专利名称：间歇冲气涡轮发动机技术方案的制作方法
技术领域：
本发明提供一种新型间歇冲气涡轮发动机技术方案，该型发动机主要由若干环形排列，形状、大小相同的通体燃烧室形成的燃烧室定子和前、后二个同步转动的功能端盖(转子)等组成。发动机工作过程中，在燃烧室前后均处于开放状态时对燃烧室进行冲压换气，当要在燃烧室里混油和点火时，前端盖将燃烧室的前端进行密封，从而高效利用高压燃气推动燃烧室后涡轮叶片旋转做功。该发明发动机适合所有依存空气燃烧易流动燃料的场合，广泛应用于各类机械动力装置，如各种航空设备等。
背景技术：
发动机是动力设备的心脏，直接影响动力设备的运行状况。目前，社会上已公开和广泛应用的与本发明技术相关的发动机主要有两类，一是活塞式发动机，一是燃气涡轮发 动机。活塞式发动机该类发动机主要由燃烧室和活塞等组成，做功过程中主要包括吸气、混油、点火、燃烧产生高压燃气推动活塞做功几个阶段。活塞式发动机结构较复杂，进气口、出气口很小，功率较为有限，容易发生积碳堵塞等现象。该类动力装置为机动车辆广泛应用。燃气涡轮发动机该类发动机有很多的子类，均主要由低压和高压压气机、燃烧室和燃气涡轮组成，就燃烧室而言，其共同工作特点是连续压气、喷油、燃烧，利用燃烧产生高压燃气推动燃气轮机的叶片旋转做功。主要用作大功率设备的动力装置，如航空发动机等。由于燃烧室和涡轮均长期处于高温工作状态，而且还承受燃气轮机在起动和停机时，因温度剧烈变化引起的热冲击，工作条件恶劣，故它们是决定燃气轮机寿命的关键部件，构件必须是结构强度高和耐高温的材料制成。其次，燃气涡轮发动机出口温度很高，热能利用效率低；为使燃气呈单向流动，必须保持不断向燃烧室压入高压空气，存在压力损耗现象，发动机结构仍相对较复杂，机身长，重量大，严重制约发动机的涵道比和推重比。
发明内容
本发明技术涉及的间歇冲气涡轮发动机，主要包括一个由若干环形排列，形状、大小相同的通体燃烧室构成的环体形定子(2)、一个具有给定子中燃烧室冲压空气和密封功能的前端盖(5)、一个具有给定子燃烧室排换气和做功功能的后端盖￠)，以及前级压气风扇(7、8)、转轴(4)、发动机外壳(I)和燃料供给、点火系统等。其中环体形定子(2)的内、外侧一般可设置若干条形散热片或散热条(2-4、2_5)。燃烧室前端盖板上设有进气窗口(5-2),并可在前端盖板前增设一级压气风扇(5-3)。燃烧室后端盖上或为设计有出气窗口 ^-2a、6_2b)，以及在出气窗口处设置对应有一至多个做功涡轮叶片和换排气功能的叶片(6-3)形成的半开放式涡轮转子，或直接设计为全开放状态的涡轮转子。
前端盖(5)和后端盖(6)分别紧贴燃烧室定子(2)的前、后两个端面，前、后端盖和压气风扇(7、8)共同通过经燃烧室定子(2)中心的转轴(4)固紧在一起，保持同步转动。工作特点在发动机工作过程中，当燃烧室前后处于开放状态时对燃烧室进行冲压换气，当要在燃烧室里混油点火时，由前端盖将燃烧室的前端进行密封，从而高效利用高压燃气推动燃烧室后涡轮叶片旋转做功。因此，究整个发动机而言，它连续利用高压燃气推动涡轮叶片旋转做功，具有与以往燃气涡轮发动机相同的做功方式；但究某个燃烧室而言，它是间歇、循环工作的，因而又具有活塞式发动机类似的工作特点，这正是本发明发动机与以往涡轮发动机明显不同的地方。根据以上工作特点，在发动机工作过程中，就某燃烧室而言，前、后二端盖与燃烧室工作状态最基本的对应关系(一)是
(I)开放一开放一冲压换气；(2)密封一开放一混油、点火做功。取于最基本的对应关系(一)情况时，后端盖实际是一个全开放状态的涡轮转子。为适应大功率情况，前、后二端盖与燃烧室工作状态较完善的对应关系(二)和(三)。对应关系(二)(I)开放一开放一冲压换气；(2)开放一密封一冲压积气；(3)密封一开放一混油、点火做功。对应关系(三)(I)开放一开放一冲压换气；(2)开放一密封一冲压积气；(3)密封——密封——混油；(4)密封——开放——点火做功。以上对应关系(二)、(三)相对对应关系(一)增加了冲压积气环节(2)，目的是使燃烧室里足够燃料能充分燃烧，提高发动机功率；而对应关系(三)相对对应关系(一)、(二)，则将供混油与点火做功一分为二，使燃烧室外里燃料能在瞬间完成燃烧，以充分提高燃料做功效果。为了适应各种特定设计技术要求，还可设计出其它对应关系，以及增设其它功能设施和采取其它有效措施，如增设多级增压风扇，相邻增压风扇采取正反转措施，以及在后端盖往后的轴心处增设加力燃烧喷气装置和在尾部再设一级全开放涡轮等。无论增加何种其它功能设施，但本发明涉及的前、后二功能端盖与燃烧室工作状态中，总是存在全开放状态的冲压换气和密封与开放状态燃烧做功的两个最根本环节，即(I)开放——开放——冲压换气；(2)密封——开放——点火做功。为了充分提高高压燃气推动涡轮叶片做功的效果，可以设计使前端盖密封宽度大于后端盖做功出气窗口的宽度，即延长功效时间。综上所述，本发明冲气涡轮发动机优特点
(I)对比 内燃活塞式发动机，它具有结构简单，不易发生积碳堵塞现象，功率允许范围大，适用范围更广泛。(2)对比其它燃气涡轮发动机，免除了高压压气装置，具有结构简单的优点；由于采取循环间歇做功方式，使燃烧室平均工作温度明显降低，做功涡轮叶片虽然连续工作在高温环境，但由于高温区间有限，非常便于采取有效降温措施，从而降低发动机制造材料耐高温性能的技术要求，使发动机的使用寿命更长；在燃烧室燃烧点火做功时，由于燃烧室前端被前端盖密封，不会发生压力损耗现象，提高了燃油功效；发动机出口温度很低，热能利用效率明显提高。如将本发明技术应用到喷气式飞机上，采用多级增压风扇，并将其压入气体分为轴流(a)、旁流(b)和压至燃烧室(C)等三部分，其轴流、旁流同时具有冷却燃烧室定子(2)的作用。该型涡轮喷气发动机结构简单、机身工作温度较低、机身短、重量轻、燃油功效高，获得更高的涵道比和推重比。
附图I :为间歇冲气涡轮发动机燃烧室定子中心横截面结构示意图。附图2 :为间歇冲气涡轮发动机沿轴心纵向截面结构示意图。附图2所示，间歇冲气涡轮发动机主要由环体形燃烧室定子(2)、燃烧室前端盖(从动转子)(5)、燃烧室后端盖(主动涡轮转子)￠)、前级增压风扇(7、8)、发动机外壳
(I)、中心转轴(4)、支撑部件(11)、前后端盖定位部件和供油点火系统组成。附图3 :为依照对应关系(二)设计的一种间歇冲气涡轮发动机前、后端盖板结构的前视示意图。其中，附图3-a为前端盖板的前视示意图，附图3-b为后端盖板的前视示意图。附图中采取统一方式对各部件进行编号，现将间歇冲气涡轮发动机各部件简要说明如下环体形燃烧室定子(2):主要由外圆筒(2-1)、内圆筒(2-2)和燃烧室隔板(2-3)组成，它是本发明发动机的关键部件之一。附图1、3所示共设计16个环形排列的燃烧室。环体形燃烧室定子依靠其外侧支架(2-6)与发动机外壳(I)固定在一起。为使环体形燃烧室定子保持较低温状态，通常在环柱体形燃烧室的内、外侧分别设置条形散热片或散热条(2-4、2-5)。发动机燃烧室前端盖(从动转子)(5):它是本发明发动机区别其它涡轮发动机的关键和核心部件。前端盖(5)主要由密封面板部分(5-1)、进气窗口(5-2)和其它功能辅件组成，通过中心件(5-7)、金属梢(9-3)与中心转轴(4)固定在一起。为更好地实现对燃烧室冲压换气，附图2所示在进气窗口前增设了一级压气风扇(5-3)和内、外集气圆筒(5-8、5-9)。压气风扇叶片(5-3)的设计应考虑吸、压气的均衡性和工作的高效性。如发明技术应用到航空喷气发动机，或为使发动机燃烧室内侧和外侧保持较低温状态，通常在前端盖(5)内侧均匀开设若干近轴流进气窗口(5-4)，以及增设近轴流压气叶片(5-6)和旁流压气叶片(5-5)。发动机燃烧室后端盖(主动涡轮转子)出)它是本发明发动机的关键部件之一。如附图3-b所示，为设计前述对应关系(二)情况的后端盖板，它实际是一个半开放状态的涡轮转子。后端盖主要由密封面板部分(6-1)、出气窗口(6-2a、6-2b)和涡轮叶片(6_3)组成，通过中心件(6-7)、金属梢(9-4)与中心转轴(4)固定在一起。其中出气窗口 (6-2a)总是对应处于点火燃烧状态的燃烧室，其后设置的涡轮叶片(6-3)为被燃烧产生高温高压燃气推动做功的叶片，所使用的材料应考虑其耐高温性能；出气窗口 ^_2b)总是对应处于排换气状态的燃烧室，其后设置的涡轮叶片为起到对燃烧室排换气作用的叶片。如附图2、3所示， 为增加后端盖主动转子的转矩和做功效果，可以将出气窗口(6-2a)内边往外侧偏移，并用内、外圆弧面(6-8、6-9)限制喷流高压燃气过早扩散。如发明技术应用到航空喷气发动机，或为使发动机燃烧室内侧和外侧保持较低温状态，通常在后端盖内侧均匀开设若干近轴流出气窗口出-4)，以及增设近轴流排气叶片(6-6)和旁流吸排气叶片(6-5)。前级空气增压风扇附图2所示，前端盖前设计了二级增压风扇，即增压风扇(7)和(8)。前级增压风扇的级数应根据具体需要而定。转轴与支撑部件附图2所示发动机最前端设计一个专用支架，由支架(11-1)、支架中心件(11-2)和发动前部的尖头分风罩(12)组成；其次，在燃烧定子内侧增设了内支架(2-7)和一个小内圆筒(2-8)来作为另一个支架。通过轴承(3-1)和(3-2)，分别固定发动机中心转轴(4)的两个支点。发动机所有转动部件都与转轴(4)固定或联系在一起，与转轴(4) 一起实现联动。要求转轴(4)中心线与环体形燃烧室(定子)(2)的中心线重合，并与环体形燃烧室(定子)的前、后端面相互垂直。燃烧室前、后端盖定位调节部件附图2所示，主要由强力压簧(15)、金属垫片
(14)、金属套管(10-1、10-2、10-3、10-4)和中心转轴⑷两端的螺母(13-1、13-2)等组成。通过调节螺母(13-1、13-2)的进出来实现调燃烧室前、后端盖与燃烧室前、后端面间的距离。也可以采用其它方式来实现对燃烧室前、后端盖定位调节。
具体实施例方式I、燃烧室定子(2)与燃烧室前、后端盖(5、6)的设计是本发明发动机技术核心。设计过程中必须确保燃烧室具备间歇循环冲压换气和点火做功的特点，即确保前、后二功能端盖与燃烧室工作状态中必须具备两个最根本的对应关系(I)开放——开放——冲压换气；(2)密封一开放一点火做功。燃烧室定子与燃烧室前、后端盖的设计步骤(I)首先考虑发动的应用场合，确定发动机的输出功率和确定合适的前、后端盖与燃烧室工作的对应关系，求出工作周期T。T = k t式(I)式(I)中，t为端盖上某点经过一个燃烧室的时间，k为一个工作周期中端盖上一点所经过的燃烧室数，为预先设定的发动机工作时间常数，为整数或非整数，一般取值
2.0 5. O。当选择k为2. 0时，只能是前述最基本对应关系(一)的工作模式。
为了充分发挥高压燃气做功的作用，可以采取加大前端盖密封宽度的办法，这实际作用就是延长高压燃气的功效时间。
(2)依据输出功率大小确定初步定发动机几何尺寸，并综合设定的工作时间常数k确定燃烧室定子上的燃烧室数N。燃烧室定子上的燃烧室数N为整数，且是设定工作时间常数k的整数倍数n。即N = k n式⑵式(2)中，n实际就是设计燃烧室定子中每时每刻发生燃烧做功的燃烧室个数。(3)根据发动机燃烧室定子尺寸大小、燃烧室数N和设定的工作模式、工作时间常数k，设计对应的燃烧室前、后端盖的形态，主要是确定进出气窗口的位置和宽度。2、发动机燃烧室后端盖(主动涡轮转子)(6):它是本发明发动机中结构、形态变化较大的关键部件之一，它的形态与设计发动机工作模式有关，即决定于预先设定的前、后端盖与燃烧室工作状态的对应关系情况。如I :设计为前述最基本的对应关系(一)时，后端盖主要由涡轮叶片(6-3)组成，通过中心件(6-7)、金属梢(9-4)与中心转轴(4)固定在一起。实际就是一个全开放状态的涡轮转子，但因本发明发动机的工作特点，涡轮上叶片依所处位置不同，所起到的作用有两种，一种是长期被燃烧产生高温高压燃气推动做功的叶片，一种是长期起到对燃烧室排换气作用的叶片。前者所使用的材料应考虑其耐高温性能。如2 :设计为前述对应关系(二)时，在
时已经说明。如3 :设计为前述对应关系(三)时，后端盖与附图3所示后端盖相类似，也是一个半开放状态的涡轮转子，但由于喷油和点火不是同时进行的，且喷油过程中，燃烧室的前、后端盖都处于密封状态，如果此时燃烧室处于高温状态，或设计和制造方面存在缺陷发生串火现象，会引起燃烧室提前燃烧而发生爆炸或发动机损毁，因此选用该工作模式时，其设计、制造等各项技术指标要求较高。3、典型实施案例分析附图1、2、3所示设计的间歇冲气涡轮发动机，燃烧室定子的燃烧室数N为16，采用前、后端盖与燃烧室工作状态的实际对应关系如下(I)开放一密封一冲压积气，时间为0. 5t ；(2)密封一密封一就绪等待，时间为t ；(3)密封一开放一混油、点火做功，时间为I. 5t ；(4)开放一开放一冲压换气，时间为t。以上表明，每个燃烧室完成一个点火周期所需要的时间为4t，即设计的工作时间常数k = 4. 0 ;每时每刻，该发动机处于燃烧做功状态的燃烧室数n为4。4、为简化本发明发动机供油程序，可以由转轴(4)的最前端中心处供油，并采取将转轴(4)前段制成厚壁空心管轴等方式，到燃烧室前端盖处引出，并分流至安装在前端盖板上的各喷油嘴(附图3的Al A4)，这样喷油嘴随前端盖(5) —起转动，可以避免使用一些复杂的供油检测、控制电路。设计喷油嘴位置(Al A4)应考虑能实现最佳混油效果的地方，且要求喷油嘴处与燃烧室前端盖面保持平整，不能有凸出的现象。为了使喷入燃烧室的燃料能与燃烧室里的空气更均匀混合和燃料中加入的润滑油能有效到达接触的端盖面上，可以考虑在燃烧室里与喷油嘴对应的前方增设一功能小件，起到使喷油发生反射或散射的作用。5、为简化本发明发动机点火程序，可以将火花塞安装在后端盖￠)的各出气窗口(6-2a)的第一涡轮叶片附近的，点火导线经支撑件引至转轴(4)处，再沿转轴(4)附近引至火花塞，这样火花塞随后端盖一起转动，可以避免使用一些复杂的点火检测、控制电路；由于本发明燃烧室呈环形排列，如果燃烧室间的隔板厚度小于燃烧室后端盖出气窗口 ^_2a)的宽度，当后端盖出气窗口 ^_2a)在跨越一燃烧室进入下一燃烧室时，即可随即实现下一燃烧室的自动点火工作。但为了使发动机点火成功率达到100%，可在后端盖出气窗口(6-2a)的火花塞处设置耐高温、抗氧化且可自炽化的储热金属件或合金件，或保持火花塞不间断地工作。6、由前所述，构成本发明发动机的大多数零部件均属圆对称和具有均衡性的部件。在制造过程中，尤其必须注意控制高速运转部件的圆对称性和均衡性，保持重心在转轴中心上。可采用铸造法生产本发明发动机各主要部件。7、前、后端盖的定位可以采取直接固定法，采用这种方法需要对相关部件作精密设计、制造；其次，如附图2所示，可以利用强力压簧、垫片(含套筒)、螺杆或中心轴和螺母等，通过调节螺母的进出来实现前、后端盖的定位调节，这种方法比较容易实现，且方便发动机的维护和保养。8、为使燃烧室与前、后端盖间无限靠近，即接触面间距离应无限趋于+0mm，要求每个接触面都要十分平整，并严格垂直发动机轴心线；其次，可以在燃烧室定子上的适当位置设置一些小孔和槽，让润滑油经燃烧室上方支架往下，沿小孔和槽直接自动加注到燃烧室的前、后两个接触端面上，或在燃料中加入适量的机油等，以减少前、后端盖的转动摩擦阻力。
权利要求
1.本发明提供一种间歇冲气涡轮发动机技术方案，本发明技术涉及的间歇冲气涡轮发动机是一种主要由若干环形排列，形状、大小相同的通体燃烧室形成的环体形燃烧室定子和保持紧贴燃烧室前、后的二个同步转动的功能端盖(转子)等组成。
2.本发明间歇冲气涡轮发动机有多种工作模式，但在工作过程中，总是具备两个最根本的工作条件或工作环节当燃烧室前后均处于开放状态时对燃烧室进行冲压换气，即前、后二功能端盖均处于开放状态；当要在燃烧室里混油和点火时，由前端盖将燃烧室的前端进行密封，从而高效利用高压燃气推动燃烧室后涡轮叶片旋转做功，即前、后二功能端盖则分别处于密封和开放状态。
3.本发明间歇冲气涡轮发动机环体形燃烧室定子是间歇冲气涡轮发动机的关键部件之一，它主要由外圆筒、内圆筒、燃烧室隔板和其它功能辅件组成，功能辅件包括环体形燃烧室的内侧和外侧支架、内侧和外侧条形散热片或散热条。
4.本发明间歇冲气涡轮发动机燃烧室前端功能盖(从动转子)是本发明发动机区别其它涡轮发动机的关键和核心部件，它主要由燃烧室密封面板部分、燃烧室进气窗口和其它功能辅件组成，功能辅件包括燃烧室进气窗口前增设的压气风扇和内、外集气圆筒，以及近轴流进气窗口和近轴流压气叶片、旁流压气叶片。
5.本发明间歇冲气涡轮发动机燃烧室后端功能盖(主动涡轮转子)是本发明发动机的关键部件之一，它的形态与预先设定的发动机工作模式有关，即决定于预先设定的前、后端盖与燃烧室工作状态的对应关系情况，它可以是一个全开放的主动涡轮转子，也可以是一个与前端功能盖相对应的具有密封面板部分、出排气窗口、出排气叶片和做功涡轮叶片的半开放状态主动涡轮转子。
6.为简化本发明间歇冲气涡轮发动机供油程序，可以由转轴的最前端中心处供油，并采取将转轴前段制成厚壁空心管轴等方式，到燃烧室前端盖处引出，并分流至安装在前端盖板上的各喷油嘴，喷油嘴随前端盖一起转动，即可以避免使用一些复杂的供油检测、控制电路。
7.为简化本发明间歇冲气涡轮发动机点火程序，可以将火花塞安装在后端盖的出气窗口第一涡轮叶片附近，点火导线经支撑件引至转轴处，再沿转轴连接到各火花塞，这样火花塞随后端盖一起转动，即可避免使用一些复杂的点火检测、控制电路。
8.为了使本发明间歇冲气涡轮发动机点火成功率达到100%，可在火花塞处设置耐高温、抗氧化且可白炽化的储热金属件或合金件。
9.为减少本发明间歇冲气涡轮发动机前、后端盖的转动摩擦阻力，可以在燃烧室定子上的适当位置设置一些小孔和槽，让润滑机油经燃烧室上方支架往下，沿小孔和槽自动加注到燃烧室的前、后两个接触端面上。
10.为使本发明间歇冲气涡轮发动机方便维护和保养，可以利用强力压簧、垫片(含套筒)、螺杆或中心轴和螺母等，通过调节螺母的进出来实现燃烧室前、后端盖的定位调节。
全文摘要
本发明提供一种间歇冲气涡轮发动机技术方案，该类发动机主要由若干环形排列，形状、大小相同的通体燃烧室形成的环体形燃烧室定子和前、后二个同步转动的功能端盖(转子)等组成。工作过程中，当燃烧室前后处于开放状态时对燃烧室进行冲压换气，当要在燃烧室里混油点火时，由前端盖将燃烧室的前端进行密封，从而高效利用高压燃气推动燃烧室后涡轮叶片旋转做功。究整个发动机来说，它连续利用高压燃气推动涡轮叶片旋转做功；但究某个燃烧室而言，它具有间歇、循环工作的特点。适合所有依存空气燃烧易流动燃料的场合，广泛应用于各类机械动力装置。具有结构简单、机身工作温度低、机身短、重量轻、燃油功效高，获得更高的涵道比和推重比等优点。
文档编号F02C7/00GK102654079SQ20121011510
公开日2012年9月5日 申请日期2012年4月18日 优先权日2012年4月18日
发明者周耀瑜 申请人:周耀瑜