CN1356454A - 一种离心发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明给出一种离心发动机,它由机体(1)、离心燃气发生装置(2)、燃气能量转化装置(3)以及一些辅助机构等几个部分构成。离心燃气发生装置(2)的核心构件为一离心转子(4),离心转子(4)由进气口(7)、离心空气压缩叶轮(8)、转动燃烧室(9)、径流涡轮(10)、出气口(11)依次同轴叠加而成。发动机运转时,离心转子(4)能够产生高压高温燃气,燃气能量转化装置(3)把高压高温燃气的热能转化为机械能并对外输出功率。
Description
本发明涉及一种离心发动机，属于动力机械领域，特别是属于发动机领域。
以空气作为氧化剂和工作介质的开式循环发动机，是发动机最重要的类型之一，常见的内燃机、燃气轮机、喷气发动机都属于这种类型。这类发动机的共同特点是其工作循环都包括空气压缩、空气与燃料混合燃烧、燃气膨胀作功三个过程，正因为这样，不同发动机可以相互组合构成新型发动机，如涡轮增压式内燃机、自由活塞-涡轮组合发动机、涡轮轴发动机、涡轮喷气发动机等。在这类组合式发动机中，完成空气压缩、空气与燃料混合燃烧、产生高压高温燃气但不对外输出功率的机构称为燃气发生装置或燃气发生器；负责把前级燃气发生装置产生的高压高温燃气的内能转化为机械能并对外输出功率的机构称为燃气能量转化装置或功率输出装置。就实现功能的难度和结构的复杂性而言，燃气发生器要比功率输出装置困难复杂许多，因为仅就转化功率相比，压缩空气所消耗功率往往大于发动机所输出功率，燃气发生器还同时要完成空气压缩、燃油燃烧等多种功能，所以说燃气发生器是组合式发动机的核心机构。一种燃气发生器往往可以组合出多种发动机，例如基于涡轮式燃气发生器的有涡轴、涡旋、涡扇、涡喷等多种航空发动机。由此可见，如果能给出一种性能优越的新型燃气发生装置对发展新型发动机有着非常重要的意义。
本发明给出一种离心燃气发生装置，并给出了这种离心燃气发生装置跟不同形式的燃气能量转化装置结合构成的多种离心发动机。离心燃气发生装置核心构件为一离心转子，它由离心空气压缩叶轮、转动燃烧室、径流涡轮依次同轴叠加而成，它利用不同温度的气体在相同离心力场作用下可以产生不同压强的原理进行工作来产生高压高温燃气。离心燃气发生装置与活塞式燃气发生装置相比，具有比功率高、排放污染小的优点；与涡轮式燃气发生装置相比，具有气流量调节范围宽、不受蕹塞现象制约的优点。
整个离心发动机由机体(1)、离心燃气发生装置(2)、燃气能量转化装置(3)以及一些辅助机构等几个部分构成。
机体(1)的功能是给离心发动机的每个部件提供合适的安装位置，并使它们共同组成一协调统一的离心发动机。
离心燃气发生装置(2)的功能是产生高压高温燃气。离心燃气发生装置(2)由离心转子(4)、转子腔体(5)、转子驱动装置(6)三个部分构成。
离心转子(4)的外形为一旋转体，它由进气口(7)、离心空气压缩叶轮(8)、转动燃烧室(9)、径流涡轮(10)、出气口(11)五个部件依次同轴叠加而成。转动燃烧室(9)的外形为一圆柱体，在圆柱内周对称的设有多个与转轴平行、截面为圆形或扇环形的燃烧管(16)。离心空气压缩叶轮(8)和径流涡轮(10)的结构基本对称，它们都具有与燃烧管(16)等数的叶片，从而把各自的气路分隔成数目与燃烧管(16)相等的导气管。离心空气压缩叶轮(8)的导气管(17)出口与转动燃烧室(9)的燃烧管(16)入口相连通，转动燃烧室(9)的燃烧管(16)出口与径流涡轮(10)的导气管(19)入口相连通；离心空气压缩叶轮(8)导气管(17)出口的中心、转动燃烧室(9)燃烧管(16)的中心以及径流涡轮(10)导气管(19)入口的中心三者到转子轴线的距离相等，这一距离称为离心转子(4)的有效半径。为了避免起动时燃气倒流，离心转子(4)进气口(7)的半径应略小于出气口(11)的半径，但二者都远小于离心转子(4)的有效半径。
发动机运转时，空气从进气口(7)进入转子，在离心压缩叶轮(8)内空气被压缩和加速，在燃烧室(9)内空气与燃油发生燃烧反应，燃气温度升高并等压膨胀，在径流涡轮(10)内燃气减压膨胀并减速，最后燃气从出气口(11)流出转子。由于离心压缩叶轮(8)和径流涡轮(10)的有效半径相等，而离心转子(4)的进气口(7)和出气口(11)的半径差别较小，压缩叶轮(8)对空气所做的功基本等于燃气对径流涡轮(10)所做的功；又由于在径流涡轮(10)内燃气的温度高于压缩叶轮(8)内空气的温度，因而径流涡轮(10)内燃气的密度小于压缩叶轮(8)内空气的密度，在相同离心力的作用下径流涡轮(10)内燃气压力减小的数值小于压缩叶轮(8)内空气压力增加的数值，从而造成出气口(11)处燃气的压强大于进气口(7)处空气的压强。
离心转子(4)的基本特性是在它运转时除了克服摩擦阻力外几乎不消耗能量，同时它能够产生高压燃气。离心转子(4)的另一个重要特点是它的燃烧室(9)跟压缩叶轮(8)、径流涡轮(10)固定在同一转轴上并一起转动，这样气流在压缩叶轮(8)与燃烧室(9)之间、燃烧室(9)与径流涡轮(10)之间的流动是在相对静止的管道内进行的，而且气体相对于管壁流动速度较小，因此不存在复杂的速度耦合关系，这种结构不仅有利于提高发动机效率，而且允许在较宽的范围内自由调节气体流量。正因为这一点，离心燃气发生装置(2)能够跟多种形式的燃气能量转化装置(3)耦合构成不同形式的离心发动机，而且这些发动机可在较宽的范围内调节功率、转速和转矩。
离心转子(4)的燃油供应方式有两种：一种是直喷式供油，即把燃油直接喷入燃烧室(9)，这种方式需要设置一由进油孔(12)、离心燃油增压管(13)和喷油咀(14)三部分构成转子油路；进油孔(12)在离心转子(4)的轴心处，并通过转动密封件与外供油管相连通；离心燃油增压管(13)设置在离心转子(4)内，它连通进油孔(12)和喷油咀(14)；喷油咀(14)的开口位于燃烧室(9)的入口处；另一种是预混式供油，即燃油先汽化并在进气口(7)处与空气混合，混合后的可燃气体从进气口(7)经离心压缩叶轮(8)进入燃烧室(9)，这种方式不需要再设置转子油路。
离心转子(4)安装在转子腔体(5)内，转子腔体(5)在转子进气口(7)处和出气口(11)处设有转动密封件，从而把出气口(11)处的高压腔与进气口(7)处的低压腔隔离开。
转子驱动装置(6)一般为一与离心转子(4)同轴的涡轮机构，它利用离心转子(4)产生的高压高温燃气驱动离心转子(4)转动。在一些情况下，燃气能量转化装置(3)可以直接驱动离心转子(4)转动，这时不需要再设置专用的转子驱动装置。转子驱动装置(6)与离心转子(4)转轴之间最好用单向转动的棘轮连接，这样在发动机正常运转时转子驱动装置(6)可以驱动离心转子(4)转动，在发动机起动时离心转子(4)由起动机驱动但转子驱动装置(6)并不转动。在有电源的情况下，转子驱动装置(6)还可以是一电动机，这样就不需要再设专用起动机，而且转子的起动、停机、加速、减速非常方便。
燃气能量转化装置(3)的功能是把离心燃气发生装置(2)产生的高压高温燃气的热能转化为机械能并对外输出功率。离心发动机的燃气能量转化装置(3)可以有多种方案，第一种方案是燃气能量转化装置(3)为一涡轮机构，它与离心燃气发生装置(2)结合，可以构成涡轮式离心发动机。第二种方案是燃气能量转化装置(3)为一活塞机构，它与离心燃气发生装置(2)结合，可以构成活塞式离心发动机。第三种方案是燃气能量转化装置(3)为一可产生推力的喷射管机构，它与离心燃气发生装置(2)结合，可以构成喷气式离心发动机。第四种方案是一个离心燃气发生装置(2)同时和多个燃气能量转化装置(3)结合构成多端输出离心发动机。第五种方案是多个输出压力相等的离心燃气发生装置(2)同时和一个燃气能量转化装置(3)结合构成大功率离心发动机。
离心发动机还可以在离心转子进气口(7)的前端设置一前级空气压缩装置(15)，它一般为一轴流叶轮或一离心叶轮，它可以与离心转子(4)同轴由转子驱动装置(6)驱动，也可以由燃气能量转化装置(3)驱动。前级空气压缩装置(15)的设置有助于提高离心发动机的效率和比功率。当前级空气压缩装置(15)的压强比远小于离心转子(4)空气压缩叶轮(8)的压强比时，离心发动机的性能跟不设置前级空气压缩装置(15)的情况差别不大；当前级空气压缩装置(15)的压强比大于离心转子(4)空气压缩叶轮(8)的压强比时，离心发动机的性能将更接近于普通的涡轮发动机。
离心发动机的辅助机构包括燃油系、燃气系、起动系、润滑系、冷却系等，由它们分别来实现离心发动机的燃油供应、燃气配置、点火起动、润滑冷却等功能，以及执行各种控制调节指令。
离心发动机的燃油系由油箱、油管和供油速度控制装置等几部分构成，供油速度控制装置能够根据负载状况、发动机运转况状和人为发出的指令给出最佳供油速度。离心发动机燃油速度的基本控制方式是在发动机正常运转时保持燃空比为一常数，从而使燃烧室的温度保持恒定，在发动机加速时可以增大燃空比，在发动机减速时可以减小燃空比。
离心发动机的燃气系包括空气滤清器、吸气管、排气管以及气路控制阀门等部件，其作用是辅助燃气循环，调控燃气配置。
离心发动机的起动系包括起动机和起动点火装置两个部分。起动机的作用是在起动时能给离心转子提供一初速度。起动点火装置的作用是在起动时给燃烧室进行初始点火，它由起动电路和位于燃烧室内的火花塞构成。在发动机正常运转时，起动系停止工作。
离心发动机运转时，空气从转子进气口(7)进入离心转子(4)的气路，经绝热压缩、等压升温、绝热膨胀，从转子出气口(11)流出，然后又进入燃气能量转化装置(3)的气路，再进一步绝热膨胀做功，最后排出发动机。
设在离心转子进气口(7)处的空气为室温状态，其温度、压强、密度、最大喷射速度分别为T0＝293K、P0＝0.1Mpa、ρ0＝1.3kg/m3、W0＝750m/s，并设转子燃烧室(9)燃烧管的中线转动线速度为V，燃烧室(9)出口处的燃气温度为T，定义空气压缩参数α＝V2/W0 2，燃烧升温参数β＝T/T0-(1+α)，在离心转子出气口(11)处燃气的温度T3、压强P3可以表达为：
T3＝(1+β)T0
P3＝[(1+α)(1+β)/(1+α+β)]7/2P0
离心发动机的理想热效率可以表达为：
η＝α/(1+α)
由以上公式可知，离心发动机的理想热效率η完全决定于转子燃烧室(9)燃烧管的中线转动线速度V，V越大η越大，特别是V＝W0＝750m/s时，η＝50％，而750m/s是一个非常高的速度，是常温下音速的2.7倍，这就要求离心转子具有极高的结构强度，它所选用的材料最好是高比强的纤维复合材料。
由以上公式还可以看出，在转子(4)转速不变的情况下，燃烧室(9)工作温度T越高，离心转子(4)输出的燃气的压强P3越高，因而燃烧室(9)的燃烧管和径流涡轮(10)应内衬耐高温材料，最好是高性能陶瓷材料。
对于涡轮式离心发动机，设其燃气能量转化装置(3)为一单级径流涡轮机构，并设涡轮(3)的半径为R，喷射咀截面面积为S，则它的转速n和转矩M可以表示为：
n＝[αβ/2(1+α)]1/260W0/2πR
M＝[1+αβ/2(1+α+β)]5/2[αβ/2(1+α+β)]SRρ0W0 2
上公式给出的转速n为涡轮(3)效率最高时的转速，它的数值完全由离心转子(4)的工作状态决定；涡轮(3)的转矩正比于喷射咀截面面积S，通过调节喷射咀截面面积S的大小可以调节发动机的转矩和功率。
对于活塞式离心发动机，设活塞的排气量为L，则它的转速n和转矩M可以表示为：
n-自由可调
M＝[αβ/(1+α+β)]Lρ0W0 2/4π
由上公式可以看出，活塞式离心发动机的转矩完全由离心转子(4)的工作状态决定，转速可以任意调节，功率跟转速成正比。
对于喷气式离心发动机，设喷射管(3)出口面积为S，则气体喷射速度U和喷射推力F可以表示为：
U＝[αβ/(1+α)]1/2W0
F＝[αβ/(1+α+β)]Sρ0W0 2
由上公式可知，喷射速度完全由离心转子(4)的工作状态决定，喷射推力F正比于喷射管(3)出口面积S，通过调节喷射管(3)出口面积S的大小可以调节推力F的大小。
由于离心发动机具有比功率大、效率高、排放污染少、功率调节范围宽的优点，并具有多种功率输出形式，因而在汽车、航空、船舶等领域具有广阔的应用前景。离心发动机的技术难点是要求所用材料具有极高的比强度和较高的耐温性能，但随着现代新材料技术的发展，特别是高性能复合材料和高性能陶瓷材料技术的逐渐成熟，离心发动机的这一技术难点将迎刃而解。
附图说明：
图1是离心燃气发生装置结构图；4-离心转子；5-转子腔体；6-转子驱动装置。
图2是不带转子油路的离心转子轴向剖面图和带有转子油路的离心转子轴向剖面图；7-转子进气口；8-离心空气压缩叶轮；9-转动燃烧室；10-径流涡轮；11-转子出气口；12-进油孔；13-离心燃油增压管；14-喷油咀。
图3是离心转子的离心空气压缩叶轮剖面图；17-离心空气压缩叶轮导气管；18-离心空气压缩叶轮叶片。
图4是离心转子的转动燃烧室剖面图；16-转动燃烧室燃烧管。
图5是离心转子的径流涡轮剖面图；19-径流涡轮导气管；20-径流涡轮叶片。
图6是实施例一结构图；1-机体；3-燃气能量转化涡轮；4-离心转子。
图7是实施例二结构图；1-机体；3-燃气能量转化涡轮；4-离心转子；15-前级压缩叶轮。
图8是实施例三结构图；1-机体；3-燃气能量转化涡轮；4-离心转子；6-转子驱动涡轮。
图9是实施例四结构图；1-机体；3-旋转活塞；4-离心转子；6-转子驱动涡轮。
图10是实施例五结构图。1-机体；3-燃气喷射管；4-离心转子；6-转子驱动涡轮。
实施例一：共轴涡轮式离心发动机
结构元件：机体(1)、离心转子(4)、转子腔(5)，燃气能量转化装置(3)为一与离心转子(4)同轴的单级径流涡轮。
结构参数：离心转子(4)的有效半径为30cm，涡轮(3)半径为21cm，涡轮(3)喷咀截面面积在0～10cm2可调，额定转速为45000r/min，燃烧室(9)额定工作温度为1200K。
理想输出参数：效率为50％，转矩为0～67Nm，功率为0～300kw，燃油消耗量为0～7.5ml/s。
实施例二：带前级压缩叶轮的单轴涡轮式离心发动机
结构元件：机体(1)、离心转子(4)、转子腔(5)，燃气能量转化装置(3)为一单级径流涡轮，前级压缩叶轮(15)为一离心压缩叶轮，离心转子(4)、燃气能量转化涡轮(3)、前级压缩叶轮(15)三者固定在同一转轴上。
结构参数：离心转子(4)的有效半径为30cm，涡轮(3)半径为24cm，前级压缩叶轮(15)半径为15cm，涡轮(3)喷咀截面面积在0～10cm2可调，额定转速为45000r/min，燃烧室(9)额定工作温度为1350K。
理想输出参数：效率为60％，转矩为0～90Nm，功率为0～400kw，燃油消耗量为0～8.3ml/s。
实施例三：自由轴涡轮式离心发动机
结构元件：机体(1)、离心转子(4)、转子腔(5)、转子驱动涡轮(6)、功率输出涡轮(3)，离心转子(4)与转子驱动涡轮(6)固定在同一转轴上，功率输出涡轮(3)单独一个转轴，功率输出涡轮(3)为一四级径流涡轮。
结构参数：离心转子(4)的有效半径为30cm，转子驱动涡轮(6)半径为15cm，功率输出涡轮(3)半径为30cm，功率输出涡轮(3)的第一级喷咀截面面积在0～6.5cm2可调，离心转子(4)的额定转速为45000r/min，燃烧室(9)额定工作温度为1200K。
理想输出参数：效率为50％，功率输出涡轮的转速为15000r/min，功率输出涡轮的转矩为0～200Nm，功率为0～300kw，燃油消耗量为0～7.5ml/s。
实施例四：旋转活塞式离心发动机
结构元件：机体(1)、离心转子(4)、转子腔(5)、转子驱动涡轮(6)、旋转活塞机构(3)。
结构参数：离心转子(4)的有效半径为30cm，转子驱动涡轮(6)半径为15cm，转子(4)转速为45000r/min，燃烧室(9)额定工作温度为1200K，旋转活塞排气量为2升，旋转活塞(3)的转速在0～9000r/min可调。
理想输出参数：效率为50％，旋转活塞(3)的转矩为58Nm，功率为0～52kw，燃油消耗量为0～1.3ml/s。
实施例五：喷气式离心发动机
结构元件：机体(1)、离心转子(4)、转子腔(5)、转子驱动涡轮(6)、燃气喷射管(3)。
结构参数：离心转子(4)的有效半径为30cm，转子驱动涡轮(6)半径为15cm，转子(4)转速为45000r/min，燃烧室(9)额定工作温度为1200K，燃气喷射管(3)的截面面积在0～17cm2可调。
理想输出参数：燃气喷射速度为750m/s，喷射推力为0～620N，燃油消耗量为0～7.5ml/s。
Claims (3)
1、一种离心发动机，它由机体(1)、燃气能量转化装置(3)、燃油系、燃气系、起动系、润滑系、冷却系等几部分构成，其特征在于，它还包括一离心燃气发生装置(2)；离心燃气发生装置(2)由离心转子(4)、转子腔体(5)、转子驱动装置(6)三个部分构成；离心转子(4)的外形为一旋转体，它由进气口(7)、离心空气压缩叶轮(8)、转动燃烧室(9)、径流涡轮(10)、出气口(11)五个部件依次同轴叠加而成；转动燃烧室(9)的外形为一圆柱体，在圆柱内周对称的设有多个与转轴平行、截面为圆形或扇环形的燃烧管(16)；离心空气压缩叶轮(8)和径流涡轮(10)的结构基本对称，它们都具有与燃烧管(16)等数的叶片，从而把各自的气路分隔成数目与燃烧管(16)相等的导气管；离心空气压缩叶轮(8)的导气管(17)出口与转动燃烧室(9)的燃烧管(16)入口相连通，转动燃烧室(9)的燃烧管(16)出口与径流涡轮(10)的导气管(19)入口相连通；离心空气压缩叶轮(8)导气管(17)出口的中心、转动燃烧室(9)燃烧管(16)的中心以及径流涡轮(10)导气管(19)入口的中心三者到转子轴线的距离相等，这一距离称为离心转子(4)的有效半径；离心转子(4)的进气口(7)的半径略小于出气口(11)的半径，但二者都远小于离心转子(4)的有效半径；离心转子(4)应选用抗拉强度高且密度较小比强度大的材料；转动燃烧室(9)的燃烧管(16)和径流涡轮(10)应内衬耐高温材料；发动机运转时，空气从进气口(7)进入转子，在离心压缩叶轮(8)内空气被压缩和加速，在燃烧室(9)内空气与燃油发生燃烧反应，燃气温度升高并等压膨胀，在径流涡轮(10)内燃气减压膨胀并减速，最后燃气从出气口(11)流出转子；由于离心压缩叶轮(8)和径流涡轮(10)的有效半径相等，而离心转子(4)的进气口(7)和出气口(11)的半径差别较小，压缩叶轮(8)对空气所做的功基本等于燃气对径流涡轮(10)所做的功；又由于在径流涡轮(10)内燃气的温度高于压缩叶轮(8)内空气的温度，在径流涡轮(10)内燃气压力减小的数值小于在压缩叶轮(8)内空气压力增加的数值，从而造成出气口(11)处燃气的压强大于进气口(7)处空气的压强；离心转子(4)的基本特性是在它运转时除了克服摩擦阻力外不消耗能量，同时它能够产生高压燃气；离心转子(4)的另一个重要特点是它的燃烧室(9)跟压缩叶轮(8)、径流涡轮(10)固定在同一转轴上并一起转动，这样气流在压缩叶轮(8)与燃烧室(9)之间、燃烧室(9)与径流涡轮(10)之间的流动是在相对静止的管道内进行的，而且气体相对于管壁流动的速度较小，因此不存在复杂的速度耦合关系，这种结构不仅有利于提高发动机效率，而且可以允许在较宽的范围内自由调节气体流量；离心转子(4)的燃油供应方式有两种：一种是直喷式供油，即把燃油直接喷入转动燃烧室(9)，这种方式需要设置一由进油孔(12)、离心燃油增压管(13)和喷油咀(14)三部分构成的转子油路；进油孔(12)在离心转子(4)的轴心处，并通过转动密封件与外供油管相连通；离心燃油增压管(13)设置在离心转子(4)内，它连通进油孔(12)和喷油咀(14)；喷油咀(14)的开口位于燃烧室(9)的入口处；另一种是预混式供油，即燃油先汽化并在进气口(7)处与空气混合，混合后的可燃气体从进气口(7)经离心压缩叶轮(8)进入燃烧室(9)，这种方式不需要再设置转子油路；离心转子(4)安装在转子腔体(5)内，转子腔体(5)在转子进气口(7)处和出气口(11)处设有转动密封件，从而把出气口(11)处的高压腔与进气口(7)处的低压腔隔离开；转子驱动装置(6)一般为一与离心转子(4)同轴的涡轮机构，它利用离心转子(4)产生的高压高温燃气驱动离心转子(4)转动；在一些情况下，燃气能量转化装置(3)可以直接驱动离心转子(4)转动，这时不需要再设置专用的转子驱动装置(6)；转子驱动装置(6)与离心转子(4)转轴之间最好用单向转动的棘轮连接；在有电源的情况下，转子驱动装置(6)还可以是一电动机。
2、根据权利要求1给出的一种离心发动机，其特征在于，它的离心燃气发生装置(2)可以与多种形式的燃气能量转化装置(3)结合构成不同形式的离心发动机；第一种方案是燃气能量转化装置(3)为一涡轮机构，它与离心燃气发生装置(2)结合，可以构成涡轮式离心发动机；第二种方案是燃气能量转化装置(3)为一活塞机构，它与离心燃气发生装置(2)结合，可以构成活塞式离心发动机；第三种方案是燃气能量转化装置(3)为一可产生推力的喷射管机构，它与离心燃气发生装置(2)结合，可以构成喷气式离心发动机；第四种方案是一个离心燃气发生装置(2)同时和多个燃气能量转化装置(3)结合构成多端输出离心发动机；第五种方案是多个输出压力相等的离心燃气发生装置(2)同时和一个燃气能量转化装置(3)结合构成大功率离心发动机。
3、根据权利要求1或2给出的一种离心发动机，其特征在于，在离心转子进气口(7)的前端可以设置一前级空气压缩装置(15)；它一般为一轴流叶轮或一离心叶轮，它可以与离心转子(4)同轴由转子驱动装置(6)驱动，也可以由燃气能量转化装置(3)驱动；前级空气压缩装置(15)的设置有助于提高离心发动机的效率和比功率。
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Cited By (8)
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| CN103216360A (zh) * | 2013-04-07 | 2013-07-24 | 朱晓义 | 涡轮发动机及动力装置 |
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2000
- 2000-12-05 CN CN 00134114 patent/CN1234962C/zh not_active Expired - Fee Related
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