CN103410613B - 涡轮转子式斯特林发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮转子式斯特林发动机，它是由配气室、动力涡轮、高压贮气罐这三大核心构件组成，通过设置一前气道使配气室与动力涡轮相通，设置一后气道使动力涡轮与高压贮气罐相通，以上各构件组成的整套结构是全封闭的，与外界隔绝的，其内部充满了高压的工质气体，工质气体可以是氢气、氮气、氦气或空气等。以上技术特征阐明了本发明与传统的斯特林发动机不同，本发明没有采用活塞和气缸等作相对滑动的密封零件，取而代之的是动力涡轮，其效率高，可靠性更高，没有往复运动及振动的机件，静音性能更好，可应用于都市太阳能发电或SE-AIP系统中。

Description

涡轮转子式斯特林发动机

技术领域

本发明涉及一种全新理念的斯特林发动机，具体涉及一种可靠性更高、静音性能更好，可应用于都市太阳能发电及SE-AIP系统中的涡轮转子式斯特林发动机。

背景技术

斯特林发动机是由伦郭的牧师罗巴特斯特林(RobertstirIing)于1816年发明的，所以命名为“斯特林发动机”。斯特林发动机是一种闭循环活塞式热机，闭循环的意思是工质气体一直保存在气缸内，通过设定冷热环境的转换，使其热胀冷缩循环做功。这是一种外燃式发动机。

斯特林发动机的优点是：它没有传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本(与内燃机的对比)。可利用太阳能、地热、化学能、核能等能源使其运行，而且，设备的环境温度越低，发电效率越高，还有，它输出的动力和效率不受海拔高度影响。

斯特林发动机的缺点是：传统的斯特林发动机是活塞式往复机，其气缸内的动态密封零件滑动的密封面积大，气缸与各密封零件承受高温高压，所以，气缸与各密封零件之间的润滑时常出现问题以及摩擦磨损问题也比较突出，导致发动机的稳定性及可靠性下降、维修频繁。还有，往复机的活塞做往复运动时会产生振动噪音。

发明内容

本发明的目的，在于克服现有技术的不足，提供一种结构科学、构造合理，没有活塞和气缸等作相对滑动的密封零件，取而代之的是动力涡轮，使用时，其效率高，可靠性更高，静音性能更好，可应用于都市太阳能发电及SE-AIP系统中的涡轮转子式斯特林发动机。

为了实现上述目的，本发明提供的“涡轮转子式斯特林发动机”是由配气室、动力涡轮、高压贮气罐这三大核心构件组成，通过设置一前气道使配气室与动力涡轮相通，设置一后气道使动力涡轮与高压贮气罐相通，以上各构件组成的整套结构是全封闭的，与外界隔绝的，其内部充满了高压的工质气体，工质气体可以是氢气、氮气、氦气或空气等。

所述的配气室是由位于发动机前端的半圆柱体热腔和与之相对应的半圆柱体冷腔共同组成的，该热、冷腔都有其外壳，即热腔外壳和冷腔外壳，它们之间设有隔热垫层，配气室内的配气中心轴支承起配气半轮。

所述的动力涡轮是由涡轮中心轴支承的，动力涡轮上设有众多的涡轮叶片；动力涡轮外壳的前端通过前气道与冷腔外壳相通，动力涡轮外壳的后端通过后气道与高压贮气罐的前端相通。

所述的高压贮气罐其末端设有一充气阀。

所述的在配气中心轴上，一端设有配气半轮，另一端设有配气从动齿轮。

所述的在涡轮中心轴上，一端设有电机(集电动和发电功能于一体的电机)和飞轮，另一端设有动力涡轮及动力齿轮。

所述的涡轮中心轴与配气中心轴的联动为：在动力齿轮与配气从动齿轮中间设置一个传动小齿轮，即可使其两轴联动。

与现有技术的斯特林发动机不同，本发明“涡轮转子式斯特林发动机”没有设置活塞和气缸等做相对滑动的密封零件，取而代之的是动力涡轮，该动力涡轮为离心式涡轮，当达到一定转速及离心压力后，有较高的效率，本发明的结构简单，比往复式斯特林发动机减小了50％的零部件，大大降低了发动机的成本，而且，延长了发动机的维护周期及使用寿命，现有技术的往复式斯特林发动机其密封的技术与润滑技术要求高，结构复杂，在运行时，只要其中一个零件出故障，也可能导致停机检修。在相同的外界条件及功能要求下，本发明“涡轮转子式斯特林发动机”，用简单的密封及润滑技术就能做到前者高付出、高要求后，才能得到的效果，而且，稳定性更好，可靠性更高，没有往复运动的机件，静音性能更好。本发明“涡轮转子式斯特林发动机的运转速度较高，转速最高可达13000转，它由配气室、动力涡轮、高压贮气罐这三大核心构件组成，以上各构件组成的整体结构是全封闭的，与外界隔绝的，其内部充满了高压的工质气体(压力为5Mpa～20Mpa)工质气体可以是氢气、氮气、氦气或空气等。它是这样运行的，加热热腔外壳(加热到700℃左右)，起动配气半轮转动，驱动配气室内的工质高压气体在热、冷腔内运动，使其受热膨胀、遇冷压缩，当气体受热膨胀时，通过前气道冲击动力涡轮的叶片，使之高速转动，然后，经后气道进入高压贮气罐作进一步的冷却、压缩、蓄势(高压贮气罐内本来就像一根弹力十足的“空气弹簧”)，当配气室内的气体遇冷压缩时，高压贮气罐内的高压工质气体会强势反弹，反弹的冷气通过后气道冲击动力涡轮的叶片，使之保持原来的转动方向继续作高速转动，然后，经前气道返回配气室加热，反复地进行这样的循环过程。本发明“涡轮转子式斯特林发动机”有卓越的静音性能，可靠性高的构造，可应用本发明的原理技术，进一步深化到SE-AIP系统中，用众多台这样的动力单元，每一个动力单元为60kw，采用模块组合的方式按需求去构筑。另外，本发明还可应用到太阳能发电领域，特别适合都市内限制噪音的场合使用。在经济效益方面：与传统的光伏发电作比较，更加突出本发明的优势，就假设以两个相同规模的太阳能发电场作比较，应用本发明“涡轮转子式斯特林发动机”技术的太阳能发电糸统，其发电成本只有光伏系统发电成本的1/7左右，而且，纯转化效率比光伏发电高一倍以上。

附图说明

图1是本发明“涡轮转子式斯特林发动机”的一个具体实施方式的局部剖视图；

图2是本发明“涡轮转子式斯特林发动机”的一个具体实施方式的传动系统示意图；

图1、2中，1-配气室、2-动力涡轮、3-高压贮气罐、4-前气道、5-后气道、11-热腔外壳、12-隔热垫层、13-配气半轮、14-配气中心轴、15-配气从动齿轮、16-冷腔外壳、21-涡轮中心轴、22-涡轮叶片、23-飞轮、24-电机、25-动力齿轮、26-动力涡轮外壳、31-充气阀、61-传动小齿轮。

具体实施方式

图1所示“涡轮转子式斯特林发动机”是由配气室1、动力涡轮2、高压贮气罐3，这三大核心构件组成，通过设置一前气道4使配气室1与动力涡轮2相通，设置一后气道5使动力涡轮2与高压贮气罐3相通，以上各构件组成的整套结构是全封闭的，与外界隔绝的，其内部充满了高压氦气。

配气室1是由位于发动机前端的半圆柱体热腔和与之相对应的半圆柱体冷腔共同组成的，该热、冷腔都有其外壳，即热腔外壳11和冷腔外壳16，它们之间设有隔热垫层12，配气室1内的配气中心轴14支承起配气半轮13。

动力涡轮2是由涡轮中心轴21支承的，动力涡轮2上设有众多的涡轮叶片22；动力涡轮外壳26的前端通过前气道4与冷腔外壳16相通，动力涡轮外壳26的后端通过后气道5与高压贮气罐3的前端相通。

高压贮气罐3其末端设有一充气阀31。

图2所示“涡轮转子式斯特林发动机”的传动系统示意图：其配气中心轴14的一端设有配气半轮13，另一端设有配气从动齿轮15。

涡轮中心轴21的一端设有电机24和飞轮23，另一端设有动力涡轮2及动力齿轮25。

涡轮中心轴21与配气中心轴14的联动为：在动力齿轮25与配气从动齿轮15中间设置一个传动小齿轮61，即可使其两轴联动。

工作原理简述：

工作时，加热热腔外壳11，加热到700℃左右，启动电机24，给涡轮中心轴21带动动力齿轮25转动提供动力，动力齿轮25带动传动小齿轮61和配气从动齿轮15转动，同时，支承配气从动齿轮15的配气中心轴14也同步带动配气室1内的配气半轮13转动，配气室1内的配气半轮13驱动高压氦气在热、冷腔内运动，使其受热膨胀、遇冷压缩，当气体受热膨胀时，通过前气道4冲击动力涡轮2的涡轮叶片22，使动力涡轮2高速转动，然后，经后气道5进入高压贮气罐3作进一步的冷却、压缩、蓄势(高压贮气罐3内就像一根弹力十足的“空气弹簧”)，当配气室1内的气体遇冷压缩时，高压贮气罐3内的高压氦气会强势反弹，反弹的冷气通过后气道5冲击动力涡轮2的涡轮叶片22，使动力涡轮2保持原来的转动方向继续作高速转动，然后，经前气道4返回配气室1加热，反复地进行这样的循环过程，并输出功来。

当然，设有飞轮23使发动机平稳地转动是很有必要的；另外，本实施例中选用了集电动和发电功能于一体的电机24，也可选用其它构造的起动马达及各类交、直流发电机；本发明“涡轮转子式斯特林发动机的传动方式不局限于附图2的结构特征，因为，除了齿轮传动外，还可将配气中心轴14与涡轮中心轴21连接成共轴式的传动、链轮传动、皮带轮传动、曲柄连杆式传动、凸轮推杆式传动、蜗杆式传动等等，这些变换均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.涡轮转子式斯特林发动机，是由配气室(1)、动力涡轮(2)、高压贮气罐(3)组成，其特征在于：通过设置一前气道(4)使配气室(1)与动力涡轮(2)相通，设置一后气道(5)使动力涡轮(2)与高压贮气罐(3)相通，以上各构件组成的整套结构是全封闭的，与外界隔绝的，其内部充满了高压的工质气体。

2.根据权利要求1所述的涡轮转子式斯特林发动机，其特征为：配气室(1)是由位于发动机前端的半圆柱体热腔和与之相对应的半圆柱体冷腔共同组成的，该热、冷腔都有其外壳，即热腔外壳(11)和冷腔外壳(16)，它们之间设有隔热垫层(12)，配气室(1)内的配气中心轴(14)支承起配气半轮(13)。

3.根据权利要求1所述的涡轮转子式斯特林发动机，其特征为：动力涡轮(2)是由涡轮中心轴(21)支承的，动力涡轮(2)上设有众多的涡轮叶片(22)；动力涡轮外壳(26)的前端通过前气道(4)与冷腔外壳(16)相通，动力涡轮外壳(26)的后端通过后气道(5)与高压贮气罐(3)的前端相通。

4.根据权利要求1所述的涡轮转子式斯特林发动机，其特征为：高压贮气罐(3)其末端设有一充气阀。