与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机制造技术

本发明专利技术提出一种与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机，该发动机包括部分氧化重整器、固体氧化物燃料电池系统和飞机推进系统，直流电机通过连接轴驱动压气机，部分氧化重整器设于直流电机后方，固体氧化物燃料电池系统、燃烧室和喷管依次连接。本发明专利技术利用固体氧化物燃料电池发电带动直流电机，继而通过轴连接驱动压气机工作，取消了传统的涡轮，解决了压气机和涡轮匹配困难、变工况性能差等问题；取消涡轮之后，发动机的压比和温比不受涡轮功率分配和涡轮前温度的限制，使得发动机的功率提高。本发明专利技术利用固体氧化物燃料电池热效率高且污染气体排放量少的优点，还解决了传统航空发动机耗油率高和空气污染物排放含量高的问题。

【技术实现步骤摘要】
与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机
本专利技术涉及一种喷气发动机，具体涉及一种与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机，属于飞机推进系统

技术介绍
目前飞机的推进系统热效率比较低且耗油率高，氮氧化物排放量较高，对环境产生较为严重的污染，因此开发新的能源以及设计新的推进系统是当前较为重要的内容。传统的燃气涡轮航空发动机，将燃料的化学能转变为机械能产生推进功，能量损失很大，效率仅为35％左右；而使用固体氧化物燃料电池，效率约50％左右，可以将燃料的化学能转变为电能，提高了系统的效率，并且燃料电池十分环保，对于当前的废气污染具有很重要的意义。氢气是一种十分友好的燃料，它的能量高且不污染环境，但是由于体积能量密度低，且携带不方便，使得它在广泛使用上存在很大的问题。故而，既要兼顾氢气能量高不污染环境的优点又要考虑来源的问题，采用携带部分氧化重整器来对燃料进行催化重整，使之产生以氢气为主的重整气供给固体氧化物燃料电池使用是解决此问题的一个思路，并且对于长航时的飞机来说，这种方式更为经济。传统燃气涡轮航空发动机在正常工作时，涡轮功率的三分之二用来带动压气机，其余三分之一功率为输出功率，压气机需要由涡轮做功带动。二者在工作过程中相互影响、相互制约，在匹配上比较困难，很大程度上影响了发动机的性能，容易导致变工况性能差，并且耗能多。
技术实现思路
本专利技术为了解决传统燃气涡轮航空发动机在正常工作时，涡轮功率的三分之二用来带动压气机，其余三分之一功率为输出功率，压气机需要由涡轮做功带动，二者在工作过程中相互影响、相互制约，在匹配上比较困难，很大程度上影响了发动机的性能，容易导致变工况性能差，且耗能多；发动机的压比和温比受涡轮功率分配和涡轮前温度的限制，使得发动机的功率不高以及传统航空发动机耗油率高和空气污染物排放含量高的问题，提供一种与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机，去掉涡轮，由尾喷管作为产生动力的部件，实现气流加速从而产生推力。为达此目的，本专利技术提出一种与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机包括进气道、燃料输送泵、部分氧化重整器、固体氧化物燃料电池系统、飞机推进系统、空气输送通路和燃油输送通路，所述飞机推进系统包括压气机、燃烧室、直流电机、连接轴和喷管；所述进气道设于压气机的前端上下两侧，所述直流电机通过连接轴驱动压气机，所述部分氧化重整器设于直流电机的后方，所述固体氧化物燃料电池系统、燃烧室和喷管依次连接；所述空气输送通路是空气经进气道进入经过压气机压缩后分为两部分，一部分送至部分氧化重整器，另一部分从部分氧化重整器外部流过进入固体氧化物燃料电池系统；所述燃油输送通路是燃油经燃料输送泵流经直流电机的外壁，送至部分氧化重整器与部分氧化重整器内部的空气发生重整反应。优选地，所述进气道设于压气机前端的外周。优选地，所述燃油输送泵位于连接轴的上方，所述直流电机在工作状态下需要冷却，燃油经燃油输送泵流经直流电机外壳使工作中的直流电机温度下降。优选地，所述固体氧化物燃料电池系统发生电化学反应，输出直流电通过电线将电能供给直流电机。优选地，所述固体氧化物燃料电池系统由多个电池堆组合而成，每个电池堆内的电池通过串联组合，空气与重整气进入固体氧化物燃料电池系统内被分配给每个电池，发生电化学反应产生直流电。优选地，所述部分氧化重整器包括空气入口、燃油入口、催化剂和重整气出口，所述部分氧化重整器采用管式反应器，所述部分氧化重整器的前端设有燃油入口和空气入口，所述空气入口位于燃油入口的外圈，所述部分氧化重整器的中部装有镍基催化剂，所述部分氧化重整器的后端设有重整气出口。优选地，所述固体氧化物燃料电池系统包括阴极入口、阳极入口和阳极-电解质-阴极组合体，所述阳极-电解质-阴极组合体呈圆管形状贯穿整个固体氧化物燃料电池系统，所述阳极入口位于阳极-电解质-阴极组合体的内部，所述阴极入口位于阳极-电解质-阴极组合体的外周。优选地，所述重整气出口通过管道收集输送至固体氧化物燃料电池系统的阳极入口。优选地，所述空气输送通路是空气经进气道进入压气机压缩后，分为两部分，一部分送至部分氧化重整器的空气入口，另一部分从部分氧化重整器的外部流过进入固体氧化物燃料电池系统的阴极入口。优选地，所述燃油输送通路是燃油经过燃料输送泵流经直流电机的外壳，燃油温度升高，送至部分氧化重整器的燃油入口与部分氧化重整器内部的空气发生重整反应。本专利技术所述的与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机的工作原理为：本专利技术不采用传统的涡轮带动压气机工作，而是利用燃料电池的电能直接通过电动机带动压气机工作，使压气机和涡轮解耦，改变了这一复杂的匹配过程；同时传统的航空发动机主要由涡轮膨胀，实现将燃气的内能转变为机械能，再通过尾喷管对燃气加速产生推力或通过动力涡轮输出功，实现飞机的推进，对于喷气产生推力的发动机，在推进方面尾喷管与涡轮在一定程度上是可以提供相同的功能，故当解决了压气机的带动问题，可以考虑完全去掉涡轮，由尾喷管作为产生动力的部件，实现气流加速从而产生推力，提高了系统的总效率。本专利技术所述的与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机的有益效果为：(1)本专利技术相比于传统的燃气涡轮航空发动机，在结构上取消了涡轮，从而改变了涡轮带动压气机工作的模式。用燃料电池产生的直流电驱动直流电机，直流电机直接通过连接轴连接带动压气机工作，压气机在变工作状态时仅通过对电动机的变化即可，从而实现了压气机和涡轮的解耦，解决了较困难的压气机和涡轮的匹配问题，使得工作过程更加灵活，提高了效率。(2)本专利技术在结构上取消了涡轮，使用直流电机带动压气机，发动机的压比和温比不受涡轮功率分配和涡轮前温度的限制，提高了发动机的功率。(3)本专利技术利用固体氧化物燃料电池热效率高且污染气体排放量少的优点，解决了传统航空发动机耗油率高和空气污染物排放含量高的问题。(4)本专利技术通过部分氧化重整的方式对大分子的燃料进行重整得到以氢气为主的小分子烃，实现了在飞机上获得用于燃料电池的反应气，解决了直接携带氢气的困难。同时在飞机上采用部分氧化重整方式，由于不需要携带额外的水，体积质量大大降低；它是放热反应，也不需要对其进行加热，省去了额外的设备，减小了占据的空间，并且部分氧化重整反应迅速，可以满足燃料电池对重整气的需求量，故而解决了由于飞机空间紧凑而带来的装置安放困难等问题。(5)本专利技术将喷管作为产生推力的主要部件，直接使用喷管对高温燃气加速，利用气流反作用力实现对飞机的推进，取消了涡轮与尾喷管的组合形式，减小了重量，也解决了尾喷管和涡轮工作过程相互影响的问题。附图说明图1为本专利技术所述的与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机的结构示意图；图2为本专利技术所述的部分氧化重整器的工作原理示意图；图3为本专利技术所述的固体氧化物燃料电池的工作原理示意图；图中：1-进气道；2-压气机；3-连接轴；4-燃油输送泵；5-直流电机；6-部分氧化重整本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机，其特征在于，包括部分氧化重整器(6)、固体氧化物燃料电池系统(7)、飞机推进系统、空气输送通路和燃油输送通路，所述飞机推进系统包括压气机(2)、燃烧室(8)、直流电机(5)、连接轴(3)和喷管(9)；/n所述直流电机(5)通过连接轴(3)驱动压气机(2)，所述部分氧化重整器(6)设于直流电机(5)的后方，所述固体氧化物燃料电池系统(7)、燃烧室(8)和喷管(9)依次连接；所述空气输送通路是空气经进气道(1)进入经过压气机(2)压缩后分为两部分，一部分送至部分氧化重整器(6)，另一部分从部分氧化重整器(6)外部流过进入固体氧化物燃料电池系统(7)；所述燃油输送通路是燃油经燃料输送泵(4)流经直流电机(5)的外壁，送至部分氧化重整器(6)与部分氧化重整器(6)内部的空气发生重整反应。/n

【技术特征摘要】
1.一种与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机，其特征在于，包括部分氧化重整器(6)、固体氧化物燃料电池系统(7)、飞机推进系统、空气输送通路和燃油输送通路，所述飞机推进系统包括压气机(2)、燃烧室(8)、直流电机(5)、连接轴(3)和喷管(9)；
所述直流电机(5)通过连接轴(3)驱动压气机(2)，所述部分氧化重整器(6)设于直流电机(5)的后方，所述固体氧化物燃料电池系统(7)、燃烧室(8)和喷管(9)依次连接；所述空气输送通路是空气经进气道(1)进入经过压气机(2)压缩后分为两部分，一部分送至部分氧化重整器(6)，另一部分从部分氧化重整器(6)外部流过进入固体氧化物燃料电池系统(7)；所述燃油输送通路是燃油经燃料输送泵(4)流经直流电机(5)的外壁，送至部分氧化重整器(6)与部分氧化重整器(6)内部的空气发生重整反应。


2.根据权利要求1所述的与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机，其特征在于，所述进气道(1)设于压气机(2)前端的外周。


3.根据权利要求1所述的与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机，其特征在于，所述燃油输送泵(4)位于连接轴(3)的上方，所述直流电机(5)在工作状态下需要冷却，燃油经燃油输送泵(4)流经直流电机(5)外壳使工作中的直流电机(5)温度下降。


4.根据权利要求1所述的与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池系统(7)发生电化学反应，输出直流电通过电线(10)将电能供给直流电机(5)。


5.根据权利要求1所述的与固体氧化物燃料电池集成的无涡轮喷气发动机，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池系统(7)由多个电池堆组合而成，每个电池堆内的电池通过串联组合，空气与重整气进入固体氧化物燃料电池系统(7)内被分配给每个电池，发生电化学反应产生直流电。

【专利技术属性】
技术研发人员：秦江，姬志行，程昆林，刘禾，章思龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23