一种螺管转子及其发动机的制作方法

本发明涉及发动机，具体来说涉及一种螺管转子及其发动机。

背景技术：

涡轮机是一种利用流体冲击叶轮转动而产生动力的发动机，主要分为燃气涡轮发动机、蒸气涡轮发动机、水力涡轮发动机(即水轮机)、压缩空气涡轮发动机四种。燃气涡轮发动机是由空气压缩机和涡轮转子发动机两大部分构成，其中空气压缩机与涡轮转子发动机动力连接，还与燃烧室气连接构成燃气发生器。蒸汽涡轮发动机也是由蒸汽发生器与涡轮转子发动机两大部分构成，其中蒸汽发生器与涡轮转子发动机汽室汽连接。现有技术的涡轮发动机广泛装备应用在发电、飞机、船、动力等民用军事领域，发挥着非常重要的作用。

燃气涡轮发动机具有单位质量输出功率大、废气污染少、能使用多种燃料等许多技术优点，在汽车方面目前仅用于坦克和某些特种车辆中，但未能装备常规汽车作发动机使用。

涡轮转子是涡轮发动机的核心部件，现有技术的涡轮机都是采用叶片式涡轮转子来担负转换能量重任，叶片式涡轮转子作转子这就不可避免会出现一些缺点。例如工作在高温高压的燃气涡轮发动机、蒸气涡轮发动机，当用叶片式涡轮转子构成发动机时，就会遇到叶片式转子造价昂贵，转换能量时循环热效率低于40％，只能采用泄漏流体大的迷宫式密封，轴承承受轴向推力大等技术难题。

为解决上述技术难题，专利号201410415779.3一种提高涡轮发动机效率的方法及其装置，在现有涡轮发动机技术基础上作出重大改进，用耐高温高压、造价低、转换能量效率高的螺管转子代替昂贵的叶片式涡轮把热能转换为机械功，大幅降低所排废气温度，理论上比现有技术能把循环热效率至少提高5％，同时保留了燃气涡轮发动机技术优点。

要把燃气涡轮发动机得以应用到汽车领域，必须解决它涡轮造价昂贵、耐高温高压、体积大、环保、转换热效率低、工质流量大、输出扭矩小、转速高、输出功率动辄1000千瓦以上、难以工作于非稳定流动工作状态等关键技术问题。

为解决上述技术难题，专利号201610102368.8混合动力燃气螺管转子发动机，采用螺管转子发动机与滑片式空气压缩构成燃气螺管转子发动机，用滑片式空气压缩机提供压力稳定的压缩空气，同时采用清洁能源甲烷(即天然气或从可再生的沼气提纯液化得到的甲烷)为燃料，理论上能把循环热效率提高50％～70％，构成了新能源燃气螺管转子汽车发动机。

特别在空气压缩机或蒸汽发生器提供的产气量小，要配套一台螺管转子发动机构成一台净输出功率小于1000千瓦的燃气螺管转子发动机或蒸汽螺管转子发动机，密封是决定着发动机性能，如用迷宫式密封会困难重重，使其结构复杂。

在涡轮发动机中，当内置轴流式压气机与动力涡轮同轴结构，燃气膨胀做功时，会在燃烧室轴向两横截面产生2个方向相反的轴向推力，由于出于涡轮发动机特殊结构，轴向两横截面难以相等，导致这2个方向相反的轴向推力不能互相完全抵消，转轴轴承要承受较大的轴向推力，要设有专用轴承来止推，显然会影响到发动机轴承的使用寿命。

在现有技术螺管转子发动机中，也只介绍了单端螺管转子及其发动机。当动力涡轮或螺管转子只有单端涡轮或螺管转子转换能量，外置的空气压缩机和蒸汽发生器又不能抵消燃气或蒸汽膨胀产生的轴向推力，转轴轴承要承受更大的轴向推力。

就是说，一个完美的转换流体类能量发动机转子，不仅要转换能量效率高、结构简单、造价低，还要构成发动机时容易密封、结构紧凑、落在轴承上的轴向推力最少。

技术实现要素：

本发明目的：一提供还具有单端或双端螺管转子结构、结构简单、构成发动机时容易密封的一种螺管转子；二提供以这种螺管转子为核心构成，结构紧凑、坚固耐用、容易密封的一种燃气螺管转子发动机和一种蒸汽螺管转子发动机。

本发明通过下述技术方案予以实现：

一种螺管转子，包括转轴、旋转体组成的螺管转子，转子旋转体是在同一圆柱体上制成头部圆柱体、颈部圆柱体、内置螺管圆柱体的整体，或是，在同一圆柱体上制成左内置螺管圆柱体、颈部圆柱体、右内置螺管圆柱体的整体，用于转换流体能量的螺管设在内置螺管圆柱体表层。

转子的旋转体两端面分别设有定位。

用一种螺管转子为核心构成的一种燃气螺管转子发动机，由包括燃气螺管转子发动机的螺管转子发动机，转子旋转体是在同一圆柱体上制成头部圆柱体、颈部圆柱体、内置螺管圆柱体的整体，或是，在同一圆柱体上制成左内置螺管圆柱体、颈部圆柱体、右内置螺管圆柱体的整体，用于转换流体能量的螺管设在内置螺管圆柱体表层，转子装入螺管转子发动机定子内定位，转子与定子内壁之间形成的转动间隙分别设有密封装置，在以颈部圆柱体环形空腔作下环形燃烧室对应定子内壁上设有上环形燃烧室，该上环形燃烧室与空气压缩机气连接、燃料供给系统燃料连接，并设有点火装置，以此上下环形燃烧室构成了环形燃烧室，定子两端分别设有排气孔。

所述转子的旋转体由氮化硅材料制成。

所述定子由外壳层是金属材料、内壳层是氮化硅材料两种材料制成。

螺管转子两端面之间的转动间隙设有用压缩空气冷却的装置。

用一种螺管转子为核心构成的一种蒸汽螺管转子发动机，由包括蒸汽螺管转子发动机的螺管转子发动机，转子旋转体是在同一圆柱体上制成头部圆柱体、颈部圆柱体、内置螺管圆柱体的整体，或是，在同一圆柱体上制成左内置螺管圆柱体、颈部圆柱体、右内置螺管圆柱体的整体，用于转换流体能量的螺管设在内置螺管圆柱体表层，转子装入螺管转子发动机定子内定位，转子与定子内壁之间形成的转动间隙分别设有密封装置，颈部圆柱体环形空腔作汽室与蒸汽发生器气连接，定子两端分别设有排气孔。

在定子两端内壁上分别套有厚度大于转动间隙的两个圆筒，并以螺管转子发动机的定子及端盖作力支撑点，螺管转子转动时旋转体两端面在圆筒端面上滑动。

转子在颈部圆柱体厚度之内旋转体两端之间、定子在外壳层金属材料和或内壳层氮化硅材料厚度之内定子两端之间，分别设有轴向隔热孔。

以本发明的一种螺管转子为核心构成一种燃气螺管转子发动机、一种蒸汽螺管转子发动机与有技术相比较有如下有益效果：

1.螺管转子发动机轴承耐用。一种螺管转子旋转体两种结构形式都是连体的整体，且燃烧室或汽室轴向两端横截受力面积一样大，当蒸汽或燃气在颈部圆柱体空腔膨胀流过内置螺管圆柱体螺管推动螺管转子做功时，加在两横截受力面积上轴向推力大小相等、方向相反，能达到二力平衡，轴承受到的轴向推力可小至0，轴承受到的只有径向转子重力。

2.螺管转子发动机容易密封。现有技术密封点是固定在定子上的密封件对转轴或转子轴的轴向表面来构成间隙式转动密封。本发明的密封是螺管转子两端面在以发动机定子作力支承点，分别套在定子两端内壁上，厚度大于转动间隙的两个圆筒端面上滑动。密封点是固定在定子上的密封件对螺管转子两端径向表面滑动，构成接触的转动密封连接。

3.螺管转子发动机结构简单紧凑。能缩小体积、减小重量、提高耐高温高压能力、降低造价低。

4.能提高螺管转子发动机热效率。转子在颈部圆柱体厚度之内两端之间、定子外壳层金属材料和或内壳层氮化硅材料厚度之内分别设有轴向隔热孔，起保温作用，有效减少热量耗散。

5.能提高螺管转子发动机装机功率。螺管转子由单端发展到双端，即既能造出功率小于1000千瓦螺管转子发动机，也能造出功率大于1000千瓦螺管转子发动机。

6.能提高燃气螺管转子发动机耐高温高压能力。螺管转子两端面之间的转动间隙设有用压缩空气冷却的装置，压缩空气从转动间隙相对流向燃烧室，使头部圆柱体、内置螺管圆柱体的表面得到冷却，同时把高温燃气与内壳层氮化硅内壁面隔离和冷却内壁面。

附图说明

图1是一种设有头部圆柱体、颈部圆柱体、内置螺管圆柱体的单端螺管转子示意图。

图中，1.转轴，2.内置螺管圆柱体，3.颈部圆柱体，4.头部圆柱体，5.颈部圆柱体环形空腔。

图2是一种设有左内置螺管圆柱体、颈部圆柱体、右内置螺管圆柱体的双端螺管转子示意图。

图中，1.转轴，2.右内置螺管圆柱体，3.颈部圆柱体，4.左内置螺管圆柱体，5.颈部圆柱体环形空腔。

图3是燃气单端螺管转子发动机示意图。

图中，1.定子(发动机外壳)，2.转子内置螺管圆柱体，3.转子圆柱体颈部，4.发动机燃烧室，5.转子圆柱体头部，6.左密封圆筒，7.左端盖，8.左隔热层，9.转轴左动力输出端，10.左轴承，11.左定位装置，12.左定子排气孔，13.左冷却空气管，14.燃料供给管，15.燃烧室进气管，16.点火装置，17.定子金属外壳层，18.定子氮化硅内壳层，19.转动间隙，20.右冷却空气管，21.右密封圆筒，22.右定子排气孔，23.右定位装置，24.右隔热层，25.转轴右动力输出端，26.右轴承，27.右端盖，28.内置螺管圆柱体排气端。

图4是燃气双端螺管转子发动机示意图。

图中，1.定子(发动机外壳)，2.转子右内置螺管圆柱体，3.转子圆柱体颈部，4.发动机燃烧室，5.转子左内置螺管圆柱体，6.左密封圆筒，7.左端盖，8.左隔热层，9.转轴左动力输出端，10.左轴承，11.左定位装置，12.左定子排气孔，13.左内置螺管圆柱体排气端，14.左冷却空气管，15.燃烧室进气管，16.点火装置，17.燃料供给管，18.定子金属外壳层，19.定子氮化硅内壳层，20.转动间隙，21.右冷却空气管，22.右密封圆筒，23.右定子排气孔，24.右定位装置，25.右隔热层，26.转轴右动力输出端，27.右轴承，28.右端盖，29.右内置螺管圆柱体排气端。

图5是蒸汽单端螺管转子发动机示意图。

图中，1.定子(发动机外壳)，2.转子内置螺管圆柱体，3.转子圆柱体颈部，4.发动机汽室，5.转子圆柱体头部，6.左密封圆筒，7.左端盖，8.左隔热层，9.转轴左动力输出端，10.左轴承，11.左定位装置，12.左定子排气孔，13.汽室进气管，14.转动间隙，15.右密封圆筒，16.右定子排气孔，17.右定位装置，18.右隔热层，19.转轴右动力输出端，20.右轴承，21.右端盖，22.内置螺管圆柱体排气端。

图6是蒸汽双端螺管转子发动机示意图。

图中，1.定子(发动机外壳)，2.转子右内置螺管圆柱体，3.转子圆柱体颈部，4.发动机汽室，5.转子左内置螺管圆柱体，6.左密封圆筒，7.左端盖，8.左隔热层，9.转轴左动力输出端，10.左轴承，11.左定位装置，12.左定子排气孔，13.左内置螺管圆柱体排气端，14.汽室进气管，15.转动间隙，16.右密封圆筒，17.右定子排气孔，18.右定位装置，19.右隔热层，20.转轴右动力输出端，21.右轴承，22.右端盖，23.右内置螺管圆柱体排气端。

图7是一种燃气螺管转子发动机示意图。

图中，1.螺管转子发动机，2.启动-发电及控制系统，3.滑片式空气压缩机，4.输气管，5.燃料供给及点火系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

一种螺管转子，包括转轴、旋转体组成的螺管转子，转子旋转体是在同一圆柱体上制成头部圆柱体、颈部圆柱体、内置螺管圆柱体的整体，或是，在同一圆柱体上制成左内置螺管圆柱体、颈部圆柱体、右内置螺管圆柱体的整体，用于转换流体能量的螺管设在内置螺管圆柱体表层。

转子旋转体是在同一圆柱体上制成头部圆柱体、颈部圆柱体、内置螺管圆柱体的整体，简称单端螺管转子，通过工质流量小，主要应用于制造小功率螺管转子发动机。所设连体的头部圆柱体主要用于抵消颈部圆柱体空腔流体产生的轴向推力。

转子旋转体是在同一圆柱体上制成左内置螺管圆柱体、颈部圆柱体、右内置螺管圆柱体的整体，简称双端螺管转子，通过工质流量大，主要应用于制造大功率螺管转子发动机。连体结构相同双螺管转子抵消了颈部圆柱体空腔流体产生的轴向推力。

与专利号201410415779.3一种提高涡轮发动机效率的方法及其装置所述螺管转子一样，最好是螺管斜面与轴向夹角成45°，用于转换流体能量的螺管设在内置螺管圆柱体表层，所以颈部圆柱体空腔内径小于或等于内置螺管圆柱体螺管入口之间径向距离，即颈部圆柱体环形空腔深度不能遮挡螺管入口。

转子的旋转体两端面分别设有定位。定位设在转轴上，用于确定旋转体在转轴上的位置，阻止转子的旋转体两端面反向移位，减小颈部圆柱体拉应力。本发明图示就采用了螺母定位来夹紧旋转体两端面来实现。也可以使用两个半圆体以箍轴式定位。

用上述的一种螺管转子为核心构成的一种燃气螺管转子发动机，由包括燃气螺管转子发动机的螺管转子发动机，转子旋转体是在同一圆柱体上制成头部圆柱体、颈部圆柱体、内置螺管圆柱体的整体，或是，在同一圆柱体上制成左内置螺管圆柱体、颈部圆柱体、右内置螺管圆柱体的整体，用于转换流体能量的螺管设在内置螺管圆柱体表层，转子装入螺管转子发动机定子内定位，转子与定子内壁之间形成的转动间隙分别设有密封装置，在以颈部圆柱体环形空腔作下环形燃烧室对应定子内壁上设有上环形燃烧室，该上环形燃烧室与空气压缩机气连接、燃料供给系统燃料连接，并设有点火装置，以此上下环形燃烧室构成了环形燃烧室，定子两端分别设有排气孔。

上述一种燃气螺管转子发动机由包括定子、螺管转子、轴承、端盖、燃料供给系统、点火系统、燃烧室、启动-发电及控制系统构成的螺管转子发动机和空气压缩机两大部分组成，其中螺管转子发动机与空气压缩机动力连接和气连接。

转子装入螺管转子发动机定子内定位，是定子左右两端盖轴承对转轴定位。

密封装置是螺管转子两端面在以发动机定子作力支承点，分别套在定子两端内壁上，厚度大于转动间隙的两个圆筒端面上滑动。圆筒也可由金属圆筒和套在金属圆筒内壁上且自动推进密封的石墨圆筒构成。密封点是固定在定子上的密封件对螺管转子两端径向表面滑动，构成接触的转动密封连接。

上环形燃烧室功能主要是均匀分布可燃气体、点燃和传递火焰。

下环形燃烧室是主燃烧室，使高温高压燃气流过内置螺管圆柱体螺管推动螺管转子周向转动输出轴功。

由上下环形燃烧室构成的燃烧室其实等效一个火焰筒。

所述转子的旋转体由氮化硅材料制成。氮化硅是最硬的物质之一，质量轻、耐高温、导热系数小，特别是热压氮化硅能耐1300°高温。

所述定子由外壳层是金属材料、内壳层是氮化硅材料两种材料制成。外壳层金属最好也使用如不锈钢等低导热系数材料，这样定子既耐高温高压、低导热系数，又不失金属材料的坚韧性强度。

螺管转子两端面之间的转动间隙设有用压缩空气冷却的装置。这是将空气压缩机输出的一部分压缩空气，用输气管引入到两端的转动间隙，压缩空气从转动间隙相对流向燃烧室，使头部圆柱体、内置螺管圆柱体的表面得到冷却，同时把高温燃气与内壳层氮化硅内壁面隔离和冷却内壁面。

用上述的一种螺管转子为核心构成的一种蒸汽螺管转子发动机，由包括蒸汽螺管转子发动机的螺管转子发动机，转子旋转体是在同一圆柱体上制成头部圆柱体、颈部圆柱体、内置螺管圆柱体的整体，或是，在同一圆柱体上制成左内置螺管圆柱体、颈部圆柱体、右内置螺管圆柱体的整体，用于转换流体能量的螺管设在内置螺管圆柱体表层，转子装入螺管转子发动机定子内定位，转子与定子内壁之间形成的转动间隙分别设有密封装置，颈部圆柱体环形空腔作汽室与蒸汽发生器气连接，定子两端分别设有排气孔。

它与上述一种燃气螺管转子发动机的螺管转子发动机结构基本相同。不同点：对应定子内壁上没有上环形汽室，没有燃料供给和点火系统。

燃气螺管转子发动机、蒸汽转子螺管转子发动机的螺管转子发动机结构基本相同，为营造一个绝热做功过程，在颈部圆柱体厚度之内旋转体两端之间、定子在外壳层金属材料和或内壳层氮化硅材料厚度之内定子两端之间，分别设有轴向隔热孔，以增大热阻，阻隔热量传递散热，要求的是保温，这与活塞式内燃发动机要求散热良好相反。这是螺管转子发动机循环热效率高的原因之一。

现有技术涡轮机外壳内安装着喷嘴室、隔板、隔板套等，本发明的一种蒸汽螺管转子发动机和一种燃气螺管转子发动机的螺管转子发动机定子内没有，且与具有定子、转子、端盖结构电动机相似，故引用定子、转子、端盖几个名字本来描述螺管转子发动机结构使之更为形象准确。