一种环曲式涡轮发动机.pdf

本发明公开了一种环曲式涡轮发动机，包括压气机、燃烧室和燃气透平。压气机的压缩空气出口与燃烧室的进气口连通，燃烧室的燃气出口与燃气透平的透平总进气道连通，燃气透平为轴向环曲式透平，轴向环曲式透平包括壳体和安装于壳体内的第一形腔转子，第一形腔转子为圆柱型且其轴心处固定安装有贯通轴。第一形腔转子的圆柱面与壳体内壁采用动密封，第一形腔转子的外周壁上开有一圈或多圈自封闭式第一气道凹槽；壳体的侧壁上设有一对或多对进气口和排气口。本发明的气道式燃气轮机工作可靠，寿命长，在较低转速、较高载荷工况下效率高，是理想的车、船和微型发电机组发动机的替代动力，也可以是航空发动机的替代动力。

1.  一种环曲式涡轮发动机，包括压气机、燃烧室和燃气透平，所述压气机的压缩空气出口与燃烧室的进气口连通，所述燃烧室的燃气出口与燃气透平的透平总进气道(8)连通，其特征在于：所述燃气透平为轴向环曲式透平，所述轴向环曲式透平包括壳体(1)和安装于壳体(1)内的第一形腔转子(2)，所述第一形腔转子(2)为圆柱型，第一形腔转子(2)的轴心处固定安装有贯通轴(3)，所述贯通轴(3)经轴承安装于壳体(1)上，所述第一形腔转子(2)的圆柱面与壳体(1)内壁采用动密封，第一形腔转子(2)的圆柱形壁面中部的外周壁上开有一圈或多圈以正弦或者余弦线路径轴向绕行的自封闭式第一气道凹槽(4)；所述壳体(1)的侧壁上设有一对或多对进气口(5)和排气口(6)，每对进气口(5)和排气口(6)设于壳体(1)的同一侧，且进气口(5)的一端与第一气道凹槽(4)连通，另一端与透平总进气道(8)连通，进气口(5)的轴向与第一气道凹槽(4)相切，排气口(6)的一端与第一气道凹槽(4)连通，另一端与透平总排气道(7)连通。

2.  根据权利要求1所述的环曲式涡轮发动机，其特征在于：所述燃气透平为径向环曲式透平，所述径向环曲式透平包括壳体(1)和安装于壳体(1)内的第二形腔转子(13)，所述第二形腔转子(13)为圆柱形，第二形腔转子(13)的轴心处安装有贯通轴(3)，所述第二形腔转子(13)的上端面设有第二气道凹槽(14)，所述第二气道凹槽(14)以第二形腔转子(13)的轴心为中心成环形自封闭式，且所述第二气道凹槽(14)还以正弦或余弦线路径沿第二形腔转子(13)的径向自绕行，所述壳体(1)的上端面斜向设有一对或多对进气道(15)和排气道(16)，每对进气道(15)和排气道(16)均穿过壳体(1)与所述第二气道凹槽(14)斜向连通，且每对进气道(15)和排气道(16)与第二气道凹槽(14)的相对方向相反。

3.  根据权利要求1所述的环曲式涡轮发动机，其特征在于：所述压气机是轴流式、离心式或者螺杆式压气机。

4.  根据权利要求1或2所述的环曲式涡轮发动机，其特征在于：所述第一形腔转子(2)和第二形腔转子(13)均采用合金钢材质。

5.  根据权利要求1或2所述的环曲式涡轮发动机，其特征在于：所述燃气透平设有散热结构，所述散热结构包括设于壳体(1)上的冷风入口(10)和热风出口(11)、设于第一形腔转子(2)或第二形腔转子(13)内部的散热叶片(9)。

6.  根据权利要求1所述的环曲式涡轮发动机，其特征在于：所述第一气道凹槽(4)的外沿槽口两侧楞加工有斜面(17)。

7.  根据权利要求1所述的环曲式涡轮发动机，其特征在于：所述第一气道凹槽(4)内贴衬有耐热陶瓷。

8.  根据权利要求2所述的环曲式涡轮发动机，其特征在于：所述第二气道凹槽(14)内贴衬有耐热陶瓷。

9.  根据权利要求2所述的环曲式涡轮发动机，其特征在于：所述第二气道凹槽(14)的外沿槽口两侧楞加工有斜坡(18)。

一种环曲式涡轮发动机
技术领域
本发明属于燃气轮机领域，涉及一种涡轮发动机，尤其是一种环曲式涡轮发动机。
背景技术
燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。
近代的燃气轮机技术诞生于欧洲，1791年，英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程；1872年，德国人施托尔策设计了一台燃气轮机，并于1900～1904年进行了试验，但因始终未能脱开起动机独立运行而失败；1905年，法国人勒梅尔和阿芒戈制成第一台能输出功的燃气轮机，但效率太低，因而未获得实用。1920年，德国人霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机，其效率为13％、功率为370千瓦，按等容加热循环工作，但因等容加热循环以断续爆燃的方式加热，存在许多重大缺点而被人们放弃，随着透平技术和材料技术的发展现代燃汽轮机的热效率可达到40％，单位功率质量可达2～5千克每千瓦，最大功率可达上百兆瓦，但随之带来的是燃烧室和透平处于恶劣的工作环境，最高温度在1400℃，只有使用昂贵的材料和复杂的工艺，另外工作寿命受到很大影响，尤其是轻型燃气轮机，透平叶片薄，强度低，因而寿命更低。现代燃气轮机应用很广，航空、航海、重型机车，发电等，目前燃气轮机的发展趋势是微型化、轻量化，虽然单位功率质量高，但造价高，工艺复杂，微型燃气轮机不如活塞式内燃机经济，我国近年来在燃气轮机领域取得了可喜的成就，分别诞生了一批具有自主知识产权的大中型燃气轮机，填补了我国在这一领域的空白，但距国外先进水平尚有差距，尤其在微型燃气轮机领域还是空白。
燃气轮机的工作过程是，压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气透平中膨胀做功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的做功能力显著提高，因而燃气透平在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。其优点是：因为是连续运转，没有活塞式内燃机的机械阻力，因而可达到高转速和大功率，热效率高于一般活塞式内燃机。但缺点也十分明显：1为开放式透平，即燃气通过一个平面的透平传递能量，因而消耗压缩空气和燃料较高。2燃气通过一级透平后仍具有较高能量，如加以充分利用需多加几级透平叶片所以体积成本增加，这也是微型化的难题。3燃气方向与透平叶片运转平面垂直，不利于能量的传递，也使透平叶片的工作环境恶劣，寿命降低。4燃气轮机多级透平叶片材料昂贵，工艺复杂。5燃气轮机只有在较高转速，稳定运转才能有效输出功，转速变化起伏大或低转速大扭矩则不能有效输出功率，而且需配备笨重的减速箱，有时减速箱的体积重量甚至超过燃气轮机本身，这些缺点也成为燃气轮机不能完全取代活塞式内燃机的原因。
综上所述，要解决燃气轮机的缺点，其重点就是解决燃气透平的结构，使其不但能适应恶劣的工作环境，而且体积更小，寿命更长。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种环曲式涡轮发动机，这种燃气发动机取消了现有技术中燃气轮机的叶片式透平，采用全新的透平结构，利用高温高压燃气在曲折凹槽内快速通过而输出功率，具有体积小、结构强度高、所需压缩空气量少和节省燃料的优点。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
一种环曲式涡轮发动机，包括压气机、燃烧室和燃气透平，所述压气机的压缩空气出口与燃烧室的进气口连通，所述燃烧室的燃气出口与燃气透平的透平总进气道连通，所述燃气透平为轴向环曲式透平，所述轴向环曲式透平包括壳体和安装于壳体内的第一形腔转子，所述第一形腔转子为圆柱型，第一形腔转子的轴心处固定安装有贯通轴，所述贯通轴经轴承安装于壳体上，所述第一形腔转子的圆柱面与壳体内壁采用动密封，第一形腔转子的圆柱形壁面中部的外周壁上开有一圈或多圈以正弦或者余弦线路径轴向绕行的自封闭式第一气道凹槽；所述壳体的侧壁上设有一对或多对进气口和排气口，每对进气口和排气口设于壳体的同一侧，且进气口的一端与第一气道凹槽连通，另一端与透平总进气道连通，进气口的轴向与第一气道凹槽相切，排气口的一端与第一气道凹槽连通，另一端与透平总排气道连通。
进一步的，上述燃气透平为径向环曲式透平，所述径向环曲式透平包括壳体和安装于壳体内的第二形腔转子，所述第二形腔转子为圆柱形，第二形腔转子的轴心处安装有贯通轴，所述第二形腔转子的上端面设有第二气道凹槽，所述第二气道凹槽以第二形腔转子的轴心为中心成环形自封闭式，且所述第二气道凹槽还以正弦或余弦线路径沿第二形腔转子的径向自绕行，所述壳体的上端面斜向设有一对或多对进气道和排气道，每对进气道和排气道均穿过壳体与所述第二气道凹槽斜向连通，且每对进气道和排气道与第二气道凹槽的相对方向相反。
上述压气机是轴流式、离心式或者螺杆式压气机。
上述气道转子采用合金钢材质。
上述燃气透平设有散热结构，所述散热结构包括设于壳体上的冷风入口和热风出口、设于第一形腔转子或第二形腔转子内部的散热叶片(9)。
上述第一气道凹槽的外沿槽口两侧楞加工有斜面。
上述第一气道凹槽和第二气道凹槽内均贴衬有耐热陶瓷。
上述第二气道凹槽的外沿槽口两侧楞加工有斜坡。
本发明的环曲式涡轮发动机采用了新式透平结构，具有以下优点：
1)为非敞开式透平，高速燃气通过线性曲折通道，而非过去的环形截面，能量损失小，消耗压缩空气和燃料少。
2)燃气流向为绕轴环形，与轴运转的方向一致，有利于能量传递，可充分利用燃气能量提高热效率；
3)由于该透平具有较大的强度，可根据需要设计曲折的角度和次数，以适应不同转速和不同扭矩的需要，可以适应起伏较大的运转环境，也适用于较低转速较大扭矩的运转环境；
4)工艺简单材料便宜寿命提高，该透平为曲折凹槽结构，可整体铸造成型，结构强度大为提高，利于使用较为便宜的材料，且内壁方便贴衬陶瓷等耐热材料，使寿命大大延长；
5)可以满足各型燃气轮机的需要，也可在一个涡轮上平行排列多条环曲通道，共用一个涡轮壳，实现小体积大功率输出，解决了微型化的难题，完全可以替代活塞式内燃机。
附图说明
图1为本发明的轴向环曲式透平截面示意图；
图2为本发明的第一形腔转子2具有一道第一气道凹槽4时的立体示意图；
图3为本发明的轴向环曲式透平立体示意图；
图4为本发明的第一形腔转子2具有两道第一气道凹槽4时的立体示意图；
图5为本发明的轴向环曲式透平的风冷方案一结构示意图；
图6为本发明的轴向环曲式透平的风冷方案二结构示意图；
图7为本发明的径向环曲式透平的俯视图；
图8为本发明的径向环曲式透平截面示意图；
图9为本发明的径向环曲式透平的风冷方案一结构示意图；
图10为本发明的径向环曲式透平的风冷方案二结构示意图；
图11为本发明的环曲式型腔燃气发动机的基本结构框图。
其中：1为壳体；2为第一形腔转子；3为贯通轴；4为第一气道凹槽；5为进气口；6为排气口；7为透平总排气道；8为透平总进气道；9为散热叶片；10为冷风入口；11为热风出口；12为散热腔；13为第二形腔转子；14为第二气道凹槽；15为进气道；16为排气道；17为斜面；18为斜坡。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图9，这种环曲式涡轮发动机，包括压气机、燃烧室和燃气透平，所述压气机的压缩空气出口与燃烧室的进气口连通，所述燃烧室的燃气出口与燃气透平的透平总进气道8(图1)连通。所述压气机是轴流式、离心式或者螺杆式压气机。
如图1或图3，所述燃气透平为轴向环曲式透平，所述轴向环曲式透平包括壳体1和安装于壳体1内的第一形腔转子2(如图2或图4)，所述第一形腔转子2为圆柱型，其采用合金钢材质。第一形腔转子2的轴心处固定安装有贯通轴3，所述贯通轴3经轴承安装于壳体1上，所述第一形腔转子2的圆柱面与壳体1内壁采用动密封，第一形腔转子2的圆柱形壁面中部的外周壁上开有一圈(图2)或多圈(图4)以正弦或者余弦线路径轴向绕行的自封闭式第一气道凹槽4，第一气道凹槽4内贴衬有耐热陶瓷，以提高第一气道凹槽4的耐腐蚀和耐高温性能；所述壳体1的侧壁上设有一对或多对进气口5和排气口6，每对进气口5和排气口6设于壳体1的同一侧，且进气口5的一端与第一气道凹槽4连通，另一端与透平总进气道8连通，进气口5的轴向与第一气道凹槽4相切，排气口6的一端与第一气道凹槽4连通，另一端与透平总排气道7连通。由于第一气道凹槽4在轴向为曲折形状，而进气口5和出气口6在壳体1上是固定的，所以，当第一形腔转子2转动做功时，第一气道凹槽4相对于进气口5和出气口6上下摆动，为了让高压燃气能够无障碍进入到第一气道凹槽4中并由出气口6顺利排出，将第一气道凹槽4的外沿槽口两侧的楞加工成斜面17，斜面17可以只在第一气道凹槽4向槽中心凸出的位置上加工，斜面17斜向槽底，这样设置斜面17增加了第一进气道凹槽4的槽宽，便于高压燃气流入和流出。
如图7和图8，本发明的所述的燃气透平也可以是径向环曲式透平，所述径向环曲式透平包括壳体1和安装于壳体1内的第二形腔转子13，所述第二形腔转子13为圆柱形并且第二形腔转子13也采用合金钢材质，第二形腔转子13的轴心处安装有贯通轴3，所述第二形腔转子13的上端面设有第二气道凹槽14，第二气道凹槽14内贴衬有耐热陶瓷以增加其耐高温和耐腐蚀的能力。所述第二气道凹槽14以第二形腔转子13的轴心为中心成环形自封闭式，且所述第二气道凹槽14还以正弦或余弦线路径沿第二形腔转子13的径向自绕行，所述壳体1的上端面斜向设有一对或多对进气道15和排气道16，每对进气道15和排气道16均穿过壳体1与所述第二气道凹槽14斜向连通，且每对进气道15和排气道16与第二气道凹槽14的相对方向相反。同轴向环曲式透平类似，由于进气道15和出气道16在壳体1上的位置固定，在第二形腔转子13转动做功时，第二气道凹槽14相对于进气道15和出气道16的是成径向摇摆的，所以为了使高压气体能够无障碍进入和离开第二气道凹槽14，在第二气道凹槽14的外沿槽口两侧的楞加工有斜坡18，斜坡18可以只加工于第二气道凹槽14向槽中心凸出的位置，斜坡18斜向槽底，同上述斜面17的作用相类似，斜坡18增加了第二气道凹槽14的槽宽，便于高压燃气流入和流出。
参见图5，本发明的轴向环曲式透平采用风冷方案一散热结构进行散热，这种散热结构包括设于壳体1上的冷风入口10和热风出口11、设于第一形腔转子2内部的散热腔12以及均匀分布于散热腔12内的散热叶片9。冷风入口10和热风出口11设于壳体下端，且冷风入口10设于距离轴心近的环面上，热风出口设于距离轴心远的环面上，散热叶片9围绕轴心竖直设置在第一形腔转子2内部的散热腔12内，冷风由冷风入口10进入散热腔12，吹过散热叶片9后由于离心力的作用，从热风出口11吹出。
图6为本发明的轴向环曲式透平采用的风冷方案二散热结构，这种散热结构包括设于壳体1上的冷风入口10和热风出口11、设于第一形腔转子2内部的散热叶片9，不同于图5的地方是冷风入口10设于壳体上端，热风出口11设于壳体下端，散热叶片9围绕轴心均匀竖直分布，且贯通第一形腔转子2，冷风由冷风入口10进入经过散热叶片9后由壳体1下端的热风出口吹出。
图9是本发明的径向环曲式透平采用的散热结构，它与图5中的散热结构相同。
图10是本发明的径向环曲式透平采用的另一种散热结构，它与图6中的散热结构相同。
如图11，是本发明的环曲式涡轮发动机的总连接方式示意图，压气机提供压缩空气给燃烧室，在燃烧室内压缩空气与燃料混合燃烧形成高压燃气，高压燃气被通入到燃气透平中进行做功，该燃气透平可以是本发明中的轴向环曲式透平，也可以是径向环曲式透平，燃气透平具有一贯通轴，可以同时于两侧输出做功，其中一侧给压气机提供动力，另一侧输出对外做功，以带动负荷运转。
综上所述，本发明的环曲式涡轮发动机的气路是由转子的曲折凹槽与壳体共同组成的，排气口在涡轮壳上，排气靠惯性和离心力直接进入排气管。本人已申请的申请号为200810232147.8的《气道式燃气轮机》的气路是单独由转子内的曲折通路构成的，气道式燃气轮机的排气口在转子上旋转，排气须经密闭空间聚集再由排气管排出，所以环曲式涡轮发动机的排气更通畅，制造工艺更简单。
本发明的环曲式型腔燃气发动机是理想的车、船和微型发电机组的发动机替代产品。其中本发明中选用的压气机可根据实际需要选择轴流式、离心式或者螺杆式，燃烧室可以利用现有技术中合适的型号，高温高压空气在燃烧室点燃后，不经过燃气涡轮叶片直接通过气道后排出，有效减少了燃气阻力，提高了燃气温度和压力。