CN104769250A - 用于驱动传动轴的热力发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于驱动传动轴的热力发动机，所述热力发动机至少包括气体发生器和涡轮机(6)，所述气体发生器向涡轮机供给发动机气体，并且所述涡轮机驱动发动机轴使其旋转。该发动机的特征在于，所述气体发生器为四冲程内燃机(14)，所述发动机包括用于将空气供给至所述内燃机的压缩机(21)，所述压缩机由所述内燃机机械地驱动，并且所述涡轮机(6)相对于内燃机无机械地约束。

Description

用于驱动传动轴的热力发动机

技术领域

本发明涉及这一类的热力发动机：其包括向涡轮机供给发动机气体的气体发生器。涡轮机被连接至其所驱动的传动轴(drive shaft)。尤其意在应用于航空领域中的飞行器的推进器。

背景技术

对于任何种类的运输工具的推进器或驱动器而言，第一类型的发动机包括为燃气涡轮发动机的开式循环发动机。在航空领域中，它们呈涡轮喷气发动机、涡轮发动机或涡轮螺旋桨发动机的形式。另一类型包括诸如压缩点火发动机之类的内燃机，并且以柴油发动机或火花点火发动机著称。

第二类型的发动机的比燃料消耗率优于第一类型的发动机。此外，用于燃烧室的温度和高压涡轮机的温度的技术使得这些类型的采购和维护非常昂贵。

但是，尤其在航空领域中，用于高输出的第二类型的发动机的常规应用受到输出轴处产生的高等级的非周期性(acyclism)的限制。所述非周期性对螺旋桨(尤其是高速狭窄螺旋桨)和齿轮系是有害的。此外，对于这些发动机而言，在高海拔和低温下的燃烧也不够稳定，因此减小了可用的功率范围。

涡轮发动机和涡轮螺旋桨发动机的比燃料消耗率能够通过优化燃烧室以及压缩机和涡轮机的产出或甚至通过再生循环来改进。但是由于较低的循环产出，它们并不能获得内燃机的比燃料消耗率。尤其是因为第一涡轮级的热极限，而使得不能获得与柴油发动机相同的燃烧压力。此外，燃气涡轮机在脱离用于调节压缩机和涡轮机的优化条件时迅速劣化。

可使用抑制扭转的耗能装置或谐振器来处理活塞发动机的非周期性。但是扭转阻尼器既沉重又复杂(例如机动车辆中使用的具有专用润滑回路的DMF式耗能阻尼器)，或者它们引入危险的转速(例如，通用航空和赛车运动中使用的双线钟摆式谐振阻尼器)。无论如何，仍然难以获得燃气涡轮机的低等级的非周期性(acyclism)。

可使用火花点火装置、燃烧器或压缩空气供应来改进柴油发动机在高海拔的燃烧的稳定性。

已经提出了其输出在用于驱动螺旋桨的涡轮机中被回收的自由活塞发动机。压缩和膨胀发生在双动作活塞的两侧(双冲程狄塞尔循环)，因此不传递任何力至轴线(shaft line)。已经针对有铁路运输和海洋运输有关的应用给出了相似的解决方案。但是，发动机的设计过于复杂。这种方案不能使用现代的四冲程柴油机燃烧技术。由于双冲程循环使得热量被极大限制。由于产生的噪声和可靠性，其在工业中并不十分普遍并且难以控制。本发明所涉及的热力发动机结合了两种类型的发动机的优点而不具有它们的缺点。

发明内容

根据本发明，用于驱动传动轴的热力发动机至少包括气体发生器和涡轮机，所述气体发生器向涡轮机供给发动机气体，并且所述涡轮机被设置成使传动轴旋转，其特征在于，所述气体发生器为四冲程内燃机，所述热力发动机包括用于将空气供给至所述内燃机的压缩机，所述压缩机由所述内燃机机械地驱动，并且所述涡轮机相对于内燃机无机械地约束。

因此，本方案在于使用四冲程发动机作为供给自由涡轮机的热气体发生器，发动机的输出通过致动器抽取至自由涡轮机。内燃机的功被压缩机回收。自由涡轮机通过四冲程发动机供给，通常在HP压缩机中和开式循环发动机中的涡轮级中执行的高压(HP)膨胀阶段和压缩阶段在所述四冲程发动机中被执行。气体发生器的压缩比因此远小于传统内燃机的压缩比，因为膨胀阶段不需要从燃烧气体中抽取过多的能量来向自由涡轮机供给具有足够的压力和温度的气体。而是仅抽取刚好足够的能量来允许活塞在其它三个循环的工作(排气、吸气和压缩)并且驱动低压(LP)压缩机。

根据一实施例，热气体发生器为柴油发动机。

根据另一个实施例，所述发动机包括作为气体发生器的火花点火内燃机。所述内燃机或者取代柴油发动机或者与柴油发动机相结合。

有利地，压缩机经由齿轮箱被所述内燃机驱动，并且优选地，热交换器被布置在压缩机和内燃机之间或压缩机的多个级之间。

本发明的方案使得能够布置用于在压缩机和内燃机之间抽取气体的装置。

根据一个改型，旁路管道被布置在压缩机和自由涡轮机之间。其目的是例如针对较大的输出需求增大气体流速并因此增大涡轮机上的可用功，并且同时减少来自内燃机的热的气体，以便不超过涡轮机的热极限。其还允许压缩机和涡轮机的工作点被调节，以便优化总产出。

根据通过本发明的方案而变得可能的另一实施例，辅助燃烧室被布置在内燃机的排气装置和自由涡轮机之间，并且可选地具有上述类型的旁路管道。附加的压缩机还可被设置在内燃机的排气装置和辅助燃烧室之间。

因此，辅助燃烧室被供以来自气体发生器的气体的全部或部分连续气流，所述气体发生气由内燃机和可选地直接来自被内燃机驱动的压缩机的空气的旁路形成。在第二种构型中，所述旁路供给未燃烧的空气，未燃烧的空气能够与来自气体发生器的排出气体混合，这种混合有利于燃烧。该腔室安装有一个或多个燃料喷射器和可选的一个或多个用于启动阶段的点火塞。根据能够改善产出的实施例，燃料被脉冲地喷射而不是持续地喷射；燃料流因此能够以与来自各个汽缸的排放装置的气体的推进相一致的方式被喷射。

辅助燃烧室可在启动阶段期间被使用，以便发起对压缩机的驱动。在这种情况下，该方案有利地使用来自压缩机的空气旁路来增加气流和涡轮机上的可用能量，并且同时气体发生器仍处于停止或空转，内燃机的轴被启动器驱动(例如电动启动器或空气启动器)。在启动阶段，发动机起燃气涡轮发动机的作用。根据一个有利的实施例，被自由涡轮机驱动的致动器回收的能量被传递至气体发生器的启动系统，以便允许气体发生器到达稳定的空转速度。一旦到达该速度，向辅助燃烧室中的喷射可被停止并且空气旁路被关闭。

辅助燃烧室的另一功能是在处于固定速率时可选地提供附加能量。通过辅助喷射器供给的燃料的燃烧使得能够增加来自气体发生器的气体的温度并且进而(以独立于气体发生器中的能量的方式)增加涡轮机和致动器上的能量。来自压缩机的未燃烧空气旁路可被打开，以便增加辅助燃烧室中气体混合物的反应性。

根据另一个实施例，被供以来自内燃机的排出气体的一部分的附加涡轮机被布置在内燃机的排气装置的下游，所述涡轮机的轴被机械连接至内燃机的轴。

与现有技术相比，本发明的方案的优点尤其在于：

与柴油发动机相比减小了振动的等级：所描述的方案允许将在输出轴上得到小的扭转振动。与气体发生器的替代性功能相联系的脉动流(pulsating flow)可在气体歧管(manifold)中变平滑。

燃烧的稳定性：因为压缩机被气体发生器机械地驱动并且与输出轴不连接，所以能够提供温度和压力条件，并同时避免致动器吸收的能量的独立地消散(extinction)。此外，尤其在处于瞬时转速时，燃烧不受与燃气涡轮燃烧室的湍流和混合物相关的限制。

与开式循环发动机相比减少燃料消耗：通过压缩机的驱动能量获得这一改进。这一能量优选地从柴油机、气体发生器取得，并且由于高的循环温度和压力而具有更好的产出。通过在每个LP压缩阶段之后对空气进行冷却，产出可被进一步改善。

改善的重量：能量比，与相同功率的内燃机相比，高水平的增压允许气体发生器的汽缸容量被减小。通过比较，齿轮系适宜驱动压缩机和其它位于自由涡轮机的轴和致动器之间的装置。

设计：气体发生器和致动器之间不存在空气动力学联接或机械联接。因此除了限制压力降和自由涡轮机的上游热传递之外，不存在安装限制。空气还能够从的LP压缩机抽取以进行服务(客舱增压，除冰)或调整各个阶段的工作点。压缩机还可以是超大尺寸的并且一部分压缩空气被抽取以在涡轮机之前减少排放气体(以便例如增加气体流速并同时减小涡轮机输入温度)。

制造成本：对于气体发生器，本方案不需要开式循环燃烧室或HP涡轮机，开式循环燃烧室或HP涡轮机是因高的热约束而需要最专业技术的燃气涡轮发动机的一部分。

在具有辅助燃烧室的实施例中，所述辅助燃烧室针对启动阶段和推进阶段提供了的特定的优点。

对于启动阶段，具有低压缩比的气体发生器启动通过压缩空气的供给而被促进。为此，有必要将大量能量供给至气体发生器，以便其能够驱动压缩机。所述能量优选地来自于被供以经由辅助腔室的燃烧气体和来自压缩机的旁路空气的涡轮机。所述涡轮机因此比得上传统燃气涡轮机。致动器上回收的能量被返回到气体发生器的空气或电动启动器。这种构型大大减小了电能储存要求。

对于飞行器中通常短时段内(例如起飞期间或紧急情况期间)需要的推进阶段，通过辅助燃烧室供给至涡轮机的功率使得气体发生器的尺寸只受限于其额定功率。由于来自辅助燃烧室的减小的热产出，总的热产出在推进阶段被减小。但是这些阶段被限制在发动机的工作周期中。与尺寸被设计成允许在不存在附加的辅助燃烧室的情况下产生了推进的相同系统相比，气体发生器尺寸的减小使得系统减小了重量和大小。

附图说明

通过阅读下文中参照附图对本发明的一个或多个实施例的详细描述，将能够更好地理解本发明，并且本发明的其它目的、细节、特征和优点将因此变得清晰，本发明的一个或多个实施例以纯说明性且非限制性的示例给出，在附图中：

图1为来自现有技术的具有自由涡轮机和形成气体发生器的燃气涡轮发动机的设备的示意图；

图2为根据本发明的设备的示意图；

图3为根据本发明的设备的示意图，包括辅助燃烧室。

具体实施方式

参照图1，该图示出传统设备1，传统设备1具有气体发生器3和驱动致动器7的自由涡轮机6。气体发生器在同一轴中包括供给开式循环燃烧室4的多级(低压或高压)压缩机2，来自开式循环燃烧室4的燃烧气体在涡轮机5中部分地膨胀。所述涡轮机使用公用轴驱动压缩机2。在涡轮机5中部分地膨胀之后，气体被引入到自由涡轮机6中，自由涡轮机的轴被连接至致动器7的轴，所述致动器7在航空领域通常为螺旋桨。应注意的是，该循环是燃烧室4中的恒压燃烧循环。

根据本发明，具有燃气涡轮发动机的四冲程内燃机取代了气体发生器。

在图2中，相同的自由涡轮机6驱动致动器7。

气体发生器13包括四冲程内燃机14，该四冲程内燃机14有利地为柴油发动机。但是，所述发动机也可以是火花点火发动机。

内燃机14通常包括汽缸，其中容纳有活塞的汽缸界定出燃烧室。活塞被固定至曲轴20，曲轴20的旋转使活塞在汽缸内往复运动并且控制各个腔室的进气阀和排气阀。

对于每一个汽缸(在本示例中为四个汽缸，15、16、17和18)，循环的四个阶段(即，吸气、压缩、膨胀和排气)相继地发生。

汽缸的排气装置连接至排气歧管19，排气歧管19在气体离开汽缸之后引导气体进入自由涡轮机6的气体吸气歧管。在可选地穿过蓄热器(regenerator)(未示出)之后，气体在涡轮机6中膨胀并随后被排出。

曲轴20经由齿轮箱22机械地连接至压缩机21，以便将压缩机21的转速调节至其正确的工作速度，所述压缩机21的正确的工作速度不同于发动机14的转速。

有利地，压缩机在气体在合适的热交换器23中被冷却之后向汽缸供给处于尽可能高的压力下的空气。

在工作中，气体通过压缩机21引入(可选地在热交换器23中经过冷却)；合适的燃料进入到汽缸中；压缩、燃烧、膨胀并排出到排气歧管19中；随后进入到涡轮机6中。通过引导致动器7的轴抽取能量。根据一个改型，旁路管道25被布置在压缩机和自由涡轮机之间，以便将一部分气体从压缩机直接朝着自由涡轮机6引导，而不必穿过内燃机。这使得能够针对发动机的一些工作阶段(例如，需要附加动力)增大气体流速并进而增大涡轮机上的可用功(workavailable)，并且同时减少来自内燃机中的热的气体，以便不超过涡轮机的热极限。这还能调节压缩机和涡轮机的工作点(operating points)，以便优化总产出。

如上所述，气体发生器的压缩比在此处远小于传统发动机的压缩比，因为膨胀阶段被布置成：获得刚好足够的能量来允许活塞在其它三个阶段中的工作和驱动压缩机21。大部分来自燃烧气体的能量用于向动力涡轮机6供给足够的压力和温度。

在传统的四冲程柴油发动机中，热平衡因此相对于下述可用化学能被建立：

产出至排出气体的能量：45％

热传递和摩擦所消耗的能量：15％

输出轴上可用的能量相比于开式循环发动机：40％：20％～30％。

与“传统”发动机的结构(profile)相比，图2中的设备的气体发生器提供的可用在曲轴上的功通过压缩比的减小而更小。轴上可用的功被减小至刚好满足驱动压缩机。但是，一方面，由于压缩机输出压力大于传统发动机，因而可提供相同的最大燃烧压力。另一方面，产出至排出气体的能量大于传统发动机并且允许使用涡轮机轴作为发动机轴。

因为能量从涡轮机抽取，内燃机必须在不过度增加汽缸容量和质量的情况下具有足够的气流和压力。这通过非常高压力的汽缸供给和减小压缩比实现。考虑到优化的产出以及比相同功率的柴油机更低的汽缸容量，因此非常高的燃烧压力被维持。压缩机之后的空气冷却还允许减小所需要的汽缸容量。

尽管汽缸的输入端处的高的压缩率，燃烧室的耐热性必须被确保。应注意的是，就这点来看，四冲程循环不像二冲程循环那么严格。

气体还可在每个压缩阶段之后被冷却，以便限制汽缸和涡轮机的温度，因此避免使用高成本的技术。

冷却还减小压缩所需要的功。

与开式循环发动机相比，本发明的解决方案允许自由涡轮机中的更大的膨胀比以及更低(lower)的空气：燃料比。这允许气流和/或自由涡轮机输入温度对给定输出功率受限。

根据图3中示出的改型，辅助燃烧室被设置在内燃机的排气装置和自由涡轮机之间。

在图3中，气体从内燃机14进入排气歧管19并且供给辅助燃烧室30，辅助燃烧室30安装有辅助燃料喷射器31和可选的点火塞33。空气旁路管道25还通至辅助燃烧室30。空气旁路管道25能够被可选地连接至排气歧管19。来自燃烧室的气体随后被朝着自由涡轮机6引导。

辅助燃烧室30中的燃料喷射根据发动机的工作阶段或模式来控制。辅助燃烧室气体因此来自汽缸、旁路25或部分地来自每个回路。各个回路的气体流速通过合适的阀来控制。管道25例如安装有阀26，所述阀26控制来自压缩机21的旁路空气。

启动工作模式例如如下所述。内燃机14由被供给以电能或气动能量(视情况而定)的启动器(未示出)驱动。内燃机驱动供给辅助燃烧室的压缩机。产生的气体驱动涡轮机，涡轮机利用致动器7和合适的装置将附加能量供给至启动器。于是，所述启动器能够以足以合适地启动内燃机的动力驱动该内燃机。

根据本发明的另一未示出的实施例。

压缩机被设置在内燃机的排气装置和燃烧室之间，或

附加涡轮机被供以来自内燃机的排出气体的一部分，附加涡轮机的轴被机械联接至内燃机的轴。

Claims (10)

1.用于驱动发动机轴的热力发动机，包括至少一个气体发生器和涡轮机(6)，所述至少一个气体发生器向涡轮机供给发动机气体，并且所述涡轮机被设置成使传动轴旋转，其特征在于，所述气体发生器为四冲程内燃机(14)，所述热力发动机包括用于将空气供给至所述内燃机的压缩机(21)，所述压缩机由所述内燃机机械地驱动，并且所述涡轮机(6)相对于内燃机无机械地约束。

2.根据前项权利要求所述的发动机，其中，所述内燃机为柴油发动机。

3.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述内燃机为火花点火发动机。

4.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其中，所述压缩机(21)经由齿轮箱(22)由所述内燃机驱动。

5.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，包括位于所述压缩机(21)和所述内燃机(14)之间的热交换器(23)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，包括位于压缩机和内燃机之间的用于抽取空气的装置。

7.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，包括位于所述压缩机(21)和自由涡轮机(6)之间的旁路管道(25)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，包括位于内燃机(14)的排气装置和自由涡轮机(6)之间的辅助燃烧室(30)。

9.根据前一项权利要求所述的发动机，包括位于内燃机的排气装置和辅助燃烧室(30)之间的压缩机。

10.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，包括附加涡轮机，所述附加涡轮机被供以来自内燃机的排出气体的一部分，所述涡轮机的轴被机械连接至内燃机的轴。