CN110953110B - 一种整流式液涡轮机及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整流式液涡轮机及其工作方法，其中整流式液涡轮机包括液轮缸、涡轮、主轴和至少一对动力缸组件，涡轮通过主轴安装于液轮缸内，涡轮将液轮缸的内腔分隔成进油腔和出油腔，动力缸组件包括动力缸和工形活塞，工形活塞将动力缸分成三个动力腔，此三个动力腔分别为动力液腔、润滑散热液腔和动力气腔，动力液腔的出口通过第一油管与进油腔连接，动力液腔的入口通过第二油管与出油腔连接；同一对动力缸组件中的两个润滑散热液腔之间通过两条第三油管连接以形成润滑散热液流环路；动力气腔设有进气门和排气门；第一油管和第二油管均设有对向电磁阀。本发明采用液体油作为介质驱动涡轮做功，减少能量损失，提高内能的利用率提供必要条件。

Description

一种整流式液涡轮机及其工作方法

技术领域

本发明涉及热机技术领域，具体涉及一种整流式液涡轮机及其工作方法。

背景技术

热机中的内燃机利用燃料在缸内燃烧形成高温高压的燃气膨胀推动活塞做功，而连杆和曲轴将活塞的往复的直线运动转转成圆周运动，连杆和曲轴的固态连接给燃气做功带来固定的压缩比和膨胀比，极难改变，很难进一步提高热效率。而热机中的汽轮机或燃气轮机同样是利用高温高压的水蒸气或高温高压的燃气直接以气态的形式驱动叶轮对外做功，造成如汽轮机般工艺复杂，成本高，维护难，或燃气轮机那样燃气膨胀不足，尾气带走大量能量热能效率低下。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种整流式液涡轮机。此整流式液涡轮机的效率高，可降低油耗，动力传输平稳。

本发明的另一目的是提供了一种整流式液涡轮机的工作方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：本整流式液涡轮机，包括液轮缸、涡轮、主轴和至少一对动力缸组件，所述涡轮通过主轴安装于液轮缸内，且所述涡轮将液轮缸的内腔分隔成进油腔和出油腔，所述动力缸组件包括动力缸和工形活塞，所述工形活塞将动力缸分成三个动力腔，此三个动力腔分别为动力液腔、润滑散热液腔和动力气腔，所述动力液腔的出口通过第一油管与进油腔连接，所述动力液腔的入口通过第二油管与出油腔连接；同一对动力缸组件中的两个润滑散热液腔之间通过第三油管连接以形成润滑散热液流环路，所述动力气腔设有进气门和排气门，所述第一油管和第二油管均设有对向电磁阀。

优选的，所述动力缸包括主体缸和截面小于主体缸的辅体缸，所述主体缸和辅体缸连接，所述工形活塞包括第一活塞板、第二活塞板和连接杆，所述第一活塞板位于主体缸内，所述第二活塞板位于辅体缸内，所述第一活塞板和第二活塞板之间通过连接杆连接；所述第一活塞板和第二活塞板将主体缸的内腔和辅体缸的内腔一起分隔成动力液腔、润滑散热液腔和动力气腔。

优选的，所述动力缸还包括延伸缸，所述延伸缸与主体缸连接，且所述延伸缸的内腔与润滑散热液腔相通。

优选的，所述的整流式液涡轮机还包括工作液调节器，此工作液调节器包括油箱、换油管和油泵，所述油泵的抽油口与油箱的出口连接，所述油泵的出油口通过换油管与出油腔或进油腔连接。

优选的，所述的整流式液涡轮机还包括散热装置，此散热装置包括第一散热器和散热管路，所述第一散热器通过散热管路与出油腔或进油腔连接。

优选的，所述进油腔和出油腔之间连接有导通管，此导通管设有反向压力阈值阀门。

优选的，所述进油腔的入口设有虹膜式液体流速调节圈，所述进油腔设有压力传感器。

优选的，所述动力液腔内设有用于检测工形活塞的位移传感器。

一种基于上述的整流式液涡轮机的工作方法，包括以下步骤：

每对动力缸分别为第一动力缸和第二动力缸，进油腔、出油腔、动力液腔和润滑散热液腔均充满了液体油；初始状态时，位于第一动力缸和第二动力缸的进气门和排气门都处于闭合状态，第一动力气缸中的第二活塞板位于第一动力气缸的动力气腔的外端，第一动力气缸中的第一活塞板位于第一动力气缸的动力液腔的外端，而第二动力气缸中的第二活塞板位于第二动力气缸的动力气腔的内端，第二动力气缸中的第一活塞板位于第二动力气缸的动力液腔的内端；

第一行程：第一动力缸的进气门和排气门分别处于打开和闭合状态，而第二动力缸的进气门和排气门分别关于闭合和打开状态，第一动力缸与进油腔之间的第一油管上的对向电磁阀打开，第一动力缸与出油腔之间的第二油管上的对向电磁阀关闭，第二动力缸与进油腔之间的第一油管上的对向电磁阀关闭，第二动力缸与出油腔之间的第二油管上的对向电磁阀打开；此时向第一动力缸中的动力气腔注入高温高压气体，此高温高压气体推动第一动力缸内的工形活塞运动；第一动力缸中的第二活塞板自第一动力缸的动力气腔的外端向内端移动，同时第一动力气缸中的第一活塞板从第一动力气缸的动力液腔的外端向内端移动，以将第一动力缸内的动力液腔的液体油压出，这些被压出的液体油进入进油腔后流向出油腔，从而推动涡轮转动做功；在做功的过程中，随着出油腔内的压力升高，则出油腔内的液体油经相应的第二油管进入第二动力缸中的动力液腔，以推动第二动力缸内的工形活塞运动，并将第二动力缸内的动力气腔的气体排出；

第二行程：第一动力缸的进气门和排气门分别处于闭合和打开状态，而第二动力缸的进气门和排气门分别关于打开和闭合状态，第一动力缸与进油腔之间的第一油管上的对向电磁阀关闭，第一动力缸与出油腔之间的第二油管上的对向电磁阀打开，第二动力缸与进油腔之间的第一油管上的对向电磁阀打开，第二动力缸与出油腔之间的第二油管上的对向电磁阀关闭；此时向第二动力缸中的动力气腔注入高温高压气体，此高温高压推动第二动力缸内的工形活塞运动；第二动力缸中的第二活塞板自第二动力缸的动力气腔的外端向内端移动，同时第二动力气缸中的第一活塞板从第二动力气缸的动力液腔的外端向内端移动，以将第二动力缸内的动力液腔的液体油压出，这些被压出的液体油进入进油腔后流向出油腔，从而推动涡轮转动做功；在做功的过程中，随着出油腔内的压力升高，则出油腔内的液体油经相应的第二油管进入第一动力缸中的动力液腔，以推动第一动力缸内的工形活塞运动，并将第一动力缸内的动力气腔的气体排出；

重复第一行程和第二行程，从而可让涡轮持续做功。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

1、本发明中在动力缸设置有动力液腔、润滑散热液腔、动力气腔和工形活塞，将液体油作为传递能量的介质，且工形活塞的小面积的第二活塞板受到的压力全部传递给大面积的第二活塞板，使得动力液腔内的压强大幅的减小，将高温高压气体的内能转换成适合液涡轮机运转的工况，并保持可接近高效水轮机般的90％效率高能效比转动输出。同时高温高压气体进入到动力缸内的动力气腔，高温高压气体在动力气腔内充分膨胀做功，高膨胀比使气体内能在液体油作为介质的情况下充分驱动涡轮做功转化成机械能，使得尾气温度降低和动力缸内的工作温度降低，从而减少能量损失，为提高内能的利用率提供必要条件。

2、本发明中动力组件的量具有多个，且每对动力缸组件的启动可根据动力的需要而启动，通过液体的流速来控制涡轮来传递能量，故本发明中的动力组件具有自带液力变矩器的属性，能在一定范围内自动输出功耗，便于在多变的条件下使用，因此可进一步降低油耗，同时在安装时也不用纠结发动机的摆放问题。

3、本发明中动力缸组件的数量可根据动力的需要而设置，故可在较大动力范围内均可提供充足的动力，故适用范围广。

4、与汽轮机和燃气轮机用气态直接驱动涡轮相比，本发明中在动力缸采用工形活塞结构，这能更好提高动力缸对高温高压气体的温度和压力的耐受性，还能大幅减轻工艺难度，为提高热机的效率行成有利条件；能很方便据工况需求调整动力缸的大小和动力缸的对数，以满足不同的设备的需求，避免成类似超大型汽轮机技术门槛高，维护难，而小型化时燃气膨胀不足效率低的境地。

5、与内燃机相比，本发明采用液体推涡轮传递能量的方式，液体的非刚性连接彻底摆脱连杆和曲轴间联动限制，动力缸在进气门和出气门的调控下，能使高温高压气体获得足够大的膨胀比，从而大幅降低动力缸的工作温度和尾气排放温度，使缸体和尾气内能损失大幅降低，提高整机效率。进气门前端采用空气压缩机把空气压入燃烧室内和燃料混合燃烧生成高温高压气体再导入到整流式液涡轮机对外做功这种燃烧和做功分离的方式可行，类似地，把吸气、喷油嘴和火花塞等装置增置到动力气缸的内，就变成内燃机的工作方式同样可行，但和传统的内燃机不同的是通过气门的调节能极为方便的获得不同的压缩比和膨胀比来适应不同输出工况，进而提高效率。

6、日常中内燃机最多使用在汽车上，而自动挡汽车使用最多则是AT变速箱，相对地，AT变速箱比CVT变速箱和DCT变速箱费油些，主要是由于AT变速箱的行星齿轮前有液油传动的液力变矩器的损耗，而本发明的整流式液涡轮机本身就自带液力变矩器的属性，能在不用液力变矩器后直连变速的行星齿轮，加上整流式液涡轮机的气缸内可变压缩比和膨胀比的加持能使油耗必然的下降。

附图说明

图1是本发明的整流式液涡轮机的第一行程工作状态示意图。

图2是本发明的整流式液涡轮机的第二行程工作状态示意图。

其中，1为液轮缸，2为涡轮，3为主轴，4为动力缸组件，5为进油腔，6为出油腔，7为动力缸，8为工形活塞，9为动力液腔，10为润滑散热液腔，11为动力气腔，12为第一油管，13为第二油管，14为进气门，15为排气门，16为电磁阀，17为工作液调节器，18为油箱，19为换油管，20为油泵，21为散热装置，22为第一散热器，23为散热管路，24为导通管，25为反向压力阈值阀门，26为虹膜式液体流速调节圈，27为压力传感器，28为主体缸，29为辅体缸，30为第一活塞板，31为第二活塞板，32为连接杆，33为延伸缸，34为位移传感器，35为第三油管，36为第二散热器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示的整流式液涡轮机，包括液轮缸、涡轮、主轴和至少一对动力缸组件，所述涡轮通过主轴安装于液轮缸内，且所述涡轮将液轮缸的内腔分隔成进油腔和出油腔，所述动力缸组件包括动力缸和工形活塞，所述工形活塞将动力缸分成三个动力腔，此三个动力腔分别为动力液腔、润滑散热液腔和动力气腔，所述动力液腔的出口通过第一油管与进油腔连接，所述动力液腔的入口通过第二油管与出油腔连接；同一对动力缸组件中的两个润滑散热液腔之间通过第三油管连接以形成润滑散热液流环路，所述动力气腔设有进气门和排气门，所述第一油管和第二油管均设有对向电磁阀。第一油管和第二油管均采用密封环分别与进油腔和出油腔连接，以保证连接的气密性，保证热机的性能。同时，第一油管和第二油管均设置对向电磁阀，令第一油管和第二油管的通闭具有联动的效果，进一步提高了工作的可靠性。而为进一步提高润滑散热液腔的散热效果，第三油管连接有第二散热器。

所述动力缸包括主体缸和截面小于主体缸的辅体缸，所述主体缸和辅体缸连接，所述工形活塞包括第一活塞板、第二活塞板和连接杆，所述第一活塞板位于主体缸内，所述第二活塞板位于辅体缸内，所述第一活塞板和第二活塞板之间通过连接杆连接；所述第一活塞板和第二活塞板将主体缸的内腔和辅体缸的内腔一起分隔成动力液腔、润滑散热液腔和动力气腔。此结构简单，方便制造安装。具体的，工形活塞主要由第一活塞板、第二活塞板和连接杆构成，因第一活塞板的面积大于第二活塞板的面积，则第一活塞通过连接杆与第二活塞板连接形成工形结构的工形活塞。在工作过程，高温高压气体进入动力气腔内时，高温高压气体对面积较小的第二活塞板施加压力，从而驱动大面积的第一活塞板向动力液腔的内端移动(即靠近渡轮缸方向的一端)，令位于动力液腔内的液体油从第一油管进入进油腔，并从进油腔流向出油腔的过程中推动涡轮做功。

所述动力缸还包括延伸缸，所述延伸缸与主体缸连接，且所述延伸缸的内腔与润滑散热液腔相通。这利用延伸缸增大润滑散热液腔的容积，从而保证动力缸可提供充足的动力。延伸缸内的液体油可对工形活塞起到润滑作用，同时还起到散热效果，以保证工作活塞的工作性能，保证动力缸工作的可行进行。

所述的整流式液涡轮机还包括工作液调节器，此工作液调节器包括油箱、换油管和油泵，所述油泵的抽油口与油箱的出口连接，所述油泵的出油口通过换油管与出油腔或进油腔连接。此工作液调节器可及时补充进油腔和出油腔中油耗，以保证进油腔和出油腔中的液压，从而保证工作高效的进行。工作油调节器的调整下，还能调整工形活塞的运动行程，以满足不同燃料所需的工况，也就能在不同燃料下正常工作。

所述的整流式液涡轮机还包括散热装置，此散热装置包括第一散热器和散热管路，所述第一散热器通过散热管路与出油腔或进油腔连接。散热装置进一步降低动力液腔和液轮缸内的液体油的温度，以保证工作的有效进行。具体的，第一散热器和第二散热器均采用现有的散热器，这可减少设计成本。

所述进油腔和出油腔之间连接有导通管，此导通管设有反向压力阈值阀门。反向压力阈值阀门可让涡轮在惯性转动时，不超过压力阈值，保护涡轮的叶片，同时为动力缸的运行提供信号。

所述进油腔的入口设有虹膜式液体流速调节圈，所述进油腔设有压力传感器。利用虹膜式液体流速调节圈可控制油液进入进油腔内的流速，同时压力传感器实时监测进油腔内的液压。这采用虹膜式液体流速调节圈和压力传感器结合，可精准控制油液流过涡轮的速度，以确实动力满足输出要求。

所述动力液腔内设有用于检测工形活塞的位移传感器。采用位移传感器实时检测工形活塞的活动情况，以确实工形活塞的工作是否正常运行。

一种基于上述的整流式液涡轮机的工作方法，包括以下步骤：

每对动力缸分别为第一动力缸和第二动力缸，进油腔、出油腔、动力液腔和润滑散热液腔均充满了液体油；初始状态时，位于第一动力缸和第二动力缸的进气门和排气门都处于闭合状态，第一动力气缸中的第二活塞板位于第一动力气缸的动力气腔的外端，第一动力气缸中的第一活塞板位于第一动力气缸的动力液腔的外端，而第二动力气缸中的第二活塞板位于第二动力气缸的动力气腔的内端，第二动力气缸中的第一活塞板位于第二动力气缸的动力液腔的内端；

第一行程：第一动力缸的进气门和排气门分别处于打开和闭合状态，而第二动力缸的进气门和排气门分别关于闭合和打开状态，第一动力缸与进油腔之间的第一油管上的对向电磁阀打开，第一动力缸与出油腔之间的第二油管上的对向电磁阀关闭，第二动力缸与进油腔之间的第一油管上的对向电磁阀关闭，第二动力缸与出油腔之间的第二油管上的对向电磁阀打开；此时向第一动力缸中的动力气腔注入高温高压气体，此高温高压气体推动第一动力缸内的工形活塞运动；第一动力缸中的第二活塞板自第一动力缸的动力气腔的外端向内端移动，同时第一动力气缸中的第一活塞板从第一动力气缸的动力液腔的外端向内端移动，以将第一动力缸内的动力液腔的液体油压出，这些被压出的液体油进入进油腔后流向出油腔，从而推动涡轮转动做功；在做功的过程中，随着出油腔内的压力升高，则出油腔内的液体油经相应的第二油管进入第二动力缸中的动力液腔，以推动第二动力缸内的工形活塞运动，并将第二动力缸内的动力气腔的气体排出；

第二行程：第一动力缸的进气门和排气门分别处于闭合和打开状态，而第二动力缸的进气门和排气门分别关于打开和闭合状态，第一动力缸与进油腔之间的第一油管上的对向电磁阀关闭，第一动力缸与出油腔之间的第二油管上的对向电磁阀打开，第二动力缸与进油腔之间的第一油管上的对向电磁阀打开，第二动力缸与出油腔之间的第二油管上的对向电磁阀关闭；此时向第二动力缸中的动力气腔注入高温高压气体，此高温高压推动第二动力缸内的工形活塞运动；第二动力缸中的第二活塞板自第二动力缸的动力气腔的外端向内端移动，同时第二动力气缸中的第一活塞板从第二动力气缸的动力液腔的外端向内端移动，以将第二动力缸内的动力液腔的液体油压出，这些被压出的液体油进入进油腔后流向出油腔，从而推动涡轮转动做功；在做功的过程中，随着出油腔内的压力升高，则出油腔内的液体油经相应的第二油管进入第一动力缸中的动力液腔，以推动第一动力缸内的工形活塞运动，并将第一动力缸内的动力气腔的气体排出；

重复第一行程和第二行程，从而可让涡轮持续做功。

具体的，在第一行程中，第一动力缸内的工形活塞驱动液体油从第一动力缸内的动力液腔压出后，并依次从第一油管、进油腔、出油腔、第二油管和第二动力缸内的动力液腔，液体油在此流动的过程中推动涡轮做功；而在第二行程中，第二动力缸内的工形活塞驱动液体油从第二动力缸内的动力液腔压出后，并依次从第一油管、进油腔、出油腔、第二油管和第一动力缸内的动力液腔，液体油在此流动的过程中推动涡轮做功。由此可此，液体油通过在第一动力缸内的动力液腔压、第一油管、进油腔、出油腔、第二油管和第二动力缸内的动力液腔之间循环往复流动，以推动涡轮做功。在此过程中，液体油作为介质，将高温高压气体的能量通过液力传动的方式输送到涡轮处做功转化成机械能，从而提高了能量的利用率。同时，根据需求，增加动力缸的数量，以增加整机的输出功率，还保证涡轮内液流更平稳，更高效运转。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种整流式液涡轮机，其特征在于：包括液轮缸、涡轮、主轴和至少一对动力缸组件，所述涡轮通过主轴安装于液轮缸内，且所述涡轮将液轮缸的内腔分隔成进油腔和出油腔，所述动力缸组件包括动力缸和工形活塞，所述工形活塞将动力缸分成三个动力腔，此三个动力腔分别为动力液腔、润滑散热液腔和动力气腔，所述动力液腔的出口通过第一油管与进油腔连接，所述动力液腔的入口通过第二油管与出油腔连接；同一对动力缸组件中的两个润滑散热液腔之间通过第三油管连接以形成润滑散热液流环路，所述动力气腔设有进气门和排气门，所述第一油管和第二油管均设有对向电磁阀。

2.根据权利要求1所述的整流式液涡轮机，其特征在于：所述动力缸包括主体缸和截面小于主体缸的辅体缸，所述主体缸和辅体缸连接，所述工形活塞包括第一活塞板、第二活塞板和连接杆，所述第一活塞板位于主体缸内，所述第二活塞板位于辅体缸内，所述第一活塞板和第二活塞板之间通过连接杆连接；所述第一活塞板和第二活塞板将主体缸的内腔和辅体缸的内腔一起分隔成动力液腔、润滑散热液腔和动力气腔。

3.根据权利要求2所述的整流式液涡轮机，其特征在于：所述动力缸还包括延伸缸，所述延伸缸与主体缸连接，且所述延伸缸的内腔与润滑散热液腔相通。

4.根据权利要求1所述的整流式液涡轮机，其特征在于：还包括工作液调节器，此工作液调节器包括油箱、换油管和油泵，所述油泵的抽油口与油箱的出口连接，所述油泵的出油口通过换油管与出油腔或进油腔连接。

5.根据权利要求1所述的整流式液涡轮机，其特征在于：还包括散热装置，此散热装置包括第一散热器和散热管路，所述第一散热器通过散热管路与出油腔或进油腔连接。

6.根据权利要求1所述的整流式液涡轮机，其特征在于：所述进油腔和出油腔之间连接有导通管，此导通管设有反向压力阈值阀门。

7.根据权利要求1所述的整流式液涡轮机，其特征在于：所述进油腔的入口设有虹膜式液体流速调节圈，所述进油腔设有压力传感器。

8.根据权利要求1所述的整流式液涡轮机，其特征在于：所述动力液腔内设有用于检测工形活塞的位移传感器。

9.一种基于权利要求1～8任意一项所述的整流式液涡轮机的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

每对动力缸分别为第一动力缸和第二动力缸，进油腔、出油腔、动力液腔和润滑散热液腔均充满了液体油；初始状态时，位于第一动力缸和第二动力缸的进气门和排气门都处于闭合状态，第一动力气缸中的第二活塞板位于第一动力气缸的动力气腔的外端，第一动力气缸中的第一活塞板位于第一动力气缸的动力液腔的外端，而第二动力气缸中的第二活塞板位于第二动力气缸的动力气腔的内端，第二动力气缸中的第一活塞板位于第二动力气缸的动力液腔的内端；

第一行程：第一动力缸的进气门和排气门分别处于打开和闭合状态，而第二动力缸的进气门和排气门分别关于闭合和打开状态，第一动力缸与进油腔之间的第一油管上的对向电磁阀打开，第一动力缸与出油腔之间的第二油管上的对向电磁阀关闭，第二动力缸与进油腔之间的第一油管上的对向电磁阀关闭，第二动力缸与出油腔之间的第二油管上的对向电磁阀打开；此时向第一动力缸中的动力气腔注入高温高压气体，此高温高压气体推动第一动力缸内的工形活塞运动；第一动力缸中的第二活塞板自第一动力缸的动力气腔的外端向内端移动，同时第一动力气缸中的第一活塞板从第一动力气缸的动力液腔的外端向内端移动，以将第一动力缸内的动力液腔的液体油压出，这些被压出的液体油进入进油腔后流向出油腔，从而推动涡轮转动做功；在做功的过程中，随着出油腔内的压力升高，则出油腔内的液体油经相应的第二油管进入第二动力缸中的动力液腔，以推动第二动力缸内的工形活塞运动，并将第二动力缸内的动力气腔的气体排出；

第二行程：第一动力缸的进气门和排气门分别处于闭合和打开状态，而第二动力缸的进气门和排气门分别关于打开和闭合状态，第一动力缸与进油腔之间的第一油管上的对向电磁阀关闭，第一动力缸与出油腔之间的第二油管上的对向电磁阀打开，第二动力缸与进油腔之间的第一油管上的对向电磁阀打开，第二动力缸与出油腔之间的第二油管上的对向电磁阀关闭；此时向第二动力缸中的动力气腔注入高温高压气体，此高温高压推动第二动力缸内的工形活塞运动；第二动力缸中的第二活塞板自第二动力缸的动力气腔的外端向内端移动，同时第二动力气缸中的第一活塞板从第二动力气缸的动力液腔的外端向内端移动，以将第二动力缸内的动力液腔的液体油压出，这些被压出的液体油进入进油腔后流向出油腔，从而推动涡轮转动做功；在做功的过程中，随着出油腔内的压力升高，则出油腔内的液体油经相应的第二油管进入第一动力缸中的动力液腔，以推动第一动力缸内的工形活塞运动，并将第一动力缸内的动力气腔的气体排出；

重复第一行程和第二行程，从而可让涡轮持续做功。

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