gè)出口端用于將壓氣機(jī)出口空氣分為三部分：第一部分進(jìn)入旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室參與燃燒過程；第二部分通過引射器進(jìn)入設(shè)于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室尾部的摻混器中來與旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室出口工質(zhì)進(jìn)行摻混，以實(shí)現(xiàn)對(duì)出口工質(zhì)的降溫；第三部分進(jìn)入渦輪參與冷卻過程。

其中，冷源例如為大氣環(huán)境，循環(huán)工質(zhì)在渦輪膨脹做功后直接排出至大氣環(huán)境，壓氣機(jī)從大氣環(huán)境中吸入空氣。

根據(jù)一種實(shí)現(xiàn)方式，旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室為非預(yù)混燃燒室，采用熱射流起爆管起爆，其燃料供給方式為壓氣機(jī)出口的部分空氣在燃燒室入口和燃料一邊摻混一邊進(jìn)入燃燒室。

下面結(jié)合圖1描述本發(fā)明的基于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的熱力循環(huán)方案為：從循環(huán)工質(zhì)進(jìn)入壓氣機(jī)壓縮過程開始，1)壓氣機(jī)壓縮：工質(zhì)經(jīng)壓氣機(jī)壓縮，升溫升壓；2)旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒：第一部分經(jīng)壓氣機(jī)壓縮的工質(zhì)與燃料進(jìn)入非預(yù)混式旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)放熱，產(chǎn)生具有高做功能力的高溫、高壓工質(zhì)；3)引射式摻混：第二部分經(jīng)壓氣機(jī)壓縮的工質(zhì)通過引射器進(jìn)入燃燒室尾部摻混器，與燃燒室出口高溫高壓工質(zhì)進(jìn)行摻混，使高溫高壓工質(zhì)降溫至渦輪第一級(jí)葉片可以承受的范圍；4)渦輪膨脹做功：經(jīng)摻混器摻混的高溫高壓工質(zhì)以及第三部分經(jīng)壓氣機(jī)壓縮的工質(zhì)在渦輪中膨脹做功，降溫降壓；5)放熱：渦輪出口工質(zhì)向冷源放熱，重新回到低壓壓氣機(jī)壓縮過程的初始點(diǎn)。

圖2給出了基于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)和基于等壓燃燒的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)溫熵對(duì)比結(jié)果。由圖2可知，本發(fā)明的基于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)由于爆轟燃燒模態(tài)固有的優(yōu)越性，在旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒過程(2’)的熵增小于等壓燃燒過程(2)的熵增，損失更小，因此循環(huán)熱效率更高。

本發(fā)明的基于旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，通過在燃燒室和渦輪間增加引射器和摻混器，降低渦輪進(jìn)口工質(zhì)溫度，將旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒應(yīng)用在簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)上，克服了基于等壓燃燒的傳統(tǒng)燃燒室熵增過大的問題，增加了燃燒室出口工質(zhì)的做功能力，提高了燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)熱效率。

盡管根據(jù)有限數(shù)量的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是受益于上面的描述，本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員明白，在由此描述的本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以設(shè)想其它實(shí)施例。此外，應(yīng)當(dāng)注意，本說明書中使用的語言主要是為了可讀性和教導(dǎo)的目的而選擇的，而不是為了解釋或者限定本發(fā)明的主題而選擇的。因此，在不偏離所附權(quán)利要求書的范圍和精神的情況下，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。對(duì)于本發(fā)明的范圍，對(duì)本發(fā)明所做的公開是說明性的，而非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書限定。