本实用新型涉及一种能量转化的动力装置，尤其涉及一种将气体压力能和热能转化为机械能的动力装置，以及该装置的应用。
背景技术：
我们知道把热能直接转化成机械能的动力装置有多种。比如：内燃机、外燃机、汽轮机、航空发动机、火箭发动机、导弹发动机等等。
就目前的热能动力转化装置来说，其主要缺点是：尾气温度高，燃料有效利用率低，体积大又笨重，比功率不高。比如：靠工质受热膨胀做功的内燃机，其热功转化有三种基本循环。1.混合加热循环；2.定容加热循环； 3.定压加热循环。由于热循环膨胀不彻底，或者余温比较高，废气带走的热量比较多(内燃机废气带走30﹪以上的热量)。而转化机构的结构(如：曲柄连杆机构)体积比较大而笨重。使得动力装置的比功率难得到提升。虽然航空发动机，火箭发动机，导弹发动机比功率比较大，为了提升发动机的推进效率需提高燃气的温度和压力。但尾气的余速余温也高了，使燃料的热能没得到充分有效利用。加之受温度和压力影响，材料的高温强度提升是有限度的。
为了解决上述问题，人们提出了爆震式能量转化动力装置。比如：俄液体脉冲爆震发动机专业实验室、俄科学院新西伯利亚拉夫连季耶夫流体动力学研究所及莫斯科航空学院等2016年研究成功的脉冲爆震(机理上就是爆炸)航空发动机。就是利用燃料爆炸产生推力，其热效率比普通的压气机燃烧的航空发动机高了一倍。爆炸和燃烧的本质区别是：发生爆炸所需时间最短可百万分之一秒，而燃烧一般在千分之一秒左右。爆炸会产生很大的瞬间压力和温度，能使热能最大限度的转化为气体分子流动的动能。爆炸发生过程中一般不可控的，并且震动和噪音比较大。所以在实际应用中必须把控制好这些因素。
爆炸分为物理爆炸和化学爆炸。物理爆炸由于碰撞，压强过大等原因产生的爆炸，化学爆炸是由于化学反应产生巨大能量产生的爆炸。而我们所说的爆炸效果就是能量在某一封闭的局部小区域内聚集升高，当到达某一压力阀值时，能量在极短的时间内突然释放，产生爆炸效果，就像高压气球突然爆炸一样。实验证明在无需提高气体的温度和压力的情况下，爆炸效果能使气体的热能或压力能最大程度的转化为气体分子流动的动能，因此出现气体温度大幅的下降的现象。爆炸效果的微观解释是：当发生爆炸时，所密闭容器(或者相对密闭)里的气体分子在瞬间发生的强大热运动势能，分子间势能作用下好像发生了集体“意识”一样，在同一时刻，同一行为，统一动作集中于某一结果的有序行为，出现所有的能量(分子热能，分子势能等)都向这一结果(气体分子流动的动能)集中的现象，因此出现气体分子温度(热能)大幅下降的现象。
而利用气体分子流动的动能通过冲击高速叶轮的方式就能方便的转化为机械能了，因此利用爆炸效果能提高热能或者压力能转化为机械能的转化效率。其次爆炸效果能产生极大的瞬间功率，控制好爆炸的频次就能使动力装置获得较大的比功率。
为了保证爆炸效果持续的发生并具延续性，必须有一结构能反复产生突然“破裂”释放能量，又能马上“愈合”封闭能量，又能方便控制的重复机构。一般说气球爆破了，破口就再也不能自动愈合了。而目前爆炸持续性控制效果的技术难点就是破口后的自动愈合。即爆炸前气体受到密闭容器的约束，一旦爆炸后约束力瞬间降为零，这样能快速释放能量又干脆彻底，在能量释放结束时(也即压力降至最低时)破口才能自动愈合，重新组成密闭空间，然而目前的阀门是无法做到这一点的。
技术实现要素：
本实用新型要解决的技术问题，在于提供一种爆炸式阀门及其应用以及提升能量转化效率的方法，该爆炸式阀门可以保证爆炸效果持续的发生并具延续性，大大提升能量转化效率。
本实用新型爆炸式阀门是这样实现：一种爆炸式阀门，包括依次相连的气源室、膨胀爆炸室以及导流管，所述气源室与膨胀爆炸室之间设有进气孔，进气孔内设有进气阀，所述膨胀爆炸室与所述导流管之间设有锥形出气口，所述锥形出气口内设有锥体密封装置；
所述锥体密封装置由膨胀爆炸室内气体的压力推开，并能复位密封；
所述进气阀为：
(1)由所述锥体密封装置处密封状态时打开，并由所述气源室内气体的压紧力关闭；或者
(2)由所述气源室内气体的压紧力打开，并由所述膨胀爆炸室内气体的压紧力关闭。
进一步的，所述进气阀具有一密封板和一推杆；
当所述进气阀为所述(1)时，所述密封板覆盖所述进气孔位于所述气源室的端部，所述推杆一端连接所述密封板，另一端穿过所述进气孔抵制于所述锥体密封装置；
当所述进气阀为所述(2)时，所述密封板覆盖所述进气孔位于所述膨胀爆炸室的端部，所述推杆一端连接所述密封板，另一端由所述进气孔伸到所述所述气源室。
进一步的，所述锥体密封装置包括锥形塞、复位弹簧、导向段以及延长段，所述锥形塞设在所述锥形出气口内且大端朝外小端朝内，所述导向段固设在所述导流管内并套接于所述锥形塞的大端内，所述复位弹簧则套设所述导向段上，所述延长段设在所述膨胀爆炸室内并连接在所述锥形塞的小端并正对着所述进气阀。或者是：所述锥体密封装置包括锥形塞、平衡缸、导向段以及延长段，所述锥形塞设在所述锥形出气口内且大端朝外小端朝内，所述平衡缸固设在所述导流管内并通过平衡管连通所述气源室；所述导向段的一端以活塞方式设于所述平衡缸内，另一端则套接于所述锥形塞的大端内，所述延长段设在所述膨胀爆炸室内并连接在所述锥形塞的小端并正对着所述进气阀。
进一步的，所述锥形塞与所述锥形出气口之间的密封为锥面密封或环线密封。
进一步的，所述环线密封是所述锥形塞的外锥面与所述锥形出气口的内锥面至少之一设有至少一个环形凸棱。
本实用新型上述爆炸式阀门的应用包括如下方面：
一种爆炸式阀门在叶轮动力装置上的应用，该爆炸式阀门的所述导流管的末端连接所述叶轮动力装置上的叶轮进风口。
一种爆炸式阀门在导弹或火箭发动机上的应用，该爆炸式阀门为复数个联排使用，且各爆炸式阀门的所述气源室均连接一气源室。
一种爆炸式阀门在涡轮喷气式航空发动机上的应用，该爆炸式阀门的所述气源室衔接在所述涡轮喷气式航空发动机的压气机的出气端，所述导流管则衔接在所述涡轮喷气式航空发动机的涡轮机的出气端，且所述气源室内还设有喷油嘴和火花塞。
本实用新型具有如下优点：
1.结构简单，制造成本低和维修方便；
2.爆炸式阀门的工作频率每秒可达100次以上，能大幅的提高能量的转换效率可达50﹪以上；
3.能减小转化装置的体积和重量，从而提高比功率(比功率：单位重量所拥有的功率)。
【附图说明】
下面参照附图结合实施例对本实用新型作进一步的说明。
图1为本实用新型物理式爆炸式阀门的轴向剖视结构示意图。
图2a至图2c为本实用新型物理式爆炸式阀门爆炸原理结构示意图。
图3为本实用新型化学式爆炸式阀门的轴向剖视结构示意图。
图4a至图4c为本实用新型化学式爆炸式阀门爆炸原理结构示意图。
图5a和图5b为本实用新型锥体密封装置具平衡缸时的结构示意图。
图6为本实用新型锥体密封装置的自锁密封原理结构示意图。
图7a至图7c为本实用新型锥体密封装置中密封面配合结构的三种实施例。
图8a为本实用新型物理式爆炸式阀门应用于叶轮动力装置上时的结构示意图。
图8b为本实用新型化学式爆炸式阀门应用于叶轮动力装置上时的结构示意图。
图8c为本实用新型多个爆炸式阀门应用于叶轮动力装置上时的结构示意图。
图9a和图9b为本实用新型爆炸式阀门应用于导弹或火箭发动机上的结构示意图。
图10为本实用新型爆炸式阀门应用于涡轮喷气式航空发动机上的结构示意图。
【具体实施方式】
请参阅图1至图8所示，为本实用新型物理式爆炸式阀门和化学式爆炸式阀门的结构示意图及其爆炸原理示意图，物理式爆炸式阀门和化学式爆炸式阀门二者因爆炸能量不同，气体不同(物理式爆炸使用高温高压气体，而化学式爆炸使用可燃混合气体)，其导致的结构差异主在于进气阀的方向的不同，具体请参见如下实施例的描述。
实施例一
请参阅图1所示，实施例一中的爆炸式阀门为物理式爆炸式阀门101，其包括依次相连的气源室1、膨胀爆炸室2以及导流管3，所述气源室1与膨胀爆炸室2之间设有进气孔41，进气孔41内设有进气阀5，所述膨胀爆炸室2与所述导流管3之间设有锥形出气口42，所述锥形出气口42内设有锥体密封装置6；所述锥体密封装置6由膨胀爆炸室2内气体的压力推开，并能复位密封；所述进气阀5具有一密封板和一推杆；所述密封板覆盖所述进气孔41位于所述气源室1的端部，所述推杆一端连接所述密封板，另一端穿过所述进气孔41抵制于所述锥体密封装置6；这样，进气阀5就可以由所述锥体密封装置6处密封状态时打开，并由所述气源室1内气体的压紧力关闭。
再如图1和图2c所示，其爆炸原理是：
S11、初始状态，如图1，进气阀5为打开状态，且所述锥体密封装置6 由于锥角的原因与所述锥形出气口42发生摩擦自锁，使二者处于贴合密封状态；
S12、高温高压的气体(可以是水蒸汽或燃气等，其中水蒸汽还可来自锅炉等蒸汽发生器)由所述气源室1通过所述进气阀5进入所述膨胀爆炸室 2，如图2a至图2b状态，当高温高压气体压力升高到某一预设值时，在压力的作用下所述锥体密封装置6会从所述锥形出气口42上瞬间脱开并随压力移动一定的距离，这样就了产生瞬间爆炸；
S13、瞬间爆炸时，高温高压的气体通过所述锥形出气口42极速冲入导流管3，当所述膨胀爆炸室2压力下降到一定的时候，如图2c状态，高温高压气体的压力会推动所述进气阀5关闭切断气源；
S14、在所述膨胀爆炸室2压力降至最低时，所述锥体密封装置6发生复位使所述锥体密封装置6与所述锥形出气口42硬碰硬的接合，在接合的瞬间会产生一个巨大的撞击力，加之是锥角又会产生倍增关系，使接合面产生很大的静摩擦力发生自锁作用；同时在接合之前，所述锥体密封装置6 会把进气阀5门顶开进气，又恢复到图1的状态，如此反复工作，提升了能量转化效率。
导流管3的气体由于速度极快，可以冲击高速叶轮叶片做功进而带动负载，也可以产生反推力推动自身移动或飞行，如：导弹，火箭等。
实施例二
请参阅图3所示，实施例二中的爆炸式阀门为化学式爆炸式阀门102，其包括依次相连的气源室1、膨胀爆炸室2以及导流管3，膨胀爆炸室2内还设有火花塞7，所述气源室1与膨胀爆炸室2之间设有进气孔41，进气孔 41内设有进气阀5，所述膨胀爆炸室2与所述导流管3之间设有锥形出气口 42，所述锥形出气口42内设有锥体密封装置6；所述锥体密封装置6由膨胀爆炸室2内气体的压力推开，并能由自身复位密封；所述进气阀5具有一密封板和一推杆；所述密封板覆盖所述进气孔41位于所述膨胀爆炸室2的端部，所述推杆一端连接所述密封板，另一端由所述进气孔41伸到所述所述气源室1。所述进气阀5就可由所述气源室1内气体的压紧力打开，并由所述膨胀爆炸室2内气体的压紧力关闭。
再如图3和图4c所示，其爆炸原理是：
S21、初始状态，如图3所示，进气阀5为打开状态，且所述锥体密封装置6由于锥角的原因与所述锥形出气口42发生摩擦自锁，使二者处于贴合密封状态；
S22、如图4a到图4c状态所示，可燃混合气体由所述气源室1通过进气阀5门进入所述膨胀爆炸室2，当可燃混合气压力升高到某一预设值时，将所述膨胀爆炸室2内的火花塞通电引燃可燃混合气体，当能量和压力升高直到将所述锥体密封装置6从所述锥形出气口42上瞬间脱开并随压力移动一定的距离时，这样就了产生瞬间爆炸；
S23、瞬间爆炸时，极高流速的气体通过所述锥形出气口42冲入导流管 3，同时所述膨胀爆炸室2压力会推动所述进气阀5关闭切断气源；
S24、在所述膨胀爆炸室2压力降至最低时，所述锥体密封装置6发生复位使所述锥体密封装置6与所述锥形出气口42硬碰硬的接合，在接合的瞬间会产生一个巨大的撞击力，加之是锥角又会产生倍增关系，使接合面产生很大的静摩擦力发生自锁作用；
S25、在接合之后，所述气源室1内的可燃混合气体会把进气阀5门顶开进气，恢复到图3的初始状态，如此反复工作，提升了能量转化效率。
无论是物理式爆炸式阀门还是化学式爆炸式阀门，所述锥体密封装置6 均可一样设置。
图1至图4c所示，所述锥体密封装置6为弹簧复位方式的实施例，其包括锥形塞61、复位弹簧62、导向段63以及延长段64，所述锥形塞61设在所述锥形出气口42内且大端朝外小端朝内，所述导向段63固设在所述导流管3内并套接于所述锥形塞61的大端内，所述复位弹簧62则套设所述导向段63上，所述延长段64设在所述膨胀爆炸室2内并连接在所述锥形塞的小端并正对着所述进气阀5，在物理式爆炸式阀门中，延长段64可以为进气阀5提供推力，以关闭进气阀5。
但锥体密封装置6还可以有其它实现方式：请参阅图5：所述锥体密封装置6包括锥形塞61、平衡缸65、导向段63以及延长段64，所述锥形塞 61设在所述锥形出气口内且大端朝外小端朝内，所述平衡缸65固设在所述导流管3内并通过平衡管66连通所述气源室1；所述导向段63的一端以活塞方式设于所述平衡缸65内，另一端则套接于所述锥形塞61的大端内，所述延长段64设在所述膨胀爆炸室2内并连接在所述锥形塞61的小端并正对着所述进气阀5，即可通过导气管从高压或高温气体室1引入气压进入平衡缸65中，此压力推动锥形塞61移动完成复位功能。由于复位弹簧62在高温高压的环境下对弹簧材料的耐热、抗氧化和疲劳寿命的能力有很高要求，因此改为平衡缸65利用气压力复位来代替复位弹簧62的作用，可大大节约成本。
如图6所示，所述锥体密封装置6的自锁原理是：锥形塞61在复位弹簧62回弹推力或平衡缸65的气体压力F2作用下，锥形塞61会撞击锥形出气口的内锥面产生一个瞬间硬碰硬的撞击力F1，这个力瞬间值比较大，远大于F2，因锥角A的存在其在垂直内锥面B方向产生一个数倍大的分力F， F＝F1/cos(90-A)，这个分力F在内锥面B上产生一个较大的静摩擦力f，这个静摩擦力使锥形塞61被锥形出气口42的内锥面B紧紧的夹在一起，既能起密封作用，又能产生自锁功能。只有压力达到某一值时，才能克服这个巨大的静摩擦力使锥形塞61与锥形出气口42的内锥面B脱开，类似莫氏锥度的摩擦力紧固和密封原理，也就是说利用一个较小的力F2通过撞击和锥角的倍增关系来产生一个需要很大力才能分开的静摩擦力f，f＝F*摩擦系数。一旦分开高压气体就发生物理爆炸效果冲出膨胀爆炸室2或膨胀爆炸室。
再如图7所示，所述锥形塞61与所述锥形出气口42之间的密封为锥面密封或环线密封，锥面密封如图7a所示，所述环线密封是所述锥形塞61 的外锥面与所述锥形出气口42的内锥面至少之一设有至少一个环形凸棱422(612)，如图7b和图7c所示。
本实用新型上述爆炸式阀门的应用包括如下方面：
如图8a至图8c所示，本实用新型爆炸式阀门在叶轮动力装置200上的应用时，该爆炸式阀门的所述导流管3的末端连接所述叶轮动力装置200 上的叶轮进风口201，其中，图8a为物理式爆炸式阀门101在叶轮动力装置200上的应用时的状态，图8b为化学式爆炸式阀门102在叶轮动力装置上的应用时的状态。再如图8c所示，当叶轮动力装置上的叶轮进风口有多个时，安装时，将多个爆炸式阀门的导流管3的末端切向连接所述叶轮动力装置上的叶轮进风口，使驱动叶轮202的动力大大加强。
如图9a和图9b所示，本实用新型爆炸式阀门在导弹或火箭发动机300 上的应用时，该爆炸式阀门为复数个联排使用，且各爆炸式阀门的所述气源室1均连接一供气室301，其中，图9a为物理式爆炸式阀门101在导弹或火箭发动机上的应用，图9b为化学式爆炸式阀门102在导弹或火箭发动机上的应用。这样可将可燃气燃烧放出的能量先封闭聚集起来，做等容燃烧，再由爆炸式阀门释放而发生爆炸效果。这样热效率会大大的提高，减少燃油的消耗量。
如图10所示，本实用新型爆炸式阀门在涡轮喷气式航空发动机400上的应用时，该爆炸式阀门为化学爆炸式阀门102，其气源室1衔接在所述涡轮喷气式航空发动机400的压气机401的出气端，所述导流管3则衔接在所述涡轮喷气式航空发动机400的涡轮机402的出气端，且所述气源室1内还设有喷油嘴403，燃油通过喷油嘴403喷射生成可燃混合气，可燃混合气通过进气阀5进入膨胀爆炸室2。当满足一定的条件后火花塞点火燃烧，这时候是完全的等容燃烧，我们知道等容燃烧热效率最高，当能量聚集到一定阀值后，就发生化学爆炸效果。高速气流会带动涡轮机402的涡轮旋转，涡轮又同轴带动压气机工作。总的来说爆炸会大大提高燃气的喷射速度，进而提高推进效率和燃油的有效利用率。整个工作过程有点类似脉冲爆震式航空发动机，但脉冲爆震式航空发动机只有进气阀5，其出口是开放式的，只能做近似的等容燃烧，不是完全等容燃烧。安装本实用新型的爆炸式阀门时，喷口处可产生高达每秒数千米的气流脉冲。脉冲式爆震航空发动机其机理也是爆炸，可产生每秒近千米的燃气速度，而普通的航空发动机只有每秒数百米的速度，从推进力学原理知道，燃气流速越高推进效率也越高，热功转换效率也越高，实验证明脉冲爆震发动机比普通的压气机式航空发动机热效率提高了两倍。因此推算爆炸式阀门航空发动机热效率会高于脉冲爆震发动机。
虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本实用新型的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本实用新型的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本实用新型的权利要求所保护的范围内。