产生机械功的方法
【专利摘要】本发明的产生机械功的方法涉及动力工程领域并且可以应用于将工作介质的动能和热能转换为机械功。方法包括使预压缩的工作介质旋动，在致动装置中膨胀来以使轴(3)旋转的方式产生机械功以及从致动装置排出工作介质。工作介质在致动装置中沿着锥形螺旋线形式的空间轨迹旋动，锥形螺旋线在定位成与旋转轴线成一定角度的平面上的投影是具有至少两个分界点的曲线。
【专利说明】产生机械功的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及动力装置工程（动力工程）领域并且可以应用于将工作介质的动能和 热能转换为机械功。
【背景技术】
[0002] 存在用于在发动机中通过工作元件的旋转运动将工作介质的动能转换为机 械能的已知方法。例如，专利 US3282560 (1966. 01. 11)、CH669428 (1989. 03. 15)以及 RU2200848 (2003. 03. 20)包括用于在将压缩气体的能量在叶片系统中转换为轴的机械功的 燃气涡轮机中产生机械能的方法。同时使工作介质供入涡轮机转子的通道并且在从通道流 出时使其加速，提供了转子的旋转。
[0003] 工作介质的内能转换为热能的低效率和压缩的工作介质的热能转换为机械能的 低效率是已知方法的普遍缺点。压缩的工作介质的热能转换为机械能的低效率通过如下事 实具体说明（在热力发动机运行的已知原理的框架下）：根据热力学第二定律，热力发动机 的效率因子不取决于其设计和工作介质的种类，而是由工作介质在热力发动机内部与流出 时的温度差决定。
[0004] 更充分地利用工作介质的热能的简单有效的技术中的一种技术为在动力涡轮机 中使用之后回收工作介质的热能。然而，在常规设计的燃气涡轮发动机中，热能的回收在热 交换器中发生并且未得到显著效果。
[0005] 存在将热能转换为机械功的已知方法，这些方法包括将工作介质的内热另外转换 为工作介质的动能并且进一步转换为机械能。在这种情况下从在已知的热力学循环期间移 入吸热器的热量中的一部分产生补充的动能。
[0006] 在其他已知的方法中，工作介质的补充动能通过对工作介质的微体积进行定向空 间取向的方法来提取（专利RU2134354(1999. 08. 10))。根据专利RU2006589(1994. 01. 30) 和专利RU2031230 (1995. 03. 20)所涉及的方法，在将工作介质引入涡轮机之前改变工作介 质的热力学状态，并且将旋转运动以与涡轮机转子轴成不同角度的情况下给予工作介质。 工作介质在这种情况下产生的流动情况（具体地，工作介质微体积的圆周速度的具体分布 根据与转子轴的距离提供）为使得工作介质的热量中的一部分自发生成工作介质本身的 旋转运动的增量。
[0007] 专利RU2084645 (1997. 07. 20)所涉及的用于将工作介质的热能和动能转换为机 械功的已知方法包括如下事实：在到达内流式涡轮机的叶片之前，使预压缩的工作介质在 导向组件中进行空间旋动并且然后将其导向加速腔以进行膨胀和冷却，并且在动态压力作 用于涡轮机叶片之后，压缩工作介质。在这种情况下，通过选择流入导向组件的工作介质的 旋动的最优角以确保在靠近旋转轴线时工作介质的单位质量的速度上的增加，实现了转换 的更高的效率因子。根据发明人所述，关键条件是，在没有使工作介质的量（volume)变大 的情况下将部分热量转变为旋转运动，从而得到更高的转换效率因子。
[0008] 由于需要对导向组件和涡轮机的叶片形状进行匹配，所以所述方法中的效率因子 增益可能变得较不重要。
【发明内容】
[0009] 本发明的技术效果旨在包括开发一种在相对容易实施的情况下产生机械能的经 济的方法。
[0010] 所限定的技术效果通过如下事实实现：在包括使预压缩的工作介质旋动、使工作 介质在致动装置中膨胀来以使制动装置的轴旋转的方式产生机械功以及从所述装置排出 工作介质的产生机械功的方法中，工作介质直接在致动装置中沿着锥形螺旋线形状的空间 轨迹旋动，该锥形螺旋线在定位成与旋转轴线成一定角度的平面上的投影为具有至少两个 分界点（breakpoint)的曲线。曲线中的一段为双曲螺旋的形状。锥形螺旋线在穿过旋转 轴线的正平面上的间隔间距为可变的。工作介质可以为液体或气体。从致动装置排出工作 介质可以通过至少两个喷嘴实现。在具体情况中，工作介质被排出到封闭的壳体。在具体 示例中，壳体以叶片涡轮机的形式制造并且配备有旋转的能力。
[0011] 根据标准解析几何，与任何二阶3D曲线一样，工作介质的空间轨迹可以通过空间 轨迹的与旋转轴线成一定角度的平面投影来唯一地表示，其中平面上的曲线的每个点与空 间曲线的点相对应。为此，为了作出执行所述轨迹的算法，方便的是，将空间曲线表示为其 与旋转轴线成一定角度的投影，具体地，表示为如图1所示的空间曲线的正交投影（与旋转 轴线成直角）。
[0012] 具有至少两个分界点的锥形螺旋线是指各自由通过以下标准参数方程描述的三 个部分组成的分段光滑曲线：
[0013] 第一部分：一段锥形螺旋线（(KtUi)
[0014]
【权利要求】
1. 一种产生机械功的方法，包括：使预压缩的工作介质旋动；使所述工作介质在致动 装置中膨胀来以使轴旋转的方式产生机械功；以及从所述装置排出所述工作介质，其特征 在于使所述工作介质在所述致动装置中沿着锥形螺旋线形状的空间轨迹旋动，所述锥形螺 旋线在定位成与所述旋转轴线成一定角度的平面上的投影是具有至少两个分界点的曲线。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中将所述曲线中的一段成形为双曲螺旋。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中使所述锥形螺旋线在穿过所述旋转轴线的正面上 的间隔间距可变。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中通过至少两个喷嘴来实现从所述致动装置排出所 述工作介质。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中将所述工作介质排出到封闭的壳体中。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中以叶片涡轮机的形式制造所述壳体并且为所述壳 体配备旋转的能力。
【文档编号】F01D1/32GK104093936SQ201280066606
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2012年11月15日 优先权日:2011年12月7日
【发明者】乔治·拉马萨诺维奇·乌马罗夫, 谢尔盖·伊万诺维奇·博伊琴科, 希夫·维克拉姆·肯卡 申请人:索拉里斯控股有限公司