專利名稱：新的燃?xì)鉁u輪機(jī)的制作方法
新的燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)明領(lǐng)域燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)明背景現(xiàn)在的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)有很好的性能，再提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能受到壓氣機(jī)喘振與渦輪溫度的限制。燃?xì)廨啓C(jī)(渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī))，在地(水)面交通工具中使用，受兩個(gè)因 素限制，1是燃?xì)廨啓C(jī)造價(jià)高，渦輪葉片是用耐高溫材料制成，多是貴重金屬造的；2是耗油 量大?，F(xiàn)在的燃?xì)廨啓C(jī)高溫葉片冷卻空氣是從葉片內(nèi)部進(jìn)入的，受熱面與冷卻面不重合， 葉片加熱部分總有和冷卻空氣接觸不到的地方，造成局部強(qiáng)度不足，引起問題，冷卻效果不 好，不可能把高溫葉片溫度降低到5、6百度。為了不燒壞發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的大部分壓 縮空氣沒有參與燃燒，用來冷卻燃燒室和葉片，同時(shí)高溫燃?xì)馔淇諝鈸胶?，降低燃燒室?口的燃?xì)鉁囟?，大量的功浪費(fèi)了。壓氣機(jī)與渦輪機(jī)有兩個(gè)不匹配，流量不匹配與轉(zhuǎn)速不匹 配，當(dāng)任一不匹配發(fā)生時(shí)都有可能發(fā)生喘振。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)為了冷卻燃燒室和渦輪葉片要用 大量的壓縮空氣來隔熱、散熱，有時(shí)竟高達(dá)20%以上，也可以理解為壓縮空氣泄露了 20% 左右?，F(xiàn)代的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)一直在追求著高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速，高溫高壓是提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的 有效手段，高壓只能通過多級(jí)或高轉(zhuǎn)速來獲得，又以高轉(zhuǎn)速效果最好。在高溫下，任何金屬 的強(qiáng)度都要下降，現(xiàn)在的技術(shù)，對(duì)于理想中的高溫還是相差甚遠(yuǎn)，在高壓條件下，壓縮空氣 已經(jīng)達(dá)到幾百度的高溫，噴入燃料，燃燒以后，溫度達(dá)到2000°C -3000°C是應(yīng)該的，目前的 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口處的溫度還沒有超過1700°C。現(xiàn)在的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，壓縮以后的高壓空 氣，也只有40%左右的空氣被燃燒，還有40 %以上的高壓空氣，沒有參與燃燒，不是不想， 而是不能，有關(guān)資料介紹，和渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的加力燃燒都能證明這一點(diǎn)?，F(xiàn)在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī) 的效率在30% -40%。壓氣機(jī)喘振是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的頑癥，壓氣機(jī)壓力越高，發(fā)生喘振的可能 性越大，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)轉(zhuǎn)，目前的技術(shù)是在壓氣機(jī)前幾級(jí)定子葉片采用可調(diào)，在容 易發(fā)生喘振的時(shí)候減少進(jìn)氣量，減少喘振發(fā)生。另一項(xiàng)技術(shù)就是在壓氣機(jī)中間級(jí)放氣，消除 喘振。共同點(diǎn)都是減少壓氣機(jī)出口流量，降低壓氣機(jī)的工作能力。壓氣機(jī)的喘振是由于壓 氣機(jī)以后的通道流通不暢，流量減少造成的，還有一項(xiàng)技術(shù)是渦輪定子葉片可調(diào)，但只能減 少流通面積，不能增加面積，調(diào)控能力有限?，F(xiàn)在的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比是不可變的，多大的 渦輪轉(zhuǎn)速，對(duì)應(yīng)著多大的壓比，油門決定著速度，明知高壓比下發(fā)動(dòng)機(jī)效率高，但目前發(fā)動(dòng) 機(jī)的結(jié)構(gòu)限制在半工況下無法達(dá)到高壓比，也就是在半工況下無法降低油耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種新的冷卻渦輪葉片的方法，將渦輪進(jìn)氣通道分為兩 部分，一部分進(jìn)高溫高壓氣體來作功，另一部分通道與大氣相通，來冷卻葉片。結(jié)構(gòu)如圖1、 圖2、圖3。冷熱通道間的密封不是很重要，根據(jù)帕努利定理，熱通道內(nèi)的速大壓小，只能從 外界吸入冷空氣，高溫高壓氣體在速度的慣性下，不會(huì)從縫隙中泄出，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率 和使用安全。為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在熱通道中被過度加熱，可以將冷熱通道設(shè)計(jì)成2個(gè)、 3個(gè)或多個(gè)，能及時(shí)冷卻葉片，使葉片的工作環(huán)境更好，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和壽命，并有降 噪的作用。本發(fā)明帶來的好處是1、加熱面和冷卻面是同一個(gè)面，溫差大，散熱好，冷卻效果 好。設(shè)計(jì)調(diào)整冷進(jìn)氣通道的面積，就可以控制葉片的溫度。2是葉片溫度低，高溫渦輪可以 用普通鋼材、鋁材來制作，大大降低了渦輪的制造難度和材料費(fèi)，制造成本大幅下降。3是 壓氣機(jī)中的壓縮空氣大部分用來燃燒，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，減少了壓縮空氣的非燃燒使用產(chǎn)生的浪費(fèi)。4是渦輪轉(zhuǎn)子的制作成本低，使得燒煤粉、煤漿的燃?xì)廨啓C(jī)成為可能。使用幾千小時(shí)，就換新渦輪，在發(fā)動(dòng)機(jī)總的使用成本中，90%以上的成本為燃料費(fèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)的購 費(fèi)成本只占百分之幾，所以換渦輪模塊是可行的，經(jīng)濟(jì)的。5如果采用現(xiàn)在使用的耐高溫材 料做的渦輪葉片，發(fā)動(dòng)機(jī)可以工作在更高的溫度下，帶來提高推重比，降低油耗等多方面的 好處。本發(fā)明中所說的渦輪，不光能用在燃?xì)鉁u輪機(jī)，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)中，還可以用在渦輪增 壓器上，在地面運(yùn)行，燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)可以是這樣的，燃燒室、高溫定子葉片用水冷，高溫渦 輪轉(zhuǎn)子葉片用風(fēng)冷，這樣成本更低，工作更可靠。當(dāng)然也可以用在高空，用在軍用飛機(jī)上，保 持原冷空氣從葉片中流動(dòng)冷卻的結(jié)構(gòu)，加外冷卻的通道冷卻的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出一個(gè)解決 壓氣機(jī)喘振的技術(shù)，根據(jù)壓氣機(jī)的流量特性，擴(kuò)大或縮小壓氣機(jī)出口以后的流通通道面積 或者說是擴(kuò)大燃燒室出口面積和渦輪進(jìn)口面積，降低流通阻力，增大流量，避免進(jìn)氣節(jié)流與 壓氣機(jī)放氣損失。本發(fā)明就是用一可調(diào)燃燒室出口，渦輪流通通道的裝置，調(diào)節(jié)流量來保證 發(fā)動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)行。燃燒室出口與噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的可調(diào)噴口原理一樣，一個(gè)擋板的角度大小調(diào) 整流量。在渦輪中有2組擋塊，調(diào)整1組擋塊就可調(diào)整渦輪機(jī)的流通面積，結(jié)構(gòu)如圖3。擋 板與擋塊同步活動(dòng)。當(dāng)采用本發(fā)明以后，壓氣機(jī)與渦輪不在一根軸上，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速越高，增 壓壓力越大，渦輪轉(zhuǎn)速低一點(diǎn)，扭力會(huì)大一些，離心力小一些，效率會(huì)高一點(diǎn)。比如在小油門 時(shí)，采用可變速機(jī)構(gòu)，可在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速大一點(diǎn)工況下工作，在大油門時(shí)，可在轉(zhuǎn)速比小一點(diǎn) 的工況下工作，以發(fā)揮出發(fā)動(dòng)機(jī)最大的功率。發(fā)動(dòng)機(jī)只有在最大功率時(shí)耗油量最小，半工況 時(shí)，經(jīng)濟(jì)性差，為什么？可以用內(nèi)燃機(jī)的原理來說明，我們知道，壓縮比越大越省油，這就是 柴油機(jī)比汽油機(jī)省油，特別是半工況，內(nèi)燃機(jī)的特點(diǎn)是不管油門大小壓縮比不變，渦輪發(fā)動(dòng) 機(jī)就不一樣了，半工況，轉(zhuǎn)速要降低，壓比要降低，熱效率要降低，耗油量增大，經(jīng)濟(jì)性變差， 如果轉(zhuǎn)速不降低，改變速比就可在半工況壓氣機(jī)工作在高速區(qū)，熱效率高，耗油量低，燃?xì)?渦輪機(jī)半工況耗油大的難題就這樣解決了。渦輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)慢轉(zhuǎn)時(shí)溫度高的難題也解決了， 為什么要變速比？如果在大油門下不降低壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速，壓氣機(jī)就會(huì)超轉(zhuǎn)，發(fā)生破壞。有可變 速比齒輪機(jī)構(gòu)可以使油門對(duì)轉(zhuǎn)速的變化有選擇，噴氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比是按最大功率設(shè) 計(jì)，當(dāng)轉(zhuǎn)速可變，渦輪進(jìn)口面積可調(diào)，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能將會(huì)有質(zhì)的變化，冷卻渦輪遇到交變負(fù) 荷，疲勞負(fù)荷加大，又因工作溫度降低，材料強(qiáng)度加大，問題并不是不可克服的，加上渦輪形 狀的改變，上述目標(biāo)能達(dá)到。壓氣機(jī)軸與渦輪機(jī)軸之間有兩組(4個(gè)齒輪)，工作時(shí)只用一 組2個(gè)。采用本發(fā)明以后，功率與相似壓氣機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)提高近3倍，現(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)因渦輪溫 度的限制，只能用1/3左右的壓縮空氣燃燒，把壓縮空氣全用在燃燒上，功率增大3倍左右。 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，燃燒室出口的通道加大，有利于點(diǎn)火，點(diǎn)火成功后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)起來，流通增 大，使啟動(dòng)時(shí)發(fā)生喘振可能減少，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)由慢速，加速到中速以后，減小燃燒室出口以后 流通通道，增加阻力，提高壓氣機(jī)出口壓力，增加功率到最大時(shí)，增加燃燒室出口以后流通 通道，適應(yīng)流量增大的要求，減小油門時(shí)，減少燃燒室出口以后通道面積增加阻力，提高壓 氣機(jī)出口壓力，提高熱效率，現(xiàn)在的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)不能猛加油門，猛加油門時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)喘振， 本發(fā)明中的發(fā)動(dòng)機(jī)可以猛加油門，猛加油門時(shí)，壓氣機(jī)以后的通道加大，把猛加油時(shí)產(chǎn)生的 多余燃?xì)忭樌懦?，不產(chǎn)生堵塞，不發(fā)生喘振，本發(fā)明的特點(diǎn)就是可調(diào)燃燒室出口以后的通 道，可以理解為小功率時(shí)渦輪變小，大功率時(shí)渦輪變大。發(fā)生喘振時(shí)，只要把燃燒室出口以 后的通道加大，就可以消除喘振，現(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)一旦產(chǎn)生喘振很難辦，不是重新設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng) 機(jī)，就是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用提出限制。
當(dāng)壓氣機(jī)出來的高壓空氣在燃燒室燃燒后，高溫高壓氣體進(jìn)入圖1中小截面積的通道中，推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪葉片像螺旋漿一樣推動(dòng)冷空氣運(yùn)動(dòng)，從圖1中大截面積的通道 中流過，帶走小截面積通道中高溫高壓下加熱葉片的熱量，冷熱通道之間的隔離是由定了 葉柵上的擋塊完成的，實(shí)際上就是把一部分定子葉片去掉，在去掉葉片的兩端，增加2組擋 塊，有兩個(gè)以上的葉片在定子檔塊中轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)原理如圖3中兩組呈八字型的擋塊，如果采 用本發(fā)明中的如圖2結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)承受3000°C高溫也是可行的。本技術(shù)中有兩大優(yōu)點(diǎn)1 是減少了葉片冷卻的壓縮空氣量，提高了燃?xì)鉁囟?，這一里一外，可大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功 率和效率；2是降低了葉片的溫度，可用廉價(jià)材料來制作葉片，葉片工作溫度低，發(fā)動(dòng)機(jī)工 作就可靠，壽命長(zhǎng)。不會(huì)像俄國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)只有幾百小時(shí)的工作壽命，渦輪問題解決，對(duì)于渦輪 發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)革命，將會(huì)從貴族身份降為平民身份，在很高溫度下工作，葉片可能要多次冷 卻，這也就是多個(gè)通道的原因?？烧{(diào)擋塊安裝在一個(gè)類似定子的殼體上，轉(zhuǎn)動(dòng)殼體就帶動(dòng)擋 塊移動(dòng)，來調(diào)整渦輪流通面積。本發(fā)動(dòng)機(jī)有兩個(gè)進(jìn)出氣口，一個(gè)如普通發(fā)動(dòng)機(jī)，另一個(gè)通道 氣流不從壓氣機(jī)內(nèi)走，從發(fā)動(dòng)機(jī)外走，到燃燒室后，渦輪前進(jìn)入渦輪，冷卻以后不從發(fā)動(dòng)機(jī) 內(nèi)部與高溫氣體混合，從定子葉片外流出。在圖1圖2的結(jié)構(gòu)示意圖中，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片直 接裸露在外，渦輪葉片像風(fēng)扇一樣，自動(dòng)將冷空氣吸入、排出。由于渦輪轉(zhuǎn)速高，葉片在高溫 燃?xì)庵胁豢赡芤幌伦蛹訜釒装俣?，一次加熱的表面深度推測(cè)只有0. OOlmm左右，表面加熱 一下，就被帶到冷空氣中冷卻，表面產(chǎn)生的溫差應(yīng)力很小，不會(huì)對(duì)葉片產(chǎn)生損害。在高溫條 件下，渦輪的葉片使用只有十幾公斤的抗拉強(qiáng)度，與一般鋼材的幾十公斤、上百公斤的抗拉 強(qiáng)度相比，差的太遠(yuǎn)，本發(fā)明中渦輪溫度的降低，給高轉(zhuǎn)速提供了條件，發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速是渦 輪葉片強(qiáng)度限制不能提高，這樣就為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步提高壓力，提高轉(zhuǎn)速有了條件，由于本發(fā) 明中的結(jié)構(gòu)多了泄露條件和其他情況，即使制造，裝配精度差一點(diǎn)，效率和功率也不會(huì)比現(xiàn) 有的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)差。本發(fā)明中的渦輪，猶如大風(fēng)中的風(fēng)車，在大風(fēng)中狂轉(zhuǎn)，效率可能低一點(diǎn)， 發(fā)動(dòng)機(jī)的總效率反會(huì)提高。本發(fā)明中的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)就是要把高壓空氣中的氧氣盡可能的燒 盡，從理論上來講，氧氣與燃料全部燒盡時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，效率最高，提高推重比，達(dá)到降 低油耗，降低成本。渦輪葉片可以采用壓氣機(jī)的葉片，效率會(huì)低一點(diǎn)，可以作為風(fēng)扇使用，渦 輪機(jī)就變成渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，綜上所述，本發(fā)明具有先進(jìn)性、新穎性、實(shí)用性，可用在導(dǎo)彈、 飛機(jī)、艦艇、坦克上、車輛、發(fā)電站。說明書


圖1、圖2是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理示意圖，壓氣機(jī)與渦輪齒輪連接的示意圖，圖3是高溫 燃?xì)馀c冷卻空氣進(jìn)入渦輪通道葉柵展開示意圖。
權(quán)利要求
渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪通道分為兩部分，特征是一個(gè)通道進(jìn)入高壓高溫燃?xì)庾鞴?，另一通道與大氣相通，冷卻葉片，也可以分為2個(gè)以上的燃?xì)馔ǖ琅c2個(gè)以上的冷空氣通道。
1.渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪通道分為兩部分，特征是一個(gè)通道進(jìn)入高壓高溫燃?xì)庾鞴Γ硪?通道與大氣相通，冷卻葉片，也可以分為2個(gè)以上的燃?xì)馔ǖ琅c2個(gè)以上的冷空氣通道。
2.如權(quán)利要求項(xiàng)1所述的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃?xì)馔ǖ赖恼{(diào)節(jié)。燃燒室出口、渦輪進(jìn)口的面 積可調(diào)，燃燒室出口以后的通道大小可調(diào)。特征是采用一個(gè)擋板與一組擋塊聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)通道 面積。
3.如權(quán)利要求項(xiàng)1所述的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，渦輪與壓氣機(jī)間用齒輪變速機(jī)構(gòu)連接，特征 是改變齒輪的傳輸通道，可改變轉(zhuǎn)速比。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種解決渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)喘振與渦輪葉片的冷卻方法，解決喘振調(diào)整燃燒室出口渦輪進(jìn)口面積，減小、增大流通阻力，渦輪葉片冷卻是將沒有壓縮的冷空氣流過渦輪葉片冷卻。在渦輪與壓氣機(jī)之間采用變速機(jī)構(gòu)聯(lián)接，及燃燒室出口以后通道面積可調(diào)。
文檔編號(hào)F02C7/18GK101845999SQ20091012799
公開日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2009年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者霍繼龍 申請(qǐng)人:霍繼龍