一種環(huán)形活塞與燃氣渦輪聯(lián)合發(fā)動的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種環(huán)形活塞與燃氣渦輪聯(lián)合發(fā)動機，其特征是：在兩個對置的環(huán)形氣缸里，以二沖程方式工作的環(huán)形活塞及活塞連桿將往復運動轉(zhuǎn)換成凸輪的圓周運動，未完全燃燒的燃氣排入氣缸中央通道中，燃氣與從固定燃氣渦輪機組的空氣軸承進入的壓縮空氣進一步混合充分燃燒，并通過燃氣渦輪做功，位于渦輪齒輪與凸輪齒輪之間的行星減速齒輪把低速凸輪與高速渦輪連接起來，活塞與渦輪做的功統(tǒng)一對外輸出，在前端的進氣離心渦輪將空氣壓縮進入環(huán)形增壓散熱潤滑室，冷卻氣缸壁，潤滑運動摩擦部件，保障發(fā)動機正常平穩(wěn)運行，聯(lián)合發(fā)動機結(jié)合了二沖程活塞發(fā)動機與燃氣渦輪發(fā)動機的優(yōu)點，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊熱效率高。
【專利說明】一種環(huán)形活塞與燃氣渦輪聯(lián)合發(fā)動機
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種“環(huán)形活塞與燃氣渦輪聯(lián)合發(fā)動機”裝置，屬于依靠燃油燃燒做功產(chǎn)生動力對外做功的一種機械裝置，“環(huán)形活塞與燃氣渦輪聯(lián)合發(fā)動機”有兩套可以產(chǎn)生對外輸出的動力，分別是“活塞做功輸出的動力”和“渦輪做功輸出的動力”，盡管兩者轉(zhuǎn)速相差較大，通過內(nèi)部的行星齒輪將兩套動力源有機地結(jié)合在一起，同一對外輸出動力。本發(fā)明結(jié)合了活塞發(fā)動機與渦輪發(fā)動機的優(yōu)點，在輸出大功率的同時還避免了油耗過大，提高了發(fā)動機整體的熱效率。
【背景技術(shù)】
[0002]燃油發(fā)動機作為動力源廣泛運用于各行各業(yè)，按其結(jié)構(gòu)特征主要分為兩類，第一類是“活塞發(fā)動機”，其特征是:燃油與空氣以一定比例在氣缸被壓縮，然后燃燒做功，活塞在氣缸里往復運功通過連桿帶動凸輪軸旋轉(zhuǎn)對外做功，整體過程有“四沖程”和“二沖程”兩種方式，主要使用汽油和柴油，增加氣缸數(shù)量可以同比例增加發(fā)動機的輸出功率，活塞發(fā)動機技術(shù)成熟、熱效率高且成本低，但是大功率往往伴隨著大重量，使得活塞發(fā)動機在陸地和航海這些對重量不敏感的行業(yè)中應用廣泛；第二類是“渦輪發(fā)動機”，其特征是:將一連串的動、靜渦輪串聯(lián)在同一軸線上，在不同區(qū)域分別起到進氣、壓縮、燃燒、做功和排氣的作用，與活塞的往復運動不同的是渦輪的圓周運動，渦輪發(fā)動機是需要大功率又想重量輕的航空飛行器的理想選擇，其缺點是熱效率低、燃油消耗大、購買和使用成本都偏大。當前活塞發(fā)動機在尾氣排放口利用渦輪對進氣進行增壓，從而提高了發(fā)動機的輸出功率，渦輪只是對進氣做功，本身并不直接產(chǎn)生可以輸出的動力。
[0003]當前傳統(tǒng)活塞發(fā)動機的活塞都是圓柱型的，氣缸布置有直列型、V型、雙V型和水平對稱型，這四種結(jié)構(gòu)造成發(fā)動機整體體積偏大，不利于減輕系統(tǒng)重量。如果要增加發(fā)動機系統(tǒng)功率，要么增大氣缸體積,要么增加氣缸數(shù)量,這兩種做法勢必進一步增加發(fā)動機整體體積和質(zhì)量，同時還增加了系統(tǒng)復雜性和高成本，盡管應用了很多新技術(shù)，但是活塞發(fā)動機的整體效率提高有限，同時燃氣渦輪發(fā)動機的節(jié)能降耗也需要進一步完善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述問題，本發(fā)明繼承了活塞發(fā)動機與渦輪發(fā)動機兩者的優(yōu)點，并能有效克服傳統(tǒng)活塞發(fā)動機體積龐大、結(jié)構(gòu)復雜、質(zhì)量過大以及燃氣渦輪發(fā)動機油耗過大的不足，使之協(xié)調(diào)統(tǒng)一對外輸出動力，本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案及有益效果是:
[0005]1、“環(huán)形活塞與氣缸”其特征是:環(huán)形氣缸構(gòu)成一個中空的圓筒，上氣缸蓋與下氣缸蓋將活塞封閉在氣缸內(nèi)，一對活塞與氣缸對稱反向布置，兩個活塞之間有三根或四根活塞連桿連接，兩個活塞同步運動，活塞連桿穿過兩個下氣缸蓋；活塞與兩端氣缸蓋形成兩個同時并交替作用的空腔，兩側(cè)空腔可以形成同步并且相反的二沖程發(fā)動機燃氣做功運動周期，按照這樣結(jié)構(gòu)的氣缸有效做功容積計算，一個氣缸在主體結(jié)構(gòu)不變的情況下，相當于傳統(tǒng)氣缸的1.8-1.9倍；上下兩個活塞由于有活塞連桿剛性連接，持續(xù)同步反向運動，活塞運動周期按二沖程方式運動，運動周期所需時間是四沖程周期的一半，在單位時間里做功是四沖程的兩倍，同時將還未完全燃燒結(jié)束的氣體排進中央通道，供燃氣渦輪機組來繼續(xù)完成燃燒做功的運動，二沖程的運動方式不僅提高了單位輸出功率(單位時間、單位體積、單位重量)，還簡化了系統(tǒng)設(shè)計，減少了很多四沖程所必須的氣門和控制氣門的凸輪軸，從能量利用方面看也省略了這部分零件運動所需要的能量；安裝在活塞連桿上的滑輪組在外圍四峰四谷的凸輪上滑動，將活塞的上下往復運動轉(zhuǎn)換為外凸輪的圓周運動，完成了氣缸活塞的對外做功，周轉(zhuǎn)凸輪下端內(nèi)側(cè)有內(nèi)齒輪，通過內(nèi)部行星減速齒輪與渦輪齒輪連接，以保證低速凸輪與高速渦輪的同步運動，周轉(zhuǎn)凸輪外側(cè)有齒輪，可以連接外部減速器。
[0006]2、“燃氣渦輪發(fā)動機”其特征是:一組5個渦輪安裝在同一根中心軸上，
[0007]放置在環(huán)形氣缸中空的圓筒里，從前往后依次是“進氣離心渦輪”、“向心渦輪I”、“軸流渦輪1”、“軸流渦輪2”、“向心渦輪2”，進氣離心渦輪在上氣缸蓋的外面，主要作用是進氣增壓，因而離心渦輪的直徑最大，通過優(yōu)化設(shè)計的離心渦輪的增壓比將達到6: I或8: I ;上氣缸蓋將中心圓筒的上端封閉，中心軸通過一個“空氣軸承”穿過上氣缸蓋，向心渦輪I在氣缸排出的高溫高壓氣體下做功，同時引導氣流向后運動；軸流渦輪I和軸流渦輪2是中心軸與齒輪環(huán)的連接體，渦輪齒輪環(huán)兩端與氣缸蓋用“空氣軸承”連接，空氣軸承用的高壓氣體由外部供應，排氣出口在中央通道，三個空氣軸承保證了燃氣渦輪組在高速運轉(zhuǎn)環(huán)境下的精度和良好工況；兩個軸流渦輪一方面在前端高溫氣體與空氣軸承排出的新鮮空氣繼續(xù)燃燒膨脹下做功，一方面引導氣流向后運動；向心渦輪2在前端氣流與氣缸排出氣流下持續(xù)做功，同時引導氣流向后排出，因此兩個向心渦輪和兩個軸流渦輪在氣缸排氣與空氣軸承排氣中共同完成了做功運動。
[0008]3、“內(nèi)部行星減速齒輪組”，其特征是:四個行星齒輪放置在渦輪齒輪與凸輪內(nèi)齒輪之間，減速比在2:1到3:1之間，可以根據(jù)實際需要來具體設(shè)計，內(nèi)部渦輪齒輪與外部凸輪齒輪的旋轉(zhuǎn)方向相反，不會影響系統(tǒng)的正常運行；內(nèi)部的渦輪發(fā)動機必須在高速運轉(zhuǎn)中才能體現(xiàn)出其優(yōu)勢，而活塞發(fā)動機的最佳運轉(zhuǎn)速度相比渦輪機要低很多，內(nèi)部行星減速齒輪組的作用就是把活塞發(fā)動機與渦輪發(fā)動機兩者的優(yōu)勢有機地結(jié)合并體現(xiàn)起來，使得活塞發(fā)動機與渦輪發(fā)動機可以一致對外做功；行星減速齒輪與活塞連桿都是對稱間隔布置在環(huán)形氣缸與活塞上，通常有3+3和4+4兩種方案，即三個行星減速齒輪加三個活塞連桿或四個行星減速齒輪加四個活塞連桿；二沖程的活塞發(fā)動機由于未完全燃燒和耗油量大的問題，長期以來一直未能得到有效解決，很多解決方案不能得到應用的原因就是系統(tǒng)體積重量偏大，結(jié)構(gòu)復雜及運行不穩(wěn)定，現(xiàn)在本發(fā)明中的“環(huán)形活塞與燃氣渦輪聯(lián)合發(fā)動機”將。
[0009]4、“環(huán)形增壓、散熱與潤滑室”其特征是:上下兩個外殼通過上下氣缸蓋與發(fā)動機本體剛性連接，兩個外殼之間是對外輸出功率的周轉(zhuǎn)凸輪的外齒輪，夕卜殼與氣缸外壁以及最底端的氣缸蓋共同構(gòu)成了一個環(huán)形圓筒狀的半封閉空間，該內(nèi)部空間中段是是活塞連桿、周轉(zhuǎn)凸輪、行星減速齒輪以及空氣軸承的運動空間，頂部離心渦輪將新鮮空氣增壓后進入“環(huán)形增壓與散熱室”，氣缸外壁有大量的散熱片，可以將熱量傳導給空氣，在冷卻氣缸壁的同時還進一步預熱空氣，這部分被傳統(tǒng)活塞發(fā)動機浪費的能源轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝獾膬?nèi)能，這種能量回收利用方式簡潔高效，不需要再加額外的設(shè)備和消耗二次能源，傳統(tǒng)發(fā)動機為了散熱需要增加散熱器、散熱風扇、循環(huán)水泵以及連接管路等；本發(fā)明中的發(fā)動機潤滑油以典型的二沖程發(fā)動機的潤滑方式，即將潤滑油霧混合進空氣當中，隨著增壓空氣有效分布在氣缸、活塞、連桿、凸輪、齒輪、軸承摩擦副的接觸面，可以持續(xù)有效地保障發(fā)動機整體的正常運行；氣缸進氣口開在環(huán)形氣缸的外壁上，與“環(huán)形增壓、散熱與潤滑室”連通，排氣口開在環(huán)形氣缸的內(nèi)壁上，與中央通道連通，進、排氣口都無需氣門以及氣門控制機構(gòu)，依靠內(nèi)部活塞來控制開啟和關(guān)閉，環(huán)形活塞在燃氣做功排氣行程中依次先開啟排氣口，再開啟進氣口，在進氣壓縮行程中依次先關(guān)閉進氣口，再關(guān)閉排氣口 ；本發(fā)明中的發(fā)動機由于氣缸進氣只是空氣與少量潤滑油的霧化微粒，在活塞壓縮行程終了時通過高壓共軌向缸內(nèi)噴射燃油，以開始燃燒做功的行程，由于氣缸與活塞都是環(huán)形長圓筒狀的，而且上下氣缸蓋外部都安裝了渦輪、齒輪以及活塞連桿等運動部件，因此本發(fā)明的發(fā)動機將高壓燃油噴嘴徑向向心布置在氣缸周圍，而高壓共軌油管也是在“環(huán)形增壓、散熱與潤滑室”里，這樣可以對燃油進行預熱處理，增加燃油的內(nèi)能有利于燃油在噴射瞬間霧化更加充分，燃燒做功更快；高壓燃油泵是一個需要二次能源帶動的設(shè)備，安置在外殼以外，便于安裝檢修、維護保養(yǎng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]附圖文件里的圖1是:軸向剖面示意圖，圖2是:徑向圓截面示意圖:
[0011]圖1軸向剖面示意圖說明:
[0012]I是離心進氣渦輪 2是渦輪機組中心軸3是頂端氣缸蓋
[0013]4是頂端空氣軸承 5是一號向心潤輪 6是一號軸流潤輪
[0014]7是活塞連桿上的滑輪8是周轉(zhuǎn)傳動凸輪 9是行星減速齒輪
[0015]10是活塞連桿11、13是燃油噴嘴 12是環(huán)形活塞 [0016]14是底部氣缸蓋 15是進氣通道圍殼 16是環(huán)形氣缸內(nèi)壁
[0017]17、20是氣缸排氣口 18、19是氣缸進氣口 21、24是凸輪軸承
[0018]22、25是空氣軸承 23是渦輪齒輪26是二號軸流渦輪
[0019]27是環(huán)形增壓散熱潤滑室的外殼28是環(huán)形氣缸外壁
[0020]29是二號向心渦輪30是尾部總排氣管
[0021]圖2徑向圓截面示意圖說明:
[0022]31是發(fā)動機系統(tǒng)外殼(也是環(huán)形增壓散熱潤滑室的外殼)
[0023]32是行星減速齒輪 33是環(huán)形氣缸外壁 34是環(huán)形活塞
[0024]35是活塞連桿36是環(huán)形氣缸內(nèi)壁 37是中心軸
[0025]38是排氣口氣流方向39是渦輪葉片40是活塞連桿上的滑輪
【具體實施方式】
[0026]1、頂端的進氣渦輪將空氣壓縮進入“環(huán)形增壓、散熱與潤滑室”，空氣通過環(huán)形氣缸外壁上的散熱片進一步吸收熱量、增加內(nèi)能和冷卻氣缸壁，潤滑油在壓縮空氣里充分霧化，有效潤滑氣缸、活塞、連桿、凸輪、齒輪和軸承的摩擦副；
[0027]2、當環(huán)形活塞做功排氣行程終了時開啟了氣缸進氣口，空氣進入氣缸掃氣，當環(huán)形活塞壓縮空氣行程終了時，高壓燃油噴嘴向氣缸里噴射燃油開始燃燒做功，活塞連桿上的滑輪在凸輪軌道上滑動，將活塞往復運動轉(zhuǎn)換成凸輪的圓周運動對外輸出動力；
[0028]3、當活塞做功下行開啟排氣口時，燃氣從排氣口排出沖擊向心渦輪做功，在中央通道里燃氣與從空氣軸承進入的壓縮空氣進一步混合充分燃燒，通過向心渦輪與軸流渦輪繼續(xù)膨脹做功，最后從尾部總排氣管向外排出；
[0029]4、燃氣渦輪機組一方面直接帶動同軸的進氣離心渦輪運動，同時另一方面也帶動渦輪齒輪高速旋轉(zhuǎn)，行星減速齒輪將高速渦輪齒輪與低速凸輪齒輪連接起來同步運動，一致對外輸出動力，內(nèi)部渦輪齒輪與外部凸輪齒輪的旋轉(zhuǎn)方向相反，不會影響系統(tǒng)的正常運行；
[0030]5、本發(fā)明的發(fā)動機系統(tǒng)將保證發(fā)動機正常平穩(wěn)運行的“冷卻散熱設(shè)備”、“潤滑油設(shè)備”、“尾氣增壓設(shè)備”高度集成，無需另外增加設(shè)備，需要二次能源的“燃油供應設(shè)備”、“發(fā)動機啟動設(shè)備”和“發(fā)電機設(shè)備”等，可以安裝在發(fā)動機系統(tǒng)外部。
【權(quán)利要求】
1.一種“環(huán)形活塞與燃氣渦輪聯(lián)合發(fā)動機”，其特征是:在兩個對置的環(huán)形氣缸里，以二沖程方式工作的環(huán)形活塞及活塞連桿將往復運動轉(zhuǎn)換成凸輪的圓周運動，未完全燃燒的燃氣排入氣缸中央通道中，燃氣與從固定燃氣渦輪機組的空氣軸承進入的壓縮空氣進一步混合充分燃燒，并通過燃氣渦輪做功，位于渦輪齒輪與凸輪齒輪之間的行星減速齒輪把低速凸輪與高速渦輪連接起來，活塞與渦輪做的功統(tǒng)一對外輸出，在前端的進氣離心渦輪將空氣壓縮進入環(huán)形增壓散熱潤滑室，冷卻氣缸壁，潤滑運動摩擦部件，保障發(fā)動機正常平穩(wěn)運行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所訴的發(fā)動機，“兩個對置的環(huán)形氣缸與環(huán)形活塞”其特征是:兩個等高，直徑不同的環(huán)形圓筒狀的內(nèi)外氣缸壁與其上下兩端的氣缸蓋構(gòu)成一個獨立的氣缸，與之相對應的環(huán)形活塞被封閉在氣缸里，兩個相同的氣缸延中軸線對置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所訴的發(fā)動機，“活塞連桿與傳動凸輪”其特征是:活塞連桿穿過一端的氣缸蓋將兩個環(huán)形活塞剛性連接，以保證兩個環(huán)形活塞同步運動，在活塞連桿中端有一滑輪組，滑輪組可以在凸輪圓周波浪軌道上滑行，活塞的往復運動被傳遞到凸輪波浪軌道上，使得凸輪可以進行圓周運動并對外輸出動力，輸出動力依靠在凸輪外側(cè)壁上的齒輪圈，在凸輪內(nèi)側(cè)壁波浪軌道下方有內(nèi)齒輪圈，與內(nèi)部行星減速齒輪相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所訴的發(fā)動機，“燃氣渦輪機”其特征是:一個進氣離心渦輪和四個燃氣做功渦輪串聯(lián)在一根中心軸上，進氣離心渦輪在排氣中央通道外，負責發(fā)動機進氣增壓，四個燃氣做功渦輪在發(fā)動機排氣中央通道里，中央通道頂端封閉，固定燃氣渦輪機組的是三個空氣軸承，壓縮空氣來源于氣缸外側(cè)的環(huán)形增壓散熱與潤滑室，直接對應環(huán)形氣缸排氣口的是向心渦輪，軸流渦輪把中心軸與對外做功的渦輪齒輪連接為一個整體，同時也是燃氣繼續(xù)膨脹做功的部件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所訴的發(fā)動機，“聯(lián)合發(fā)動機內(nèi)部行星減速齒輪”其特征是:渦輪外齒輪圈與凸輪內(nèi)齒輪是一對同心圓，兩者旋轉(zhuǎn)方向相反，渦輪齒輪是高速旋轉(zhuǎn)的部件，而凸輪齒輪是相對低速旋轉(zhuǎn)的部件，分布在同心圓之間的行星減速齒輪把低速的凸輪齒輪與高速的渦輪齒輪連接在一起，保證發(fā)動機系統(tǒng)內(nèi)部兩個做功部件同步協(xié)調(diào)運動，這樣就把活塞和潤輪做的功統(tǒng)一對外輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所訴的發(fā)動機，“環(huán)形增壓、散熱與潤滑室”其特征是:兩個同心圓的外殼、中間的傳動凸輪，與環(huán)形氣缸外壁之間的空間就是，環(huán)形增壓散熱與潤滑室，上端開口是壓縮空氣進入的通道，下方封閉保證壓縮空氣不泄露，氣缸外壁上有散熱翅片，可以冷卻氣缸壁將熱能轉(zhuǎn)換為空氣的內(nèi)能，一部分壓縮空氣進入固定燃氣渦輪機組的空氣軸承里，以保證燃氣渦輪機組的高速平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，并向中央通道里輸送壓縮空氣，供燃氣渦輪持續(xù)運轉(zhuǎn)做功；潤滑油在壓縮空氣里霧化效果更好，并隨著壓縮空氣分布在氣缸內(nèi)壁、活塞、連桿、滑輪、凸輪軌道、齒輪、軸承等運動摩擦部件上，有效保障系統(tǒng)正常平穩(wěn)運行。
【文檔編號】F02C3/04GK103790707SQ201410066499
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】曾濤 申請人:曾濤