CN1888403A - 活塞式燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

一种活塞式燃气涡轮发动机。其特征是采用活塞代替传统燃气涡轮发动机的压气机。曲轴(1)与活塞连杆(5)连接，活塞连杆(5)与活塞(4)连接，活塞(4)能在缸体(8)中往复运动，缸体(8)下端壁上设有进气门(10)，缸体(8)末端设有送气门(11)，压气通道(12)内设有节气门(13)，曲轴(1)上的锥形齿轮(2)与涡轮转轴(6)上端的锥形齿轮(3)啮合，涡轮转轴(6)下端与涡轮(17)连接。本发明采用了活塞与涡轮的结合，集传统活塞式发动机和传统燃气涡轮发动机的大部分性能和优点于一身，即具有重量轻、污染小、噪音低、耗油量小、技术难度低制造简单、成本低、效率高、功率大、响应速度快等优点，是一种非常实用的发动机。

Description

活塞式燃气涡轮发动机

技术领域：

本发明涉及一种燃气涡轮发动机，尤其是一种以活塞作为压气机的燃气涡轮发动机。

背景技术：

现有的燃气涡轮发动机还存在着很多的问题：质量(重量)较大、噪音大、耗油量大、结构复杂制造难度高、成本高，而效率较低，响应速度(功率的变化率)慢，大多只能在飞机上大量运用而难以在汽车、摩托车、列车、船只等水陆交通工具上大量运用。

发明内容：

本发明提供一种活塞式燃气涡轮发动机能克服或改进背景技术中所述的不足。

本发明的大致结构可参考图1，包括有曲轴(1)、锥形齿轮(2)、锥形齿轮(3)、活塞(4)、活塞连杆(5)、涡轮转轴(6)、进气道(内涵道)(7)、缸体(气缸)(8)、进气口(9)、进气门(10)、送气门(11)、压气通道(12)、节气门(13)、燃料喷口(14)、火花塞(15)、燃烧室(16)、涡轮(17)、喷管(18)，其中曲轴(1)上的锥形齿轮(2)与固定在涡轮转轴(6)上端的锥形齿轮(3)啮合，涡轮转轴(6)下端与涡轮(17)连接，曲轴(1)又与活塞连杆(5)连接，活塞连杆(5)又与活塞(4)连接，活塞(4)能在缸体(8)中自由往复运动，缸体(8)下端壁上的进气口(9)处设有进气门(10)，进气口(9)和进气门(10)也可设在活塞(4)的下端，缸体(8)下端设有送气门(11)，缸体(8)末端与压气通道(12)上端连接，压气通道(12)下端与燃烧室(16)连接，压气通道(12)内设有节气门(13)，燃烧室(16)的外壁上固定有燃料喷口(14)火花塞(15)。

本发明采用活塞代替现有燃气涡轮发动机中的压气机，其他部分的结构与传统燃气涡轮发动机的结构基本相同。由于采用活塞与涡轮的结合，使它具备有传统活塞式发动机和传统燃气涡轮发动机的性能和优点，并且改变功率的方式与传统活塞式发动机改变功率的方式基本相同，所以本发明和传统活塞式发动机一样可在短时间内大幅度改变发动机的输出功率即具有很快的响应速度。这样的结构使本发明产生如下几方面的积极效果：

1、质量(重量)比现有的燃气涡轮发动机更小，功率更大，所以推重比更大，功率重量比也随之提高。

2、污染、噪音和耗油量更小，更加环保和节约能源。

3、技术难度低制造简单、成本低经济性好。

4、响应速度快，可以在短时间内大幅度改变发动机的功率。不但可以在各种飞机上大量

使用而且可在汽车、摩托车、船只、列车、发电设备和各种模型上大量使用，使之应用更广泛。

5、具备传统活塞式发动机和传统燃气涡轮发动机的大部分性能和优点，而又避免了这两种发动机的大部分缺点。

附图说明：

图1为本发明的内部结构示意图；

图2为图1某时刻的工作状态示意图(图中带箭头实线表示气体及其流动方向，带箭头虚线表示机器部件的运动或转动方向)；

图3为图1在缸体(8)处的横剖面后视图(从喷管端往缸体端看)；

图4为图1在压气通道(12)处的横剖面后视图；

图5为图1在燃烧室(16)处的横剖面前视图(从缸体端往喷管端看)；

图6为实施例2在缸体(8)处的横剖面后视图；

图7为实施例2在压气通道(12)处的横剖面后视图；

图8为实施例2中的曲轴(1)与齿轮轴(19)和涡轮转轴(6)结构关系示意图；

图9为本发明中的活塞式涡轮风扇发动机的结构示意图(图中带箭头实线表示气流，带箭头虚线表示机械臂的运动方向)；

图10为本发明中的活塞式涡轮轴发动机的结构示意图；

图11为图10在缸体(8)处的横剖面后视图；

图12为本发明中的活塞式涡喷涡轴两用发动机的结构示意图。

具体实施方式：

本发明采用活塞代替传统燃气涡轮发动机的压气机，活塞可以是一个也可以是多个，为减小发动机的质量(重量)而又使它工作时仍具有较好的连续性，可采用两个或四个活塞代替传统燃气涡轮发动机的压气机。比传统燃气涡轮发动机多增加的结构还有：曲轴(1)、活塞连杆(5)、缸体(8)、进气门(10)、送气门(11)、节气门(13)，其余部分的结构与传统燃气涡轮发动机的结构基本相同。其大致结构可参考图1。

实施例1：

采用两个活塞作为压气机，其结构可参考图1，曲轴(1)上的锥形齿轮(2)与固定在涡轮转轴(6)上端的锥形齿轮(3)啮合，涡轮转轴(6)下端与涡轮(17)连接，曲轴(1)又与活塞连杆(5)连接，活塞连杆(5)又与活塞(4)连接，活塞(4)能在缸体(气缸)(8)中自由往复运动，缸体(8)下端的外壁上开有进气口(9)，进气口(9)上设有进气门(10)，缸体(8)下端设有送气门(11)，缸体(8)末端与压气(高压空气)通道(12)上端连接，压气通道(12)下端与燃烧室(16)连接，压气通道(12)内设有节气门(13)，燃烧室(16)壁上有燃料喷口(14)和火花塞(15)通进燃烧室(16)。

当燃料从燃料喷口(14)喷入燃烧室(16)而被火花塞(15)点燃时，产生高温高压气体推动涡轮(17)与涡轮转轴(6)转动，涡轮转轴(6)通过锥形齿轮(2)和锥形齿轮(3)驱动曲轴(1)转动，曲轴(1)通过活塞连杆(5)驱动活塞(4)使活塞(4)在缸体(8)中往复运动，当活塞(4)由最下端运动到最上端的过程中，进气门(10)处于打开状态，而送气门(11)处于关闭状态，此过程从外界吸入空气，然后活塞(4)由最高上端运动到最下端，此过程中，进气门(10)处于关闭状态，送气门(11)处于打开状态，这一过程将空气压进燃烧室(16)内与燃料混合燃烧，产生的高温高压气体又驱动涡轮(17)与涡轮转轴(6)转动，再次驱动曲轴(1)转动和活塞(4)往复运动，活又再次从外界吸入空气并压进燃烧室(16)与燃料混合燃烧，这样一直循环工作下去。当一个活塞刚要从上往下运动时，另一个活塞则刚要从下往上运动，也就是说时刻都保持有一个活塞在从外界吸进空气另一个活塞在往燃烧室压进空气与同步喷入的燃料混合燃烧，保持了火焰的连续性，所以发动机起动后，火花塞可以不再工作。

实施例2：

本实施例的结构和实施例1基本相同，主要的不同点在于此实施例采用四个活塞作为压气机，比实施例1多增加两个活塞，与之相对应地增加一条曲轴、两条活塞连杆、两个缸体、三个齿轮、一条齿轮轴(19)、两条压气通道、两个节气门和两个燃料喷口，四个缸体并在一起，每条曲轴与两条活塞连杆连接，四条活塞连杆分别和四个活塞连接，即一条曲轴控制两个活塞的往复运动，可参考图6、图7和图8。发动机起动工作时，两条曲轴被涡轮转轴(6)通过齿轮轴(19)驱动，涡轮转轴(6)上端的锥形齿轮(3)与齿轮轴(19)上的锥形齿轮(2)啮合，齿轮轴(19)上的齿轮(20)与两曲轴上的齿轮(21)和齿轮(22)啮合，齿轮(21)和齿轮(22)是相同的两个齿轮，可使两条曲轴的转速时刻相同，可参考图8。两条曲轴可使四个活塞的运动每时每刻都互不同步，活塞交替地往燃烧室送入空气，当一个活塞还没完全把一柱(一缸体容积的)空气压进燃烧室时，另一个活塞已经开始往燃烧室压进空气与燃料混合燃烧，使火焰具有良好的连续性和稳定性，而振动较小。

活塞的往复运动执行了从外界吸入空气并将其压进燃烧室的任务，代替了传统燃气涡轮发动机中一连串级数繁多而重量又大的压缩机叶轮的吸气和压气工作。传统活塞式发动机中的活塞和缸体(气缸)要承受高温高压气体的强大的冲击力，活塞对活塞连杆和曲轴也有强大冲击力，所以传统活塞式发动机对缸体、活塞、活塞连杆和曲轴的要求很高，缸体和活塞要硬度(强度)大而又耐高温，曲轴和活塞连杆的强度也要很高，而本发明的活塞只起到从外界吸入空气，并将其压进燃烧室的作用，无须受燃烧室内高温气体的强大冲击力，所以本发明对活塞、缸体、活塞连杆和曲轴的技术要求不高，活塞和缸体不必用高强度耐高温材料制造，可以用轻质材料做得十分轻薄，曲轴和活塞连杆可以用更细小更轻质的材料做成，大大减小成本和技术难度，活塞、缸体、曲轴和活塞连杆的总重量比传统燃气涡轮发动机中一连串级数繁多的压气机叶轮的总重量要小得多，所以本发明理论上从整体上大大减了重量，而又节省了空间，并且传统燃气涡轮发动机中的压缩机叶轮无论是在制造方面还是在发动机中的运用方面，都对技术有很高的要求，而本发明中的压气机是活塞，重要的辅助结构还有活塞连杆和曲轴，这些结构的成本和技术难度都相当低，容易制造。所以本发明在大大减小重量的同时而又大大减小成本和技术难度。

传统燃气涡轮发动机的压气机叶轮在压气的过程中以高速转动，叶片与空气发生高速摩擦，而产生巨大的噪音，此噪音是传统燃气涡轮发动机的重要来源之一，而本发明中的活塞在吸气及压气过程中基本不与空气发生摩擦，只与缸体发生摩擦，活塞与缸体之间的润滑程度很高，相对滑动发出的声音极小，所以本发明中的压气机(活塞)部分基本不发出噪音，从而大大减小发动机的噪音。

曲轴每转一周，各个活塞都完成了一次往复运动(一次全振动)，也就是说每个活塞都往燃烧室压进了一柱(一缸体容积)的空气，当缸体的横截面积一定时，缸体的长度可以很短也可以很长，当缸体的长度较长时，缸体的容积较大，送入的空气也就较多，理论上可使本发明单位时间内吸入的空气比传统燃气涡轮发动机单位时间内吸入的空气多很多，而使燃料更充分地燃烧，放出更多的能量，从而提高发动机的效率和减少CO(一氧化碳)的排放，减少污染。由于效率的提高而使发动机功率提高，而重量又大大减小，所以本发明的推重比、功率重量比也随之而提升。

每个活塞的运动和与之相对应的燃料喷口的喷射是同步的，当活塞开始往燃烧室压入空气的同时，与之相对应的燃料喷口开始往燃烧室喷射最适量的燃料，当活在从外界吸气的过程中，对应的燃料喷口处于关闭状态，避免了每个燃料喷口自身的连续喷射，进而防止了由于每个燃料喷口的连续喷射使燃料不完全燃烧而造成的燃料浪费，所以本发明比传统燃气涡轮发动机更节约能源。

当调节节气门(13)使压气通道(12)的进气面积减小时，压进的空气在这里的流速减慢，使活塞更难将空气压进燃烧室，从而使活塞往复运动的频率减小，进而使曲的转速减小，传感器感应到此信息随即控制燃料喷口，使燃料喷口适当减少燃料的喷出量，进而减小发动机的功率，反之增大发动机的功率，起到改变发机功率的作用。当然不用传感器也可以控制燃料的喷出量，那就是在控制节气门时同步地直接控制控制燃料的喷出量，也起到改变发动机功率的作用。这两种改变功率的原理与传统活塞式发动机改变功率的原理是一样的，传统活塞式发动机通过调节节气门来改变进气的面积，改变空气流入燃烧室的流速而使化油器改变燃料的喷出量，从而改变功率。传统活塞式发动机的做功方式是将一份份的空气和一份份的燃料混合送入燃烧室被压缩点燃，输出一份份的具有脉冲性质的功。相同地，本发明中的活塞将一份份的空气压缩送进燃烧室与同步送进燃烧室的一份份的燃料混合燃烧，输出一份份具有脉冲性质的功，和传统活塞式发动机的做功方式是相同的，所以本发明的做功方式和改变功率的方式与传统活塞式发动机的做功方式和改变功率的方式是相同的，这样的做功方式和改变功率的方式是传统活塞式发动机响应速度快(容易改变功率)的根本原因，所以本发明与传统活塞式发动机一样具有很快的响应速度。

传统燃气涡轮发动机的响应速度慢，是传统燃气涡轮发动机难以在汽车上运用的重要原因。本发明的响应速度快，解决了这一问题，也就是说本发明能大量运用于汽车上，不仅如此，而且可以在飞机、船只、列车等交通工具和发电机等设备上大量运用。

传统汽车上的活塞式发动机在工作时，火花塞不停地放电点火，使发动机内产生大量氮的氧化物，严重污染环境，是酸雨的重要成因之一，而本发明中的火花塞在点燃燃料使发动机起动后不再工作即不再放电点火，也就不再会产生氮的氧化物。如果在汽车上运用本发明，取代传统活塞式发动机，那么将可以大大减少氮的氧化物的排放，进而大大减酸雨的形成，所以本发明更环保。

传统活塞式发动机最主要的缺点在于重量大、功率小和振动强烈，振动强烈是由它对外做功具有明显间断性引起的，本发明由于燃烧室内的火焰具有连续性，所以对外做功也具有连续性，即不具有明显间断性，所以本发明比传统活塞式发动机振动更小，更加安定，由于本发明的非压气机部分结构和传统燃气涡轮发动机的非压气部分的结构基本相同，做功方式和传统燃气涡轮发动机的做功方式也十分相似，都是由压气机将空气压进燃烧室与燃料混合燃烧，产生高温高压气体推动涡轮转动使转轴输出动力或直接产生反冲力。所以本发明既具有活塞式发动机的响应速度大、成本低、技术难度低、噪音小、耗油量小效率高和制造简单等优点，又具有传统燃气涡轮发动机的重量小、功率大、推重比大、功率重量比大等优点，也就是说本发明既避免了传统活塞式发动机的重量大、功率低、振强烈等缺点，又避免了传统燃气涡轮发动机的响应速度慢、噪音大、技术难度高制造难度大、成本高等缺点。即本发明集传统活塞式发动机和传统燃气涡轮发动机的大部分优点于一身，而又避免了这两种发动机的大部分缺点。

本发明可包括以下几种发动机：

1、活塞式涡轮喷气发动机：此发动机是本发明中结构最简单的一种，其结构可参考图1。和传统涡轮喷气发动机基本一样，能使燃烧室(16)内产生的气体从喷管(18)后高速喷出而产生巨大反冲推力。比传统涡轮喷气发动机更优之处在于功率更大、效率更高、重量更轻、噪音和污染更小、技术难度低制造简单、成本低、响应速度快(容易改变发动机的功率)，无须加上加力燃烧室也可以迅速改变发动机的功率。非常实用。

2、塞式涡轮风扇发动机：在发动机1的前端装上一组风扇叶轮(30)，其结构可参考图9，曲轴(1)上的锥形齿轮(2)与风扇转轴(29)上的锥形齿轮(28)啮合，使涡轮能够带动风扇转动，产生动力，当然也可以将风扇叶轮(30)装在下述的发动机4的前端通过动力输出轴(26)传动而产生动力。与传统涡轮风扇发动机相比最显著的优点在于重量更轻、噪音和污染更小、技术难度低制造简单、响应速度快。

3、塞式涡轮螺旋桨发动机：其结构和发动机2相似，不同点在于用螺旋桨代替发动机2中的风扇叶轮(30)，螺旋桨转动时产生动力。其优点与发动机2的优点基本相同。

4、塞式涡轮轴发动机：在发动机1中增加一条涡轮转轴(转子)(23)、一条动力输出轴(26)、一个自由涡轮组(24)、一个锥形齿轮(25)和一个锥形齿轮(27)，其结构可参考图10和图11，涡轮转轴(23)上端与锥形齿轮(3)连接下端与涡轮(17)连接，锥形齿轮(3)与曲轴(1)上的锥形齿轮(2)啮合，涡轮转轴(6)上端与锥形齿轮(25)连接下端与自涡轮组(24)连接，锥形齿轮(25)与动力输出轴(26)上的锥形齿轮(27)啮合。发动机工作时，涡轮转轴(23)驱动动力输出轴(26)输出动力。由于本发明具有响应速度快、功率大、重量轻、振动小、噪音小等优点，所以此活塞式涡轮轴发动机可在汽车上大量使用。

5、塞式涡喷涡轴两用发动机：其结构与发动机4基本一样，参考图12，不同的是自由涡轮组(32)可通过机械臂(33)自由地装在涡轮转轴(6)上和自由地拆下。自由涡轮组(32)固定在机械臂(33)上并能在上面自由转动。当需要向动力输出轴输出动力时，可控制机械臂(33)从尾喷口(34)的右侧向左平移伸出，然后向上平移使机械臂(33)上的自由涡轮组(32)与转轴(6)上的齿轮(31)相互啮合，使自由涡轮组(32)的转动能驱动涡轮转轴(6)转动，自由涡轮组(32)能将高温高压气体的大部分能量传到涡轮转轴(6)上，然后传到动力输出轴上输出动力；当需要反冲推力时，可控制机械臂(33)向下平移，使自由涡轮组(32)从齿轮(31)上脱下，然后机向右平移并从尾喷口(34)右侧收回，此时燃烧室中大量的高温高压气体以高速喷出，产生反冲推力。也就是说可根据需要，控制发动机输出转动动力或反冲动力，相当于集发动机1和发动机4于一体。此发动机可直接在飞机上使用，也可以直接在汽车上使用，最有价值的是它可以在陆空两用飞行器(飞行汽车)上使用，可将此发动机装在飞行汽车的后方，当飞行汽车在陆地上行走时，可控制此发动机中的机械臂(33)将自由涡轮组(32)装在涡轮转轴(6)上，使动力输出轴向汽车输出转动动力驱动车轮转动，使汽车能在陆上行走，当飞行汽车起飞时需要反冲动力，此时可控制发动机中的机械臂(33)将自由涡轮组(32)从涡轮转轴(6)上拆下并从尾喷口(34)的右侧收回，此时发动机往后方喷出高速气体，产生反冲推力，使飞行汽车在空中也能得到动力提供。实现一物多用。

Claims (4)

1、活塞式燃气涡轮发动机，包括有曲轴(1)、锥形齿轮(2)、锥形齿轮(3)、活塞(4)、活塞连杆(5)、缸体(8)和传统燃气涡轮发动机的非压气机部分，曲轴(1)上的锥形齿轮(2)与涡轮转轴(6)上端的锥形齿轮(3)啮合，涡轮转轴(6)下端与涡轮(17)连接，曲轴(1)又与活塞连杆(5)连接，活塞连杆(5)与活塞(4)连接，活塞(4)在缸体(8)中，缸体(8)末端与压气通道(12)连接，压气通道(12)与燃烧室(16)连接，其特征是采用活塞代替传统燃气涡轮发动机的压气机。

2、根据权利要求1所述的活塞式燃气涡轮发动机，其特征在缸体(8)下端壁上设有进气口(9)，进气口(9)上设有进气门(10)，缸体(8)的下端设有送气门(11)，压气通道(12)内设有节气门(13)。

3、根据权利要求1或2所述的活塞式燃气涡轮发动机，其特征在于进气口(9)和进气门(10)可设在活塞(4)的下端。

4、根据权利要求1或2或3所述的活塞式燃气涡轮发动机，其特征在于自由涡轮组(32)可设在能上下和左右平移的机械臂(33)上，机械臂(33)设在尾喷口(34)的右侧。

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