专利名称：透平式氮气轮机的制作方法
技术领域：
本实用新型专利涉及发动机制造领域，具体地涉及以氮气为介质的发动机系统的 原动机部分。
背景技术：
当前，在用的发动机(车用、船用、内燃发电机、飞行器、矿山用机、摩托车)，尤其 是在公路上行驶的汽车大都是采用燃料型动力发动机，有一部分是电动型的发动机。众所 周知，能源枯竭、环境污染、温室效应三大公害正越来越严重地威胁着人类的生存环境，同 时也极大地制约着世界经济的发展步伐。为此，人们迫切地希望能有一种(或多种)价廉并 且充足的能源(或资源)可以取代这些有限的天然能源，来满足人类生产、生活的需求，以 弥补天然能源不足，并且能起到减轻环境污染的作用，以及降低温室效应对人类造成的危 害。同时，由于传统燃料易燃易爆的特性给人们带来的灾难不胜枚举，因此人们还希望这些 能源(或资源)能有较为安全的特性，使人类能在安全的环境中工作和生活，而不必每天生 活在恐惧之中。凡此种种，可见人类渴望耐以生存的环境能得到有效的改善，并且还希望能 将这些有限的天然能源利用到更加需要的其它领域，以促进经济的可持续发展。众所周知， 氮气占空气体积的78%，是自然界中取之不尽用之不竭的自然资源，它不受国界、地域、时 空的限制，只要人们需要就可以随时随地取来享用或利用，它是与人类休戚相关、接触最亲 密无间的物质。如果设计出一种能利用氮气这种即价廉又充裕的资源作为动力的发动机， 以替代原来的能源型发动机，伴随着人们的生产、生活和工作，将会给世界的未来提供一片 光辉灿烂的前景，这是人类多少年来梦寐以求的夙愿。这个愿望的实现，将造福于人类、造 福于世界、造福于子孙万代。技术特性本实用新型专利的目的就是针对上述这种背景技术的前提下，旨在提供一种在空 气动力学的原理下，巧妙地利用氮气的物理特性，设计出一种不必使用燃料能源、仅仅把氮 气作为介质，并利用氮气的相变过程，通过本发明——透平式氮气轮机的特殊结构的作用， 将周围环境中的热能，持续不断地转变成机械能，以成为驱动机械连续运行做功的动力。本实用新型是通过以下技术方案来实现的前面提到，氮气在空气中的体积含量约占78 %，其化学性质不太活跃，是一种惰性 气体，在一般条件下不容易发生化学反应，并且非易燃易爆，储存、运输及使用都非常方便 和安全。从目前来说，氮气也是不受限制开发和利用的气体。而以当前科技发展的水平来 讲，氮气的低温液化也已经是很成熟的技术，若将低温液氮通过专用汽化器与外界进行热 交换，不断地从环境温度中吸收热量，以提高其自身的温度和内能，然后将具有一定压力能 的氮气导入透平式氮气轮机的特殊结构(设置有涡轮、动叶轮和静叶轮)中，使其在机内多 次膨胀做功，使轮轴得到进一步加速旋转，就可将氮气的内能转变成动能，加速后的轮轴， 通过连轴机构进而带动其它机器运行。这样一来就可以将氮气中积聚的内能转换成机械 功输出了。而氮气本身在此过程中并不发生燃烧类的物理——化学变化，因此，不会有燃烧后生成的那些有害物质排出，也没有热量放出；相反，由于热平衡的作用还要继续从环境中 摄取大量的热量来补充做功时所消耗的能量，从而降低了环境的温度。氮气在此过程中仅 仅起到作为能量转换的载体的作用。本透平式氮气轮机的结构特点是为了克服透平式机械因单向轴向力产生的不利因素，并尽可能地提高氮气轮机的 工作效率，故本透平式氮气轮机的气流方向，是采用从进气蜗壳的中部切向进气，然后同时 向左、右两方轴向流动，通过在涡轮和动叶轮流道中膨胀，驱动转轴旋转，由机体两端的排 气蜗壳向机外切向排气的方式。在本透平式氮气轮机中，有作为进气通道并形成涡流的进气蜗壳，在进气蜗壳内 装有导流器、涡轮和轮轴，在轮轴上装有多级不同规格的动叶轮、定位轮及用以调整轮轴与 排气蜗壳的轴向间隙的调整垫圈，在进气蜗壳两侧装有与环境进行进一步热交换的机体， 在机体内装有多级不同规格、用以控制气体流向的静叶轮，还装有阻止气流泄漏的多种规 格的密封垫和密封环，有供向外界排气的蜗壳、排气管等。由上可知，采用透平式氮气轮机的好处是1、因本机所使用的工作介质一氮气，是自然界中含量最多，取之不尽用之不竭 的天然资源，它不受国界、地域和时空的限制。只要人们需要，就可以随时随地建厂取来享 用和利用，谁也无法对它进行封锁和控制。真正可以说是人类共同所有的资源，不必担心 被别人所独占或受控制，也不用担心枯竭而带来的价格飞涨和成本的提高。据有关资料统 计，目前因制取生产、生活和科研需要的液氧和多种稀有气体而伴生的液氮只有约10%的 被利用，而90%的则被白白地排回大气中，由此可见，能源的浪费是何等巨大。氮气轮机首 先可以把这部分被排放的液氮利用来驱动机器，可减少能源的浪费。2、使用氮气为工作介质替代燃料能源来驱动机械做功，可以节省大量的燃料能 源，而这些珍贵有限的燃料能源作为化工原料还可以应用到其它更加需要的领域，以生产 人们喜爱的各种新产品。因为氮气在透平式氮气轮机内工作后没有变成、也没有生成新的 物质，故其质量也不会减少，因此经工作后被排回自然界的仅仅是恢复了常态的氮气，可以 反复地继续利用。不像燃料能源燃烧后就再也不能回到原来的状态。因此，透平式氮气轮 机可以应用到一切需要提供动力原动机的动力设备和运输设备上，包括车用(轿车、公共 汽车、载重汽车、工程车、面包车、摩托车等)、农用机械、船用动力机、微型发电机、飞行器、 矿山机械、林业机械等。由此可见，本发明确实能起到节约能源的作用，可以减轻能源枯竭 给人类造成的恐慌。3、由上可知，氮气在完成的每个工作周期中，本身并未发生化学变化，也不生成任 何新的物质，它在此过程中它仅仅起到作为能量转换的载体的作用，并没有排出对环境产 生污染的物质。而且，在工作中的氮气仍然是氮气，从自然界来讲，氮气的总量并未减少。而 工作后排向大气中的“废气”仅仅是略低于常温的氮气而已，并不会对环境造成污染，故可 以起到保护环境的作用。4、由于氮气的化学性质不太活跃，是一种惰性气体，在一般条件下不容易发生化 学反应，是非易燃易爆的物质，储存和运输都非常方便，使用也比较安全，不会发生燃烧、爆 炸等危及人们生命和财产安全的事故，使人们远离燃爆灾害的威胁，因此，是人们乐意使用 的物质。由此可知，其安全特性是燃料能源所无法比拟的。[0015]5、近年来温室效应给人类带来的灾害和造成的危害都是有目共睹的。因此，人们 也越来越重视温室效应的影响，以降低其危害的程度，并尽可能地减轻其造成的损失。因氮 气从液态变成零度时的气态，其体积要膨胀640多倍，如此，就要以热平衡的方式从外界摄 取大量的热量，以促使其内能的增加，若恢复到环境温度时其吸收的热量则会更多，此时其 体积扩大的倍数更大。在工作后排出的是略低于常温的氮气，同时，还要继续从环境中吸取 大量的热量，继续进行热平衡，以促进其内能的提高。由此可知，其低温效应是显而易见的， 可以起到降低环境温度的作用。若将本透平式氮气轮机装在需要降温的地方，还能起到低 温空调的作用。6、由本透平式氮气轮机中介质的工作过程可知，本机采用的是透平式机械结构， 若将其与内燃机或往复式机械相比，其结构就显得特别简单，可使零件数量大大减少，质量 也可以大大地减轻了，这样就能极大地降低机器的材料成本和制造成本，从这个角度来讲， 还减少了原材料生产时和机器制造时的能耗。以目前机械加工设备的性能和操作水平来 讲，完全可以做到，从加工工艺上来说也是非常可行的，很便于推广应用。
图1是本透平式氮气轮机的外形图；图2是本透平式氮气轮机右侧剖面的结构示意图(机内的透平级数仅供读者理解 本专利特征时参考，并非唯一定值)；图3是本透平式氮气轮机进气蜗壳的外形示意图；图4是本透平式氮气轮机进气蜗壳的剖面示意图；图5是本透平式氮气轮机涡轮的外形示意图；图6是本透平式氮气轮机导流器的外形示意图；图7是本透平式氮气轮机动叶轮的外形示意图；图8是本透平式氮气轮机静叶轮的外形示意图；图9是本透平式氮气轮机排气蜗壳的外形示意图；图10是本透平式氮气轮机排气蜗壳的剖面示意图。附图标记说明1、中轴承2、左机体3、进气蜗壳4、涡轮5、导流器6、密封环7、右机体8、静叶轮9、 定位轮10、密封垫11、动叶轮12、排气蜗壳13、螺钉14、排气管15、调整垫圈16、轴承17、轴 承盖18轮轴。
具体实施方式
如图1、图2所示，介质气体从中部进气蜗壳3的切向进气口进入，在进气蜗壳3内 流道的作用下形成涡流，并分别向左右两个方向流去，在两侧导流器5的作用下分别射向 两侧的涡轮4，并推动涡轮4旋转，因涡轮4是固定在轮轴18上的，于是就带动了轮轴18同 步旋转；从两侧的涡轮4出来的气体随后分别进入相邻的静叶轮8，在静叶轮8上流道的导 向下进入相邻的动叶轮11，并在动叶轮11的流道中膨胀做功，产生使动叶轮11旋转的力， 动叶轮11也是固定在轮轴18上的，这样就使轮轴18得到加速；气流多次反复地在不同规 格的静叶轮8的导向下进入相邻的动叶轮11的流道中膨胀，这样交替地穿行并膨胀，从而步的加速，这就使多级透平多级膨胀的效果得到极大的发 挥，因而可使氮气轮机的效率获得尽可能大的提高。由于在右机体7和左机体2的外壳上 设置有很多条筋片，它们既有从机体外的环境中不断地吸收热量、继续升温来补充已损耗 的能量的作用，还可以起到增加机体强度的效果，故气流在机内流动时仍然得到不断地升 温以补充已损耗的能量；气流最后经排气蜗壳12的流道和排气管14排至大气中。在本透 平式氮气轮机上装在进气蜗壳3上的中轴承1考虑到工况的需要，采用的是含油轴承，而在 两端的排气蜗壳12上根据设计的需要、并考虑到装配的工艺性，故装在两端的轴承16采用 的是圆锥滚子轴承。定位轮9用以控制动叶轮11的定位。调整垫圈15用以调整轮轴18 与排气蜗壳的轴向间隙。采用密封垫10和密封环16的目的是用以减少气流的级间泄漏， 以避免能量的损失。其中，涡轮4、动叶轮11、静叶轮8的尺寸大小、透平的级数和叶片形 状、叶片数量系根据输出功率需要来设计的，导流器5的流道数、流道截面和射流角度是根 据工况需要进行设定的，以求获得尽可能高的工作效率，而把能量的损失降到最低点。 上面对本实用新型专利进行了详细的介绍，本说明书是根据本专利之透平式氮气 轮机的工作原理、结构形式及实施方式进行阐述的，以上的阐述只是用于帮助理解本专利 的核心思想及其实施方法；并非是对本专利的技术核心及使用范围的限制。因此，凡是依据 本专利的技术实质或说明书附图，对以上实施所作的任何修改、类似变化或修饰，均仍属于 本实用新型专利技术方案的范围之内。同时，对于从事本领域的工作人员，依据本专利的思 想和工作原理，在具体实施方式
及应用范围上所作的任何扩展及延伸，都应视为对本实用 新型专利构成了侵权的行为。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型专利的限 制。
权利要求本透平式氮气轮机是一种专为氮气发动机系统提供动力的原动机，其特征在于，所述的透平式氮气轮机系采用卧式圆柱体外形，内部为透平式机械结构，从设在中部的进气蜗壳的切向进气，向两端轴向流动的方式进行工作，在进气蜗壳两侧的内部分别设有左、右导流器；左、右机体分别设置于进气蜗壳的两个侧面上，在左、右机体的内部分别间隔地装有多级左、右静叶轮，在机内装有转轴，在转轴上装有左、右涡轮，并分别间隔地装有多级左、右动叶轮与多种不同规格的定位轮和调整垫圈，左、右机体的端部分别装有左、右排气蜗壳；在左、右排气蜗壳上分别装有排气管，在机内装有阻止介质泄漏的密封垫和减少级间压降、减少能量损失的密封环。
2.根据权利要求1所述的透平式氮气轮机，其特征在于，所述的透平式氮气轮机的进 气蜗壳上设置有径向的介质进口和使介质形成涡流的流道；介质气流则从进气蜗壳两边的 出口经左、右导流器分别射向左、右涡轮。
3.根据权利要求1所述的透平式氮气轮机，其特征在于，所述的透平式氮气轮机的左、 右机体和进气涡壳是做成分体而用螺钉连接装配成一体的形式；同时，在左、右机体的外壳 上设置有很多条筋片。
4.根据权利要求1所述的透平式氮气轮机，其特征在于，所述的透平式氮气轮机的机 体内分别装有多级不同规格，用以控制气体流向的左、右静叶轮，在机内还装有转轴，在转 轴的相应位置上还间隔地装有多级不同规格的左、右动叶轮和定位轮。
5.根据权利要求1所述的透平式氮气轮机，其特征在于，所述的透平式氮气轮机的涡 轮是由轮心和涡叶构成，动叶轮是由动叶和轮心构成，静叶轮上有多条用以控制介质流向 的流道，导流器上设置有特定射流角度及截面的喷嘴。
6.根据权利要求1所述的透平式氮气轮机，其特征在于，所述的透平式氮气轮机的涡 轮、动叶轮和静叶轮的叶片与各自轮殼的结合，可依据生产加工的能力和工艺条件做成整 体式或是分体式的。
7.根据权利要求1所述的透平式氮气轮机，其特征在于，所述的透平式氮气轮机在左、 右机体的端部连接有左、右排气蜗壳，在排气蜗壳中设置有排气流道，在各排气蜗壳上都设 置有二处排气孔，通过排气管接至机外。
专利摘要本实用新型公开了一种不使用燃料能源，而是用氮气做工作介质，利用它的物理特性，为机械设备提供动力的原动机——透平式氮气轮机。该机采用卧式圆柱体外形，内部为透平式机械结构由机体、进气蜗壳、排气蜗壳、涡轮、导流器、轮轴、多级静叶轮和动叶轮构成。介质从进气蜗壳切向进入机内，在涡轮、静叶轮和动叶轮的作用下，经过多级膨胀将机外环境中的热能转变成机械能，驱动机械运行。这是运用现代科学技术对发动机领域不使用燃料能源的一种新尝试，是多学科知识的结晶，是前所未有的创新。本实用新型的应用和推广，可以减轻能源枯竭、环境污染、温室效应、燃爆事故四大公害对人类生存环境构成的威胁，具有节能、环保、安全和低温效应四大功效。
文档编号F01D1/04GK201661318SQ20092026639
公开日2010年12月1日 申请日期2009年11月11日 优先权日2009年11月11日
发明者林世鸿, 林芝 申请人:林芝