CN116378825A - 一种涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮发动机，包括基座、温控环套、涡轮、输入轴、输出轴和气流调节装置；所述输出轴与输入轴固定设置在涡轮的两侧并与涡轮同轴设置，温控环套空套在涡轮的外部，涡轮上圆周均布有多个燃烧室，温控环套的内环壁上圆周均布有多个推力室，相邻两个推力室之间设置有导气槽，燃烧室的出气端交替与推力室和导气槽连通，燃烧室的进气端与输出轴的轴孔连通，温控环套的两侧设置有用于调节排气量的气流调节装置，通过气流调节装置控制排气量的大小，能够实现涡轮转速的调节，控制涡轮发动机的输出扭矩，同时通过调节进排气量的大小能够对涡轮和温控环套进行温控，有效延长了涡轮发动机的使用寿命，降低了制作材料的要求，并且达到节能减排的目的。

Description

一种涡轮发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体为一种涡轮发动机。

背景技术

现有涡轮涡扇发动机是一种利用旋转的机件自穿过它的流体中汲取动能的发动机形式，其包括压缩机、燃烧室和涡轮机，燃料和经过压缩机输入气流在燃烧室混合后进行点燃，燃烧后产生的高热气体做功，推动涡轮机使其旋转，进而实现动力输出，剩余的能量经排气管排出，该涡轮发动机转速取决于进气量和涡轮发动机密封性能，因此在需要调节转速时需要精确调控进气量，并且涡轮发动机需要有较高的温差区间密封性能，同时涡轮发动机工作时的高温环境，使涡轮发动机的制作材料需要有较高的高温耐受力，并且需要设计和配制负责冷却的系统，导致涡轮涡扇发动机的成本较高。

活塞式发动机是从蒸汽机演化而来，其特点是结构复杂，活塞往复运动时的摩擦力和回转阻力，产生动能损耗并产生高温，动力传输在曲轴有转折点，直线运动需要变为回转运动，造成燃烧效率低，且对密封要求较高，同时活塞式发动机体积比较大，要有较大的空间进行安装，只能安装在特定位置，且占用整体大部分资源。

针对上述问题，本发明旨在设计一种结构简单，转速调控便捷并且燃烧效率高的涡轮发动机。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种结构简单，燃烧效率高并且可以分别通过风冷和水冷或者共同降温的涡轮发动机。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种涡轮发动机，包括基座、温控环套、涡轮、输入轴、输出轴和气流调节装置；

所述输出轴与输入轴固定设置在涡轮的两侧并与涡轮同轴设置，温控环套固定在基座上并空套在涡轮的外部，涡轮上圆周均布有多个燃烧室，温控环套的内环壁上圆周均布有多个推力室，相邻两个推力室之间设置有导气槽，燃烧室的出气端交替与推力室和导气槽连通，间隔设置的燃烧室的进气端与输出轴的轴孔连通，温控环套的两侧设置有用于调节排气量的气流调节装置。

优选的，所述输入轴为一端封闭的空心轴，输入轴的内部形成可燃气体的进气通道，涡轮固定套设在输入轴的封闭端，相邻两个燃烧室，其中一个燃烧室的进气端通过进气孔与输入轴的进气通道连通，另一燃烧室的进气端封闭设置。

优选的，所述输入轴中设置有点火装置，用于对进入燃烧室的可燃气体进行点燃使其燃爆。

优选的，所述点火装置包括点火线、点火装置和点火控制装置；

所述多个点火线铺设在输入轴的进气通道中，点火装置与点火线的端部连接并位于燃烧室的进气端，点火线的另一端延伸至输入轴的外部并与点火控制装置连接。

优选的，所述涡轮包括多个叶片和两个密封板；

所述两个密封板位于多个叶片的两侧，多个叶片圆周均布，两个叶片与两个密封板围成的空间形成燃烧室，燃烧室的进气端位于涡轮中心孔上，燃烧室的排气端位于涡轮的外环壁上。

优选的，所述温控环套包括冷却环套，多个推力室圆周均布在冷却环套的内环壁上，推力室为凸起的空腔结构，推力室的进气口与燃烧室的出气端大小相同。

优选的，所述冷却环套中设置有冷却流道。

优选的，所述气流调节装置包括两个气流控制板，两个气流控制板分别同轴密封设置在温控环套的两侧并且能够转动，气流控制板上圆周均布有多个气孔，气孔能够与导气槽连通。

优选的，所述基座包括底座以及设置其两侧的向上延伸的支撑臂，输入轴和输出轴的端部通过轴承支撑在支撑臂的凹槽中，输出轴的端部通过变径轴与涡轮的端面固接，温控环套固定在凹槽中。

优选的，所述输入轴上同轴并列固定套设有多个所述涡轮，温控环套的内壁轴向间隔设置有多组推力室。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种涡轮发动机，可燃气体通过输入轴进入燃烧室进行燃爆，瞬间体积膨胀并形成高压气流，气流进入推力室并推力带动涡轮转动，进而涡轮旋转将动力通过输出轴输出，做功后的气流通过气流调节装置排气，通过气流调节装置控制排气量的大小，能够实现涡轮转速的调节，控制涡轮发动机的输出扭矩，同时通过调节排气量的大小能够对涡轮和温控环套进行温控，有效延长了涡轮发动机的使用寿命，降低了制作材料的要求，解决了现有涡轮发动机输出功率调节困难的问题，同时也有效解决了涡轮发动机温度过高的问题。

附图说明

图1为本发明涡轮发动机输入侧的结构示意图；

图2为本发明涡轮和温控环套的安装示意图；

图3为本发明涡轮和气流控制板的安装示意图；

图4为本发明涡轮和进气管的结构示意图；

图5为本发明进气管的结构示意图；

图6为本发明温控环套的正视图；

图7为本发明温控环套的内部结构图；

图8为本发明气流控制板的结构示意图；

图9为本发明涡轮发动机的正视图；

图10为图9的剖视图；

图11为本发明涡轮发动机输出侧的结构示意图；

图12为本发明涡轮发动机的剖视图；

图13为本发明另一实施例的多涡轮发动机。

图中：1、基座；2、点火装置；3、输入轴；4、温控环套；5、气流控制板；6、涡轮；7、冷却进水口；8、冷却出水口；9、进气孔；10、推力室；11、导气槽；12、燃烧室；41、冷却流道；42、输出轴；51、气孔；52、手柄。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参阅图1-12，一种涡轮发动机，包括基座1、温控环套4、涡轮6、输入轴3、输出轴42和气流调节装置。

所述输出轴42与输入轴3固定设置在涡轮6的两侧并与涡轮6同轴设置，温控环套4固定在基座上并空套在涡轮6的外部，涡轮6上圆周均布有多个燃烧室12，温控环套4的内环壁上圆周均布有多个推力室10，相邻两个推力室10之间设置有导气槽，燃烧室的出气端交替与推力室10和导气槽连通，燃烧室的进气端与输出轴42的轴孔连通，温控环套4的两侧设置有用于调节排气量的气流调节装置。

参阅图4和5，所述输入轴3为一端封闭的空心轴，输入轴3的内部形成可燃气体的进气通道，输入轴3的封闭端固定套设在涡轮6的中心，输入轴3封闭端的外壁上圆周间隔均布有多个进气孔9，燃烧室的进气端通过进气孔9与输入轴3的进气通道连通，可燃气体通过进气孔进入涡轮的燃烧室进行燃烧做功，做功后的气体进入相邻的燃烧室进行排气。

参阅图2，所述输入轴3中设置有点火装置2，用于对进入燃烧室的可燃气体进行点燃使其燃爆。

所述点火装置包括点火线、点火装置和点火控制装置，多个点火线铺设在输入轴的进气通道中，点火装置与点火线的端部连接并位于进气孔9，点火线的另一端延伸至输入轴的外部并与点火控制装置连接，通过点火控制装置控制点火装置是可燃气体燃爆。

参阅图3和4，所述涡轮6包括多个叶片和密封板，所述密封板为圆环结构，两个密封板位于多个叶片的两侧，多个叶片圆周均布，叶片的两侧与两个密封板焊接固定并形成环形圆盘结构，两个叶片与两个密封板围成的空间形成燃烧室，叶片靠近中心的一端以及密封板的内孔壁均套设在输出轴上并焊接固定，燃烧室的进气端位于涡轮中心孔上并与输入轴的进气通道连通，燃烧室的排气端位于涡轮的外环壁上，相邻两个燃烧室之间形成一个排气室，也可以理解为，燃烧室和排气室间隔排布，燃烧室和排气室的结构基本相同，唯一不同之处在于排气室没有与输入轴的进气通道连通，可燃气体在燃烧室做功后通过排气室进行排气，燃烧室和排气室间隔设置，能够有效提高输入轴和涡轮连接处的机械强度。

所述叶片为弧形结构，并且多个叶片沿相同的方向圆周间隔均布。

参阅图6和7，所述温控环套4包括冷却环套和推力室10，多个推力室10圆周均布在冷却环套的内环壁上，推力室10为凸起的空腔结构，空腔的开口侧正对冷却环套的中心，推力室10的进气口与燃烧室的出气端大小相同，相邻两个燃烧推力室之间形成导气槽11，推力室的数量与燃烧室数量相同，也就是说，推力室和导气槽交替排布，当燃烧室与推力室正对并连通时，导气槽与排气室连通，工作时，可燃气体在燃烧室内部燃爆，气体进入推力室并产生反向推力使涡轮转动，涡轮转动后推力室的气体进入排气室并通过导气槽进入气流调节装置进行泄压。

所述冷却环套中设置有冷却流道41，冷却环套上还设置有冷却进水口7和冷却出水口8，冷却进水口7与冷却流道41的入口连通，冷却出水口8与冷却流道41的出口连通，冷却介质自入口流入然后绕环形冷却流道41流动一周后自出口流出，冷却流道41的入口和出口之间设置有隔板。

所述气流调节装置包括两个气流控制板5，两个气流控制板5分别同轴安装在温控环套4的两侧并且能够转动，气流控制板5上圆周均布有多个气孔51，气孔51的数量与导气槽的数量相同，并且气孔的形状与导气槽的结构相同，气流控制板5的外边缘卡接在冷却环套的内环壁上，并且在卡槽中设置有滑动密封结构，气流控制板5的内边缘与涡轮6的边滑动密封连接；当气孔完全正对导气槽，则排气量开启到最大，当气孔的一部分正对推力室的侧壁，一部分正对导气槽，也排气量减小，能够增大涡轮的内部压力，为了便于转动气流控制板，气流控制板外壁上设置有手柄52，并且手柄延伸至温控环套4的外部，通过控制两个气流控制板5的开度，能够实现排气量的精确调控。

在另一实施例中，两个气流控制板5一侧为进气侧，另一侧为排气侧，在进气侧设置强制气流，气流通过进气侧的气流控制板5的气孔进入导气槽，并通过排气侧的气流控制板5的气孔排气，通过增加强制气流能够提高做功后排气效率，同时对涡轮起到降温冷却作用，强制气流可以使用大功率风扇，还可以对进气侧施加高压冷却气体，通过调节气流控制板5的开度，能够精确调整涡轮的排气量。

所述基座1包括底座以及设置其两侧的向上延伸的支撑臂，支撑臂的顶部设置有凹槽，输入轴和输出轴的端部通过轴承支撑在支撑臂的凹槽中，输出轴的端部通过变径轴与涡轮的端面固接，底座的表面设置有弧形凹槽，温控环套固定在弧形凹槽中。

下面以氢气为例对上述涡轮发动机的工作原理进行详细的阐述。

参阅图12，以氢气为例，空气中混入的氢气形成可燃气体，可燃气体通过输入轴3的进气管和进气孔9输送到涡轮叶片之间的燃烧室中，在启动初期，需要通过外力转动涡轮，使燃烧室和推力室连通，燃烧室和推力室形成一个密闭空间，同时通过外力旋转气流控制板5调节排气孔的开度，可燃气体进入燃烧室内并且当压力升压至0.3MPa时，在密闭空间通过点火装置将可燃气体点燃，混合气体燃烧瞬间迅速体积膨胀，利用燃烧产生的压力推动2涡轮叶片进行旋转，当涡轮旋转一定的角度，排气室与导气槽连通并进行排气，在排气的过程中气体任然能够对叶片产生推力，提高涡轮的转速，同时推力室与相邻的燃烧室连通，该多个燃烧室组成一个不对称组合，使涡轮更快的旋转，废气通过排气口排出，涡轮转动并通过变径传动轴直接传导至驱动部分或电机。

实施例1

参阅图11，一种涡轮发动机，输入轴3上同轴并列固定套设有多个上述涡轮，输入轴3上轴向间隔设置有多组进气孔，每组进气孔与对应涡轮的燃烧室连通，温控环套4固定在基座上，并套设在多个涡轮的外部，温控环套4上设置有多组推力室，多组推力室对应设置在多个涡轮的外部，两个气流控制板5滑动密封设置在温控环套4的两端。

该实施例1的涡轮发动机与上述涡轮发动机的不同之处在于将多组涡轮并列固定在同一根输入轴上，同时将多个涡轮对应的推力室设置在同一个温控环套4上，参阅图13，该输入轴上设置有三个涡轮，理论上讲，可以实现涡轮的无限叠加，能够大幅提高涡轮发动机的输出动力。

本发明提供的涡轮发动机，利用热能产生动能的原理，使燃料在燃烧室爆燃后产生高温高压气体，利用反向推动增加阻力，使高温高压气体在涡轮中形成S形流出，在通过反向推动结构排出时产生反向推动力，从而达到推动涡轮旋转的目的。该涡轮发动机基于风力发电机和水利发电机的原理，利用叶片将压力转换成动能，将无序动能转换成有序动能进行输出，由于是低温燃烧，热胀冷缩系数小，所以本发动机对密封的要求不高，原材料通过精密铸造或者3D打印后通过简单的加工就能装配使用，燃烧效率高，结构简单成本低。该涡轮发动机没有活塞往复运动产生的导向摩擦与回转阻力，不需要曲轴传动，内部磨损少，燃烧效率高，并且可以使用冷区介质进行快速降温。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种涡轮发动机，其特征在于，包括基座(1)、温控环套(4)、涡轮(6)、输入轴(3)、输出轴(42)和气流调节装置；

所述输出轴(42)与输入轴(3)固定设置在涡轮(6)的两侧并与涡轮(6)同轴设置，温控环套(4)固定在基座上并空套在涡轮(6)的外部，涡轮(6)上圆周均布有多个燃烧室，相邻两个燃烧室之间设置有排气室，温控环套(4)的内环壁上圆周均布有多个推力室(10)，相邻两个推力室(10)之间设置有导气槽，燃烧室的出气端交替与推力室和导气槽连通，燃烧室的进气端与输出轴(42)的轴孔连通，温控环套(4)的两侧设置有用于调节排气量的气流调节装置。

2.根据权利要求1所述的一种涡轮发动机，其特征在于，所述输入轴(3)为一端封闭的空心轴，输入轴(3)的内部形成可燃气体的进气通道，涡轮(6)固定套设在输入轴(3)的封闭端，燃烧室的进气端通过进气孔(9)与输入轴(3)的进气通道连通。

3.根据权利要求1所述的一种涡轮发动机，其特征在于，所述输入轴(3)中设置有点火装置(2)，用于对进入燃烧室的可燃气体进行点燃使其燃爆。

4.根据权利要求3所述的一种涡轮发动机，其特征在于，所述点火装置包括点火线、点火装置和点火控制装置；

所述多个点火线铺设在输入轴的进气通道中，点火装置与点火线的端部连接并位于燃烧室的进气端，点火线的另一端延伸至输入轴的外部并与点火控制装置连接。

5.根据权利要求1所述的一种涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮(6)包括多个叶片和两个密封板；

所述两个密封板位于多个叶片的两侧，多个叶片圆周均布，两个叶片与两个密封板围成的空间形成燃烧室，燃烧室的进气端靠近涡轮中心孔并与输出轴(42)的轴孔连通，燃烧室的排气端位于涡轮的外环壁上，燃烧室与排气室交替排布。

6.根据权利要求1所述的一种涡轮发动机，其特征在于，所述温控环套(4)包括冷却环套，多个推力室(10)圆周均布在冷却环套的内环壁上，推力室(10)为凸起的空腔结构，推力室(10)的进气口与燃烧室的出气端大小相同。

7.根据权利要求6所述的一种涡轮发动机，其特征在于，所述冷却环套中设置有冷却流道(41)。

8.根据权利要求1所述的一种涡轮发动机，其特征在于，所述气流调节装置包括两个气流控制板(5)，两个气流控制板(5)分别同轴密封设置在温控环套(4)的两侧并且能够转动，气流控制板(5)上圆周均布有多个气孔(51)，气孔(51)能够与导气槽连通。

9.根据权利要求1所述的一种涡轮发动机，其特征在于，所述基座(1)包括底座以及设置其两侧的向上延伸的支撑臂，输入轴和输出轴的端部通过轴承支撑在支撑臂的凹槽中，输出轴的端部通过变径轴与涡轮的端面固接，温控环套固定在凹槽中。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种涡轮发动机，其特征在于，所述输入轴(3)上同轴并列固定套设有多个所述涡轮，温控环套(4)的内壁轴向间隔设置有多组推力室。

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