CN108104977A - 一种涡喷式无冲程旋转发动机 - Google Patents

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Abstract

一种涡喷式无冲程旋转发动机，其燃烧器的内筒下端嵌套在喷射器的中凸顶的装配槽A内，外筒下端的凸环嵌套在喷射器内法兰的装配槽B内；转子的进气段嵌套在喷射器的转子腔A内，喷气段嵌套在导向基座的转子腔B内，涡轮段伸入在排气蜗壳内腔；其转子的进气段与喷气段之间有镂空回转曲管贯穿；镂空回转曲管从进气口、回转段到喷气口呈曲面U型回转。本发明输出扭矩大、燃耗低、无喘震，适用于低速旋浆飞机、船舶、汽车及摩托等。

Description

一种涡喷式无冲程旋转发动机
技术领域
本发明涉及一种涡喷式无冲程旋转发动机，属于发动机技术。
背景技术
活塞式内燃发动机，其曲柄连杆机构和活塞均存在往复运动，发动机克服运动部件的往复运动，需要消耗大量的能量，其内耗极大。因此，活塞式内燃发动机的热效率低是不争的事实。
为克服活塞式内燃发动机内部能耗极高的缺点，已经有多种旋转发动机设计案例。但现有技术的旋转发动机的结构复杂，甚至结构设计中存在易损部件。如公告号CN1069888868A揭示的一种滑板发动机等。
另一类典型的旋转发动机，是涡喷或涡扇发动机。但涡喷或涡扇发动机，主要以高速喷射的反作用力推动飞机等特殊交通工具的飞行。这类旋转发动机，用于扭矩轴输出用途时，高温高压气流通过涡轮叶片膨胀做功在开阔的叶轮叶片之间自我膨胀而排出，有相当比率的热流气体未能发挥作用。而且现有涡喷或涡扇发动机只适用于流体负荷环境，对于陆路负荷存在严重的喘震现象，必须使用高怠速模式才能维持其稳定工作状态，其油耗极高。
发明内容
本发明的目的在于提供利用涡喷发动机燃烧原理的低怠速、无喘震，以轴输出为目的，适用于低速旋浆飞机、轮船及陆路负荷的一种涡喷式无冲程旋转发动机。
本发明的技术方案
一种涡喷式无冲程旋转发动机，包括转子、蜗壳、导向基座、喷射器、外筒、燃烧器、导风轮、压风轮、启动电机、主机轴；所述启动电机通过其支架固定在整流罩的进口端，整流罩通过螺丝A穿过法兰C和外筒的上法兰与外筒内丝连接，外筒通过螺丝C穿过下法兰、喷射器的法兰底盘和导向基座的法兰A与导向基座的内丝连接；所述的外筒顶端有压风轮、整流叶片、轴承装配盒B、和轴承B；所述的启动电机的转轴与主机轴的顶端驳接，主机轴的上装配有轴承B、轴承A、转子、轴承C。其所述的燃烧器的内筒下端嵌套在喷射器的中凸顶的装配槽A内，外筒下端的凸环嵌套在喷射器内法兰的装配槽B内，燃烧器与喷射器通过螺丝B穿过法兰B、内法兰的内丝连接；所述外筒、喷射器和导向基座通过螺丝C穿过下法兰、法兰底盘、法兰A的内丝连接；所述的排气蜗壳与导向基座通过法兰C、法兰A和螺丝D连接；所述的转子的进气段嵌套在喷射器的转子腔A内，转子的喷气段嵌套在导向基座的转子腔BB内，涡轮段伸入在排气蜗壳内腔，排气蜗壳的轴承装配盒C外嵌在转子涡轮段的上凹面。
本发明，其转子由叠加为一体的进气段、喷气段和涡轮段构成；进气段与喷气段之间有镂空回转曲管贯穿，镂空回转曲管分布在转子小于外壁直径的沿圆周弧形曲面的本体内；镂空回转曲管从进气口、回转段到喷气口呈曲面U型回转，进气口和喷气口的开口朝向与转子的旋转方向相反，回转段朝向转子的旋转方向；镂空回转曲管数量须大于1，多个镂空回转曲管从转子本体的进气段端面看为等角分布；涡轮段的下端呈上凹面，叶片根部与涡轮段的外壁链接、下部与涡轮段下端的下端连接；叶片迎气面呈倾斜弧面，叶片的倾斜方向朝向转子的旋转方向。本发明转子涉及的镂空回转曲管的横截面，可以为圆形、椭圆形或其他异形；回转段的截面积为进气口截面积的80％，进气口的截面积为排气口截面积的80％。
本发明，其所述的喷射器由法兰底盘、内法兰和中凸顶构成；中凸顶的侧外壁、法兰底盘的上平面和内法兰的内壁构成环形转子腔A；中凸顶的下顶部有轴承装配盒A，轴承装配盒A的顶部中心有轴承孔A，轴承装配盒A的外周开有冷风通孔A冷风通孔A与环形开口冷风腔贯通，冷风腔的开口与转子的冷风管道的分布半径对应；中凸顶的上顶部有环形装配槽A、内法兰的顶部有装配槽B；燃气喷嘴将喷气腔与转子腔A贯通，燃气喷嘴的中线与中凸顶立面外圆切线的夹角5°≤α≤45°。
本发明，所述的燃烧器包括内筒、筒顶和外筒；所述外筒的内壁、筒顶的下弧面和内筒的外壁，构成上封顶、下开口的柱状环形燃烧室；所述的内筒上下端均为开口，中心有转轴贯通；其所述的内筒的内壁半径大于喷射器中凸顶上顶部的冷风通道外周的分布半径；所述的筒顶和外筒分布有进风嘴；
所述的进风嘴的进风端固定在筒顶和外筒上，出风端指向燃烧室；所述的进风嘴由锥形筒A、锥形筒B和锥形筒C同心叠加组成，锥形筒A的后端有后封环A、锥形筒B的后端有后封环B；所述的锥形筒A的内壁、后封环A和锥形筒B的外壁组成的锥形盲环槽成为阻止气体倒流的一级阻气节；所述的锥形筒B的内壁、后封环B和锥形筒C的外壁组成的锥形盲环槽成为阻止气体倒流的二级阻气节。进风嘴的部署相对于燃烧器外筒的切线角度呈10-45°、相对于水平角度呈-45～45°，进风嘴切向、分层和上下倾角部署，有利于空气与燃料的充分混合和燃料克服附壁作用，有利于完全燃烧和减少积碳；锥形筒A、锥形筒B和锥形筒C的锥度夹角β在20～60°之间。
实施例5
本发明进风嘴的阻气节，可以阻止设备运行中遇到超强高负荷时出现喘震甚至停机熄火现象，有利于陆路负荷环境运行。但阻气节并非一定需要二级。
本发明涉及的燃料喷嘴/管、点燃器，可通过燃烧器顶部的进气口装配，附图中予以未示出。
本发明，其所述的导向基座的转子腔B的外圆周等角分布有整流导向器，整流导向器的立开口面与转子的喷气口对应，上面为封闭曲面，下面为开口，将从转子喷气口喷射的气流反射导向转子的叶轮。
本发明，其所述的燃烧器的内筒、喷射器中凸顶的冷风通道B和冷风腔、转子的冷风通道A、转子底端的上凹井、蜗壳的排气间隙、尾气通道和尾气出口组成转子的冷却通道。
本发明的工作过程
启动电机启动后，压风轮将空气压缩，经导向轮、外筒导向叶片推送进外筒内。压缩空气一部分经进风嘴进入燃烧室，来自与燃料喷嘴/管(附图未示出)的燃料混合后，被点燃器(附图未示出)点燃产生高温高压动力燃气，进而推至环形喷射腔，并从喷嘴高速喷射进入转子的进气口，经镂空回转曲管的从喷气口膨胀喷射至整流导向器，经整流导向器后的燃气再次冲击涡轮叶片对转子再次做功，然后排至蜗壳的尾气通道，最后从尾气排出口排出。动力燃气对转子的进气口冲击喷射、从喷气口的膨胀喷射和对叶片的冲击膨胀，推动转子旋转做功，并通过轴输出机械能。同时，另一部分压缩空气，从燃烧器的顶部进入内筒，经喷射器的上凸顶的冷风通道B和冷风腔、转子的冷风通道A、转子底端的上凹井、蜗壳的排气间隙、尾气通道和尾气出口排出，对转子降温冷却，可以降低对转子材质的高温要求。
本发明优点在于
1、动力燃气对转子的进气口冲击、回转段后从排气口膨胀喷射和对涡轮叶片的冲击膨胀，重复推动回转曲管转子。克服了现有涡喷发动机部分动力燃气从叶片自我膨胀无功排出的缺点，热效率更高。
2、进气嘴的阻气节结构，可以有效阻止气流倒灌产生喘震，和大惯量转子设计，是的本发明适用于陆路负荷。
3、作为轴输出旋转发动机转子，不仅克服了现有活塞式发动机高内能耗的缺点，同时克服了现有技术转子发动机存在易损构件的缺点。
4、专门的冷风通道设计，降低了对转子高温材质的要求。
本发明燃耗低、输出扭矩大，适用于低速旋浆飞机(尤其是直升飞机)、船舶、汽车、摩托等用发动机。
附图说明
下面结合附图进一步说明本发明。
图1是本发明立面剖视示意图。
图2是本发明镂空回转曲管转子立体外观示意图(虚线突出显示其中一根镂空回转曲管)。
图3是本发明回转曲管转子仰视外观示意图(虚线突出显示其中一根镂空回转曲管)。
图4是本发明燃烧器侧仰视立体外观示意图。
图5是本发明具有阻气节的进风嘴剖视结构示意图。
图6是本发明喷射器侧俯视立体外观示意图。
图7是本发明喷射器侧仰视立体外观示意图。
图8是本发明燃气喷嘴部署角度剖视结构示意图。
图9是本发明导向基座侧俯视立体外观示意图。
图10是本发明转子与导向基座侧仰视立体外观示意图。
图中：
1-转子，1a-冷气通道，1b-轴孔A，1c-(转子的)进气段，1d-(转子的)喷气段，1e-(转子的)涡轮段，1g-镂空回转曲管，1g1-进气口，1g2-回转段，1g3-喷气口，1f-叶片，1h-上凹井.
2-导向基座，2a-整流导向器，2b-转子腔A，2c-法兰A
3-喷射器(由从中心剖成两半扣合组成，附图未分别示出)，3a-转子腔A，3b-冷风腔，3c-冷风通孔A，3d-中凸顶，3e-燃气喷嘴，3f-内法兰，3g-法兰底盘，3h-装配槽B，3i-装配槽A，3j-轴承孔A，3k-轴承装配盒A，31-喷嘴，α-(喷嘴中线与外圆切线的)夹角A
4-外筒，4a-上法兰，4b-下法兰
5-燃烧器，5a-内筒，5b-外筒，5c-法兰B，5d-凸环，5e-筒顶，5f-燃烧室
6-整流叶片，7-导风叶轮，8-压风轮
9-启动电机，9a-支架
10-整流罩，11-轴承B，12-轴承装配盒B，13-螺丝A
14-进风嘴，14a-椎形筒A，14b-锥形筒B，14c-锥形筒C，14d-后封环A，14e-后封环B，14f-一级阻气节，14g-二级阻气节，β-(锥形筒)夹角形筒体的)夹角B
15-轴承B，16-螺丝B，17-螺丝C，
18-排气蜗壳，18a-排气口，18b-轴承装配井C，18c-排气间隙，18d-尾气
通道，18e-螺丝D，18f-法兰C
19-轴承C，20-转轴
实施方式
实施例1
如附图1所示的一种涡喷式无冲程旋转发动机，包括转子1、蜗壳18、导向基座2、喷射器3、外筒4、燃烧器5、导风轮7、压风轮8、启动电机9、主机轴20；所述启动电机9通过其支架固定在整流罩10的进口端；所述整流罩通过螺丝A13穿过法兰C10a和外筒4的上法兰4a与外筒4内丝连接；所述的外筒4通过螺丝C17穿过下法兰4b、喷射器3的法兰底盘3g和导向基座2的法兰A2b与导向基座2的内丝连接；所述的外筒4顶端有压风轮8、整流叶片6、轴承装配盒B12、和轴承B11；所述的启动电机9的转轴与主机轴20的顶端驳接，主机轴20的上装配有轴承B11、轴承A15、转子1、轴承C19；其特征是所述的燃烧器5的内筒5a下端嵌套在喷射器3的中凸顶3d的装配槽A3i内，外筒5b下端的凸环5d嵌套在喷射器3内法兰3f的装配槽B3h内，燃烧器5与喷射器3通过螺丝B16穿过法兰B5c、内法兰3f的内丝连接；所述外筒4、喷射器3和导向基座2通过螺丝C17穿过下法兰4b、法兰底盘3g、法兰A2c的内丝连接；所述的排气蜗壳18与导向基座2通过法兰C18f、法兰A2d和螺丝D18e连接；所述的转子1的进气段1c嵌套在喷射器3的转子腔A31内，转子1的喷气段1d嵌套在导向基座2的转子腔B2b内，涡轮段1e伸入在排气蜗壳18内腔，排气蜗壳18的轴承装配盒C18b外嵌在转子1涡轮段1e的上凹面。
实施例2
如附图1、2和3所示的一种涡喷式无冲程旋转发动机，其转子1由叠加为一体的进气段1c、喷气段1d和涡轮段1e构成；进气段1c与喷气段1d之间有镂空回转曲管1g贯穿，镂空回转曲管1g分布在转子1小于外壁直径的沿圆周弧形曲面的本体内；镂空回转曲管1g从进气口1g1、回转段1g2到喷气口1g3呈曲面U型回转，进气口1c和喷气口1g3的开口朝向与转子1的旋转方向相反，回转段1g2朝向转子1的旋转方向；镂空回转曲管1g的数量为6条，6条镂空回转曲管1g从转子1本体的进气段1c端面看互为60°分布；涡轮段1e的下端呈上凹面，叶片1f根部与涡轮段1e的外壁链接、下部与涡轮段1e的下端连接；叶片1f迎气面呈倾斜弧面，叶片1f的倾斜朝向转子1的旋转方向。
实施例3
如附图1、6和7所示的一种涡喷式无冲程旋转发动机，其所述的喷射器3由法兰底盘3g、内法兰3f和中凸顶3d构成；中凸顶3d的侧外壁、法兰底盘3g的上平面和内法兰3f的内壁构成环形转子腔A3a；中凸顶3d的下顶部有轴承装配盒A3k，轴承装配盒A3k的顶部中心有轴承孔A3j，轴承装配盒A3k的外周开有冷风通孔A3c冷风通孔A3c与环形开口冷风腔3b贯通，冷风腔3b的开口与转子1的冷风管道1a分布半径对应；中凸顶3d的上顶部有环形装配槽A3i、内法兰3f的顶部有装配槽B3h；8个燃气喷嘴3e将喷气腔3a与转子腔A31贯通，燃气喷嘴3e中线与中凸顶3d外圆切线的夹角α＝15°。
实施例4
如附图1、4和5所示的一种涡喷式无冲程旋转发动机，所述的燃烧器5包括内筒5a、筒顶5e和外筒5b；所述外筒5b的内壁、筒顶5e的下弧面和内筒5a的外壁，构成上封顶、下开口的柱状环形燃烧室5f；所述的内筒5a上下端均为开口，中心有转轴20贯通；其内筒5a的内壁半径大于喷射器3中凸顶3d上顶部的冷风通道3c外周的分布半径；所述的筒顶5e和外筒5b分布有进风嘴14；所述的进风嘴14的进风端固定在筒顶5e和外筒5b上，出风端指向燃烧室5f；所述的进风嘴14由锥形筒A14a、锥形筒B14b和锥形筒C14c同心叠加组成，锥形筒A14a的后端有后封环A14d、锥形筒B14b的后端有后封环B14e；所述的锥形筒A14a的内壁、后封环A14d和锥形筒B14b的外壁组成的锥形盲环槽成为阻止气体倒流的一级阻气节14f；所述的锥形筒B14b的内壁、后封环B14e和锥形筒C14c的外壁组成的锥形盲环槽成为阻止气体倒流的二级阻气节14g。
所述的燃烧器5的进风嘴14分4层分布：筒顶5e分布一层，顺时针方向倾斜，外筒5b分布3层，每层倾斜方向交错；所有进风嘴14与圆周切线的倾角均为25°，向下水平倾角均为10°。
所述的锥形筒A14a、锥形筒B14b和锥形筒C14c的锥度夹角β＝30°。
实施例5
如附图1、9和10所示的一种涡喷式无冲程旋转发动机，其导向基座2的转子腔B2b的外圆周等角分布有整流导向器2a，整流导向器2a的立开口面与转子1的喷气口1g3对应，上面为封闭曲面，下面为开口，将从转子1喷气口1g3喷射的气流反射导向转子1的叶轮1f。
实施例6
如附图1所示的一种涡喷式无冲程旋转发动机，其燃烧器5的内筒5a、喷射器3中凸顶3的6个冷风通道B3c和冷风腔3b、转子1的6个冷风通道A1a、转子1底端的上凹井1h、蜗壳18的排气间隙18c、尾气通道18d和尾气出口18a组成转子1的冷却通道。

Claims (6)

1.一种涡喷式无冲程旋转发动机，包括转子(1)、蜗壳(18)、导向基座(2)、喷射器(3)、外筒(4)、燃烧器(5)、导风轮(7)、压风轮(8)、启动电机(9)、主机轴(20)；所述启动电机(9)通过其支架固定在整流罩(10)的进口端；所述整流罩通过螺丝A(13)穿过法兰C(10a)和外筒(4)的上法兰(4a)与外筒(4)内丝连接；所述的外筒(4)通过螺丝C(17)穿过下法兰(4b)、喷射器(3)的法兰底盘(3g)和导向基座(2)的法兰A(2b)与导向基座(2)的内丝连接；所述的外筒(4)顶端有压风轮(8)、整流叶片(6)、轴承装配盒B(12)、和轴承B(11)；所述的启动电机(9)的转轴与主机轴(20)的顶端驳接，主机轴(20)的上装配有轴承B(11)、轴承A(15)、转子(1)、轴承C(19)；其特征是所述的燃烧器(5)的内筒(5a)下端嵌套在喷射器(3)的中凸顶(3d)的装配槽A(3i)内，外筒(5b)下端的凸环(5d)嵌套在喷射器(3)内法兰(3f)的装配槽B(3h)内，燃烧器(5)与喷射器(3)通过螺丝B(16)穿过法兰B(5c)、内法兰(3f)的内丝连接；所述外筒(4)、喷射器(3)和导向基座(2)通过螺丝C(17)穿过下法兰(4b)、法兰底盘(3g)、法兰A(2c)的内丝连接；所述的排气蜗壳(18)与导向基座(2)通过法兰C(18f)、法兰A(2d)和螺丝D(18e)连接；所述的转子(1)的进气段(1c)嵌套在喷射器(3)的转子腔A(31)内，转子(1)的喷气段(1d)嵌套在导向基座(2)的转子腔B(2b)内，涡轮段(1e)伸入在排气蜗壳(18)内腔，排气蜗壳(18)的轴承装配盒C(18b)外嵌在转子(1)涡轮段(1e)的上凹面。
2.权利要求所述的一种涡喷式无冲程旋转发动机，其特征是所述的转子(1)由叠加为一体的进气段(1c)、喷气段(1d)和涡轮段(1e)构成；进气段(1c)与喷气段(1d)之间有镂空回转曲管(1g)贯穿，镂空回转曲管(1g)分布在转子(1)小于外壁直径的沿圆周弧形曲面的本体内；镂空回转曲管(1g)从进气口(1g1)、回转段(1g2)到喷气口(1g3)呈曲面U型回转，进气口(1c)和喷气口(1g3)的开口朝向与转子(1)的旋转方向相反，回转段(1g2)朝向转子(1)的旋转方向；镂空回转曲管(1g)数量须大于1，多个镂空回转曲管(1g)从转子(1)本体的进气段(1c)端面看为等角分布；涡轮段(1e)的下端呈上凹面，叶片(1f)根部与涡轮段(1e)的外壁链接、下部与涡轮段(1e)的下端连接；叶片(1f)迎气面呈倾斜弧面，叶片(1f)的倾斜朝向转子(1)的旋转方向。
3.权利要求1所述的一种涡喷式无冲程旋转发动机，其特征是所述的喷射器(3)由法兰底盘(3g)、内法兰(3f)和中凸顶(3d)构成；中凸顶(3d)的侧外壁、法兰底盘(3g)的上平面和内法兰(3f)的内壁构成环形转子腔A(3a)；中凸顶(3d)的下顶部有轴承装配盒A(3k)，轴承装配盒A(3k)的顶部中心有轴承孔A(3j)，轴承装配盒A(3k)的外周开有冷风通孔A(3c)冷风通孔A(3c)与环形开口冷风腔(3b)贯通，冷风腔(3b)的开口与转子(1)的冷风管道(1a)的分布半径对应；中凸顶(3d)的上顶部有环形装配槽A(3i)、内法兰(3f)的顶部有装配槽B(3h)；燃气喷嘴(3e)将喷气腔(3a)与转子腔A(31)贯通，燃气喷嘴(3e)中线与中凸顶(3d)外圆切线的夹角5°≤α≤45°。
4.权利要求1所述的一种涡喷式无冲程旋转发动机，所述的燃烧器(5)包括内筒(5a)、筒顶(5e)和外筒(5b)；所述外筒(5b)的内壁、筒顶(5e)的下弧面和内筒(5a)的外壁，构成上封顶、下开口的柱状环形燃烧室(5f)；所述的内筒(5a)上下端均为开口，中心有转轴(20)贯通；其特征是内筒(5a)的内壁半径大于喷射器(3)中凸顶(3d)上顶部的冷风通道(3c)外周的分布半径；所述的筒顶(5e)和外筒(5b)分布有进风嘴(14)；所述的进风嘴(14)的进风端固定在筒顶(5e)和外筒(5b)上，出风端指向燃烧室(5f)；所述的进风嘴(14)由锥形筒A(14a)、锥形筒B(14b)和锥形筒C(14c)同心叠加组成，锥形筒A(14a)的后端有后封环A(14d)、锥形筒B(14b)的后端有后封环B(14e)；所述的锥形筒A(14a)的内壁、后封环A(14d)和锥形筒B(14b)的外壁组成的锥形盲环槽成为阻止气体倒流的一级阻气节(14f)；所述的锥形筒B(14b)的内壁、后封环B(14e)和锥形筒C(14c)的外壁组成的锥形盲环槽成为阻止气体倒流的二级阻气节(14g)；所述的锥形筒A(14a)、锥形筒B(14b)和锥形筒C(14c)的锥度夹角β为20～60°。
5.权利要求1所述的一种涡喷式无冲程旋转发动机，其特征是所述的导向基座(2)的转子腔B(2b)的外圆周等角分布有整流导向器(2a)，整流导向器(2a)的立开口面与转子(1)的喷气口(1g3)对应，上面为封闭曲面，下面为开口，将从转子(1)喷气口(1g3)喷射的气流反射导向转子(1)的叶轮(1f)。
6.权利要求1所述的一种涡喷式无冲程旋转发动机，其特征是燃烧器(5)的内筒(5a)、喷射器(3)中凸顶(3d)的冷风通道B(3c)和冷风腔(3b)、转子(1)的冷风通道A(1a)、转子(1)底端的上凹井(1h)、蜗壳(18)的排气间隙(18c)、尾气通道18d和尾气出口(18a)组成转子(1)的冷却通道。
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