CN104895617A - 无扇叶涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无扇叶涡轮发动机，它包括汽缸、转轴、多个空腔圆盘体、多条拉金、多根热管、进汽管、喷管组、隔板、排汽管。具有一定压力和温度的黏性流体经过喷嘴膨胀加速后在汽缸内沿着圆周方向由外向内作螺旋向心流动，利用边界层内流体剪切力作用带动多个空腔圆盘体和转轴一起转动作功。空腔圆盘体内布置多条不同直径的圆环拉金进行加固，并填充气体冷却介质用于吸收空腔圆盘体的散热量，再通过热管将热量由空腔圆盘体内腔传递到转轴的空心转鼓内腔并最终由低温排汽带走。本发明具有能量转换效率高、结构坚固耐用、具有较高的抗拉伸强度和抗扭曲强度、有效防止过热变形、单机功率大的特点，极大地推动了无扇叶涡轮发动机的未来应用进程。

Description

无扇叶涡轮发动机

技术领域

本发明属于流体与动力机械技术领域，特别是涉及一种无扇叶涡轮发动机。

背景技术

涡轮发动机是一种利用旋转的机件自穿过它的流体中汲取动能的发动机，在人民生活、工业生产、国防、航空航天等各个领域都有极其广泛的应用。目前普遍应用的涡轮发动机都是有扇叶涡轮发动机，包括水力涡轮机、风力涡轮机、蒸汽轮机、燃气轮机等。有扇叶涡轮发动机是利用流体冲击叶片转动而产生动力，基于该工作原理的涡轮发动机的能量转换效率并不高，而且叶片受流体的直接冲击，非常容易断裂或损坏，特别是长而窄的叶片。基于上述的有扇叶涡轮发动机存在的问题，伟大发明家尼古拉.特斯拉曾提出基于边界层效应由流体剪切力驱动的无扇叶涡轮发动机原模型，其理论上具有很高的能量转换效率和很长的使用寿命。但后来的一系列实验证明这种无扇叶涡轮发动机存在两个严重的问题：一是转子超高速运转下圆盘片受强大的离心力作用非常容易被拉伸并造成扭曲，并且圆盘片的直径越大，受扭曲程度越高；二是流体流动过程中无法完全避免的摩擦生热非常容易造成圆盘片过热却无法对其进行冷却保护，圆盘片很快发生热变形而造成损坏，并且流体的温度越高，热变形的现象越严重；因此这种无扇叶涡轮发动机的设想历经一个多世纪至今仍无法得到实际应用。针对上述的无扇叶涡轮发动机存在的问题，除了选用先进的加工材料外，更应该从发动机的内部结构进行改进设计以求从根本上解决上述的两个问题，从而使无扇叶涡轮发动机在未来得到真正的商业化应用。

发明内容

本发明的目的是针对无扇叶涡轮发动机的设想进行结构创新设计，克服原始的无扇叶涡轮发动机的设计缺陷，以求得到一种能量转换效率高、结构坚固耐用、具有较高的抗拉伸强度和抗扭曲强度、有效防止过热变形、单机功率大的无扇叶涡轮发动机。

为实现上述的目的，本发明的技术解决方案是：

本发明是一种无扇叶涡轮发动机，它包括汽缸、转轴、多个空腔圆盘体、多条拉金、多根热管、进汽管、喷嘴组、隔板、排汽管。

所述的汽缸为水平放置的空心圆筒，汽缸的中心线上安装一根贯穿于圆筒两底面的变截面转轴，汽缸上半部的一侧开设若干个与转轴垂直的长方形进汽口组；所述的转轴的两端为小直径实心轴，实心轴从汽缸的内腔延伸至汽缸的外部，并在实心轴引出汽缸处设置汽封，转轴的中间部分为大直径空心转鼓，空心转鼓的中间段为圆柱体，两端为锥形圆台体，锥形圆台体的侧面布满内外相通的小孔。

所述的空腔圆盘体是由两个平行的表面光滑的由碳纤维或芳纶纤维制成的圆环薄片和围带组成，围带的外表面上设置汽封并与汽缸的内壁面保持微小的间隙，两个圆环薄片的内端缘与空心转鼓的圆柱体外表面密封焊接，两个圆环薄片的外端缘皆与围带密封焊接，由此空腔圆盘体与空心转鼓的圆柱体外表面形成内部封闭空腔，内部封闭空腔内填充密度小的气体冷却介质；所述的多个空腔圆盘体等间距地固定套接在空心转鼓的圆柱体表面上且安装在汽缸内，处于相邻两空腔圆盘体之间的空心转鼓圆柱体表面上开设多个排汽孔与空心转鼓的内腔相通。在每个空腔圆盘体的内腔皆设有多条不同直径的拉金，该多条拉金以转轴为中心安装在空腔圆盘体的内腔，且每条拉金的左右侧面皆与空腔圆盘体的两个圆环薄片的内侧面固定焊接。所述的拉金为横截面为方形的圆环，圆环沿径向方向开设多个小孔使内外圆侧面相通。所述的多根热管皆对称地布置在每个空腔圆盘体的内腔，热管的一端布置在空腔圆盘体的内腔，该段热管贯穿多个拉金并与拉金固定焊接，热管的另一端贯穿空心转鼓的圆柱体壁面并延伸至空心转鼓的内腔，该段热管与空心转鼓的壁面接触处密封焊接；所述的进汽管水平布置在汽缸上半部一侧的正上方并与汽缸的中心线平行，进汽管的下半部开设若干个与空腔圆盘体平行的长方形出汽口组。

所述的喷嘴组是由多个横截面为长方形的渐缩通道构成的喷嘴紧密布置而成，喷嘴组的外壳上端缘与进汽管的出汽口组端缘密封焊接，喷嘴组的外壳下端缘与汽缸侧面的进汽口组端缘密封焊接，每个喷嘴的进口皆与进汽管相通，出口皆与汽缸的内腔相通，每个喷嘴的出口皆布置在相邻两空腔圆盘体之间，喷嘴的开口宽度小于相邻两空腔圆盘体的间距，喷嘴的开口方向与空腔圆盘体的侧面外边缘相切；所述的隔板为两块圆环形的平板，分别位于空心转鼓圆柱体表面的两侧，所有的空腔圆盘体皆处于两块隔板之间，隔板的外端缘与汽缸的内壁面密封焊接，隔板的内端缘与空心转鼓圆柱体表面保持微小的间隙；汽缸处于隔板与圆筒底面之间的两端侧面上分别开设一个排汽口与排汽管相通。

采用上述方案后，本发明具有以下几个优点：

1、能量转换效率高。本发明利用流体的边界层剪切力进行作功，与利用流体的冲动力和反动力进行作功的传统方式比较，能量损失小，能量转换效率更高。

2、结构坚固耐用。本发明利用独特设计的空腔圆盘体取代传统的扇叶，解决叶片容易断裂和损坏的问题，设备结构坚固耐用，使用寿命较长。

3、较高的抗拉伸强度和抗扭曲强度。本发明的受力元件为空腔圆盘体，其内部的多条拉金和顶部的围带分段支撑整个圆盘体的结构模型，使其有足够的刚性和强度支撑高速运转下的圆盘体承受离心力和扭曲力作用而不被拉伸和扭曲。

4、有效防止过热变形。本发明的空腔圆盘体表面的摩擦生热可以迅速被其内部的冷却介质吸收，并通过热管直接被低温排汽带走，该方法可以使整个圆盘体维持较低的恒定温度，从而有效地避免了旋转元件的过热变形问题。

5、单机功率大。本发明有效改善了最初的无扇叶涡轮发动机的缺陷，因此可以使用更高温度的流体，并采用更大直径的空腔圆盘体以得到流体更大的焓降，从而增加单位流量的做功量，不仅单机功率增大，而且进一步提高了热力学效率。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1 是本发明的整体表观图；

图2 是本发明的剖面图；

图3 是本发明的内部结构图；

图4 是本发明的空腔圆盘体内部构造图；

图5 是本发明工作原理轴视示意图；

图6 是本发明工作原理主视示意图。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4所示，本发明是一种无扇叶涡轮发动机，它包括汽缸1、转轴2、多个空腔圆盘体3、多条拉金4、多根热管5、进汽管6、喷嘴组7、隔板8、排汽管9。

所述的汽缸1为水平放置的空心圆筒，汽缸1的中心线上安装一根贯穿于圆筒两底面的变截面转轴2，汽缸1上半部的一侧开设若干个与转轴2垂直的长方形进汽口组11；所述的转轴2的两端为小直径实心轴21，实心轴21从汽缸1的内腔延伸至汽缸1的外部，并在实心轴21引出汽缸1处设置汽封（图中未表示），转轴2的中间部分为大直径空心转鼓22，空心转鼓22的中间段为圆柱体221，两端为锥形圆台体222，锥形圆台体222的侧面布满内外相通的小孔2221。

所述的空腔圆盘体3是由两个平行的表面光滑的由碳纤维以及芳纶纤维制成的圆环薄片31和围带32组成，围带32的外表面上设置汽封（图中未表示）并与汽缸1的内壁面保持0.1～0.5毫米的距离，两个圆环薄片31的内端缘与空心转鼓22的圆柱体221外表面密封焊接，两个圆环薄片31的外端缘皆与围带32密封焊接，由此空腔圆盘体3与空心转鼓22的圆柱体221外表面形成内部封闭空腔，内部封闭空腔内填充密度小的气体冷却介质；所述的多个空腔圆盘体3等间距地固定套接在空心转鼓22的圆柱体221表面上且安装在汽缸1内，处于相邻两空腔圆盘体3之间的空心转鼓22圆柱体221表面上开设多个排汽孔2211与空心转鼓22的内腔相通。在每个空腔圆盘体3的内腔皆设有多条不同直径的拉金4，该多条拉金4以转轴2为中心安装在空腔圆盘体3的内腔，且每条拉金4的左右侧面皆与空腔圆盘体3的两个圆环薄片31的内侧面固定焊接。所述的拉金4为横截面为方形的圆环，圆环沿径向方向开设多个小孔41使内外圆侧面相通。所述的多根热管5皆对称地布置在每个空腔圆盘体3的内腔，热管5的一端布置在空腔圆盘体3的内腔，该段热管贯穿多条拉金4并与拉金4固定焊接，热管5的另一端贯穿空心转鼓22的圆柱体壁面221并延伸至空心转鼓22的内腔，该段热管与空心转鼓22的壁面221接触处密封焊接；所述的进汽管6水平布置在汽缸1上半部一侧的正上方并与汽缸1的中心线平行，进汽管6的下半部开设若干个与空腔圆盘体3平行的长方形出汽口组61。

所述的喷嘴组7是由多个横截面为长方形的渐缩通道构成的喷嘴71紧密布置而成，喷嘴组7的外壳上端缘与进汽管的出汽口组61端缘密封焊接，喷嘴组7的外壳下端缘与汽缸1侧面的进汽口组11端缘密封焊接，每个喷嘴71的进口皆与进汽管6相通，出口皆与汽缸1的内腔相通，每个喷嘴71的出口皆布置在相邻两空腔圆盘体3之间，喷嘴71的开口宽度小于相邻两空腔圆盘体3的间距，喷嘴71的开口方向与空腔圆盘体3的侧面外边缘相切；所述的隔板8为两块圆环形的平板，分别位于空心转鼓22圆柱体表面221的两侧，所有的空腔圆盘体3皆处于两块隔板8之间，隔板8的外端缘与汽缸1的内壁面密封焊接，隔板8的内端缘与空心转鼓22圆柱体221表面保持微小的间隙；汽缸1处于隔板8与圆筒底面之间的两端侧面上分别开设一个排汽口91与排汽管9相通。

本发明的工作原理：

如图5、图6所示，具有一定压力和温度的黏性流体（包括蒸汽、气体和液体，这里以蒸汽为例进行说明）进入进汽管6，然后流经喷嘴组7的喷嘴通道进行膨胀加速，高速流体进入汽缸1内，并在汽缸1内相邻两空腔圆盘体3之间的狭窄空间里沿着圆周方向由外向内作螺旋向心流动。流体在流动过程中由于附着作用在空腔圆盘体3的圆环薄片31外侧壁面形成一层薄边界层，高速流体依靠边界层内流体的剪切力作用带动空腔圆盘体3和转轴2一起转动。流体在流动过程中不断膨胀，压力和温度逐渐降低，其产生的焓降转化为动能，其中绝大部分的动能由于剪切力作用带动空腔圆盘体3对转轴2作功转换为旋转机械能输出。流体随着对外作功量的增加，不仅压力和温度降低，流动速度也将逐渐降低，低温低压流体到达空腔圆盘体3内边缘时通过空心转鼓22圆柱体221表面的排汽孔2211进入空心转鼓22的内腔，并由空腔转鼓22圆台体222的侧面小孔2221排出，最后由排汽管9排向外部冷凝设备。空腔圆盘体3内腔的气体冷却介质不断吸收空腔圆盘体3的散热量，并通过热管5蒸发段将热量传递到位于空心转鼓22内腔的热管5冷凝段，再由进入空心转鼓22内腔的低温低压流体将热量带走，热管5随转轴2一起转动，热管5冷凝段的工质液由于离心力作用自动回流到热管5蒸发段。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种无扇叶涡轮发动机，其特征在于：它包括汽缸、转轴、多个空腔圆盘体、多条拉金、多根热管、进汽管、喷管组、隔板、排汽管；所述的汽缸为水平放置的空心圆筒，汽缸的中心线上安装一根贯穿于圆筒两底面的变截面转轴，汽缸上半部的一侧开设若干个与转轴垂直的长方形进汽口组；所述的转轴的两端为小直径实心轴，实心轴从汽缸的内腔延伸至汽缸的外部，并在实心轴引出汽缸处设置汽封，转轴的中间部分为大直径空心转鼓，空心转鼓的中间段为圆柱体，两端为锥形圆台体；所述的多个空腔圆盘体等间距地固定套接在空心转鼓的圆柱体表面上且安装在汽缸内，处于相邻两空腔圆盘体之间的空心转鼓圆柱体表面上开设多个排汽孔与空心转鼓的内腔相通；在每个空腔圆盘体的内腔皆设有多条不同直径的拉金，该多条拉金以转轴为中心安装在空腔圆盘体的内腔，且每条拉金的左右侧面皆与空腔圆盘体的内侧面固定焊接；所述的多根热管皆对称地布置在每个空腔圆盘体的内腔，热管的蒸发段布置在空腔圆盘体的内腔，该段热管贯穿多条拉金并与拉金固定焊接，热管的冷凝段贯穿空心转鼓的圆柱体壁面并延伸至空心转鼓的内腔，该段热管与空心转鼓的壁面接触处密封焊接；所述的进汽管水平布置在汽缸上半部一侧的正上方并与汽缸的中心线平行，进汽管的下半部开设若干个与空腔圆盘体平行的长方形出汽口组；所述的喷管组是由多个横截面为长方形的渐缩通道构成的喷管紧密布置而成，喷嘴组的外壳上端缘与进汽管的出汽口组端缘密封焊接，喷嘴组的外壳下端缘与汽缸侧面的进汽口组端缘密封焊接，每个喷嘴的进口皆与进汽管相通，出口皆与汽缸的内腔相通，每个喷嘴的出口皆布置在相邻两空腔圆盘体之间；所述的隔板为两块圆环形的平板，分别位于空心转鼓圆柱体表面的两侧，隔板的外端缘与汽缸的内壁面密封焊接，隔板的内端缘与空心转鼓圆柱体表面保持微小的间隙；处于隔板与圆筒底面之间的汽缸的两端侧面上分别开设一个排汽口与排汽管相通。

2.根据权利要求1所述的无扇叶涡轮发动机，其特征在于：所述的空腔圆盘体是由两个平行的表面光滑的圆环薄片和围带组成，两个圆环薄片的内端缘与空心转鼓的圆柱体外表面密封焊接，两个圆环薄片的外端缘皆与围带密封焊接，由此空腔圆盘体与空心转鼓的圆柱体外表面形成内部封闭空腔。

3.根据权利要求1所述的无扇叶涡轮发动机，其特征在于：所述的锥形圆台体的侧面布满内外相通的小孔。

4.根据权利要求2所述的无扇叶涡轮发动机，其特征在于：所述的围带的外表面上布置汽封并与汽缸的内壁面保持微小的间隙。

5.根据权利要求1所述的无扇叶涡轮发动机，其特征在于：所述的由空腔圆盘体与空心转鼓圆柱体外表面形成的内部封闭空腔其内部填充密度小的气体冷却介质。

6.根据权利要求1所述的无扇叶涡轮发动机，其特征在于：所述的拉金为横截面为方形的圆环，拉金沿径向方向开设多个小孔使圆环内外圆侧面相通。

7.根据权利要求1所述的无扇叶涡轮发动机，其特征在于：所述的喷嘴的开口宽度小于相邻两空腔圆盘体的间距，喷嘴的开口方向与空腔圆盘体的侧面外边缘相切。

8.根据权利要求1所述的无扇叶涡轮发动机，其特征在于：所有空腔圆盘体皆布置于两块隔板之间。

9.根据权利要求1所述的无扇叶涡轮发动机，其特征在于：所述的空腔圆盘体的结构材料选用碳纤维或芳纶纤维材料。