转子、使用该转子的膨胀机、发动机及膨胀机系统

摘要

本发明公开了一种转子，包括沿同一轴线平行并排设置的两块圆形壳板，两圆形壳板之间固连有至少一圈涡流板组，每圈涡流板组包括至少一个涡流板，每圈涡流板组分别对应一个壳板的同轴线虚拟圆柱，每圈涡流板组的组成涡流板沿该圈涡流板对应的虚拟圆柱的切线方向均匀绕设在该虚拟圆柱外部，所述两块圆形壳板中至少一个圆形壳板的中心垂直固定连通设有中空的中心轴，中心轴外端开设有轴向口；最外圈相邻涡流板的外端之间的部位形成切向口。本发明的转子结构简单，使用方便。本发明的转子可以作为膨胀机、发动机的转子，也可作为压缩机使用。本发明能够有效将工作流体的内能及动能转化为转子转动的机械能，整体效率大大提高。

说明书

技术领域

本发明涉及转子、使用转子的膨胀机、使用该膨胀机的发动机以 及膨胀机系统。

背景技术

热机是通过燃料的燃烧加热工作流体，使工作流体增加内能，利 用工作流体的热膨胀过程推动转子机构或活塞连杆曲柄机构向外界 输出电能或动能的系统，如内燃机(包括活塞式动力机)、外燃机(包 括涡轮发电机)、广泛应用于发电和各种动力输出的发动机、发电机 等。广泛应用于人们生产、生活中的绝大部分领域，包括电力、机动 车、航空、航海和化工等等。

一、以涡轮机为例，涡轮发电机是利用燃烧加热工作流体或利用 其它热源换热器的工作流体、通过工作流体的热膨胀过程撞击(吹动) 具有一级或多级工作叶片的转子绕轴转动、从而向外界输出动能的系 统；大型涡轮发电机一般采用轴流式多级叶片；因为一级叶片很难使 工作流体所具有的有效能量一次性传递(转化)给此仅有的一级叶片； 所以采用多级同轴叶片，连续分次将工作流体所具有的有效能量多次 传递(转化)给多级同轴叶片，才能将所述的有效能量转化为功。所 述多级叶片的每一级叶片由一组动叶片和一组静叶片组成；动叶片固 在轴上，静叶片固定在壳体上。

轴流式涡轮发电机存在的不足之处主要有：

(1)、静叶片在汽缸内只起导流的作用，本身不对转子做功；工 作流体从一级动叶片进入下级动叶片大致沿轴向运动，其运动方向与 动叶片做功的方向有一个90度夹角，对工作流体有阻碍作用，并产 生一个对壳体的轴向推力；这就使得静叶片不但不做功，而且有功耗。

(2)、动叶片在汽缸内受工作流体撞击(吹动)，将工作流体的 能量转化为转子的转动，向外界输出动能；但工作流体运动的大致的 轴流方向与转子转动的方向有一个90夹角，并对转子产生一个巨大 的轴向推力。为消除这一轴向推力带来的负而影响，不得不增加设备 和功耗；如推力轴承等；另外，由于相当一部分轴向推力的能量要靠 推力轴承平衡消耗掉，还要给容易起热的轴承设置冷却、散热装置， 且对冷却、散热条件的要求较高。

(3)、自身排汽温度高，且必须在环境温度以上；实际排汽温度 一般都在200度左右；对环境污染严重。

(4)、依赖矿物能源、设备结构复杂、热损失较为严重、能量转 换效率低；其自身的能量转换效率只有25％左右，采用涡轮增压或真 空技术(该技术主要用于热、冷电的联产和气体液化能量回收等)后 可以利用部分排汽余热，整体效率提升至30％-40％左右，效率仍然 较低。

二、以内燃机缸式发动机为例，缸式发动机是利用燃料的燃烧加 热工作流体推动活塞，并通过活塞的往复运动推动连杆、曲柄向外界 输出动能的系统。

缸式发动机存在的问题和缺点主要有：

(1)、机构复杂。活塞的轴线与做功输出轴的轴线垂直相交，因 此，活塞的往复运动不能使输出轴产生圆周运动，所以必须将输出轴 做成曲轴，且通过连杆产生杠杆效应，才能推动轴产生圆周运动，向 外界输出动能；活塞在缸体内的直线往复运动使得系统的能量转换过 程和结构变得较为复杂；其两大机构，即曲柄连杆机构和配气机构所 产生的机械摩擦损失以及爆燃高温的热损失，还需要两大系统，即润 滑系统和散热系统为其维持运行正常作保障。

(2)、机械摩擦面积大。

(3)、排气温度高，一般出口温度在500度左右。

(4)、效率低，25％左右。采用涡轮增压技术(该技术多用于内 燃发动机辅助系统)后可以利用部分排气余热，整体效率提升至30％ 左右，效率仍然较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能量利用效率较高的转子。

为实现上述目的，本发明的转子包括沿同一轴线平行并排设置的 两块圆形壳板，两圆形壳板之间固连有至少一圈涡流板组，每圈涡流 板组包括至少一个涡流板，每圈涡流板组分别对应一个壳板的同轴线 虚拟圆柱，每圈涡流板组的组成涡流板沿该圈涡流板对应的虚拟圆柱 的切线方向均匀绕设在该虚拟圆柱外部，所述两块圆形壳板中至少一 个圆形壳板的中心垂直固定连通设有中空的中心轴，中心轴外端开设 有轴向口；最外圈相邻涡流板的外端之间的部位形成切向口。

所述两块圆形壳板的中心皆固定连通设有中空的中心轴，所述中 心轴与所述两块圆形壳板同轴线设置。

所述两块圆形壳板中的一块壳板固定连通设有中空的中心轴，另 一块壳板固定连通设有实心的中心轴，所述中空的中心轴、所述实心 的中心轴皆与所述两块圆形壳板同轴线设置。

所述涡流板组设有两圈，外圈涡流板组与壳板的同轴线虚拟外圆 柱对应设置，内圈涡流板组与壳板的同轴线虚拟内圆柱对应设置。

本发明的转子具有如下的优点：

1.本发明的转子结构简单，使用方便。当本发明的转子由工作流 体(工作流体可以是气体，也可以是液体)推动、工作流体由切向口 压入、轴向口流出时，本发明的转子可以作为膨胀机、发动机的转子。 由于工作流体由切向口进入，其流动方向与转子转动的方向一致，因 此工作流体不会产生对转子、壳体的轴向推力，这就消除了以往工作 流体撞击静叶片后，不但不做功而且有功耗的缺陷；同时本发明中的 工作流体在涡流板的导流作用下作涡旋运动，有效将工作流体的内能 及动能转化为转子转动的机械能，整体效率可达50％以上，与以往同 类产品的效率相比大大提高；

当本发明的转子由动力装置驱动中心轴旋转、工作流体由轴向口 (或切向口)吸入、切向口(或轴向口)流出时，本发明的转子可以 作为压缩机、真空抽气机的转子；也可以作为膨胀机(或发动机)的 压缩机或真空抽气机并与膨胀机或发动机可以同轴使用，也可以不同 轴使用。

2.两块圆形壳板的中心皆固定连通设有中空的中心轴，所述中 心轴与所述两块圆形壳板同轴线设置，使得工作流体可以通过两个圆 形壳板上的中心轴的轴向口流入转子或流出转子，使转子整体结构对 称，运行更加稳定。

3.所述两块圆形壳板中的一块壳板固定连通设有中空的中心 轴，另一块壳板固定连通设有实心的中心轴，这样的设置一方面便于 工作流体通过该中空的中心轴，从而使转子的功能得以实现，另一方 面便于通过实心的中心轴向外界输出动能。

4.涡流板组设有两圈，进一步提高了本发明转子的工作效率。

本发明的目的还在于提供一种使用上述转子的膨胀机。为实现上 述目的，本发明的膨胀机包括基座，基座上设有空腔，所述圆形壳板 及其中心轴设在所述空腔内且中心轴通过轴承与空腔内壁转动连接 在一起；所述中心轴上的轴向口与基座外部相连通并作为膨胀机的出 气口，所述切向口外侧的空腔在基座上设有空腔开口，该空腔开口作 为膨胀机的进气口。

所述空腔开口处的基座上设有喉部，喉部进气口作为膨胀机的进 气口。

本发明的膨胀机具有如下的优点：

1.结构简单，成本较低、易于制造和安装、使用，效率高。

2.喉部的设置，可以保持空腔内压力的稳定性。

本发明的目的还在于提供一种使用上述膨胀机的发动机。为实现 上述目的，本发明的发动机在所述基座上于切向口外侧的空腔处设有 燃料供给及点火装置。

燃料供给及点火装置的设置，便于本发明的发动机随时启动并向 外界输出机械能。

本发明的目的还在于提供一种使用上述膨胀机的膨胀机系统，为 实现上述目的，本发明的膨胀机系统包括热源换热器、气体压缩机和 膨胀机，热源换热器的出气口与气体压缩机的进气口相连通，气体压 缩机的出气口与所述膨胀机的进气口相连通，所述膨胀机的出气口与 所述热源换热器的进气口相连通。

本发明的膨胀机系统结构简单，能够利用以往同类产品所无法利 用的200度以下的热源换热器(如太阳能、地热能以及外燃机提供热 源的换热器)作为加热装置，不仅在整体上提高了效率，而且减少了 对大气排放所造成的(热)污染。因本发明的系统为相对封闭的系统， 与外界之间只有能量交换而无物质交换，其中的工作流体(可以是氟 利昂等常用的制冷剂，也可以是水)可以重复使用。

本发明的目的还在于提供另一种结构的使用上述膨胀机的膨胀 机系统，包括热源换热器、膨胀机和气体压缩机，热源换热器的出气 口与膨胀机的进气口相连通，膨胀机的出气口与气体压缩机的进气口 相连通，气体压缩机的出气口与热源换热器的进气口相连通。

附图说明

图1是实施例一中的两个圆形壳板上皆固定连通有中空的中心 轴时转子的结构示意图；

图2是实施例一中仅有一个圆形壳板上固定连通有中空的中心 轴时转子的结构示意图；

图3是实施例一中一个圆形壳板上固定连通有中空的中心轴且 另一个圆形壳板上固定连接有实心轴时转子的结构示意图；

图4是实施例一中涡流板组仅包括一个涡流板时图1至图3的 A-A剖面图；

图5是实施例一中涡流板组仅包括一个涡流板且采用另一种结 构的涡流板时图1至图3的A-A截面图；

图6是实施例一中涡流板组包括两个涡流板时图1至图3的A-A 剖面图；

图7是实施例一中涡流板组包括两个涡流板且采用另一种结构 的涡流板时图1至图3的A-A剖面图；

图8是实施例一中涡流板组包括四个涡流板时图1至图3的A-A 剖面图；

图9是实施例一中涡流板组包括四个涡流板且采用另一种结构 的涡流板时图1至图3的A-A剖面图；

图10是实施例一中膨胀机的结构示意图；

图11是实施例一中膨胀机系统的结构示意图；

图12是实施例二中膨胀机的结构示意图；

图13是实施例二中膨胀机系统的结构示意图；

图14是实施例三中发动机的结构示意图；

图15是图14的B-B剖面图；

图16是实施例四的结构示意图；

图17是实施例四采用两圈涡流板组时图16的C-C剖视图；

图18是实施例四采用另一种结构的涡流板时图16的C-C剖视

图19是实施例五中膨胀机系统的结构示意图；

图20是实施例六中双转子结构的结构示意图；

图21是实施例七中双转子结构的结构示意图；

图22是实施例八中三转子结构的结构示意图；

图23是实施例九中三转子结构的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1至图9所示，本实施例的转子包括沿同一轴线平行并排设 置的两块圆形壳板1，两圆形壳板1之间固连有一圈涡流板组，该涡 流板组可以如图4和图5所示仅包括一个涡流板2，也可以如图6和 图7所示包括两个涡流板2，还可以如图8和图9所示包括四个涡流 板2。所述每圈涡流板组对应一个壳板1的同轴线虚拟圆柱3，涡流 板组的组成涡流板2沿该圈涡流板2对应的虚拟圆柱3的切线方向均 匀绕设在该虚拟圆柱3外部，两块圆形壳板1中至少一个圆形壳板1 的中心垂直固定连通设有中空的中心轴4，该中心轴4与圆形壳板1 同轴线设置。中心轴4外端开设有轴向口5；最外圈相邻涡流板2的 外端之间的部位形成切向口6。其中，本实施例各图中箭头所示方向 为工作流体的流动方向；所述涡流板2可以是平板，也可以是涡线型 板；所述两块圆形壳板1可以是圆形平板，也可以是向外凸起的弧形 板；两块圆形壳板1可以如图1所示皆垂直固定连通设有中空的中心 轴4，也可以如图2所示仅有一块圆形壳板1上固定连通设有中空的 中心轴4，还可以如图3所示一块圆形壳板1固定连通设有中空的中 心轴4，另一块圆形壳板1固定连接设有实心轴7；所述中空的中心 轴4或所述实心轴7皆与所述圆形壳板1同轴线设置。

涡流板2采用涡线型板时，无论涡流板2是一个还是一个以上， 理论上其内端都可以落在轴心上，也可以落在任意与壳板1同轴线的 虚拟圆柱3上。涡流板2采用直线型板时，理论上其内端可以落在轴 心上，也可以落在任意与壳板1同轴线的虚拟圆柱3上；但其内端部 越趋于轴心其效果越差，如一块直板直到轴心就不易形成均匀推动转 子旋转的涡流。涡流板2也可以采用其它有利于转子做功的形状。

本实施例的转子用以向外输出机械能时，温度和压力均较高的工 作流体由转子的切向口6流入，在涡流板组的作用下产生涡旋运动并 不断撞击涡流板组，使涡流板组带动转子旋转并对外做功，同时工作 流体降温。最后，工作流体进入转子中心并通过中空的中心轴4流出 转子。在上述过程中工作流体将其自身所携带的大部分内能及动能转 化为转子的机械能。上述工作过程中工作流体温度降低，本实施例的 转子同时起到制冷的作用。

本实施例的转子用作压缩工作流体时，由电动机等外置的动力装 置带动中心轴4转动，转子在旋转过程中将工作流体由轴向口5或切 向口6吸入，再由切向口6或轴向口5排出。在上述过程中，工作流 体在涡流板的作用下压力升高，使本实施例的转子起到压缩工作流体 的作用，能够作为压缩机用于制冷或制热系统。

如图10所示，本实施例的使用上述转子的膨胀机包括基座8， 基座8上设有空腔9，所述圆形壳板1及其中心轴4设在空腔9内且 中心轴4通过轴承10与空腔9内壁转动连接在一起；所述中心轴4 上的轴向口5与基座8外部相连通并作为膨胀机的出气口，所述切向 口6外侧的空腔9在基座8上设有空腔开口12，该空腔开口12作为 膨胀机的进气口。其中，所述轴承10最好是气体轴承，也可以是其 它种类的轴承。

如图11所示，本实施例的使用上述膨胀机的膨胀机系统包括热 源换热器13、气体压缩机14和膨胀机15，热源换热器13的出气口 与气体压缩机14的进气口相连通，气体压缩机14的出气口与所述膨 胀机15的进气口相连通，所述膨胀机15的出气口与所述热源换热器 13的进气口相连通。其中，热源换热器13(包括：太阳能、地热能、 空气能换热器以及外燃机提供的热源的换热器)等热源；使用时所述 热源换热器13的位置最好低于所述膨胀机15和所述气体压缩机140 -3000米，也可以不低于所述膨胀机15和所述气体压缩机14。其中， 气体压缩机14可以采用普通的气体压缩机，也可以采用本实施例的 转子，由外置的动力装置驱动中心轴4旋转使本实施例的转子起到压 缩工作流体的作用。

工作时，低温的工作流体先进入热源换热器13，经过换热后温 度得到升高；工作流体接着进入气体压缩机14，经过压缩后压力升 高，同时温度也有一定程度的升高；高温高压的工作流体接着进入通 过喉部进气口进入膨胀机15，在膨胀机15内做功后温度下降，低温 工作流体由膨胀机15出气口流出后再次进入热源换热器13，形成一 个完整的循环过程。

实施例二

如图12、图13所示，本实施例与实施例一的不同之处在于：

所述膨胀机15于空腔开口12处的基座8上设有喉部16，喉部 16进气口作为膨胀机15的进气口。喉部16的设置，可以保持空腔9 内压力的稳定性。图12、图13中箭头所示方向为工作流体的流动方 向。

实施例三

如图14、图15所示(本实施例各图中箭头所示方向为工作流体 的流动方向)，本实施例提供一种发动机，这种发动机与实施例二中 膨胀机15的区别之处在于：

所述膨胀机的基座8上于切向口6外侧的空腔9处设有燃料供给 及点火装置17。由于设置了燃料供给及点火装置17，位于喉部16与 转子切向口6之间的空腔9就形成了燃烧室。本实施例的发动机能够 随时启动并向外输出机械能。另外，当实施例一或实施例二中膨胀机 15系统的热源的热能不稳定时，采用本实施例的膨胀机15可以保证 进入膨胀机15转子的工作流体的温度。

实施例四

如图16、图17、图18所示(本实施例各图中箭头所示方向为工 作流体的流动方向)，本实施例与实施例二的区别之处在于：所述转 子的涡流板组设有两圈，外圈涡流板组与壳板1的同轴线虚拟外圆柱 3B对应设置，内圈涡流板组与壳板1的同轴线虚拟内圆柱3A对应设 置。内圈涡流板组的各涡流板2均与所述虚拟内圆柱3A相切并位于 所述虚拟外圆柱3B以内，外圈涡流板组的各涡流板2均与所述虚拟 外圆柱3B相切并位于虚拟外圆柱3B的外部。涡流板组设有两圈， 进一步提高了本发明的转子将工作流体的内能转化为转子转动的机 械能的效率。

实施例五

如图19所示(图中箭头所示方向为工作流体的流动方向)，本实 施例与实施例二的区别之处在于膨胀机15系统不同，本实施例的膨 胀机15系统包括热源换热器13、膨胀机15和气体压缩机14，热源 换热器13的出气口与膨胀机15的进气口相连通，膨胀机15的出气 口与气体压缩机14的进气口相连通，气体压缩机14的出气口与热源 换热器13的进气口相连通。

实施例六

如图20所示(图中箭头所示方向为工作流体的流动方向)，本实 施例提供一种双转子结构，这种双转子结构采用实施例一中图2所示 的转子。具体地说，所述两个图2中的转子通过中空的中心轴4同轴 线固定连通组成双转子结构，其中两个转子的中心轴4可以分体设置 并固定连通，也可以是一体成型。

工作时，工作流体从其中一个转子的切向口6流入，经中心轴4 流入另一个转子，并经该转子的切向口6流出。采用本实施例的双转 子结构，工作流体推动两个转子同轴转动，进一步提高了工作效率， 尤其适用于气体的深度压缩或在流体中推进的系统。

实施例七

如图21所示(图中箭头所示方向为工作流体的流动方向)，本实 施例提供一种双转子结构，这种双转子结构采用实施例一中图2所示 的转子，具体地说，所述两个图2中的转子同轴线设置且两个转子的 中心轴4相背而设。两个转子相邻的壳板1通过连接轴11同轴线连 接在一起。

工作时，工作流体分别从两个转子的切向口6流入，并经各转子 的切向口6流出。采用本实施例的双转子结构，工作流体同时推动两 个转子同轴转动，增加了转子向外输出的功率。

实施例八

如图22所示(图中箭头所示方向为工作流体的流动方向)，本实 施例与实施例六的不同之处在于本实施例提供了一种三转子结构，具 体地说，三个图2中的转子通过中空的中心轴4同轴线固定连通组成 三转子结构。工作时，工作流体从中间转子的切向口6流入，经其左、 右两侧的中心轴4分别流入两侧的转子内，并经两侧转子的切向口6 流出。

本实施例的优点和用途同实施例六。

实施例九

如图23所示(图中箭头所示方向为工作流体的流动方向)，本实 施例与实施例八的不同之处在于：

左(右)侧转子的左(右)侧壳板1中心同轴线设有转轴，便于 向外输出动力；转子间通过中空的中心轴4同轴线固定连通。

当然，本发明包括但不限于上述实施例，如涡流板组不仅可以如 实施例一所述可以包括一个、两个或四个涡流板2，也可以包括三个 或五个及五个以上的涡流板2；转子的组合方式也不限于实施例六至 九中所述的几种方式，还可以组成四转子结构或五个及以上数目的多 转子结构；上述变换均落在本发明的保护范围之内。