一種轉(zhuǎn)子式外燃機氣缸及轉(zhuǎn)子式外燃的制造方法
【專利摘要】本實用新型是基于氣動原理實用新型的一種新型外燃機，屬于動力機械系統(tǒng)的外燃機領(lǐng)域。本實用新型的轉(zhuǎn)子式外燃機氣缸包括缸體，所述的缸體上設(shè)有進(jìn)氣管和排氣管，所述的缸體內(nèi)部還包括三角形轉(zhuǎn)子；所述的三角形轉(zhuǎn)子與缸體內(nèi)壁接觸；三角形轉(zhuǎn)子與缸體形成工作室，所述工作室為動態(tài)密閉空間；所述排氣管有兩個，包括一次排氣管和二次排氣管。本實用新型提供了一種轉(zhuǎn)子式外燃機，使其在綜合現(xiàn)有外燃機的優(yōu)點，同時可以滿足高功率輸出和大范圍無極變速的要求。
【專利說明】一種轉(zhuǎn)子式外燃機氣缸及轉(zhuǎn)子式外燃機
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于動力機械系統(tǒng)的外燃機領(lǐng)域，是基于氣動原理實用新型的一種新型外燃機。
【背景技術(shù)】
[0002]外燃機也稱為外燃式發(fā)動機，它與內(nèi)燃機雖然都是利用燃料的內(nèi)能來轉(zhuǎn)化為機械能，但是它們的工作方式卻有很大的不同。其中內(nèi)燃機是將燃料和空氣混合物在氣缸內(nèi)燃燒來把產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)化為機械能的，而外燃機是將在外部燃燒室中燃燒得到的高溫高壓燃燒產(chǎn)物直接通入外燃機中，使燃燒產(chǎn)物膨脹并且把其動能同時轉(zhuǎn)化為機械能，或者是利用燃燒產(chǎn)物來加熱循環(huán)的工質(zhì)(如蒸汽動力裝置中利用燃?xì)饧訜崴?，使工質(zhì)膨脹做功轉(zhuǎn)化為機械能，這些做功方式的動力裝置稱為外燃動力裝置或稱外燃機。
[0003]由于外燃機被廣泛用于魚雷、輕型水下潛水器等在水下運行裝置的動力，根據(jù)魚雷、輕型水下潛水器等這些裝置運行的要求，外燃機應(yīng)該同時滿足高效率、高功率和無極變速的要求。下面以魚雷為例來說明為什么外燃機必須同時滿足上述三種要求。眾所周知，魚雷之所以采用外燃機主要是因為水下無法給內(nèi)燃機提供燃料燃燒所需的氧化劑，即無法使用內(nèi)燃機。而航程遠(yuǎn)是現(xiàn)代魚雷的基本要求之一，那么就要求使用外燃機的魚雷不但要攜帶大量的燃料還要攜帶足量的氧化劑，這對于內(nèi)部空間極為有限的魚雷來講是不容易實現(xiàn)的，因為如果太多燃料占據(jù)了其內(nèi)部的大部分空間，那么它所能攜帶的戰(zhàn)斗部分就會減少，從而威力大大減小，所以必須提高發(fā)動機的效率。同時為了魚雷打擊的效能，魚雷必須同時滿足高速和無極變速的要求，這樣魚雷在距離目標(biāo)較遠(yuǎn)的時可以不斷改變航速已達(dá)到躲避偵查的目的，同時接近目標(biāo)后要以高速運行，提高打擊效果，所以要滿足高功率和無極變速的要求。
[0004]目前已有的外燃機中，斯特林發(fā)動機由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，比功率較低等缺點而沒有廣泛應(yīng)用，而應(yīng)用最廣泛的發(fā)動機是活塞和渦輪這兩類發(fā)動機，比如國內(nèi)外眾多熱動力魚雷大多都采用活塞式外燃機或渦輪發(fā)動機。但是這兩種發(fā)動機也有其自身的缺陷，主要表現(xiàn)在高功率和無級變速之間的矛盾，其中活塞式外燃機可以大范圍的無級變速，但活塞式外燃機的功率輸出有限，無法滿足高速下的功率要求，為了滿足這一功率就要求必須發(fā)展渦輪發(fā)動機，活塞式外燃機已很難滿足要求。而渦輪發(fā)動機也有其自身的缺陷，雖然它可以滿足魚雷高航速對高功率的要求，但渦輪發(fā)動機動力系統(tǒng)實現(xiàn)大范圍無級變速時機構(gòu)和經(jīng)濟(jì)性下降明顯，因此它只適合小范圍的無級變速，無法滿足大范圍無級變速的要求。綜上所述，現(xiàn)有的外燃機雖然在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了大量的優(yōu)化和改進(jìn)，但都因為發(fā)動機自身結(jié)構(gòu)和工作方式，限制了其在某些方面的突破，如活塞式外燃機輸出功率有限，而渦輪發(fā)動機的主要缺點則是其無法滿足大范圍無級變速的要求。
[0005]為了克服現(xiàn)有外燃機的上述缺點，人們通過不斷地改進(jìn)發(fā)動機的一些運行方式及結(jié)構(gòu)參數(shù)，如改變活塞式外燃機的工作室形狀，改變渦輪發(fā)動機葉柵形狀等等，但終究因為現(xiàn)有發(fā)動機自身的結(jié)構(gòu)和工作方式的限制，使它們的效率提高程度有限，無法從根本解決現(xiàn)有外燃機無法同時滿足高效率、高功率和無極變速要求的缺點。
[0006]中國專利號:201220001639.8，
【公開日】:2012年11月21日，公開了一份名稱為液體活塞外燃機的專利文件，該實用新型公開了一種液體活塞外燃機，包括氣液缸、液壓動力機構(gòu)、液體工質(zhì)回送系統(tǒng)和鍋爐，所述氣液缸經(jīng)氣體工質(zhì)控制閥與所述鍋爐的蒸氣出口連通，在所述氣液缸上設(shè)排氣口，在所述排氣口處設(shè)排氣控制閥，所述氣液缸上設(shè)液體工質(zhì)出口和液體工質(zhì)回流口，所述液體工質(zhì)出口與所述液壓動力機構(gòu)的動力液體入口連通，所述液壓動力機構(gòu)的液體出口與所述液體工質(zhì)回送系統(tǒng)連通，所述液體工質(zhì)回送系統(tǒng)與所述液體工質(zhì)回流口連通。該實用新型省略了發(fā)動機的活塞曲柄連桿機構(gòu)，具有效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢。但是該實用新型因為自身的結(jié)構(gòu)和工作方式的限制，輸出功率仍然有限，不能滿足高功率輸出。
[0007]中國專利號:99816745.2，
【公開日】:2002年06月05日，公開了一份名稱為提高效率的渦輪發(fā)動機的專利文件，該渦輪發(fā)動機具有一個轉(zhuǎn)子和一個流體流動通道，該流體流動通道延伸通過壓縮、燃燒和膨脹或渦輪階段，其中流體流經(jīng)流體流動通道而對轉(zhuǎn)子進(jìn)行驅(qū)動。渦輪發(fā)動機具有一個或多個定子-轉(zhuǎn)子-定子組件并使用一個具有渦輪葉片的平轉(zhuǎn)子盤。在燃燒期間捕獲流體從而能升高溫度和壓力且同時在燃燒期間將流體保持在接近于定容的狀態(tài)。流體被多次重新進(jìn)入到轉(zhuǎn)子中從而使得渦輪發(fā)動機的移動部件周期性地暴露給發(fā)動機循環(huán)的不同部分，為了減低部件的平均溫度因而允許有更高的壓縮比率和燃燒溫度。但是該實用新型無法滿足大范圍無級變速的要求。
實用新型內(nèi)容
[0008]要解決的問題
[0009]針對現(xiàn)有外燃機無法從根本解決現(xiàn)有外燃機同時滿足高功率輸出和大范圍無極變速要求的問題，本實用新型提供了一種轉(zhuǎn)子式外燃機，使其在綜合現(xiàn)有外燃機的優(yōu)點，同時可以滿足高效率、高功率輸出和大范圍無極變速的要求。
[0010]技術(shù)方案`
[0011]為解決上述問題，本實用新型采用如下的技術(shù)方案。
[0012]一種轉(zhuǎn)子式外燃機氣缸，包括缸體，所述的缸體上設(shè)有進(jìn)氣管和排氣管，所述的缸體內(nèi)部還包括三角形轉(zhuǎn)子；所述的三角形轉(zhuǎn)子與氣缸內(nèi)壁接觸；三角形轉(zhuǎn)子與缸體形成工作室，所述工作室為動態(tài)密閉空間；所述排氣管有兩個，包括一次排氣管和二次排氣管。
[0013]優(yōu)選地，所述的進(jìn)氣管的管口位于缸體短軸線逆時針旋轉(zhuǎn)0-45°的范圍內(nèi)。
[0014]優(yōu)選地，所述的進(jìn)氣管的中心線與缸體長軸線所形成的夾角范圍為10°~40°。
[0015]優(yōu)選地，所述的一次排氣管管口與缸體短軸線所形成的夾角范圍為30°~45° ;所述的二次排氣管管口與缸體長軸線所形成的夾角范圍也為30°~45°。一種轉(zhuǎn)子式外燃機，采用了上述轉(zhuǎn)子式外燃機氣缸。
[0016]本實用新型基于以下幾個方面的機理:(I)轉(zhuǎn)子式外燃機的工作原理和活塞式外燃機基本相同，都是使高溫高壓的燃燒產(chǎn)物在其內(nèi)部膨脹做功來轉(zhuǎn)化為機械能的，具體到本實用新型，是通過控制進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣口截面積，控制進(jìn)入發(fā)動機內(nèi)部的高溫高壓燃燒產(chǎn)物的量，從而實現(xiàn)大范圍的無極變速；(2)轉(zhuǎn)子式外燃機繼承了轉(zhuǎn)子發(fā)動機(內(nèi)燃機)曲軸轉(zhuǎn)一圈燃燒室做三次功，具體到本實用新型，采用一次進(jìn)氣和二次排氣的設(shè)計，這樣外燃機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈，高溫高壓工質(zhì)可以三次通入氣缸，做三次功，從而實現(xiàn)高功率輸出；(3)本實用新型的效率要高于活塞式外燃機，如圖3、圖4所示，假設(shè)工質(zhì)為理想氣體，兩種發(fā)動機排量，壓縮比均相同，轉(zhuǎn)子發(fā)動機一次排氣時缸內(nèi)溫度以及工質(zhì)質(zhì)量都與往復(fù)機排氣時相同。由理想氣體狀態(tài)方程=PV=NRT可知:轉(zhuǎn)子發(fā)動機的從進(jìn)氣到一次排氣即第一次做功過程和活塞式外燃機的整個做功過程基本一樣，這樣可以近似的認(rèn)為，轉(zhuǎn)子發(fā)動機由(A)到(E)的工作過程中P-V曲線變化與往復(fù)式活塞式外燃機基本一致。但是轉(zhuǎn)子發(fā)動機采用二次排氣，比往復(fù)式發(fā)動機多出了(E)到(H)的過程，這個過程內(nèi)又向外輸出了一部分功。所以從兩種發(fā)動機熱力過程的P-V圖可以明顯的看出，轉(zhuǎn)子發(fā)動機單缸工作時，其P-V曲線封閉區(qū)域的面積要比活塞式外燃機大，做功多，即轉(zhuǎn)子式外燃機的工作效率比活塞式外燃機及渦輪機的效率有了很大提聞。
[0017]有益效果
[0018]相比于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型的有益效果為:
[0019](I)本實用新型采用一次進(jìn)氣和二次排氣的設(shè)計，這樣外燃機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈，可以高溫高壓工質(zhì)可以三次通入氣缸，做三次功，從而實現(xiàn)高功率輸出；
[0020](2)本實用新型工作原理和活塞式外燃機基本相同，都是使高溫高壓的燃燒產(chǎn)物在其內(nèi)部膨脹做功來轉(zhuǎn)化為機械能的，因此通過控制進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣口截面積，就可以合理的控制進(jìn)入其內(nèi)部的高溫高壓燃燒產(chǎn)物的量，來實現(xiàn)無極變速；
[0021](3)本實用新型由于采用二次排氣方案，工作過程中做兩次功，而活塞發(fā)動機的一次做功，于是在相同的工況下，本實用新型的輸出功高于活塞發(fā)動機，所以其效率也要高于活塞發(fā)動機。
[0022](4)本實用新型所述的進(jìn)氣管管口位于缸體短軸線逆時針旋轉(zhuǎn)0-45°的下表面，即進(jìn)氣口的位置位于轉(zhuǎn)子運動的上止點附近，可以有效提高發(fā)動機膨脹做功的能力；
[0023](5)本實用新型所述的進(jìn)氣管的中心線與缸體長軸線所形成的夾角范圍為10 °~40 °，可以使氣流可以平順的進(jìn)入工作室中做功，提高工作效率；
[0024](6)本實用新型所述的一次排氣管管口與缸體短軸線所形成的夾角范圍為30^45° ;所述的二次排氣管管口與缸體長軸線所形成的夾角范圍也為30°~45°，兩個排氣口管道的角度不限，可以保證排氣口排氣時，使工質(zhì)膨脹完全。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是本實用新型的原理圖；
[0026]圖2是轉(zhuǎn)子式外燃機氣缸工作過程示意圖；
[0027]圖3是轉(zhuǎn)子式外燃機氣缸工作過程P-V圖；
[0028]圖4是活塞式外燃機氣缸工作過程P-V圖；
[0029]圖5是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖中標(biāo)號說明:
[0031]1、缸體；2、三角形轉(zhuǎn)子；3、工作室；4、進(jìn)氣口 ；5、一次排氣口 ；6、二次排氣口?！揪唧w實施方式】
[0032]為進(jìn)一步了解本實用新型的內(nèi)容，下面結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0033]實施例1
[0034]如圖1、圖2以及圖5所示，一種轉(zhuǎn)子式外燃機氣缸，包括缸體1，缸體I上設(shè)有進(jìn)氣管4和排氣管，缸體I內(nèi)部還包括三角形轉(zhuǎn)子2 ;三角形轉(zhuǎn)子2與氣缸內(nèi)壁接觸；三角形轉(zhuǎn)子2與缸體I形成工作室3，該工作室3為動態(tài)密閉空間；排氣管有兩個，包括一次排氣管5和二次排氣管6 ;進(jìn)氣管4進(jìn)氣口壓力為IOMPa ;所述的進(jìn)氣管4直徑為40mm。另外進(jìn)氣管4的管口位于缸體I短軸線逆時針旋轉(zhuǎn)20°的位置，進(jìn)氣管4的中心線與缸體長軸線所形成的夾角為25°。一次排氣管5管口與缸體短軸線所形成的夾角為40° ;二次排氣管6管口與缸體長軸線所形成的夾角范圍也為40°。
[0035]本實用新型中轉(zhuǎn)子式外燃機采用一次進(jìn)氣和二次排氣方案，以此獲得更高的輸出功，為了清楚的說明其工作原理，現(xiàn)選取其中的一個工作室(箭頭標(biāo)記的工作室)來說明。轉(zhuǎn)子發(fā)動機和往復(fù)式發(fā)動機的做功原理相同即都是使高溫高壓的工質(zhì)的內(nèi)能在發(fā)動機內(nèi)部膨脹做功轉(zhuǎn)化為機械能，但是其工作方式不同，往復(fù)式發(fā)動機采用一次進(jìn)氣一次排氣過程，而轉(zhuǎn)子發(fā)動機采用一次進(jìn)氣二次排氣的做功過程，具體工作循環(huán)為:(A) IlJ(B)是進(jìn)氣過程，(B)到(C)是膨脹過程，(C)到(D) 一次預(yù)排氣過程，(D)到(F)是一次排氣過程，(F)到(G)是二次膨脹過程，仍然能輸出一定大小的功，(G) IlJ(H)是二次排氣過程。
[0036]實施例2
[0037]同實施例1，所不同的是進(jìn)氣口壓力為25MPa，直徑為50mm進(jìn)氣管4管口位于缸體正下方，即短軸線處，進(jìn)氣管4的中心線與缸體長軸線所形成的夾角為10°。一次排氣管5管口與缸體短軸線所形成的夾角為30° ;二次排氣管6管口與缸體長軸線所形成的夾角也為 30。。
[0038]實施例3
[0039]同實施例1，所不同的是進(jìn)氣口壓力為50MPa，直徑為60mm進(jìn)氣管4管口位于缸體短軸線逆時針旋轉(zhuǎn)45°的位置，進(jìn)氣管4的中心線與缸體長軸線所形成的夾角為40°。一次排氣管5管口與缸體短軸線所形成的夾角為45° ;二次排氣管6管口與缸體長軸線所形成的夾角也為45°。
【權(quán)利要求】
1.一種轉(zhuǎn)子式外燃機氣缸，包括缸體(I )，所述的缸體(1)上設(shè)有進(jìn)氣管(4)和排氣管，其特征在于:所述的缸體(1)內(nèi)部還包括三角形轉(zhuǎn)子(2);所述的三角形轉(zhuǎn)子(2)與缸體(1)內(nèi)壁接觸；三角形轉(zhuǎn)子(2)與缸體(1)形成工作室(3)，所述工作室(3)為動態(tài)密閉空間；所述排氣管有兩個，包括一次排氣管(5)和二次排氣管(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種轉(zhuǎn)子式外燃機氣缸，其特征在于:所述的進(jìn)氣管(4)的管口位于缸體(1)短軸線逆時針旋轉(zhuǎn)0-45°的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種轉(zhuǎn)子式外燃機氣缸，其特征在于:所述的進(jìn)氣管(4)的中心線與缸體長軸線所形成的夾角范圍為10°~40°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種轉(zhuǎn)子式外燃機氣缸，其特征在于:所述的一次排氣管(5)管口與缸體短軸線所形成的夾角范圍為30°~45° ;所述的二次排氣管(6)管口與缸體長軸線所形成的夾角范圍也為30°~45°。
5.一種轉(zhuǎn)子式外 燃機，其特征在于:包括權(quán)利要求1-4中任意一項所述的轉(zhuǎn)子式外燃機氣缸。
【文檔編號】F02G3/00GK203430657SQ201320449425
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年7月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月26日
【發(fā)明者】范寶偉, 潘劍鋒, 潘振華, 唐愛坤, 薛宏 申請人:江蘇大學(xué)