技术领域
[0001] 本
发明涉及
转子、发动机，进一步来说涉及一种由螺管转子构成的螺管
转子发动机。
背景技术
[0002]
涡轮机是一种利用
流体冲击
叶轮转动而产生动
力的发动机，主要分为
燃气涡轮发动机、蒸气涡轮发动机、
水力涡轮发动机(即
水轮机)、压缩空气涡轮发动机四种。当我们不是追求涡轮发动机喷气飞行推力，而是追求涡轮发动机把流动工质的
能量转换为机械功的有效程度时，这时涡轮发动机的涡轮转换能量能力基本上决定了这些涡轮发动机效率。
现有技术的涡轮发动机广泛装备应用在发电、飞机、船、动力等民用军事领域，发挥着非常重要的作用。如何提高涡轮发动机效率？降低运行成本，珍惜
能源，减小对环境污染，应对
气候变化，是人类要解决的迫切问题。
[0003] 燃气涡轮发动机和蒸气涡轮发动机有多方面的共同点与不同点。
[0004] 共同点：燃气涡轮发动机和蒸气涡轮发动机都是通
过热力循环将流动工质的能量转换为机械功，具有转速高及工质流量大，单机输出功率高达兆瓦级，效率低，相对
活塞式
内燃机环保，都未曾应用到驱动常规
汽车中。
[0005] 不同点：蒸气涡轮发动机所用工质是水蒸气，单机输出功率可达十千瓦至上千兆瓦，可用
固体燃料；燃气涡轮发动机所用工质是燃气，单机输出功率可达十千瓦至百兆瓦，用液体或气体燃料，每单位功率的
机体重量及体积都比蒸气涡轮发动机、活塞式内燃机要小很多。为提高效率，蒸气涡轮发动机主要采用多级涡轮、提高初始蒸气
温度、回热循环、冷却乏气等技术措施来提高效率，燃气涡轮发动机也主要采用多级涡轮、提高燃烧所得高温燃气的温度等技术措施来提高效率。
[0006] 根据卡诺循环理论的指导，人们采用提高燃气涡轮发动机燃烧所得高温燃气的温度，涡轮
叶片耐高温能力来提高效率，可是提高燃烧所得高温燃气的温度容易，要求涡轮叶片提高耐高温可不容易，故目前研究重点也主要集中在如何提高涡轮叶片耐高温能力方面。但即使用最新的单晶叶片为核心技术把燃气涡轮发动机的燃气最高温度提高达到1500℃，现有技术燃气涡轮发动机的热效率也只达到42％左右；现代化超临界
蒸汽发电厂在蒸汽高达300bar的压力和600℃的高温高压下运行，燃
煤净效率也为45％左右，还是与理论涡轮发动机热效率的数值应无限接近100％相差甚远。
[0007] 压缩空气涡轮发动机是指用空气
压缩机装置生产出压缩空气，在有需要时，再利用涡轮机将压缩空气能转换动力这类发动机。由于它通常只有一级涡轮转换动力，效率一般小于20％。
[0008] 水力涡轮发动机虽然只有一级涡轮，但由于工质是液体，所以效率高达80％，比燃气涡轮发动机和蒸气涡轮发动机要高。
[0009] 螺管就是管的入口与出口不在同一中心直线上且具有螺线形状的管。它能使流动工质在流过管内时的流动方向发生连续的改变，即能把推动工质流动的力的方向发生连续的改变。
[0010] 转子，是一个科技名词。通俗来讲，由
轴承支撑的旋转体称为转子。
[0011] 按以上定义，一个带中心
转轴涡轮就构成了转子，涡轮是一个旋转体。
[0012] 鼠笼式
电动机的转子，是在一个圆柱形
铁芯的旋转体表层嵌入闭合的鼠笼式
铜条构成的。
[0013] 两种转子都是将流动工质的能量转换为机械功的旋转式动力机械。只不过工作方式不同：鼠笼式电动机的转子是利用
电磁感应工作，转换的是以流动电荷为工质的能量；涡轮转子是利用涡轮叶片以顺
时针或逆时针方向与转轴方向夹
角大于0°小于90°
对流动工质产生一个阻力，使流动工质流动方向发生改变，使自身获得一个垂直于转轴方向转动分力与
力臂一起产生
扭矩来工作，转换的是高速流动工质的能量。
[0014] 铜条、叶片到中心转轴的距离就是力臂。显然，旋转体直径越大，力臂越长，力臂的长短与旋转体在轴向上的长短是依据构成该装置功率的大小进行取值，它们不可能很大很长。
[0015] 研究物体的转动问题时，我们常把物体的转动中心点O称为矩心，把矩心到力作用线的垂直距离L称为力臂，把力F和力臂L的乘积FL称为扭矩M。扭矩是使物体发生转动的一种特殊的力矩。发动机的扭矩就是指发动机从
曲轴端输出的力矩。发动机输出功率大小，以功率P等于
发动机扭矩M乘以转速V再除以9550来计算，即P＝MV/9550(千瓦)，当功率P一定时，扭矩M与转速V成反比。显然，当一台功率为P的发动机，它的力臂L越长，转速V越慢，它输出扭矩越大，反之力臂L越短、转速V越快，输出扭矩越小，扭矩反映了汽车在一定范围内的负载能力。对于家用轿车而言，扭矩越大
加速性越好；对于越野车，扭矩越大其爬坡度越大；对于货车而言，扭矩越大车拉的重量越大。车子的扭矩越大就越好，在行驶的时候也是这样，在
排量相同的情况下，扭矩越大说明发动机越好。
[0016] 涡轮发动机对外作功需一定功率，如涡轮叶片与转轴方向夹角等于0°时，涡轮叶片几乎不对流动工质产生一个阻力作用，涡轮转动分力等于零，没有功率输出；当涡轮叶片与转轴方向夹角等于90°时，涡轮叶片对流动工质产生一个阻力达到最大值，但转动分力等于零，也没有功率输出；涡轮叶片与转轴方向夹角等于45°时，涡轮叶片对流动工质产生一个阻力虽不是达到最大值，但转动分力达到最大值。
燃气发生器和蒸气发生器产生的高温高压工质传送到涡轮前端气室并突然绝
热膨胀，由于与气室产生作用力与反作用力，高温高压工质同时含有传递能与膨胀能，其作用效果都是推动工质向涡轮高速运动，可看成沿平行转轴方向向涡轮叶片高速发射大量的高能粒子，依
牛顿第三定律：两个物体之间的作用力和反作用力，总是同时在同一条直线上，大小相等，方向相反，粒子的运动方向就是力的方向，表明粒子作用力是有方向的，同时我们知道一切运动物体都具有能量，依能量守恒原理，因涡轮改变了高速流动粒子的力方向，即是改变了高速流动粒子的运动方向，使流动粒子失去能量，所以涡轮获得能量而转动。这就是涡轮的转动机理。当
质量为m的流动工质从有角度的两
块叶片间流道流过，由于单个涡轮盘在轴向厚度薄，流动工质流过叶片的流道很短，叶片在径向上有一定长度，由于气体工质不是刚体且具有弹性和极易
变形，不能以最小的
接触面积传递能量，当受到叶片阻力时会自动聚向叶根低阻力流道流动，使叶片获得流体工质很短时间的作用力，由冲量等于动量的增量ft＝mv2-mv1可知，单个涡轮获得的动量有限，单个涡轮转换能量能力有限。为获得长时间的作用力，增大
焓降量，提高转换能量效率，现时气体涡轮发动机，普遍主要采用静子在前和转子在后组成为一级的多级涡轮结构。可见，多级涡轮结构并不是以连续方式改变流动工质传递过来的作用力方向来汲取动力，而是断续方式，再有，静子在前改变工质的运动方向已使工质失去部分与作功无关的能量，没有尽可能把排气温度降到接近
环境温度，造成涡轮机中依靠工质的焓降而
输出轴功的效率低，是现有涡轮发动机效率不够高，在部分负荷下效率下降快根源。
[0017] 现有涡轮发动机的涡轮直径随流动工质流量大就大，小就小。意味着力臂随流量大就长，小就短，小流量的涡轮发动机不可能有长力臂。力臂L短，要获得一定的功率，就要提高转速V，所以现有技术的涡轮
发动机转速很高，转速很高必然带来后续
变速器复杂、很大的
离心力，必然带来危害安全运行隐患。
[0018] 燃气涡轮发动机空载时，因要维持一定转速才能使速度型
压气机向
燃烧室提供相应气压力，加上工质流量大，每加热1kg空气到1100K就要1161kj了，要等压加热大量工质到高温需消耗大量的热量，这是空载时的燃料消耗量高的原因。
[0019] 燃气涡轮发动机，普遍采用多级涡轮结构。意味着这段
动力涡轮轴向结构相对长。因容纳问题，是现时常规车辆放弃它，只常用作飞机与大型的
船舶或特种车辆的发动机的原因之一。
[0020] 功率在几十到几百千瓦之间的发动机通常用于驱动常规车辆，要求它的扭矩带宽为0～最大值牛顿米，以适应不同路况的行驶要求。燃气涡轮发动机转速低时，它同轴驱动的轴流式或离心式速度型压气机会因此而不能向燃烧室提供相应的气压力使燃气涡轮发动机无法正常工作。输出功率在几十到几百千瓦以下的燃气涡轮发动机，因流动工质流量小，它的涡轮直径很小，力臂短输出扭矩小，提高转速增大功率又会对变速器等不利，以上缺点是燃气涡轮发动机无论在结构方面没有复杂的
曲柄连杆机构还是其它方面虽比活塞式内燃机更具技术优势，却在车辆发动机应用领域受到冷遇的主要原因。
[0021] 为解决上述技术问题，人们除使用单晶叶片提高涡轮耐高温外，还使用其它技术，如
专利申请号：01802784.9用于提高涡轮机效率的蒸气式燃气涡轮机的组件和方法，但揭示的是能有效地解决蒸气式
燃气轮机的气体
泄漏问题。
发明内容
[0022] 本发明目的：一是提供一种提高涡轮发动机效率的方法；二是提供一种实现提高涡轮发动机效率的螺管转子发动机；三是提供一种螺管转子发动机专用的螺管转子；四是提供螺管转子发动机的应用装置，提高这些装置的能源使用效率。
[0023] 一种提高涡轮发动机效率的方法，包括：水力涡轮发动机采用的提高工质
水头方法或燃气涡轮发动机采用的提高初始状态工质温度和压力方法或蒸气涡轮发动机采用的提高初始状态工质温度和压力、回热循环、冷却乏气方法或压缩空气涡轮发动机采用的提高初始状态工质压力方法，还包括用螺管转子代替涡轮转子，将涡轮发动机制造成水力螺管转子发动机或燃气螺管转子发动机或蒸气螺管转子发动机或压缩空气螺管转子发动机，使流动工质在螺管转子螺管内的流动方向发生连续的改变，转换流动工质所具有的能量为机械功输出动力。
[0024] 减少流动工质与作功过程无关的能量损失。
[0025] 能通过减少螺管转子的螺管条数和或螺管管径应付因装机功率减少而引起工质流量减少的，就不减少螺管转子直径。
[0026] 实现一种提高涡轮发动机效率的方法的螺管转子发动机，包括：水力涡轮发动机或燃气涡轮发动机或蒸气涡轮发动机或压缩空气涡轮发动机的涡轮转子，机匣为圆筒形，由螺管转子代替涡轮转子，构成水力螺管转子发动机或燃气螺管转子发动机或蒸气螺管转子发动机或压缩空气螺管转子发动机，使流动工质在螺管转子螺管内的流动方向发生连续的改变，转换流动工质所具有的能量为机械功输出动力。
[0027] 所述的燃气螺管转子发动机，燃烧室的外机匣与转轴前轴承密封转动连接，外置的压气机装置与转轴动力连接、燃烧室气连接，以此构成燃气发生器。
[0028] 所述的燃气螺管转子发动机，外置的压气机装置与转轴动力连接还与外置的燃烧室气连接构成燃气发生器，设有进气室且与外置的燃气发生器喷气口气连接。
[0029] 所述的燃气螺管转子发动机，螺管转子螺管入口端套入一杯形状物体的杯口中，杯形状物体的杯底与转轴前轴承密封转动连接，杯形状物体的杯口与螺管转子螺管入口端旋转体表面密封转动连接，杯形状物体固定在外机匣上与内机匣构成一个燃烧室，外置的压气机装置与转轴动力连接还与燃烧室气连接构成燃气发生器。
[0030] 所述的蒸气涡轮发动机，螺管转子螺管入口端套入一杯形状物体的杯口中，杯形状物体的杯底与转轴前轴承密封转动连接，杯形状物体的杯口与螺管转子螺管入口端旋转体表面密封转动连接，杯形状物体固定在外机匣上与内机匣构成一个进气室，该进气室与
蒸汽发生器气连接。
[0031] 实现一种提高涡轮发动机效率的方法的一种转子，包括圆柱形转子旋转体，由一条螺管或一条以上螺管同时以顺时针或逆时针方向与转轴方向夹角大于0°小于90°穿过旋转体内连通转子旋转体的两端面构成一种螺管转子。
[0032] 所述的螺管转子，从螺管入口到出口，螺管之间是以一定间距布置在转子旋转体的表层。
[0033] 所述的螺管转子，螺管入口是在转动方向上沿逆时针方向的间距扩宽。
[0034] 所述的螺管转子，旋转体内设有腔室。
[0035] 一种装置，包括发电、飞机、船、车辆装置、空
气动力装置的发动机，所述装置的发动机是螺管转子发动机。
[0036] 有益效果
[0037] 由于采取了上述技术措施，收到以下有益效果：
[0038] 1、把涡轮发动机制造成螺管转子发动机能分别把燃气涡轮发动机、蒸气涡轮发动机、水力涡轮发动机、压缩空气涡轮发动机的效率再提高5％以上。由于螺管同时以顺时针或逆时针方向与转轴方向夹角大于0°小于90°始终对流动工质产生一个阻力作用，利用流体从螺管入口到出口始终冲击螺管内壁使螺管转子转动而产生动力，所以本发明螺管转子发动机是一种利用流体冲击螺管转子转动而产生动力的发动机。螺管之间以一定间距布满在转子旋转体表层时，可看成多个涡轮
串联在一起构成螺管转子，其实等效于一个流道长涡轮，螺管转子发动机以螺管转子代替涡轮转子转换流动工质能量时，它就能以连续方式改变流动工质传递过来的作用力方向来获取动力，流道长意味着连续汲取作用力时间长，增大了焓降量，从而降低所排废气温度，等于提高了
热能转换为机械功效率。去除改变工质流动方向造成能量损失的静子，和使工质在作功过程不接触外机匣，与外机匣隔离，机匣内就能设
隔热材料，能有效防止工质通过外机匣大面积
散热，这就减少了流动工质与作功过程无关的能量损失，等于提高了热能转换为机械功效率。能通过减少螺管转子的螺管条数和或螺管管径应付因装机功率减少而引起气流流量减少的，就不减少螺管转子直径，不减少螺管转子直径等于不缩短力臂长度，等于小功率螺管转子发动机也能输出强劲的扭矩，就能省力轻松驱动负载，等于提高了热能转换为机械功效率。
[0039] 2、能把燃气螺管转子发动机和蒸气螺管转子发动机用作常规车辆发动机。因为相同功率下螺管转子轴向结构相对多级涡轮短，容纳不成问题；又因为输出功率在几十到几百千瓦以下的燃气螺管转子发动机和蒸气螺管转子发动机也能输出强劲的扭矩，能省力轻松驱动负载，燃气螺管转子发动机又能用外置的变容积式压气机装置为它提供压缩空气，它们的输出扭矩带宽能达到0～最大值牛顿米，能适应不同路况的车辆行驶要求。
[0040] 3、燃气螺管转子发动机作车辆发动机结构简单，能使用多种燃料，环保。没有内燃发动机复杂的曲柄连杆机构，水冷系统等。能使用
汽油、柴油、
天然气、沼气等多种液体或气体燃料。燃气螺管转子发动机效率高，决定了它的环保指数高，加上能工作在过量的压缩空气中，自然比活塞式内燃机产生的有害废气少。
[0041] 4、造价低。制造一片单晶燃气涡轮叶片就已非常复杂和非常昂贵，制造一个同等耐热的螺管转子就相对简单和造价低了。
[0042] 5、以螺管转子发动机装备的船、飞机、发电、常规车辆等装置，更利于节能减排。
附图说明
[0043] 下面结合附图作进一步说明。
[0044] 附图是本发明提供的当杯形状物体的杯口与螺管转子螺管入口端旋转体密封转动连接技术方案时的工作原理示意图，通过此图基本上能举一反三理解其它技术方案时的工作原理。
[0045] 图中，1.转轴，2.转轴前轴承，3.圆筒形内机匣，4.燃烧室，5.外机匣，6.转子旋转体，7.转轴后轴承，8.螺管排气口，9.螺管，10.密封转动连接点，11.杯形状物体，12.压气机。
[0046] 实施方式
[0047] 下面对本发明再作进一步说明。
[0048] 一种提高涡轮发动机效率的方法，包括：水力涡轮发动机采用的提高工质水头方法或燃气涡轮发动机采用的提高初始状态工质温度和压力方法或蒸气涡轮发动机采用的提高初始状态工质温度和压力、回热循环、冷却乏气方法或压缩空气涡轮发动机采用的提高初始状态工质压力方法，还包括用螺管转子代替涡轮转子，将涡轮发动机制造成水力螺管转子发动机或燃气螺管转子发动机或蒸气螺管转子发动机或压缩空气螺管转子发动机，使流动工质在螺管转子螺管内的流动方向发生连续的改变，转换流动工质所具有的能量为机械功输出动力。用螺管转子代替涡轮转子是它们的共同特征，是提高效率的前提。
[0049] 减少流动工质与作功过程无关的能量损失。造成与作功过程无关的能量损失主要来自：静子改变力的方向；热量通过外机匣发生大面积散热。因此，要废除静子，尽可能使流动工质平行转轴进入螺管转子的螺管入口，使外机匣内表面为圆筒紧密配合螺管转子工作；采用杯形状物体的杯口与螺管转子螺管入口端旋转体表面密封转动连接，使流动工质作功过程不接触外机匣，在外机匣内圆筒表面设置隔
热层。
[0050] 能通过减少螺管转子的螺管条数和或螺管管径应付因装机功率减少而引起工质流量减少的，就不减少螺管转子直径。例如，原发动机高温高压燃气发生器与螺管转子配套使用时能发出200千瓦的功率，现减少高温高压燃气发生器的工质流量，只要求发动机发出100千瓦的功率，这时减少原螺管转子的螺管条数就能适配，可通过对称堵塞螺管转子螺管出口或入口方式来实现，而不必更换螺管转子或真的拆去螺管、减少螺管口径。这对工质流量小，要求输出扭矩大的不同功率汽车发动机生产带来很大方便。
[0051] 实现一种提高涡轮发动机效率的方法的螺管转子发动机，包括：水力涡轮发动机或燃气涡轮发动机或蒸气涡轮发动机或压缩空气涡轮发动机的涡轮转子，机匣为圆筒形，由螺管转子代替涡轮转子，构成水力螺管转子发动机或燃气螺管转子发动机或蒸气螺管转子发动机或压缩空气螺管转子发动机，使流动工质在螺管转子螺管内的流动方向发生连续的改变，转换流动工质所具有的能量为机械功输出动力。圆筒形机匣与螺管转子的转动间隙最好精密到最高温度时两者刚好能相对转动，使泄漏气最少。圆筒形内机匣可固定在前轴承端圆筒形外机匣上，也可固定在螺管转子入口端与转子一起转动。
[0052] 所述的燃气螺管转子发动机，燃烧室的外机匣与转轴前轴承密封转动连接，外置的压气机装置与转轴动力连接、燃烧室气连接，以此构成燃气发生器。把压气机装置外置，压气机装置就能使用变容积式压气机，输出压力大小，基本上不受发动机转速限制，外置的压气机装置可配置储气罐、小型电动压气机，以用于燃气螺管转子发动机起动。
[0053] 所述的燃气螺管转子发动机，外置的压气机装置与转轴动力连接还与外置的燃烧室气连接构成燃气发生器，设有进气室且与外置的燃气发生器喷气口气连接。进气室是为了把气体均匀送到螺管转子螺管入口端，它的圆环形出口和大小应正对螺管转子螺管入口的旋转轨迹，以减小能量损失。
[0054] 所述的燃气螺管转子发动机，螺管转子螺管入口端套入一杯形状物体的杯口中，杯形状物体的杯底与转轴前轴承密封转动连接，杯形状物体的杯口与螺管转子螺管入口端旋转体表面密封转动连接，杯形状物体固定在外机匣上与内机匣构成一个燃烧室，外置的压气机装置与转轴动力连接还与燃烧室气连接构成燃气发生器。这是为了不让工质接触外机匣造成能量损失等设计的，这时杯形状物体已充当了燃烧室外机匣，跨接在两轴承间的外机匣对发动机起支撑固定作用而不再承受高温高压，整个发动机外机匣就不需原来那样厚而笨重设计，又可在外机匣内表面加装隔热层，起到既保温又节省材料作用。杯形状物体的杯口与螺管转子螺管入口端旋转体表面密封转动连接，同样转动间隙最好精密到最高温度时两者刚好能相对转动。可见，这个技术方案最适合用作常规车辆发动机。
[0055] 所述的蒸气涡轮发动机，螺管转子螺管入口端套入一杯形状物体的杯口中，杯形状物体的杯底与转轴前轴承密封转动连接，杯形状物体的杯口与螺管转子螺管入口端旋转体表面密封转动连接，杯形状物体固定在外机匣上与内机匣构成一个进气室，该进气室与蒸汽发生器气连接。设计意图和要求同上。
[0056] 水力涡轮发动机、压缩空气涡轮发动机的实施方式与上述燃气螺管转子发动机、蒸气涡轮发动机的实施方式大同小异。
[0057] 实现一种提高涡轮发动机效率的方法的一种转子，包括圆柱形转子旋转体，由一条螺管或一条以上螺管同时以顺时针或逆时针方向与转轴方向夹角大于0°小于90°穿过旋转体内连通转子旋转体的两端面构成一种螺管转子。无论螺管绕转轴多少圈或不够一圈，螺管与转轴方向夹角大于都应在0°小于90°角之间，螺管与转轴方向夹角就叫它为入射角，入射角等于45°时，螺管对流动工质产生一个阻力虽不是达到最大值，但转动分力达到最大值。
[0058] 所述的螺管转子，从螺管入口到出口，螺管之间是以一定间距布置在转子旋转体的表层。这与鼠笼式电动机的转子，是在一个圆柱形铁芯的旋转体表层以一定间距嵌入铜条相似，不能为0间距。
[0059] 所述的螺管转子，螺管入口是在转动方向上沿逆时针方向的间距扩宽。这样入口受到的瞬时作用力就大，有利于启动。
[0060] 所述的螺管转子，旋转体内设有腔室。最好采用鼓盘式混合结构，这时旋转体内设有腔室，不影响结构强度，又能减轻转子自重，克服离心力，利于发动机启动。
[0061] 一种装置，包括发电、飞机、船、车辆装置、
空气动力装置的发动机，所述装置的发动机是螺管转子发动机。研究高效率的螺管转子发动机最终目的就是为了用它去装备发电、飞机、船、车辆等装置，使之更好地为人类服务，故所有应用螺管转子发动机的产品也应在本发明的专利保护之内。
