一种气动发动装置及其用途的制作方法

本发明涉及一种气动发动装置及其用途，属于发动机技术领域。

背景技术：

在我们的生活中，常用的运输工具有汽车、火车、飞机、船舶、电动车、摩托车等。其中，汽车的种类很多，按照用途可分为主要供人员乘坐的载客汽车、主要用于运载货物的载货汽车、用于建筑工程、农业生产、运动竞技等的特殊用途汽车；按照对道路的适应性可分为普通汽车和越野车；按照动力装置类型可分为活塞式内燃机汽车、电动汽车、燃气轮汽车。飞机的种类也很多，按照用途可分为民用客运飞机、军用运输飞机、军用战斗飞机等；按照发动机的类型可分为螺旋桨飞机和喷气式飞机。火车有普通列车、磁悬浮列车和高速列车等。所有这些交通工具采用的发动机驱动方式主要包括两类，即摩擦力驱动发动机和反作用力驱动发动机。现有的反作用力驱动的发动机包括吸气式发动机和火箭喷气式发动机，其中吸气式发动机也是常用的航空发动机，在实际大功率驱动需求时均采用燃料燃烧驱动，但某些情况下驱动功率仍不满足要求或使用不方便，并且尚不具备以电能直接或间接为主要驱动供能的大功率反作用力发动机。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种气动发动装置，其特征在于，它包括：供气结构、气体增压结构、气体加热结构和气体喷射结构；其中所述供气结构与所述气体增压结构相连接，所述气体加热结构位于所述气体增压结构的内部，所述气体喷射结构与所述气体增压结构相连接且位于所述气体增压结构与驱动力方向相反的一侧。

所述气体喷射结构有气体喷射出口，所述气体喷射出口的气体喷出方向为驱动力的相反方向，所述气体喷射出口小于所述的气体增压结构腔室的最大内径。

所述供气结构有供气管道和供气入口，所述的供气结构与所述的气体增压结构的连接为气体流向所述的气体增压结构方向的单向阀式开关结构，所述的供气结构的气体输出口方向与所述的气体喷射结构的气体喷出口的方向一致。

所述的气体增压结构为腔室性结构，包括但不限于下列一种或多种特征：1）单一腔室的结构，所述腔室内部为所述气体增压结构的内部；2）多个腔室组合而成的组合结构，所述各腔室内部为所述气体增压结构的内部；3）单一套管状夹层结构，其中外层的夹层空间为所述气体增压结构的腔室，位于中央的套管为所述气体增压结构的内部；4）多个夹层结构的套管状组合，其中外层的夹层空间的组合为所述气体增压结构的腔室，组合形成的套管状中央空间为所述气体增压结构的内部。

所述的气体加热结构为干热发生器，包括固态干热发生器和燃烧干热发生器；所述的气体加热结构对所述的气体增压结构内的气体的加热方式包括接触热传导气体加热式和热空气混合气体加热式，所述的气体加热结构与所述的气体增压结构的连接包括但不限于下列一种或多种组合：1）所述的气体加热结构位于所述气体增压结构腔室内，与所述腔室内的气体直接接触混合加热；2）所述的气体加热结构位于所述气体增压结构腔室的外侧面，通过加热所述腔室外侧壁，间接加热所述腔室内的气体。

所述的供气结构所采用的气体形态包括压缩空气、液态氮气、液态空气。

所述的气体加热结构为加热驱动的飞行器发动机，包括如下结构形式：1）加热驱动的飞行器发动机的热输出端位于所述的气体增压结构的腔室的内部；2）加热驱动的飞行器发动机的热输出端位于所述的套管状夹层气体增压结构的中央套管；3）加热驱动的飞行器发动机的热输出端位于所述的多个夹层气体增压结构的套管状组合的中央套管。

飞行器发动机一般分为两类,包括吸气式发动机和喷气式发动机,吸气式发动机主要为航空发动机，必须吸进空气作为燃料的氧化剂(助燃剂),根据吸气式工作原理又分为活塞式发动机、燃气涡轮发动机、冲压喷气式发动机和脉动喷气式发动机等。喷气式发动机是指火箭发动机，是一种不依赖空气工作的发动机,分为化学火箭发动机、电火箭发动机和核火箭发动机等。按产生推进动力的原理不同,飞行器的发动机又可分为直接反作用力发动机、间接反作用力发动机两类。直接反作用力发动机是利用向后喷射高速气流,产生向前的反作用力来推进飞行器。直接反作用力发动机有涡轮喷气发动机、冲压喷气式发动机,脉动喷气式发动机,火箭喷气式发动机、涡轮风扇喷气发动机等。间接反作用力发动机是由发动机带动飞机的螺旋桨、直升机的旋翼旋转对空气作功,使空气加速向后(向下)流动时,空气对螺旋桨(旋翼)产生反作用力来推进飞行器。这类发动机有活塞式发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨风扇发动机等。加热驱动的飞行器发动机主要为直接反作用力发动机。

所述的气体增压结构腔室内气体的温度选100-2000℃，优选300-1800℃，更优选400-1500℃，最优选500-1200℃。

本发明还包括控制器、温度传感器和压力传感器，所述的温度传感器安装在所述气体增压结构的腔室内和所述的气体加热结构上，所述压力传感器安装在所述气体增压结构的腔室内和所述的供气结构内，所述控制器分别与所述压力传感器、所述的温度传感器电连接。

所述的气动发动装置在开发多种用于运输工具驱动的发动机的应用。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的气动发动装置由于在气体膨胀增压腔室内安装了气体加热结构，使气体增压结构的腔室内的气体加热膨胀，然后经喷射结构的出口喷出，产生相对于高压气体喷出方向的反作用力，形成类似航空发动机的向前推力，进而驱动运载装置向前运行，有别于现行的燃油航空发动机，具有显著的节约燃油效应。2、本发明的气动发动装置的气体加热结构也可以是现有的航空发动机的涡轮排气口，使排气口排出的热气直接进入气体增压结构的腔室内，进而使腔室内的气体加热膨胀，通过喷射结构的出口喷出，产生二级驱动增效作用，显著提高了发动机的驱动效能。3、本发明的气动发动装置的供气结构所需要的气体可以在运行过程中通过电能制取，如压缩空气、液氮、液态空气，因此可用于近地面或地面运行结构的运行驱动，如悬浮列车，可以有效克服轮地或轮轨运行所产生的摩擦阻力，可产生显著的节能效果。4、本发明的气动发动装置由于采用以空气或氮气为主的驱动介质，可大大减轻由于燃油造成的污染排放，具有显著的环保效应。6、本发明的气动发动装置所述的供气结构的气体输出口方向与气体喷射结构的气体喷出口的方向一致，如采用压缩空气，在气体进入气体增压结构的腔室内时会产生一与气流方向相反的反作用力，当气体在气体增压结构的腔室内加热膨胀并通过喷射结构的出口喷出，产生第二次与气流方向相反的反作用力，提高气体驱动效果。

附图说明

图1是本发明实施例一的整体结构示意图；

图2是本发明实施例一以飞行器发动机为气体加热结构的单一夹层套管式气体增压结构整体结构示意图；

图3是本发明实施例一以飞行器发动机为气体加热结构的多个夹层结构的套管状组合的气体增压结构整体结构示意图；

图4是本发明实施例一以飞行器发动机为气体加热结构的单一腔室结构的气体增压结构整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

实施例一：

本实施例中的气体发动装置，如图1所示，它包括供气结构2、气体增压结构3、气体加热结构1和气体喷射结构4；其中供气结构2与气体增压结构3通过连接结构5和进气阀6相连接，气体加热结构1位于气体增压结构3的内部，气体喷射结构4与气体增压结构3相连接且位于气体增压结构的驱动力方向7相反的一侧。供气结构2通过连接结构5和进气阀6向气体增压结构3输送气体，进入气体增压结构3的气体经气体加热结构1加热膨胀，使腔室内压力增加，然后经气体喷射结构4的排气口排出，产生高压气流。高压气流的方向与驱动力方向7相反，进而产生反作用推力。

进一步地，如图2所示，气体加热结构选用加热驱动的飞行器发动机21，气体增压结构23为夹层单腔室结构，夹层中央包裹形成气体增压结构23的中央套管区间28。飞行器发动机21的涡轮排气口位于气体增压结构23的中央套管区间28的驱动力方向端27。当启动飞行器发动机21和进气结构26时，飞行器发动机21的涡轮排气口排出的热风加热气体增压结构23的腔室内壁，使腔室内的气体加热膨胀，经高压气体排气口24排出，进而产生反作用推力。

进一步地，如图3所示，气体加热结构选用加热驱动的飞行器发动机31，气体增压结构33为夹层双腔室结构，分别为腔室33a和腔室33b，并分别安装有独立的气体喷射结构34a和34b，夹层中央包裹形成气体增压结构33的中央套管区间38。飞行器发动机31的涡轮排气口位于气体增压结构33的中央套管区间的驱动力方向端7。当启动飞行器发动机31和进气结构36时，飞行器发动机31的涡轮排气口排出的热风加热气体增压结构33a和33b的腔室内壁，使腔室内的气体加热膨胀，经高压气体排气口34a和34b排出，进而产生反作用推力。

进一步地，如图4所示，气体加热结构选用加热驱动的飞行器发动机41，气体增压结构43为单一腔室结构，安装有气体喷射结构44。飞行器发动机31的涡轮排气口位于气体增压结构43的腔室内。当启动飞行器发动机41和进气结构46时，飞行器发动机41的涡轮排气口排出的直接热风加热气体增压结构33腔室内的气体，使其膨胀，经高压气体排气口44排出，进而产生反作用推力。

本发明的工作原理为：在气体腔室内注入高压气体或液化气体，再进行快速加热使气体体积迅速膨胀，并经排气口高速排出，进而通过反作用力产生向前的推力。进一步将这种结构与加热驱动的飞行发动机结合，如涡轮喷气发动机，在有效利用飞行发动机经排气口排出的余热的同时，加热膨胀的气体经排气口高速排出，产生二级反作用推力，可以显著增加现行发动机的驱动效能。

下面以实验室中的模拟实验来说明本发明的效果：

实验例（一）：固态干热法加热驱动模拟实验

1）实验材料：带有螺盖的圆形不锈钢桶、不锈钢管、加热棒、液氮、橡胶塞。

2）实验装置的制备：取直径30cm带有螺盖的圆形不锈钢桶,在螺盖的中央部位开口，将直径5cm的不锈钢管截取长5cm，焊接到螺盖的中央开口处，密封。橡皮胶塞打孔，穿加热棒电线。在焊接的不锈钢管的内侧，用橡皮胶塞封堵，并将加热棒放置在不锈钢桶内。

3）实验方法与结果：

在不锈钢桶内加入少量液氮，盖上螺盖，倒立放置于预制的铁架上，连接电源。用温度计检测不锈钢桶表面温度。当温度升到100℃时，用一木棒从外向内推开橡胶塞，此时看见强大的气流从不锈钢管口喷射出，同时看到不锈钢桶飞离铁架。结束试验。

实验例（二）：燃烧加热法模拟实验一:

实验材料：jetcatp120sx涡喷航模发动机、不锈钢桶、拉力计、液氮。

实验装置的制备：

制作4个长50cm，长径12cm的弧形不锈钢桶，出口直径2cm，以圆弧形捆绑固定于jetcatp120sx涡喷航模发动机的排气口的周围，固定于铁制的手推平板车上。平板车的后端与拉力计相连接。拉力计的另一端与一地面的固定支架连接。

实验方法与结果：

启动jetcatp120sx涡喷航模发动机，看见手推平板车先前运动，拉力计显示最大拉力为12.6公斤。关闭jetcatp120sx涡喷航模发动机，在4个弧形不锈钢桶内各加入约200ml液氮，启动jetcatp120sx涡喷航模发动机，看见手推平板车先前运动，同时弧形不锈钢桶出口处气体喷出迅速加快，并停止。观察拉力计最大拉力为27.1公斤。结束试验。

实验例（三）：燃烧加热法模拟实验二:

实验材料：jetcatp120sx涡喷航模发动机、不锈钢桶、拉力计、空气压缩机（排气量7.7m³/min，压力1mpa，功率37kw）。

实验装置的制备：

制作4个长50cm，长径12cm的弧形不锈钢桶，出口直径2cm。在相对于出口的另一端安装进气接口。以圆弧形捆绑固定于jetcatp120sx涡喷航模发动机的排气口的周围，固定于铁制的手推平板车上。进气接口与空气压缩机连接。平板车的后端与拉力计相连接。拉力计的另一端与一地面的固定支架连接。

实验方法与结果：

开启空气压缩机，达到压力平衡。启动jetcatp120sx涡喷航模发动机。将jetcatp120sx涡喷航模发动机开至最大。看到手推平板车向前运动，拉力计显示最大拉力为13.3公斤。打开空气压缩机与4个弧形不锈钢桶的连接开关，可以看到弧形不锈钢桶出口处气体快速喷出。观察拉力计最大拉力为25.8公斤。结束试验。

实验例（四）：燃烧加热法模拟实验三:

实验材料：jetcatp120sx涡喷航模发动机、不锈钢桶、不锈钢管、拉力计、空气压缩机（排气量7.7m³/min，压力1mpa，功率37kw）。

实验装置的制备：

制作1个直径50cm的圆形不锈钢桶，在一侧安装4个直径2cm的不锈钢管作为排气口。在排气口对应的另一侧安装jetcatp120sx涡喷航模发动机排气口，并密封。在jetcatp120sx涡喷航模发动机的外侧安装直径1cm的进气口，与空气压缩机连接。固定于铁制的手推平板车上。平板车的后端与拉力计相连接。拉力计的另一端与一地面的固定支架连接。

实验方法与结果：

开启空气压缩机，达到压力平衡。启动jetcatp120sx涡喷航模发动机。将jetcatp120sx涡喷航模发动机开至最大。看到手推平板车向前运动，拉力计显示最大拉力为12.9公斤。打开空气压缩机与不锈钢桶的连接开关，可以看到不锈钢桶出口处气体快速喷出。观察拉力计最大拉力为29.2公斤。结束试验。

实验例（五）：燃烧加热法模拟实验四:

实验材料：jetcatp120sx涡喷航模发动机、不锈钢桶、不锈钢管、拉力计、液氮。

实验装置的制备：

制作1个直径50cm的圆形不锈钢桶，在一侧安装4个直径2cm的不锈钢管作为排气口。在排气口对应的另一侧安装jetcatp120sx涡喷航模发动机排气口，并密封。固定于铁制的手推平板车上。平板车的后端与拉力计相连接。拉力计的另一端与一地面的固定支架连接。

实验方法与结果：

启动jetcatp120sx涡喷航模发动机。将jetcatp120sx涡喷航模发动机开至最大。看到手推平板车向前运动，拉力计显示最大拉力为13.8公斤。关闭jetcatp120sx涡喷航模发动机，从排气口加入约1000ml液氮，启动jetcatp120sx涡喷航模发动机，可以看到不锈钢桶出口处气体快速喷出。观察拉力计最大拉力为31.2公斤。结束试验。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。