CN103089437A - 燃气叶轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃气叶轮机，包括动力系统，动力系统包括主机壳，主机壳内共轴设有叶轮，叶轮穿设有动力输出轴，叶轮轮缘设有叶片，主机壳外周处具有环形密闭区域，叶片置于环形密闭区域内，环形密闭区域至少具有一用于将燃气推动叶片进行做功的做功区，环形密闭区域一侧非做功区设有废气出口，做功区外沿设有用于产生燃气的缸头；用于给缸头提供压缩气体的增压系统，增压系统包括涡轮增压机、增压机、启动加压装置。本发明结构简单，维护方便，动力性能较佳，热利用率高。

Description

燃气叶轮机

技术领域

本发明涉及一种燃气叶轮机。

 

背景技术

传统的内燃机多为活塞式，通过点燃压缩空气和燃料的混合气体推动活塞做功，由于它作功不连续性(四个冲程做功一次)，存在的问题是会产生振动，另外自燃吸气式的发动机注定它燃烧不够充分，如使压缩空气使它充分燃烧，则会产很高温度，对缸体和活塞及润滑系统都会提出更高要求，并且它们对燃料的要求也比较单一，不同机器只能使用与其适宜的燃料。目前，燃气轮机都是燃气通过透平，使透平转动带动转子转动做工，它的特点是燃料量必须足够大，才有足够的燃气通过透平提供足够的动力，它对透平、转子、转轴的耐热及润滑系统均有较高要求，目前，还没有利用透平原理制作的成熟的发动机。进一步，公开号为CN 101372894A的专利中公开了一种透平气动马达，其采用的技术方案为：一种透平气动马达，包括马达壳体和贯穿马达壳体前端部的输出轴，其特征在于；所述马达壳体内设置反击式微型透平机，该反击式微型透平机包括位于马达壳休后端部上的排气口、位于马达壳体内近排气口处的透平定子和透平转子、通过第一轴承和第二轴承支撑于马达壳体内的透平轴、以及贯穿马达壳体一侧壁且与透平轴垂直的进气口，所述透平定子与马达壳体固遥，透平轴一端与透平转子固连，另一端通过行星齿轮减速机构与输出轴内端连接；靠近透平转子的第一轴承与透平转子以及透平定子之间设密封装置，该密封装置外表面的右部分与马达壳体的内表面相密合，其左部分与马达壳体及透平定子之间形成环形气道，该环形气道与马达壳体上的进气口相通；所述输出轴通过第二轴承和第四轴承支撑于马达壳体内。但该专利提供的装置结构较复杂，且用高温燃气为动力源，对轴承和密封装置都有较高要求。

 

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种能效高、热损小、作用力效果最大化且结构简单、维护方便、机械磨损小的燃气叶轮机。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种燃气叶轮机，其特征在于，包括：动力系统,动力系统包括：主机壳，主机壳内共轴设有叶轮，叶轮中部设有轴孔，轴孔处穿设有动力输出轴，叶轮轮缘设有叶片，叶片朝向同一旋转方向，主机壳外周与叶轮轮缘组成环形密闭区域，叶片置于环形密闭区域内，环形密闭区域至少具有一用于将燃气推动叶片进行做功的做功区，环形密闭区域一侧非做功区设有废气出口，做功区外沿设有用于产生燃气的缸头，缸头具有燃烧室，燃烧室具有燃气出口，燃气出口与环形密闭区域连通；

增压系统，增压系统包括：设于主机壳具有废气出口侧的涡轮增压机，涡轮增压机具有涡轮室与压气室，涡轮室入口与设置在非做功区的废气出口连通，压气室具有压气室进气口与压气室出气口；增压机，增压机具有输入轴，输入轴通过减速装置与设于动力输出轴的离合轮连接，增压机具有增压机进气口与增压机出气口，增压机进气口与压气室出气口通过接管Ⅰ连通，增压机出气口通过接管Ⅱ与缸头进气口连通，其中，接管Ⅰ与接管Ⅱ通过接管Ⅲ连通，接管Ⅲ与接管Ⅱ连接点为第一连接点，该连接点处设有分流开关；用于提供缸头启动时所需压缩气体的启动加压装置。

本发明可作进一步的改进在于，还包括储气罐，储气罐具有储气罐进气口与储气罐出气口，储气罐出气口与缸头进气口连通，储气罐进气口与增压机出气口通过接管Ⅱ连通。

本发明可作进一步的改进在于，所述启动加压装置为启动加压泵，启动加压泵具有启动加压泵进气口与启动加压泵出气口，启动加压泵进气口通过接管Ⅳ与接管Ⅱ于第一连接点后端处连通，启动加压泵出气口通过接管Ⅴ与接管Ⅱ近储气罐端连通，该连接点为第二连接点，第二连接点处设有分流开关。

本发明可作进一步的改进在于，储气罐设有放水阀。

本发明可作进一步的改进在于，做功区为3个，各做功区均布置一缸头。

本发明可作进一步的改进在于，还包括设于主机壳与叶轮上的镂空结构。

本发明可作进一步的改进在于，各叶片呈弧形。

本发明可作进一步的改进在于，压气室进气口设有空气过滤器。

本发明可作进一步的改进在于，缸头燃烧室呈喇叭状。

本发明可作进一步的改进在于，所述离合轮包括离合轮壳体；径向设于离合轮壳体内的若干滑动室，各滑动室前端共同形成一用于穿设动力轴的轴孔；设于各滑动室内、用于在滑动室内径向滑动并与动力轴配合形成离合结构的摩擦片；设于各滑动室的弹簧，该弹簧一端与摩擦片连接，另一端与滑动室后部连接。

相比现有技术，本发明有益效果如下：

（1）结构简单，维护方便，润滑系统远离热源，机械磨损小(本发明不涉及活塞、曲轴、连杆等负载机械)，热利用率高。

（2）振动小，噪音小，起动方便，因为它直接推动叶片做功，不需要间息作功。

（3）缸头一次性点火，工作过程中不需再点火。

（4）机器动力大小可由进入缸头中的空气及燃料量来控制，或由工作缸的多少加以控制。

（5）燃料选择广泛，该设计适用于各种可燃气体及可雾化的可燃液体作燃料。

（6）重量轻，因它不需要特殊加固装置，除缸头、叶片外(它用专门耐热、高强材料)。

（7）利用离合轮能使在不需要增压泵提供再次加压时停止工作，而在转速不足时开始工作。

（8）设计分流开关，有利于高压优先选择气道原则，不至于空气逆流。

（9）因为叶轮配有一定自重，让它正常运转的惯性能够在停止供应燃料的时侯继续转动，使冷空气进入冷却通道进而充分冷却动力输出轴与环形密闭区域，进而充分冷却叶片与环形密闭区域。 

 

附图说明

图1是燃气叶轮机拼装示意图。

图2是燃气叶轮机处于拆分状态示意图，该图中示出了缸头。

图3是燃气叶轮机处于拆分状态示意图，该图中未示出缸头。

图4是燃气叶轮机主机壳展开示意图。

图5是燃气叶轮机增压系统原理示意图。

图6是燃气叶轮机叶轮与叶片示意图。

图7是燃气叶轮机缸头结构示意图。

图8是燃气叶轮机离合轮结构示意图。

图9是燃气叶轮机储气罐结构示意图。

图10是燃气叶轮机分流开关结构示意图。

 

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1-10所示，一种燃气叶轮机，包括主机壳1，主机壳1由机壳一11与机壳二12拼接而成，机壳二12直径小于机壳11直径，机壳一11与机壳二12周向对应布置有环形凸起，当机壳一11与机壳二12拼接在一起后，两侧凸起接合处具有一环形的空间，叶轮（下文将作详述）轮幅穿过该空间，进一步，叶轮轮缘与主机壳1外周共同形成一环形密闭区域，主机壳1圆周上均匀布置有三个用于将燃气推动叶片进行做功的做功区，机壳一11与机壳二12拼接在一起后形成的主机壳1右侧边缘处非做功区具有环状废气出口。

主机壳1内共轴设有叶轮，叶轮中部具有轴孔，轴孔处穿设有动力输出轴14，叶轮轮缘周围设有叶片13，各叶轮13呈弧形，其朝向均为叶轮旋转方向，叶片13等间距布置，各叶片13置于环形密闭区域内，当两相邻叶片转动后处于做功区4a处时，两相邻的叶片与做功区共同形成一气密性较佳的区域，同时缸头（缸头下文将详述）产生的爆炸燃气对上述叶片推动做功，进而推动叶轮旋转，当两相邻的叶片转出做功区4a后，两相邻的叶片13内的高温高压气体通过机壳一11与机壳二12拼接在一起后形成的主机壳1右侧边缘处具有的环状废气出口排出，从该环状废气出口排出的废气进入涡轮增压机的涡轮室推动涡轮旋转，进而带动涡轮增压机的压气轮对洁净空气进行压缩，涡轮增压机下文将作详述。

各做功区4a均布置有一缸头4，缸头4内具有燃烧室，燃烧室出气口倾斜布置且朝向叶轮旋转方向，燃烧室出气口与做功区是连通的，燃烧室产生的爆炸膨胀气体从燃烧室出气口进入做功区4a进而对叶片做功。

见图7，缸头4包括缸体42，缸体42内设有燃烧室，燃烧室呈喇叭状，窄端为燃烧室出气口，宽端为可燃混合气体入口，在宽端可燃混合气体入口处设有喷油针44、点火塞41、喷气阻逆板43等，上述结构与现有技术的发动机燃烧室的组成部件基本相同，能按照需要将可燃混合气体及时点燃即可。

可燃混合气体为雾化的燃料（在足够压力下呈气雾状态，能与高压空气快速混合的气油、煤油、柴油、酒精等易燃液体及天燃气、煤气等易燃气体，足量高压空气为燃料充分燃烧提供保障）与空气的混合气体，可燃混合气体进入燃烧室后通过点火塞41点火，燃烧室内的可燃混合气体爆炸燃烧，同时通过燃烧室的燃烧室出气口（喷嘴），进一步通过燃气进口进入做功区4a，进一步推动位于做功区4a处的叶片13运动，从而使得叶轮转动，进一步带动动力输出轴旋转，从而输出动力。

见图5，本发明进一步包括增压系统，增压系统包括涡轮增压机2，涡轮增压机2布置于主机壳1具有主机壳废气出口一侧，涡轮增压机2具有涡轮室与压气室，涡轮室入口与废气出口（其大致呈环状）连通，参见图2，涡轮室与主机壳1共用机壳二12，涡轮室壳体22与压气室壳体24依次拼装，压气室具有压气室进气口24a与压气室出气口24b。涡轮增压机为现有技术，不再详述。

主机壳1内的废气进入涡轮室推动涡轮，从而带动涡轮21的转轴旋转，旋转的转轴进一步带动与之连接的位于压气室内的压气轮23转动，外界空气通过压气室进气口24a进入压气室，压气室内被压气轮压缩的气体通过压气室出气口24b排出，然后进入下文将详述的增压机52。

还包括增压机52，增压机具有输入轴，输入轴通过减速装置（减速齿轮等）与设于动力输出轴14的离合轮62连接，增压机52具有增压机进气口与增压机出气口，增压机进气口与压气室出气口24b通过接管Ⅰa连通。

动力输出轴14结合离合轮带动增压机52工作，当叶轮转速达到设计转速（涡轮增压机机加压的空气能够足够提供给燃烧室燃烧所需），离合轮与动力输出轴14分离，增压机停止工作(该增压机可为涡轮机、旋片机或螺杆机、活塞增压机等)。

见图8，离合轮62是固定在动力输出轴上的，随动力输出轴转动，它由摩擦片623、滑动室、弹簧622、定位孔621和离合轮外壳组成，具体而言，离合轮包括离合轮壳体；径向设于离合轮壳体内的若干滑动室，各滑动室前端（该处所指前即为朝向离合轮中心方向）共同形成一用于穿设动力轴（本实施例中动力轴为动力输出轴14）的轴孔；设于各滑动室内、用于在滑动室内径向滑动并与动力轴配合形成离合结构的摩擦片；设于各滑动室的弹簧，该弹簧一端与摩擦片连接，另一端与滑动室后部连接，它在动力输出轴转动时，带动增压机工作，一定速度情况下，摩擦片作离心运动，离开增压泵输入轴实现增压机停止工作，在低速转动时，弹簧使摩擦片挤压增压泵轴，使增压机工作。（为使增压机得到足够转速，可使用变速轮组）。

压气室内第一次增压的气体进入增压机52进行第二次增压，在增压机52内第二次增压的气体通过增压机出气口排出。

见图9，还包括储气罐55，储气罐55具有储气罐进气口55c与储气罐出气口55a，储气罐出气口55a与缸头进气口连通，储气罐进气口55c与增压机出气口通过接管Ⅱb连通，其中，接管Ⅰa与接管Ⅱb通过接管Ⅲc连通，接管Ⅲc与接管Ⅱb连接点为第一连接点，该连接点处设有分流开关53。储气罐55可通过空气和循环水冷却。

分流开关布置在两支管与主管连接处，介质从支管往主管方向流动，分流开关的作用是分别控制两支管的开闭，本实施例采用的分流开关如图10所示，分流开关53包括第一支管（图10中左侧支管），第二支管（图10中右侧支管）以及主管，于第一、第二支管交汇处活动设有分压瓣531，即分压瓣531一端是活动连接于交汇处。当第一支管流过的气体压力大于第二支管流过的气体时，分压瓣531关闭第二支管，第一支管处于开启状态，相反，第二支管内的气体压力大于第一支管时，分压瓣531关闭第一支管，第二支管处于开启状态。

分流开关除了上述实现方式，还可以为一控制器，该控制器包括二压力传感器与一三通电磁阀，在各支管处分别布置一压力传感器，在二支管与主管汇聚出布置三通电磁阀，二压力传感器与三通电磁阀分别与ECU（车载电脑）电连接。控制器工作原理如下：当一支管中的压力传感器检测的压力值大于另一支管检测值时，ECU对比二压力传感器压力值后控制三通电磁阀关闭压力低一侧的支管，开启压力高一侧的支管，反之亦然，这就实现了分流开关的作用，即管内压力低的支管处于关闭状态，压力高的支管处于开启状态。

还包括启动加压泵（电动增压泵）54，启动加压泵54具有启动加压泵进气口与启动加压泵出气口，启动加压泵进气口通过接管Ⅳd与接管Ⅱb于第一连接点后端处连通，启动加压泵出气口通过接管Ⅴe与接管Ⅱb近储气罐55端连通，该连接点为第二连接点，第二连接点处设有分流开关53。

启动加压泵目的在于为缸头启动时提供压缩气体，启动加压装置除了是启动加压泵，还可以是一个动力机构（启动马达等），在缸头启动时，该动力机构用于带动增压机输入轴转动，为缸头提供启动状态时所需的压缩气体，动力机构可通过减速齿轮与增压机输入轴连接。即：启动时，可用启动马达 ，直接使动力输出轴14转动， 进一步带动增压机、油压泵工作，为缸头提供燃料和空气。

整体上，涡轮增压机2压气室排出的压缩气体进入增压器52进行第二次增压，增压器52内的压缩气体直接进入储气罐55，储气罐55内的压缩气体进入缸头4；当本发明的动力输出轴转速达到一定转速，离合轮处于松开状态，增压器52输入轴停止转动，故在第一连接点处接管Ⅲ流过的气体压力大于接管Ⅰ内的气体，故该处的分流开关分压瓣关闭接管Ⅰ，接管Ⅲ处于开启状态，涡轮增压机排出的压缩气体直接通过接管Ⅲ，接管Ⅱ进入储气罐55；本发明启动时，涡轮增压机2与增压机52均未工作，此时启动启动加压泵54，故第二连接点处接管Ⅱ侧气体压力小于接管Ⅴ，该处分流开关分压瓣关闭接管Ⅱ，接管Ⅴ处于开启状态，启动加压泵54排出的压缩气体进入储气罐55进而被缸头4利用。

需要说明的是，本发明不限于上述实现方式，例如：

做功区可以布置为一个，二个，四个或者更多，当做功区数量为复数个时，各做功区布置方式为环形阵列于主机壳外周处，各做功区4a均布置一用于提供燃气的缸头4。

缸头还可连成一片具有整体燃烧室设于主机壳一侧，叶片均倾斜布置（便于爆炸燃气推动叶片），废气出口连成一片形成环形废气出口并与涡轮室连通。

还包括设于主机壳1与叶轮上的用于形成冷却通道来冷却动力输出轴与环形密闭区域的镂空结构，本实施例中，镂空结构布置方式如下：叶轮包括轮缘部与轴孔部，轮缘部与轴孔部通过三支撑体连接，轴孔部与轮缘部之间形成叶轮镂空结构，主机壳1与叶轮镂空结构对应处为主机壳镂空结构，见图1，当本发明具有镂空结构后，随着涡轮的转动进而带动空气从左侧通过主机壳镂空结构与叶轮镂空结构并形成冷却通道，该冷却通道可以冷却动力输出轴以及环形密闭区域。镂空状设计有利于叶轮散热，进而让整个燃气叶轮机不至于长时间处于高温状态，同时也省去了加装专门冷却系统，节约了本发明的整体成本。

叶片13呈弧形，该项设计能使得燃烧室内喷出的气体动能得到最大化利用。

启动加压泵54除了电动增压泵外，还可以是其他外置动力提供的加压泵。

压气室进气口24a设有空气过滤器51，该项设计能保证进入储气罐内的压缩气体的清洁度满足缸头燃烧室的需要。

缸头4燃烧室除了呈喇叭状，还可以呈“V”字形。该项设计的优点在于，燃烧室位于燃烧室出气口段较窄，爆炸膨胀的气体产生的动能能实现最大化，进而从燃烧室出气口喷出的爆炸膨胀气体产生最大的动能。

储气罐55设有放水阀55b，该项设计能及时排出储气罐内的水份。

为了保证本发明在更好的工况下运行，还可以设置润滑系统和冷却系统，润滑系统润滑油对轮轴及增压系统活动部件起润滑作用，冷却系统指循环水对轮轴、机壳、储气罐等进行冷却。

本发明工作原理如下：雾化燃料与压缩空气混合成可燃混合气体在缸头燃烧室燃烧，爆炸燃烧的气体从燃烧室出口进入密闭空间，爆炸燃烧的气体作用于位于密闭空间处的叶片，从而带动叶轮转动，进一步带动动力输出轴转动。当两相邻的叶片转出密闭空间后，废气通过主机壳废气出口排出，主机壳处废气出口排出的废气进入涡轮增压机涡轮室，从而带动涡轮增压机涡轮旋转，进一步带动压气室内的压气轮转动从而压缩气体，涡轮增压机内的压缩气体通过压气室出气口排出。涡轮增压机压气室排出的压缩气体进入增压器进行第二次增压，增压器内的压缩气体直接进入储气罐，储气罐内的压缩气体进入缸头；当本发明的动力输出轴转速达到一定转速，离合轮处于松开状态，增压器输入轴停止转动，故在第一连接点处接管Ⅲ流过的气体压力大于接管Ⅰ内的气体，故该处的分流开关分压瓣关闭接管Ⅰ，接管Ⅲ处于开启状态，涡轮增压机排出的压缩气体直接通过接管Ⅲ，接管Ⅱ进入储气罐；本发明启动时，涡轮增压机与增压机均未工作，此时启动启动加压泵，故第二连接点处接管Ⅱ侧气体压力小于接管Ⅴ，该处分流开关分压瓣关闭接管Ⅱ，接管Ⅴ处于开启状态，启动加压泵排出的压缩气体进入储气罐进而被缸头利用。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (10)

1.一种燃气叶轮机，其特征在于，包括：

动力系统,动力系统包括：主机壳（1），主机壳（1）内共轴设有叶轮，叶轮中部设有轴孔，轴孔处穿设有动力输出轴（14），叶轮轮缘设有叶片（13），叶片（13）朝向同一旋转方向，主机壳（1）外周与叶轮轮缘组成环形密闭区域，叶片（13）置于环形密闭区域内，环形密闭区域至少具有一用于将燃气推动叶片进行做功的做功区，环形密闭区域一侧非做功区设有废气出口，做功区外沿设有用于产生燃气的缸头（4），缸头（4）具有燃烧室，燃烧室具有燃气出口，燃气出口与环形密闭区域连通；

增压系统，增压系统包括：设于主机壳（1）具有废气出口侧的涡轮增压机（2），涡轮增压机具有涡轮室与压气室，涡轮室入口与设置在非做功区的废气出口连通，涡轮室出口（22a）与周围环境连通，压气室具有压气室进气口（24a）与压气室出气口(24b)；增压机(52)，增压机具有输入轴，输入轴通过减速装置与设于动力输出轴（14）的离合轮(62)连接，增压机(52)具有增压机进气口与增压机出气口，增压机进气口与压气室出气口(24b)通过接管Ⅰ(a)连通，增压机出气口通过接管Ⅱ(b)与缸头进气口连通，其中，接管Ⅰ(a)与接管Ⅱ(b)通过接管Ⅲ(c)连通，接管Ⅲ(c)与接管Ⅱ(b)连接点为第一连接点，该连接点处设有分流开关(53)；用于提供缸头（4）启动时所需压缩气体的启动加压装置。

2.根据权利要求1所述的燃气叶轮机，其特征在于，还包括储气罐(55)，储气罐(55)具有储气罐进气口(55c)与储气罐出气口(55a)，储气罐出气口(55a)与缸头进气口连通，储气罐进气口(55c)与增压机出气口通过接管Ⅱ(b)连通。

3.根据权利要求2所述的燃气叶轮机，其特征在于，所述启动加压装置为启动加压泵(54)，启动加压泵(54)具有启动加压泵进气口与启动加压泵出气口，启动加压泵进气口通过接管Ⅳ(d)与接管Ⅱ(b)于第一连接点后端处连通，启动加压泵出气口通过接管Ⅴ(e)与接管Ⅱ(b)近储气罐(55)端连通，该连接点为第二连接点，第二连接点处设有分流开关(53)。

4.根据权利要求2或3所述的燃气叶轮机，其特征在于，储气罐（55）设有放水阀（55b）。

5.根据权利要求1所述的燃气叶轮机，其特征在于，做功区为3个，各做功区均布置一缸头（4）。

6.根据权利要求1所述的燃气叶轮机，其特征在于，还包括设于主机壳（1）与叶轮上的镂空结构。

7.根据权利要求1所述的燃气叶轮机，其特征在于，各叶片(13)呈弧形。

8.根据权利要求1所述的燃气叶轮机，其特征在于，压气室进气口(24a)设有空气过滤器(51)。

9.根据权利要求1所述的燃气叶轮机，其特征在于，缸头（4）燃烧室呈喇叭状。

10.根据权利要求1所述的燃气叶轮机，其特征在于，所述离合轮包括离合轮壳体；径向设于离合轮壳体内的若干滑动室，各滑动室前端共同形成一用于穿设动力轴的轴孔；设于各滑动室内、用于在滑动室内径向滑动并与动力轴配合形成离合结构的摩擦片；设于各滑动室的弹簧，该弹簧一端与摩擦片连接，另一端与滑动室后部连接。

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