CN211230639U

CN211230639U - 一种叶轮转子冲压发动机

Info

Publication number: CN211230639U
Application number: CN202020077327.XU
Authority: CN
Inventors: 谢炳炎; 谢劲松
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2020-08-11
Anticipated expiration: 2030-01-15

Abstract

本实用新型公开了一种叶轮转子冲压发动机，属于转子冲压发动机领域，主要由离心风机、冲压发动机和轴功转换机等组成。离心风机为冲压发动机提供超音速气流，冲压发动机置于离心风机和轴功转换机之间，轴功转换机将冲压发动机高速喷流转化成轴功输出。因实现了地面启动和运行从而大大扩展了冲压发动机的应用范围。

Description

一种叶轮转子冲压发动机

技术领域

本发明涉及发动机领域，尤其涉及一种叶轮转子冲压发动机。主要用于汽车增程、船舶、低速飞行器和发电等。

背景技术

航空冲压发动机具有构造简单，重量轻，功率密度极大，成本低，高速状态下经济性好等优点，但仅适用于高速飞行场景，无法在地面使用。

燃气轮机具有体积小，重量轻，启动快，能在地面使用等优点，属速度型，转速高、功率密度高，但是热效率不高，噪声大，由于叶片是立式安装，需要很高的机械强度，还需要耐高温，故制造成本很高。

其他类似现有技术

中国专利CN110239723A公开一种圆周运行的冲压发动机：旋转臂上设冲压发动机，冲压发动机像拉磨的毛驴一样，围绕旋转轴作圆周运行；其结构简单、重量轻、体积小、制造成本低；但冲压发动机高速旋转，且承受很高的离心力，要求材料强度高，供油、点火系统复杂，进气、排气问题也很多。

中国专利CN204003154U公布了一种全新结构的旋转冲压发动机：实现了旋转冲压发动机的“零速”启动，体积小，功率大，功率密度和性价比高；但结构稍复杂，冲压发动机（冲压轮）高速旋转非静止带来供油、点火系统复杂。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出一种叶轮冲压发动机，冲压发动机静止，不必旋转，其供油、点火系统相对简单，能实现地面启动和运行，大大扩展了冲压发动机的应用范围，具有重量轻、功率密度大、制造成本低、热效率高、使用寿命长等优点。本发明方案包括以下内容。

1 一种叶轮转子冲压发动机，主要构造包括离心风机、冲压发动机、轴功转换机和启动装置；离心风机为冲压发动机提供超音速气流，冲压发动机置于离心风机和轴功转换机之间，用燃料将气流加速，轴功转换机将冲压发动机高速喷流能量转化成轴功输出，启动装置能使叶轮高速旋转，用于启动；

所述离心风机包括离心叶轮和离心筒；离心筒为圆形扁筒，扁筒圆心处有进气孔用于进气，离心叶轮置于离心筒内，离心叶轮高速旋转对进气进行预压缩并在其外圆处将气体加速至超音速；

所述冲压发动机包括扩压进气口、燃烧室和尾喷口；扩压进气口和离心筒外圈的气腔连通，并对准超音速气流的来流方向；来流高速贯入扩压进气口被减速冲压后，进入燃烧室混油燃烧，燃气在尾喷口快速膨胀高速喷出，热能转化成定向动能；

所述轴功转换机包括做功叶轮和做功筒；做功叶轮置于做功筒内，做功筒为圆形扁筒，扁筒圆心处有排气孔用于排气，冲压发动机尾喷口与做功筒外圈气腔连通，该尾喷口沿外圆切线方向朝做功筒内喷入超高速气流，在筒内形成龙卷风螺旋气流，螺旋气流带动筒内做功叶轮旋转，将超高速喷流能量转化成叶轮轴功输出。

有益效果：由于离心力等原因，做功筒内外圈的气压高于内圈气压，喷流螺旋行进时气压降低，气体会继续膨胀，膨胀的气团推动前方的气流加速，热能转化成定向动能，被加速的气流推动叶轮做功后减速，动能转化成轴功，气流持续膨胀做功，直至接近圆心方结束，热能充分转化成轴功，又由于靠近圆心处叶片的线速度很低，此处的螺旋气流速度也会随之降至很低，喷流动能充分转化成轴功，因此该方案具有较高的转化效率和热效率；选择合适的叶片形状、叶片数量及叶片阵列，并对转速进行一定控制还可以进一步提高热效率；此外，该方案还具有构造简单、可靠、噪音低、制造成本低、功率密度高等优点。

2 如以上发明方案所述的叶轮转子冲压发动机，本方案特别之处在于：所述轴功转换机做功筒内的外圈处有一圆环形气道，冲压发动机的尾喷口及其整流罩置于该环形气道内，圆环形气道周边装有主做功叶片，该做功叶片卧装在做功叶轮的轮盘上，能承受高温高速气流冲击，并将大部分的超高速喷流能量转化成叶轮轴功输出；所述卧装指叶片的长边与叶轮盘连接，连接可靠、耐力大。

有益效果：圆环形气道周边的做功叶片直接面对冲压发动机尾喷口，需承受极高的冲击力和温升，制造成本高，而其它部位的叶片则相反，故分开设置可降低制造成本，此外，由于本方案主做功叶片采用卧装等原因，对材料强度要求、制造工艺要求等大大降低，故制造成本进一步降低，有助于提高转速、提高可靠性和使用寿命；本方案还使结构更紧凑、转换效率更高。

3 如以上发明方案所述的叶轮转子冲压发动机，本方案特别之处在于：所述离心风机的离心筒内的外圈处有一圆环形气道，冲压发动机的扩压进气口置于该环形气道内，圆环形气道周边装有扫气叶片，该扫气叶片固定在离心叶轮的轮盘上，能将气流扫入冲压发动机扩压进气口，能维持住圆环形气道内超音速气流的流速。

有益效果：该方案能使超音速气流更稳定、冲压效果更好、易于启动、结构更紧凑。

4 如发明方案2所述的叶轮转子冲压发动机，本方案特别之处在于：所述做功叶轮转速快于所述离心叶轮，令主做功叶片的线速度更快，使得主做功叶片和超高速喷流的相对速度降低，减少主做功叶片所受的气流冲击和温升。

有益效果：该方案能进一步降低主做功叶片制造、安装成本，提高主做功叶片使用寿命；选择合适的转速比，还能使热效率更高。

5 如发明方案2所述的叶轮转子冲压发动机，本方案特别之处在于：所述做功叶轮直径大于所述离心叶轮，令主做功叶片的线速度更快，使得主做功叶片和超高速喷流的相对速度降低，减少主做功叶片所受的气流冲击和温升。

有益效果：该方案能进一步降低主做功叶片制造、安装成本，有助于提高可靠性和使用寿命；选择合适的直径比，还能使热效率更高。

6 如以上发明方案所述的叶轮转子冲压发动机，本方案特别之处在于：所述做功叶轮还包括副做功叶轮，装于做功叶轮对面，高速喷流在两个叶轮之间沿螺旋路径向圆心排气孔方向行进，沿途反复推动其两侧的叶轮叶片，能更充分的将喷流能量转化成叶轮轴功输出。

有益效果：能量转化更充分，热效率提高，还有助于缩小发动机尺寸，提高功率密度。

7 如以上发明方案所述的叶轮转子冲压发动机，本方案特别之处在于：所述做功叶轮包括做功叶片和叶轮盘，做功叶片均卧装于叶轮盘上；所述卧装指叶片的长边与叶轮盘连接，使连接可靠、耐力大。

有益效果：能减少叶片数量，安装牢固、可靠性高、成本低。

8 如以上发明方案所述的叶轮转子冲压发动机，本方案特别之处在于：还包括尾气温度探测器和控制单元；尾气温度探测器能对所述发动机尾气温度进行有效探测，控制单元能根据探测到的尾气温度调整负载大小，将发动机叶轮转子的转速控制在经济转速，从而获得较高的热效率；所述经济转速指尾气温升较小时对应的叶轮转子的转速，这时热效率较高。

原理是，由于空燃比相对固定，气流中单位重量气体能量增加值相对固定，热效率越高，单位重量尾气的剩余能量增加值则越少，由于尾气流速很小，故尾气能量主要为热能，而单位重量气体的热能和其温度成正比，故尾气温升也越小，即热效率和尾气温升负相关，因此，使尾气温升小可以获得较高的热效率。

有益效果：提供一种提高热效率的方案，能大幅提高发动机的热效率，节能减排。

本发明的有益效果

本发明结构简单可靠、体积小、功率密度大、热效率高、噪音小、制造成本低、使用寿命长，可静地使用。可以适应多种燃料，包括氢气、天然气等绿色能源。

根据本发明，接下来将参照附图进行详细说明，以便更充分地理解本发明及其他特征和优势。

附图说明

图1是实施例中，发动机的结构剖面示意图；

图2是实施例中，离心叶轮示意图；

图3是实施例中，冲压发动机顶视图；

图4是实施例中，做功叶轮示意图

图中：1、离心风机；11、进气口；12、离心叶片；13、盆形叶轮盘；14、扫气叶片；15、副叶轮盘；16、离心筒；2、冲压发动机；21、扩压进气口；22、燃烧室；23、尾喷口；24、扩压进气口整流罩；25、尾喷口整流罩；3、轴功转换机；31、盆形叶轮盘；32、主做功叶片；33、做功叶片；34、副做功叶片；35、副叶轮盘；36、排气口；37、做功筒。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例

本实施例提供一种优选的叶轮冲压发动机技术方案，主要适用于汽车增程、船舶、低速飞行器和发电，具体如下。

如图1所示，发动机主要由离心风机（1）、冲压发动机（2）和轴功转换机（3）等组成；离心风机（1）为冲压发动机冲压发动机（2）提供超音速气流，冲压发动机（2）置于离心风机（1）和机轴功转换机（3）之间，轴功转换机（3）将冲压发动机（2）高速喷流转化成轴功输出。

如图1、图2所示，所述离心叶轮由盆形叶轮盘（13）、离心叶片（12）、扫气叶片（14）和副叶轮盘（15）组成，离心叶片（12）和扫气叶片（14）之间形成一环形气道，冲压发动机（2）的扩压进气口（21）及其整流罩（24）置于该环形气道内；离心叶轮高速旋转，气体从进气口（11）进入离心筒（16），经离心叶轮加速和预压缩，在环形气道内形成超音速气流，为冲压发动机（2）正常工作创造条件。

如图1、图3所示，所述冲压发动机（2）主要由扩压进气口（21）、燃烧室（22）和尾喷口（23）组成，斜置于离心风机（1）和轴功转换机（3）之间；超音速来流高速贯入扩压进气口（21）被减速冲压后，进入燃烧室（22）混油燃烧，燃气在尾喷口（23）快速膨胀高速喷出，热能转化成定向动能；超高速喷流在做功筒（37）内形成龙卷风螺旋气流，螺旋气流带动筒内做功叶轮旋转，将喷流能量转化成叶轮轴功输出。

如图1、图4所示，所述做功叶轮由盆形叶轮盘（31）、主做功叶片（32）、做功叶片（33）组成，主做功叶片（32）卧装在做功叶轮的轮盘（31）上，能承受高速气流冲击；所述做功叶轮还包括副做功叶轮，该叶轮由副叶轮盘（35）和副叶轮（34）组成，和做功叶轮同步工作，副做功叶片（34）和做功叶片（33）的数量、阵列方式相同，但角度错开，使得喷流沿螺旋轨道行进的同时能左右摆动，这样能使气流顺畅，并增加能量转化效果；主做功叶片（32）和做功叶片（33）之间形成一环形气道，冲压发动机的尾喷口（23）及其整流罩（25）置于该环形气道内；超高速喷流首先推动主做功叶片（32）做功，大部分的喷流能量转化成轴功输出；高速气流继续螺旋行进，推动两侧的做功叶片（33）和副做功叶片（34）做功，直至接近圆心做功方结束；尾气最终从排气口（36）排出，做功循环结束。

有益效果：由于离心力等原因，做功筒（37）内外圈的气压高于内圈气压，喷流螺旋行进时气压降低，气体会继续膨胀，膨胀的气团推动前方的气流加速，热能转化成定向动能，被加速的气流推动叶轮做功后减速，动能转化成轴功，气流持续膨胀做功，直至接近圆心方结束，热能充分转化成轴功，又由于靠近圆心处叶片的线速度很低，此处的螺旋气流速度也会随之降至很低，喷流动能充分转化成轴功，因此该方案具有较高的转化效率和热效率；选择合适的叶片形状、叶片数量及叶片阵列，并对转速进行一定控制还可以进一步提高热效率；此外，该方案还具有构造简单、可靠、噪音低、制造成本低、功率密度高等优点。

本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种叶轮转子冲压发动机，其特征在于：包括离心风机、冲压发动机、轴功转换机和启动装置；离心风机为冲压发动机提供超音速气流，冲压发动机置于离心风机和轴功转换机之间，用燃料将气流加速，轴功转换机将冲压发动机高速喷流能量转化成轴功输出，启动装置能使叶轮高速旋转，用于启动；

2.如权利要求1所述的叶轮转子冲压发动机，其特征在于：所述轴功转换机做功筒内的外圈处有一圆环形气道，冲压发动机的尾喷口及其整流罩置于该环形气道内，圆环形气道周边装有主做功叶片，该做功叶片卧装在做功叶轮的轮盘上，能承受高温高速气流冲击，并将大部分的超高速喷流能量转化成叶轮轴功输出；所述卧装指叶片的长边与叶轮盘连接，连接可靠、耐力大。

3.如权利要求1或2所述的叶轮转子冲压发动机，其特征在于：所述离心风机的离心筒内的外圈处有一圆环形气道，冲压发动机的扩压进气口置于该环形气道内，圆环形气道周边装有扫气叶片，该扫气叶片固定在离心叶轮的轮盘上，能将气流扫入冲压发动机扩压进气口，能维持住圆环形气道内超音速气流的流速。

4.如权利要求2所述的叶轮转子冲压发动机，其特征在于：所述做功叶轮转速快于所述离心叶轮，令主做功叶片的线速度更快，使得主做功叶片和超高速喷流的相对速度降低，减少气流对主做功叶片冲击。

5.如权利要求2所述的叶轮转子冲压发动机，其特征在于：所述做功叶轮直径大于所述离心叶轮，令主做功叶片的线速度更快，使得主做功叶片和超高速喷流的相对速度降低，减少气流对主做功叶片冲击。

6.如权利要求1、2、４、5任意一项所述的叶轮转子冲压发动机，其特征在于：所述做功叶轮还包括副做功叶轮，装于做功叶轮对面，高速喷流在两个叶轮之间沿螺旋路径向圆心排气孔方向行进，沿途反复推动其两侧的叶轮叶片，能更充分的将喷流能量转化成叶轮轴功输出。

7.如权利要求1、2、４、5任意一项所述的叶轮转子冲压发动机，其特征在于：所述做功叶轮包括做功叶片和叶轮盘，做功叶片均卧装于叶轮盘上；所述卧装指叶片的长边与叶轮盘连接，连接可靠、耐力大。

8.如权利要求1、2、４、5任意一项所述的叶轮转子冲压发动机，其特征在于：还包括尾气温度探测器和控制单元；尾气温度探测器能对所述发动机尾气温度进行有效探测，控制单元能根据探测到的尾气温度调整负载大小，将发动机叶轮转子的转速控制在经济转速；所述经济转速指尾气温度较低时对应的叶轮转子的转速，这时热效率较高。