CN218563737U - 涡扇换能器及其发电系统 - Google Patents

Abstract

一种涡扇换能器(100)及其发电系统(200)。该涡扇换能器(100)包括壳体(10)、主轴(20)以及涡扇叶片(30)，该涡扇叶片(30)安装于该主轴(20)上并布置在该壳体(10)内，该壳体(10)的内部形成腔室(11)并设有进气口(12)和出气口(13)，该进气口(12)与发动机排气口流体连通，发动机排出的尾气通过该进气口(12)进入该腔室(11)并驱动该涡扇叶片(30)运动，以带动该主轴(20)旋转。该涡扇换能器(100)能实现尾气能量的回收。

Description

涡扇换能器及其发电系统

技术领域

本实用新型涉及发电领域，具体涉及一种涡扇换能器及其发电系统。

背景技术

单一动力车辆一般会采用点燃式汽油发动机或压燃式柴油发动机。通常汽油、柴油发动机热效率只有40-45％，大量燃油做功形成热量随冷却气散掉，大致损失在尾气尾热、尾压上的热能占20-30％。这会造成能源浪费，并造成发动机效率下降，发动机排放污染以及碳消耗增加，燃油经济性差。如果能高效地回收这部分能，使发动机热效率提高10％-20％，将极大改善发动机燃油经济性，也能减少碳排放和污染排放。另外，旋转式涡扇发动机航空发动机也涉及一种发动机。

2016年德国马勒实用新型了利用酒精或丙烷作为换热媒介，将卡车发动机尾热换出来，通过透平机重新把媒介热冷体积变化转换为轴输出功率，实现驱动和发电。该系统也称作马勒卡车酒精透平换能发电系统。大型卡车安装上这套系统，上坡能发电15KW，下坡或平路发电微弱。系统由换热器、媒介、管路、循环泵、散热器、透平机、发电机、风扇组成；基本构成和发电厂马勒循环系统相同。此种系统实际结构复杂、体积大、换能效率并不高，估算约为20％左右，在车辆上实现困难大。朗肯循环系统也涉及一种发电系统，如图1所示，该发电系统包括余热源ZC41、蒸发器ZC42、膨胀机ZC43、发电机ZC44、冷凝器ZC45、及工质泵ZC46；现有的蒸汽轮机发电系统也是一种发电系统。上述发电系统也存在结构复杂、体积较大、换能效率低的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种涡扇换能器及其发电系统，以解决上述现有技术中存在的问题。

为了解决上述问题，根据本实用新型的一个方面，提供了一种涡扇换能器，所述涡扇换能器包括壳体、主轴以及涡扇叶片，所述涡扇叶片安装于所述主轴上并布置在所述壳体内，所述壳体的内部形成腔室并设有进气口和出气口，所述进气口与发动机排气口流体连通，发动机排出的尾气通过所述进气口进入所述腔室并驱动所述涡扇叶片运动，以带动所述主轴旋转。

在一个实施例中，所述壳体的内部设有导流部，从进气口进入的尾气沿所述导流部导向后流至所述涡扇叶片。

在一个实施例中，所述壳体的内部设有锥形结构，所述锥形结构与所述壳体的内壁固定连接，以及在所述锥形结构的表面形成所述导流部。

在一个实施例中，所述锥形结构包括锥形件和环形件，所述锥形件的前部形成锥形体，所述锥形件的后部形成环形体，所述锥形体的外表面形成所述导流部，所述环形体与所述环形件的内壁固定连接并在所述环形件的内壁和所述环形体的外壁之间形成气流通道。

在一个实施例中，所述主轴的前端可转动地安装于所述锥形结构内。

在一个实施例中，所述锥形件的后表面设有凹槽，所述凹槽的底部设有轴承安装孔，所述主轴的一端通过轴承可转动地安装于所述轴承安装孔内。

在一个实施例中，所述腔室的前部形成锥形腔室，所述锥形件安装于所述锥形腔室内，所述锥形件的外壁和所述锥形腔室的内壁之间形成气流通道。

在一个实施例中，所述进气口设置于所述壳体的前端并沿所述主轴方向延伸，以及所述出气口设置于所述壳体的侧壁，所述涡扇叶片布置于所述进气口与所述出气口之间。

在一个实施例中，所述涡扇换能器包括至少两个出气口，所述壳体包括沿通过主轴的平面剖开的第一部分和第二部分，所述至少两个出气口设置于所述第一部分或所述第二部分上。

在一个实施例中，所述至少两个出气口沿同一条轴线延伸。

在一个实施例中，所述至少两个出气口沿垂直于所述主轴的方向延伸布置。

在一个实施例中，所述涡扇换能器包括一个进气口和一个出气口，所述一个进气口和所述一个出气口分别布置于所述壳体的前部和后部并垂直于所述主轴布置。

在一个实施例中，所述壳体包括相互独立的第一部分、第二部分和第三部分，所述第一部分和所述第二部分配合并在内部形成第一腔室，所述第三部分的内部形成第二腔室，其中所述涡扇叶片布置于所述第一腔室内，所述第二腔室具有与所述锥形件的外表面匹配的形状，以及所述锥形体布置于所述第二腔室内并在所述锥形体的外表面和所述第二腔室的内壁之间形成气流通道。

在一个实施例中，所述第一腔室的内壁上形成多个涡扇静叶安装台阶，所述多个涡扇静叶安装台阶与主轴的距离沿所尾气在所述壳体内的流动方向依次增加，所述涡扇叶片的涡扇静叶固定安装于所述涡扇静叶安装台阶上。

在一个实施例中，所述壳体的所述第三部分的侧壁上设置连通所述第二腔室的开孔，所述开孔内设置控制阀以控制从进气口进入的气体压力。

在一个实施例中，所述涡扇换能器包括至少两组涡扇叶片，每一组涡扇叶片包括一个涡扇动叶和一个涡扇静叶，所述涡扇动叶固定安装于所述主轴上，以及所述涡扇静叶固定安装于所述壳体上。

在一个实施例中，所述至少两组涡扇叶片沿气流方向依次布置，以及沿气流方向所述两组涡扇叶片的外径依次增加并位于40mm-300mm之间。

在一个实施例中，所述涡扇换能器包括n组涡扇叶片，所述n组涡扇叶片环绕所述主轴依次布置，沿气流方向所述n组涡扇叶片的外径依次增加，以及第n+1组涡扇叶片的外周圆与第n组涡扇叶片的外周圆的切线与主轴形成的夹角位于4-12度之间；较佳地，位于5-10 度之间。

在一个实施例中，所述涡扇换能器包括三组涡扇叶片。

在一个实施例中，所述n组涡扇叶片的每一组涡扇叶片的外径位于40mm-300mm之间。

在一个实施例中，第1组涡扇叶片的过气面积S1与入气口的过气面积S0满足以下关系： S0*45％＜S1＜S0*98％；

较佳地，第1组涡扇叶片的过气面积S1与入气口的过气面积S0满足以下关系：S0*70％≦S1≦S0*95％。

根据本实用新型的另一方面，还提拱了一种涡扇换能发电系统，所述涡扇换能发电系统包括上述的涡扇换能器和发电机，所述涡扇换能器的所述主轴与所述发电机的转子连接并驱动所述发电机的转子转动。

在一个实施例中，所述涡扇换能发电系统还包括热能转化剂室和热能转换剂加热室，其中所述涡扇换能器的壳体上设有通往腔室的注入口，所述热能转化剂箱与所述热能转化剂加热室流体连通，以及所述热能转化剂加热室与所述注入口流体连通。

在一个实施例中，所述涡扇换能发电系统还包括热能转化剂室、热能转换剂预热室以及热能转换剂加热室，其中所述涡扇换能器的壳体上设有通往腔室的注入口，所述热能转换剂预热室与所述涡扇换能器的出气口流体连通，所述热能转化剂箱与所述热能转化剂预热室流体连通，所述热能转化剂预热室与所述热能转化剂加热室流体连通，以及所述热能转化剂加热室与所述注入口流体连通。

根据本实用新型的另一方面，还提拱了一种涡扇换能发电系统，包括：

涡扇换能器，包括主轴和安装在主轴上的涡扇叶片，且所述涡扇换能器与发动机的排气口相连通；

注入泵，能向涡扇换能器注入燃料和换热介质；

发电电动机，包括安装在主轴上的转子和定子。

在一个实施例中，所述涡扇换能器还包括壳体，所述壳体和涡扇叶片之间形成膨胀室，所述膨胀室与发动机的排气口相通，且所述注入泵与膨胀室相连通。

在一个实施例中，所述注入泵通过换热管与膨胀室相连通，且所述换热管位于膨胀室中。

在一个实施例中，所述换热管呈圆柱螺旋状。

在一个实施例中，所述涡扇叶片包括涡扇动叶和涡扇静叶。

在一个实施例中，所述换热介质为水、甲醇、乙醇、或油。

在一个实施例中，还包括电池组，所述电池组与发电电动机相连接。

在一个实施例中，发动机排放的尾气流经涡扇换能器的涡扇叶片，并推动涡扇叶片及主轴旋转，主轴带动发电电动机的转子一起旋转，发电电动机发电；

当尾气温度大于设定温度时，利用注入泵向涡扇换能器注入液态的换热介质，液态的换热介质吸收尾气的热量形成气态的换热介质，换热介质推动涡扇叶片及主轴旋转，主轴带动发电电动机的转子一起旋转，发电电动机发电；

当发动机停止工作或空转时，利用注入泵向涡扇换能器注入燃料，燃料燃烧形成热膨胀，并推动涡扇叶片及主轴旋转，主轴带动发电电动机的转子一起旋转，发电电动机发电。

在一个实施例中，当尾气温度大于250摄氏度时，利用注入泵向涡扇换能器注入水。

在一个实施例中，通过等离子电场点燃注入涡扇换能器中的燃料。

本实用新型能充分利用尾气的热能及尾压进行发电，减少发动机排放的热量对环境造成的污染，实现尾气热能的回收，且本涡扇换能发电系统整体结构简单，占用空间较小。此外，本实用新型的涡扇换能器和发电系统结构简单、占用空间较小。另外，本实用新型还可以连续进行发电。

附图说明

图1是现有技术中朗肯循环系统的结构示意图。

图2是本实用新型一个实施例的涡扇换能发电系统的结构示意图。

图3是是本实用新型一个实施例的涡扇换能器100的立体分解图。

图4是图3的涡扇换能器的局部放大图，示出锥形结构和涡扇叶片。

图5A-5B分别是壳体的剖视图和左视图。

图6是壳体的第二部分的立体图。

图7是其中一组的涡扇动叶的主视图。

图8是其中一组涡扇静叶的主视图。

图9是本实用新型一实施例的涡扇换能器的剖视图。

图10是本实用新型另一实施例的涡扇换能发电系统的示意框图。

图11是本实用新型的一种利用发动机尾气进行发电的方法的示意框图。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本实用新型的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本实用新型范围的限制，而只是为了说明本实用新型技术方案的实质精神。

在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况下来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。

在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。

在以下描述中，为了清楚展示本实用新型的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

如图2所示，本实用新型提供一种涡扇换能发电系统，包括：

涡扇换能器ZC1，包括主轴ZC11和安装在主轴ZC11上的涡扇叶片ZC12，且所述涡扇换能器ZC1与发动机ZC2的排气口相连通；

注入泵，能向涡扇换能器ZC1注入燃料和换热介质；

发电电动机ZC3，包括安装在主轴ZC11上的转子ZC31和定子ZC32。

本实用新型中涡扇换能发电系统的工作原理为：发动机ZC2排放的尾气流经涡扇换能器 ZC1的涡扇叶片ZC12，并推动涡扇叶片ZC12及主轴ZC11旋转，主轴ZC11带动发电电动机 ZC3的转子ZC31一起旋转，发电电动机ZC3发电，从而实现利用尾气尾压直接发电；当尾气温度大于设定温度时，利用注入泵向涡扇换能器ZC1注入液态的换热介质，液态的换热介质吸收尾气的热量形成气态的换热介质，换热介质推动涡扇叶片ZC12及主轴ZC11旋转，主轴ZC11带动发电电动机ZC3的转子ZC31一起旋转，发电电动机ZC3发电，从而实现利用尾气的热能发电；当发动机ZC2停止工作或空转时，利用注入泵向涡扇换能器ZC1注入燃料，燃料燃烧形成热膨胀，并推动涡扇叶片ZC12及主轴ZC11旋转，主轴ZC11带动发电电动机 ZC3的转子ZC31一起旋转，发电电动机ZC3发电。本实用新型涡扇换能发电系统的能充分利用尾气的热能及尾压进行发电，减少发动机ZC2排放的热量对环境造成的污染，实现尾气热能的回收，且本涡扇换能发电系统整体结构简单，占用空间较小。

同时，本申请提供一种发电方法，包括如下步骤：

发动机ZC2排放的尾气流经涡扇换能器ZC1的涡扇叶片ZC12，并推动涡扇叶片ZC12及主轴ZC11旋转，主轴ZC11带动发电电动机ZC3的转子ZC31一起旋转，发电电动机ZC3发电；

当尾气温度大于设定温度时，利用注入泵向涡扇换能器ZC1注入液态的换热介质，液态的换热介质吸收尾气的热量形成气态的换热介质，换热介质推动涡扇叶片ZC12及主轴ZC11 旋转，主轴ZC11带动发电电动机ZC3的转子ZC31一起旋转，发电电动机ZC3发电；

当发动机ZC2停止工作或空转时，利用注入泵向涡扇换能器ZC1注入燃料，燃料燃烧形成热膨胀，并推动涡扇叶片ZC12及主轴ZC11旋转，主轴ZC11带动发电电动机ZC3的转子ZC31一起旋转，发电电动机ZC3发电。

本实施例中换热介质具体采用水，在其它实施例中换热介质还可采用甲醇、乙醇、或油等。本实施例中当尾气温度大于250摄氏度时，利用注入泵向涡扇换能器ZC1注入水，水与尾气进行热交换形成蒸汽，从而利用蒸汽推动涡扇叶片ZC12及主轴ZC11旋转。另外，本实施例中注入泵与水储蓄装置和燃料储蓄装置相连接，以能在需要时向涡扇换能器ZC1注入水或燃料。

如图2所示，本实施例中涡扇换能器ZC1还包括壳体ZC13，该壳体ZC13和涡扇叶片ZC12 之间形成膨胀室ZC14，膨胀室ZC14与发动机ZC2的排气口相通，且上述注入泵与膨胀室ZC14 相连通。同时，注入泵具体通过换热管ZC15与膨胀室ZC14相连通，该换热管ZC15位于膨胀室ZC14中，且换热管ZC15可呈圆柱螺旋状，使得换热管ZC15与膨胀室ZC14中尾气的接触面积大大增加。这样，当注入泵向换热管ZC15中注入水后，水在换热管ZC15中流动时能充分与膨胀室ZC14中的尾气进行热交换，并在膨胀室ZC14形成大量的蒸汽，最终蒸汽作用于涡扇叶片ZC12，从而推动涡扇叶片ZC12及主轴ZC11旋转。

如图2所示，本实施例中涡扇叶片ZC12具体可包括涡扇动叶ZC121和涡扇静叶ZC122。上述尾气的尾压、蒸汽、或燃料燃烧形成的热膨胀具体作用于涡扇动叶ZC121，以推动涡扇动叶ZC121及主轴ZC11旋转。

另外，本实施例中涡扇换能发电系统，还包括电池组，该电池组与发电电动机ZC3相连接。发电电动机ZC3产生的电能储蓄在电池组中。同时，本实施例中涡扇换能发电系统，还包括电驱动力轮毂及控制器。本涡扇换能发电系统将发出的电存储在电池组中，并通过电驱动力轮毂重新变换为动力，推动或助动车辆行驶。

本实施例在向涡扇换能器ZC1注入燃料过程中，通过等离子电场点燃注入涡扇换能器 ZC1中的燃料。

本实施例中涡扇换能发电系统属于环保、节能、减排等技术领域，可应用于交通运输工具的动力上，具体可为油电、油气、气电混合动力。且本涡扇换能发电系统与发电、电动、发动机制动领域热动、机电、机械相关。

本实施例中涡扇换能发电系统能将回收尾气的能量用于发电，且发出的电储存在电池组中，作为电动的驱动源，增加动力，实现混动交通工具，既环保、又节能、还提升燃油经济性，降低整体设备的重量。

本实施例中涡扇换能发电系统简化，并集连续发电、制动换能、尾压换能、尾热换能、燃料换能、发电电动为一体。本实施例中涡扇换能发电系统具体可加装在13升柴油发动机卡车的发动机排气系统上，并可以实现尾热发电混动，发动机ZC2热效率提升10％以上，还可以使车辆动力增加很多。在实现节油的同时，达到环保、节能的目的，也实现了尾气低温排放，适合低温工艺回收尾气污染物。本实施例中涡扇换能器ZC1是尾热尾压推动旋转涡扇，可以将尾热通过激发水蒸汽换能，也可以注入燃料燃烧尾气中氧气换能。上述膨胀室ZC14 也称作燃烧蒸汽室。发电电动机ZC3的转子ZC31具体为励磁线圈转子，定子ZC32具体为定子励磁线圈。另外，发电电动机ZC3还包括轴承。本实施例中发动机ZC2具体为一种内燃发动机。

本实施例中涡扇换能发电系统实现尾压换能的具体过程为：发动机ZC2产生高温高压的尾气流经涡扇叶片ZC12，直接推动涡扇旋转，通过调节转子ZC31励磁电流，在确保发动机 ZC2背压正常值范围，调整发电负载，输出电流。

本实施例中涡扇换能发电系统实现尾热换能的具体过程为：在尾压发电基础上，当尾气温度大于250摄氏度，注入水到换热管ZC15，通过尾气加热，在燃烧蒸汽室产生蒸汽，推动涡扇继续旋转，轴功率通过励磁线圈和定子ZC32发电。

本实施例中涡扇换能发电系统实现燃烧换能的具体过程为：当发动机ZC2停止工作或空转时，利用涡扇换能器ZC1产生动力；通过换热管ZC15，直接注入燃料，并通过等离子电场点燃，产生热膨胀，推动涡扇旋转，带动发动机ZC2发电。

本实施例中涡扇换能发电系统实现制动发电的具体过程为：当车辆下坡时，发动机ZC2 空转压气通过涡扇时，利用发电机磁阻阻尼拖动发动机ZC2主轴ZC11，减速；同时发电。

本实施例中涡扇换能发电系统实现电动制动的具体过程为：当需要更大制动力时，在发动机ZC2制动基础上，利用定子ZC32、转子ZC31励磁方向改变，将发电机变成电动机，反推涡扇，增加发动机ZC2压气阻力，实现动力制动。

本实施例中涡扇换能发电系统实现混动动力的具体过程为：将发电存储在电池组中，通过电动轮毂、即电驱动力轮毂重新变换为动力，推动或助动车辆行驶，从而实现电动和燃油动力、燃气动力混合。

本实施例中涡扇换能发电系统能实现尾热尾压发电、电推尾压制动、内燃机动力和电动机动力混动、燃油动力和电池动力连续混动、燃油燃气混动、活塞涡扇混动、发动机尾热发电、发动机尾压发电、发动机尾热尾压发电、燃料尾热尾压发电、发动机制动发电、尾热发电、制动发电、燃料发电、动力制动。本实施例中涡扇换能发电系统整体结构简单，效率更高，便于将其应用在车辆上。本实施例中涡扇换能发电系统也可称作一种涡扇发电机。

下面结合图3-图9对本实用新型一个实施例的涡扇换能器进行详细描述。

图3示出本实用新型一个实施例的涡扇换能器100的立体分解图。如图3所示，本实用新型的涡扇换能器100整体上包括壳体10、主轴20以及涡扇叶片30，涡扇叶片30安装于主轴20上并布置在壳体10内，壳体10的内部形成腔室11并设有进气口12和出气口13，进气口12用于连接发动机排气口，发动机排出的尾气可以通过进气口12进入腔室11内并驱动腔室11内的涡扇叶片30带动主轴20旋转。本实施例的涡扇换能器通过结构优化，将发动机尾气输入到腔室内对涡扇叶片做功，有效利用发动机尾气的动能，变废为宝，实现能源的合理高效利用。

下面结合图3进一步对本实用新型一实施例的涡扇换能器100进行详细说明。如图3 所示，壳体10的内部设有导流部143，从进气口12进入的发动机尾气沿导流部143导向后流至涡扇叶片30。导流部143具有光滑的表面。具体地，在图3所示的实施例中，壳体10 的内部设有锥形结构14，锥形结构14与壳体10的内壁固定连接，锥形结构14的前表面形成上述导流部143。通过导流部143对发动机尾气进行导向，有效减少发动机尾气的动能损失，并将发动机尾气直接导向涡扇叶片30的有效部位，提高能量的转化效率。

图4是图3的局部放大图，其示出锥形结构14和涡扇叶片30。如图4所示，锥形结构14包括锥形件141和环形件142，环形件142围绕锥形件141的外周设置。具体地，锥形件141的前部形成锥形体1411，锥形件141的后部形成环形体1412，锥形体1411的外表面形成上述导流部143，环形体1412与环形件142的内壁固定连接并在环形体1412的外壁与环形件142的内壁之间形成气流通道144。环形体1412与环形件142例如通过多个间隔分布的连接柱(图未示)连接。连接柱的一端连接在环形体1412的外壁上，连接柱的另一端连接在环形件142的内壁上，较佳地，多个连接柱环绕环形体1412均匀分布，例如采用三根连接柱，每一根连接柱延伸通过环形体1412的圆心位置，每两根连接柱之间形成120 度的夹角。

环形件142固定在壳体10的内部，从而将导流部143与壳体10固定连接。较佳地，环形件142的外壁与壳体的内壁之间紧密接触，使得从进气口12进入的发动机尾气经过导流部143导向后，只通过环形件142的内壁与环形体1412的外壁之间形成的气流通道144流向涡扇叶片30。由于连接柱设置于气流通道144内，因此，为了确保从发动机出来的尾气沿气流通道144高效流动，连接柱的数量和尺寸需要进行优化，在本实施例中，实用新型人经过大量实验和模拟后，意外发现选择三根连接柱具有很好的效果，既能有效固定锥形体 141与环形件142，又不影响从发动机出来的尾气的顺利通过。

优选地，锥形件141的后表面，即环形体1411的面向涡扇叶片30的表面设有凹槽145，凹槽145的底部设有主轴前端安装孔146，主轴20前端安装于主轴安装孔146内。凹槽145 内可以设置轴承，通过轴承将主轴20的前端可转动地固定在凹槽145内。

图5A是壳体10的剖视图，图5B是壳体10的左视图，如图5A-5B所示并结合图3，壳体10整体包括相互独立的第一部分10A、第二部分10B和第三部分10C，第一部分10A和第二部分10B合在一起形成壳体的主体部分，第三部分10C安装于壳体10的主体部分的前方。在本实例中，壳体10的主体部分形成圆筒状，也就是说，第一部分10A和第二部分10B 可以理解为壳体10的圆筒状的主体部分从沿过轴线的面剖开形成的两部分，第一部分10A 的内部形成腔室11的一部分，第二部分10B的内部形成腔室11的另一部分，第一部分10A 和第二部分10B合在一起时，其内部形成整个腔室11。

相应地，第三部分10C整体上形成锥形形状，其外径从后向前，即从靠近壳体10的第一部分10A和第二部分10B向远离壳体10的第一部分10A和第二部分10B逐渐缩小，形成一个锥形面。相应地，第三部分10C的内部形成锥形内表面，该锥形内表面与锥形结构14 的锥形体1411的外表面配合，并在第三部分10C的锥形内表面与锥形结构14的锥形体1411 的外表面之间形成气流通道，以对从进气口12进入的发动机尾气进行导向。

为了方便说明，现在以图5A所示的方向为参考方向对壳体进行说明，然而本领域的技术人员可以理解，在使用过程中，涡扇换能器100可以根据使用情况进行方向的调整。如图 5A所示，壳体10的前端设置进气口12，壳体10的后部设置出气口13，优选设置两个出气口13，两个出气口13优选位于主轴20的同一侧，在图5A中位于主轴20的下方。作为一种优选方式，两个出气口13的延伸方向相同并垂直于主轴20，较佳地，两个出气口13可以同轴设置，并都布置在涡扇叶片20的下游，从发动机出来的尾气流过整个涡扇叶片30 进行做功后，再从两个出气口13流出涡扇换能器，流出的气体例如可以经过尾气净化装置进行净化后，再排放到空气中，从而可以减小甚至消灭发动机尾气对环境的污染。

壳体10的后部设有轴承安装槽18，轴承安装槽18内设有沿主轴方向延伸的通孔181，轴承安装槽18内设置轴承，主轴20的后端通过轴承可转动地安装于轴承安装槽18内，并穿过通孔181与外部连接，从而将发动机尾气带动涡扇扇叶旋转产生的动能输出到外部，例如传递给发电机的转子，进而转化成电能。

图6是壳体10的第二部分10B的立体图。现在参照图6对壳体10的第二部分10B进行说明，壳体10的第一部分10A与第二部分10B大部分结构类似，主要是少掉两个出气口 13，因此，本文不再壳体10的第一部分10A进行详述。如图6所示，两个出气口13设置于壳体10的第二部分10B上，且两个出气口13沿同一条轴线延伸并垂直于主轴20。出气口13的后方设置轴承安装槽18，第二部分10B上的轴承安装槽18为半圆形形状，与壳体 10的第一部分10A上的另外一部分轴承安装槽配合形成完整的轴承安装槽。第二部分10B 的底部还设有安装部19，通过安装部19将整个涡扇换能器安装于诸如汽车的底盘上，或其他任何合适的地方。在图6所示的实施例中，安装部19为设置于壳体10的第二部分10B 底部的一块板，当然，本领域的技术人员可以理解，安装部19也可以采用别的结构。

参照图6并结合图4和图5A，腔室11的内部形成有多个涡扇静叶安装台阶161，定义气流在腔室内的流动方向的上游方向为前方，下游方向为后方，涡扇叶片30包括涡扇动叶31和涡扇静叶32，涡扇静叶32固定安装于涡扇静叶安装台阶161上。腔室11的前端，即壳体10的第一部分10A和第二部分10B的前端，即靠近第三部分10C的一端，形成有环形件安装槽162，锥形结构14的环形件142配合安装于环形件安装槽162上，并通过壳体10 的第三部分10C从前方压紧固定，以将锥形结构14固定在壳体10的内部。

在图6所示的实施例中，壳体10内的多个涡扇静叶安装台阶包括三个涡扇静叶安装台阶，沿气流的流动方向依次为第一涡扇静叶安装台阶161A，第二涡扇静叶安装台阶161B，以及第三涡扇静叶安装台阶161C。结合图4和图6，第一涡扇静叶安装台阶161A安装第一涡扇静叶32A，第二涡扇静叶安装台阶161B安装第二涡扇静叶32B，第三涡扇静叶安装台阶161C安装第三涡扇静叶32C，第一涡扇静叶安装台阶161A的前方布置环形件安装槽162，第一涡扇静叶安装台阶161A和第二涡扇静叶安装台阶161B之间、第二涡扇静叶安装台阶161B和第三涡扇静叶安装台阶161C之间、以及第三涡扇静叶安装台阶161C的后方各设有一个避让部163，避让部163与涡扇动叶31配合。参照图3-4，从进气口12进入的发动机尾气通过锥形导流部143导向后，通过流体通道144流向第一涡扇静叶32A，然后依次流过第一涡扇动叶31A、第二涡扇静叶32B、第二涡扇动叶31B、第三涡扇静叶32C、第三涡扇动叶31C，然后再经出气口13流出涡扇换能器100，在尾气流过涡扇动叶的过程中，对涡扇动叶做功从而推动涡扇动叶带动主轴20旋转。

继续参照图6，壳体10的第二部分10B的每一个涡扇静叶安装台阶161的上表面，即朝向壳体10的第一部分10A的表面，设有涡扇静叶固定槽165，每一个涡扇静叶32的外周上设有涡扇静叶固定部(下文还会详细描述)，通过涡扇静叶固定部与涡扇静叶固定槽165 配合，将涡扇静叶32固定安装于壳体10的内部。例如，涡扇静叶固定部为设置于涡扇静叶上的突出部，通过将突出部伸入涡扇静叶固定槽16内，并将壳体10的第一部分10A和第二部分10B闭合，从而将突出部压紧，涡扇静叶即固定于壳体10内。

在本实用新型中，涡扇叶片包括涡扇动叶和涡扇静叶，定义一组涡扇叶片包括一个涡扇动叶和一个涡扇静叶，则图3所示的实施例中包括三组涡扇叶片，然而，需要理解的是，在其他实施例中，也可以包括二组涡扇叶片、四组涡扇叶片等，以及在一些情况下，可以包括一组涡扇叶片。

下面结合图7和图8对本实用新型一个实施例的一组涡扇叶片30的涡扇动叶31和涡扇静叶32的具体结构进行详细描述。需要理解的是，此处描述的涡扇动叶31和涡扇静叶32 的结构和形状适用于任意一组涡扇叶片的涡扇动叶和涡扇静叶。

图7是其中一组的涡扇动叶31的主视图，如图7所示，涡扇动叶31包括动叶基部311和多个动叶片312，动叶基部311整体上呈圆盘状，并在中部设有第一安装孔313，第一安装孔313可以直接与主轴20配合，从而将涡扇动叶31直接固定安装于主轴20上，第一安装孔311也可以通过第一连接件314(参照图4)安装于主轴20上，即第一连接件314也呈圆盘状，第一安装孔311的内径与第一连接件314的外径配合，第一连接件314的中部设有与主轴20配合的第三连接孔315(参照图4)，涡扇动叶31的动叶基部311与第一连接件 314固定连接，例如通过焊接的方式固定连接，第一连接件314固定安装于主轴20上，从而将涡扇动叶314固定安装于主轴20上，使得涡扇动叶31能够带动主轴20一起旋转。多个动叶片312设置于动叶基部311的外周上，优选多个动叶片312与动叶基部311一体成型。多个动叶片312的远离圆心的一端位于同一个圆上，并定义该圆为该组涡扇叶片的外周圆。

图8是其中一组涡扇静叶32的主视图，涡扇静叶32包括静叶基部321和多个静叶片322，静叶基部321整体上呈圆盘状，并在中部设有第二安装孔323，第二安装孔323的内径大于主轴20的内径。第二安装孔232可以直接套设于主轴20上，也可以通过一个第二连接件324(参照图4)套设于主轴20上，即第二连接件324也呈圆盘状，第二安装孔321 的内径与第二连接件324的外径配合，第二连接件324的中部设有与主轴20配合的第四连接孔325，第四连接孔325的内径大于主轴20的外径，使得主轴20在涡扇动叶31的带动下，能够在第四连接孔325内顺畅转动。其中，静叶基部321与第二连接件324固定连接，例如通过焊接的方式固定连接。多个静叶片322设置于静叶基部321上，并沿径向延伸。多个静叶片322的外端，即远离圆心的一端，通过连续的外周部326连接，外周部326设有安装部327，通过安装部327将涡扇静叶32固定安装于壳体10的内部。具体地，安装部327 为设置于外周部326上的两个突出部，该两个突出部的连线通过圆心，该两个突出部327 固定在壳体10的涡扇静叶固定槽165(参照图6)内，并通过壳体10的第一部分10A和第二部分10B闭合压紧，从而将涡扇静叶32固定安装于壳体10内。

返回参照图7，定义涡扇动叶31的叶片外端与圆心O之间的距离的两倍为涡扇动叶31 的外径D，定义涡扇动叶31的叶片根部与圆心O之间的距离的两倍为涡扇动叶的内径d，多个涡扇叶片占据的面积为Sy，定义涡扇动叶的过气面积为S，则S满足以下关系：S＝Π(D2-d2)/4-Sy。定义入气口13的过气面积为S0，第n组涡扇动叶的过气面积为Sn。实用新型人经过大量实验和仿真模拟以后意外发现，第1组涡扇动叶的过气面积S1与过气面积 S0满足关系：S1小于S0*45％并大于S0*98％时，发电效率最大，同时又不会对发动机或发动机的涡轮增压器造成影响。此外，优选地，当S0满足关系S1小于或等于S0*70％并大于或等于S0*95％时，效果更为显著。

需要说明的是，同一组涡扇叶片的涡扇动叶和涡扇静叶的过气面积大致相等。

此外，实用新型人经过大量实验和仿真模拟，还意外发现通过以下方式配置可以实现最高的尾气能量利用率，即沿气体在壳体内的流动的方向，依次布置n组涡扇叶片，且每一组的涡扇叶片的外径D都位于40-300mm之间，且外径D沿气流方向依次增大，并满足第n+1 组涡扇叶片的外周圆与第n组涡扇叶片的外周圆的切线与主轴20的夹角位于4-12度之间，优选地位于5-10度之间，可以实现最高的能量转化效率。

图9是本实用新型一实施例的涡扇换能器100的剖视图。参照图9并结合图3，定义进气口12所在的一端为前端，远离进气口12的一端为后端，主轴20的前端通过轴承可转动地安装于锥形结构14内，主轴20的后端通过轴承可转动地安装于壳体10的后端的轴承安装孔18内，并穿过轴承安装孔18内的通孔181向外延伸，从而将动力输出到外部，例如输送给发电机的转子。多组涡扇叶片30安装于主轴20上，其中，涡扇动叶31固定安装于主轴20上，涡扇静叶32固定安装于壳体10内，多组涡扇叶片30沿主轴20的方向从前向后外径依次增大布置。将涡扇叶片30和主轴20安装于壳体10内以后，将壳体10的第一部分10A和第二部分10B闭合，再将锥形结构14安装于壳体10的第一部分10A和第二部分10B 前端形成的环形件安装槽162内，然后安装壳体10的第三部分10C对锥形结构14压紧固定，完成整个涡扇换能器的安装。

运行时，气流从进气口12流入，在导流部143的导向下沿气流通道144流向涡扇叶片 30，通过对涡扇叶片30做功并带动主轴20旋转，然后通过主轴20将动能输入到外部，例如通过将主轴20连接发电机的转子，进一步将动能转化成电能，实现发动机排出的尾气发电。而对涡扇叶片做功后的气体则通过出气口13排出，出气口13例如可以连接尾气净化装置，并在尾气净化装置内实现净化，再排入环境中。

需要说明的是，在本实用新型的另一个实施例中，还可以在壳体10的第三部分10C的侧壁上设置连通内部流体通道的开孔，开孔内设置控制阀，从而控制从进气口12进入的气体压力。

还需要说明的是，尽管上述的涡扇换能器100具有一个进气口和两个出气口，然而，根据实际需要，也可以设置一个进气口和一个出气口，或一个进气口和多个出气口，以及进气口的方向也可以进行改变，例如设置于垂直主轴的方向，或于主轴呈小于90的夹角的方向。只需要将从进气口进入的气体导流到涡扇叶片对器做功，然后再从出气口流出壳体。当然，需要注意的是，上述实施例详细介绍的涡扇换能器100是发实用新型人经过大量实验及模拟仿真，意外发现的最优的结构。

还需要注意的是，上述参照图3-9描述的涡扇换能器100可以用于图2描述的涡扇换能发电系统中。

下面参照图10介绍本实用新型另一实施例的涡扇换能发电系统200。如图10所示，涡扇换能发电系统200包括上述涡扇换能器100、发电机201、热能转换剂预热室202、热能转化剂室203以及热能转换剂加热室204，图中的箭头方向为热能转化剂的流动方向。本实施例中的涡扇换能器100的壳体设有通往壳体10内的腔室11的注入口101。尾气首先流入转换剂加热室204，在热能转化剂加热室204内利用尾气的于热能对热能转换剂进行加热，然后高能蒸汽通过注入口101注入涡扇换能器100的腔室11中，在腔室11中对涡扇叶片进行做功，使得涡扇叶片带动主轴旋转，主轴带动发电机201的转子转动，将尾气的余热转化为电能。从涡扇换能器100的出气口13流出的尾气在热能转换剂预热室202内对从热能转换剂室203输送到热能转换剂预热室202内的热能转换剂进行预热，然后再排放到外部，当然也可以排放到尾气净化装置进行净化后再排放到外部。在热能转化剂预热室202内预热过的热能转换剂流入转化剂加热室204内，并通过发动机排出的尾气对热能转换剂进行加热。

上述仅仅对涡扇换能发电系统200与前述的涡扇换能发电系统的不同之处进行说明，涡扇换能发电系统200未提到的地方，参照前述结合图2描述的涡扇换能发电系统的相关说明，在此不再详述。

下面结合图11对本实用新型涉及的一种利用发动机尾气进行发电的方法进行说明，该方法包括以下步骤：

步骤S100：将发动机的尾气通入上述的涡扇换能器内。

发动机的排气口后方通常设置涡轮增压器，从发动机的排气口流出的气体先经过涡轮增压器以后，再将将其通入到上述结合图3-图9描述的任意一实施例中的涡扇换能器100内。

步骤S200：利用涡扇换能器带动发电机发电。

将上述涡扇换能器100的主轴的输出端连接发电机的转子，通过尾气带动涡扇换能器内的涡扇叶片带动主轴转动，从而带动发电机转子转动发电。

在另一个实施例中，上述方法还可以包括以下步骤：

步骤S300：在将发动机的尾气通入涡扇换能器之前，利用发动机的尾气对热能转换剂进行加热。

将发动机的尾气通入上述涡扇换能器的进气口之前，先将其通过热能转化剂加热室对热能转化剂进行加热。

步骤S400：将步骤S300中加热过的热能转化剂蒸汽通入涡扇换能器中对涡扇换能器的涡扇叶片做功。

将在步骤S400中加热过的热能转化剂蒸汽通过涡扇换能器的注入口注入到涡扇换能器的腔室(膨胀室)内，并对涡扇叶片进行做功。

在另一个实施例中，上述方法还包括以下步骤：

步骤S500：利用从涡扇换能器流出的气体对热能转化剂进行预加热。

将从涡扇换能器的出气口流出的气体通入热能转化剂预加热室，对热能转化剂进行预加热。

步骤S600：在将发动机的尾气通入涡扇换能器之前，利用发动机的尾气对经过步骤S500 预加热过的热能转化剂进行加热。

将发动机的尾气通入上述涡扇换能器的进气口之前，先让其对经过步骤S300预加热过的热能转化剂进行加热，例如，可以将经过步骤500预加热过的热能转化剂通入热能转化剂加热室内，再将发动机的尾气通入热能转化剂加热室对经过步骤S300预加热过的热能转化剂进行加热。

步骤S700：将步骤S600中加热过的热能转化剂蒸汽通入涡扇换能器中对涡扇换能器的涡扇叶片做功。

将在步骤S600中加热过的热能转化剂蒸汽通过涡扇换能器的注入口注入到涡扇换能器的腔室(膨胀室)内，并对涡扇叶片进行做功。

在另一个实施例中，还可以包括以下步骤：

步骤S800：监控涡扇换能器进气口处的压力，并将其控制在0-60kpa的范围内。

需要说明的是，上述的步骤之间的顺序可以交换，上述步骤的编号是为了描述的方便，不构成对步骤的顺序的限制。

通过以上描述可以看出，本实用新型的涡扇换能器、涡扇换能发电系统以及利用发动机尾气进行发电的方法可以高效利用发动机排出的尾气中的能量，并可以进一步将该能量转化成电能，减少发动机排放的尾气对环境造成的污染，实现尾气能量的回收，且本涡扇换能器整体结构简单，占用空间较小，易于安装使用。

综上所述，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

以上已详细描述了本实用新型的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本实用新型的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (31)

1.一种涡扇换能器，其特征在于，所述涡扇换能器包括壳体、主轴以及n组涡扇叶片，所述涡扇叶片安装于所述主轴上并布置在所述壳体内，所述壳体的内部形成腔室并设有进气口和出气口，所述进气口与发动机排气口流体连通，发动机排出的尾气通过所述进气口进入所述腔室并驱动所述涡扇叶片运动，以带动所述主轴旋转，所述n组涡扇叶片环绕所述主轴依次布置，沿气流方向所述n组涡扇叶片的外径依次增加，以及第n+1组涡扇叶片的外周圆与第n组涡扇叶片的外周圆的切线与主轴形成的夹角位于4-12度之间。

2.根据权利要求1所述的涡扇换能器，其特征在于，所述壳体的内部设有导流部，从进气口进入的尾气沿所述导流部导向后流至所述涡扇叶片。

3.根据权利要求2所述的涡扇换能器，其特征在于，所述壳体的内部设有锥形结构，所述锥形结构与所述壳体的内壁固定连接，以及在所述锥形结构的表面形成所述导流部。

4.根据权利要求3所述的涡扇换能器，其特征在于，所述锥形结构包括锥形件和环形件，所述锥形件的前部形成锥形体，所述锥形件的后部形成环形体，所述锥形体的外表面形成所述导流部，所述环形体与所述环形件的内壁固定连接并在所述环形件的内壁和所述环形体的外壁之间形成气流通道。

5.根据权利要求3所述的涡扇换能器，其特征在于，所述主轴的前端可转动地安装于所述锥形结构内。

6.根据权利要求3所述的涡扇换能器，其特征在于，所述锥形件的后表面设有凹槽，所述凹槽的底部设有轴承安装孔，所述主轴的一端通过轴承可转动地安装于所述轴承安装孔内。

7.根据权利要求4所述的涡扇换能器，其特征在于，所述腔室的前部形成锥形腔室，所述锥形件安装于所述锥形腔室内，所述锥形件的外壁和所述锥形腔室的内壁之间形成气流通道。

8.根据权利要求2所述的涡扇换能器，其特征在于，所述进气口设置于所述壳体的前端并沿所述主轴方向延伸，以及所述出气口设置于所述壳体的侧壁，所述涡扇叶片布置于所述进气口与所述出气口之间。

9.根据权利要求8所述的涡扇换能器，其特征在于，所述涡扇换能器包括至少两个出气口，所述壳体包括沿通过主轴的平面剖开的第一部分和第二部分，所述至少两个出气口设置于所述第一部分或所述第二部分上。

10.根据权利要求8所述的涡扇换能器，其特征在于，所述至少两个出气口沿同一条轴线延伸。

11.根据权利要求8所述的涡扇换能器，其特征在于，所述至少两个出气口沿垂直于所述主轴的方向延伸布置。

12.根据权利要求1所述的涡扇换能器，其特征在于，所述涡扇换能器包括一个进气口和一个出气口，所述一个进气口和所述一个出气口分别布置于所述壳体的前部和后部并垂直于所述主轴布置。

13.根据权利要求1所述的涡扇换能器，其特征在于，所述壳体包括相互独立的第一部分、第二部分和第三部分，所述第一部分和所述第二部分配合并在内部形成第一腔室，所述第三部分的内部形成第二腔室，其中所述涡扇叶片布置于所述第一腔室内，所述第二腔室具有与所述锥形件的外表面匹配的形状，以及所述锥形体布置于所述第二腔室内并在所述锥形体的外表面和所述第二腔室的内壁之间形成气流通道。

14.根据权利要求11所述的涡扇换能器，其特征在于，所述第一腔室的内壁上形成多个涡扇静叶安装台阶，所述多个涡扇静叶安装台阶与主轴的距离沿所尾气在所述壳体内的流动方向依次增加，所述涡扇叶片的涡扇静叶固定安装于所述涡扇静叶安装台阶上。

15.根据权利要求14所述的涡扇换能器，其特征在于，所述壳体的所述第三部分的侧壁上设置连通所述第二腔室的开孔，所述开孔内设置控制阀以控制从进气口进入的气体压力。

16.根据权利要求1所述的涡扇换能器，其特征在于，所述涡扇换能器包括至少两组涡扇叶片，每一组涡扇叶片包括一个涡扇动叶和一个涡扇静叶，所述涡扇动叶固定安装于所述主轴上，以及所述涡扇静叶固定安装于所述壳体上。

17.根据权利要求16所述的涡扇换能器，其特征在于，所述至少两组涡扇叶片沿气流方向依次布置，以及沿气流方向所述两组涡扇叶片的外径依次增加并位于40mm-300mm之间。

18.根据权利要求1所述的涡扇换能器，其特征在于，第n+1组涡扇叶片的外周圆与第n组涡扇叶片的外周圆的切线与主轴形成的夹角位于位于5-10度之间。

19.根据权利要求18所述的涡扇换能器，其特征在于，所述涡扇换能器包括三组涡扇叶片。

20.根据权利要求18所述的涡扇换能器，其特征在于，所述n组涡扇叶片的每一组涡扇叶片的外径位于40mm-300mm之间。

21.根据权利要求1所述的涡扇换能器，其特征在于，第1组涡扇叶片的过气面积S1与入气口的过气面积S0满足以下关系：S0*45％＜S1＜S0*98％；

较佳地，第1组涡扇叶片的过气面积S1与入气口的过气面积S0满足以下关系：S0*70％≦S1≦S0*95％。

22.一种涡扇换能发电系统，其特征在于，所述涡扇换能发电系统包括上述权利要求1-21任一项所述的涡扇换能器和发电机，所述涡扇换能器的所述主轴与所述发电机的转子连接并驱动所述发电机的转子转动。

23.根据权利要求22所述的涡扇换能发电系统，其特征在于，所述涡扇换能发电系统还包括热能转化剂室和热能转换剂加热室，其中所述涡扇换能器的壳体上设有通往腔室的注入口，所述热能转化剂箱与所述热能转化剂加热室流体连通，以及所述热能转化剂加热室与所述注入口流体连通。

24.根据权利要求23所述的涡扇换能发电系统，其特征在于，所述涡扇换能发电系统还包括热能转化剂室、热能转换剂预热室以及热能转换剂加热室，其中所述涡扇换能器的壳体上设有通往腔室的注入口，所述热能转换剂预热室与所述涡扇换能器的出气口流体连通，所述热能转化剂箱与所述热能转化剂预热室流体连通，所述热能转化剂预热室与所述热能转化剂加热室流体连通，以及所述热能转化剂加热室与所述注入口流体连通。

25.一种涡扇换能发电系统，其特征在于，包括：

上述权利要求1-21中任一项所述的涡扇换能器，包括主轴和安装在主轴上的涡扇叶片，且所述涡扇换能器与发动机的排气口相连通；

注入泵，能向涡扇换能器注入燃料和换热介质；

发电电动机，包括安装在主轴上的转子和定子。

26.根据权利要求25所述涡扇换能发电系统，其特征在于，所述涡扇换能器还包括壳体，所述壳体和涡扇叶片之间形成膨胀室，所述膨胀室与发动机的排气口相通，且所述注入泵与膨胀室相连通。

27.根据权利要求25所述涡扇换能发电系统，其特征在于，所述注入泵通过换热管与膨胀室相连通，且所述换热管位于膨胀室中。

28.根据权利要求25所述涡扇换能发电系统，其特征在于，所述换热管呈圆柱螺旋状。

29.根据权利要求25所述涡扇换能发电系统，其特征在于，所述涡扇叶片包括涡扇动叶和涡扇静叶。

30.根据权利要求25所述涡扇换能发电系统，其特征在于，所述换热介质为水、甲醇、乙醇、或油。

31.根据权利要求25所述涡扇换能发电系统，其特征在于，还包括电池组，所述电池组与发电电动机相连接。

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