一种间歇式旋转发动机的制作方法

1.本发明涉及动力机械领域，具体为一种间歇式旋转发动机。


背景技术：

2.现有发动机是将燃料的化学能转化为机械能，主要包括往复式发动机、旋转式发动机和燃气轮机等。往复式发动机由于其工作特点，做功粗暴，旋转两圈，做功一次，限制了发动机的功率密度及做功速度；旋转活塞发动机是以汪克尔发动机为主，与活塞式内燃机相比，其体积小、功率大、重量轻，但由于其结构特点，其制造难度大、精度和材料要求高、耐久性差、燃料燃烧不完全等缺点，使其应用受到较大的限制；燃气轮机通过由多级叶轮或离心叶轮组成的压气机吸入空气，提高空气总压后进入燃烧室与燃料混合燃烧，形成高压、高温燃气，一部分燃气驱动涡轮高速旋转，带动压气机持续吸入空气，另一部燃气经涡轮做功驱动负载或直接喷射做功。提高内燃机做功速度，改用旋转式做功等措施，可以有效提高内燃机功率密度、运行平稳性、适用范围和能源利用效率。


技术实现要素：

3.本发明提供一种间歇式旋转发动机，可有效提高低速内燃机的运行速度和功率密度，采用现有相对成熟的产品组成，可有效提高设备可靠性和可维护性，降低设备运行成本。
4.为实现本发明目的，本发明提供了一种间歇式旋转发动机，本发明提供的发动机包含空气增压、燃料燃烧、高温高压燃气扭转和扩压流动、旋转做功、燃气调节器等部件。
5.本发明提供的间歇式旋转发动机，通过扭转式燃烧器进气段的进气装置控制，压缩空气以高压压气机排气频率进入燃烧器做功，形成间歇式高温高压的燃气流，经高压压气机的涡轮后进入燃气调节器，一部分燃气流入低压压气机，剩余部分燃气流驱动负载，当高压压气机排气频率达到一定程度后，可近似连续旋转做功。
6.对比现有技术存在的发动机，本发明提供的发动机在空气增压、燃料混合燃烧、高温燃气流扭转喷射，燃气流对外做功等相对独立，可单独控制，系统较为灵活，取消了传统发动机专门的散热结构，彻底减少能量损失。
7.本发明提供的发动机，扩压器室中的空气一部分进入高压压气机，经增压后进入扭转式燃烧器，其余部分用于对高压压气机、扭转式燃烧器等部件降温。
8.本发明提供的发动机，高压压气机安装在扩压器室中，高压压气机工作过程中利用低压压缩空气降温，扩压器中的压缩空气吸收高压压气机的热量，减少能量损失，随着高压压气机连续吸气增压，高压压气机散热的能量重新被发动机利用。
9.本发明提供的发动机，通过调节燃气流输出比、扭转式燃烧器进气与燃料参混段的进气装置开启时间及用于散热的扩压器室中的空气流量，可实现连续性控制空气增压比。
10.本发明提供的发动机，空气增压比越大，扭转式燃烧器燃气出口越小，燃气调节器
越小，发动机越紧凑。
11.本发动机以高温高压燃气流作为控制对象，通过燃气调节器的作用，解决了常规发动机无法适应在不同工况下最佳充气效率、最优空燃比、燃料高效燃烧和最大化功率输出的问题。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行简单地介绍，下图中虚线表示发动机内部气体回路，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
13.参考图1，本实施例的发动机采用多级空气增压方案。
14.参考图2，本实施例的发动机采用一级空气增压方案。
15.参考图3，为本实施例的发动机的总装结构，未包含低压压气机和对外做功部分结构。
16.参考图4，为本实施例的发动机的结构分解图。
17.参考图5，为本实施例的发动机的高压压气机。
18.参考图6，为本实施例的发动机的扭转式燃烧器，图示多管结构，燃烧管数量可根据实际需求调整或只采用单管结构，本图只为展示扭转式燃烧器结构。
19.参考图7，为本实施例的发动机的燃烧管，图示的燃烧管应用在多管的扭转式燃烧器中，燃烧管数量可根据实际需求调整。
20.参考图8，为本实施例的发动机的燃气调节器截面示意图。
21.图中：1：低压压气机压气轮；2：扩压器室；21：扩压器室前端；22：扩压器室后端；3：高压压气机；4：扭转式燃烧器；41：进气与燃料参混段；42：燃烧段；43：扭转扩散段； 44：均压联焰段；5：传动轴；6：燃气调节器；61：低压压气机燃气流通道；62：做功燃气流通道；63：燃气流调节装置；64：燃气调节器壳体；7：做功燃气流；8：高压压气机涡轮； 9：低压压气机涡轮。
具体实施方式
22.以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，本发明内容仅描述实现容积式发动机的间歇式做功变换为旋转做功的技术，实现本发明中发动机连续运行的其余部分均采用现有发动机成熟结构，不做详细说明。
23.为了克服容积式发动机做功粗暴，做工频率低，功率密度低，震动大等缺点；旋转活塞发动机其制造难度大、精度和材料要求高、耐久性差、燃料燃烧不完全等缺点；燃气轮机转速高，燃料消耗量过大，加工复杂、安装难度大、维修保养技术要求高等缺点。本实施例利用容积式发动机或燃气轮机空气增压技术提供压缩空气，以间歇式燃烧为主要特点，压缩空气与燃料以一定频率混合后进入燃烧器产生高温高压燃气流，通过扭转燃烧器4的扭转扩散段43，使燃气流带一定切向速度进入高压压气机3的涡轮8中，冲击涡轮8旋转做功，从高压压气机的涡轮出来的燃气进入燃气调节器，一部分燃气流进入低压压气机，剩余部分燃气流驱动负载，当高压压气机排气频率达到一定程度后，可近似连续旋转做功。本发动
24.机以高温高压燃气流作为控制对象，通过燃气调节器的作用，解决了常规发动机无法适应在不同工况下最佳充气效率、最优空燃比、燃料高效燃烧和最大化功率输出的问题。
25.本实施例的发动机的结构系统包含低压压气气轮1、高压压气机3、扭转式燃烧器 4、燃气调节器5、扩压器室2、低压压气机涡轮9、高压压气机涡轮8。
26.本实施例的发动机方案未做详细表述的结构部分包含低压压气机、减速器、燃烧器进气控制装置、燃料喷射装置、起动系统；其中低压压气机采用常规涡轮增压器，减速器、燃烧器进气控制装置、燃料喷射装置、均采用现有发动机上成熟技术，方案中不再表示，本实施例的起动系统采用压缩空气，功能较为单一，不做详细描述。参考图1、图2，为间歇式旋转发动机两种不同工作模式，参考图1为多级增压方案，原理图仅展示两级增压，可根据实际需求，选择多级、多种增压方案，低压压气机可接入中冷器，方案中未示出，参考图2仅包含低压压气机，低压压气机可接入中冷器，方案中未示出，实际负载可根据运行速度，气压等条件，选择合适的增压方案。参考图3、图4，为间歇式旋转发动机的总体结构图和分解图，图中仅显示容积式发动机的间歇式做功变换为旋转式做功必须包含的部分结构组件。
27.参考图5，为间歇式旋转发动机的燃气发生和控制部分。
28.参考图8，为间歇式旋转发动机的燃气调节器，图示中燃气流调节装置仅为表达控制原理，不代表实际设备，燃气流调节装置可采用球体、锥体等各种可以限制高温高压燃气流的装置。
29.本实施例的发动机的运行方式：
30.本实施例的发动机采用压缩空气启动，压缩空气通过扭转式燃烧器4的进气与燃料参混段41中的进气控制装置(图中未示出)与燃料混合后进入扭转式燃烧器4的燃烧段 42，经点火产生高温高压燃气流，高温高压燃气流通过高压压气机3的涡轮8带动星型压气机工作后，高温高压燃气进入燃气调节器6分为两部分，一部分燃气通过低压压气机燃气流通道 61进入低压压气机的涡轮9高速旋转，带动压气机1持续吸入空气，另一部燃气通过做功燃气流通道62进入涡轮驱动负载或直接喷射，系统启动完成。
31.扭转式燃烧器4中产生的高温高压燃气流带有一定静压和动压，在扭转扩散段43 中心，气流动压为主，燃气为速度流，在扭转扩散段43中心以外，以压力流为主，通过燃烧器的扭转扩散段43与均压联焰段44的作用，带压力的燃气流经扩压减速，燃气流压力均布，进入高压压气机的涡轮中；采用多管的扭转燃烧器，各燃烧管以一定频率轮换做功，并对其余处在燃烧阶段或燃烧结束段的管状燃烧器提供火焰，提高燃烧效率，减少管状燃烧器内点火失败及燃料未燃尽的情况发生。当发动机工作频率较低时，扭转燃烧器4各燃烧管以点燃方式点火，当发动机工作频率较高时，扭转燃烧器4各燃烧管以联燃方式点火。
32.本实施例中的高压压气机3采用星型发动机结构，可以是其他具有单个轴或者分开在并联或串联的多个独立轴上的单级装置或多级装置，并且可以是离心式或轴向空气增压机。动力部分采用燃气流冲击涡轮8旋转，通过传动轴5和减速器与星型压气机联结，高压压气机3吸入扩压器室2内的压缩空气并继续增压。
33.本实施例中的星型发动机结构的高压压气机3取消进气门与排气门，汽缸只负责提高空气压力，不参与燃烧，涡轮旋转一周，汽缸完成一次空气压缩与排放，汽缸内压力与温度均远低于普通活塞式发动机，因此汽缸与活塞等可轻量化设计、润滑与散热均可简单
处理，有利于提高压气机运行速度，发动机功率密度是普通普通活塞式发动机2倍以上。
34.本实施例中的星型发动机结构的压气机，在星型发动机汽缸下部开若干小孔，当活塞低于小孔高度时，扩压器中的压缩空气会通过小孔快速进入汽缸。
35.本实施例中的星型发动机结构的高压压气机3，为方便高压空气排出，高压压气机 3的汽缸顶部稍微倾斜升高，侧壁并开有出气孔，高压压气机3的汽缸的出气孔与扭转燃烧器的进气与燃料参混段固定连接，当高压压气机中的压力达到预定值，扭转燃烧器4的进气与燃料参混段中的进气装置打开，高压空气与燃料混合后快速进入扭转燃烧器，燃烧后产生高温高压燃气，驱动高压压气机的涡轮8旋转。
36.本实施例中高压压气机3汽缸与活塞等轻量化设计，有利于提高压气机运行速度。发动机功率不再受限于发动机转速，仅与发动机进气量和低压增压机吸气量有关，发动机功率密度可达到普通活塞式发动机2倍以上。
37.本实施例的发动机的调速过程：
38.本实施例的发动机进入工作工程后，根据负载情况，可连续调节系统总体功率。
39.本实施例的发动机以以高温高压燃气流作为控制对象，通过燃气调节器6的作用，经高压压气机3的涡轮8的燃气，一部分燃气流入低压压气机的涡轮9中，剩余部分燃气流驱动负载，当高压压气机3排气频率达到一定程度后，可近似连续旋转做功。
40.系统启动后，负载较轻，为节省燃油，可选择关闭一个或多个燃烧管。
41.当系统需要加速时，发动机喷入更多燃油，增压高温高压燃气量，同时，燃气调节器6中的控制燃气流调节装置63减少做功燃气流，增加低压压气机3的涡轮8中的燃气流，使低压压气机的压气轮1加快吸入空气并增压，高压压气机3吸入更多空气和燃料混合后，进入扭转式燃烧器4，产生更多的高温高压燃气流。
42.本实施例的发动机的空气调节方法：
43.系统启动后，由于负载经常多变，需要实时调节发动机输出功率，最简单有效的办法即是调整进入发动机的空气量。
44.发动机的各组件相互独立，空气增压比受多个因素制约，主要有低压压气机动态增压比，扩压器室2空气流量、高压压气机3工作频率，扭转燃烧器4中的进气控制装置开启提前角度等，系统控制较为灵活，提高低压压气机3工作速度，可增加扩压器室2内压缩空气，增加散热空气流量，扩压器室2内空气减少，高压压气机3工作频率越高，扩压器室2空气越少，扭转燃烧器4中的进气控制装置开启越早，空气总增压比越低。
45.为保证系统运行正常可靠，空气调节以扩压器室2压力为控制对象，系统实时保证高压压气机3中的空气流量，进而调节燃气调节器6内燃气流做功比例。
46.当扩压器室2压力低于限值时，调高进入低压压气机涡轮9中的高温高压燃气流。
47.当扩压器室2压力超过限值时，调低进入低压压气机涡轮9中的高温高压燃气流。
48.由于系统直接从调节燃气调节器6内引出高温高压燃气流，系统反馈速度较快，迟滞较轻，可保证不同气压条件下，可维持扩压器室2压力处在稳定状态，空气充足，燃料均可高效燃烧。
49.根据本实施例的发动机，实现了本发明在吸入和压缩空气、排出燃气的过程中采用吹动多个涡轮独立驱动发动机运转，与传统燃气涡轮发动机相比，各涡轮独立安装，不互不干扰。同时，由于本发明提供的发动机主要控制高温高压燃气流做功比例和流动方向，因
此，可灵活设置发动机安装位置和安装方式，减少发动机安装复杂程度，各部件可单独拆装，提高了可靠性、可维护性和工作效能。
50.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。