CN105386793A - 一种非气流体反冲热动转换方法及其发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非气流体反冲热动转换方法，非气流体送至旋转体上，将有压气体送到所述旋转体上，使所述有压气体作用于所述旋转体上的所述非气流体且使所述非气流体形成非气流体流，所述旋转体自所述非气流体流获得反动力，利用所述旋转体对外输出动力。本发明还公开了应用上述非气流体反冲热动转换方法的发动机。本发明所公开的非气流体反冲热动转换方法及其发动机成本低、效率高，且本发明的发动机系统容易小型化。

Description

一种非气流体反冲热动转换方法及其发动机

技术领域

本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种非气流体反冲热动转换方法及其发动机。

背景技术

通过速度型机构将压力能(即热能)转换成动力的过程中，通常是使气体工质通过喷管形成高速气体流对透平打击传动，推动透平对外做功，由于高速气体流的速度远远高于透平旋转所形成的线速度，因此，透平需要很多级，尤其是，当工质分子量小、绝热指数小(例如水蒸气)时，由于高速气流的速度过快，通常需要几十级的透平才能获得应有的效率，这样不仅机构复杂、造价高、笨重，而且也会影响效率和这类系统的应用范围。因此，需要发明一种新型的热动转换方法及其发动机。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出的技术方案如下：

方案1，一种非气流体反冲热动转换方法，非气流体送至旋转体上，将有压气体送到所述旋转体上，使所述有压气体作用于所述旋转体上的所述非气流体且使所述非气流体形成非气流体流，所述旋转体自所述非气流体流获得反动力，利用所述旋转体对外输出动力。

方案2，在方案1的基础上，所述非气流体设为液体、固体流化物或设为固体粉末。

方案3，在方案1的基础上，所述非气流体设为热液体、热固体流化物或设为热固体粉末。

方案4，一种非气流体反冲热动转换方法，非气流体送至旋转体上，将有压气体深度转换成工质气流，使所述工质气流作用于所述旋转体上的所述非气流体且使所述非气流体形成非气流体流，所述旋转体自所述非气流体流获得反动力，利用所述旋转体对外输出动力。

方案5，在方案4的基础上，所述非气流体设为液体、固体流化物或设为固体粉末。

方案6，在方案4的基础上，所述非气流体设为热液体、热固体流化物或设为热固体粉末。

方案7，在方案1至6中任一方案的基础上，所述有压气体设为有压空气、由内燃燃烧室产生的有压工质或设为有压蒸汽。

方案8，在方案1至7中任一方案的基础上，所述旋转体设为透平、涡轮、水轮机或设为封闭离心通道轮。

方案9，一种非气流体反冲热动转换方法，非气流体送至导流体上，将有压气体送到所述导流体上，使所述有压气体作用于所述导流体上的所述非气流体且使所述非气流体形成非气流体流，所述非气流体流冲击旋转体，利用所述旋转体对外输出动力。

方案10，在方案9的基础上，所述非气流体设为液体、固体流化物或设为固体粉末。

方案11，在方案9的基础上，所述非气流体设为热液体、热固体流化物或设为热固体粉末。

方案12，一种非气流体反冲热动转换方法，非气流体送至导流体上，将有压气体深度转换成工质气流，使所述工质气流作用于所述导流体上的所述非气流体且使所述非气流体形成非气流体流，所述非气流体流冲击旋转体，利用所述旋转体对外输出动力。

方案13，在方案12的基础上，所述非气流体设为液体、固体流化物或设为固体粉末。

方案14，在方案12的基础上，所述非气流体设为热液体、热固体流化物或设为热固体粉末。

方案15，在方案9至14中任一方案的基础上，所述有压气体设为有压空气、由内燃燃烧室产生的有压工质或设为有压蒸汽。

方案16，在方案9至15中任一方案的基础上，所述旋转体设为透平、涡轮、水轮机或设为封闭离心通道轮。

方案17，一种应用方案1至8中任一方案所述非气流体反冲热动转换方法的发动机，包括燃烧室、透平和供水系统，在所述透平上设置流体通道，所述供水系统的供水口与所述流体通道的流体入口连通，所述流体通道的流体出口将所述供水系统提供的水送到所述透平上，所述燃烧室与喷管的工质入口连通，所述喷管的工质出口喷出的气体工质对所述透平上的水打击传动。

方案18，一种应用方案1至8中任一方案所述非气流体反冲热动转换方法的发动机，包括汽化器、透平和供水系统，在所述透平上设置流体通道，所述供水系统的供水口与所述流体通道的流体入口连通，所述流体通道的流体出口将所述供水系统提供的水送到所述透平上，所述汽化器的蒸汽出口与喷管的工质入口连通，所述喷管的工质出口喷出的气体工质对所述透平上的水打击传动。

方案19，一种应用方案1至8中任一方案所述非气流体反冲热动转换方法的发动机，包括燃烧室、透平和液体金属供送系统，在所述透平上设流体通道，所述液体金属供送系统的出口与所述流体通道的流体入口连通，所述流体通道的流体出口将所述液体金属供送系统提供的液体金属送到所述透平上，所述燃烧室与喷管的工质入口连通，所述喷管的工质出口喷出的气体工质对所述透平上的液体金属打击传动。

方案20，一种应用方案1至8中任一方案所述非气流体反冲热动转换方法的发动机，包括汽化器、透平和液体金属供送系统，在所述透平上设置流体通道，所述液体金属供送系统的出口与所述流体通道的流体入口连通，所述流体通道的流体出口将所述液体金属供送系统提供的液体金属送到所述透平上，所述汽化器的蒸汽出口与喷管的工质入口连通，所述喷管的工质出口喷出的气体工质对所述透平上的液体金属打击传动。

方案21，一种应用方案1至8中任一方案所述非气流体反冲热动转换方法的发动机，包括燃烧室、透平和固体流化物供送系统，在所述透平上设置流体通道，所述固体流化物供送系统的出口与所述流体通道的流体入口连通，所述流体通道的流体出口将所述固体流化物供送系统提供的固体流化物送到所述透平上，所述燃烧室与喷管的工质入口连通，所述喷管的工质出口喷出的气体工质对所述透平上的固体流化物打击传动。

方案22，一种应用方案1至8中任一方案所述非气流体反冲热动转换方法的发动机，包括汽化器、透平和固体流化物供送系统，在所述透平上设置流体通道，所述固体流化物供送系统的出口与所述流体通道的流体入口连通，所述流体通道的流体出口将所述固体流化物供送系统提供的固体流化物送到所述透平上，所述汽化器的蒸汽出口与喷管的工质入口连通，所述喷管的工质出口喷出的气体工质对所述透平上的固体流化物打击传动。

方案23，一种应用方案1至8中任一方案所述非气流体反冲热动转换方法的发动机，包括燃烧室、透平和非气流体供送系统，在所述透平上设置流体通道，所述非气流体供送系统的出口与所述流体通道的流体入口连通，所述流体通道的流体出口将所述非气流体供送系统提供的非气流体送到所述透平上，所述燃烧室与喷管的工质入口连通，所述喷管的工质出口喷出的气体工质对所述透平上的非气流体打击传动。

方案24，一种应用方案1至8中任一方案所述非气流体反冲热动转换方法的发动机，包括汽化器、透平和非气流体供送系统，在所述透平上设置流体通道，所述非气流体供送系统的出口与所述流体通道的流体入口连通，所述流体通道的流体出口将所述非气流体供送系统提供的非气流体送到所述透平上，所述汽化器的蒸汽出口与喷管的工质入口连通，所述喷管的工质出口喷出的气体工质对所述透平上的非气流体打击传动。

方案25，在方案17至24中任一方案的基础上，所述喷管设为深度转换喷管。

本发明中，所谓的“有压”是指在系统中具有膨胀作用。

本发明中，所谓的“非气流体”是指气体以外的一切其他流体，包括液体、液体和固体混合所形成的可以流动的混合物、气体和固体混合所形成的可以流动的混合物、可以流动的固体颗粒以及可以流动的固体粉末。

本发明中，所谓的“热液体、热固体流化物和热固体粉末”分别是指温度高于本发明所公开的非气流体反冲热动转换方法及其发动机所处环境的温度的液体、固体流化物、热固体粉末。

本发明中，使用所述热液体、所述热固体流化物或所述热固体粉末的目的是为了减少非气流体流的热量损失。

本发明中，所谓的“深度转换”是指利用膨胀过程形成静压小于1MPa、0.9MPa、0.8MPa、0.7MPa、0.6MPa、0.5MPa、0.4MPa、0.3MPa、0.2MPa、0.1MPa、0.09MPa、0.08MPa、0.07MPa、0.06MPa、0.05MPa、0.04MPa、0.03MPa、0.02MPa、0.01MPa、0.009MPa、0.008MPa或低于0.007MP的气流的过程。

本发明中，所谓的“深度转换喷管”是指喷管出口处的工质静压小于1MPa、0.9MPa、0.8MPa、0.7MPa、0.6MPa、0.5MPa、0.4MPa、0.3MPa、0.2MPa、0.1MPa、0.09MPa、0.08MPa、0.07MPa、0.06MPa、0.05MPa、0.04MPa、0.03MPa、0.02MPa、0.01MPa、0.009MPa、0.008MPa或低于0.007MP的喷管。

本发明中，所谓的“汽化器”是指能够通过热能使液体工质发生汽化、临界化、超临界化、超超临界化或过热化的装置，它可以是外燃汽化器、热交换器、太阳能汽化器、锅炉或内燃汽化器。所述内燃汽化器包括氧化剂和还原剂燃烧产物能够液化的内燃汽化器和氧化剂和还原剂燃烧产物不能液化的内燃汽化器。

本发明中，所谓的“封闭离心通道轮”是指轮上带有封闭的离心流体通道的旋转体，该封闭的离心流体通道除通道入口、通道出口外其余部分是封闭的。

本发明人认为：当具有一定压力和一定温度的气体工质(包括蒸汽)膨胀(例如，通过喷管，所谓的“喷管”包括喷射通道、拉瓦尔喷管等)到极限状态(所谓的极限状态是指在这一过程或在整个循环中所能达到的最低的压力状态)或接近极限状态并加速到相应速度时，这个时候尽管高速运动的工质具有高于低温热源的温度，但是这时对此高速运动的工质进行冷却并不影响这些高速运动工质的做功能力。在至今为止的所有热功转换循环中，例如卡诺循环及其他一切循环中，所谓的“冷却过程”即低温热源接受热量的过程，均是发生在工质做功后，但是本发明人认为，只要工质膨胀加速到极限状态或接近极限状态，就可对工质进行冷却，因此，我们可以将冷却过程设置在做功机构上或做功过程前，这样，可以为人们提供更多的对于做功机构的选择和做功方式的选择，并将大幅度降低对做功机构尤其是透平机构的耐热性的要求，这将为热功转换系统的设计和制造开启另一个方向。本发明人将工质膨胀到极限或接近极限状态并加速到相应速度，即使冷却也不影响做功能力的性质，形象地称之为“动能不冷”。

本发明中，应根据热能与动力领域的公知技术，在必要的地方设置必要的部件、单元或系统等。

本发明的有益效果如下:

本发明所公开的非气流体反冲热动转换方法及其发动机成本低、效率高，且本发明的发动机系统容易小型化。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图；

图4为本发明实施例4的结构示意图；

图5为本发明实施例5的结构示意图；

图6为本发明实施例6的结构示意图；

图7为本发明实施例7的结构示意图；

图8为本发明实施例8的结构示意图；

图9为本发明实施例9的结构示意图；

图中：

1燃烧室、2透平、3供水系统、31液体金属供送系统、32固体流化物供送系统、33非气流体供送系统、4流体通道、41流体通道、5喷管、6汽化器、7导流体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步进行说明。

本发明的提供了非气流体反冲热动转换方法，具体包括：

第一种是将非气流体送至旋转体上，将有压气体送到所述旋转体上，使所述有压气体作用于所述旋转体上的所述非气流体且使所述非气流体形成非气流体流，所述旋转体自所述非气流体流获得反动力，利用所述旋转体对外输出动力。

第二种是将非气流体送至旋转体上，将有压气体深度转换成工质气流，使所述工质气流作用于所述旋转体上的所述非气流体且使所述非气流体形成非气流体流，所述旋转体自所述非气流体流获得反动力，利用所述旋转体对外输出动力。

第三种是将非气流体送至导流体上，将有压气体送到所述导流体上，使所述有压气体作用于所述导流体上的所述非气流体且使所述非气流体形成非气流体流，所述非气流体流冲击旋转体，利用所述旋转体对外输出动力。

第四种是将非气流体送至导流体上，将有压气体深度转换成工质气流，使所述工质气流作用于所述导流体上的所述非气流体且使所述非气流体形成非气流体流，所述非气流体流冲击旋转体，利用所述旋转体对外输出动力。

作为可以变换地实施方式，在上述四种非气流体反冲热动转换方法中，均可选择性地将所述非气流体设为液体、固体流化物或设为固体粉末，或选择性地将将所述非气流体设为热液体、热固体流化物或设为热固体粉末。

作为可以变换地实施方式，本发明上述所有非气流体反冲热动转换方法的实施方式中，均可以选择性地将所述有压气体设为有压空气、由内燃燃烧室产生的有压工质或设为有压蒸汽。

作为可以变换地实施方式，本发明上述所有非气流体反冲热动转换方法的实施方式中，均可以选择性地将所述旋转体设为透平、涡轮、水轮机或设为封闭离心通道轮。

本发明还公开一种上述所述非气流体反冲热动转换方法的发动机，下面结合附图对发动机的结构进行详细说明。

实施例1

如图1所示的能够应用前两种所述非气流体反冲热动转换方法的发动机，包括燃烧室1、透平2和供水系统3，在所述透平2上设置流体通道4，所述供水系统3的供水口与所述流体通道4的流体入口连通，所述流体通道4的流体出口将所述供水系统3提供的水送到所述透平2上，所述燃烧室1与喷管5的工质入口连通，所述喷管5的工质出口喷出的气体工质对所述透平2上的水打击传动。

本实施例的附图中，将所述流体通道4的流体入口设置在了所述透平2的旋转轴上，将所述流体通道4的流体出口设置在了所述透平2的叶片之间，作为可以变换的实施方式，所述流体通道4的流体入口和流体出口可以根据具体情况改设在其它位置，只要从能够实现将导出至能够被所述喷管5的工质出口喷出的气体工质打击到的位置即可。

实施例2

如图2所示的能够应用前两种所述非气流体反冲热动转换方法的发动机，包括汽化器6、透平2和供水系统3，在所述透平2上设置流体通道4，所述供水系统3的供水口与所述流体通道4的流体入口连通，所述流体通道4的流体出口将所述供水系统3提供的水送到所述透平2上，所述汽化器6的蒸汽出口与喷管5的工质入口连通，所述喷管5的工质出口喷出的气体工质对所述透平2上的水打击传动。

本实施例中，所述流体通道4的流体出口设置在了所述透平2的叶片上。

实施例3

如图3所示的能够应用前两种所述非气流体反冲热动转换方法的发动机，包括燃烧室1、透平2和液体金属供送系统31，在所述透平2上设流体通道4，所述液体金属供送系统31的出口与所述流体通道4的流体入口连通，所述流体通道4的流体出口将所述液体金属供送系统31提供的液体金属送到所述透平2上，所述燃烧室1与喷管5的工质入口连通，所述喷管5的工质出口喷出的气体工质对所述透平2上的液体金属打击传动。

实施例4

如图3所示的能够应用前两种所述非气流体反冲热动转换方法的发动机，包括汽化器6、透平2和液体金属供送系统31，在所述透平2上设置流体通道4，所述液体金属供送系统31的出口与所述流体通道4的流体入口连通，所述流体通道4的流体出口将所述液体金属供送系统31提供的液体金属送到所述透平2上，所述汽化器6的蒸汽出口与喷管5的工质入口连通，所述喷管5的工质出口喷出的气体工质对所述透平2上的液体金属打击传动。

实施例5

如图5所示的能够应用前两种所述非气流体反冲热动转换方法的发动机，包括燃烧室1、透平2和固体流化物供送系统32，在所述透平2上设置流体通道4，所述固体流化物供送系统32的出口与所述流体通道4的流体入口连通，所述流体通道4的流体出口将所述固体流化物供送系统32提供的固体流化物送到所述透平2上，所述燃烧室1与喷管5的工质入口连通，所述喷管5的工质出口喷出的气体工质对所述透平2上的固体流化物打击传动。

实施例6

如图6所示的能够应用前两种所述非气流体反冲热动转换方法的发动机，包括汽化器6、透平2和固体流化物供送系统32，在所述透平2上设置流体通道4，所述固体流化物供送系统32的出口与所述流体通道4的流体入口连通，所述流体通道4的流体出口将所述固体流化物供送系统32提供的固体流化物送到所述透平2上，所述汽化器6的蒸汽出口与喷管5的工质入口连通，所述喷管5的工质出口喷出的气体工质对所述透平2上的固体流化物打击传动。

实施例7

如图7所示的能够应用前两种所述非气流体反冲热动转换方法的发动机，包括燃烧室1、透平2和非气流体供送系统33，在所述透平2上设置流体通道4，所述非气流体供送系统33的出口与所述流体通道4的流体入口连通，所述流体通道4的流体出口将所述非气流体供送系统33提供的非气流体送到所述透平2上，所述燃烧室1与喷管5的工质入口连通，所述喷管5的工质出口喷出的气体工质对所述透平2上的非气流体打击传动。

实施例8

如图8所示的能够应用前两种所述非气流体反冲热动转换方法的发动机，包括汽化器6、透平2和非气流体供送系统33，在所述透平2上设置流体通道4，所述非气流体供送系统33的出口与所述流体通道4的流体入口连通，所述流体通道4的流体出口将所述非气流体供送系统33提供的非气流体送到所述透平2上，所述汽化器6的蒸汽出口与喷管5的工质入口连通，所述喷管5的工质出口喷出的气体工质对所述透平2上的非气流体打击传动。

作为可以变换的实施方式，本发明上述所有涉及所述喷管5的实施方式，均可选择性地将所述喷管5设为深度转换喷管，通过所述深度转换喷嘴将有压气体深度转换成工质气流。

实施例9

对于后两种方法可以通过如下结构的发动机实现，如图9所示，非气流体经壳体上的流体通道41送至导流体7上，通过喷管5将有压气体送到所述导流体7上，使所述有压气体作用于所述导流体7上的所述非气流体且使所述非气流体形成非气流体流，所述非气流体流冲击作为旋转体的透平2，利用所述旋转体对外输出动力。本结构下同样可以将所述喷管5设为深度转换喷管实现有压气体至工质气流的深度转换。当然，本发明的上述后两种方法还有很多实现方式，只要冲击旋转体的工质经导流体到达旋转体就能够采用该后两种方法工作，工作时使用的非气流体也可以是水、液体金属或者固体流化物等。

显然，本发明不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本发明所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种非气流体反冲热动转换方法，其特征在于：非气流体送至旋转体上，将有压气体送到所述旋转体上，使所述有压气体作用于所述旋转体上的所述非气流体且使所述非气流体形成非气流体流，所述旋转体自所述非气流体流获得反动力，利用所述旋转体对外输出动力。

2.一种非气流体反冲热动转换方法，其特征在于：非气流体送至旋转体上，将有压气体深度转换成工质气流，使所述工质气流作用于所述旋转体上的所述非气流体且使所述非气流体形成非气流体流，所述旋转体自所述非气流体流获得反动力，利用所述旋转体对外输出动力。

3.一种非气流体反冲热动转换方法，其特征在于：非气流体送至导流体上，将有压气体送到所述导流体上，使所述有压气体作用于所述导流体上的所述非气流体且使所述非气流体形成非气流体流，所述非气流体流冲击旋转体，利用所述旋转体对外输出动力。

4.一种非气流体反冲热动转换方法，其特征在于：非气流体送至导流体上，将有压气体深度转换成工质气流，使所述工质气流作用于所述导流体上的所述非气流体且使所述非气流体形成非气流体流，所述非气流体流冲击旋转体，利用所述旋转体对外输出动力。

5.如权利要求1至4中任一项所述非气流体反冲热动转换方法，其特征在于：所述非气流体设为液体、固体流化物或设为固体粉末。

6.如权利要求1至4中任一项所述非气流体反冲热动转换方法，其特征在于：所述有压气体设为有压空气、由内燃燃烧室产生的有压工质或设为有压蒸汽。

7.如权利要求1至4中任一项所述非气流体反冲热动转换方法，其特征在于：所述旋转体设为透平、涡轮、水轮机或设为封闭离心通道轮。

8.一种应用权利要求1或2所述非气流体反冲热动转换方法的发动机，包括燃烧室(1)、透平(2)和非气流体供送系统(33)，其特征在于：在所述透平(2)上设置流体通道(4)，所述非气流体供送系统(33)的出口与所述流体通道(4)的流体入口连通，所述流体通道(4)的流体出口将所述非气流体供送系统(33)提供的非气流体送到所述透平(2)上，所述燃烧室(1)与喷管(5)的工质入口连通，所述喷管(5)的工质出口喷出的气体工质对所述透平(2)上的非气流体打击传动。

9.一种应用权利要求1或2所述非气流体反冲热动转换方法的发动机，包括汽化器(6)、透平(2)和非气流体供送系统(33)，其特征在于：在所述透平(2)上设置流体通道(4)，所述非气流体供送系统(33)的出口与所述流体通道(4)的流体入口连通，所述流体通道(4)的流体出口将所述非气流体供送系统(33)提供的非气流体送到所述透平(2)上，所述汽化器(6)的蒸汽出口与喷管(5)的工质入口连通，所述喷管(5)的工质出口喷出的气体工质对所述透平(2)上的非气流体打击传动。

10.如权利要求8或9所述发动机，其特征在于：所述非气流体供送系统(33)设为供水系统(3)、液体金属供送系统(31)或设为固体流化物供送系统(32)。