燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机的制作方法

文档序号:10590869阅读:509来源:国知局
燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机的制作方法
【专利摘要】燃气?蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,是接近理想化的变式高效率燃气轮机,由类似渐开线曲面的定子、圆柱形转子、转子轴、转子盖、滑片总成、侧盖、燃烧室等组成基本做功系统,定子、转子、侧盖、滑片把内部分为相当于多级压缩的空气逐渐压缩室和体积比较大的燃烧后燃气做功的多级膨胀的逐渐膨胀室,工作时转子转动从进气口吸进空气,在滑片移动下逐渐压缩,最后从压缩空气出气口进入燃烧室,与燃料混合燃烧,气体吸热等压膨胀,由于膨胀室滑片比压缩室滑片受压面积大几倍,压强相等,所以膨胀室侧的推力比压缩室的阻力大几倍,形成对外做功力矩,做等压膨胀功,膨胀后的气体在膨胀室被滑片分隔、运转中体积变大,再做绝热膨胀功。
【专利说明】
燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机
技术领域
[0001]本发明涉及热机,是一种高效率的滑片转子发动机,同时也是封闭做功燃气的变式高效率燃汽轮机。
【背景技术】
[0002]现有活塞发动机结构复杂、效率还不够高;现在最好的汽油机的效率正常运行时一般在20%多些,丰田马自达合作的15年12月份发布的新普锐斯达到40%,这是目前商用的效率最高的,不过它高效率工况范围很低,低速性能又差,仅适用于混动发电;柴油机效率好些,但舒适性差,重;现有转子发动机采用燃爆式工作,效率低,污染重,马自达已经停产;汽轮机粗重效率低;燃气轮机低速效率低,小型化效率低。

【发明内容】

[0003]本发明目的是提供一种燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,也是接近理想化的封闭做功燃气的变式高效率滑片燃汽轮机,是一种采用简单循环的热机,在有余热利用系统时还是特别简易的燃气-蒸汽联合循环的发动机。因为具有开放吸气开放排气、可变压缩比、燃料连续燃烧燃气连续做功、富氧独立燃烧室、封闭做功燃气、膨胀室变容控制排放压强、余热生成蒸汽进膨胀室做功、侧盖中的轴承轨道槽控制滑片升缩降低摩擦磨损等特点而具有高效率、大扭矩、低速性能好、宽发动机转速而且相对宽工作区域高效率、低排放污染小、运行平稳噪音小、结构简单成本低、高功率比容积比质量、冬天暖气来热快、可靠耐久、易生产易维护等优点。
[0004]燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机的热力学原理与燃气轮机近似,是一种以连续流动的气体作为工质,把燃料燃烧的热能转化为机械能的旋转式动力机械,采用简单循环,发动机从大气环境吸入空气并进行压缩,压缩空气在燃烧室与燃料燃烧,气体等压膨胀,先做等压膨胀功,再进入被滑片分隔的逐渐膨胀室逐渐膨胀(相当于燃气轮机的燃气透平),再做绝热膨胀功,典型热力学循环PV图如图3中ABCD,AB段是绝热压缩,系统做负功,BC段燃料燃烧气体等压吸热膨胀,做等压膨胀正功,CD段绝热膨胀,做绝热膨胀正功,DA段为开放排气。
[0005]在有余热生成蒸汽进膨胀室做功情况下,它又是热力学循环理论效率高于卡诺循环的燃气-蒸汽联合循环。
[0006]燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机解决上述技术问题而采用的技术方案是:发动机由基本做功系统、润滑系统、燃料供应控制系统、启动点火系统、余热分级利用系统、电脑控制系统等构成,功率需求不大而且变化不大的采用单转子发动机,功率需求变化大或功率需求大的可采用多转子发动机。
[0007]基本做功系统包括定子、转子、转子轴、转子盖、滑片总成、侧盖、燃烧室等,工作时转子转动从进气口吸进空气,在滑片推动下逐渐压缩,最后从压缩空气出气口进入燃烧室,与燃料混合燃烧,气体吸热等压膨胀,由于膨胀室滑片比压缩室滑片受压面积大几倍,压强相等,所以膨胀室侧的推力比压缩室的阻力大几倍,形成对外做功力矩,做等压膨胀功,膨胀后的气体在膨胀室被滑片分隔、运转中体积变大,再做绝热膨胀功。基本做功系统中,带有滑片总成的圆柱形转子安装在带有花键的转子轴上,开有滑片槽的转子用转子盖进行结构加强,转子盖上有密封侧盖与转子的油气密封环,一侧转子盖有与滑片数目相等的润滑油通道,另一侧转子盖有与滑片数目相等润滑油出油孔;侧盖上带有转子轴轴承窝、控制滑片总成在转子上升缩的轴承导轨槽、润滑油油道、与余热利用系统的定子上的蒸汽通道(没有余热利用系统的可作为压缩空气预热通道)以及定子上的余热利用温水通道所对应的联通槽,侧盖把转子、转子轴、转子盖、滑片总成等组成的转子总成与定子固定到一起,定子、 转子、侧盖把内部分成两个空间,一个是空气逐渐压缩室,一个是让燃烧后热混合气做工的逐渐膨胀室,定子上开有4个开放式开口,分别是进气口、压缩空气出气口(压缩空气出气口根据需要有可能设计成防止气体回流的半开放压开式止回单向出气口)、燃烧室高温燃气出气口(膨胀室进气口)、尾气排气口,特别重要的是不同于以往定子的圆形或椭圆曲面的设计,压缩室、膨胀室部分的定子曲面都是类似渐开线的曲面,这样让众多滑片分担压缩与膨胀压力,相当于多级压缩、多级膨胀,还让工作过程变为近似理想化的绝热压缩与绝热膨胀过程,这个设计还有效降低材料力学要求、提高了效率,这里的滑片数量要多,越多理论效率越高,也不能太多,太多摩擦与热损失增加,效率反而降低,另外少部分产品膨胀室靠近排气口的定子的末端可以设计成可以移动的形式,改变膨胀比,怠速低给油小功率时移开,减少膨胀室终了容积,减少膨胀比,大给油时移近,增大膨胀室容积,增大膨胀比,让最终排气压力接近大气压,提高效率;还有一个重要特点是膨胀室容积比压缩室大很多,具体比值根据最高运行频率时的工况根据PV = nRT得出大体比值;滑片总成由滑片、轴承、组合密封片组成,当转子旋转时,轴承在侧盖上的轴承导轨槽内运动,控制滑片与定子曲面非常接近,但不接触,再通过组合密封片旋转产生的向心力保持与定子低压力低摩擦密合,为了确保不产生因共振产生的不正常摩擦而产生的“魔鬼的爪痕”,还对与定子接触的组合密封片设计了单独润滑机构,同时在转子内部运用支架轴套轴承组降低滑片与转子摩擦,降低机械损失,转子的支架轴套轴承槽兼做润滑油通道;燃烧室联通压缩空气出气口、膨胀室高温燃气进气口,外接多点燃料进口、点火器,内有1到3个燃烧器,燃气出口导流管附近还有余热利用蒸汽出气口,燃烧室采用稀薄燃烧,现有汽油机过量空气系数在当量1左右(一般在0.85-1.2之间),低速小功率高效率大于1,高速大功率低效率小于1,而本发明过量空气系数通常远大于1,可以达到5以上,追求环保并追求小型化的典型燃气温度在很少产生氮氧化物的1500°C左右时空气过量系数大约1.6左右,从1.6到0.9还有较大供油空间,因而短时间给油时动力澎湃,爆发力强,起步超车轻松,吸气量大的发动机燃烧室采用多个燃烧器目的是在怠速或小功率运行时关闭部分燃烧器燃料进口,让少量燃料集中燃烧,提高局部空气燃料比,不至于燃料因稀薄而熄火,多燃烧器的具有联焰结构,燃烧室兼具导流器作用,让高温燃气处于处于相对较冷的余热利用产生的水蒸气之间,减少热损失与燃气冲蚀。
[0008]润滑系统包括机油滤清器、滤网、润滑油栗、油管、机油喷管、转子侧盖等部位的油道、余热利用中的初级换热器、控制系统等转子的圆柱型曲面内的润滑系统和对滑片与定子密封的组合密封片润滑的单独润滑机构。两个系统的润滑油栗采用备用栗冗余设计。从润滑油栗出来的润滑油从两侧侧盖转子轴轴承附近分主副进油口进入转子,在向心力作用下通过转子的滑片槽与转子盖润滑油通道、支架轴套轴承槽、转子盖润滑油出油孔等流向另一侧盖出油口。
[0009]燃料供应控制系统包括按顺序连接的控制系统、燃油箱或(和)燃气罐、燃油栗或(和)燃气栗、管路、控制阀、喷嘴、传感器等。由于采用燃烧室,所以可以轻易实现汽油、柴油、酒精等液体燃料和煤气、液化气、天然气等气体燃料甚至固体燃烧的单相或多相切换,有对不同液体燃料和气体燃料单相或多相的切换结构的发动机,燃料供应控制系统有利用三通阀或电磁阀、四通阀或电磁阀、不同的油气栗等结构对不同液体燃料和气体燃料单相或多相的切换结构,燃烧室具有停供部分喷嘴燃料的结构,喷嘴、控制系统与燃烧室燃烧器匹配。另外大型机可以采用油气启动后从进气口吸入被吹起的煤粉或向燃烧室利用高压气体吹入煤粉或喷入煤浆,发电厂超大型机可以通过平衡室直接运用吊车吊装或输送带输送煤块、煤粉。
[0010]启动点火系统包括启动电源、电机、控制系统、点火电路、传感器等,其中点火电路可以采用高压电子打火,也可以采用电热丝硬点火,或者同时具有,点火器可以设计为升缩移动式。
[0011]余热分级利用按连接顺序依次为水箱、管路、对润滑油冷却的换热器、定子压缩侧余热利用温水通道、栗前对经过二级换热器的尾气再利用的产生低于100°c热水的一级换热器及并行的暖气换热器、高压水栗(冗余设计)、对经过三级换热器的尾气再利用的产生高于100°C热水的二级换热器、尾气余热利用产生蒸气的三级换热器、对膨胀室定子冷却的水汽通道、水汽分离室、对膨胀室定子冷却的蒸汽通道、对燃烧室外壳冷却的蒸汽通道、温度传感器等,水汽分离室有控制气液通行回水阀与电磁气门阀两个控制阀。其中产生蒸气的三级换热器采用沟槽式热管结构,让气液有各自通道,尾气管路与水管并行,并通过水箱,寒冷天气用尾气余热解冻。冬天取暖的暖气取暖管路与栗前一级换热器的管道并行,利用管壁热传导提高暖气取暖功率,刚启动时可以通过水汽分离室回水阀先行利用二、三级换热器吸收的余热,加快取暖效果。如果不采用余热利用系统的,暖气运行方式与传统类似。
[0012]本发明的有益效果是:
[0013]效率高,由于压缩室、膨胀室的定子部分的曲面都是类似渐开线的曲面,在多个滑片的分隔下,使由进气绝热压缩过程、定压燃烧加热膨胀做功过程、绝热膨胀做功过程和定压放热排气过程所组成的循环是非常标准的勃朗登循环,是接近理想化的变式高效率滑片式燃气轮机,由于是被滑片分段封闭,所以它的实际效率比正常燃气轮机更高,它的理论热效率为IU=WAh=1-1Ai^1V'公式表明热效率IU主要与压比JT(JT = P2M)、空气比热容比T有关,空气可以看着双原子分子,γ取1.4,例如压缩比为6时,压比12.3,温度比2.05,理论热效率为51%,压缩比为10时压比25.1,温度比2.51,理论热效率为60%,实际汽油机由于预膨胀、工作循环必须散热等多种因数,效率远比理想循环低,相比之下本发明的余热分级利用系统还能提供一点有用功,是燃气-蒸汽联合循环,理论效率已经超过卡诺循环效率;另外本发动机实际机械效率比汽油机柴油机高,这个从滑片转子压缩机效率比活塞压缩机稍高就可以得出滑片转子发动机比活塞发动机机械效率高;热损失也低,汽油机工作为了防止震爆,他不得不散热,而本发明在材料许可范围内可以提高机体温度,降低热损失,对于汽油机热损失最快是在燃爆时,而本发明在火焰筒处基本没有热损失。总之:小型机用汽油实际效率突破40%很轻松,如果有合适的绝热耐磨材料、压缩比稍微高些,突破50 %无压力,大型机应该可以达到60 %以上。
[0014]运转平稳,这是结构决定的,可以提供舒适的驾驶环境。
[0015]安静,甚至无需消音器,这个也可以提高效率,这是因为是连续燃烧,尾气近I个大气压排放无爆音,滑片受轨道控制所以无撞击。
[0016]尾气排放好,污染低,无需尾气处理装置,这是因为采用过量空气在燃烧室燃烧,基本没有一氧化碳、碳氢化合物,并且典型工作温度低于1600°C情况下,产生的氮氧化物很少,如果追求高效率采用高温高压,尾气中有一定的氮氧化物,需要尾气处理。
[0017]低速时扭矩就可以很大,功率爆发力更强,可以迅速提升速度,方便启动、超车,这主要是因为结构特点和过量空气系数在正常运行时远大于I,同转速下爆发功率大,柴油机低速时扭矩就大、功率爆发力强的原因也是因为过量空气系数大。
[0018]高功率容积,升功率大,高功率比重,可以小型化、生产成本比现有活塞发动机低,因为它是简单循环的简易结构,对于飞机、坦克等对体积、重量敏感的动力场所都适用。
[0019]发动机转速范围宽而且高效率的工作区域比现有发动机要宽广,宽发动机转速是结构特点导致的,高效率的工作区域比现有发动机要宽广是因为在很宽广的工作区域内都能燃烧完全、热损失低、摩擦变化不大。
[0020]冬天暖气来热快,原因是直接利用了尾气加热,换热器总水量也低,启动时优先通过水汽分离室液态水回流阀可以将二三级换热器热水循环回流一级换热器并传递给暖气系统。
[0021]对于功率需求变化大的工况,如货车低功率工况可以轻易真正“停缸”,让部分转子停止转动、停止供油,这个也可以降低油耗。
[0022]可靠耐久,损耗件主要是组合密封片,损耗后有自补偿特点,即使损耗到不能完全密封,稍有泄漏,也相当于高效率燃气轮机,因为它有多个滑片分隔膨胀室为多个小的独立膨胀室,燃气从高一级压力的小独立膨胀室少量泄漏到下一级小独立膨胀室,整体能量损失非常有限,哪怕是产生了 “魔鬼的爪痕”也还能高效率的运行,如果是其他机器非大修不可,所以即使磨损比活塞发动机快很多,但是寿命也比活塞发动机长。
[0023]易生产易维护,因为没有多少高精密的调校。
[0024]具有可变压缩比,这个是因为压缩室部分的定子曲面是类似渐开线的曲面,压缩室出气是开放出气所自然具备的,其最小压缩比是压缩时进气口处第一个空间滑片刚要封闭时的临界体积与压缩室出口处滑片要滑离压缩室时临界体积之比,这个是典型工况的压缩比,运行最平稳,其余压缩比都有一定的回流,压缩比越大,回流脉动越厉害,解决回流的一种方法是将压缩室出口处加一个单向止回叶片,使出气口变为半开放式,压缩比升高后燃料不在等量供应,为脉冲供应。
[0025]部分产品具有可变膨胀比,这是因为少部分产品膨胀室靠近排气口的定子的末端设计成可以移动的形式,提高更多工况的效率。
【附图说明】
[0026]下面结合附图对本发明进一步说明,各图仅仅示意原理,尺寸与比例与实际并不相符。
[0027]图1是本发明原理结构示意图。
[0028]图2是本发明的纵剖面原理结构示意图。[〇〇29]图3是本发明的几种热力学典型运行情况PV原理图。
[0030]图4是本发明的滑片与侧盖的密封示意图。
[0031]图5是本发明的滑片与定子密封示意图。
[0032]图6是本发明将基本做功系统中空气逐渐压缩室、燃烧后热混合气做工的逐渐膨胀室分别独立成空气压缩机、滑片燃气轮机的另一实施例示意图。[〇〇33]图7是本发明余热利用过程框图。[〇〇34]图8是本发明燃烧室原理结构示意图。
[0035]图9是本发明油辊、密封辊驱动部分局部原理结构示意图。[〇〇36]图10是本发明采用块煤块作燃料的另一个超大型实施例的燃烧室简易结构原理示意图。[〇〇37]图11是本发明采用煤粉作燃料的另一个超大型实施例的燃烧室简易结构原理示意图。
[0038]图中:1.定子,101.对膨胀室定子冷却的蒸汽通道,没有余热利用系统的可作为压缩空气预热通道,102.对压缩室定子冷却的温水通道,2.转子,201.转子上的联通滑片槽的环槽,202.转子上的滑片槽,3.转子轴,301.转子轴油封,302.转子轴轴承,4.转子盖,41.转子盖润滑油出油孔,42.转子盖润滑油通道,43.转子盖油气密封环,5.滑片总成,51.滑片与定子密封,52.带有波纹簧的滑片与转子的密封,53.滑片与转子间的支架轴套轴承,54.在侧盖轴承导轨槽中运动的控制滑片升缩的轴承,55.滑片与侧盖的密封,551.滑片与侧盖的密封的防止密封片离开滑片的限位卡,552.滑片与侧盖的密封有被滑片挡住的防止密封片与定子摩擦的限位缺口,56.排量比较大的发动机的滑片减重孔,57.滑片绝热涂层,58.滑片绝热涂层防脱落梯形槽,59.弧形卡簧(滑片中的用螺旋簧示意),6.侧盖,61.侧盖上的控制滑片升缩运动的轴承导轨槽,62.侧盖上的润滑油进油口,63.侧盖上的润滑油出油口, 64.侧盖上的连通定子上的蒸汽通道的V字型侧盖散热联通槽,65.侧盖上的连通定子上的余热利用温水通道的联通槽,7.燃烧室,71.减少气流冲击的导流块,72.有余热利用系统的是蒸汽出气口,73.导流管内有保护涂层,74.密封垫,75.旋流器,76.火焰管头部,77.多孔气膜降温结构火焰管管身,78.火焰管管身上的射流孔,79.燃气导流管,8.进气口,81.空气滤清器,9.排气口,10.多点燃料进口喷嘴以及点火器,11.油滤清器、滤网、润滑油栗,12.润滑油油管,13.余热利用中的对润滑油冷却的换热器,14.对滑片与定子密封的组合密封片润滑的单独润滑机构的润滑油微型油栗与油箱,141.润滑油油辊,兼密封,142.润滑油油孔,143.隔离密封辊及密封片,144.油辊、密封辊轴承,145.油辊、密封辊密封油气环及密封弹簧,146.跟转子盖齿合的油辊、密封辊驱动齿轮,15.接水箱的进水管,16.水管,17.栗前对经过二级换热器的尾气再利用的产生小于l〇〇°C热水的一级换热器及暖气换热器,18.高压水栗,19.对经过三级换热器的尾气再利用的产生大于100°C热水的二级换热器,20.尾气余热利用产生蒸气的三级换热器,21.对膨胀室定子冷却的水汽通道,22.水汽分离室,221.排污阀,23.回水阀,24.液态水传感器、温度传感器,25.液态水传感器,26.电磁气门阀,27.部分产品定子怠速、小功率时移开段,28.部分产品定子高功率时加入段,29.空气压缩机, 30.滑片燃气轮机,31.气体流动方向,32.侧面去除煤矸石的平衡变压室(图中没有)中的可以移动的点火器兼功率调节器,33.粉尘滤网,34.煤粉收集管及气粉进入燃烧室的出口,35.燃烧床,36.煤块或煤粉,37.顶部平衡变压室,38补煤室,39.实现空气燃料比调节、功率调节的地方,40.旋流补燃器。
[0039]图3中AB⑶为正常功率输出时运行情况,AB段是绝热压缩,系统做负功,BC段燃料燃烧气体等压吸热膨胀,系统做等压膨胀正功,CD段绝热膨胀,系统做绝热膨胀正功,DA段为开放排气;ABC3D3E3F3G3为怠速或小功率运行情况,同样AB段是绝热压缩,系统做负功,BC3段为绝热膨胀,理论应该与AB段中的ACo重合,ACo段消耗的能量与BC3段放出能量相等,实际中由于热损失等原因导致比直接压缩到这个压强体积略小,做了负功,产生BC3段绝热膨胀的原因是由于燃料少,发热不多,膨胀室不足维持B点压力,C3D3段燃料燃烧气体吸热膨胀,系统做等压膨胀正功,D3E3F3段为绝热膨胀,系统做正功,由于燃料少,发热不多,膨胀结束时压力小于大气压,E3F3部分做负功,部分产品可以通过移开定子的部分(图中27),去除做负功的E3F3部分,提高效率,F3G3A段为开放排气;AB2C2D2E2为大功率输出时的运行情况,由于本发明本身自然具有可变压缩比,所以在一定范围内增加燃料时,压缩比提高,压力提高,温度提高,效率也提高,但动力有脉动,压缩空气进气口可以改为防止气体回流的半开放压开式止回单向出气口,燃烧室中总体上还是燃料燃烧气体等压吸热膨胀,其中AB2段是绝热压缩,系统做负功,B2C2段燃料燃烧气体等压吸热膨胀,系统做正功,C2D2段绝热膨胀,系统做正功,D2E2A段为开放排气,D2E2浪费部分能量,所以部分产品可以通过增加定子的部分(图中28),实现可变膨胀比,适当补偿损失的D2F2E2部分能量,形成AB2C2D2F2E2A完美循环。
【具体实施方式】
[0040]图中,定子(I)、转子(2)、转子轴(3)、转子盖(4)、滑片总成(5)、侧盖(6)、燃烧室
(7)等组成基本做功系统。开有滑片槽(202)的带有滑片总成(5)的圆柱形转子(2)安装在带有花键的转子轴(3)上,转子上的安装花键轴轴孔的中部有让滑片槽中气液自由流通的联通滑片槽的环槽(201),避免滑片在滑片槽中升缩时压缩气体,浪费能量;转子(2)用转子盖
(4)进行结构加强,组成转子总成;转子盖(4)上有用于转子(3)与侧盖(6)之间密封的与活塞环一样的油气密封环(43),一侧转子盖(4)上还有与滑片(5)数目相等的润滑油通道(42),另一侧的转子盖(4)上有相对应数目的润滑油出油孔(41);侧盖(6)把转子(2)、转子轴(3)、转子盖(4)、滑片总成(5)等组成的转子总成与定子(1)、燃烧室(7)固定到一起,侧盖
(6)上带有转子轴轴承窝、控制滑片总成在转子上升缩的轴承导轨槽(61)、润滑油进油口
(62)、润滑油出油口(63)、余热利用系统连通定子(I)上的蒸汽通道(101)的V字型侧盖散热联通槽(64,散热联通槽用V字型是为了好生产)、连通定子上的余热利用温水通道(102)的联通槽(65);定子(1)、转子(2)、侧盖(6)把内部分成两个空间,一个是空气逐渐压缩室,一个是燃烧后热混合气做工的逐渐膨胀室,膨胀室与压缩室的体积比很关键,具体比值根据压缩结束的温度与燃烧后燃气温度、燃气分子个数增加比例、余热利用水蒸气分子个数比例和温度等确定,例如在6个压缩比,压缩终了典型温度为600K,环保温度燃烧后含余热利用的水蒸气的平均温度为1800K,分子个数增加含余热产生的水蒸气一共增加10%,那么根据PV = nRT,体积比大约是3.3倍,对于膨胀室定子不变的就选择最高工作频率工作时间的压缩比作为膨胀比,实际由于热损失等应该比3.3略低些;定子(I)上的进气口(8)、燃烧室高温燃气出气口(膨胀室进气口)、尾气排气口(9)为开放式开口,简易型的发动机压缩空气出气口为开放式开口,在压缩比变高时有回流现象,浪费能量,动力有一些脉冲,设计成压开式半开放止回单向出气口,可以降低脉冲,防止气体回流;不同于以往的是定子(1)不是圆形或椭圆曲面的设计,压缩室、膨胀室部分的定子(1)曲面都是类似渐开线的曲面,这个设计配合数量较多的滑片能有效降低材料要求并提高了效率,另外少部分高端产品膨胀室靠近排气口的定子的末端可以设计成可以移动的形式,改变膨胀比,低给油时移开,减少膨胀室容积,减少膨胀比,大给油高压缩比时移近,增大膨胀室终了体积,增大膨胀比,让最终排气压力接近大气压,提高效率;由于不再是圆形或椭圆曲面的设计,所以可以把定子(1) 分成4块制造:定子的压缩室部分、定子的膨胀室部分、定子的进气口排气口分隔及独立润滑部分、定子的燃烧室内分隔部分,降低了制造难度,定子(1)、侧盖与滑片密封接触的部位镀高硬耐磨金属;滑片总成(5)由滑片(5)、轴承(54)、组合密封片(51、52)组成,其中轴承 (54)在侧盖(6)上的轴承导轨槽(61)要保证转子(2)旋转时滑片(5)与定子(1)曲面非常接近,但不接触,再通过组合密封片(51)旋转产生的向心力保持与定子(1)低压力低摩擦密合,同时在转子(2)内部运用支架轴套轴承(53)组降低滑片(5)与转子(2)摩擦,支架轴套轴承(53)的两端支架略大或改变形状,用于自身限位,转子的支架轴套轴承(53)槽兼做润滑油通道,滑片与侧盖的密封(55)有防止密封片离位的限位卡(551)和防止密封片与定子(1) 摩擦的限位缺口(552),并用弧形卡簧(59)保持密封片与侧盖(6)密封,滑片与转子的密封通过带有波纹簧的滑片与转子的密封(52)进行油气密封,排量比较大的发动机的滑片上有减重孔(56)并封闭,表面有绝热涂层防脱落梯形槽(58)和绝热涂层(57);燃烧室(7)火焰管 (77)内部有绝热涂层,导流管有保护涂层(73 ),内有1到3个燃烧器,外接多点燃料进口、点火器(1 〇),燃烧室内燃气出口附近定子(1)上还有余热利用蒸汽出气口(72),减少气流冲击的导流块(71),燃烧器的有关闭部分燃料进口的控制单元,多燃烧器的有联焰结构,燃烧室的设计关乎氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物等尾气排放,还关乎燃烧室寿命等,图8是一种简易燃烧室设计,通过旋流器(75)、火焰管头部(76)、多孔气膜降温结构火焰管管身(77)、 火焰管管身上的射流孔(78)、燃气导流管(79)让燃料与空气充分混合燃烧,具体设计可以参考燃气轮机的燃烧室设计进行简化,并经过实践验证;润滑系统包括机油滤清器、滤网、 润滑油栗(11)、油管(12)、机油喷管、转子侧盖等部位的油道、余热利用中的初级换热器、传感器、控制系统等转子的圆柱型曲面内的润滑系统和对滑片与定子密封的组合密封片润滑的单独润滑机构(14),润滑油栗采用备用栗冗余设计,圆柱型曲面内的润滑系统中,润滑油从润滑油从进口(62)沿着侧盖(6)与转子(2)间的空隙,部分从滑片槽(202),部分从滑片 (5)与转子内部的支架轴套轴承(53)槽,另一部分从与滑片(5)数目相等的转子盖(4)上的润滑油通道(42)、转子内靠近圆柱面的支架轴套轴承(53)槽、另一侧的转子盖润滑油出油孔(41)等流向另一侧盖出油口(63),对运动件与密封件润滑降温;对滑片与定子密封的组合密封片润滑的单独润滑机构(14)中,通过隔离密封辊及密封片(143)隔离高温尾气,并通过耐高温的高温橡塑润滑油油辊(141)适量补充润滑油,兼密封,密封辊、油辊通过驱动齿轮(146)跟转子盖(4)齿合驱动,并用油气密封环(145)与侧盖(6)密封;燃料供应控制系统根据产品分档不同分别利用三通阀或电磁阀、四通阀或电磁阀、不同的油气栗等设计液体燃料和气体燃料单相或多相切换,并设计相应的喷头;余热分级利用系统中,所有管路、换热器的内径都比较小,减少系统存水量,图中的余热利用结构仅作为过程示意,不是真实结构,图中过程是主要考虑提高蒸汽温度、适当提高定子温度,提高燃气、蒸汽效率,如果定子材料在较高温度下性能明显下降,那么对定子的散热(余热利用)的位置调到水栗后面(二级换热前面),还不行就调到水栗前,水箱、对润滑油冷却的换热器(13)、一级换热器及暖气换热器(17)、对膨胀室定子冷却的蒸汽通道(101)、对燃烧室外壳冷却的蒸汽通道等部位均设有温度传感器,如果水箱温度低于O0C,则水栗暂时停止工作,润滑油温度高了就对润滑油冷却的换热器(13)与水箱换水散热,水箱水温上升后用风扇主动散热,冬天刚启动时一级换热器及暖气换热器(17)温度低则适当打开回水阀(23)让二三级换热器(19、20)热水加快暖气供应,对膨胀室定子冷却的蒸汽通道(101)温度高则水栗增加供水等;冗余设计的高压水栗有是否正常工作的传感器,产生蒸气的三级换热器(20)、水汽分离室(22)均设有液位传感器和温度传感器,水汽分离室有控制气液通行控制阀(23、26)和排污阀(221),其中产生蒸气的三级换热器(20)采用沟槽式热管结构,让气液有各自通道,尾气管路与水管并行,并通过水箱,寒冷天气用尾气余热解冻。冬天取暖的暖气取暖管路与栗前的一级换热器的管道并行,利用管壁热传导提高暖气取暖功率,刚启动时可以通过水汽分离室(22)的回水阀(23)先行利用二、三级换热器吸收的余热,加快取暖效果,如果不采用余热利用系统的,暖气运行方式与传统类似。
[0041]图6是本发明的另一实施例,将基本做功系统中空气逐渐压缩室、燃烧后热混合气做工的逐渐膨胀室分别独立成空气压缩机、滑片燃气轮机的示意图,优点是侧盖(6)上的控制滑片总成在转子上升缩的轴承导轨槽(61)更加平滑,可以提供更高的转速,以适应航模、无人机、直升机等高转速动力需求。
[0042]图10是本发明采用块煤作燃料的另一个超大型实施例的燃烧室简易结构原理示意图,是通过平衡变压室实现间断添加燃煤、清除煤矸石。侧面去除煤矸石的平衡变压室(没有画出)中的可以移动的点火器兼功率调节器(32)用于点火或补充煤块前后功率不足时功率补充,正常运行时收入侧面平衡室,减少气阻,侧面平衡变压室是另一个功能是勾除煤矸石;粉尘滤网(33)进气口网眼小,出气口网眼能让小颗粒通过,燃烧床(35)下面细小的用于掉落的小煤块燃烧,燃烧床(35)上面用于支撑大煤块;顶部平衡变压室(37)用于不停机不泄压补充燃煤,平衡变压室顶部、底部承压板在同一时间内其中的一个可以抽离,让煤落入下一层,承压板有多重密封;空气燃料比调节、功率调节阀(39)打开时压缩空气大部分从气阻小的燃烧室顶部流过,与煤反应的空气减少,功率减小,可以调节空燃比、减少一氧化碳的产生,并可以调节功率;旋流补燃器(40)让局部不完全燃烧产生的一氧化碳与空气混合继续反应,提高效率,减少排放。图11是本发明采用煤粉作燃料的另一个超大型实施例的燃烧室简易结构原理示意图,顶部平衡变压室(37)用于补充燃煤,平衡变压室顶部、底部承压板同一时间内其中的一个可以抽离,让煤落入下一层,承压板有多重密封;煤粉仓中的余热利用系统的蒸汽出气口(72)是利用蒸汽喷出的多少调节被冲起的煤粉多少,达到空气燃料比调节、功率调节(39)的目的,其余蒸汽从导流器79旁的出口进入膨胀室,煤粉收集管及气粉进入燃烧室的出口(34)收集被蒸汽冲起的煤粉并送入燃烧室与空气混合燃烧,煤粉收集管及气粉进入燃烧室的出口( 34)的入口有防止粉团通过的滤网,启动时余热利用系统的蒸汽出气口(72)先利用其它压缩气体冲起煤粉,并利用多点燃料进口喷嘴以及点火器
(10)点火。余热利用系统可以让蒸汽进入滑片转子发动机,也可以单独推动汽轮机或单独的滑片转子发动机。余热利用后的尾气用先用CaCO3粉浆初次喷洗,清除粉尘和大部分的SO2、NOx,再用Na2CO3溶液二次喷洗,清除SO2、NOx,或采用其他更专业方法处理。由于燃烧后煤灰等直接进入膨胀室,所以润滑不佳,磨损严重,为了减少磨损后漏气损失,滑片数量比正常还要多。
【主权项】
1.燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,由基本做功系统、润滑系统、燃料供 应系统、启动点火系统、控制系统等组成,其特征是:有独立的燃烧室;进气口、高温燃气进 气口、尾气排气口为全开放式,压缩空气出气口为全开放式或半开放式;滑片数量众多,带 有组合密封片;滑片总成在转子上升缩由侧盖上的轴承导轨槽控制,控制滑片与定子曲面 非常接近但不接触,再通过组合密封片向心力保持与定子低摩擦密合;滑片与侧盖的密封 通过弧形卡簧与密封片密合;压缩室、膨胀室部分的定子曲面都是类似渐开线的曲面;部分 产品膨胀室靠近排气口的定子的末端可以设计成可以移动的形式,改变膨胀比;部分产品 带有余热制取蒸汽并回膨胀室做功的余热利用系统;润滑系统包括转子圆柱面以内的润滑 系统和对滑片的组合密封片润滑的单独润滑机构;燃料供应控制系统有不同液体燃料和气 体燃料单相或多相的切换结构,燃烧室有多燃烧器的具有停供部分燃料的结构;部分有余 热分级利用的暖气取暖管路与一级换热器的管道并行,利用管壁热传导提高暖气取暖功 率,刚启动时可以通过水汽分离室回水阀和电磁气门阀先行利用二、三级换热器吸收的余 热,加快取暖效果。2.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:一 体的基本做功系统的压缩空气部分和膨胀做功部分被独立的做成空气压缩机和滑片转子 燃气轮机,并通过燃烧室连接起来。3.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:压 缩室、膨胀室部分的定子曲面都是类似渐开线的曲面。4.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:膨 胀室体积是压缩室体积的几倍,具体倍数根据发动机典型工作状态时压缩结束的温度、分 子个数与燃烧后燃气温度、燃气分子个数含余热利用增加的水蒸气分子个数利用PV = nRT 确定。5.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:膨 胀室靠近排气口的定子的末端可以设计成可以移动的形式,改变膨胀比。6.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:产 品带有分级余热利用制取蒸汽并回膨胀室做功的余热利用系统,它是热力学理论效率高于 卡诺循环的燃气-蒸汽联合循环。7.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:有 余热分级利用的发动机,暖气取暖管路与一级换热器的管道并行,利用管壁热传导提高暖 气取暖功率,刚启动时可以通过水汽分离室回水阀和电磁气门阀先行利用二、三级换热器 吸收的余热,加快取暖效果。8.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:滑 片总成在转子上升缩由侧盖上的轴承导轨槽控制,控制滑片与定子曲面非常接近但不接 触,再通过组合密封片向心力保持与定子低摩擦密合。9.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:滑 片与侧盖的密封通过弧形卡簧与密封片密合,滑片与侧盖的密封有防止密封片离开滑片的 限位卡和被滑片挡住防止密封片与定子发生摩擦的限位缺口。10.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:润 滑系统包括转子圆柱面以内的润滑系统和对滑片的组合密封片润滑的单独润滑机构。11.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:对滑片的组合密封片润滑的单独润滑机构采用油箱与润滑油微型油栗、兼密封的润滑油油辊、隔离密封辊及密封片对转子实施滚动密封与润滑油补充,油辊、密封辊用驱动齿轮与转子盖齿合驱动,用油气密封环与侧盖密封。12.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:滑片与转子有带有波纹簧的滑片与转子的密封,并用滑片与转子间的支架轴套轴承降低摩擦。13.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:进气口、高温燃气进气口、尾气排气口为全开放式,压缩空气出气口为全开放式或半开放式。14.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:有对不同液体燃料和气体燃料单相或多相的切换结构的发动机,燃料供应控制系统有利用三通阀或电磁阀、四通阀或电磁阀、不同的油气栗等结构对不同液体燃料和气体燃料单相或多相的切换结构,燃烧室具有停供部分喷嘴燃料的结构。15.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:定子、侧盖与滑片密封接触的部位镀高硬耐磨金属。16.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:当滑片表面、转子表面、火焰管内表面有绝热涂层时,它们表面有绝热涂层防脱落梯形槽。17.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:排量比较大的发动机的滑片上有减重孔并封闭。18.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:运用转子盖对开有滑片槽的转子用进行结构加强,并运用转子盖上的油气密封环密封转子与侦m,一侧转子盖有与滑片数目相等的润滑油通道,另一侧转子盖有与滑片数目相等润滑油出油孔。19.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:转子上的安装花键轴的轴孔中部有让滑片槽中气液自由流通的联通滑片槽的环槽。20.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:燃烧室兼具导流器作用,燃烧室内的定子部分有减少气流冲击的导流块,还有蒸汽进入膨胀室的出气口,让高温燃气处于处于相对较冷的余热利用产生的水蒸气之间,减少热损失与燃气冲蚀。21.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:燃料栗、润滑油栗、水栗等关键部位采用冗余设计。22.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:发动机能够使用煤块:通过顶部平衡变压室间断补充燃煤;通过侧面平衡变压室勾除煤矸石;通过点火器兼功率调节器点火并对补充煤块前后功率不足时功率补充;通过空气燃料比调节、功率调节阀调节空燃比、减少一氧化碳的产生、调节功率;通过旋流补燃器让局部不完全燃烧产生的一氧化碳与空气混合继续反应;余热利用的蒸汽可以进入滑片转子发动机,也可以单独推动汽轮机或单独的滑片转子发动机,有尾气处理系统。23.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环等压变容滑片转子发动机,其特征是:发动机能够使用煤粉:通过顶部平衡变压室间断补充燃煤;通过点火器点火;通过煤粉仓中的余热利用系统的蒸汽出口喷出蒸汽的多少调节被冲起的煤粉多少,达到空气燃料比调节、 功率调节目的;余热利用的蒸汽可以进入滑片转子发动机,也可以单独推动汽轮机或单独 的滑片转子发动机,有尾气处理系统。
【文档编号】F02B55/14GK105952526SQ201610237447
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月10日
【发明人】钱百成
【申请人】钱百成
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