CN101255801B - 高背压内燃汽轮机 - Google Patents

Abstract

涉及一种高背压内燃汽轮机，包括转子、定子、端盖、轴承座、轴承、主轴、注水孔、螺栓、脚架、进气室、高压排气阀。转子内周边有二个以上均布的尖三角空速腔连接气缸室、中心有离心叶片与主轴静配合。定子由两个180°半圆内设储气室和阻气叶片合成整圆、外设1-2个高压排气阀。端盖内有导流叶片、中心外装配轴承座和轴承、并装1—2个注水接头。轴承座上端装配进气室和喷油嘴及风门导进混合气。把定量的水注入转子气缸室达到降温增加工作介质量对转子进行内冷和控制气缸室额定温度有效的加大推力，与高背压(气垫反作用力)增加功率——提高热能量有效利用率。

Description

高背压内燃汽轮机 

技术领域

本发明涉及一种新型的热动力设备——热机装置，具体地说涉及一种把燃料(汽油、柴油)和空气混合压缩(冲压)爆燃产生高温释放热能量，燃气工作介质(质量小)，与另一种工作介质——水(质量是空气的855倍)直接注入高温、高压的汽缸室内，让水瞬间受热膨胀(汽化)、混合成高温、高压和大质量的综合型工作介质，在定子高背压(气垫反作用力下)使热能更有效的转换(产生)更大的动能(推力)而做功，是一种混合型工作介质的热能转化为机械能的原动力装置——高背压内燃汽轮机。 

背景技术

现今只有叶片式汽轮机和活塞式内燃机成为热动力机的市场主导，两者在结构上、工作原理上也不相同各有特点，热能量的利用效率差异也很大，但把热能转换为机械能的形式和规律基本相同；燃料→热能→势能(压力)→动能(力)→作功(运行)→机械能。 

汽轮机机械效率达87％以上，而且是一种有效热效率近40％的动力机，但它是一种外燃热动力设备，必须依靠巨大的外燃笨重设备锅炉等，除了核动力舰船外，汽轮机基本上是.固定不可移动设置。 

活塞式内燃机由于轻便、起动容易、工作可靠，机械效率高达80％以上，有效热效率接近30％，活塞式内燃机其种类(品种)很多，有二冲程、四冲程、汽油机、柴油机等，小至半马力大到十多万马力，有电火花引燃和喷油自燃两大类及单汽缸和多汽缸等，差异很大。但它们在作功原理和设置上有活塞、汽缸、连杆、曲轴、进、排气门等结构功能基本相同，它们的压缩空气或混合气及扩大汽缸容积率的“膨胀作功”的原理(理论)基本相同。... 

内燃机还有涡轮发动机主要是航空用发动机和燃气轮机，它的结构和工作原理与活塞内燃机不相同，用多组叶片压缩空气，结构复杂造价昂贵。 

发明内容

高背压内燃汽轮机通过压缩(冲压)混合气燃烧产生热能量加热大质量的工作介质水和空气，使两者都产生受热膨胀产生压力——动能量，该混合型工作介质的总动能量比单纯的燃气(小质量)的动能量要大得多，采用不扩大汽缸容积和高背压及注水三大条件，使混合工作介质保持高温、高压、大质量的动能量更有效转换为功的效率，提高热能利用率，大幅度提高有效热效率。 

A)具体实施方式：

(1)定子体：定子径向是360°圆筒体，轴向是两个180°半圆体，定子下半部设有1—2个的排气管，定子内腔设置尾气阻流叶片和圆周留有大空间的储气室和外部设置强筋片。 

定子体的基本功能；是用于克服转子旋转时产生相对的反旋转扭矩力，定子内空腔(储气室)调节高压气(20—25kg/cm²)压力，高压气体对转子喷口产生反推力(反作用力)，定子的高背压储气(气垫)是产生机械后坐力效应而作用于转子喷口的恒压推力器，并通过转子喷气作用经主轴输出功率。 

(2)转子体：转子体径向呈厚筐飞轮状360°圆筒套于定子体内圆动配合，转子内周边设两个以上均布流线型尖三角空速腔(用于进水汽化)尖三角空速腔与汽缸室(燃烧室)相通，汽缸室的尾部喷孔(喷口)呈轴向长方形，转子中间设置离心压气叶片，中心装配主轴。 

转子体的基本功能；是产生巨大的离心力，两次增压加速混合气的流速和提供超音速产生冲压效应两方面，混合气得到加速增大压强达到“速度+速度”效果，转子集进气、压缩、 作功(推力)、排气四个行程一元化作功的这一特点，用冲压效应代替传统汽缸压缩功能，本机转子的360°旋转运行中的每度角都同时进行也同时完成四个行程一元化作功和不扩大汽缸室容积率及高背压反推力这一特点，是本发明主要特征。 

(3)高压排气阀：在定子径向两边设置一个或两个高压(20—25kg/cm²)的自动(弹簧)压力控压的排气阀，是保证定子内空腔(储气室)达到额定(2—2.5Mpa)气压，它的功能有三点：其一，定子内储气室保持均恒高压在相对密封的条件下产生机械后坐力效应作用。其二，使转子喷口获得高背压产生的推力高于一个大气压(1kg/cm²)的20—25倍的巨大反作用力。其三，便于内燃机低速起动。高压排气阀排出的高压废气更有利于配置废气涡轮增压器(机)。 

高背压设置是有别于传统内燃机，传统内燃机最忌高背压，只要背压在0.5Mpa就不作功，在1Mpa根本就不转动。 

以上概述的三大部件结构其功能产生了，冲压不改变汽缸容积压缩混合气，高背压产生巨大反作用力和注水增加工作介质质量加大推力的三大作用，是本发明与传统内燃机区别的独特功能而设计。 

B)工作(作功)原理： 

传统内燃机的热能量在高速扩容降压同时大部份热能量瞬间化为低压废气排放掉，本发明高背压内燃汽轮机是有效的结合以下五项物理原理，形成本发明独特的“汽缸不扩容和高背压”作功原理代替传统内燃机改变汽缸容积“扩容膨胀”的作功原理，本发明依据以下五项物理原理互相作用和并存发挥作用： 

1、高背压——机械后坐力效应原理； 

2、物体相对运动原理； 

3、空气冲压原理； 

4、旋转离心力原理； 

5、作用与反作用力原理； 

(1)高背压——机械后坐力效应原理：只有在物体相对密封条件下工作介质对运动物体产生相对的高背压(大推力)作用——机械后坐力效应，该原理被广泛的利用在枪炮上，一粒步枪子弹的火药如果没有利用枪堂的相对密封所产生的机械后坐力效应作用，只靠自身火药产生的反冲力，它连克服堂线(来复线)的摩擦力的能量都不够。 

本高背压内燃机其转子与定子储气室是在相对密封的条件下，定子储气室被调节在20—25kg/cm²的高气压状态下(恒压气垫)，定子对在旋转中的转子喷口产生相对20—25kg/cm²的巨大反推力，该有效的总推力(喷口总垂直面积平方厘米cm²×20—25kg/cm²)机械后坐力效应高背压反推力，高气压下也直接传递到转子汽缸室内保持相等的(2—2.5MPa)的气压，是现在柴油机压缩空气还没有达到的高压缩比。 

如本发明不特设高背压装置——高压排气阀，采用自然常压一个大气压(0.1MPa)，该机还是可以运转和发出功率，但其功率要降低20—25倍，本机开发就没有实用价值。 

由此可以说明运用高背压的反作用力的机械后坐力效应原理是本发明“高背压内燃汽轮机”的根本所在。 

(2)相对运动原理：转子进气口腔的线速度对于进入口腔的混合气而言，混合气也是以相对的速度对转子进气口运动。为了加大混合气的速度效率增加冲压效果，对转子进气口的混合气进行离心力增压加速度，混合气经端盖的导流叶片改变方向，混合气以相对的方向流向转子口腔进行“速度+速度”效率以达到更有效的冲压效果。本发明的高背压内燃汽轮机可以配置废气涡轮增压器(机)进行增压加速入口处的混合气流的流动速度。 

(3)空气冲压原理：坐在车上会感觉到一股气流冲击在脸上，这就是空气的冲压现象。 该原理已经被运用在超音速歼击机的涡轮发动机上，空气冲压原理有它的特性：在音速以下冲压效果不大，在音速以上，所产生的压力与音速平方乘正比，如速度达到音速的六倍时所产生的压力是三十六倍(36kg/cm²)，由此，如要利用冲压原理，转子口腔圆周线速度(进气口速度)与混合气的进气流动速度相加(速度+速度)必须额定在音速四倍至五倍左右，以达到有冲压效果20—25kg/cm²的压力，该冲压效果对本发明是最佳压缩效果。 

(4)离心力原理：该原理已经很普通的运用在机械设备上，如离心水泵、鼓风机等，离心力的产生是物体作旋转运动时周边物体的质量(kg)×旋转半径(m)×转速(r/s)的“积”，离心力只是产生于旋转的机械能量，它不受其他外力的影响如陀螺仪不受地球引力影响一样。 

本高背压内燃汽轮机转子作高速度(超音速)旋转运动，本机两处(中心叶片和尖三角空速腔)两次一体化运用了离心力原理加速混合气的流动能量——离心力转换为混合气的动能、增大混合气的压强加大流速达到“速度+速度”有利于冲压效果，本机如单独运用离心力原理完全达不到内燃机的高压缩比要求。 

(5)作用与反作用力原理：反作用力只产生于有质量的物质作有速度的运动时，对另一物体产生的“力相等而方向相反”两物体间互相作用与反作用力的动能传递。反作用力的大小和产生取决于该物体的(质量×速度)。火箭或飞船喷出的高速燃气物质(质量×速度)产生的反冲效应(作用与反作用力)——动能量推力。如直升飞机的螺旋桨在旋转时也产生力相等的反扭力——反作用力(动能量传递)。该原理说明本发明的内燃机要注入一定数量大质量的工作介质——水(水的质量是空气的855倍)的重要性。因内燃机的工作介质空气(燃气)质量小而传递动能量的效果差，注入大质量的工作介质——水，提高工作介质的质量而增加扩大动能量的传递效率，提高热能利用率。 

以上五项物理原理已经被人们广泛的运用于各个领域，本发明只是将这些原理有效地结合在一起运用于内燃机，构成本发明和设计“高背压内燃汽轮机”与传统的内燃机在结构上和工作原理即热能量转换的作功原理上有着完全不相同和本质上的区别。 

C)新发明的优点： 

高背压内燃汽轮机与传统活塞式内燃机相比较有体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、功率大、油耗低(节能环保)等优点。 

(1)环保型：活塞式内燃机活塞作高速扩容降压，在一小段的行程内，因瞬间降压降温使部分未燃气体(二氧化碳)等有害物质排放。 

高背压内燃机汽轮机，因汽缸室内保持高压力(2—2.5MPa)、高温度550°，给燃烧创造有利条件，在汽缸室内可充分燃烧，即使有一小部分未燃气体被喷射到定子储气室内也可以继续燃烧(二次燃烧)，因定子储气室也是保持在高温550°及20—25Kg/cm²的压力。只要把供油量与空气的配比量控制准确，未燃气体的零排放是可以达到。 

(2)节能型：据有关统计资料，2005年，我国内燃机产品总产量为3.48亿千瓦，可见至2007年全国内燃机的总装机和使用容量最低保守估计也在10亿千瓦以上，而现在内燃机最高有效热效率也没达到30％，平均有效热效率在26％左右，如每千瓦(1KW)功率的内燃机提高二个百分点(2％)的有效热效率，全年可为国家节约油耗一百万吨以上，而高背压内燃机汽轮机有效热效率高达百分之四十五到五十二(45—52％)。 

(3)体小型：以单机同功率“高背压”与“活塞式”每千瓦(KW)功率/立平方米M3的体积比(KW/m³)相差如下； 

100KW以下的是“活塞式”的(1/20)二十分之一； 

100—500KW为(1/20—1/50)二十至五十分之一； 

500—3000KW为(1/50—1/100)五十至一百分之一； 

3000—10000KW为(1/100—1/200)一百至二百分之一；

10000KW以上功率的小于二百五十分之一。 

(4)轻量型：以单机同功率“高背压”与“活塞式”每千瓦(KW)功率/重量吨(KW/T)比相差如下； 

100KW以下的是“活塞式”的(1/10)十分之一； 

100—500KW为(1/10—1/30)十至三十分之一； 

500—3000KW为(1/30—1/80)三十至八十分之一； 

3000—10000KW为(1/80—1/150)八十至一百五十分之一； 

10000KW以上功率的不过二百分之一的重量，每年可为国家节约大批钢材，客观上也为国家节约炼钢的大量能源消耗。 

(5)结构件少：以单机同功率“高背压”与“活塞式”的零部件相比，1000KW以上功率的活塞式内燃机要二千多个零件，功率在万千瓦(10000KW)的要三千多个零件。还不包括一些普通螺栓、螺帽等，而高背压内燃汽轮机不论功率多大，小至百千瓦(100KW)大至万千瓦(10000KW)以上，也只要两三百个零件，如扣除一些螺栓、螺帽等普通标准件，只需五十多个零件，二者之间所需的成本相差很大。 

(6)低维护成本：活塞式内燃机活塞在汽缸内作往复高速运动，靠活塞密封圈与汽缸体直接接触密封而产生汽缸体磨损，工作运行一定时间后要镗汽缸(加工汽缸)和换活塞，汽缸体经两三次加工后也要改换掉，因此增加维修成本。 

而高背压内燃汽轮机的转子与定子是采用多道迷宫式密封，转子与定子不直接产生摩擦定子体与转子体终身不必维修加工，降低维修成本。 

发明最佳实施方式 

(1)用水的优点：水是最洁净、最环保和最经济的工作介质，水的质量是空气的855倍，水在摄氏550°度的高温下体积膨胀近千倍，水在一个大气压(0.1MPa常压)和超过摄氏100°度以上就会快速蒸发为水蒸汽体积膨胀近900倍，水蒸气在25Kg/cm²的压力下只要超过250°度即会成为干蒸汽，而混合汽缸在(2—2.5MPa)压力下爆燃所产生的高温达1200°多度；注入一定数量的水即刻产生爆胀汽化，加大混合工作介质的质量和推力，有利于热能量较多地转换为工作介质数量和质量增加总动能量，提高热能利用率。 

(2)控温的好处：用喷水量控制汽缸的额定温度，把大部分热能量化为工作介质的总动能量。混合气雾化油(燃料)在摄氏380°多度就会自燃，把转子汽缸室和定子储气室控制在额定的摄氏550°度间足够让混合气进入转子汽缸室内自燃，控温的好处有二点，其一，额定为550°度间是现金属材料抗疲劳性(金属特性)的最高极限。其二，有利把高温一千多度的热能量大部分直接转化为工作介质的数量和质量即总势能量——动力总量，利于大幅度提高有效热效率。 

(3)高背压的利用：用高压排气阀自动控制定子储气室内的高压气体(20—25Kg/cm²)的压力——高背压，它使混合气体在进入汽缸室的高压缩比(1/20—1/25)下的燃烧是爆燃，产生高温、高压转化为推力从喷口喷出而作功，因高背压产生的反作用力使转子汽缸室喷口产生的推力高于常压喷气所产生的推力大20—25倍，有效功率也提高20—25倍，大大增加了热能转换为作功的效率。 

(4)冲压效应选择：转子的超声速的选择主要利用冲压效应达到内燃机的高压缩比。而混合工作介质燃气是否可达到比转子更高的超声速，从喷口喷出产生推力？答案有二点；其一，据物体相对运动原理，在汽缸室内的燃气工作介质与转子一起做超声速旋转时，相对而言，工作介质在喷出喷口前已经和转子汽缸室一起对定子做相同的超声速运动，工作介质在喷出喷口前在汽缸室内对转子体而言是相对不动的。其二，定子体储气室的高背压对转子喷口所喷出的气流也在做相对的对流作用即(速度减速度)作用，实际上从喷口喷出的工作介 质流速不需要超声速，就已经达到额定功率所需的推力。 

(5)进、排气量选择装置：高背压内燃汽轮机一般在千千瓦以下(1000KW)可以设置单个进气室和单个排气管与单个高压排气阀(自动控气阀)。大功率在千千瓦(1000KW)以上，可在该机轴向两端(轴承座)上方设置两个进气室，在定子径向两边(下半部)设置两个排气管和两个高压排气阀，以扩大进气量和排气量解决进、排气不足。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明型进一步说明。 

图1为本发明高背压内燃汽轮机工作原理图； 

图2为本发明高背压内燃汽轮机轴向剖视图： 

图3为本发明高背压内燃汽轮机径向剖视图； 

一、工作原理图概述：图1示出本发明高背内燃汽轮机工作原理图(GNR·1)图中心鱼尾箭头所指方向是本机顺时针旋转，双箭头示意空气和燃料油的混合气流程方向，尖脱三角示意气门内的高压反作用力—高背压力，单箭头示意水和汽化水流程方向，双线尖三角示意燃气和水蒸汽的混合工作介质流程方向。 

7)高压排气阀(27)是用长螺栓(29)的调整弹簧(28)的压力达到自动控制储气室(14) 额定压力20—25Kg/cm²的均衡高背压反作用力在前章：“工作(作功)原理”以经说明。 

8)本原理图(GNR·1)的喷气口(26)和进气口(22)都是180°度的两个对称设置，大功率转子(1)因直径大，可设置三个以上均布(360°)圆均分角度喷口(26)和进气口(22)，均布设置都是为了克服喷出高压气流和进气气流产生偏心压力，给轴承造成容易磨损。 

二、结构剖视图概述：图(GNR·2)和图3(GNR·3)示出本发明高背压内燃汽轮机整个装置的基本结构实施例，它包括转子(1、8、9、10、22、23、24、25、26)、定子(2、12、13、14、15、17)，端盖(3、11、19、21)、轴承座(4)、轴承(5)、主轴(6、16)、轴键(7)、进气室(管)(20)、高压排气阀(27、28、29、30)、紧固螺栓(18)、脚架(19)等。 

转子(1)呈厚筐飞轮状，其外径与定子(2)的内径相一致，留有足够间隙，安装时套在定子(2)的内径中组成动配合，转子(1)根据发动机的功率与直径大小，设定均布2个以上流线型尖三角空速腔(8、23)及汽缸室(25)和喷口(26)，每个喷口(26)与汽缸室(25)和进气口(22)相通，转子的(1)轴向单边或两边留有轴向进水孔和径向留有喷水孔(9)与汽缸室(25)相通，转子(1)外径和两边加工8环以上的90°凹凸槽用于密封。 

定子(2)外壳由强筋片(12)与排气管(17)和内储气室(14)及阻气片(15)整体铸造或焊接而成，装配时安装上起动火花塞(13)，定子(2)径向呈截头360°圆筒状，轴向呈180°半圆环状中间整环布满20—60片的阻气叶片(15)数量要依据定子(2)的直径大小及转子(1)喷口数量的10—15倍决定，一般5°—10°之间均布，排气管(17)在定子(2)下半部设置一个或两个为180°对称与高压排气阀(27)用螺栓紧固。 

端盖(3)设置有与转子(1)旋转方向相反的均布有12—60片的导气叶片(11)，端盖(3)分为轴向前后两个，如单个进气室(20)设置在起动轴(16)上端，如双个进气室，另一个设置大输出轴(6)上端有螺栓(18)紧固。端盖下部与脚架(19)铸造一体或分体用螺栓(18)装配到端盖(3)下半部均可。· 

主轴(6、16)与转子(1)采用轴键(7)紧配合，两端盖(3)中心安置滑动轴承(5)，装配时把轴承座(4)用螺栓(18)紧固在端盖(3)的两端上。 

脚架(19)上设有螺孔，安装时标准螺帽紧固在机座上或是地脚螺栓上即可。 

本发明摘要附图：转子(1)、定子(2)端盖(3)、轴承座(4)、轴承(5)、主轴(6)、注水孔(9)、螺栓(18)、脚架(19)、进气室(20)、注水接头(21)、高压排气阀(27)。 

实际运用可变通范围概述： 

1)本发明型高背压内燃汽轮机经少量改进，把注入水设置改为注入燃料油即可用于航空发动机，高背压排气加大喷气速度更有利由超声速飞机的喷气效率——提高喷气推力。因航空发动机用的燃料油量大，燃油足够转子的内冷效果。 

2)大功率高背压内燃汽轮机，可以轴向两端设置进气室，可在定子径向下半部设置两个排气管和两套高压排气阀，在1000KW功率以下的按本视图概述设置单套进、排气装置，1000KW功率以上设置双套进、排气装置满足进、排气量。 

3)汽油机和柴油机一样只要在端盖上端的进气室，装上汽化器或风门和喷油嘴控制好进气量和供油量的混合燃烧最佳比例即可，因混合气从转子尖三角空速腔进气口压缩到汽缸室缸室不到千分之一秒，压缩时间与现有内燃机的提前点火或者提前喷油时间相同。 

4)小型车辆只要把转子改用耐高温金属(高钛合金)，把转子注水改成注油即可。 

5)本高背压内燃汽轮机因注水汽缸室和定子储气室内被控制在摄氏550°间，对于转子和定子散热是风冷或水冷这套设备可以省掉。 

虽然本发明型已参照了具体的实施例进行了说明，本领域的普通技术员应该明白，只要对具体实施例的修改不偏离本发明型的主题和优点，那么应该理解为，所有这些修改都包括在以下权利要求书的本发明型的精神和范围内。

Claims (3)

1.高背压内燃汽轮机，包括定子、转子、高压排气阀、喷油嘴、注水泵、进气室、排气管、端盖、主轴、轴承座、轴承、螺栓、脚架；

转子套于定子中间成功配合，主轴和转子用轴键静配合、主轴两端和轴承连接、与两边端盖的轴承座用螺栓、与定子及脚架紧固，其特征在于：

A)定子由两个180°半圆体机壳合成360°呈截圆筒状，机壳内分布有20-60片阻气叶片，并具有轴向半圆状储气室；机壳外由20-60片强筋片和1-2个排气管构成，并装有火花塞；

B)转子呈厚筐飞轮状，设定均布2-12个尖三角空速腔，尖三角空速腔轴向留有2-4孔进水孔，径向留有2-4孔喷水孔；每个尖三角空速腔与气缸室相连通，每个气缸室后部有1个喷口，转子中间1边或2边设有3-18片离心叶片；

C)端盖内面有12-60片导气叶片，端盖外面中间设置进气室和轴承座，端盖圆周用螺栓与定子紧固，端盖外面安装1个或2个注水接头；

D)定子排气管法兰上安装高压排气阀设置高压弹簧和可调控的长螺栓及排气阀门与阀门杆。

2.如权利要求1所述的高背压内燃汽轮机，其特征在于定子排气管上安装高压排气阀，由螺栓调控排气阀门压力以控制定子储气室内高压燃气，该控制压力为0.5-5MPa。

3.如权利要求1所述的高背压内燃汽轮机，其特征在于端盖安装1个或2个注水接头，由1-6MPa高压水注入转子尖三角空速腔内喷向气缸室。

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