专利名称：开式循环内燃机的制作方法
技术领域：
本发明是一种改进的Brayton或开式循环(opencycle)型内燃机。 开式循环发动机可以被定义为一种内燃机，其中，当燃料被与压縮空 气混合吋，空气的压縮和燃料的燃烧连续发生。
产生轴功率的喷气涡轮发动机最可以代表现有技术的开式循环发 动机。这种类型的发动机被称为涡轴发动机，且被典型地用于供给直 升机和较大的固定翼飞机动力，因为它们有效率、重量轻，燃烧清洁， 具有多燃料性能，且旋转平稳而没有往复移动零件。
背景技术：
尽管具有上述特征，但通常涡轴发动机不被普遍用于在公共运输， 例如船舶、电车、卡车中提供动力。这主要是因为涡轴发动机制造上 很昂贵，可能高达相同马力的往复移动式发动机价格的十倍。另外， 涡轴发动机不能很快地改变它的转速。这是因为转动构件被以最小的 功率驱动。遗憾的是，热气体的高速度会由于摩擦和湍流导致主要能 量损失，且寄生摩擦损失通常随速度的平方增加。
因为气体必须以非常高的速度冲击初始列涡轮叶片，以提供叶片 最大的动能作用力，所以需要上述的近声速的气体速度。随后的叶片 列利用可以与机翼上方流动的空气产生的升程相比的反作用力产生动 力。这些叶片列在热气体中也需要高速度。冲击力和反作用力都随热 气体速度的增加而大大增加。因为这个原因，涡轮发动机被设计使用 尽可能高的气体速度-仅低于会导致有害声冲击波形成的速度。此 外，由于这些高气体速度引起的湍流和寄生阻力会有大量的能量损失。而且，在涡轮形式的动力部分中，由很高的气体速度和从叶片到 叶片的热气体导引引起的巨大湍流导致热量相当多地传递到动力部分 的零件上，这就需要它们由外来的、高温材料制造而成，以具有足够 的强度。
相反，本发明的改进的开式循环内燃机不使用涡轮动力部分。本 发明利用热气体对受限的旋转叶片的压力产生动力，因此不需要涡轮 所需的超高气速，本发明的动力部分中的热气体速度较低，当与涡轴 发动机相比时，提供了寄生阻力的很大降低，使操作更经济实惠。热 气体速度被降低且不存在叶片对叶片的导引作用提供了涡流的减少， 这也降低了从热气体到动力部分的金属零件上的热传递，提供了对外 来高温材料需求的巨大减少。
在本发明中，通过利用单一有效的反向旋转的转子系统提取动力， 而不是利用在涡轴发动机中发现的涡轮提取动力，热气体速度的降低 成为可能。在循环的动力产生部分期间，此双转子系统提供了对燃烧 的热气体的本质上的正压封装。相比来说，通过涡轮式的动力部分的 叶片气体流动相对自由，当它们被在叶片到叶片导引时，在湍流和阻 力中损失有用能。本发明的旋转动力主要通过热气体对受限的旋转叶 片表面的压力，而不是通过在涡轮中使用的动学的和反作用力产生。 这消除了对具有合成高能量损失和热传递的超高速气速的需要。
本发明利用由任意的大量不同燃料产生的热的、被加压的燃烧气 体施加压力到在被严密限制的箱内转动的反向-旋转转子上的叶片突 起表面上。与压力被施加于其上的这些表面相反的叶片表面通过排出 口与大气气体连通，且合成压差提供作用力旋转转子。
与在涡轮动力部分内发现的大量的导向改变相比反，在本发明的 动力部分中，热气体改变方向平稳且不频繁。气体运动的这种容易性 提供了阻力和湍流的被减少的量，且有助于提供高于涡轴发动机明显 提高的效率。
如前面所提到的，涡轴发动机只能在非常高的成本下才能获得， 这限制了其在军用和商用飞机、军用运输例如坦克和舰船、和大型电 厂中的使用，而在这些地方，获取费用和重建的供应在争论中不太多。除了在涡轴发动机内需要的外来材料的高成本之外，由于涡轴发动机的高转速也招致了额外的成本，这需要特殊的轴承和润滑系统，在制造中不允许有误差。
相反，本发明的动力部分具有相对较低的转速，减少了对特殊轴承和润滑系统的需求。另外地，在与涡轴发动机相比时，低转速呈现的低惯性矩允许速度的改变被更容易和快速地实现。如在涡轴发动机中一样，本发明中的速度改变是通过减少被计量进入到发动机内的燃
料的量实现的。当需要转速极快速地改变时，额外的进气节流可以被实行。
本发明结构简单，对外来金属需求很少。这些特征帮助使其比涡轮发动机的制造更便宜得多，且因为它具有很少运动零件，它也可以比往复移动式发动机的制造大大便宜。设计中固有的低制造成本连同其空前的效率使其得到了在汽车(特别是混合型汽车)、船舶、火车、飞机、发电机中广泛应用的机会，和在其中简单、成本低、效率高、燃烧清洁、多燃料的发动机可以使用的其它用途。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种开式循环内燃机，其具有高于现有技术的开式循环发动机的被增加了的燃料效率，并减少排放和降低运行成本。
本发明的另一目的是提供一种开式循环内燃机，其比现有技术的开式循环发动机制造更简单，使制造更容易，并降低了购置成本。
本发明的另一目是提供一种开式循环内燃机，其中，与现有技术中的开式循环发动机相比，传递到动力部分零件上的热量更少，降低了对外来、耐热金属的需要和它们伴随的制造复杂性和成本。
本发明的另一目的是提供一种通用的开式循环内燃机，其能够在广泛不同的燃料下清洁、高效和安全地运行。
这些和其它目的在本发明中得以实现了，其从燃烧的热气体的压力中提取动力。热气体的压力被施加于叶片的表面上，叶片与反向旋转的转子是一体的或被刚性连接到其上面，转子在被紧密限制的箱内旋转。使用受限的旋转转子提供动力允许热气体相对于动力部分金属 零件的速度，当与涡轮动力部分相比时，的很大程度上的降低。这个 速度的降低大大减小了阻力，其中阻力是速度的平方积，这相当大程 度上提高了效率。较低的气体速度也会使得传递到动力部分金属零件 上的热量更少，这表示为热传递方程式中的膜层散热系数更低。此方 程式显示降低热气体的速度会导致传递给相邻零件的热量大大减少。 降低热传递的量减少或消除了对外来耐热金属的需要和它们伴随的制 造成本。
在气体被通过排气口释放到大气中的循环部分期间，由于热气体 的膨胀和合成冷却，本发明的动力部分中零件的额外冷却发生了。与 这些膨胀气体气流连通的叶片和转子的部分被膨胀气体提供冷却。相 比来说，蜗轴发动机的蜗轮零件则被持续暴露在高速热气体中，而对 膨胀气体被归因于的涡轮零件却很少冷却。
图1和1A示出了本发明的开式循环内燃机的优选实施例的剖视 图。齿轮驱动的离心式空气压縮机1通过压縮空气导管2提供压縮空 气到高压腔4内，以允许通过燃烧器内衬9，在燃烧器内衬9内，压 縮空气被与燃料混合并点燃，这样，燃烧就发生了。离心式空气压缩 机由于其高效性在此实施例中被使用。但空气压縮机的其它类型，包 括从本发明的燃烧气体中提取动力的机构的实施例，也可以被使用。 在压缩空气和燃料点燃后，产生的燃烧热气体提供压力给两个反向旋 转转子13的整体空心叶片19，这两个反向旋转转子13具有在转子箱 3内以1: 1的传动比反向旋转的整体叶片从动腔16。
压縮机1还通过转子轴导管34提供冷却用排放空气给空心转子轴 21以冷却转子和叶片。转子齿轮28保证了这两个转子以相同的速度 反向旋转，这样，空心叶片19的末端和相邻表面可以以相当高的精度 跟随叶片从动腔16的表面轮廓。空心叶片19表面与叶片从动腔16 表面之间的密闭邻接防止了燃烧气体，在空心叶片的表面跟随叶片从 动腔表面的循环部分期间，在所述表面之间任何大量的泄漏。在循环
8的剩余部分期间，通过转子外径表面的密闭邻接，燃烧气体被相当大
程度上防止了从到转子13之间流走。转子的侧面31和转子箱3侧面 的内表面之间的泄漏也通过所述表面的密闭邻接而被相当大程度上防 止了。空心叶片19的末端和转子箱3的内轮廓9之间热气体的泄漏也 通过它们表面的密闭邻接被相当大程度上防止了 。迷宫式或其它形式 的密封可以增加一些其中热气体泄漏可能发生的密闭邻接区域。动力 可以从被连接到转子轴21上的驱动齿轮29获得。
图2示出了具有反向旋转的转子13和11的本发明的另一实施例 的剖视图。其具有固定连接到转子13上的实心转子叶片12。叶片从 动转子11包含叶片从动腔16并以2: 1的传动比通过齿轮连接到转子 13上，转子13以两倍于转子13的速度驱动叶片从动转子11。通过叶 片从动转子11和叶片从动转子箱轮廓22之间许用公差内的密闭邻接， 燃烧的热气体被相当大程度上防止了在这两者之间的泄漏。另外，迷 宫式或其它形式的密封可以增加一些其中热气体泄漏可能发生的密用 邻接区域。在本实施例中具有一个叶片从动腔，但其它实施例可以提 供具有两个或多个叶片从动腔的叶片从动转子，且可以以除2: 1的速 度比之外的速度比被驱动，以允许叶片从动腔跟随一个转子叶片或多 个叶片合作。在本实施例中，转子叶片12不被制成空心以进行冷却， 而是通过传导到转子13的材料中被冷却。通过提供转子腔IO冷却液， 转子的材料被依次冷却，冷却液可以是通过侧箱上的冷却导管15的液 体或气体。叶片从动转子11也可以被制成空心以进行冷却。
图3示出了本发明的另一实施例的剖视图，两个转子13具有整体 的叶片从动腔16。如图2中所示，转子叶片12不被制成空心以进行 冷却，相反通过传导到转子13的材料中和通过热气体在叶片低压侧膨 胀而被冷却。转子13被制成空心，以使被通过发动机壳体侧面上的冷 却导管15引入的冷却液可以通过转子腔10。
在本实施例中，用于燃烧的压縮空气被由从排气导管14的剩余热 气体提供动力的蜗轮增压器37提供。本实施例中的涡轮增压器是具有 离心式压縮机的径向输入型，但其它类型的蜗轮增压器或压縮机也可 用被使用。
具体实施例方式
图1和1A示出了本发明的开式循环内燃机的优选实施例的剖视 图。图1的剖面是从通过转子13、燃烧器内衬9和高压强4中点的线 剖开获得的。在图1A中示出的转子轴活塞23在此视图中没有被描述 出来。图1A的剖面是从通过空心转子轴的中心纵向剖开得到的。
在工作中
由其中一个转子轴21上的驱动齿轮29驱动的离心式压缩机1迫 使压缩空气通过压縮空气导管2并进入高压腔4。高压腔4将压縮空 气传递给燃烧器护罩8，其再将压縮空气传导给涡旋式喷嘴7和燃烧 器内衬9。燃料被提供燃料计量喷嘴6引入燃烧区域，喷嘴6由传统 设计的燃料计量泵供给，其在图中没有被示出。涡旋式喷嘴制造湍流 以均匀混合压縮空气和可以是液体、固体颗粒物或气体的燃料。
燃料-空气混合物在燃烧腔内衬内被点火器5点燃，且被与通过空 气计量孔30进入燃烧器内衬的压縮空气进一步混合。引起的燃烧膨胀 的热气体提供压力给与转子13是一体的空心叶片19，转子13反向旋 转，即使在载荷的作用下速度也足够快以允许燃烧内衬内充足的燃烧 压力被释放，保证燃烧器内衬内的压力始终稍低于内衬外压縮空气的 压力，这样，燃烧气体不会通过计量孔30向后排放。
在本实施例中，直径相同的转子13，由于固定连接到转子轴21 上的一对转子齿轮28的作用，以l: l的精确传动比反向旋转。在图 1中，转子在箭头所示出的方向内围绕描述燃烧气体的转子圆周旋转。 通过叶片19的表面和叶片从动腔16表面的密闭邻接，在它们邻接的 旋转部分期间，加压热气体被相当大程度上防止了在叶片19和叶片从 动腔之间16泄漏。除被示出的那些之外的叶片和叶片从动腔的形状也 可以是很有用的，只要在叶片略过叶片从动腔的循环的部分期间叶片 和叶片从动腔的表面保持邻接。在循环期间的任何其它时候，通过转 子13外径的密闭邻接，气体被相当大程度上防止了在转子之间的泄 漏。
通过叶片19的末端和内部发动机箱轮廓35的密闭邻接，加压热
10气体被相当大程度上防止了在所述零件之间的泄漏。通过转子的侧面
31和发动机箱3内侧的密闭邻接，加压热气体也被相当大程度上防止 了在所述零件之间的泄漏。在本实施例中，为了制造容易，转子的侧 面31和发动机箱的侧面3的侧面二者的表面被描述为平面，同时提供 更轻的重量，所述转子和发动机箱的侧面也可以分别是凸的和凹的， 反之亦然，这样，发动机箱的侧面可以提供更高的强度以抵抗热气体 的压力，同时重量更轻了。迷宫式或其它形式的密封可以被用于任意 或所有邻接的区域，以提供燃烧气体泄漏的额外密封。
转子轴21被转子轴轴承26支撑，在本实施例中它们是球轴承， 但轴承也可可以是普通型或滚子型。用于润滑的润滑油被图中未示出 的传统设计的油泵通过供油管24泵吸到轴承中。润滑油流动到或被喷 射到轴承的转动零件上，且通过轴承密封件27被包含在轴承外壳36 内。从压縮机排放空气的压力可以被施加到轴承密封件27和发动机箱 3最里面之间的腔内，通过密封腔口 36，以防止热气体泄漏出密封件。 多余的润滑油通过回油管25被返回封传统设计的润滑油冷却器和贮 油槽中，它们在图中没有被示出。
转子13、转子轴21、转子叶片19和叶片从动腔16被通过排放空 气进口 34引入空心转子轴21的压縮机排放空气冷却。其它泵吸构件 和其它液体也可以被用于冷却，例如水冷却。空心转子轴在它们的中 部具有转子轴活塞23，以迫使空气通过转子轴活塞的空气进入侧上的 很多转子轴导管输送孔18，达到冷却转子内壁、叶片和叶片从动腔的 目的。空气从转子、叶片、叶片从动腔中吸收热量，再通过转子轴活 塞23的空气出口侧上的转子轴导管输送孔18流出。
压縮机排放空气被从排放空气出口管33管道输送给排放空气进 口 34，通过导管输送，排放空气出口管33与高压腔4气体连通，这 在图中没有被示出。转子叶片19具有转子叶片排放孔17，以帮助冷 却叶片末端和发动机箱轮廓35。在被暴露于热气体中的区域内使用绝 缘陶瓷或其它高温涂层，冷却要求可以被降低。
旋转动力可以利用驱动齿轮29中的一个或两个从发动机获得。可 替代地，所述旋转动力可以从被嵌入的转子齿轮28中的一个或两个获得，动力可以被获得用以驱动压縮机，在这种情况下，驱动齿轮29 中的一个或两个可以被去除。
权利要求
1. 一种开式循环内燃机，包括空气压缩机，燃烧器，允许燃料进入所述燃烧器的计量构件，在所述燃烧器内混合压缩空气和燃料的混合构件，在所述燃烧器内点燃压缩空气和燃料的混合物的点火构件，和从产生的燃烧气体中提取动力的动力提取构件；所述动力提取构件包括转子箱；与所述转子箱的腔气体连通的进气口；与所述转子箱的腔气体连通的排气口；大致圆柱形的第一转子，其具有沿纵向与所述第一转子排成一线的至少一个叶片突起，且可选地具有沿纵向与所述第一转子排成一线的至少一个叶片从动腔；大致圆柱形的第二转子，其具有沿纵向与所述第二转子排成一线的至少一个叶片从动腔，且可选地具有沿纵向与所述第二转子排成一线的至少一个叶片突起；设在所述第一转子中心处的轴构件；设在所述第二转子中心处的轴构件；被连接到第一转子的轴构件上的轴承构件和被连接到第二转子的轴构件上的轴承构件，所述轴承构件在第一转子的轴构件和转子箱之间以及在第二转子的轴构件和转子箱之间提供旋转接合；密封构件，其防止可被用于轴承构件内的润滑剂从所述轴承构件流出；固定连接到第一转子的轴构件上的齿轮传动构件；以及固定连接到第二转子的轴构件上的齿轮传动构件；其中，第一转子的轴上的所述齿轮传动构件与第二转子的轴上的所述齿轮传动构件啮合，以在转子箱内实现所述第一转子和所述第二转子之间的反向旋转运动，这样，在通过反向旋转的齿轮传动而将转子的叶片突起和叶片从动腔转动至彼此邻接的循环期间内，所述叶片突起和叶片从动腔进入彼此精确地邻接。
2. 根据权利要求l所述的内燃机，其中，动力提取构件的第一转 子和第二转子长度相等，且在转子箱内在纬度方向上和纵向上相互对 齐。
3. 根据权利要求l所述的内燃机，其中，第一转子的外表面的圆柱形成形部分和第二转子的外表面的圆柱形成形部分通过转子箱内轴 承构件的间隔而保持密闭邻接，所述密闭邻接使得在所述第一转子 的外表面的圆柱形成形部分和所述第二转子的外表面的圆柱形成形部 分邻接的循环期间内，最小化加压热气体在所述第一转子的外表面的 所述圆柱形成形部分和所述第二转子的外表面的所述圆柱形成形部分 之间的泄漏。
4. 根据权利要求l所述的内燃机，其中，在第一转子的叶片突起 的外表面的一段长度和第二转子的叶片从动腔的外表面的一段长度彼 此邻接的循环时间期间，所述第一转子的叶片突起的外表面的所述长 度和所述第二转子的叶片腔的外表面的所述长度进入密闭邻接，所述 密闭邻接使得最小化加压热气体在所述第一转子的叶片突起的外表面 的所述长度部分和所述第二转子的叶片从动腔的外表面的所述长度部 分之间的泄漏。
5. 根据权利要求1所述的内燃机，其中，在叶片突起的最外表面 的一段长度与转子箱的圆柱形轮廓的内表面的一段长度邻接的循环时 间期间，叶片突起的最外表面的所述长度与转子箱的圆柱形轮廓的内 表面的所述长度进入密闭邻接，所述密闭邻接使得最小化加压热气体 在叶片突起的最外表面的所述长度部分与转子箱的圆柱形轮廓的内表 面的所述长度部分之间的泄漏。
6. 根据权利要求1所述的内燃机，其中，转子的侧面表面，包括叶片突起的侧面表面和叶片从动腔的侧面表面，移动进入与转子箱侧 面的内表面密闭邻接，所述密闭邻接使得最小化加压热气体在包括叶 片突起和叶片从动腔的侧面在内的转子侧面的表面与转子箱侧面的所 述内表面的之间的泄漏。
7. 根据权利要求1所述的内燃机，其中，内燃机的一些或所有零 件被制成空心的以允许液体流动进行冷却，所述零件包括第一转子、第二转子、轴构件、转子箱和叶片。
8. 根据权利要求l所述的内燃机，其中，叶片是与转子一体的， 或是分离的且固定连接到所述转子上。
9. 根据权利要求1所述的内燃机，其中，叶片从动腔是与转子一 体的，或是分离的且固定连接到所述转子上。
10. 根据权利要求1所述的内燃机，其中，转子的轴构件是与转 子一体的，或是分离的且固定连接到所述转子上。
11. 根据权利要求1所述的内燃机，其中，提供转子反向旋转运 动的齿轮传动构件只位于转子的一侧，或位于转子的两侧。
12. 根据权利要求1所述的内燃机，其中，压縮机排放空气被允 许进入轴承的密封构件和发动机箱之间，以使处于比压縮机排放空气 更低压力下的燃烧热气体不会通过转子的轴构件和发动机箱之间的间 隔泄漏。 '
13. —种机构，其包括根据权利要求1所述的内燃机中的动力提 取构件，当所述机构通过轴构件的其中一个或两个而被逆向驱动时， 所述机构可被用作空气压縮机或用作根据权利要求1所述的内燃机中 的空气压縮机。
14. 根据权利要求1所述的内燃机，其中，旋转动力可从转子的 轴构件的其中一个或两个获取。
全文摘要
一种开式循环发动机，其中，旋转动力由热气体对受限的旋转叶片的压力产生。
文档编号F02K3/00GK101512136SQ200780032710
公开日2009年8月19日 申请日期2007年7月12日 优先权日2006年9月5日
发明者T·M·范布拉瑞科姆 申请人:T·M·范布拉瑞科姆