CN112682102B - 一种结构耦合式多级气动动力机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构耦合式多级气动动力机，包括储气罐、体积式活塞动力机构、速度式涡轮动力机构、动力耦合装置和控制单元，体积式活塞动力机构和速度式涡轮动力机构分别与储气罐连通，储气罐的出口处设置有单向阀，体积式活塞动力机构与速度式涡轮动力机构连通，体积式活塞动力机构通过第一输出轴与动力耦合装置连接，速度式涡轮动力机构通过第二输出轴与动力耦合装置连接，控制单元分别与体积式活塞动力机构和速度式涡轮动力机构连接。本发明的有益效果是解决了单缸往复式动力机存在上下止点启动困难问题，同时，解决了排气压力过大、不完全膨胀、损失大的问题，提高了活塞式动力机的输出功率和能量利用效率。

Description

一种结构耦合式多级气动动力机

技术领域

本发明涉及气动动力机技术领域，更具体的说是涉及一种结构耦合式多级气动动力机。

背景技术

目前，我国是能源消耗大国，能源供应需求在不断加剧，能源需求量的增加也伴随着与能源有关的一系列的问题发生，例如，环境污染严重，能源资源在逐渐减少。在目前情况下，迫切需要利用新的动力驱动装置来消除对矿物燃料的依赖，其中，在动力机技术领域中，压缩空气作为做功介质，对大气环境没有污染，自法国工程师NEGRE首次提出活塞式气动动力机的结构并将其应用于气动汽车之后逐渐被人们关注。

但是，迄今为止，国内外相关研究发现活塞式动力机的低速性能好，同时，也存在以下缺陷：由于转速升高输出扭矩减小、功率减小、耗气量大、能量利用效率低，此外，由于死点位置的存在导致活塞式气动动力机无法实现自启动，这些问题都制约着活塞式气动动力机的发展。

因此，如何提供一种是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供了一种通过活塞式和涡轮式结构相结合的耦合式多级气动动力机，以解决活塞式气动动力机启动问题，同时降低其排气损失，提高空气的能量利用效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种结构耦合式多级气动动力机，包括：储气罐、体积式活塞动力机构、速度式涡轮动力机构、动力耦合装置和控制单元，所述体积式活塞动力机构和所述速度式涡轮动力机构分别与所述储气罐通过管路连通，所述储气罐的出口处的管路上设置有单向阀，所述体积式活塞动力机构与所述速度式涡轮动力机构连通，所述体积式活塞动力机构通过第一输出轴与所述动力耦合装置连接，所述速度式涡轮动力机构通过第二输出轴与动力耦合装置连接，所述控制单元分别与所述体积式活塞动力机构和所述速度式涡轮动力机构连接，用于控制所述体积式活塞动力机构和所述速度式涡轮动力机构工作。

进一步地，所述体积式活塞动力机构包括气缸，所述气缸具有进气阀、排气阀、活塞和连杆，所述进气阀与所述排气阀均设置于所述气缸的顶部，所述进气阀与所述储气罐连通，所述排气阀分别与所述控制单元和所述速度式涡轮动力机构连接，所述连杆的一端与所述气缸内的所述活塞连接，另一端与所述第一输出轴连接。

进一步地，所述第一输出轴为曲轴，所述连杆与曲轴的连杆轴颈转动连接。

进一步地，所述速度式涡轮动力机构包括腔体，所述腔体具有第一排气口和进气口，且所述进气口分别与所述排气阀和所述储气罐连通，所述腔体的内部依次设置有I级轴流式涡轮、Ⅱ级径流式涡轮和Ⅲ级径流式涡轮，且三者并列设置并与所述第二输出轴连接。

进一步地，所述控制单元包括控制器、以及与所述控制器连接的第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀，所述第一电磁阀设于所述储气罐与所述进气口之间的管路上，所述第二电磁阀与所述排气阀连接，且所述第二电磁阀具有第二排气口，所述第三电磁阀设于所述排气阀与所述气缸之间的管路上。

进一步地，所述动力耦合装置具有第三输出轴。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种结构耦合式多级气动动力机，通过体积式活塞动力机构和速度式涡轮动力机构的耦合成多级气动动力机构，解决了单缸往复式动力机存在上下止点启动困难问题，同时，解决了进气压力与环境压力之比超过单级活塞式膨胀比时，排气压力过大、不完全膨胀、损失大的问题，提高了活塞式动力机的输出功率和能量利用效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的结构耦合式多级气动动力机的结构示意图；

图2为本发明提供的结构耦合式多级气动动力机的启动工作模式过程图；

图3为本发明提供的结构耦合式多级气动动力机的正常工作模式的体积式活塞动力机构进气过程图；

图4为本发明提供的结构耦合式多级气动动力机的正常工作模式的体积式活塞动力机构膨胀过程图；

图5为本发明提供的结构耦合式多级气动动力机的正常工作模式的体积式活塞动力机构排气和速度式涡轮动力机构再次膨胀过程图。

其中：1为储气罐；2为单向阀；3为控制器；4为第一电磁阀；5为进气阀；6为排气阀，7为第二排气口；8为第二电磁阀，9为第三电磁阀；10为腔体；11为活塞；12为连杆；13为气缸；14为第一排气口；15为第二输出轴，16为动力耦合装置；17为第三输出轴；18为I级轴流式涡轮；19为Ⅱ级径流式涡轮；20为Ⅲ级径流式涡轮；21为第一输出轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例公开了一种结构耦合式多级气动动力机，包括：储气罐1、体积式活塞动力机构、速度式涡轮动力机构、动力耦合装置16和控制单元，体积式活塞动力机构和速度式涡轮动力机构分别与储气罐1通过管路连通，储气罐1的出口处的管路上设置有单向阀2，体积式活塞动力机构与速度式涡轮动力机构通过管路连通，体积式活塞动力机构通过第一输出轴21与动力耦合装置16传动连接，速度式涡轮动力机构通过第二输出轴15与动力耦合装置16传动连接，动力耦合装置16具有第三输出轴17，控制单元分别与体积式活塞动力机构和速度式涡轮动力机构连接，用于控制体积式活塞动力机构和速度式涡轮动力机构工作。

其中，体积式活塞动力机构包括气缸13，气缸13具有进气阀5、排气阀6、活塞11和连杆12，进气阀5与排气阀6均设置于气缸13的顶部，进气阀5与储气罐1连通，排气阀6分别与控制单元和速度式涡轮动力机构连接，排气阀6与速度式涡轮动力机构通过管路连接，连杆12的一端与气缸13内的活塞11连接，连杆12的另一端与第一输出轴21连接，第一输出轴21为曲轴，连杆12与曲轴的连杆轴颈转动连接。

在本实施例中，速度式涡轮动力机构包括腔体10，腔体10上与第三输出轴17相对的一侧开设有第一排气口14，腔体10的顶部设有进气口(未标出)，且进气口分别与排气阀6和储气罐1通过管路连通，腔体10的内部依次设置有I级轴流式涡轮18、Ⅱ级径流式涡轮19和Ⅲ级径流式涡轮20，且I级轴流式涡轮18、Ⅱ级径流式涡轮19和Ⅲ级径流式涡轮20三者并列设置并与第二输出轴15连接，速度式涡轮动力机构产生的动力通过第二输出轴15输出。

在上述实施例中，控制单元包括控制器3、以及与控制器3连接的第一电磁阀4、第二电磁阀8和第三电磁阀9，第一电磁阀4设于储气罐1与进气口之间的管路上，第二电磁阀8与排气阀6连接，且第二电磁阀8具有第二排气口7，第二电磁阀8的作用是：在启动过程使体积式活塞动力机膨胀后的残余工质排出，防止体积式活塞动力机构无法正常运行，第三电磁阀9设于排气阀6与气缸13之间的管路上，第三电磁阀9的作用是：在启动过程中防止进入速度式涡轮膨胀气缸内的工质流入到体积式活塞动力机构的气缸13里，实现整体机构的快速反应。

下面以两级动力机为例对本发明进一步说明：具体地，本结构耦合式多级气动动力机的工作过程分为如下几个阶段：

首先，体积式活塞动力机构工作初始位置如图1所示，此时活塞11处于上止点位置。

参见图2，结构耦合式多级气动动力机启动工作模式过程：首先通过控制器3使第一电磁阀4打开，第二电磁阀8打开，第三电磁阀9关闭。使储气罐1的工质通过单向阀2和第一电磁阀4进入速度式涡轮动力机构的腔体10，进入腔体10内的工质依次通过I级轴流式涡轮18、Ⅱ级径流式涡轮19、Ⅲ级径流式涡轮20分别冲击做功，残余工质由第一排气口14排出。转动的第二输出轴15分别通过动力耦合装置16带动第三输出轴17和第一输出轴21转动，转动的第一输出轴21通过连杆12使活塞11运动，远离上止点位置，启动工作模式进行时间为0.1-0.2s。

参见图3，结构耦合式多级气动动力机正常工作模式的体积式活塞动力机构进气过程：通过控制器3使第一电磁阀4关闭，第二电磁阀8关闭，第三电磁阀9打开。使储气罐1的工质通过单向阀2和进气阀5进入体积式活塞11动力机构的气缸13，向下推动活塞11运动，通过连杆12使第一输出轴21转动，转动的第一输出轴21通过动力耦合装置16使第三输出轴17转动做功。

参见图4，结构耦合式多级气动动力机正常工作模式的体积式活塞动力机构膨胀过程：关闭进气阀5，使在气缸13的工质膨胀做功，继续推动推动活塞11运动，通过连杆12使第一输出轴21转动，转动的第一输出轴21通过动力耦合装置16使第三输出轴17转动做功。

参见图5，结构耦合式多级气动动力机启动工作模式的体积式活塞动力机构排气和速度式涡轮动力机构再次膨胀过程：体积式活塞动力机构的膨胀做功完成后，打开排气阀6，使未膨胀的残余工质通过排气阀6和第三电磁阀9进入速度式涡轮动力机构的腔体10，依次通过I级轴流式涡轮18，Ⅱ级径流式涡轮19，Ⅲ级径流式涡轮20分别冲击做功，使其第二输出轴15转动，残余工质由第一排气口14排出。转动的第二输出轴15通过动力耦合装置16带动第三输出轴17转动做功。进而完成一个循环过程。

在图2-图5中箭头表示活塞运行方向及对应的输出轴旋转方向。

本发明通过体积式活塞动力机构和速度式涡轮动力机构的耦合成多级气动动力机构，解决了单缸往复式动力机存在上下止点启动困难问题，同时，解决了进气压力与环境压力之比超过单级活塞式膨胀比时，排气压力过大、不完全膨胀、损失大的问题，提高了活塞式动力机的输出功率和能量利用效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种结构耦合式多级气动动力机，其特征在于，包括：储气罐、体积式活塞动力机构、速度式涡轮动力机构、动力耦合装置和控制单元，所述体积式活塞动力机构和所述速度式涡轮动力机构分别与所述储气罐通过管路连通，所述储气罐的出口处的管路上设置有单向阀，所述体积式活塞动力机构与所述速度式涡轮动力机构连通，所述体积式活塞动力机构通过第一输出轴与所述动力耦合装置连接，所述速度式涡轮动力机构通过第二输出轴与动力耦合装置连接，所述控制单元分别与所述体积式活塞动力机构和所述速度式涡轮动力机构连接，用于控制所述体积式活塞动力机构和所述速度式涡轮动力机构工作；

所述体积式活塞动力机构包括气缸，所述气缸具有进气阀、排气阀、活塞和连杆，所述进气阀与所述排气阀均设置于所述气缸的顶部，所述进气阀与所述储气罐连通，所述排气阀分别与所述控制单元和所述速度式涡轮动力机构连接，所述连杆的一端与所述气缸内的所述活塞连接，另一端与所述第一输出轴连接；

所述速度式涡轮动力机构包括腔体，所述腔体具有第一排气口和进气口，且所述进气口分别与所述排气阀和所述储气罐连通，所述腔体的内部依次设置有I级轴流式涡轮、Ⅱ级径流式涡轮和Ⅲ级径流式涡轮，且三者并列设置并与所述第二输出轴连接；

所述控制单元包括控制器、以及与所述控制器连接的第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀，所述第一电磁阀设于所述储气罐与所述进气口之间的管路上，所述第二电磁阀与所述排气阀连接，且所述第二电磁阀具有第二排气口，所述第三电磁阀设于所述排气阀与所述气缸之间的管路上。

2.根据权利要求1所述的一种结构耦合式多级气动动力机，其特征在于，所述第一输出轴为曲轴，所述连杆与曲轴的连杆轴颈转动连接。

3.根据权利要求1所述的一种结构耦合式多级气动动力机，其特征在于，所述动力耦合装置具有第三输出轴。

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