CN102121419B - 旋转式温差动力装置 - Google Patents

Abstract

一种旋转式温差动力装置，包括进气导流圆盘(11)和转子(2)；进气导流圆盘(11)内部的导流叶片呈弯曲状，两两之间形成进气导流通道(12)；转子(2)包括低温叶轮(21)、高温叶轮(23)及固定在转子(2)上的加热器(22)；低温叶轮(21)的内径大于高温叶轮(23)的内径，且两者分别固定于转子(2)的两端部；进气导流圆盘(11)置于低温叶轮(21)一端，其进气导流通道(12)和低温叶轮(21)、加热器(22)、高温叶轮(23)相连通形成气流通道；本发明有益效果在于结构简单、成本较低，同时可以使用太阳能、燃气等作为能源，在太阳光强度较低的情况下才使用辅助加热设备进行加热，辅助加热设备的使用使转子输出机械能更加稳定。

Description

旋转式温差动力装置

技术领域  本发明涉及非变容式机器或发动机，特别是涉及工作流体基本上沿径向通过带有静止工作流体导向装置和叶片式或类似的转子的非变容式机器或发动机，尤其是涉及旋转式热能动力装置。

背景技术  热机是能够将热源提供的一部分热量转化输出机械能的动力机械，在工程学和热力学中，热机被简化为一个由高温热源、工作系统和低温热源(可以看作多余能量的排放处)构成的循环，热量由高温热源传递到工作系统中，一部分通过做功转化为机械能，另一部分传到低温热源。热机通常以气体为工质，利用气体受热膨胀对外做功，热机可以是开放系统，也可以是封闭系统，包括外燃机和内燃机。

外燃机是一种在外部燃烧的闭式循环往复活塞式热力发动机，包括蒸汽机和斯特林发动机。对于活塞式蒸汽机而言，其主要是利用水蒸气在低温中冷凝产生的相对于大气压力的负压、水在高温下蒸发的压力来推压活塞运动。这类蒸汽机效率、动力都很低。斯特林发动机是一种利用封闭工质在冷热环境转换时的体积变化来做功的外燃机，它可以利用各种气体作为工作物质，但由于其存在高温摩擦对机械部件的损耗、密封要求高和结构复杂的问题，长期以来，斯特林发动机的可靠性一直难以提高。内燃机主要是通过燃烧燃料来获得热能，其工作时需要让燃料和空气混合并在汽缸内燃烧，主要使用液体燃料，尤其是柴油和汽油，出于环保的需要，现有技术使用醇类燃料的比例越来越大，而气体燃料也开始慢慢崭露头角，其中以甲烷最为常见。与液体燃料相比，气体与氧气混合更加充分，放出的热更多，产生的有害气体更少，然而气体的储存相比液体要更困难些。

综上可见，外燃机普遍存在热能浪费严重，效率低下，机械部件在高温条件下存在机械摩擦损耗问题，且排放的废气往往温度较高，大量的热能包含在其中被浪费掉。对于燃气轮机而言，其废气甚至可以作为蒸汽轮机的高温热源，浪费可见一斑。尽管燃气轮机可以在高温下运行，但其结构复杂，制造难度大。内燃机技术主要以不可再生的石油化工燃料作为主要能量来源，存在资源消耗大、环境污染大和温室气体排放等问题。因此，为了解决上述发动机存在的能源消耗和环境污染，以及效率不高的问题，现有技术也有很多使用混合动力来解决上述问题的，但是均不能从根本上解决。而太阳能作为近年来能源利用的开发重点，是解决上述问题的较好手段之一。众所周知，太阳能是一种可再生能源，属于一种清洁能源，且具有取之不尽用之不竭的特点，将太阳能作为热机的热源既不用考虑能源消耗问题也不用考虑环境污染问题。根据卡诺定理，理想热机的效率取决于高温热源和低温热源之间的温度差，因此，提升高温热源温度，降低低温热源温度就成了理论上提高效率的解决办法。从理论上而言，将太阳光聚焦后可以产生很高的温度，其作为热机的一种高温热源是可行的。本发明旨在制造一种利用太阳能作为高温热源或者液氮等冷媒作为冷源的动力装置，用于来解决现有技术外燃热机存在的效率低、高温下机械部件缺乏稳定性问题。当然，太阳能的应用也还存在一定的问题，比如，在阴雨天环境下，太阳能的利用率就会受到一定的影响，如果仅仅以单一的太阳光作为能源，显然这样的动力装置是十分不稳定的，因此，需要为本发明的动力装置提供一些辅助方法补充热量，以保证所述动力装置的稳定运行。

应该指出的是，不仅仅是热能可以转化为机械能，低温液体也能转化为机械能，比如液氮，由于其和大气温度存在很大的温差，因此，也可以用来产生机械能。

发明内容  本发明要解决的技术问题在于避免上述现有技术的不足之处，而对现有技术做进一步的改进，设计一种可利用太阳能、稳定、结构简单且成本低的旋转式温差动力装置。

本发明为解决所述技术问题而提出的技术方案是，设计一种旋转式温差动力装置，包括定子和转子，所述转子以其转轴借助轴承可转动地固定于所述定子上，尤其是，

还包括进气导流圆盘，该进气导流圆盘固定在定子上，所述进气导流圆盘内部设置有一系列导流叶片，围绕中央轴线呈弯曲状，两两之间形成进气导流通道；所述转子包括低温叶轮、高温叶轮及固定在转子上的加热器；所述低温叶轮和高温叶轮内的各叶片之间分别形成低温气流通道和高温气流通道；所述低温叶轮的内径大于高温叶轮的内径，且两者分别固定于转子的两端部；所述进气导流圆盘位于低温叶轮一端，其进气导流通道和所述低温叶轮的低温气流通道相通；所述进气导流圆盘、低温叶轮和高温叶轮的轴线在同一直线上重合；所述加热器之加热通道轴向两端分别和所述低温气流通道和高温气流通道连通；要启动转子，令低温气体从进气导流圆盘进入，通过进气导流通道进入低温叶轮，并经低温叶轮内的低温气流通道进入加热通道，气体被加热后，再进入高温气流通道，最后经高温叶轮的出气口排出转子体外；经过加热通道对低温气流通道进来并流经的气体进行加热后，低温叶轮中的气体温度始终低于高温叶轮的气体温度，低温叶轮内的气体密度大于高温叶轮内的气体密度，在转子旋转时，低温气流通道内的径向压力差大于高温气流通道内的径向压力差，从而形成由低温叶轮向高温叶轮流动的气流，加上低温叶轮的内径大于高温叶轮的内径，气流在低温气流通道内形成的反向哥氏力矩小于在高温气流通道内形成的正向哥氏力矩，该两力矩的差值大于气体的粘性阻力和转子的摩擦力，从而推动叶片带动转子转动。

所述进气导流圆盘的中央有通孔，供所述转轴穿越以输出动力。

还包括回热通道；所述回热通道固定在转子上，并和所述加热通道紧密接触设置；所述回热通道包括回热气体进气端和回热气体出气端，所述回热气体进气端和外部高温气体连通，高温气体进入回热通道后将热量传导给所述加热通道内的气体，使加热通道内的气体升温，冷却后的气体从回热通道的回热气体出气端排出转子体外。

所述回热通道内设置有螺旋型肋片，该肋片的方向是沿气流的方向设置的，以减少气流对肋片的阻力。

还包括外部加热器，所述外部加热器固定在所述转子本体外，与所述转子间隔一定距离；该外部加热器内部设置有加热导流通道，该通道一端和所述高温叶轮的出气端相通，另一端和所述回热通道的回热气体进气端相通；用于加热从高温叶轮中排出的气体。

外部加热器的另外一种安装方式是将其固定在所述转子本体上；所述外部加热器内部设置有加热导流通道，该通道一端和所述高温叶轮的出气端相通，另一端和所述回热通道的回热气体进气端相通；用于加热从高温叶轮中排出的气体。

用于使外部加热器内气体升温的手段，可以是将太阳光聚焦至端面来实现的。

本发明动力装置在将外部加热器固定在转子本体上时，还包括在转子本体上设置辅助加热装置，包括燃气通道和燃烧室，所述燃烧室固定在所述加热通道和高温气流通道之间，所述燃气通道一端连通燃烧室，另一端则被引出转子本体外，在所述外部加热器的热量输入不足时，向所述辅助加热装置的燃烧室内注入燃气并使之燃烧来对加热通道中的气体进行加热。

为了环境适应的需要，本发明动力装置在不设置外部加热器时，还可以包括冷却器，所述冷却器置于进气导流圆盘上；所述冷却器内设置有冷却通道，该通道的一端和进气导流圆盘的进气导流通道相通，另一端和回热通道的回热气体出气端相通，用于降低进入进气导流圆盘气体的温度。当高温叶轮外端的热源温度接近或低于室温时，所述冷却器可利用干冰、液氮或液空对气体温度进行冷却。

与现有技术相比较，本发明具有结构简单、成本低、稳定的有益效果。从上述发明内容来看，本发明旋转式温差动力装置仅仅只需要一个进气导流盘和一个两端有叶轮、本体设置加热器的转子即可实现发明目的；同时可以使用太阳能、燃气等作为能源，在太阳光强度较低的情况下才使用辅助加热设备进行加热。而且，辅助加热设备的使用也使转子输出机械能更加稳定。

附图说明

图1是本发明旋转式温差动力装置优选实施例一的轴测投影示意图；

图2是所述优选实施例一去掉进气导流圆盘后的轴测投影示意图；

图3是所述优选实施例一正投影主视图的剖视示意图；

图4是所述优选实施例一进气导流圆盘局部剖视示意图；

图5是所述优选实施例一加热器的轴测投影示意图；

图6是所述优选实施例一低温叶轮的轴测投影示意图；

图7是所述优选实施例一高温叶轮的轴测投影示意图；

图8是所述优选实施例二正投影主视图的剖视示意图；

图9是所述优选实施例三正投影主视图的剖视示意图；

具体实施方式  以下结合附图所示之优选实施例作进一步详述。

本发明旋转式温差动力装置在具体应用时有多种实施方式，主要利用气流在两个叶轮中作径向流动时，哥氏力力矩的不平衡来推动转子旋转输出机械能。下面以三个优选实施例来详述本发明的具体应用。

优选实施例一：如图1所示，本发明旋转式温差动力装置包括固定在定子(图中未示出)上的进气导流圆盘11、转子2和外部加热器3。图4示出了进气导流圆盘11的结构；进气导流圆盘11内部设置有一系列导流叶片，围绕中央轴线呈弯曲状，两两之间形成进气导流通道12，导流叶片的形状是为了使气流形成一种切向运动力顺畅地流入转动的低温叶轮21并进入低温气流通道211；图1中，转子2轴线部位设置转轴29；进气导流圆盘11的中央有通孔13，套入转轴29并置于转子2本体的低温叶轮21端。图3示出了转子2的内部结构以及和进气导流圆盘11、外部加热器3的位置关系；转子2包括固定安装在转子2两端部的低温叶轮21、高温叶轮23和固定在转子2中部的加热器22；低温叶轮21的内径大于高温叶轮23的内径；进气导流圆盘11穿过转轴29置于在低温叶轮21端，与低温叶轮21没有接触，保持很小的间隙，为减少漏气，进气导流圆盘11和低温叶轮21之间的间隙采用密封手段密封。图5示出了加热器22的结构，加热器22包括内外两层通道，分别是加热通道221和回热通道222；外层的回热通道222沿通道壁上设置有螺旋型肋片，该肋片的方向是沿着气流的方向设置的，以便减少气流对肋片的阻力；同时，两端分别为回热气体进气端2221、回热气体出气端2222。图6、7示出了低温叶轮21和高温叶轮23的结构，两个叶轮内部均设置有一系列叶片，叶片之间分别形成低温气流通道211和高温气流通道231；低温叶轮21的内径大于高温叶轮23的内径；图2示出了去掉了置于低温叶轮21中的进气导流圆盘11和外部加热器3的转子结构。如图3所示，将进气导流圆盘11安装在低温叶轮21上时，进气导流通道12和低温气流通道211相通，转子2中部的加热器22的加热通道221一端和低温气流通道211相通，另一端和固定于转子2底部的高温叶轮23中的高温气流通道231相通，形成一个从进气导流通道12到高温气流通道231的气流通道。进气导流圆盘11、低温叶轮21和高温叶轮23的轴线在同一直线上重合；外部加热器3置于转子2的高温端，与转子2底部的高温叶轮23间隔一定距离，为减少漏气，外部加热器3和高温叶轮23之间的间隙也采用密封手段密封；外部加热器3的内部设置有加热导流通道31，该通道31一端和高温叶轮23的高温气流通道231相通，一端和回热通道222的回热气体进气端2221相通，从高温气流通道231出来的热气流进入外部加热器3，经过加热导流通道31的加热后通过回热气体进气端2221进入回热通道222，此时，进入回热通道222的被加热气体的热量又被传导给加热通道221中的气体，最后，冷却的气体从回热气体通道出气端2222排除出转子2本体。

转子2底部固定的外部加热器3可以对高温叶轮23中排出的气体进行加热升温，保证进入回热通道222的气体温度高于加热通道221内的气体温度，使加热通道221内的气体温度和回热通道222内的气体温度保持稳定的温差，从而使回热通道222内的气体温度能够传导给加热通道221内的气体，进而保证低温叶轮21内的气体和高温叶轮23内的气体有稳定的温差，保持通道内的气体顺畅流动。加热器3是可利用太阳能的加热设备，能将太阳照射光进行聚焦集中后产生的热量传导给加热导流通道31内的气体吸收热量升温，这样做的好处是充分利用太阳能这种清洁能源对高温叶轮23排出的气体进行加热升温，并经回热通道222将热量传导给加热通道221内的气体，使低温气流通道211内的气体温度和高温气流通道231的气体温度保持尽可能大的差值，形成气体从低温气流通道211向高温气流通道231流动的通道。

本发明旋转式温差动力装置可以选择多种启动方式；包括对进气导流圆盘11的进气口端施加一定的气压，形成气流。气流通过进气导流通道12进入低温叶轮21，并经低温叶轮21内的低温气流通道211进入加热通道221。由于进气导流圆盘11内部的导流叶片呈弯曲状，使得气流在进气导流通道12内部形成一种切向力，这种切向力能够推动低温叶轮21旋转。进入加热通道221的气体被加热后，再进入高温气流通道231，最后排出转子2本体；排出转子2本体的气体进入高温叶轮23端设置的外部加热器3，气体流经加热导流通道31被加热升温，尔后经加热升温后的气体经回热气体进气端2221进入加热器22的回热通道222，气体的热量被传导给加热通道221内的气体循环回收利用，冷却的气体最后经回热气体出气端2222排出转子2本体外。在此气体循环过程中，经过加热通道221对低温气流通道211进来并流经的气体进行加热后，低温叶轮21中的气体温度保持始终低于高温叶轮23中的气体温度状态，低温叶轮21内的气体密度大于高温叶轮23内的气体密度，在转子2启动旋转时，低温气流通道211内的径向压力差大于高温气流通道231内的径向压力差，从而形成由低温叶轮21向高温叶轮23流动的气流，加上低温叶轮21的内径大于高温叶轮23的内径，气流在低温气流通道211内形成的反向哥氏力力矩小于在高温气流通道231内形成的正向哥氏力力矩，该两力矩的差值在抵消气体的粘性阻力和转子的摩擦力后，推动叶轮带动转子2并通过转轴29输出机械功。在维持高温叶轮23中的气体在指定温度条件下，逐步加大气体流量，提高转子2的转速，当转子2达到一个稳定的转速时，气体对转子2的推力大于阻力时，再逐步减小对进气导流圆盘11进气端施加的气压，直至完全取消，开放进气导流通道12和大气连通的一端，转子2即可保持稳定的转动。对于转子2的启动还可以通过电动机或其他方式进行，启动并经过上述工作过程后，使转子2保持稳定的转动。

以上是本发明旋转式温差动力装置的优选实施方式，应该认识到，优选实施例一是充分利用太阳能的最优实施方式，除此之外，外部加热器3还可以使用其他热源来对气体进行加热升温，比如在实际的工业环境中，将外部加热器3置于高温气体环境中，或是采用燃烧的方式，均可以实现对高温叶轮23出来的气体进行加热升温的目的，种种手段，不一而足。同时，在本实施方式基础上，去掉外部加热器3和加热器22上的回热通道222也可以实现本发明目的，只要保证低温叶轮21的内径大于高温叶轮23的内径，且有热量输入到加热器22的加热通道221内，同时保持低温叶轮21和高温叶轮23内气体有足够大的温差，即可实现转子2转动输出机械能。

优选实施例二：太阳能尽管是一种取之不尽用之不竭的能源，但是，由于气候的影响，有时候太阳能的利用也会受到影响，为保证转子2能够稳定高效运转，需要使用其他辅助手段来对气体进行加热保证低温叶轮21和高温叶轮23内气体有足够大的温差。本优选实施例二即是在优选实施例一的基础上的完善，如图8所示，不同之处在于，优选实施例二中外部加热器3’固定在转子2本体的底部，内部同样设置了加热导流通道31’，且加入了辅助加热装置24。辅助加热装置24包括燃气通道241和燃烧室242，燃烧通道241一端连通燃烧室242，另一端则被引出转子2本体外，具体实施时，燃烧通道241设置在转子2本体的腔内，沿转子2的内壁延伸引出转子2本体外，燃烧室242固定在加热通道221和高温气流通道231之间，辅助加热装置24可以通过燃气通道241将燃气注入燃烧室242燃烧来对加热通道221中的气体进行辅助加热，其他实现方法和工作原理均与优选实施例一相同。

优选实施例三：本发明旋转式温差动力装置的工作原理主要是利用转子两端叶轮温差形成的一种气体推力推动转子旋转，可见，只要使转子两端叶轮内的气体保持一定的温差，同时，低温端叶轮21的内径大于高温端叶轮23的内径即可实现本发明目的，因此，为了使本发明适用范围、环境更广，效率更高，对于低温叶轮21端的气体还可以设置一个冷却器4来完成转子两端叶轮温差的实现，图9示出了本发明优选实施例三的结构。在上述优选实施例一的基础上，去掉外部加热器3，在进气导流圆盘11的顶端外部加装一个冷却器4，其内部设置有冷却通道41，该冷却器4固定在进气导流圆盘11上，冷却通道41的一端和进气导流圆盘11的进气导流通道12相通，另一端和回热通道222的回热气体出气端2222相通，用于降低进入进气导流圆盘11气体的温度，使低温叶轮21和高温叶轮23内的气体温差尽量扩大。当高温叶轮23外端的热源温度高于室温时，冷却器4可利用大气温度来进行冷却。当高温叶轮23外端的热源温度接近或低于室温时，冷却器4可通过在冷却通道4内直接喷洒干冰、液氮或液空来进行冷却，冷却效果更佳。这样，通过冷却低温叶轮21端的气体也是能够实现本发明目的的，并且，使用冷却装置后，本发明适用的范围更加广泛，可以在常温下使用该转子输出机械功，而不用在转子2高温叶轮23端进行加热，减少了加热装置。

上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，只要能够实现转子两端叶轮内气体的温差，且低温叶轮内径大于高温叶轮内径即可。至于加热器22中回热通道222的安排，可以在上述基础上进行调整，只要保证和加热通道221紧密接触即可。在此基础上的变化均应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种旋转式温差动力装置，包括定子和转子(2)，所述转子(2)以其转轴(29)借助轴承可转动地固定于所述定子上，其特征在于：

还包括进气导流圆盘(11)，该进气导流圆盘(11)固定在定子上，所述进气导流圆盘(11)内部设置有一系列导流叶片，围绕中央轴线呈弯曲状，两两之间形成进气导流通道(12)；所述转子(2)包括低温叶轮(21)、高温叶轮(23)及固定在转子(2)上的加热器(22)；所述低温叶轮(21)和高温叶轮(23)内的各叶片之间分别形成低温气流通道(211)和高温气流通道(231)；所述低温叶轮(21)的内径大于高温叶轮(23)的内径，且两者分别固定于转子(2)的两端部；所述进气导流圆盘(11)位于低温叶轮(21)一端，其进气导流通道(12)和所述低温叶轮(21)的低温气流通道(211)相通；所述进气导流圆盘(11)、低温叶轮(21)和高温叶轮(23)的轴线在同一直线上重合；所述加热器(22)之加热通道(221)轴向两端分别和所述低温气流通道(211)和高温气流通道(231)连通；

要启动转子(2)，令低温气体从进气导流圆盘(11)进入，通过进气导流通道(12)进入低温叶轮(21)，并经低温叶轮(21)内的低温气流通道(211)进入加热通道(221)，气体被加热后，再进入高温气流通道(231)，最后经高温叶轮(23)的出气口排出转子(2)体外；经过加热通道(221)对低温气流通道(211)进来并流经的气体进行加热后，低温叶轮(21)中的气体温度始终低于高温叶轮(23)的气体温度，低温叶轮(21)内的气体密度大于高温叶轮(23)内的气体密度，在转子(2)旋转时，低温气流通道(211)内的径向压力差大于高温气流通道(231)内的径向压力差，从而形成由低温叶轮(21)向高温叶轮(23)流动的气流，加上低温叶轮(21)的内径大于高温叶轮(23)的内径，气流在低温气流通道(211)内形成的反向哥氏力矩小于在高温气流通道(231)内形成的正向哥氏力矩，该两力矩的差值大于气体的粘性阻力和转子的摩擦力，从而推动叶片带动转子(2)转动。

2.根据权利要求1所述的旋转式温差动力装置，其特征在于：所述进气导流圆盘(11)的中央有通孔(13)，供所述转轴(29)穿越以输出动力。

3.根据权利要求1所述的旋转式温差动力装置，其特征在于：

还包括回热通道(222)；所述回热通道(222)固定在转子(2)上，并和所述加热通道(221)紧密接触设置；所述回热通道(222)包括回热气体进气端(2221)和回热气体出气端(2222)，所述回热气体进气端(2221)和外部高温气体连通，高温气体进入回热通道(222)后将热量传导给所述加热通道(221)内的气体，使加热通道(221)内的气体升温，冷却后的气体从回热通道(222)的回热气体出气端(2222)排出转子(2)体外。

4.根据权利要求3所述的旋转式温差动力装置，其特征在于：所述回热通道(222)内设置有螺旋型肋片，该肋片的方向是沿气流的方向设置的，以减少气流对肋片的阻力。

5.根据权利要求3或4所述的旋转式温差动力装置，其特征在于：还包括外部加热器(3)，所述外部加热器(3)固定在所述转子(2)本体外，与所述转子(2)间隔一定距离；该外部加热器(3)内部设置有加热导流通道(31)，该通道一端和所述高温叶轮(23)的出气端相通，另一端和所述回热通道(222)的回热气体进气端(2221)相通；用于加热从高温叶轮(23)中排出的气体。

6.根据权利要求3或4所述的旋转式温差动力装置，其特征在于：还包括外部加热器(3’)，所述外部加热器(3’)固定在所述转子(2)本体上；所述外部加热器(3’)内部设置有加热导流通道(31’)，该通道一端和所述高温叶轮(23)的出气端相通，另一端和所述回热通道(222)的回热气体进气端(2221)相通；用于加热从高温叶轮(23)中排出的气体。

7.根据权利要求6所述的旋转式温差动力装置，其特征在于：所述转子(2)上还包括辅助加热装置(24)，包括燃气通道(241)和燃烧室(242)；所述燃烧室(242)固定在所述加热通道(221)和高温气流通道(231)之间，所述燃气通道(241)一端连通燃烧室(242)，另一端则被引出转子(2)本体外，在所述外部加热器(3’)的热量输入不足时，向所述辅助加热装置(24)的燃烧室(242)内注入燃气并使之燃烧来对加热通道(221)中的气体进行加热。

8.根据权利要求3或4所述的旋转式温差动力装置，其特征在于：还包括冷却器(4)，所述冷却器(4)置于进气导流圆盘(11)上；冷却器(4)内设置有冷却通道(41)，该通道的一端和进气导流圆盘(11)的进气导流通道(12)相通，另一端和回热通道(222)的回热气体出气端(2222)相通，用于降低进入进气导流圆盘(11)气体的温度。

9.根据权利要求8所述的旋转式温差动力装置，其特征在于：当高温叶轮(23)外端的热源温度接近或低于室温时，所述冷却器(4)利用干冰、液氮或液空对气体温度进行冷却。

10.根据权利要求6所述的旋转式温差动力装置，其特征在于：用于使外部加热器(3’)内气体升温的手段，是将太阳光聚焦至端面上。

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