開式循環內燃機的製作方法

2023-07-05 03:58:16 2

專利名稱：開式循環內燃機的製作方法
技術領域：
本發明是一種改進的Brayton或開式循環(opencycle)型內燃機。 開式循環發動機可以被定義為一種內燃機，其中，當燃料被與壓縮空 氣混合吋，空氣的壓縮和燃料的燃燒連續發生。
產生軸功率的噴氣渦輪發動機最可以代表現有技術的開式循環發 動機。這種類型的發動機被稱為渦軸發動機，且被典型地用於供給直 升機和較大的固定翼飛機動力，因為它們有效率、重量輕，燃燒清潔， 具有多燃料性能，且旋轉平穩而沒有往復移動零件。
背景技術：
儘管具有上述特徵，但通常渦軸發動機不被普遍用於在公共運輸， 例如船舶、電車、卡車中提供動力。這主要是因為渦軸發動機製造上 很昂貴，可能高達相同馬力的往復移動式發動機價格的十倍。另外， 渦軸發動機不能很快地改變它的轉速。這是因為轉動構件被以最小的 功率驅動。遺憾的是，熱氣體的高速度會由於摩擦和湍流導致主要能 量損失，且寄生摩擦損失通常隨速度的平方增加。
因為氣體必須以非常高的速度衝擊初始列渦輪葉片，以提供葉片 最大的動能作用力，所以需要上述的近聲速的氣體速度。隨後的葉片 列利用可以與機翼上方流動的空氣產生的升程相比的反作用力產生動 力。這些葉片列在熱氣體中也需要高速度。衝擊力和反作用力都隨熱 氣體速度的增加而大大增加。因為這個原因，渦輪發動機被設計使用 儘可能高的氣體速度-僅低於會導致有害聲衝擊波形成的速度。此 外，由於這些高氣體速度引起的湍流和寄生阻力會有大量的能量損失。而且，在渦輪形式的動力部分中，由很高的氣體速度和從葉片到 葉片的熱氣體導引引起的巨大湍流導致熱量相當多地傳遞到動力部分 的零件上，這就需要它們由外來的、高溫材料製造而成，以具有足夠 的強度。
相反，本發明的改進的開式循環內燃機不使用渦輪動力部分。本 發明利用熱氣體對受限的旋轉葉片的壓力產生動力，因此不需要渦輪 所需的超高氣速，本發明的動力部分中的熱氣體速度較低，當與渦軸 發動機相比時，提供了寄生阻力的很大降低，使操作更經濟實惠。熱 氣體速度被降低且不存在葉片對葉片的導引作用提供了渦流的減少， 這也降低了從熱氣體到動力部分的金屬零件上的熱傳遞，提供了對外 來高溫材料需求的巨大減少。
在本發明中，通過利用單一有效的反向旋轉的轉子系統提取動力， 而不是利用在渦軸發動機中發現的渦輪提取動力，熱氣體速度的降低 成為可能。在循環的動力產生部分期間，此雙轉子系統提供了對燃燒 的熱氣體的本質上的正壓封裝。相比來說，通過渦輪式的動力部分的 葉片氣體流動相對自由，當它們被在葉片到葉片導引時，在湍流和阻 力中損失有用能。本發明的旋轉動力主要通過熱氣體對受限的旋轉葉 片表面的壓力，而不是通過在渦輪中使用的動學的和反作用力產生。 這消除了對具有合成高能量損失和熱傳遞的超高速氣速的需要。
本發明利用由任意的大量不同燃料產生的熱的、被加壓的燃燒氣 體施加壓力到在被嚴密限制的箱內轉動的反向-旋轉轉子上的葉片突 起表面上。與壓力被施加於其上的這些表面相反的葉片表面通過排出 口與大氣氣體連通，且合成壓差提供作用力旋轉轉子。
與在渦輪動力部分內發現的大量的導向改變相比反，在本發明的 動力部分中，熱氣體改變方向平穩且不頻繁。氣體運動的這種容易性 提供了阻力和湍流的被減少的量，且有助於提供高於渦軸發動機明顯 提高的效率。
如前面所提到的，渦軸發動機只能在非常高的成本下才能獲得， 這限制了其在軍用和商用飛機、軍用運輸例如坦克和艦船、和大型電 廠中的使用，而在這些地方，獲取費用和重建的供應在爭論中不太多。除了在渦軸發動機內需要的外來材料的高成本之外，由於渦軸發動機的高轉速也招致了額外的成本，這需要特殊的軸承和潤滑系統，在製造中不允許有誤差。
相反，本發明的動力部分具有相對較低的轉速，減少了對特殊軸承和潤滑系統的需求。另外地，在與渦軸發動機相比時，低轉速呈現的低慣性矩允許速度的改變被更容易和快速地實現。如在渦軸發動機中一樣，本發明中的速度改變是通過減少被計量進入到發動機內的燃
料的量實現的。當需要轉速極快速地改變時，額外的進氣節流可以被實行。
本發明結構簡單，對外來金屬需求很少。這些特徵幫助使其比渦輪發動機的製造更便宜得多，且因為它具有很少運動零件，它也可以比往復移動式發動機的製造大大便宜。設計中固有的低製造成本連同其空前的效率使其得到了在汽車(特別是混合型汽車)、船舶、火車、飛機、發電機中廣泛應用的機會，和在其中簡單、成本低、效率高、燃燒清潔、多燃料的發動機可以使用的其它用途。

發明內容
本發明的主要目的是提供一種開式循環內燃機，其具有高於現有技術的開式循環發動機的被增加了的燃料效率，並減少排放和降低運行成本。
本發明的另一目的是提供一種開式循環內燃機，其比現有技術的開式循環發動機製造更簡單，使製造更容易，並降低了購置成本。
本發明的另一目是提供一種開式循環內燃機，其中，與現有技術中的開式循環發動機相比，傳遞到動力部分零件上的熱量更少，降低了對外來、耐熱金屬的需要和它們伴隨的製造複雜性和成本。
本發明的另一目的是提供一種通用的開式循環內燃機，其能夠在廣泛不同的燃料下清潔、高效和安全地運行。
這些和其它目的在本發明中得以實現了，其從燃燒的熱氣體的壓力中提取動力。熱氣體的壓力被施加於葉片的表面上，葉片與反向旋轉的轉子是一體的或被剛性連接到其上面，轉子在被緊密限制的箱內旋轉。使用受限的旋轉轉子提供動力允許熱氣體相對於動力部分金屬 零件的速度，當與渦輪動力部分相比時，的很大程度上的降低。這個 速度的降低大大減小了阻力，其中阻力是速度的平方積，這相當大程 度上提高了效率。較低的氣體速度也會使得傳遞到動力部分金屬零件 上的熱量更少，這表示為熱傳遞方程式中的膜層散熱係數更低。此方 程式顯示降低熱氣體的速度會導致傳遞給相鄰零件的熱量大大減少。 降低熱傳遞的量減少或消除了對外來耐熱金屬的需要和它們伴隨的制 造成本。
在氣體被通過排氣口釋放到大氣中的循環部分期間，由於熱氣體 的膨脹和合成冷卻，本發明的動力部分中零件的額外冷卻發生了。與 這些膨脹氣體氣流連通的葉片和轉子的部分被膨脹氣體提供冷卻。相 比來說，蝸軸發動機的蝸輪零件則被持續暴露在高速熱氣體中，而對 膨脹氣體被歸因於的渦輪零件卻很少冷卻。


圖1和1A示出了本發明的開式循環內燃機的優選實施例的剖視 圖。齒輪驅動的離心式空氣壓縮機1通過壓縮空氣導管2提供壓縮空 氣到高壓腔4內，以允許通過燃燒器內襯9，在燃燒器內襯9內，壓 縮空氣被與燃料混合併點燃，這樣，燃燒就發生了。離心式空氣壓縮 機由於其高效性在此實施例中被使用。但空氣壓縮機的其它類型，包 括從本發明的燃燒氣體中提取動力的機構的實施例，也可以被使用。 在壓縮空氣和燃料點燃後，產生的燃燒熱氣體提供壓力給兩個反向旋 轉轉子13的整體空心葉片19，這兩個反向旋轉轉子13具有在轉子箱 3內以1: 1的傳動比反向旋轉的整體葉片從動腔16。
壓縮機1還通過轉子軸導管34提供冷卻用排放空氣給空心轉子軸 21以冷卻轉子和葉片。轉子齒輪28保證了這兩個轉子以相同的速度 反向旋轉，這樣，空心葉片19的末端和相鄰表面可以以相當高的精度 跟隨葉片從動腔16的表面輪廓。空心葉片19表面與葉片從動腔16 表面之間的密閉鄰接防止了燃燒氣體，在空心葉片的表面跟隨葉片從 動腔表面的循環部分期間，在所述表面之間任何大量的洩漏。在循環
8的剩餘部分期間，通過轉子外徑表面的密閉鄰接，燃燒氣體被相當大
程度上防止了從到轉子13之間流走。轉子的側面31和轉子箱3側面 的內表面之間的洩漏也通過所述表面的密閉鄰接而被相當大程度上防 止了。空心葉片19的末端和轉子箱3的內輪廓9之間熱氣體的洩漏也 通過它們表面的密閉鄰接被相當大程度上防止了 。迷宮式或其它形式 的密封可以增加一些其中熱氣體洩漏可能發生的密閉鄰接區域。動力 可以從被連接到轉子軸21上的驅動齒輪29獲得。
圖2示出了具有反向旋轉的轉子13和11的本發明的另一實施例 的剖視圖。其具有固定連接到轉子13上的實心轉子葉片12。葉片從 動轉子11包含葉片從動腔16並以2: 1的傳動比通過齒輪連接到轉子 13上，轉子13以兩倍於轉子13的速度驅動葉片從動轉子11。通過葉 片從動轉子11和葉片從動轉子箱輪廓22之間許用公差內的密閉鄰接， 燃燒的熱氣體被相當大程度上防止了在這兩者之間的洩漏。另外，迷 宮式或其它形式的密封可以增加一些其中熱氣體洩漏可能發生的密用 鄰接區域。在本實施例中具有一個葉片從動腔，但其它實施例可以提 供具有兩個或多個葉片從動腔的葉片從動轉子，且可以以除2: 1的速 度比之外的速度比被驅動，以允許葉片從動腔跟隨一個轉子葉片或多 個葉片合作。在本實施例中，轉子葉片12不被製成空心以進行冷卻， 而是通過傳導到轉子13的材料中被冷卻。通過提供轉子腔IO冷卻液， 轉子的材料被依次冷卻，冷卻液可以是通過側箱上的冷卻導管15的液 體或氣體。葉片從動轉子11也可以被製成空心以進行冷卻。
圖3示出了本發明的另一實施例的剖視圖，兩個轉子13具有整體 的葉片從動腔16。如圖2中所示，轉子葉片12不被製成空心以進行 冷卻，相反通過傳導到轉子13的材料中和通過熱氣體在葉片低壓側膨 脹而被冷卻。轉子13被製成空心，以使被通過發動機殼體側面上的冷 卻導管15引入的冷卻液可以通過轉子腔10。
在本實施例中，用於燃燒的壓縮空氣被由從排氣導管14的剩餘熱 氣體提供動力的蝸輪增壓器37提供。本實施例中的渦輪增壓器是具有 離心式壓縮機的徑向輸入型，但其它類型的蝸輪增壓器或壓縮機也可 用被使用。
具體實施例方式
圖1和1A示出了本發明的開式循環內燃機的優選實施例的剖視 圖。圖1的剖面是從通過轉子13、燃燒器內襯9和高壓強4中點的線 剖開獲得的。在圖1A中示出的轉子軸活塞23在此視圖中沒有被描述 出來。圖1A的剖面是從通過空心轉子軸的中心縱向剖開得到的。
在工作中
由其中一個轉子軸21上的驅動齒輪29驅動的離心式壓縮機1迫 使壓縮空氣通過壓縮空氣導管2並進入高壓腔4。高壓腔4將壓縮空 氣傳遞給燃燒器護罩8，其再將壓縮空氣傳導給渦旋式噴嘴7和燃燒 器內襯9。燃料被提供燃料計量噴嘴6引入燃燒區域，噴嘴6由傳統 設計的燃料計量泵供給，其在圖中沒有被示出。渦旋式噴嘴製造湍流 以均勻混合壓縮空氣和可以是液體、固體顆粒物或氣體的燃料。
燃料-空氣混合物在燃燒腔內襯內被點火器5點燃，且被與通過空 氣計量孔30進入燃燒器內襯的壓縮空氣進一步混合。引起的燃燒膨脹 的熱氣體提供壓力給與轉子13是一體的空心葉片19，轉子13反向旋 轉，即使在載荷的作用下速度也足夠快以允許燃燒內襯內充足的燃燒 壓力被釋放，保證燃燒器內襯內的壓力始終稍低於內襯外壓縮空氣的 壓力，這樣，燃燒氣體不會通過計量孔30向後排放。
在本實施例中，直徑相同的轉子13，由於固定連接到轉子軸21 上的一對轉子齒輪28的作用，以l: l的精確傳動比反向旋轉。在圖 1中，轉子在箭頭所示出的方向內圍繞描述燃燒氣體的轉子圓周旋轉。 通過葉片19的表面和葉片從動腔16表面的密閉鄰接，在它們鄰接的 旋轉部分期間，加壓熱氣體被相當大程度上防止了在葉片19和葉片從 動腔之間16洩漏。除被示出的那些之外的葉片和葉片從動腔的形狀也 可以是很有用的，只要在葉片略過葉片從動腔的循環的部分期間葉片 和葉片從動腔的表面保持鄰接。在循環期間的任何其它時候，通過轉 子13外徑的密閉鄰接，氣體被相當大程度上防止了在轉子之間的洩 漏。
通過葉片19的末端和內部發動機箱輪廓35的密閉鄰接，加壓熱
10氣體被相當大程度上防止了在所述零件之間的洩漏。通過轉子的側面
31和發動機箱3內側的密閉鄰接，加壓熱氣體也被相當大程度上防止 了在所述零件之間的洩漏。在本實施例中，為了製造容易，轉子的側 面31和發動機箱的側面3的側面二者的表面被描述為平面，同時提供 更輕的重量，所述轉子和發動機箱的側面也可以分別是凸的和凹的， 反之亦然，這樣，發動機箱的側面可以提供更高的強度以抵抗熱氣體 的壓力，同時重量更輕了。迷宮式或其它形式的密封可以被用於任意 或所有鄰接的區域，以提供燃燒氣體洩漏的額外密封。
轉子軸21被轉子軸軸承26支撐，在本實施例中它們是球軸承， 但軸承也可可以是普通型或滾子型。用於潤滑的潤滑油被圖中未示出 的傳統設計的油泵通過供油管24泵吸到軸承中。潤滑油流動到或被噴 射到軸承的轉動零件上，且通過軸承密封件27被包含在軸承外殼36 內。從壓縮機排放空氣的壓力可以被施加到軸承密封件27和發動機箱 3最裡面之間的腔內，通過密封腔口 36，以防止熱氣體洩漏出密封件。 多餘的潤滑油通過回油管25被返回封傳統設計的潤滑油冷卻器和貯 油槽中，它們在圖中沒有被示出。
轉子13、轉子軸21、轉子葉片19和葉片從動腔16被通過排放空 氣進口 34引入空心轉子軸21的壓縮機排放空氣冷卻。其它泵吸構件 和其它液體也可以被用於冷卻，例如水冷卻。空心轉子軸在它們的中 部具有轉子軸活塞23，以迫使空氣通過轉子軸活塞的空氣進入側上的 很多轉子軸導管輸送孔18，達到冷卻轉子內壁、葉片和葉片從動腔的 目的。空氣從轉子、葉片、葉片從動腔中吸收熱量，再通過轉子軸活 塞23的空氣出口側上的轉子軸導管輸送孔18流出。
壓縮機排放空氣被從排放空氣出口管33管道輸送給排放空氣進 口 34，通過導管輸送，排放空氣出口管33與高壓腔4氣體連通，這 在圖中沒有被示出。轉子葉片19具有轉子葉片排放孔17，以幫助冷 卻葉片末端和發動機箱輪廓35。在被暴露於熱氣體中的區域內使用絕 緣陶瓷或其它高溫塗層，冷卻要求可以被降低。
旋轉動力可以利用驅動齒輪29中的一個或兩個從發動機獲得。可 替代地，所述旋轉動力可以從被嵌入的轉子齒輪28中的一個或兩個獲得，動力可以被獲得用以驅動壓縮機，在這種情況下，驅動齒輪29 中的一個或兩個可以被去除。
權利要求
1. 一種開式循環內燃機，包括空氣壓縮機，燃燒器，允許燃料進入所述燃燒器的計量構件，在所述燃燒器內混合壓縮空氣和燃料的混合構件，在所述燃燒器內點燃壓縮空氣和燃料的混合物的點火構件，和從產生的燃燒氣體中提取動力的動力提取構件；所述動力提取構件包括轉子箱；與所述轉子箱的腔氣體連通的進氣口；與所述轉子箱的腔氣體連通的排氣口；大致圓柱形的第一轉子，其具有沿縱向與所述第一轉子排成一線的至少一個葉片突起，且可選地具有沿縱向與所述第一轉子排成一線的至少一個葉片從動腔；大致圓柱形的第二轉子，其具有沿縱向與所述第二轉子排成一線的至少一個葉片從動腔，且可選地具有沿縱向與所述第二轉子排成一線的至少一個葉片突起；設在所述第一轉子中心處的軸構件；設在所述第二轉子中心處的軸構件；被連接到第一轉子的軸構件上的軸承構件和被連接到第二轉子的軸構件上的軸承構件，所述軸承構件在第一轉子的軸構件和轉子箱之間以及在第二轉子的軸構件和轉子箱之間提供旋轉接合；密封構件，其防止可被用於軸承構件內的潤滑劑從所述軸承構件流出；固定連接到第一轉子的軸構件上的齒輪傳動構件；以及固定連接到第二轉子的軸構件上的齒輪傳動構件；其中，第一轉子的軸上的所述齒輪傳動構件與第二轉子的軸上的所述齒輪傳動構件嚙合，以在轉子箱內實現所述第一轉子和所述第二轉子之間的反向旋轉運動，這樣，在通過反向旋轉的齒輪傳動而將轉子的葉片突起和葉片從動腔轉動至彼此鄰接的循環期間內，所述葉片突起和葉片從動腔進入彼此精確地鄰接。
2. 根據權利要求l所述的內燃機，其中，動力提取構件的第一轉 子和第二轉子長度相等，且在轉子箱內在緯度方向上和縱向上相互對 齊。
3. 根據權利要求l所述的內燃機，其中，第一轉子的外表面的圓柱形成形部分和第二轉子的外表面的圓柱形成形部分通過轉子箱內軸 承構件的間隔而保持密閉鄰接，所述密閉鄰接使得在所述第一轉子 的外表面的圓柱形成形部分和所述第二轉子的外表面的圓柱形成形部 分鄰接的循環期間內，最小化加壓熱氣體在所述第一轉子的外表面的 所述圓柱形成形部分和所述第二轉子的外表面的所述圓柱形成形部分 之間的洩漏。
4. 根據權利要求l所述的內燃機，其中，在第一轉子的葉片突起 的外表面的一段長度和第二轉子的葉片從動腔的外表面的一段長度彼 此鄰接的循環時間期間，所述第一轉子的葉片突起的外表面的所述長 度和所述第二轉子的葉片腔的外表面的所述長度進入密閉鄰接，所述 密閉鄰接使得最小化加壓熱氣體在所述第一轉子的葉片突起的外表面 的所述長度部分和所述第二轉子的葉片從動腔的外表面的所述長度部 分之間的洩漏。
5. 根據權利要求1所述的內燃機，其中，在葉片突起的最外表面 的一段長度與轉子箱的圓柱形輪廓的內表面的一段長度鄰接的循環時 間期間，葉片突起的最外表面的所述長度與轉子箱的圓柱形輪廓的內 表面的所述長度進入密閉鄰接，所述密閉鄰接使得最小化加壓熱氣體 在葉片突起的最外表面的所述長度部分與轉子箱的圓柱形輪廓的內表 面的所述長度部分之間的洩漏。
6. 根據權利要求1所述的內燃機，其中，轉子的側面表面，包括葉片突起的側面表面和葉片從動腔的側面表面，移動進入與轉子箱側 面的內表面密閉鄰接，所述密閉鄰接使得最小化加壓熱氣體在包括葉 片突起和葉片從動腔的側面在內的轉子側面的表面與轉子箱側面的所 述內表面的之間的洩漏。
7. 根據權利要求1所述的內燃機，其中，內燃機的一些或所有零 件被製成空心的以允許液體流動進行冷卻，所述零件包括第一轉子、第二轉子、軸構件、轉子箱和葉片。
8. 根據權利要求l所述的內燃機，其中，葉片是與轉子一體的， 或是分離的且固定連接到所述轉子上。
9. 根據權利要求1所述的內燃機，其中，葉片從動腔是與轉子一 體的，或是分離的且固定連接到所述轉子上。
10. 根據權利要求1所述的內燃機，其中，轉子的軸構件是與轉 子一體的，或是分離的且固定連接到所述轉子上。
11. 根據權利要求1所述的內燃機，其中，提供轉子反向旋轉運 動的齒輪傳動構件只位於轉子的一側，或位於轉子的兩側。
12. 根據權利要求1所述的內燃機，其中，壓縮機排放空氣被允 許進入軸承的密封構件和發動機箱之間，以使處於比壓縮機排放空氣 更低壓力下的燃燒熱氣體不會通過轉子的軸構件和發動機箱之間的間 隔洩漏。 '
13. —種機構，其包括根據權利要求1所述的內燃機中的動力提 取構件，當所述機構通過軸構件的其中一個或兩個而被逆向驅動時， 所述機構可被用作空氣壓縮機或用作根據權利要求1所述的內燃機中 的空氣壓縮機。
14. 根據權利要求1所述的內燃機，其中，旋轉動力可從轉子的 軸構件的其中一個或兩個獲取。
全文摘要
一種開式循環發動機，其中，旋轉動力由熱氣體對受限的旋轉葉片的壓力產生。
文檔編號F02K3/00GK101512136SQ200780032710
公開日2009年8月19日 申請日期2007年7月12日 優先權日2006年9月5日
發明者T·M·范布拉瑞科姆 申請人:T·M·范布拉瑞科姆