CN102168610A - 有间隔叶片室的非透平涡轮转子内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种有间隔叶片室的非透平涡轮转子内燃机。定子盘的定子盘工作面与转子盘的转子盘工作面同轴心对应配合设置，转子盘中心轴为功率输出轴，定子盘设有安装燃料喷头和点火器的喷嘴燃烧室，燃料喷头喷出的燃料与空气混合后由点火器点燃生成燃气，燃气膨胀高速流经喷嘴，喷嘴导向气流喷向转子盘工作面叶片室口内设有的轴流式涡轮叶片，气流的动能将转换成叶片弧形头部指向的非透平涡轮转子盘沿输出轴的设定转向方向转动做的机械功，在不间断增压空气支持下依次连续完成进气过程、混合过程、点燃做功过程和排气过程，四个过程形成完整工作循环，多次工作循环产生连续的圆周转动，达到转子盘中心轴功率的连续输出。

Description

有间隔叶片室的非透平涡轮转子内燃机
所属技术领域
本发明涉及一种转子内燃机，尤其是一种有间隔叶片室的非透平涡轮转子内燃机。
背景技术
目前，公知的轴传动发动机以往复活塞式发动机应用较为普及，其结构是气缸中设置活塞，活塞通过曲轴、连杆把活塞的直线运动转化为动力输出轴的旋转运动，为实现上述功能必须加上与其配套的进、排气阀和活塞环机构，采用上述机构的发动机，由于将燃料燃烧能量转化为动力输出轴的旋转运动过程中存在大量机械能的损耗，所以往复活塞式发动机效率较低，这种发动机还存在体积大、工作震动大、零件品种多、维修工作量大、机械故障多、使用寿命短，磨损严重后造成的环境污染严重。另一种是涡轮燃气轮机，涡轮燃气轮机结构复杂，价格昂贵，且只能用于高速工况，燃油消耗巨大，所以极少被采用。
发明内容
为了克服现有往复活塞式发动机工作中存在大量机械能的损耗和涡轮燃气轮机结构复杂，价格昂贵，只能用于高速工况，燃油消耗巨大的问题，本发明提供一种无曲轴、连杆、也无活塞、活塞环和气门机构的有间隔叶片室的非透平涡轮转子内燃机，其结构简单零部件少、加工量少、维护方便，可保证发动机长期处在最佳工作状态且减少燃料消耗。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：定子盘的定子盘工作面与转子盘的转子盘工作面同轴心对应配合设置，转子盘中心轴为功率输出轴。转子盘工作面以转子盘中心轴为中心的同心圆周均匀间隔分布三个叶片室口，叶片室口内径向安装不少于四片的轴流式涡轮叶片，叶片弧形头部指向输出轴设定旋转方向，每叶片室第一叶片为叶片室前端面，由叶片室口前口边沿叶片室中心弧线均匀间隔且相同弧形头部指向排列的相同叶片至叶片室口后口边，最后一片叶片形成叶片室后端面，叶片室壳将叶片覆盖于叶片室中使工作气流仅能由叶片室口进出，形成一个完整叶片室，三个叶片室结构相同，相邻两叶片室口间距大于叶片室口弧长。定子盘工作面与转子盘三个叶片室口相对应的部分沿转子盘功率输出轴的设定旋转方向同心圆周顺序设置进气口、喷嘴燃烧室口和排气口，进气口外侧连接设置有进气道，喷嘴燃烧室采用封闭入口的轴流式涡轮定子喷嘴结构，喷嘴燃烧室内安装有不高于定子盘工作面的点火器和燃料喷射器，排气口外侧连接设置有排气道，为减少工作气流气体泄漏损失，转子盘中心轴与叶片室口间距之间的转子盘工作面与对应定子盘工作面设有内环动密封环，叶片室口与转子盘外沿间距之间的转子盘工作面与对应定子盘工作面设有外环动密封环，为减少进气口、喷嘴燃烧室口和排气口工作气流气体泄漏损失与互相干扰，定子盘工作面进气口、喷嘴燃烧室口和排气口三口之间设有径向密封片槽，槽内装有弹簧支撑的径向密封片，径向密封片用以封闭转子盘工作面与定子盘工作面之间的间隙，径向密封片槽的长度不大于内环动密封环与外环动密封环在定子盘工作面的径向间距，另外径向密封片密封与内、外环动密封环密封可以采用其它能起到同类密封作用的密封结构，装于定子盘罩住转子盘的密封壳起到密封气体保护机件的作用，以上结构构成有间隔叶片室的非透平涡轮转子内燃机之主体。有间隔叶片室的非透平涡轮转子内燃机工作是利用燃气轮机涡轮的燃气先在定子喷嘴中通过膨胀提高气流速度，并把此高速气流沿给定方向喷向转子，在转子叶轮中气流的动能将转换成机械功，既推动转子旋转做功的原理。其工作状态运行顺序是增压空气进入进气道后通过进气口输送给转子盘工作面的叶片室口进入叶片室完成进气过程，转子盘沿功率输出轴的设定转向方向转动将存留气体的叶片室的室口与喷嘴燃烧室口位置对应，喷嘴燃烧室内燃料喷射器喷射燃料使之形成空气与燃料的混合气体完成混合过程，点火器点燃喷嘴燃烧室内混合气体生成燃气，燃气膨胀高速流经喷嘴，喷嘴出口导向气流喷向转子盘工作面叶片室口内设有的轴流式涡轮叶片，气流的动能将转换成叶片弧形头部指向的非透平涡轮转子盘沿输出轴的设定转向方向转动做的机械功，完成点燃做功过程，转子盘做功后的叶片室的叶片室口转到与排气口对应的位置，叶片室内燃烧后的废气通过排气口排出完成排气过程，完成以上四个过程为一个工作循环，其中混合过程、点燃做功过程两过程都在喷嘴燃烧室完成。因运行状态时增压空气输送在进气道中是不间断保持无明显中断，所以转子盘其它叶片室在不间断增压空气输送支持下依次连续完成进气过程、混合过程、点燃做功过程和排气过程，四个过程形成完整工作循环，多次工作循环产生连续的圆周转动，达到转子盘功率输出轴功率的连续输出。另外可采用将燃料喷射器设置于进气道的进气道燃料喷射结构，完整工作循环四个过程顺序变为混合过程、进气过程、点燃做功过程和排气过程，也符合做功的原理。根据内燃机对转速与输出功率变化的需求，实时对燃料喷射器两次喷燃料之间转过的叶片室的数量进行调整用以达到减少燃料消耗的效果。为获得更大的轴功率输出，以转子盘三个叶片室和与其相对应的定子盘进气口、喷嘴燃烧室和排气口为一组，在同一工作盘面内成组增加，还可沿同一输出轴成组增加。以上基本结构和原理也同样适用于径流式涡轮转子内燃机。
本发明的有益效果是，直接将燃料燃烧膨胀产生的动能转换成非透平涡轮转子盘沿输出轴的设定转向方向转动做的机械功，与往复活塞式发动机相比省去了曲轴、连杆、也无活塞、活塞环、气门杆机构和燃料燃烧动能转化为动力输出轴的旋转运动过程中存在的大量机械能的损耗和浪费，可降低生产制造成本和维护工作量，另外克服了现有涡轮燃气轮机结构复杂，价格昂贵，且只能用于高速工况，燃油消耗巨大的不足。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的纵剖面构造图。
图2是对应的转子盘工作面和定子盘工作面俯视构造图。
图3是转子盘与定子盘对应位置圆周展开正视剖面构造图。
图4是喷嘴燃烧室与对应叶片室正视剖面构造图。
图5是喷嘴燃烧室与对应叶片室侧视剖面构造图。
图6是内、外动密封环构造图。
图7是径向密封片构造图。
图8是进气过程、混合过程、点燃做功过程和排气过程对应位置转动变化示意图。
图9是进气道安装燃料喷射器正视剖面构造图。
图10是同一工作盘面内成组增加叶片室示意图。
图11是同一输出轴成组增加叶片室示意图。
图中1.定子盘，2.转子盘，3.转子盘中心轴，4.定子盘工作面，5.转子盘工作面，6.叶片室口，7.叶片，8.叶片弧形头部，9.叶片室前端面，10.叶片室口前口边，11.叶片室中心弧线，12.叶片室口后口边，13.叶片室后端面，14.叶片室壳，15.叶片室，16.进气口，17.喷嘴燃烧室口，18.排气口，19.进气道，20.增压空气，21.喷嘴燃烧室，22.点火器，23.燃料喷射器，24.排气道，25.内环动密封环，26.外环动密封环，27.废气，28.密封壳，29.径向密封片槽，30.弹簧，31.径向密封片。
具体实施方式
图1.图2.图3.图4.图5.图6.图7.共同给出了主体结构的特征，其中在图1所示，定子盘(1)的定子盘工作面(4)与转子盘(2)的转子盘工作面(5)同轴心对应配合设置，转子盘中心轴(3)为功率输出轴。在图2所示实施例中，转子盘工作面(5)以转子盘中心轴(3)为中心的同心圆周均匀间隔分布三个叶片室口(6)，叶片室口(6)内径向安装不少于四片的轴流式涡轮叶片(7)，在图2、图4所示实施例中，叶片弧形头部(8)指向输出轴设定旋转方向，每叶片室(15)第一叶片为叶片室前端面(9)，由叶片室口前口边(10)沿叶片室中心弧线(11)均匀间隔且相同弧形头部(8)指向排列的相同叶片(7)至叶片室口后口边(12)，最后一片叶片(7)形成叶片室后端面(13)，在图5所示实施例中，叶片室壳(14)将叶片(7)覆盖于叶片室(15)中使工作气流仅能由叶片室口(6)进出，形成一个完整叶片室(15)，三个叶片室(15)结构相同，相邻两叶片室口(6)间距大于叶片室口(6)弧长。在图2、图3所示实施例中，定子盘工作面(4)与转子盘(2)三个叶片室口(6)相对应的部分沿转子盘功率输出轴的设定旋转方向同心圆周顺序设置进气口(16)、喷嘴燃烧室口(17)和排气口(18)，进气口(16)外侧连接设置有进气道(19)，喷嘴燃烧室(21)采用封闭入口的轴流式涡轮定子喷嘴结构，喷嘴燃烧室(21)内安装有不高于定子盘工作面(4)的点火器(22)和燃料喷射器(23)，排气口(18)外侧连接设置有排气道(24)，在图2所示实施例中，为减少工作气流气体泄漏损失，转子盘中心轴(3)与叶片室口(6)间距之间的转子盘工作面(5)与对应定子盘工作面(4)设有内环动密封环(25)，叶片室口(6)与转子盘外沿间距之间的转子盘工作面(5)与对应定子盘工作面(4)设有外环动密封环(26)，在图6所示实施例，为内、外动密封环构造，在图2所示实施例中，为减少进气口(16)、喷嘴燃烧室口(17)和排气口(18)工作气流气体泄漏损失与互相干扰，定子盘工作面(4)进气口(16)、喷嘴燃烧室口(17)和排气口(18)三口之间设有径向密封片槽(29)，在图7所示实施例中，径向密封片槽(29)内装有弹簧(30)支撑的径向密封片(31)，径向密封片(31)用以封闭转子盘工作面(5)与定子盘工作面(4)之间的间隙，径向密封片槽(29)的长度不大于内环动密封环(25)与外环动密封环(26)在定子盘工作面(4)的径向间距，另外径向密封片密封与内、外环动密封环密封可以采用其它能起到同类密封作用的密封结构，在图1所示实施例中，装于定子盘(1)罩住转子盘(2)的密封壳(28)起到密封气体保护机件的作用，以上结构构成有间隔叶片室的非透平涡轮转子内燃机之主体。
有间隔叶片室的非透平涡轮转子内燃机工作是利用燃气轮机涡轮的燃气先在定子喷嘴中通过膨胀提高气流速度，并把此高速气流沿给定方向喷向转子，在转子叶轮中气流的动能将转换成机械功，既推动转子旋转做功的原理。在图3.图8所示实施例中，其工作状态运行顺序是增压空气(20)进入进气道(19)后，图8-1所示实施例中，通过进气口(16)输送给转子盘工作面(5)的叶片室口(6)进入叶片室(15)完成进气过程，图8-2所示实施例中，转子盘(2)沿功率输出轴的设定转向方向转动将存留气体的叶片室(15)的叶片室口(6)与喷嘴燃烧室口(17)位置对应，喷嘴燃烧室(21)内燃料喷射器(23)喷射燃料使之形成空气与燃料的混合气体完成混合过程，点火器(22)点燃喷嘴燃烧室(21)内混合气体生成燃气，燃气膨胀高速流经喷嘴，喷嘴出口导向气流喷向转子盘工作面(5)叶片室口(6)内设有的轴流式涡轮叶片(7)，气流的动能将转换成叶片弧形头部(8)指向的非透平涡轮转子盘(2)沿输出轴的设定转向方向转动做的机械功，完成点燃做功过程，图8-3所示实施例中，转子盘(2)做功后的叶片室(15)的叶片室口(6)转到与排气口(18)对应的位置，叶片室(15)内燃烧后的废气(27)通过排气口(24)排出完成排气过程，完成以上四个过程为一个工作循环，其中混合过程、点燃做功过程两过程都在喷嘴燃烧室(21)完成。因运行状态时增压空气(20)输送在进气道中(19)是不间断保持无明显中断，所以转子盘(2)其它叶片室(15)在不间断增压空气(20)输送支持下依次连续完成进气过程、混合过程、点燃做功过程和排气过程，四个过程形成完整工作循环，多次工作循环产生连续的圆周转动，达到转子盘(2)功率输出轴功率的连续输出。
在图9所示的另一个实施例中，另外可采用将燃料喷射器(23)设置于进气道(19)的进气道燃料喷射结构，完整工作循环四个过程顺序变为混合过程、进气过程、点燃做功过程和排气过程，也符合做功的原理。
根据内燃机对转速与输出功率变化的需求，实时对燃料喷射器(23)两次喷燃料之间转过的叶片室(15)的数量进行调整用以达到减少燃料消耗的效果。为获得更大的轴功率输出，在图10所示的另一个实施例中，以转子盘(2)三个叶片室(15)和与其相对应的定子盘(1)进气口(16)、喷嘴燃烧室(21)和排气口(18)为一组，在同一工作盘面内成组增加，在图11所示的另一个实施例中，还可沿同一输出轴成组增加。以上基本结构和原理也同样适用于径流式涡轮转子内燃机。

Claims (5)

1.一种转子内燃机，尤其是一种有间隔叶片室的非透平涡轮转子内燃机，其特征是，定子盘的定子盘工作面与转子盘的转子盘工作面同轴心对应配合设置，转子盘中心轴为功率输出轴。转子盘工作面以转子盘中心轴为中心的同心圆周均匀间隔分布三个叶片室口，叶片室口内径向安装不少于四片的轴流式涡轮叶片，叶片弧形头部指向输出轴设定旋转方向，每叶片室第一叶片为叶片室前端面，由叶片室口前口边沿叶片室中心弧线均匀间隔且相同弧形头部指向排列的相同叶片至叶片室口后口边，最后一片叶片形成叶片室后端面，叶片室壳将叶片覆盖于叶片室中使工作气流仅能由叶片室口进出，形成一个完整叶片室，三个叶片室结构相同，相邻两叶片室口间距大于叶片室口弧长。定子盘工作面与转子盘三个叶片室口相对应的部分沿转子盘功率输出轴的设定旋转方向同心圆周顺序设置进气口、喷嘴燃烧室口和排气口，进气口外侧连接设置有进气道，喷嘴燃烧室采用封闭入口的轴流式涡轮定子喷嘴结构，喷嘴燃烧室内安装有不高于定子盘工作面的点火器和燃料喷射器，排气口外侧连接设置有排气道，为减少工作气流气体泄漏损失，转子盘中心轴与叶片室口间距之间的转子盘工作面与对应定子盘工作面设有内环动密封环，叶片室口与转子盘外沿间距之间的转子盘工作面与对应定子盘工作面设有外环动密封环，为减少进气口、喷嘴燃烧室口和排气口工作气流气体泄漏损失与互相干扰，定子盘工作面进气口、喷嘴燃烧室口和排气口三口之间设有径向密封片槽，槽内装有弹簧支撑的径向密封片，径向密封片用以封闭转子盘工作面与定子盘工作面之间的间隙，径向密封片槽的长度不大于内环动密封环与外环动密封环在定子盘工作面的径向间距，另外径向密封片密封与内、外环动密封环密封可以采用其它能起到同类密封作用的密封结构，装于定子盘罩住转子盘的密封壳起到密封气体保护机件的作用，以上结构构成有间隔叶片室的非透平涡轮转子内燃机之主体。有间隔叶片室的非透平涡轮转子内燃机工作是利用燃气轮机涡轮的燃气先在定子喷嘴中通过膨胀提高气流速度，并把此高速气流沿给定方向喷向转子，在转子叶轮中气流的动能将转换成机械功，既推动转子旋转做功的原理。其工作状态运行顺序是增压空气进入进气道后通过进气口输送给转子盘工作面的叶片室口进入叶片室完成进气过程，转子盘沿功率输出轴的设定转向方向转动将存留气体的叶片室的室口与喷嘴燃烧室口位置对应，喷嘴燃烧室内燃料喷射器喷射燃料使之形成空气与燃料的混合气体完成混合过程，点火器点燃喷嘴燃烧室内混合气体生成燃气，燃气膨胀高速流经喷嘴，喷嘴出口导向气流喷向转子盘工作面叶片室口内设有的轴流式涡轮叶片，气流的动能将转换成叶片弧形头部指向的非透平涡轮转子盘沿输出轴的设定转向方向转动做的机械功，完成点燃做功过程，转子盘做功后的叶片室的叶片室口转到与排气口对应的位置，叶片室内燃烧后的废气通过排气口排出完成排气过程，完成以上四个过程为一个工作循环，其中混合过程、点燃做功过程两过程都在喷嘴燃烧室完成。因运行状态时增压空气输送在进气道中是不间断保持无明显中断，所以转子盘其它叶片室在不间断增压空气输送支持下依次连续完成进气过程、混合过程、点燃做功过程和排气过程，四个过程形成完整工作循环，多次工作循环产生连续的圆周转动，达到转子盘功率输出轴功率的连续输出。
2.根据权利要求1所述的有间隔叶片室的非透平涡轮转子内燃机，其特征是：另外可采用将燃料喷射器设置于进气道的进气道燃料喷射结构，完整工作循环四个过程顺序变为混合过程、进气过程、点燃做功过程和排气过程，也符合做功的原理。
3.根据权利要求1、2所述的有间隔叶片室的非透平涡轮转子内燃机，其特征是：根据内燃机对转速与输出功率变化的需求，实时对燃料喷射器两次喷燃料之间转过的叶片室的数量进行调整用以达到减少燃料消耗的效果。
4.根据权利要求1、2、3所述的有间隔叶片室的非透平涡轮转子内燃机，其特征是：为获得更大的轴功率输出，以转子盘三个叶片室和与其相对应的定子盘进气口、喷嘴燃烧室和排气口为一组，在同一工作盘面内成组增加，还可沿同一输出轴成组增加。
5.根据权利要求1、2、3、4所述的有间隔叶片室的非透平涡轮转子内燃机，其特征是：以上基本结构和原理也同样适用于径流式涡轮转子内燃机。
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