水汽动力系统、水汽发生组件、航空器及提供动力方法与流程

本发明涉及能源动力领域，尤其涉及一种水汽动力系统、水汽发生组件、航空器及提供动力方法。

背景技术：

航空动力装置涉及气动、热工、结构与强度、控制、测试、计算机、制造技术和材料等多种学科，其温度、压力、应力、转速、振动、间隙和腐蚀等工作条件远比飞机其他分系统复杂和苛刻，而且对性能、重量、适用性、可靠性、耐久性和环境特性等又有极高的要求。因此，传统的研制过程是一个设计、制造、试验、修改设计的多次迭代过程。

传统的航空动力系统如图1、图2所示，即燃气轮机动力系统10，包括风扇100、压气机组200、燃烧室300、以及涡轮400，空气经过风扇100、压气机组200后进入燃烧室300，与经过燃油喷嘴喷入燃烧室300的燃油发生燃烧反应，反应后的高温气体推动涡轮400做功输出动力。燃气轮机动力系统10的核心部件之一为燃气发生器，即燃烧室300。燃气发生器的燃料一般为航空煤油，煤油燃烧无法回避污染、排放问题，即环境污染问题十分突出，尤其是民用航空发动机污染和排放指标如果不达标将无法取得适航证。随着相关技术手段的进步，现有的民用航空发动机在性能指标上已经有了显著的进步，例如耗油率和污染物排放指标相比此前有了较大幅度的降低。但是，另一方面而言，随着国际社会和民航组织对民用航空发动机在经济性和环保性上越来越高的要求，如何使航空发动机满足日益增长的高性能指标要求，仍是一项长期面临的重要问题。

目前而言，虽然增加发动机压比和燃烧室出口温度可以提高整机的热效率从而降低耗油率，但是受限于设计水平、加工水平、材料能力和冷却技术的水平，现有航空发动机的涡轮前温度已接近安全使用的极限值，很难有明显程度的提高。现有技术中也有采用低污染燃烧室的技术方案，但由于航空发动机使用化石燃料，一般是航空煤油作为其动力来源，在燃烧中很难完全避免产生nox、co、uhc等污染物，因此均会造成一定的环境污染。同时，航空煤油成本高、不可再生、且不易存储危险性较高。

因此，本领域需要一种水汽动力系统、水汽发生组件、航空器及提供动力方法，以克服上述环境污染以及航空煤油成本高、不可再生、且不易存储危险性较高等等不足之处。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种水汽动力系统。

本发明的目的还在于提供一种水汽发生组件。

本发明的目的还在于提供一种航空器。

本发明的目的还在于提供一种提供动力方法。

根据本发明一方面的水汽动力系统，包括增压组件，包括压气机组，空气进入所述增压组件，经过所述压气机组的增压形成增压空气，从所述压气机组输出；水汽发生组件，包括储水件、第一入口、第二入口、汽化室以及导向件，所述第一入口加压喷射水至所述汽化室，第二入口输入所述增压气体至所述汽化室，所述水在所述汽化室内与所述增压空气直接接触而剧烈气化，使得所述水的体积膨胀形成膨胀水汽，经过所述导向件导向从所述汽化室输出；其中，所述第一入口喷射的所述水至少有部分来自所述储水件经第一管路输送；以及动力组件，包括涡轮，由所述膨胀水汽推动做功，输出动力。

在一个或多个实施例中，所述水汽发生组件包括有喷嘴，所述喷嘴设置于所述第一入口，所述喷嘴耦接有高压共轨件，使得从所述第一入口喷射的所述水至少有部分为高压水雾。

在一个或多个实施例中，所述水汽动力系统还包括循环组件，所述膨胀水汽经过动力组件后，至少有部分输出至所述循环组件，所述循环组件包括第二管路，所述第二管路两端分别连接所述动力组件以及储水件，使得所述膨胀水汽经过动力组件后至少有部分进入所述储水件收集。

在一个或多个实施例中，所述循环组件还包括第三管路，所述第三管路的两端分别连接所述动力组件以及第一入口，使得所述膨胀水汽经过动力组件后至少有部分直接被重新喷射入汽化室。

在一个或多个实施例中，所述循环组件还包括中间热交换件，对输出至所述循环组件的水汽进行冷却或加热，所述中间热交换件的输出端连接所述第二管路和/或第三管路。

在一个或多个实施例中，所述压气机组包括低压压气机以及高压压气机，所述涡轮包括低压涡轮以及高压涡轮，所述低压压气机共轴耦接所述低压涡轮，所述高压压气机共轴耦接所述高压涡轮。

根据本发明一方面的水汽发生组件，适用于以上任意一项所述的水汽动力系统。

根据本发明一方面的航空器，包括以上任意一项所述的水汽动力系统。

根据本发明一方面的提供动力方法，包括：

步骤s1：对空气进行增压，得到增压空气；

步骤s2：喷射水与所述增压空气直接接触，利用所述增压空气汽化所述水，所述水的体积膨胀形成膨胀水汽；

步骤s3：将膨胀水汽导入至涡轮，膨胀做功推动涡轮旋转提供动力。

在一个或多个实施中，在所述步骤s2中，所述喷射水为喷射高压水雾。

本发明的有益效果包括但不限于：

1.由水汽发生组件替代燃烧室，不发生燃烧，因此无污染、零排放，且可以将水循环利用；且水的安全性高于航空煤油，且成本低，避免了成本高、储存危险的缺点；

2.相对于燃气轮机动力系统而言，水汽动力系统由于不发生燃烧，系统温度低，改善发动机工况，降低了动力系统对于材料的性能要求，降低了动力系统的材料成本。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为燃气轮机动力系统的结构示意图；

图2为燃气轮机动力系统的方框示意图；

图3为根据一个或多个实施例的水汽动力系统的方框示意图。

图4为根据一个或多个实施例的水汽发生组件的示意图。

图5为根据一个或多个实施例的提供动力方法的流程图。

部分附图标记：

1-水汽动力系统

11-增压组件

111-压气机组

12-水汽发生组件

121-储水件

122-第一入口

123-第二入口

124-汽化室

125-导向件

127-喷嘴

128-高压共轨件

13-动力组件

131-涡轮

14-循环组件

21-空气

22-增压空气

31-水

311-高压水雾

32-膨胀水汽

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外，使用“第一”、“第二”、“第三”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本发明保护范围的限制。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

如图3所示，在一实施例中，水汽动力系统1包括增压组件11、水汽发生组件12以及动力组件13。其中增压组件11包括压气机组111，空气21进入增压组件11经过压气机组111的增压，形成增压空气22，从压气机组111输出至水汽发生组件12。水汽发生组件12包括储水件121、第一入口122、第二入口123、汽化室124以及导向件125，从第一入口122加压喷射水31至汽化室124，具体地，如图3所示，在一实施例中，水31中至少有部分来自于储水件121经过第一管路126输送至第一入口122位置。从第二入口输入增压空气22至汽化室124，水31在汽化室124内与增压空气22直接接触而剧烈气化，使得水31的体积膨胀形成膨胀水汽32，经过导向部125导向从汽化室124输出至动力组件13，膨胀水汽32推动动力组件13的涡轮131做功，以输出动力。如此设置的有益效果在于，将水31加压喷射进汽化室124中，与高温的增压空气22掺混膨胀做功，由于单位质量内水的体积是水蒸汽的1600倍左右，有限体积的汽化室内水31的体积迅速膨胀，引起压力的激增，经过导向件125有效控制排除汽化室124的出口方向与面积，推动涡轮13旋转做功。由水汽发生组件12替代如图1以及图2所示的燃气轮机动力系统10的燃烧室300，在水汽动力系统1中不发生燃烧，因此无污染、零排放，且可以将水循环利用；且水的安全性高于航空煤油，且成本低，避免了成本高、储存危险的缺点。并且，相对于燃气轮机动力系统10而言，水汽动力系统1由于不发生燃烧，系统温度低，改善发动机工况，降低了动力系统对于材料的性能要求，降低了动力系统的材料成本。在一实施例中，类似于图1、图2的燃气轮机动力系统的结构，压气机组111可以包括低压压气机以及高压压气机，涡轮131可以包括低压涡轮以及高压涡轮，低压压气机共轴耦接低压涡轮，高压压气机共轴耦接高压涡轮，如此可以使得涡轮131向外输出动力的同时，也向水汽动力系统1内部输送压气机组131压缩空气的动力。

参考图3以及图4，在一实施例中，加压喷射水31的具体结构可以是，水汽发生组件12包括有喷嘴127，喷嘴127设置于第一入口122，喷嘴127耦接有高压共轨件128，使得从第一入口122喷射的水31至少有部分为高压水雾311，高压共轨件128可以是类似于现有技术中燃油喷射系统的高压共轨件，例如通过高压泵将水输送至公共供水管路内，通过公共供水管内的压力实现喷射的水31的压力的精确控制，但不以此为限。采用高压共轨件128的有益效果在于，持续对喷射的水31加压，进一步提高了喷射入汽化室124的水31的雾化程度，使得其更为均匀地在汽化室124中与高温的增压空气22接触，实现水变水蒸气的变化。

继续参考图3，水汽动力系统1的具体结构还可以包括循环组件14，膨胀水汽32经过动力组件13后，至少有部分输出至循环组件14，循环组件14包括第二管路142，第二管路142两端分别连接动力组件13以及储水件121，使得膨胀水汽经过动力组件13后至少有部分进入储水件121收集，如此设置的有益效果在于，可以使得膨胀做功后的水被重复利用。

进一步地，继续参考图3，在一实施例中，循环组件14还可以包括第三管路143，第三管路143的两端分别连接动力组件13以及第一入口122，使得膨胀水汽经过动力组件13后至少有部分直接被重新喷射入汽化室124，如此可以充分利用经过动力组件13后的水的余热，增强在第一入口122被加压喷射的雾化效果。进一步地，继续参考图3

进一步地，继续参考图3，在一实施例中，循环组件14还可以包括中间热交换件144，对输入循环组件14的水进行冷却或加热，中间热交换件144的输出端连接第二管路142和第三管路143，本领域技术人员可以理解到，中间热交换件144的输出端也可以连接第二管路142或第三管路143之一，均不以此为限。如此设置的有益效果在于，可以根据不同的工况对于做功后的水进行加热或冷却处理，例如在小工况下，对做功后的水冷却，防止其中存在大量气泡而影响加压喷射的喷嘴的运行，例如在大工况下，需要对做功后的水加热，以优化其雾化喷射的效果。

可以理解到，上述的水汽动力系统1与图1、图2所示的燃气轮机动力系统10类似，均可以用于航空器，例如民航飞机，如此可以实现航空器零排放的目标，且节约了使用成本。同时，也可以将现有的燃气轮机动力系统的航空器结构经过简单改造适用于水汽动力系统1的航空器，如此也降低了采用新的动力系统的结构设计难度。

参考图5，上述实施例介绍的动力提供方法可以是：

步骤s1：对空气进行增压，得到增压空气，例如通过压气机组111对空气进行增压；

步骤s2：喷射水与所述增压空气直接接触，利用所述增压空气汽化所述水，所述水的体积膨胀形成膨胀水汽，例如可以通过高压共轨的喷嘴对水进行喷射，喷射水为喷射高压水雾；

步骤s3：将膨胀水汽导入至涡轮，膨胀做功推动涡轮旋转提供动力。

综上，采用以上实施例的水汽动力系统、水汽发生组件、航空器及提供动力方法的有益效果包括但不限于：

1.由水汽发生组件替代燃烧室，不发生燃烧，因此无污染、零排放，且可以将水循环利用；且水的安全性高于航空煤油，且成本低，避免了成本高、储存危险的缺点；

2.相对于燃气轮机动力系统而言，水汽动力系统由于不发生燃烧，系统温度低，改善发动机工况，降低了动力系统对于材料的性能要求，降低了动力系统的材料成本。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。