CN104963774A - 一种新型轮机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型轮机，包括轮轴、动力输出轮、机壳和轮盘，轮轴和轮盘为相互固定且互通的空心结构，并共同形成轮机的转子体；该轮盘外表面周向上还均匀设置有沿切线方向延伸形成的多个空心的轮齿，轮齿开口为轮机喷嘴；该机壳上还设置含排气门的排气通道；该机壳的内壁上还均匀设置有顺轴向延伸的多根凸条，其中，每根凸条的顶部与轮齿的顶部形成可滑动密封接触，并使得该机壳内两相邻转齿之间围形成增压推进仓。该新型轮机有效解决因轮机的压损带来的能量损失问题；同时，避免由于叶片在高温高压的环境的影响，延长轮盘的使用寿命。

Description

一种新型轮机

技术领域

本发明涉及一种能够适用于燃气与空气的混合气体、水或蒸汽的新型轮机。

背景技术

轮机是将气体（燃气或蒸汽）或液体的能量转换成为机械功的旋转式动力机械。叶轮机或内燃机均为轮机中的一种。

目前现有技术中，公开号为CN103953488，名称为“反冲叶轮发动机”的技术方案，该技术方案包括能量经供能装置、运转密封机构、叶轮、喷嘴沿叶轮离心切线角喷出，供能装置的横截面积大于数个喷管的横截面积和，喷管(的横面积大于喷嘴的横截面积；反冲叶轮发动机水、蒸汽、燃气的能量转换成喷嘴的喷射动能喷射质量乘喷射速度平方的二分之一muu／2、喷射动量喷射质量乘喷射速度mu、喷射功率喷射力乘喷射速度Fu，喷嘴的反冲力等于冲力-F=F，冲力等于水、蒸汽、燃气的压力F=PS、水、蒸汽、燃气的压强乘喷嘴的横截面积，喷嘴的最大反冲线速度等于喷射动能、动量、功率的速度-u=u，喷嘴的最大反冲功率反冲力乘反冲线速度等于喷射功率-Fu=Fu，喷嘴最大反冲功率与喷射功率的比值为百分之百。上述的反冲叶轮发动机提供了一种能够广泛适用于水、蒸汽、燃气能量的叶轮发动机。但该反冲叶轮发动机仅通过反冲的方式来实现向外输出能量输出，且通过喷嘴反冲出的介质（水、蒸汽或燃气）会迅速膨胀进而失去对叶轮持续做功，造成了能量的损耗。将动量与动能混淆。

公知，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CN101372894A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。

为解决上述技术问题，申请人于2013年1月23日提出了主题名称为“燃气叶轮机”（授权公告号为CN103089437）的技术方案。该燃气叶轮机，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，涡轮室出口与周围环境连通，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(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；用于提供缸头启动时所需压缩气体的启动加压装置。

但申请人在实施上述“燃气叶轮机”技术方案的过程中发现该技术方案仍存有如下不足之处：

1、通过缸头内的气体引爆来推动叶轮进行做功（向外输送动能），且缸体位于环形密闭区域外部，故因爆膨胀的高温气体除开对叶轮做功外，还会被缸体自身吸收部分能量，进而出现压损和能量损失较大的问题，导致能量转换效率不高。

2、在向外输送动能过程中，叶片需长时间处在高温的环境，会对叶片的使用寿命造成影响。

基于上述不足，申请人考虑在该技术方案的基础上作进一步的改进。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于最大限度解决燃气轮的压损及能量损失问题；同时，避免由于叶片在高温高压的环境的影响，延长轮盘的使用寿命。

实现上述目的，本发明采用如下技术手段：

一种新型轮机，包括轮轴、动力输出轮、机壳和轮盘，所述轮盘设于所述机壳内部，所述轮轴可转动的贯穿所述机壳且端部与所述轮盘的中心固定连接，所述动力输出轮设置于所述轮轴上并用于输出动力；

所述机壳与所述轮盘整体呈圆筒形；

所述轮盘为空心结构，所述轮轴为管状结构，所述轮盘与所述轮轴的端部贯通固定连接并共同形成轮机的转子体；

所述轮盘外表面周向上还均匀设置有沿切线方向延伸形成的多个空心的轮齿，每个轮齿与所述轮盘贯通，且每个轮齿具有开口，并通过该开口来形成轮机的喷嘴；

所述机壳上还设置有带排气门的排气通道；

所述机壳的内壁上还均匀设置有顺轴向延伸的多根凸条，其中，每根凸条的顶部能够与所述轮齿的顶部形成可滑动密封接触，并使得所述机壳内两相邻轮齿之间围形成增压推进仓。

进一步，所述轮齿内部还设置有喷油嘴，所述喷油嘴位于所述喷嘴的中心处；

还包括燃料输送管，所述燃料输送管的主干段贯穿并固定在所述轮轴内，所述燃料输送管位于所述轮盘内的连接段呈放射状，且该连接段的末端与所述喷油嘴的进口密封连通；所述燃料输送管的外表面与所述轮轴内表面之间具有间隙，并通过该间隙形成有可供气流通过的空气通道，所述空气通道的末端与所述喷嘴连通；

所述喷油嘴喷出的燃料能够与所述空气通道的空气在所述喷嘴内混合，所述机壳上还设置有用于引爆混合气体的点火器。

进一步，本发明还包括燃气涡轮机、空气加压涡轮机和储气罐；所述燃气涡轮机的进气口与所述排气通道的出气口相连，且该燃气涡轮机的转轴与所述空气加压涡轮机的转动轴同轴；

所述空气加压涡轮机的进气口与大气连通，出气口通过单向阀与所述储气罐的进气口相连通，且该出气口能够向所述储气罐单向供气；

所述储气罐上的气流出口通过单向阀与所述轮轴上空气通道密封连通，所述气流出口处设有开关阀。

进一步，在所述储气罐上的气流出口与所述空气通道的进气端之间还设置有空气增压装置。

进一步，所述排气门通过凸轮机构来实现开闭。

进一步，在所述燃料输送管前端和所述储气罐上分别设有压力传感器。

进一步，所述燃料输送管的主干段的外壁上还固设有顺长度方向螺旋分布的至少两块叶片，其中每块叶片的外端与所述轮轴的内壁固定连接，并使得所述燃料输送管通过所述叶片来固定在所述轮轴内。

进一步，本发明还包括与所述储气罐连通，并能够直接向该储气罐供入加压空气的空气加压泵。

进一步，所述轮盘中部还具有镂空结构。

进一步，所述机壳和储气罐可通过水循环或风冷达到降温效果。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、高效利用燃料能量：第一，点火喷出混合气体时，由轮齿上的出口喷出混合气体释放能量，并使轮盘得到反冲动力，轮盘自身获得反推动能；第二，增压推进仓能汇聚能量，在爆炸后在增压推进仓继续燃烧释放能量，反推转子体使其获得动能更充分。

2、能够对尾气合理利用，加压空气，为燃料充分燃烧提供保障。

3、本发明的上述结构不仅适用于燃气轮机，还适用于蒸气或水轮机，从而具有更佳的实用性。

4、轮盘通过冷却后的空气，且燃料达到喷嘴被汽化，使轮盘冷却不至于过热；轮盘所具有的镂空结构，机壳上的水循环也使轮轴不受过热，从而使润滑更充分，提高轮机使用效率，从而延长轮机的使用寿命。

5、储气罐设置的作用是：解决启动时空气充分来源（当该新型轮机停机后可自动关闭储存），且不会使轮机转速波动过大，并能够将已被加压的空气储存、去水和降温。

6、机壳内设有凸条，所述凸条不仅能起到反射作用，还为增压推进仓的形成提供条件，使反推转子的运动，成为转子通过介质（燃气，蒸汽，水）反推机壳的运动。

7、机壳和储气罐均可通过水循环冷却，产生高压水蒸气可推动蒸汽轮机对外做功。

8、燃料输送管前端和储气罐（以及润滑油输送管）内设有压力感应器，并将数据传给处理单元，从而得到相应处的压力参数，并用于调整燃料和空气的混合比例，此外，还能够对密封处形成密封效果的监控。

9、设置空气加压启动泵后，在启动点火前，启动泵工作。为储气罐加压空气，当加压到一定时，进入点火状态，进入空气通道的高压空气与喷油嘴喷出燃料混合，即可顺利点火，缩短启动时间。

10.喷嘴内设有单向控制门，防止混合气体倒流进入空气通道。

附图说明

图1是本发明新型轮机的结构示意图。

图2是图1中A-A剖视图。

图3是本发明新型轮机中轮轴处剖视图。

图4是图1中B-B剖视图。

图5是图4中C处放大图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1-图5所示，一种新型轮机，包括轮轴1、动力输出轮2、机壳4和轮盘5，所述轮盘5设于所述机壳4内部，所述轮轴1可转动的贯穿所述机壳4且端部与所述轮盘5的中心固定连接，所述动力输出轮2设置于所述轮轴1上并用于输出动力；

所述机壳4与所述轮盘5整体呈圆筒形；

所述轮盘5为空心结构并借由此形成有内腔，所述轮轴1为管状结构，所述轮盘5与所述轮轴1的端部贯通固定连接并共同形成轮机的转子体；

所述轮盘5外表面周向上还均匀设置有沿切线方向延伸形成的多个空心的轮齿51，

其中，每个轮齿51与所述轮盘5贯通，且每个轮齿51具有开口（该开口位于轮齿41沿切线方向的最外侧面上），并通过该开口来形成轮机的喷嘴；

所述机壳4上还设置有带排气门（图中未示出）的排气通道41；

所述机壳4的内壁上还均匀设置有顺轴向延伸的多根凸条42，其中，每根凸条42的顶部能够与所述轮齿51的顶部形成可滑动密封接触，并使得所述机壳4内两相邻轮齿51之间围形成增压推进仓6。

本发明新型轮机中的增压推进仓6，不仅能够储存由轮齿出口喷出的介质压力，并通过该介质压力形成反推动力（尤其当该增压推进仓6注满介质时所述反推力为最大），最大限度解决燃气轮的压损及能量损失问题。机壳4内壁上设置的凸条42不仅能起到反射作用，还为间接反推转子提供条件。

具体实施时，所述排气门可采用电磁阀来实现对排气通道的开关控制。

所述轮齿内部还设置有喷油嘴52，所述喷油嘴52位于所述喷嘴的中心处；

还包括燃料输送管3，所述燃料输送管3的主干段贯穿并固定在所述轮轴1内，所述燃料输送管3位于所述轮盘5内的连接段呈放射状，且该连接段的末端与所述喷油嘴52的进口密封连通；所述燃料输送管3的外表面与所述轮轴1内表面之间具有间隙，并通过该间隙形成有可供气流通过的空气通道，所述空气通道的末端与所述喷嘴连通；

所述喷油嘴52喷出的燃料能够与所述空气通道的空气在所述喷嘴内混合，所述机壳4上还设置有用于引爆混合气体的点火器43。

本发明中，因采用上述燃料输送管3和空气通道并在所述出口处能喷出混合气体，并通过点火器43来引爆，从而带动使得本发明的新型轮机能够向外输送动能。且在该过程中，高压空气经由所述空气通道，并随后进入所述内腔并从出口喷出前的整个过程中，还能够吸收轮盘5和轮齿51上表面的热量并膨胀，这样不仅可使得轮轴1和轮盘5降低温度并保持更适宜的运行状态，还因高压空气经空气通道吸热膨胀后增加空气压力，起到更好的增压效果，从而帮助实现从出口处喷出时更大的喷射力，以及更充分与从喷油嘴52喷出的燃料混合，提高燃烧充分度，进而提高热转换效率。

又因经空气通道进入的高压空气能够吸热并使得轮轴1和轮盘5的内部降温，故在本发明技术方案实施时，仅可考虑轮盘5和/或轮齿的外表面具有一层耐高温的材料（可通过涂覆耐高温隔热保温涂料来实现），这样即可使得轮盘5更持久可靠使用的同时，也能够降低轮盘5的造价或制作难度。

具体实施时，所述点火器43为一个或多个，且点火器43上的点火端沿机壳4径向方向的延伸度小于所述凸条42沿机壳4径向方向的延伸度。这样即使得点火端不会对轮齿51的转动造成阻挡，从而确保转子体的顺利旋转来向外传输动能。

具体实施时，喷油嘴52可采用耐温陶瓷制得。

上述新型轮机还包括燃气涡轮机7、空气加压涡轮机8和储气罐9；所述燃气涡轮机7的进气口与所述排气通道41的出气口相连，且该燃气涡轮机7的转轴与所述空气加压涡轮机8的转动轴同轴；

所述空气加压涡轮机8的进气口与大气连通，出气口通过单向阀与所述储气罐9的进气口相连通，且该出气口能够向所述储气罐9单向供气；

所述储气罐9上的气流出口通过单向阀与所述空气通道的密封连通；所述气流出口处设有开关阀91。

具体实施时，所述开关阀91可采用电磁阀。采用电磁阀后更利于实现自动控制。

在所述储气罐9上的气流出口与所述空气通道的进气端之间还设置有空气增压装置10。

具体实施时，所述空气增压装置10可采用空气增压泵。所述空气增压装置10还可采用与所述轮轴1同轴设置并由该轮轴1驱动的涡轮增压机来实现对空气的增压，从而可使得混合气体的燃烧效率更高。

所述排气门通过凸轮机构（图中未示出）来实现开闭。

具体实施时，所述凸轮机构可整体设置于所述机壳4内部；当凸轮机构位于所述机壳4内部时，该凸轮机构包括在所述轮盘5远离轮轴1的侧面中部垂直固定设置一转轴，且在转轴上固定有凸轮；该凸轮机构还包括与所述凸轮对应的从动件，所述从动件可活动地设置在所述机壳4设置有排气通道41的侧壁上，且该从动件用于控制排气门动作并实现排气通道41的开关。所述凸轮还可整体设置于所述机壳4外部，当该凸轮机构位于所述机壳4外部时，本领域技术人员可参考汽车发动机上的用于实现出气门（或进气门）的凸轮开闭机构来代替该凸轮机构使用。也可将凸轮固定在轮轴上，随轮轴转动控制排气门。

在所述燃料输送管3前端、所述储气罐9分别设有压力传感器（图中未示出）。

具体实施时，所述燃料输送管3和所述空气通道内分别设有单向阀，用以防止混合气体引爆时高压气体经所述出口反向进入空气通道或/和燃料输送管3内。

所述燃料输送管3的主干段的外壁上还固设有顺长度方向螺旋分布的三块叶片31，其中每块叶片31的外端与轮轴1的内壁固定连接，并使得所述燃料输送管3通过所述叶片31来固定在所述轮轴1内。

上述叶片31的设置，不仅使得燃料输送管3固定在所述轮轴1上，还能够当叶片31随轮轴1转动时，进一步加快空气通道中气流速度并增压，从而可使得最终混合气体的燃烧更为充分。

上述新型轮机还包括与所述储气罐9连通并能够直接向该储气罐9供入加压空气的空气加压泵92。

所述轮盘5中部还具有镂空结构10。

具体实施时，所述轮盘5还可为同轴连接的多组，所述机壳上4的凸条42也可根据需求来设置其高度。

本发明新型轮机结构中形成的增压推进仓6具有以下作用：

1、储存反推动力；2、为从喷嘴喷出的燃料充分燃烧提供场所，产生更多能量反推轮盘5转动。

本发明新型轮机的启动：首先启动空气加压泵使空气加压进入储气罐，将排气门关闭，打开储气罐出气阀，燃料阀，空气和燃料进入轮轴1的同时点火，燃气在喷嘴和增压推进仓6燃烧爆炸，推动轮盘5转动做功；随后排气门打开排气。持续的排气又推动燃气涡轮机7来带动空气加压涡轮机8并对空气加压进入储气罐9。

实施时，储气罐9的罐体可采用水循环冷却或风冷，这样一来，即可使进入储气罐9的加压空气冷却的同时，还因热胀冷缩的原因使得出气罐中冷却的气体体积缩小，进而提高储气罐9的高压空气容量。储气罐9中的气体经空气增压装置10后增压后进入空气通道。并随着轮轴1转速的增加，叶片31的转速也同步增加，进一步加快空气通道中气流的速度并增压，后通过轮盘5的内腔进入轮齿，与燃料混合后点燃喷出。

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)

1.一种新型轮机，包括轮轴、动力输出轮、机壳和轮盘，所述轮盘设于所述机壳内部，所述轮轴可转动的贯穿所述机壳且端部与所述轮盘的中心固定连接，所述动力输出轮设置于所述轮轴上并用于输出动力；其特征在于，

所述机壳与所述轮盘整体呈圆筒形；

所述轮盘为空心结构，所述轮轴为管状结构，所述轮盘与所述轮轴的端部贯通固定连接并共同形成轮机的转子体；

所述轮盘外表面周向上还均匀设置有沿切线方向延伸形成的多个空心的轮齿，每个轮齿与所述轮盘贯通，且每个轮齿具有开口，并通过该开口来形成轮机的喷嘴；

所述机壳上还设置有带排气门的排气通道；

所述机壳的内壁上还均匀设置有顺轴向延伸的多根凸条，其中，每根凸条的顶部能够与所述轮齿的顶部形成可滑动密封接触，并使得所述机壳内两相邻轮齿之间围形成增压推进仓。

2.根据权利要求1所述的新型轮机，其特征在于，所述轮齿内部还设置有喷油嘴，所述喷油嘴位于所述喷嘴的中心处；

还包括燃料输送管，所述燃料输送管的主干段贯穿并固定在所述轮轴内，所述燃料输送管位于所述轮盘内的连接段呈放射状，且该连接段的末端与所述喷油嘴的进口密封连通；所述燃料输送管的外表面与所述轮轴内表面之间具有间隙，并通过该间隙形成有可供气流通过的空气通道，所述空气通道的末端与所述喷嘴连通；

所述喷油嘴喷出的燃料能够与所述空气通道的空气在所述喷嘴内混合，所述机壳上还设置有用于引爆混合气体的点火器。

3.根据权利要求2所述的新型轮机，其特征在于，还包括燃气涡轮机、空气加压涡轮机和储气罐；所述燃气涡轮机的进气口与所述排气通道的出气口相连，且该燃气涡轮机的转轴与所述空气加压涡轮机的转动轴同轴；

所述空气加压涡轮机的进气口与大气连通，出气口通过单向阀与所述储气罐的进气口相连通，且该出气口能够向所述储气罐单向供气；

所述储气罐上的气流出口通过单向阀与所述轮轴上空气通道密封连通，所述气流出口处设有开关阀。

4.根据权利要求3所述的新型轮机，其特征在于，在所述储气罐上的气流出口与所述空气通道的进气端之间还设置有空气增压装置。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的新型轮机，其特征在于，所述排气门通过凸轮机构来实现开闭。

6.根据权利要求3或4所述的新型轮机，其特征在于，在所述燃料输送管前端和所述储气罐上分别设有压力传感器。

7.根据权利要求2至4中任一项所述的新型轮机，其特征在于，所述燃料输送管的主干段的外壁上还固设有顺长度方向螺旋分布的至少两块叶片，其中每块叶片的外端与所述轮轴的内壁固定连接，并使得所述燃料输送管通过所述叶片来固定在所述轮轴内。

8.根据权利要求3或4所述的新型轮机，其特征在于，还包括与所述储气罐连通，并能够直接向该储气罐供入加压空气的空气加压泵。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的新型轮机，其特征在于，所述轮盘中部还具有镂空结构。

10.根据权利要求3或4所述的新型轮机，其特征在于，所述机壳和储气罐可通过水循环或风冷达到降温效果。