一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统及方法

本发明属于内燃机动力，具体属于一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统及方法。

背景技术：

1、小型无人机的动力装置应具备的基本能力和特点有：高空快速起动能力、长航时下低油耗工作和功率提取能力、高效推进能力、动力装置的使用安全性和可靠性。在小型无人机的动力装置选配上，可以采用电动机、活塞发动机、涡喷发动机、转子发动机等多种动力系统。其中，转子发动机具有部件少、结构紧凑、振动和噪声低、功重比高等突出优点，在小型低成本无人机的动力装置中具有优异的性能。

2、然而，转子发动机多燃烧传统燃油，加上航空转子发动机特殊的高空、低压环境，以及其狭长的燃烧室导致燃烧不够充分，使得发动机存在耗油率高、污染排放严重、密封困难、热力学效率低等问题，甚至一度淡出内燃机历史。因此改善转子发动机使其有更高的排气利用率和热效率十分重要。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统及方法，利用蒸汽循环系统储存转子发动机排气余热，并利用排气余热进行发电，不仅使转子发动机具有更高的排气利用率还提高了转子发动机的热效率，克服了上述转子发动机耗油率高、污染排放严重、密封困难、热力学效率低的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，包括采用掺氢燃料的x型转子发动机以及采用氨水混合物为循环工质的蒸汽循环系统，其中x型转子发动机的高温排气出气口与蒸汽循环系统的进气口连通用于利用x型转子发动机的高温排气进行发电；

3、蒸汽循环系统包括过热器、蒸发器、分离器、输出电机，x型转子发动机的高温排气出气口与过热器的热源进口连通，过热器的热源出口与蒸发器的热源进口连通，蒸发器的热源出口与大气连通；工质泵的工质出口与蒸发器的工质进口连通，蒸发器的工质出口与分离器的工质进口连通，分离器的富氨蒸汽出口与过热器的工质进口连通，过热器的工质出口与透平发电机的工质进口连通进行发电，透平发电机与输出电机连接。

4、进一步的，所述x型转子发动机为反三角结构，采用字型转子型线，以外旋轮线作为转子型线，外包络线作为缸体型线。

5、进一步的，分离器的贫氨蒸汽出口与节流阀的进口连通，节流阀的出口与冷凝器的入口连通，冷凝器的出口与工质泵的进口连通。

6、进一步的，还包括回热器，工质泵的工质出口与回热器的工质入口连通，回热器的工质出口与蒸发器的工质进口连通；透平发电机的工质出口与回热器的热源进口连通，回热器的热源出口与冷凝器的入口连通，冷凝器的出口与工质泵的进口连通。

7、进一步的，还包括分流阀、一级储热再热器、二级储热再热器，x型转子发动机的高温排气出气口与分流阀的进气口连通，分流阀的第一出气口与一级储热再热器的热源进口连通，一级储热再热器的热源出口与二级储热再热器的热源进口连通，二级储热再热器的热源出口与过热器的热源进口连通，过热器的热源出口与蒸发器的热源进口连通，蒸发器的热源出口与大气连通；分流阀的第二出气口与过热器的热源进口连通。

8、进一步的，透平发电机包括高压级透平，中压级透平和低压级透平，过热器的工质出口与高压级透平的工质进口连通，高压级透平的工质出口通过开关阀一与中压级透平的工质进口连通，中压级透平的工质出口通过开关阀二与低压级透平的工质进口连通，低压级透平的工质出口与回热器的热源进口连通，回热器的热源出口与冷凝器的入口连通。

9、进一步的，处于低功率负荷工况情况下，开关阀一和开关阀二开启；处于高功率负载工况情况下，开关阀一和开关阀二关闭。

10、进一步的，透平发电机包括高压级透平，中压级透平和低压级透平，过热器的工质出口与高压级透平的工质进口连通，高压级透平的出口通过开关阀三与一级储热再热器的工质进口连通，一级储热再热器的工质出口与中压级透平的工质进口连通，中压级透平的工质出口通过开关阀四与二级储热再热器的工质入口连通，二级储热再热器的工质出口与低压级透平的工质进口连通，低压级透平的工质出口与回热器的热源进口连通，回热器的热源出口与冷凝器的入口连通。

11、进一步的，处于低功率负荷工况情况下，开关阀三和开关阀四关闭；处于高功率负载工况情况下，开关阀一和开关阀二开启。

12、本发明还提供一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统的运行方法，具体步骤如下：

13、s1以氢气、空气混合气体为助燃剂，向x型转子发动机中通入助燃剂，x型转子发动机内燃料与助燃剂充分燃烧产生的高温排气；

14、s2将高温排气通入蒸汽循环系统的过热器、蒸发器热源侧；蒸汽循环系统中，工质泵将氨水混合物通入蒸发器的工质侧吸收高温排气的热量得到氨水蒸汽，氨水蒸汽通入分离器中得到富氨蒸汽，富氨蒸汽通入过热器的工质侧吸收高温排气的热量后通入透平发电机中做功发电。

15、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

16、本发明提供一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，使用采用掺氢燃料的x型转子发动机，燃料掺氢可以有效推进发动机燃烧进程，减小燃烧持续角，促进燃料完全燃烧，不仅能提供更高温度的排气，还可以提高发动机的燃烧性能与排放性能；且本发明将x型转子发动机的高温排气作为热源通入蒸汽循环系统中，利用高温排气的热量对蒸汽循环系统的循环工质进行加热，实现了余热发电；进一步的，在常规的蒸汽循环中，蒸发过程是导致蒸汽循环系统效率低的根本原因，水在蒸发段即相变气化段需要吸收的气化潜热量较大，水的相变过程具有定温特性，而x型转子发动机高温排气余热释放为变温过程，两者之间难以形成良好匹配，导致该过程能量损失较大，阻碍了蒸汽循环效能的进一步提升，为了解决上述问题，本发明采用氨水混合物作为循环工质，氨水混合物具有变温相变特性，与x型转子发动机高温排气温度的变化具有更好的匹配性，可以减少工质吸热过程的不可逆性，降低热源温度，提高热源利用率，可以有效改善加热过程中的热不匹配问题。

17、综上可以看出，本发明使得x型转子发动机原本只能排放至外界的带有大量高温热量的排气作为采用氨水混合物为循环工质的蒸汽循环系统的热源后，其热量得到了有效利用，减少了排放至大气的排气热量，降低了温室效应实现更高的热能利用率。

技术特征：

1.一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，其特征在于，包括采用掺氢燃料的x型转子发动机(1)以及采用氨水混合物为循环工质的蒸汽循环系统，其中，蒸汽循环系统包括过热器(6)、蒸发器(7)、分离器(8)、输出电机(13)，x型转子发动机(1)的高温排气出气口与过热器(6)的热源进口连通，过热器(6)的热源出口与蒸发器(7)的热源进口连通，蒸发器(7)的热源出口与大气连通；工质泵(11)的工质出口与蒸发器(7)的工质进口连通，蒸发器(7)的工质出口与分离器(8)的工质进口连通，分离器(8)的富氨蒸汽出口与过热器(6)的工质进口连通，过热器(6)的工质出口与透平发电机的工质进口连通进行发电，透平发电机与输出电机(13)连接。

2.根据权利要求1所述的一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，其特征在于，所述x型转子发动机(1)为反三角结构，采用(8)字型转子型线，以外旋轮线作为转子型线，外包络线作为缸体型线。

3.根据权利要求1所述的一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，其特征在于，分离器(8)的贫氨蒸汽出口与节流阀(9)的进口连通，节流阀(9)的出口与冷凝器(10)的入口连通，冷凝器(10)的出口与工质泵(11)的进口连通。

4.根据权利要求1所述的一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，其特征在于，还包括回热器(12)，工质泵(11)的工质出口与回热器(12)的工质入口连通，回热器(12)的工质出口与蒸发器(7)的工质进口连通；透平发电机的工质出口与回热器(12)的热源进口连通，回热器(12)的热源出口与冷凝器(10)的入口连通，冷凝器(10)的出口与工质泵(11)的进口连通。

5.根据权利要求1所述的一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，其特征在于，还包括分流阀(5)、一级储热再热器(3)、二级储热再热器(4)，x型转子发动机(1)的高温排气出气口与分流阀(5)的进气口连通，分流阀(5)的第一出气口与一级储热再热器(3)的热源进口连通，一级储热再热器(3)的热源出口与二级储热再热器(4)的热源进口连通，二级储热再热器(4)的热源出口与过热器(6)的热源进口连通，过热器(6)的热源出口与蒸发器(7)的热源进口连通，蒸发器(7)的热源出口与大气连通；分流阀(5)的第二出气口与过热器(6)的热源进口连通。

6.根据权利要求5所述的一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，其特征在于，透平发电机包括高压级透平(14)，中压级透平(15)和低压级透平(16)，过热器(6)的工质出口与高压级透平(14)的工质进口连通，高压级透平(14)的工质出口通过开关阀一(17)与中压级透平(15)的工质进口连通，中压级透平(15)的工质出口通过开关阀二(18)与低压级透平(16)的工质进口连通，低压级透平(16)的工质出口与回热器(12)的热源进口连通，回热器(12)的热源出口与冷凝器(10)的入口连通。

7.根据权利要求6所述的一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，其特征在于，处于低功率负荷工况情况下，开关阀一(17)和开关阀二(18)开启；处于高功率负载工况情况下，开关阀一(17)和开关阀二(18)关闭。

8.根据权利要求5所述的一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，其特征在于，透平发电机包括高压级透平(14)，中压级透平(15)和低压级透平(16)，过热器(6)的工质出口与高压级透平(14)的工质进口连通，高压级透平(14)的出口通过开关阀三(19)与一级储热再热器(3)的工质进口连通，一级储热再热器(3)的工质出口与中压级透平(15)的工质进口连通，中压级透平(15)的工质出口通过开关阀四(20)与二级储热再热器(4)的工质入口连通，二级储热再热器(4)的工质出口与低压级透平(16)的工质进口连通，低压级透平(16)的工质出口与回热器(12)的热源进口连通，回热器(12)的热源出口与冷凝器(10)的入口连通。

9.根据权利要求7所述的一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统，其特征在于，处于低功率负荷工况情况下，开关阀三(19)和开关阀四(20)关闭；处于高功率负载工况情况下，开关阀一(17)和开关阀二(18)开启。

10.权利要求1-9中任一项所述的一种分流储热式转子发动机-氨水联合动力系统的运行方法，其特征在于，具体步骤如下：

技术总结
本发明提供一种分流储热式转子发动机‑氨水联合动力系统及方法，包括采用掺氢燃料的X型转子发动机以及采用氨水混合物为循环工质的蒸汽循环系统，蒸汽循环系统包括过热器、蒸发器、分离器、输出电机，X型转子发动机的高温排气出气口与过热器的热源进口连通，过热器的热源出口与蒸发器的热源进口连通，蒸发器的热源出口与大气连通；工质泵的工质出口与蒸发器的工质进口连通，蒸发器的工质出口与分离器的工质进口连通，分离器的富氨蒸汽出口与过热器的工质进口连通，过热器的工质出口与透平发电机的工质进口连通进行发电，透平发电机与输出电机连接；本发明系统能够储存转子发动机排气余热，并利用排气余热进行发电，从而提高热效率。

技术研发人员：杜洋,张泽奇,何光宇,王瑞,高旭,厚宇,陈硕
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4