透平式氮氣輪機的製作方法

2023-10-05 18:35:14 2

專利名稱：透平式氮氣輪機的製作方法
技術領域：
本實用新型專利涉及發動機製造領域，具體地涉及以氮氣為介質的發動機系統的 原動機部分。
背景技術：
當前，在用的發動機(車用、船用、內燃發電機、飛行器、礦山用機、摩託車)，尤其 是在公路上行駛的汽車大都是採用燃料型動力發動機，有一部分是電動型的發動機。眾所 周知，能源枯竭、環境汙染、溫室效應三大公害正越來越嚴重地威脅著人類的生存環境，同 時也極大地制約著世界經濟的發展步伐。為此，人們迫切地希望能有一種(或多種)價廉並 且充足的能源(或資源)可以取代這些有限的天然能源，來滿足人類生產、生活的需求，以 彌補天然能源不足，並且能起到減輕環境汙染的作用，以及降低溫室效應對人類造成的危 害。同時，由於傳統燃料易燃易爆的特性給人們帶來的災難不勝枚舉，因此人們還希望這些 能源(或資源)能有較為安全的特性，使人類能在安全的環境中工作和生活，而不必每天生 活在恐懼之中。凡此種種，可見人類渴望耐以生存的環境能得到有效的改善，並且還希望能 將這些有限的天然能源利用到更加需要的其它領域，以促進經濟的可持續發展。眾所周知， 氮氣佔空氣體積的78%，是自然界中取之不盡用之不竭的自然資源，它不受國界、地域、時 空的限制，只要人們需要就可以隨時隨地取來享用或利用，它是與人類休戚相關、接觸最親 密無間的物質。如果設計出一種能利用氮氣這種即價廉又充裕的資源作為動力的發動機， 以替代原來的能源型發動機，伴隨著人們的生產、生活和工作，將會給世界的未來提供一片 光輝燦爛的前景，這是人類多少年來夢寐以求的夙願。這個願望的實現，將造福於人類、造 福於世界、造福於子孫萬代。技術特性本實用新型專利的目的就是針對上述這種背景技術的前提下，旨在提供一種在空 氣動力學的原理下，巧妙地利用氮氣的物理特性，設計出一種不必使用燃料能源、僅僅把氮 氣作為介質，並利用氮氣的相變過程，通過本發明——透平式氮氣輪機的特殊結構的作用， 將周圍環境中的熱能，持續不斷地轉變成機械能，以成為驅動機械連續運行做功的動力。本實用新型是通過以下技術方案來實現的前面提到，氮氣在空氣中的體積含量約佔78 %，其化學性質不太活躍，是一種惰性 氣體，在一般條件下不容易發生化學反應，並且非易燃易爆，儲存、運輸及使用都非常方便 和安全。從目前來說，氮氣也是不受限制開發和利用的氣體。而以當前科技發展的水平來 講，氮氣的低溫液化也已經是很成熟的技術，若將低溫液氮通過專用汽化器與外界進行熱 交換，不斷地從環境溫度中吸收熱量，以提高其自身的溫度和內能，然後將具有一定壓力能 的氮氣導入透平式氮氣輪機的特殊結構(設置有渦輪、動葉輪和靜葉輪)中，使其在機內多 次膨脹做功，使輪軸得到進一步加速旋轉，就可將氮氣的內能轉變成動能，加速後的輪軸， 通過連軸機構進而帶動其它機器運行。這樣一來就可以將氮氣中積聚的內能轉換成機械 功輸出了。而氮氣本身在此過程中並不發生燃燒類的物理——化學變化，因此，不會有燃燒後生成的那些有害物質排出，也沒有熱量放出；相反，由於熱平衡的作用還要繼續從環境中 攝取大量的熱量來補充做功時所消耗的能量，從而降低了環境的溫度。氮氣在此過程中僅 僅起到作為能量轉換的載體的作用。本透平式氮氣輪機的結構特點是為了克服透平式機械因單向軸向力產生的不利因素，並儘可能地提高氮氣輪機的 工作效率，故本透平式氮氣輪機的氣流方向，是採用從進氣蝸殼的中部切向進氣，然後同時 向左、右兩方軸向流動，通過在渦輪和動葉輪流道中膨脹，驅動轉軸旋轉，由機體兩端的排 氣蝸殼向機外切向排氣的方式。在本透平式氮氣輪機中，有作為進氣通道並形成渦流的進氣蝸殼，在進氣蝸殼內 裝有導流器、渦輪和輪軸，在輪軸上裝有多級不同規格的動葉輪、定位輪及用以調整輪軸與 排氣蝸殼的軸向間隙的調整墊圈，在進氣蝸殼兩側裝有與環境進行進一步熱交換的機體， 在機體內裝有多級不同規格、用以控制氣體流向的靜葉輪，還裝有阻止氣流洩漏的多種規 格的密封墊和密封環，有供向外界排氣的蝸殼、排氣管等。由上可知，採用透平式氮氣輪機的好處是1、因本機所使用的工作介質一氮氣，是自然界中含量最多，取之不盡用之不竭 的天然資源，它不受國界、地域和時空的限制。只要人們需要，就可以隨時隨地建廠取來享 用和利用，誰也無法對它進行封鎖和控制。真正可以說是人類共同所有的資源，不必擔心 被別人所獨佔或受控制，也不用擔心枯竭而帶來的價格飛漲和成本的提高。據有關資料統 計，目前因製取生產、生活和科研需要的液氧和多種稀有氣體而伴生的液氮只有約10%的 被利用，而90%的則被白白地排回大氣中，由此可見，能源的浪費是何等巨大。氮氣輪機首 先可以把這部分被排放的液氮利用來驅動機器，可減少能源的浪費。2、使用氮氣為工作介質替代燃料能源來驅動機械做功，可以節省大量的燃料能 源，而這些珍貴有限的燃料能源作為化工原料還可以應用到其它更加需要的領域，以生產 人們喜愛的各種新產品。因為氮氣在透平式氮氣輪機內工作後沒有變成、也沒有生成新的 物質，故其質量也不會減少，因此經工作後被排回自然界的僅僅是恢復了常態的氮氣，可以 反覆地繼續利用。不像燃料能源燃燒後就再也不能回到原來的狀態。因此，透平式氮氣輪 機可以應用到一切需要提供動力原動機的動力設備和運輸設備上，包括車用(轎車、公共 汽車、載重汽車、工程車、麵包車、摩託車等)、農用機械、船用動力機、微型發電機、飛行器、 礦山機械、林業機械等。由此可見，本發明確實能起到節約能源的作用，可以減輕能源枯竭 給人類造成的恐慌。3、由上可知，氮氣在完成的每個工作周期中，本身並未發生化學變化，也不生成任 何新的物質，它在此過程中它僅僅起到作為能量轉換的載體的作用，並沒有排出對環境產 生汙染的物質。而且，在工作中的氮氣仍然是氮氣，從自然界來講，氮氣的總量並未減少。而 工作後排向大氣中的「廢氣」僅僅是略低於常溫的氮氣而已，並不會對環境造成汙染，故可 以起到保護環境的作用。4、由於氮氣的化學性質不太活躍，是一種惰性氣體，在一般條件下不容易發生化 學反應，是非易燃易爆的物質，儲存和運輸都非常方便，使用也比較安全，不會發生燃燒、爆 炸等危及人們生命和財產安全的事故，使人們遠離燃爆災害的威脅，因此，是人們樂意使用 的物質。由此可知，其安全特性是燃料能源所無法比擬的。[0015]5、近年來溫室效應給人類帶來的災害和造成的危害都是有目共睹的。因此，人們 也越來越重視溫室效應的影響，以降低其危害的程度，並儘可能地減輕其造成的損失。因氮 氣從液態變成零度時的氣態，其體積要膨脹640多倍，如此，就要以熱平衡的方式從外界攝 取大量的熱量，以促使其內能的增加，若恢復到環境溫度時其吸收的熱量則會更多，此時其 體積擴大的倍數更大。在工作後排出的是略低於常溫的氮氣，同時，還要繼續從環境中吸取 大量的熱量，繼續進行熱平衡，以促進其內能的提高。由此可知，其低溫效應是顯而易見的， 可以起到降低環境溫度的作用。若將本透平式氮氣輪機裝在需要降溫的地方，還能起到低 溫空調的作用。6、由本透平式氮氣輪機中介質的工作過程可知，本機採用的是透平式機械結構， 若將其與內燃機或往復式機械相比，其結構就顯得特別簡單，可使零件數量大大減少，質量 也可以大大地減輕了，這樣就能極大地降低機器的材料成本和製造成本，從這個角度來講， 還減少了原材料生產時和機器製造時的能耗。以目前機械加工設備的性能和操作水平來 講，完全可以做到，從加工工藝上來說也是非常可行的，很便於推廣應用。

圖1是本透平式氮氣輪機的外形圖；圖2是本透平式氮氣輪機右側剖面的結構示意圖(機內的透平級數僅供讀者理解 本專利特徵時參考，並非唯一定值)；圖3是本透平式氮氣輪機進氣蝸殼的外形示意圖；圖4是本透平式氮氣輪機進氣蝸殼的剖面示意圖；圖5是本透平式氮氣輪機渦輪的外形示意圖；圖6是本透平式氮氣輪機導流器的外形示意圖；圖7是本透平式氮氣輪機動葉輪的外形示意圖；圖8是本透平式氮氣輪機靜葉輪的外形示意圖；圖9是本透平式氮氣輪機排氣蝸殼的外形示意圖；圖10是本透平式氮氣輪機排氣蝸殼的剖面示意圖。附圖標記說明1、中軸承2、左機體3、進氣蝸殼4、渦輪5、導流器6、密封環7、右機體8、靜葉輪9、 定位輪10、密封墊11、動葉輪12、排氣蝸殼13、螺釘14、排氣管15、調整墊圈16、軸承17、軸 承蓋18輪軸。
具體實施方式
如圖1、圖2所示，介質氣體從中部進氣蝸殼3的切向進氣口進入，在進氣蝸殼3內 流道的作用下形成渦流，並分別向左右兩個方向流去，在兩側導流器5的作用下分別射向 兩側的渦輪4，並推動渦輪4旋轉，因渦輪4是固定在輪軸18上的，於是就帶動了輪軸18同 步旋轉；從兩側的渦輪4出來的氣體隨後分別進入相鄰的靜葉輪8，在靜葉輪8上流道的導 向下進入相鄰的動葉輪11，並在動葉輪11的流道中膨脹做功，產生使動葉輪11旋轉的力， 動葉輪11也是固定在輪軸18上的，這樣就使輪軸18得到加速；氣流多次反覆地在不同規 格的靜葉輪8的導向下進入相鄰的動葉輪11的流道中膨脹，這樣交替地穿行並膨脹，從而步的加速，這就使多級透平多級膨脹的效果得到極大的發 揮，因而可使氮氣輪機的效率獲得儘可能大的提高。由於在右機體7和左機體2的外殼上 設置有很多條筋片，它們既有從機體外的環境中不斷地吸收熱量、繼續升溫來補充已損耗 的能量的作用，還可以起到增加機體強度的效果，故氣流在機內流動時仍然得到不斷地升 溫以補充已損耗的能量；氣流最後經排氣蝸殼12的流道和排氣管14排至大氣中。在本透 平式氮氣輪機上裝在進氣蝸殼3上的中軸承1考慮到工況的需要，採用的是含油軸承，而在 兩端的排氣蝸殼12上根據設計的需要、並考慮到裝配的工藝性，故裝在兩端的軸承16採用 的是圓錐滾子軸承。定位輪9用以控制動葉輪11的定位。調整墊圈15用以調整輪軸18 與排氣蝸殼的軸向間隙。採用密封墊10和密封環16的目的是用以減少氣流的級間洩漏， 以避免能量的損失。其中，渦輪4、動葉輪11、靜葉輪8的尺寸大小、透平的級數和葉片形 狀、葉片數量系根據輸出功率需要來設計的，導流器5的流道數、流道截面和射流角度是根 據工況需要進行設定的，以求獲得儘可能高的工作效率，而把能量的損失降到最低點。 上面對本實用新型專利進行了詳細的介紹，本說明書是根據本專利之透平式氮氣 輪機的工作原理、結構形式及實施方式進行闡述的，以上的闡述只是用於幫助理解本專利 的核心思想及其實施方法；並非是對本專利的技術核心及使用範圍的限制。因此，凡是依據 本專利的技術實質或說明書附圖，對以上實施所作的任何修改、類似變化或修飾，均仍屬於 本實用新型專利技術方案的範圍之內。同時，對於從事本領域的工作人員，依據本專利的思 想和工作原理，在具體實施方式
及應用範圍上所作的任何擴展及延伸，都應視為對本實用 新型專利構成了侵權的行為。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本實用新型專利的限 制。
權利要求本透平式氮氣輪機是一種專為氮氣發動機系統提供動力的原動機，其特徵在於，所述的透平式氮氣輪機系採用臥式圓柱體外形，內部為透平式機械結構，從設在中部的進氣蝸殼的切向進氣，向兩端軸向流動的方式進行工作，在進氣蝸殼兩側的內部分別設有左、右導流器；左、右機體分別設置於進氣蝸殼的兩個側面上，在左、右機體的內部分別間隔地裝有多級左、右靜葉輪，在機內裝有轉軸，在轉軸上裝有左、右渦輪，並分別間隔地裝有多級左、右動葉輪與多種不同規格的定位輪和調整墊圈，左、右機體的端部分別裝有左、右排氣蝸殼；在左、右排氣蝸殼上分別裝有排氣管，在機內裝有阻止介質洩漏的密封墊和減少級間壓降、減少能量損失的密封環。
2.根據權利要求1所述的透平式氮氣輪機，其特徵在於，所述的透平式氮氣輪機的進 氣蝸殼上設置有徑向的介質進口和使介質形成渦流的流道；介質氣流則從進氣蝸殼兩邊的 出口經左、右導流器分別射向左、右渦輪。
3.根據權利要求1所述的透平式氮氣輪機，其特徵在於，所述的透平式氮氣輪機的左、 右機體和進氣渦殼是做成分體而用螺釘連接裝配成一體的形式；同時，在左、右機體的外殼 上設置有很多條筋片。
4.根據權利要求1所述的透平式氮氣輪機，其特徵在於，所述的透平式氮氣輪機的機 體內分別裝有多級不同規格，用以控制氣體流向的左、右靜葉輪，在機內還裝有轉軸，在轉 軸的相應位置上還間隔地裝有多級不同規格的左、右動葉輪和定位輪。
5.根據權利要求1所述的透平式氮氣輪機，其特徵在於，所述的透平式氮氣輪機的渦 輪是由輪心和渦葉構成，動葉輪是由動葉和輪心構成，靜葉輪上有多條用以控制介質流向 的流道，導流器上設置有特定射流角度及截面的噴嘴。
6.根據權利要求1所述的透平式氮氣輪機，其特徵在於，所述的透平式氮氣輪機的渦 輪、動葉輪和靜葉輪的葉片與各自輪殼的結合，可依據生產加工的能力和工藝條件做成整 體式或是分體式的。
7.根據權利要求1所述的透平式氮氣輪機，其特徵在於，所述的透平式氮氣輪機在左、 右機體的端部連接有左、右排氣蝸殼，在排氣蝸殼中設置有排氣流道，在各排氣蝸殼上都設 置有二處排氣孔，通過排氣管接至機外。
專利摘要本實用新型公開了一種不使用燃料能源，而是用氮氣做工作介質，利用它的物理特性，為機械設備提供動力的原動機——透平式氮氣輪機。該機採用臥式圓柱體外形，內部為透平式機械結構由機體、進氣蝸殼、排氣蝸殼、渦輪、導流器、輪軸、多級靜葉輪和動葉輪構成。介質從進氣蝸殼切向進入機內，在渦輪、靜葉輪和動葉輪的作用下，經過多級膨脹將機外環境中的熱能轉變成機械能，驅動機械運行。這是運用現代科學技術對發動機領域不使用燃料能源的一種新嘗試，是多學科知識的結晶，是前所未有的創新。本實用新型的應用和推廣，可以減輕能源枯竭、環境汙染、溫室效應、燃爆事故四大公害對人類生存環境構成的威脅，具有節能、環保、安全和低溫效應四大功效。
文檔編號F01D1/04GK201661318SQ20092026639
公開日2010年12月1日 申請日期2009年11月11日 優先權日2009年11月11日
發明者林世鴻, 林芝 申請人:林芝