CN111502778B - 一种微型单组元涡轮发动机 - Google Patents

一种微型单组元涡轮发动机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微型单组元涡轮发动机，包括排气电磁阀、尾气收集装置、尾气收集电磁阀、微型涡轮膨胀机、转速传感器、扭矩传感器、负载端和催化装置等；所述微型涡轮膨胀机的具体结构为：包括进气口、左壳体、涡轮转子、涡轮轴、导向叶片、右壳体和排气口等；本发明采用的是微型涡轮膨胀机作为核心工作部件，微型涡轮膨胀机结构包括壳体、转子、导向装置；其中壳体加工为左右两半，并在壳体上加工有变截面进气道；转子为闭式轮盘径流叶轮，导向装置加工在膨胀机壳体内部使得结构更加紧凑，零件少；导向装置的叶片采用气动叶型；本发明采用的是数字控制，设置有单片机为核心的控制器，电磁阀以及压力传感器、转速传感器、扭矩传感器。

Description

一种微型单组元涡轮发动机
技术领域
本发明涉及涡轮发动机技术领域，特别涉及一种微型单组元涡轮发动机。
背景技术
目前的微型燃料涡轮发动机主要以石化能源为燃料，且必须工作在有氧环境，在一些极端环境下，就很难达到工作要求。而且微型燃气轮机存在混合气形成困难、燃烧不良等现象，使得其效率普遍偏低，另外由于还要配备复杂的供油点火系统,使其系统复杂性增加；以化学电池或燃料电池为动力源的电动动力装置，由于其要携带电池包，从而导致系统的能量密度和功率密度降低；近年来随着环保要求的不断提升，对于内燃机设备的尾气污染物提出了更加严格的要求；综上所述，如何满足在极端环境和条件下的供能问题，成为本领域技术人员所要解决的问题。
高浓度过氧化氢在催化剂作用下会快速分解为水蒸气和氧气,释放出大量热能，分解过程无需吸入空气,分解产物对环境无任何污染,被视为绿色能源。若将高浓度过氧化氢通过催化或高温分解，将其蕴有的化学能转化为高温高压的气态工质的热力学能来驱动微型涡轮旋转，进而产生所需的机械能量。本发明就是利用这一技术，提供一种微型单组元涡轮发动机，该微型发动机无需点火启动装置，无需有氧条件，并且具有能量密度高、功率密度大等优点。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种微型单组元涡轮发动机，以满足在极端环境和条件的功能需求，同时在常规环境下可有效解决燃料燃烧的产生的污染问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种技术方案：一种微型单组元涡轮发动机，包括：燃料罐、燃料加注口、压力表、电控单元、流量电磁阀和紧急排放阀，所述燃料罐上方设有燃料加注口和压力表，所述燃料罐下方出口端设有流量电磁阀和紧急排放阀，其创新点在于：还包括排气电磁阀、尾气收集装置、尾气收集电磁阀、微型涡轮膨胀机、转速传感器、扭矩传感器、负载端和催化装置；所述微型涡轮膨胀机的具体结构为：包括进气口、左壳体、涡轮转子、涡轮轴、导向叶片、右壳体和排气口；所述左壳体与右壳体之间通过螺栓进行连接组装，所述左壳体与右壳体中设有变截面进气道，所述变截面进气道中间设有涡轮转子和导向叶片，所述导向叶片设置在左壳体内部上，所述涡轮转子安装于导向叶片所构成的环形导向器中间，所述进气口设置在左壳体上，所述排气口设置在右壳体上，所述涡轮转子的中心轮毂通过键连接与涡轮轴相连；所述涡轮轴与负载端之间传动连接在一起；所述催化装置的一端与流量电磁阀的出口端相连通，所述催化装置的另一端与微型涡轮膨胀机的进气口相连通；所述微型涡轮膨胀机的排气口设有两路出口，一路与大气直接相通的排气电磁阀相连通，另一路与依次与尾气收集电磁阀和尾气收集装置相连通；所述负载端上设有转速传感器和扭矩传感器；所述电控单元分别与压力表、尾气收集电磁阀、转速传感器、扭矩传感器和流量电磁阀电连接在一起。
作为优选，所述紧急排放阀为可在紧急情况下手动打开燃料罐释放燃料的手动截止阀。
作为优选，所述导向叶片为气动型叶片。
作为优选，所述电控单元单片机控制器。
作为优选，所述尾气收集装置为带有冷凝器的尾气收集装置。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用的是微型涡轮膨胀机作为核心工作部件，微型涡轮膨胀机结构包括壳体、转子、导向装置；其中壳体加工为左右两半，并在壳体上加工有变截面进气道；转子为闭式轮盘径流叶轮，导向装置加工在膨胀机壳体内部使得结构更加紧凑，零件少；导向装置的叶片采用气动叶型。
(2)本发明采用的是数字控制，设置有单片机为核心的控制器，电磁阀以及压力传感器、转速传感器、扭矩传感器。
(3)本发明设有尾气回收装置，因为高浓度过氧化氢分解后的气体主要成分为水蒸气和氧气，所以可将做功完成后的尾气收集起来再利用。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明微型涡轮膨胀机左壳体及涡轮转子结构图。
图3为本发明微型涡轮膨胀机右壳体结构图。
1-燃料罐；2-燃料加注口；3-压力表；4-电控单元；5-排气电磁阀；6-尾气收集装置；7-尾气收集电磁阀；8-微型涡轮膨胀机；9-转速传感器；10-扭矩传感器；11-负载端；12-催化装置；13-流量电磁阀；14-紧急排放阀；15-进气口；16-左壳体；17-涡轮转子；18-涡轮轴；19-导向叶片；20-右壳体；21-排气口。
具体实施方式
如图1至图3所示，本具体实施方式采用以下技术方案：一种微型单组元涡轮发动机，包括：燃料罐1、燃料加注口2、压力表3、电控单元4、流量电磁阀13和紧急排放阀14，所述燃料罐1上方设有燃料加注口2和压力表3，所述燃料罐1下方出口端设有流量电磁阀13和紧急排放阀14，还包括排气电磁阀5、尾气收集装置6、尾气收集电磁阀7、微型涡轮膨胀机8、转速传感器9、扭矩传感器10、负载端11和催化装置12；所述微型涡轮膨胀机8的具体结构为：包括进气口15、左壳体16、涡轮转子17、涡轮轴18、导向叶片19、右壳体20和排气口21；所述左壳体16与右壳体20之间通过螺栓进行连接组装，所述左壳体16与右壳体20中设有变截面进气道，所述变截面进气道中间设有涡轮转子17和导向叶片19，所述导向叶片19设置在左壳体16内部上，所述涡轮转子17安装于导向叶片19所构成的环形导向器中间，所述进气口15设置在左壳体16上，所述排气口21设置在右壳体20上，所述涡轮转子17的中心轮毂通过键连接与涡轮轴18相连；所述涡轮轴18与负载端11之间传动连接在一起；所述催化装置12的一端与流量电磁阀13的出口端相连通，所述催化装置12的另一端与微型涡轮膨胀机8的进气口15相连通；所述微型涡轮膨胀机8的排气口21设有两路出口，一路与大气直接相通的排气电磁阀5相连通，另一路与依次与尾气收集电磁阀7和尾气收集装置6相连通；所述负载端11上设有转速传感器9和扭矩传感器10；所述电控单元4分别与压力表3、尾气收集电磁阀7、转速传感器9、扭矩传感器10和流量电磁阀13电连接在一起。
其中，所述紧急排放阀14为可在紧急情况下手动打开燃料罐1释放燃料的手动截止阀；所述导向叶片19为气动型叶片；所述电控单元4单片机控制器；所述尾气收集装置6为带有冷凝器的尾气收集装置。
本发明的使用状态为：压力表3中的压力传感器的输出接至电控单元4的相应输入端；流量电磁阀13和尾气收集电磁阀7的控制端分别与电控单元4的相应输出端连接；微型涡轮膨胀机上的转速传感器9和扭矩传感器10的输出端接至电控单元4的相应输入端；
工作时，电控单元4可根据收集的压力表3、转速传感器8和扭矩传感器9的信号，并根据负载端11的工作需求，及时地发送信号控制流量电磁阀13，进而控制燃料的供给，实现系统的自动控制。
本微型单组元涡轮发动机通过催化装置12将高浓度过氧化氢燃料催化分解为高温高压的工质气体，从而驱动涡轮转子17转动，进而带动负载端11工作，由于过氧化氢催化分解不需要氧气，因此本微型单组元涡轮发动机可以适用于非常规环境下，如太空、地下、水下、极地等极端条件下，同时排放的尾气还可进行收集回收再利用。
微型涡轮膨胀机8的壳体被加工为左右对称的两个部分，在左右壳体上分别加工出截面为半圆形的变截面进气道，左右壳体通过螺栓紧固密封连接后，就形成了一个圆形的变截面进气道；在左壳体16内部加工有导向叶片19，在右壳体20中心位置加工有排气口21；高浓度过氧化氢通过催化装置12催化分解后形成的高温高压工质气体通过进气口15进入变截面进气道，通过导向叶片19的导向作用后，进入到涡轮转子17的入口流道，进而冲击转子叶片推动涡轮转子17转动，工质气体做功后沿着涡轮转子17的出口流道从右壳体20上的排气口21排出，涡轮转子17采用闭式轮盘径流涡轮结构，采取径向进气轴向出气的方式。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
本发明的控制方式是通过人工启动和关闭开关来控制，动力元件的接线图与电源的提供属于本领域的公知常识，并且本发明主要用来保护机械装置，所以本发明不再详细解释控制方式和接线布置。

Claims (5)

1.一种微型单组元涡轮发动机，包括：燃料罐(1)、燃料加注口(2)、压力表(3)、电控单元(4)、流量电磁阀(13)和紧急排放阀(14)，所述燃料罐(1)上方设有燃料加注口(2)和压力表(3)，所述燃料罐(1)下方出口端设有流量电磁阀(13)和紧急排放阀(14)，其特征在于：还包括排气电磁阀(5)、尾气收集装置(6)、尾气收集电磁阀(7)、微型涡轮膨胀机(8)、转速传感器(9)、扭矩传感器(10)、负载端(11)和催化装置(12)；
所述微型涡轮膨胀机(8)的具体结构为：包括进气口(15)、左壳体(16)、涡轮转子(17)、涡轮轴(18)、导向叶片(19)、右壳体(20)和排气口(21)；
所述左壳体(16)与右壳体(20)之间通过螺栓进行连接组装，所述左壳体(16)与右壳体(20)中设有变截面进气道，所述变截面进气道中间设有涡轮转子(17)和导向叶片(19)，所述导向叶片(19)设置在左壳体(16)内部上，所述涡轮转子(17)安装于导向叶片(19)所构成的环形导向器中间，所述进气口(15)设置在左壳体(16)上，所述排气口(21)设置在右壳体(20)上，所述涡轮转子(17)的中心轮毂通过键连接与涡轮轴(18)相连；
所述涡轮轴(18)与负载端(11)之间传动连接在一起；
所述催化装置(12)的一端与流量电磁阀(13)的出口端相连通，所述催化装置(12)的另一端与微型涡轮膨胀机(8)的进气口(15)相连通；
所述微型涡轮膨胀机(8)的排气口(21)设有两路出口，一路与大气直接相通的排气电磁阀(5)相连通，另一路与依次与尾气收集电磁阀(7)和尾气收集装置(6)相连通；
所述负载端(11)上设有转速传感器(9)和扭矩传感器(10)；
所述电控单元(4)分别与压力表(3)、尾气收集电磁阀(7)、转速传感器(9)、扭矩传感器(10)和流量电磁阀(13)电连接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种微型单组元涡轮发动机，其特征在于：所述紧急排放阀(14)为可在紧急情况下手动打开燃料罐(1)释放燃料的手动截止阀。
3.根据权利要求1所述的一种微型单组元涡轮发动机，其特征在于：所述导向叶片(19)为气动型叶片。
4.根据权利要求1所述的一种微型单组元涡轮发动机，其特征在于：所述电控单元(4)单片机控制器。
5.根据权利要求1所述的一种微型单组元涡轮发动机，其特征在于：所述尾气收集装置(6)为带有冷凝器的尾气收集装置。
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