CN107559140A - 漩涡桨和漩涡发动机 - Google Patents

Abstract

漩涡桨和漩涡发动机，涉及技术领域：能源利用、流体动力学，涉及飞机漩涡桨、轮船漩涡桨、风漩涡发动机、风潮漩涡发动机、水压漩涡发动机、蒸汽压漩涡发动机、内燃式气压漩涡发动机等。本发明运用了漩涡的工作原理，突破了风力发电、潮汐发电的技术障碍，提高了能源利用效率，解决了水压发电、蒸汽压发电存在的问题。其技术方案与用途是：流体切向流入互成120度角的三个漩涡流道，流体向漩涡中心的定向流动转化动能、内能和压力能，无不定向流动的能量损失，配流套将流体均匀分配给各漩涡流道，以免发生不均匀的漩涡流动，高温气体流入漩涡流道流经水切向入口和空气入口时，边缘的真空使水、空气被吸入，降低了漩涡流道的温度。

Description

漩涡桨和漩涡发动机

技术领域

本发明属于能源利用、流体动力学领域，涉及飞机漩涡桨、轮船漩涡桨、风漩涡发动机、风潮漩涡发动机、水压漩涡发动机、蒸汽压漩涡发动机、内燃式气压漩涡发动机等。

背景技术

飞机螺旋桨、轮船螺旋桨的叶片是敞开的，旋转的螺旋桨叶片使流体向外逸散的切向速度并不能对轮船、飞机产生航行动力。当螺旋桨的转速达到一定程度时，逸散量大于排出量，螺旋桨的效率下降，以致排出量减少导致减速。

外形与螺旋桨相似的风轮机转轴水平放置，风轴向流往叶片，对转轴产生轴向力，增加叶片的数目对转轴产生较大的轴向力，叶片数目不能过多，降低了风轮机的功率。

轴流式水轮机采用涡轮叶片，外形与螺旋桨相似，水流对转轴的轴向力很大，轴承的寿命严重影响了水轮机的可靠性。斜流式水轮机和混流式水轮机的水流斜向流入转子叶片，向下的流速动能无法转化为转子的动能，转子的转速已经抵达水流的转速，即使水流仍然具有对转轴的动量矩，也无法转化为转子的动能。由于转轴竖直安装，转轴的下端是尾水管，下端安装发电机难以实现，安装于上部的发电机的外形不得不十分庞大，增加了发电机的制造难度。叶片受到垂直于焊缝方向的冲击力较大，交变冲击载荷和涡流带来的振动使叶片具有典型的疲劳裂纹特征。转子的转速虽然只有50~400转每分钟，但水流冲击导叶、转子叶片的线速度很大，鱼类无法避开致命的撞击。

把蒸汽的气压分为高压级、中压级和低压级的汽轮机的结构相当复杂，不能在宽广的范围内运行，增加了维护成本。每一级动页栅都用静止的页栅隔断，气阻使旋转的气流降低了旋转的动能，因而涡轮只利用了蒸汽的一部分动能，能源利用效率在50%以下。随着核能技术的发展，汽轮机的功率达到了60万千瓦，主蒸汽进入汽缸时的压力达到了22Mpa以上的超临界压力，温度达到了538℃以上。蒸汽在汽缸内停留的时间长，汽缸结合面的严密性直接影响涡轮汽轮机组的安全经济运行。

往复式内燃机的燃烧产物驱动活塞推动曲柄连杆机构运动的力随时间的变化很大，激烈的振动导致活塞磨损较多，大量的热量用于冷却水的冷却和散热器的散热，热效率低，单轴可输出的功率较低。

内燃式涡轮机的功率密度大，压缩空气对空心的涡轮叶片进行冷却的效率有限，损失的压缩空气不能转化为转轴的旋转动能。涡轮叶片与机壳之间的间隙较大，通过涡轮叶片后的尾气温度过高，降低了低速运行时的效率。燃气涡轮机可使飞机的飞行速度达到0.8马赫数，但低速耗油量大，在对经济性有严格要求的亚音速民用运输机上是不可接受的。

流体流经具有离心叶片、涡轮叶片的转子时，由于转动方向上的前叶片壁、后叶片壁是敞开的，流体冲击叶片后速度降低，流速降低的流体阻止后叶片的圆周运动，这种情况不利于流体对叶片的做功。流体流经较短的漩涡形叶片，流体对叶片做功的时间较短。涡轮叶片转动时，由于转动方向上的前叶片壁、后叶片壁是敞开的，不能向有旋流体提供阻止流体逸散的径向约束反力，以致具有牵连速度的流体向外逸散，这种情况不利于叶片对流体的做功。较短的漩涡形叶片对流体的约束反力做功的时间较短，也不利于提高流体的动能。

发明内容

漩涡桨的转子转动时，转动方向上的前流道壁向流体提供了阻止流体逸散的径向约束反力，对流体施加了比后流道壁大的约束反力，对流体强烈的卷吸作用使流体逐渐向中心流动，如同活塞一样将流体压向中心，转子运动的机械能转化为流体的动能。转轴水平安装，轴前端与发动机或电动机连接，转子的三个沿圆周均匀分布的漩涡流道从外界切向吸入空气或水，从转轴的内孔向后排出空气或水，推动飞机、轮船前进。

流体流经漩涡流道、从转轴的内孔排出时，漩涡流壁对流体产生约束反力，转动方向上的前流道壁向流体提供了阻止流体逸散的径向约束反力，对流体施加了比后流道壁大的约束反力，迫使流体流向漩涡的中心，流体损失的的动能转化为转子转动的机械能。流体切向流入互成120度角的三个漩涡流道，流体向漩涡中心的定向流动转化动能、内能和压力能，无不定向流动的能量损失，配流套将流体均匀分配给各漩涡流道，以免发生不均匀的漩涡流动。漩涡发动机的漩涡流道的层数根据发电机所能转化流体的能量密度的大小确定。

高温气体作为工作介质的漩涡发动机采用多层漩涡流道，高温气体流入漩涡流道流经水切向入口和空气入口时，边缘的真空使水、空气被吸入，降低了漩涡流道的温度和从转轴内孔排出的废气、水的温度，提高了能量转换效率，同时消除了高温对轴承的影响。流体只在漩涡流道的入口处与漩涡流道瞬时隔断，停留的时间很短，高温高压的流体通过漩涡流道卸荷，压力能转化为高速流动的动能，不会通过转子与机壳内孔之间的微小间隙发生漏损。

水、空气被漩涡发动机的三个漩涡流道轮流吸入，漩涡流道的薄壁得到了强对流冷却，解决了汽轮机、内燃式燃气涡轮机和往复式内燃机的高温流体对涡轮叶片、活塞在工作中难以散热的问题，增加了水和空气为新的工作介质，漩涡流道壁的余热转化为水和空气流动的动能并转化为转子的旋转动能，提高了漩涡发动机的热效率。

轮船漩涡桨、飞机漩涡桨的结构要求是：转轴水平安装，两端使用圆锥滚子轴承承受轴向力，通过后端的轴向孔出水；转子的漩涡形流道固定在配流套内，互成120度角，配流套与机壳内壁间隙配合，形成与机壳的3个切向入口轮流相通的独立漩涡流道；漩涡流道由漩涡片和与漩涡片外形匹配的漩涡节拼焊而成；机壳的切向入口近端采用宽度与漩涡流道宽度一致的长方形，远端采取防护措施防止杂物被吸入漩涡流道。

风漩涡发动机、风潮漩涡发动机、风力电动车的结构要求是：机壳的外部是一个流体收集装置，以若干沿圆周均匀分布的抛物叶片改变气流的流动方向，产生围绕转子中心旋转的有旋流体；转轴竖直安装，两端使用圆锥滚子轴承承受轴向力，轴内孔与外界相通；转子的漩涡形流道固定在配流套内，互成120度角，配流套与机壳内壁间隙配合，形成与机壳的3个切向入口轮流相通的独立漩涡流道；漩涡流道由漩涡片和与漩涡片外形匹配的极板和流道端板拼焊而成；机壳的切向入口近端采用宽度与漩涡流道宽度一致的长方形，远端采用采取防护措施防止杂物被吸入；风潮漩涡发动机安装于海岸线，同时利用风力和潮汐进行发电；在风力电动车的顶部安装风漩涡轮机和发电机，将来自于四周的风力用于发电。

水压漩涡发动机的结构要求是：转轴水平安装，转轴采用向心球轴承，以适应较高的转速；转轴的两端安装发电机，降低了每台发电机的功率要求；转子的3个沿圆周均匀分布的漩涡形流道固定在配流套内，互成120度角，配流套与机壳内壁间隙配合，形成与机壳的3个切向入口轮流相通的独立漩涡流道；漩涡流道由三块漩涡片和与漩涡片外形匹配的漩涡节拼焊而成；机壳的切向入口近端采用宽度与漩涡流道宽度一致的长方形。

蒸汽压漩涡发动机的结构要求是：转轴水平安装，转轴采用向心球轴承支承，以适应较高的转速；转轴的两端安装发电机，降低了每台发电机的功率要求；转子的3个沿圆周均匀分布的漩涡形流道固定在配流套内，互成120度角，配流套与机壳内壁间隙配合，形成与机壳的3个切向入口轮流相通的独立漩涡流道；漩涡流道由三块漩涡片和与漩涡片外形匹配的漩涡节拼焊而成；机壳的切向入口近端采用宽度与漩涡流道宽度一致的长方形；蒸汽从机壳的竖直切向入口流入，水从底座内的斜切向入口吸入、空气从机壳外斜切向吸入，3个独立漩涡流道与3个 入口轮流相通而不互通；从转轴的内孔排出的水和空气流入水箱，分离出空气，经冷却后的水再流入漩涡流道进行循环利用。

内燃式气压漩涡发动机的结构要求是：转轴水平安装，转轴采用向心球轴承支承，以适应较高的转速；转轴的一端安装风泵和直流电机，以便起动转子转动并将压缩空气储存在储气箱内，储气箱内的气压达到要求的压力时将直流电机改为发电机运行；转子的3个沿圆周均匀分布的漩涡形流道固定在配流套内，互成120度角，配流套与机壳内壁采用小间隙配合，并进行可靠的密封，形成与机壳的3个切向入口轮流相通的独立漩涡流道；漩涡流道由分段的漩涡片和与漩涡片外形匹配的漩涡极板拼焊而成；底座内布置斜切向的长方形水入口，两侧分别布置水平切向的长方形空气入口和斜切向的向下长方形燃料油入口；空气入口与储气箱相通，燃料油入口与电控阀、高位油箱相通；燃料油经控制阀、机壳内的两侧油道输出到温度检测油道再流入燃料油切向入口，油温低于燃料油的燃点时，关闭控制阀以切断燃料油的进油通路，同时启动红外线加热的电路，利用红外线不接触加热燃料油，直到油温升高到燃点以上，开启电控阀，使喷入有空气的漩涡流道时能够自燃；转轴的内孔排出的废气和水流入两侧的气分离腔，分离出空气，水回落入底座进行循环利用。

附图说明

图1所示的是飞机、轮船漩涡桨的构造原理。固定部分与转动部分用圆锥滚子轴承7联接。固定部分包括密封圈2、轴承盖3、螺钉5、密封圈6、端盖8、机壳11、入口设施23等。转动部分包括转轴1、弹性挡圈4、密封圈9、轴肩头螺钉10、螺杆12、单耳止动垫圈13、螺母14、配流套15、第一漩涡片16、第二漩涡片17、第三漩涡片18、第一极板19、第二极板20、第三极板21、第四极板22等。

图2是风漩涡轮机、潮汐漩涡发动机的构造原理。固定部分与转动部分用圆锥滚子轴承7联接。固定部分包括防尘密封圈2、轴承盖3、螺钉5、密封圈6、端盖8、机壳11、收集装置22等。转动部分包括转轴2、挡圈4、轴肩头螺钉10、螺杆12、止动垫圈13、螺母14、第1~3漩涡片15~17、第1~4极板18~21、配流套23等。

图3是水压漩涡发动机的构造原理。固定部分与转动部分用滑动轴承4联接。固定部分包括轴承盖2、端盖6、螺钉7、进水口21等。转动部分包括转轴1、挡圈3、密封圈5、轴肩头螺钉8、配流套10、第1~4漩涡片11~14、第1~5极板16~20、螺杆22、螺母23、止动垫圈24等。水从漩涡流道的边缘切向竖直进入，对转子的动量矩最大。

图4所示是蒸汽压漩涡发动机的构造原理。固定部分与转动部分用滚动轴承4联接。固定部分包括轴承盖2、密封圈5、端盖6、管接头10、机壳11、水箱12、螺钉16、进气口17等。转动部分包括转轴1、弹性挡圈3、螺母7、止动垫圈8、螺杆9、腹板13、轴肩头螺钉14、配流套15、第一~二十漩涡片18~37、第一~十三极板38~50等。底座是封闭的容器，是漩涡流道的水入口，两端与上部的水箱相连，以便控制水的工作温度。超高温、超高压的蒸汽从漩涡流道的边缘竖直切向进入，对转子的动量矩最大，蒸汽向漩涡中心的流动推动转子转动。高温的漩涡流道从底座内吸入水，水吸收热量并气化为蒸汽，进一步推动转子转动，转化为转子的旋转动能。经水冷却的漩涡流道从空气入口吸入空气，通过空气的对流作用使漩涡流道进一步降温，为下一循环流入高温蒸汽提供已经冷却的漩涡流道。从转轴内孔排出的水和空气进入上部的水箱，以便空气分离出可以循环利用的水。

图5是内燃式气压漩涡发动机的构造原理。固定部分与转动部分用滚动轴承4联接。固定部分包括轴承盖2、密封圈5、端盖6、密封圈7、机体8、白炽灯红外线加热器15、燃油箱及管路系统14、水箱16和储气箱44等。转动部分包括转轴1、弹性挡圈3、漩涡流道端板9、第1~17漩涡片17~33、轴肩头螺钉34、第1~9漩涡极板35~43等。燃料油燃烧发生化学反应放出的热量转化为气体的内能，产生的气体流向转轴内孔的漩涡中心。

具体实施方式

为了便于制造，漩涡桨、漩涡发动机的流道壁采用漩涡形由直线段与圆弧形连接而成的漩涡片制造。漩涡片的两端安装于互相配合的漩涡节的间隙内，胶结或焊接为一体。

漩涡桨的转轴水平安装，水从切向入口流入，经过漩涡流道旋转运动后以较大的速度向后轴向排出，增加转轴的转速可以提高航行速度。

风潮漩涡发动机的转轴竖直安装，两端的轴向孔与外界的流体相通，机壳采用抛物线形大尺寸叶片的风潮收集装置，使无旋风和水转化为方向一致的有旋流体以提高漩涡发动机的功率。无论四周风向、潮起潮落，风和水流流入收集装置后转化为方向一致的有旋流体，向漩涡中心的流动的动能转化为转轴的旋转动能。潮汐能是地球与月亮之间的引力发生变化引起潮起潮落的有周期性的水流，运用风潮漩涡轮机发电具有广阔的发展前景。

水压漩涡发动机的转轴水平安装，转轴的两端安装发电机，降低了每台发电机的功率要求。由于水流是竖直切向流入漩涡流道并进行漩涡流线形的流动，对鱼类造成的冲击小，转轴的转速可以提高，因此，发电机的体积可以大大缩小。

蒸汽压漩涡发动机的转轴水平安装，转轴的两端安装发电机，降低了每台发电机的功率要求。蒸汽流是竖直切向流入漩涡流道并进行漩涡流线形的流动，对转轴、机壳造成的冲击小，转轴的转速可以提高，因此，发电机的体积可以大大缩小。

本发明所述漩涡桨、漩涡发动机的构造原理是对螺旋桨、涡轮发动机、往复式内燃发动机的重大突破，有效减少了流体分子无序运动产生的能量损失，提高了能量转换效率。

Claims (5)

1.轮船漩涡桨、飞机漩涡桨的结构要求是：转轴水平安装，两端使用圆锥滚子轴承承受轴向力，通过后端的轴向孔出水；转子的漩涡形流道固定在配流套内，互成120度角，配流套与机壳内壁间隙配合，形成与机壳的3个切向入口轮流相通的独立漩涡流道；漩涡流道由漩涡片和与漩涡片外形匹配的漩涡节拼焊而成；机壳的切向入口近端采用宽度与漩涡流道宽度一致的长方形，远端采取防护措施防止杂物被吸入漩涡流道。

2.风漩涡发动机、风潮漩涡发动机、风力电动车的结构要求是：机壳的外部是一个流体收集装置，以若干沿圆周均匀分布的抛物叶片改变气流的流动方向，产生围绕转子中心旋转的有旋流体；转轴竖直安装，两端使用圆锥滚子轴承承受轴向力，轴内孔与外界相通；转子的漩涡形流道固定在配流套内，互成120度角，配流套与机壳内壁间隙配合，形成与机壳的3个切向入口轮流相通的独立漩涡流道；漩涡流道由漩涡片和与漩涡片外形匹配的极板和流道端板拼焊而成；机壳的切向入口近端采用宽度与漩涡流道宽度一致的长方形，远端采用采取防护措施防止杂物被吸入；风潮漩涡发动机安装于海岸线，同时利用风力和潮汐进行发电；在风力电动车的顶部安装风漩涡轮机和发电机，将来自于四周的风力用于发电。

3.水压漩涡发动机的结构要求是：转轴水平安装，转轴采用向心球轴承，以适应较高的转速；转轴的两端安装发电机，降低了每台发电机的功率要求；转子的3个沿圆周均匀分布的漩涡形流道固定在配流套内，互成120度角，配流套与机壳内壁间隙配合，形成与机壳的3个切向入口轮流相通的独立漩涡流道；漩涡流道由三块漩涡片和与漩涡片外形匹配的漩涡节拼焊而成；机壳的切向入口近端采用宽度与漩涡流道宽度一致的长方形。

4.蒸汽压漩涡发动机的结构要求是：转轴水平安装，转轴采用向心球轴承支承，以适应较高的转速；转轴的两端安装发电机，降低了每台发电机的功率要求；转子的3个沿圆周均匀分布的漩涡形流道固定在配流套内，互成120度角，配流套与机壳内壁间隙配合，形成与机壳的3个切向入口轮流相通的独立漩涡流道；漩涡流道由三块漩涡片和与漩涡片外形匹配的漩涡节拼焊而成；机壳的切向入口近端采用宽度与漩涡流道宽度一致的长方形；蒸汽从机壳的竖直切向入口流入，水从底座内的斜切向入口吸入、空气从机壳外斜切向吸入，3个独立漩涡流道与3个 入口轮流相通而不互通；从转轴的内孔排出的水和空气流入水箱，分离出空气，经冷却后的水再流入漩涡流道进行循环利用。

5.内燃式气压漩涡发动机的结构要求是：转轴水平安装，转轴采用向心球轴承支承，以适应较高的转速；转轴的一端安装风泵和直流电机，以便起动转子转动并将压缩空气储存在储气箱内，储气箱内的气压达到要求的压力时将直流电机改为发电机运行；转子的3个沿圆周均匀分布的漩涡形流道固定在配流套内，互成120度角，配流套与机壳内壁采用小间隙配合，并进行可靠的密封，形成与机壳的3个切向入口轮流相通的独立漩涡流道；漩涡流道由分段的漩涡片和与漩涡片外形匹配的漩涡极板拼焊而成；底座内布置斜切向的长方形水入口，两侧分别布置水平切向的长方形空气入口和斜切向的向下长方形燃料油入口；空气入口与储气箱相通，燃料油入口与电控阀、高位油箱相通；燃料油经控制阀、机壳内的两侧油道输出到温度检测油道再流入燃料油切向入口，油温低于燃料油的燃点时，关闭控制阀以切断燃料油的进油通路，同时启动红外线加热的电路，利用红外线不接触加热燃料油，直到油温升高到燃点以上，开启电控阀，使喷入有空气的漩涡流道时能够自燃；转轴的内孔排出的废气和水流入两侧的气分离腔，分离出空气，水回落入底座进行循环利用。