CN106285914A - 波转子增压器及具有该波转子增压器的发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波转子增压器及具有该波转子增压器的发动机，所述波转子增压器包括静子件、波转子和转静子密封装置，静子件包括静子机闸、进气端盖和排气端盖；静子机闸具有进气端和排气端；进气端盖固定连接于进气端，进气端盖上设置有第一进气端口和第二进气端口；排气端盖固定连接于排气端，排气端盖上设置有第一排气端口和第二排气端口；波转子由驱动装置带动在静子件内旋转，波转子包括转子毂筒和传动轴，转子毂筒外圆周上均匀的分布有多个转子通道；传动轴连接于转子毂筒，带动转子毂筒旋转；转静子密封装置设置于波转子与静子件之间。本发明能量转化速度更快、能量转化率更高，从而能够大幅度提高发动机性能。

Description

波转子增压器及具有该波转子增压器的发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种波转子增压器和具有该波转子增压器的发动机。

背景技术

对于发动机，本领域技术人员不断的在为改进其性能而努力。

发动机可包括燃气涡轮发动机和活塞发动机等。对于燃气涡轮发动机，不改变其结构的前提下，提升发动机性能主要依靠三种方法：提高压气机压比、提高压气机与涡轮部件效率、提高峰值燃烧温度。而对于活塞发动机，不改变其结构的前提下，提升性能则主要依靠提高压缩比、提高峰值燃烧温度的方法。

若允许改变发动机结构，提升性能的方法是在原有发动机上增加涡轮增压器或回热器。涡轮增压器广泛应用于活塞发动机中，以热排气驱动涡轮从而带动压气机对进口气流进行增压，提升发动机性能，利用了机械增压原理。燃气涡轮发动机则主要采用回热器，利用热排气对进口气流进行加热以提升发动机性能，利用了热交换原理。

传统型式燃气涡轮发动机中的压气机与涡轮都属于叶轮机械，是一种机械功与气体内能进行转化的设备，其气动与结构方面的研究已非常深入，压比提升困难、部件效率挖掘的潜力有限。对涡轮与燃烧室部件来说，受限于材料与冷却，发动机循环温度提升幅度也十分有限，且十分依赖高温材料的发展，无法短期内获得大幅提高。对活塞发动机而言，受活塞结构的限制，其压比与峰值燃烧温度均很难进一步提高。

涡轮增压器采用机械式增压，存在严重的滞后效应；涡轮增压器中的涡轮与压气机由于气动设计的限制，工作效率提升幅度有限；涡轮长期处在高温排气中，寿命短。回热器需设置流路复杂的热交换管路，结构复杂，体积较大，重量较重，一般用于地面燃机、舰船燃机等对体积重量要求不高的场合，应用范围较窄。

因此，需要开发一种能够解决上述技术问题的用于发动机的相关装置，以提高发动机的性能。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种波转子增压器，以提高发动机性能。

本发明的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种具有本发明波转子增压器的发动机，以提高发动机性能。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种波转子增压器：

一种波转子增压器，用于发动机，所述波转子增压器包括静子件、波转子和转静子密封装置；所述静子件包括静子机闸、进气端盖和排气端盖；所述静子机闸具有进气端和排气端；所述进气端盖固定连接于所述进气端，所述进气端盖上设置有第一进气端口和第二进气端口；所述排气端盖固定连接于所述排气端，所述排气端盖上设置有第一排气端口和第二排气端口；所述波转子由驱动装置带动在所述静子件内旋转，所述波转子包括转子毂筒和传动轴，所述转子毂筒外圆周上均匀的分布有多个转子通道；所述传动轴连接于所述转子毂筒，带动所述转子毂筒旋转；所述转静子密封装置，设置于所述波转子与所述静子件之间。

根据本发明的一个方面，提供了一种发动机，其具有上述的波转子增压器。

由上述技术方案可知，本发明的优点和积极效果在于：本发明的波转子增压器，其增压原理是不同能量密度的气体瞬间接触产生的激波、膨胀波与气体分界面的波系作用，这种能量交换方式速度极快、效率高，与涡轮增压器机械式增压相比能量转化速度更快、能量转化率更高，从而能够大幅度提高发动机性能。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。

图1为本发明实施例的波转子增压器中的波转子原理示意图。

图2为本发明第一实施例的波转子燃气轮机的原理示意图。

图3为本发明第二实施例的波转子活塞发动机的原理示意图。

图4为本发明实施例的波转子中径截面二维展开图。

图5为本发明实施例的波转子增压器的轴向截面示意图。

图6为本发明实施例的波转子增压器的篦齿封严结构示意图。

图7为本发明实施例的波转子增压器的转子毂筒示意图。

图8为本发明实施例的波转子增压器的转子毂筒示意图。

图9为本发明实施例的波转子增压器的端盖及端口示意图。

图10为本发明实施例的波转子增压器的主视示意图。

图11为本发明实施例的波转子增压器的主视剖视示意图。

其中，附图标记说明如下：

1 波转子

10 传动轴

11 短轴

12 转子毂筒

120 转子通道

121 花键

13 保护盖

14 轴承内定位环

15 轴承外定位环

16 轴承盖

17 轴承内环固定套

18 皮带轮

181 皮带轮限位环

2 静子件

20 静子机闸

21 进气端盖

22 排气端盖

23 固定螺栓

24 固定螺钉

3 转静子密封装置

31 第一篦齿封严结构

32 第二篦齿封严结构

33 第三篦齿封严结构

34 L型篦齿盘

35 I型篦齿盘

36 篦齿

37 轴向篦齿

38 径向篦齿

4 发动机

41 涡轮

42 燃烧室

43 压气机

44 气缸

5 端口

51 第一进气端口

52 第二进气端口

54 第一排气端口

55 第二排气端口

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

在说明本发明或本发明优选实施例的元件时，词“一”、“一个”、“该”以及“所述”意欲指的是存在着一个或更多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”等意欲是开放性的且指的是除了所列出的元件之外还可存在其它元件。

本发明实施例的波转子增压器，可用于但并不局限于用于本发明实施例的发动机4，也可以用于除发动机领域之外的其他领域；本发明实施例的发动机4，具有本发明实施例的波转子增压器。本发明实施例的发动机4，例如为航空发动机，既可为波转子燃气轮机，也可为波转子活塞发动机。

如图1-图9所示，本发明实施例的波转子增压器，主要包括波转子1、静子件2、转静子密封装置3和端口5。其中，静子件2固定设置，波转子1又可称为转子件，波转子1可由电机带动，在静子件2内旋转。转静子密封装置3设置于静子件2与波转子1之间，可包括多个篦齿封严结构。

其中，如图5所示，静子件2主要包括静子机闸20、进气端盖21和排气端盖22。静子机闸20具有进气端和排气端，进气端盖21固定连接于静子机闸20的进气端，而排气端盖22固定连接于静子机闸20的排气端。静子机闸20与进气端盖21之间、静子机闸20与排气端盖22之间可通过止口进行定位，并通过固定螺栓23进行固定连接。端口5则设置在进气端盖21和排气端盖22上。

如图5、图8所示，波转子1主要由转子毂筒12、传动轴10和短轴11等组成，波转子1可为双轴承简支结构。与静子件2的进气、排气方向一致，转子毂筒12的两侧可区分为进气侧和排气侧，转子毂筒12的进气侧由短轴11支撑，转子毂筒12的排气侧与传动轴10连接，转子毂筒12与传动轴10、短轴11可使用花键121与螺栓连接，传动轴10、短轴11可分别配装一个球轴承，球轴承可采用脂润滑。

转子通道120是一系列围绕轴(传动轴10)旋转的面积固定的流体通道，而转子毂筒120像一个圆柱形的毂筒。转子毂筒12旋转，转子通道120周期性的向两侧端盖上的端口5开放，从而控制流体进出。

一定数量的转子通道120构成的转子毂筒12可由电机(图中未示出)带动绕轴旋转，转子通道120为轴向直流通道，一个端口5对应多个相邻的转子通道120，或者说一个端口5在端盖周向上的跨度，等于或大于几个相邻的转子通道120在转子毂筒12周向上的跨度，或者说是多个相邻的转子通道120会同时向同一个端口5开放。各所述端口5曲线延伸，即各所述端口5的轴线为曲线。端口5的轴线的切线与转子通道120的轴线成一定角度，该角度按照端口5内气体状态参数与波转子1旋转线速度确定。

各个端口5内气体速度可分为轴向速度(如图4中的X方向分量)与径向速度(Y方向分量)，调节各个端口角度，使4个端口内气体径向速度(Y方向分量)与转子通道旋转的线速度均保持一致，从而可保证端口1、端口2内气体进入通道时，气体在通道内沿轴向运动，不对通道壁面造成冲击损失，也可保证气体从通道内进入端口4、端口5时，不对端口壁面造成冲击损失。

如图1-图3所示，本发明实施例的波转子增压器为四端口通流型式，端口5包括进气端口、排气端口各两个，包括第一进气端口51和第二进气端口52、第一排气端口54和第二排气端口55，第一进气端口51和第二进气端口52均可通过固定螺钉24连接在固定的进气端盖21上，第一排气端口54和第二排气端口55均可通过固定螺钉24连接在固定的排气端盖22上。

第一进气端口51、第二进气端口52、第一排气端口54、第二排气端口55等四个端口的上下端之间的距离、角度等空间几何位置，决定于转子通道120内激波、膨胀波、气体分界面等形成的波系几何图像。激波、膨胀波、气体分界面等形成的波系几何图像决定于第一进气端口51、第二进气端口52、第一排气端口54、第二排气端口55给定的设计状态，设计状态按照波转子增压器实际应用时的需要确定。

如图2所示，本发明第一实施例的发动机，为波转子燃气轮机，其包括涡轮41、燃烧室42和压气机43等，第一进气端口51连接燃气轮机的压气机43出口，第二进气端口52则连接燃烧室42出口，第一排气端口54连接燃烧室42进口，而第二排气端口55连接涡轮41进口。

本实施例的波转子燃气轮机中，来自燃气轮机的压气机43的压缩空气通过第一进气端口51进入波转子1，在电机带动旋转的转子通道120内进一步受到压缩，经过压缩后通过第二排气端口55进入燃烧室42。这样，燃烧的压力和温度将升高。热燃气离开燃烧室42后通过第二进气端口52进入波转子1并对来自压气机43的空气进行压缩。热燃气将能量转移到来自压气机43的空气中后，膨胀并通过第一排气端口54进入后面的涡轮41。由于燃烧后的气体在波转子1内提前得到膨胀，因此进入涡轮41后的温度比燃烧室42出口的低。但是因为气体在波转子1中进行了增压过程，所以燃气的压力比压气机43出口的压力高。通常，涡轮41进口总压比压气机43出口的压力高15％～20％。利用波转子1增压后，从涡轮41中提取的功更多，因此增加了发动机的总热效率和单位流量功率。

本发明的发动机还可以有以下的第二实施例。

如图3所示，本发明第二实施例的发动机4，为波转子活塞发动机，其包括活塞和气缸44等。

本实施例的波转子活塞发动机工作过程与第一实施例的波转子燃气轮机类似，所不同的是，进入第一进气端口51的空气为活塞吸入的常压空气，而波转子增压器由第一排气端口54排气到外界中。常压空气通过第一进气端口51进入波转子增压器，在电机带动旋转的转子通道120内进一步受到压缩，经过压缩后通过第二排气端口55进入发动机的气缸44中燃烧。这样，燃烧的压力和温度将升高。热燃气离开发动机的气缸44后通过第二进气端口52进入波转子1并对第一进气端口51吸入的空气进行压缩。热燃气将能量转移到吸入的空气中后，膨胀并通过第一排气端口54排出。波转子1提升的是进入发动机中燃烧的气体的温度与压力，与传统的涡轮增压器作用一样，但原理不同，效率更高。

如图5所示，本发明实施例的波转子增压器还可包括保护盖13、轴承内定位环14、轴承外定位环15、轴承盖16、轴承内环固定套17和皮带轮18等。其中，保护盖13、轴承内定位环14、轴承外定位环15、轴承盖16、轴承内环固定套17可设置于传动轴10、短轴11的轴端；而电机则通过皮带轮18驱动传动轴10旋转，皮带轮18的轴端可设置有皮带轮限位环181。

再介绍一下本发明实施例的波转子增压器中的转静子密封装置3，其可包括第一篦齿封严结构31、第二篦齿封严结构32和第三篦齿封严结构33，但本发明并不局限于此。

如图6、图7和图8所示，转子毂筒12的外周面两端设置有篦齿36，篦齿36与进气端盖21、排气端盖22对应位置的石墨涂层组成第一篦齿封严结构31，防止转子毂筒12与静子机匣20、进气端盖21、排气端盖22之间的径向间隙气流的泄露。

如图6、图8所示，电机轴10与短轴11上可使用螺钉固定有L型篦齿盘34，L型篦齿盘34设计有轴向篦齿37与径向篦齿38一共两排篦齿，其中，端盖(包括进气端盖21和排气端盖22)上与径向篦齿38对应位置则设置有I型篦齿盘35，径向篦齿38与I型篦齿盘35交错排布，形成第二篦齿封严结构32，这里，第二篦齿封严结构32是一种径向篦齿封严结构；而轴向篦齿37则与端盖组成第三篦齿封严结构33。第二篦齿封严结构33和第三篦齿封严结构33这两道篦齿，防止端口5与转子毂筒12之间的轴向间隙气流的泄露，同时保持轴承腔内的压力。

本发明的有益效果在于：本发明实施例的波转子增压器，其增压原理是不同能量密度的气体瞬间接触产生的激波、膨胀波与气体分界面的波系作用，这种能量交换方式速度极快、效率高，与涡轮增压器机械式增压相比能量转化速度更快、能量转化率更高。换热器主要进行的是热量交换，对气体压力提升不大，波转子增压器可同步提升气体温度与压力。

应理解，以上描述的多个示例可沿多个方向(如倾斜、颠倒、水平、垂直，等等)并且以多个构造被利用，而不背离本发明的原理。附图中示出的实施例仅作为本发明的原理的有效应用的示例而被示出和描述，本发明并不限于这些实施例的任何具体的细节。

当然，一旦仔细考虑代表性实施例的以上描述，本领域技术人员就将容易理解，可对这些具体的实施例做出多种改型、添加、替代、删除以及其他变化，并且这些变化在本发明的原理的范围内。因此，前面的详细描述应被清楚地理解为是仅以说明和示例的方式来给出的，本发明的精神和范围仅由所附权利要求书及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种波转子增压器，其特征在于，所述波转子增压器包括：

静子件，所述静子件包括：

静子机闸，具有进气端和排气端；

进气端盖，固定连接于所述进气端，所述进气端盖上设置有第一进气端口和第二进气端口；以及

排气端盖，固定连接于所述排气端，所述排气端盖上设置有第一排气端口和第二排气端口；

波转子，由驱动装置带动在所述静子件内旋转，所述波转子包括：

转子毂筒，外圆周上均匀的分布有多个转子通道；以及

传动轴，连接于所述转子毂筒，带动所述转子毂筒旋转；以及

转静子密封装置，设置于所述波转子与所述静子件之间。

2.如权利要求1所述的波转子增压器，其特征在于，所述转子通道为轴向直流转子通道，各所述端口对应多个相邻的所述转子通道，各所述端口的轴线为曲线。

3.如权利要求2所述的波转子增压器，其特征在于，各所述端口的轴线的切线与所述转子通道的轴线成设定角度，所述设定角度按照所述端口内气体状态参数与所述波转子旋转的线速度确定。

4.如权利要求3所述的波转子增压器，其特征在于，所述第一进气端口、第二进气端口、第一排气端口及第二排气端口的上下端之间的距离和角度决定于所述转子通道内的激波、膨胀波及气体分界面形成的波系几何图像；所述激波、膨胀波及气体分界面形成的波系几何图像决定于所述第一进气端口、第二进气端口、第一排气端口及第二排气端口给定的设计状态。

5.如权利要求1所述的波转子增压器，其特征在于，所述转子毂筒为双轴承简支结构，所述传动轴由电机驱动，所述转子毂筒具有进气侧和排气侧，所述转子毂筒的进气侧由短轴支撑，所述转子毂筒的排气侧与所述传动轴连接，所述转子毂筒与所述传动轴、所述短轴通过花键连接，所述传动轴、所述短轴分别配装一个球轴承，所述球轴承采用脂润滑。

6.如权利要求1所述的波转子增压器，其特征在于，所述转静子密封装置包括第一篦齿封严结构，所述转子毂筒的外周面两端设置的篦齿与所述进气端盖、所述排气端盖对应位置的石墨涂层形成所述第一篦齿封严结构。

7.如权利要求3所述的波转子增压器，其特征在于，所述转静子密封装置还包括第二篦齿封严结构和第三篦齿封严结构，所述传动轴、所述短轴上固定有L型篦齿盘，所述L型篦齿盘具有轴向篦齿与径向篦齿，所述径向篦齿与所述进气端盖内面、所述排气端盖内面上的I型篦齿盘交错排布，形成所述第二篦齿封严结构；所述轴向篦齿与所述进气端盖、所述排气端盖组成所述第三篦齿封严结构。

8.一种发动机，其特征在于，所述发动机具有权利要求1-7任一所述的波转子增压器。

9.如权利要求8所述的发动机，其特征在于，所述发动机为波转子燃气轮机，所述发动机包括涡轮、燃烧室和压气机，所述第一进气端口连接所述压气机出口，所述第二进气端口连接所述燃烧室出口，所述第一排气端口连接所述燃烧室进口，所述第二排气端口连接所述涡轮进口。

10.如权利要求8所述的发动机，其特征在于，所述发动机为波转子活塞发动机，所述发动机包括活塞和气缸，所述第一进气端口连接外界空气，所述第二进气端口连接所述气缸出口，所述波转子增压器通过所述第一排气端口排气到外界，所述第二排气端口连接所述气缸进口。