发明内容
本发明的目的是提供一种离心式燃气动力涡轮机,它能使内燃机排气的能量转化率有较大提高。
本发明为实现上述目的,通过以下技术方案:一种离心式燃气动力涡轮机,包括涡壳,涡壳设置出气口,涡壳一侧芯点部位安装进气管和法兰盘,与涡壳一侧对应的另一侧安装动叶盘,动叶盘与输出轴一端连接,输出轴另一端位于涡壳外部,进气管一端位于法兰盘外部,另一端与喷嘴叶栅上端连接,喷嘴叶栅下端与导流体底部连接,进气管中心线与输出轴的中心线同轴,喷嘴叶栅由数个喷嘴叶片组成圆环状,每两个喷嘴叶片间形成出气道,动叶盘上设置第一动叶栅,第一动叶栅由数个第一动叶片构成圆环状,每两个第一动叶片间形成第一气道,出气道的出气口与第一气道的进气口对应相通。所述导流体是锥体,导流体的锥顶位于进气管内部,导流体底部最大外径处与喷嘴叶栅下端连接。涡壳的一侧、进气管外围安装静叶盘,静叶盘的中心线与进气管的中心线同轴,静叶盘面向动叶盘的一平面上设置静叶栅,静叶栅是圆环状,静叶栅有数个导流片以静叶盘的中心线为圆心呈圆环状分布,每两个导流片间形成第二气道,导流片位于第一动叶片外周,第一气道的出气口与第二气道的进气口对应相通,动叶盘上设置第二动叶栅,第二动叶栅是圆环状,位于静叶栅的外周,第二动叶栅有数个第二动叶片,每两个第二动叶片间形成第三气道,第二气道的出气口与第三气道的进气口对应相通。第一动叶栅有一个第一上圆环和一个第一下圆环,数个第一动叶片的上端均与第一上圆环相连,数个第一动叶片的下端均与第一下圆环连接,第一下圆环与动叶盘连接。第二动叶栅有一个第二上圆环和一个第二下圆环,数个第二动叶片的上端均与第二上圆环连接,数个第二动叶片的下端均与第二下圆环连接,第二下圆环与动叶盘连接。数个喷嘴叶片外端形成圆环,喷嘴叶片弦的延长线与该圆环的交点处形成的切线与喷嘴叶片弦的夹角为第一夹角a1,数个第一动叶片外端形成圆环,第一动叶片弦的延长线与该圆环的交点处形成的切线与第一动叶片弦的夹角为第二夹角a2,第一夹角a1的开口方向朝向喷嘴叶片外端形成圆环的顺时针方向,第二夹角a2的开口方向朝向第一动叶片外端形成圆环的逆时针方向。导流叶片是弧状,数个导流叶片外端形成圆形,导流叶片弦的延长线与该圆环的交点处形成的切线与导流叶片的弦的夹角为第三夹角a3,第三夹角a3的开口方向朝向导流叶片外端形成圆环的顺时针方向。出气道中心线在出气道出口端点处的切线与经过该端点的喷嘴叶栅的半径之间设置第五夹角a5,第一气道的中心线在第一气道进口端点处的切线与经过该端点的动叶盘的半径之间设置第六夹角a6,第五夹角a5和第六夹角a6角度相等。第一气道的中心线在第一气道出口端点处的切线与经过该端点的动叶盘的半径之间设置第七夹角a7,第二气道的中心线在第二气道进口 端点处的切线与经过该端点的第一级静叶盘的半径之间设置第八夹角a8,第七夹角a7和第八夹角a8角度相等。导流叶片的高度小于第二动叶片的高度,导流叶片的高度大于第一动叶片的高度,第一动叶片的高度大于喷嘴叶片的高度。
本发明提供的方案是将内燃机的排气从离心式涡轮机的中心部位进入,排气方向呈辐射状流向涡轮外圆方向,与离心力的方向同向,避免了离心损失。将离心涡轮机的动叶盘及静叶盘根据发动机排气的实际情况和工作实际需要可以设计成多级,也可以根据需要设计成单级,本发明的结构能将动静叶盘依照从内到外先静后动相互间隔咬合,环环相扣,组成一个相对运动的回转组合,可以多次利用气流的内能,将气流的余速损失降至最低,达到提高涡轮机转换效率的目的。本发明所述方案能使内燃机的排气能量转化效率提高至50%左右,相对于向心式动力涡轮机来说,能量利用率提高一倍以上。
具体实施方式
对照附图,对本发明做进一步说明。
本发明公开了一种离心式燃气动力涡轮机,包括涡壳1,涡壳1设置出气口24,涡壳1一侧芯点部位安装进气管6和法兰盘,与涡壳1一侧对应的另一侧安装动叶盘19,动叶盘19与输出轴18一端连接,输出轴18另一端位于涡壳1外部,进气管6一端位于法兰盘外部,另一端与喷嘴叶栅5上端连接,喷嘴叶栅5下端与导流体4底部连接,进气管6中心线与输出轴18的中心线同轴,喷嘴叶栅5由数个喷嘴叶片20组成圆环状,每两个喷嘴叶片20间形成出气道25,动叶盘19上设置第一动叶栅14,第一动叶栅14由数个第一动叶片21构成圆环状,每两个第一动叶片21间形成第一气道26,出气道25的出气口与第一气道26的进气口对应相通。
本发明所述涡轮机将动静叶栅根据发动机排气的实际情况和工作实际需要做成单级或两级以上。当做成单级时,只需喷嘴叶栅和第一级动叶栅14,此时,法兰盘装在进气管6的外周将涡壳一侧敞口封闭。当做成两级以上时将静叶盘2和法兰盘做成一体,用于封闭涡壳一侧的敞口。
本发明进一步的方案是:所述导流体4是锥体,导流体4的锥顶位于进气管6内部,导流体4底部最大外径处与喷嘴叶栅5下端连接。所述锥体以凹弧形腰线为优选。导流体4设计成锥体便于使排气方向呈辐射流状向涡轮机上的圆环方向流动,进一步避免进气损失。导流体4的底部与喷嘴叶栅5的顶端连接,封闭了气体由进气管6底端流出的通道,使气体全部进入出气道25推动动叶栅做功。导流体4高度大于喷嘴叶片20的高度。导流体4也可做成直腰线圆锥体、半球形或平板形等形状,以达到使喷嘴叶栅5下端封闭不流失气体并减小进气阻力为目的。
本发明提供的优选方案是:涡壳1的一侧、进气管6外围安装静叶盘2,静叶盘2的中心线与进气管6的中心线同轴,静叶盘2面向动叶盘19的一平面上设置静叶栅12,静叶栅12是圆环状,静叶栅12有数个导流片22以静叶盘2的中心线为圆心呈圆环状分布,每两个导流片22间形成第二气道27,导流片22位于第一动叶片21外周,第一气道26的出气口与第二气道27的进气口对应相通,动叶盘19上设置第二动叶栅10,第二动叶栅10是圆环状,位于静叶栅12的外周,第二动叶栅10有数个第二动叶片23,每两个第二动叶片23间形成第三气道28,第二气道27的出气口与第三气道28的进气口对应相通。这是动静叶栅多级结构,当然,根据需要还可以设置更多级,以达到使用目的。所述的动叶栅和静叶栅的分布依照从内到外先静后动的方式相互间隔分布,动静叶栅分布后呈环环相扣的形式,它们组成一个相对运动的回转组合,能够更好的利用气流的内能,将气流的余速损失降至最低。所述的喷嘴叶栅是静叶栅的作用。本发明附图所示为动静叶栅的两级结构,还可做成3级或4级等,级数越多可达到多次利用气流的内能目的,可将气流的余速损失降至最低,进一步提高涡轮机的转换效率。本发明所述的喷嘴叶栅、静叶盘、导流体及进气管等结构为定子部分,转子部分包括输出转、动叶盘、动叶栅及输出轴18上的轴承系统。
本发明进一步的方案是:第一动叶栅14有一个第一上圆环7和一个第一下圆环15,数个第一动叶片21的上端均与第一上圆环7相连,数个第一动叶片21的下端均与第一下圆环15连接,第一下圆环15与动叶盘19连接。这种方案能使叶片增强对应各种应力的强度,增加本发明整体方案的稳定性,还可使动叶盘和静叶盘间的轴向间隙稍大的情况下降低漏气损失,同时便于制造和组装。当然,如果采用一次性成型工艺制造动叶盘、静叶盘时,叶片两端的上下圆环可以省略掉,或者可以省略一个圆环,但是,动叶盘与静叶盘间的轴向间隙要求相对精密,同时可能会增加转子的轴向推力,增加推力轴承负担。
本发明进一步优先的方案是:数个喷嘴叶片20外端形成圆环,喷嘴叶片20弦的延长线与该圆环的交点处形成的切线与喷嘴叶片20弦的夹角为第一夹角a1,数个第一动叶片21外端形成圆环,第一动叶片21弦的延长线与该圆环的交点处形成的切线与第一动叶片21弦的夹角为第二夹角a2,第一夹角a1的开口方向朝向喷嘴叶片20外端形成圆环的顺时针方向,第二夹角a2的开口方向朝向第一动叶片21外端形成圆环的逆时针方向。导流叶片22是弧状,数个导流叶片22外端形成圆形,导流叶片22弦的延长线与该圆环的交点处形成的切线与导流叶片22的弦的夹角为第三夹角a3,第三夹角a3的开口方向朝向导流叶片22外端形成圆环的顺时针方向。所述数个第二动叶片23外端形成圆环,第二动叶片23弦的延长线与该圆环的交点处形成的切线与第二动叶片23弦的夹角为第四夹角a4,第四夹角a4的开口方向朝向第二动叶片23外端形成圆环的逆时针方向。上述结构确定的是转子的转向为逆时针方向,反之,转子的转向为顺时针方向。所述第一夹角a1和第二夹角a2的开口方向根据需要确定,当把第一夹角a1、第二夹角a2、第三夹角a3和第四夹角a4简称“弦角”时,则喷嘴叶片、导流叶片与第一动叶片和第二动叶片的弦角在各自圆环上周向开口方向始终相反。本发明所述第一夹角a1、第二夹角a2、第三夹角a3和第四夹角a4的角度均优选在45°-65°范围内,这种角度能够进一步保证气流从气道流出后适当膨胀扩散加速,使气流推动动叶栅的冲力及反冲力调整在好的范围内。如图4所示,第一夹角a1与第二夹角a2的开口方向相反,使气流对第一动叶栅14形成好的进气冲力和排气反冲力,使第一动叶栅14在冲力和反冲力综合作用下与定子形成相对旋转运动。同理,第二夹角a2和第三夹角a3开口方向相反,第三夹角a3与第四夹角a4开口方向相反。这种结构进一步保证气流从出气道25喷出后在动叶栅和静叶栅间呈“S”形流线向涡壳内壁方向膨胀扩散流动,以大的冲量和反冲量给动叶片提供周向力矩,推动转子旋转对外做功。
出气道25中心线在出气道出口端点处的切线与经过该端点的喷嘴叶栅5的半径之间设置第五夹角a5,第一气道26的中心线在第一气道26进口端点处的切线与经过该端点的动叶盘19的半径之间设置第六夹角a6,第五夹角a5和第六夹角a6角度相等,第一气道26的中心线在第一气道26出口端点处的切线与经过该端点的动叶盘19的半径之间设置第七夹角a7,第二气道27的中心线在第二气道27进口 端点处的切线与经过该端点的第一级静叶盘2的半径之间设置第八夹角a8,第七夹角a7和第八夹角a8角度相等,所述第三气道28的中心线在第三气道28进口端点处的切线与经过该端点的动叶盘19的半径之间设置第九夹角a9;第三气道28的中心线在第三气道28出口端点处的切线与经过该端点的动叶盘19的半径之间设置第十夹角a10,第九夹角a9与第十夹角a10角度相等。本发明所述的第五夹角a5、第六夹角a6、第七夹角a7、第八夹角a8、第九夹角a9与第十夹角a10的角度均为50°-89°,优选60°-75°。这种优选角度,能够进一步保证气流由气道流出后的膨胀扩散速度在更好的范围内。
本发明更进一步优选的方案是:导流叶片22的高度小于第二动叶片23的高度,导流叶片22的高度大于第一动叶片21的高度,第一动叶片21的高度大于喷嘴叶片20的高度。上述结构为了减少出气损失,各种叶片的高度由内而外逐渐增高,喷嘴叶片20的高度低于第一动叶片21的高度,第一动叶片21的高度低于导流叶片22的高度,导流叶片22的高度低于第二动叶片23的高度。各圆环上的叶片由内向外逐渐增高,使气流从中心向外层膨胀流动时,降低沿轴向存在的散射,减少气体损失。所述喷嘴叶片20、第一动叶片21、第二动叶片23及导流叶片22均为弧形叶片,各自沿对应的圆环形均匀排列。各叶片的安装位置如附图所示。
本发明所述进气管6位于涡壳芯点中心部位,进气管6与本发明所述各种部件的结构组成的涡轮机使气体向涡轮机上的各叶栅的圆环外圆方向流动,与离心方向相同,有效避免了离心损失。本发明所述导流体4的高度大于喷嘴叶片的高度。本发明所述输出轴18上安装轴承17及支承系统16均为公知结构。
本发明所述涡轮机工作时,进气管6与内燃机的排气管道相接,气体经进气管6进入后通过导流体4将气流强制变向径向流动,再经喷嘴叶栅5的出气道25喷出,喷出的气流进入第一气道26,第一动叶栅产生的周向力矩推动第一动叶栅转动做功,第一动叶栅做功后流出的气体通常被称为排气余速,还有很多内能,为了进一步提高排气的做功效率,可设置两级做功模式,以降低余速损失。第一动叶栅做功后的气体流入第二气道,经过导流叶片改变气流方向,再进入第二动叶栅的第三气道,推动第二动叶栅转动做功。以此类推,可以根据实际需要,做成多级动叶栅和静叶栅。