一種氣動發動裝置及其用途的制作方法

本發明涉及一種氣動發動裝置及其用途，屬于發動機技術領域。

背景技術：

在我們的生活中，常用的運輸工具有汽車、火車、飛機、船舶、電動車、摩托車等。其中，汽車的種類很多，按照用途可分為主要供人員乘坐的載客汽車、主要用于運載貨物的載貨汽車、用于建筑工程、農業生產、運動競技等的特殊用途汽車；按照對道路的適應性可分為普通汽車和越野車；按照動力裝置類型可分為活塞式內燃機汽車、電動汽車、燃氣輪汽車。飛機的種類也很多，按照用途可分為民用客運飛機、軍用運輸飛機、軍用戰斗飛機等；按照發動機的類型可分為螺旋槳飛機和噴氣式飛機。火車有普通列車、磁懸浮列車和高速列車等。所有這些交通工具采用的發動機驅動方式主要包括兩類，即摩擦力驅動發動機和反作用力驅動發動機。現有的反作用力驅動的發動機包括吸氣式發動機和火箭噴氣式發動機，其中吸氣式發動機也是常用的航空發動機，在實際大功率驅動需求時均采用燃料燃燒驅動，但某些情況下驅動功率仍不滿足要求或使用不方便，并且尚不具備以電能直接或間接為主要驅動供能的大功率反作用力發動機。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明的目的是提供一種氣動發動裝置，其特征在于，它包括：供氣結構、氣體增壓結構、氣體加熱結構和氣體噴射結構；其中所述供氣結構與所述氣體增壓結構相連接，所述氣體加熱結構位于所述氣體增壓結構的內部，所述氣體噴射結構與所述氣體增壓結構相連接且位于所述氣體增壓結構與驅動力方向相反的一側。

所述氣體噴射結構有氣體噴射出口，所述氣體噴射出口的氣體噴出方向為驅動力的相反方向，所述氣體噴射出口小于所述的氣體增壓結構腔室的最大內徑。

所述供氣結構有供氣管道和供氣入口，所述的供氣結構與所述的氣體增壓結構的連接為氣體流向所述的氣體增壓結構方向的單向閥式開關結構，所述的供氣結構的氣體輸出口方向與所述的氣體噴射結構的氣體噴出口的方向一致。

所述的氣體增壓結構為腔室性結構，包括但不限于下列一種或多種特征：1）單一腔室的結構，所述腔室內部為所述氣體增壓結構的內部；2）多個腔室組合而成的組合結構，所述各腔室內部為所述氣體增壓結構的內部；3）單一套管狀夾層結構，其中外層的夾層空間為所述氣體增壓結構的腔室，位于中央的套管為所述氣體增壓結構的內部；4）多個夾層結構的套管狀組合，其中外層的夾層空間的組合為所述氣體增壓結構的腔室，組合形成的套管狀中央空間為所述氣體增壓結構的內部。

所述的氣體加熱結構為干熱發生器，包括固態干熱發生器和燃燒干熱發生器；所述的氣體加熱結構對所述的氣體增壓結構內的氣體的加熱方式包括接觸熱傳導氣體加熱式和熱空氣混合氣體加熱式，所述的氣體加熱結構與所述的氣體增壓結構的連接包括但不限于下列一種或多種組合：1）所述的氣體加熱結構位于所述氣體增壓結構腔室內，與所述腔室內的氣體直接接觸混合加熱；2）所述的氣體加熱結構位于所述氣體增壓結構腔室的外側面，通過加熱所述腔室外側壁，間接加熱所述腔室內的氣體。

所述的供氣結構所采用的氣體形態包括壓縮空氣、液態氮氣、液態空氣。

所述的氣體加熱結構為加熱驅動的飛行器發動機，包括如下結構形式：1）加熱驅動的飛行器發動機的熱輸出端位于所述的氣體增壓結構的腔室的內部；2）加熱驅動的飛行器發動機的熱輸出端位于所述的套管狀夾層氣體增壓結構的中央套管；3）加熱驅動的飛行器發動機的熱輸出端位于所述的多個夾層氣體增壓結構的套管狀組合的中央套管。

飛行器發動機一般分為兩類,包括吸氣式發動機和噴氣式發動機,吸氣式發動機主要為航空發動機，必須吸進空氣作為燃料的氧化劑(助燃劑),根據吸氣式工作原理又分為活塞式發動機、燃氣渦輪發動機、沖壓噴氣式發動機和脈動噴氣式發動機等。噴氣式發動機是指火箭發動機，是一種不依賴空氣工作的發動機,分為化學火箭發動機、電火箭發動機和核火箭發動機等。按產生推進動力的原理不同,飛行器的發動機又可分為直接反作用力發動機、間接反作用力發動機兩類。直接反作用力發動機是利用向后噴射高速氣流,產生向前的反作用力來推進飛行器。直接反作用力發動機有渦輪噴氣發動機、沖壓噴氣式發動機,脈動噴氣式發動機,火箭噴氣式發動機、渦輪風扇噴氣發動機等。間接反作用力發動機是由發動機帶動飛機的螺旋槳、直升機的旋翼旋轉對空氣作功,使空氣加速向后(向下)流動時,空氣對螺旋槳(旋翼)產生反作用力來推進飛行器。這類發動機有活塞式發動機、渦輪螺旋槳發動機、渦輪軸發動機、渦輪螺旋槳風扇發動機等。加熱驅動的飛行器發動機主要為直接反作用力發動機。

所述的氣體增壓結構腔室內氣體的溫度選100-2000℃，優選300-1800℃，更優選400-1500℃，最優選500-1200℃。

本發明還包括控制器、溫度傳感器和壓力傳感器，所述的溫度傳感器安裝在所述氣體增壓結構的腔室內和所述的氣體加熱結構上，所述壓力傳感器安裝在所述氣體增壓結構的腔室內和所述的供氣結構內，所述控制器分別與所述壓力傳感器、所述的溫度傳感器電連接。

所述的氣動發動裝置在開發多種用于運輸工具驅動的發動機的應用。

本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點：1、本發明的氣動發動裝置由于在氣體膨脹增壓腔室內安裝了氣體加熱結構，使氣體增壓結構的腔室內的氣體加熱膨脹，然后經噴射結構的出口噴出，產生相對于高壓氣體噴出方向的反作用力，形成類似航空發動機的向前推力，進而驅動運載裝置向前運行，有別于現行的燃油航空發動機，具有顯著的節約燃油效應。2、本發明的氣動發動裝置的氣體加熱結構也可以是現有的航空發動機的渦輪排氣口，使排氣口排出的熱氣直接進入氣體增壓結構的腔室內，進而使腔室內的氣體加熱膨脹，通過噴射結構的出口噴出，產生二級驅動增效作用，顯著提高了發動機的驅動效能。3、本發明的氣動發動裝置的供氣結構所需要的氣體可以在運行過程中通過電能制取，如壓縮空氣、液氮、液態空氣，因此可用于近地面或地面運行結構的運行驅動，如懸浮列車，可以有效克服輪地或輪軌運行所產生的摩擦阻力，可產生顯著的節能效果。4、本發明的氣動發動裝置由于采用以空氣或氮氣為主的驅動介質，可大大減輕由于燃油造成的污染排放，具有顯著的環保效應。6、本發明的氣動發動裝置所述的供氣結構的氣體輸出口方向與氣體噴射結構的氣體噴出口的方向一致，如采用壓縮空氣，在氣體進入氣體增壓結構的腔室內時會產生一與氣流方向相反的反作用力，當氣體在氣體增壓結構的腔室內加熱膨脹并通過噴射結構的出口噴出，產生第二次與氣流方向相反的反作用力，提高氣體驅動效果。

附圖說明

圖1是本發明實施例一的整體結構示意圖；

圖2是本發明實施例一以飛行器發動機為氣體加熱結構的單一夾層套管式氣體增壓結構整體結構示意圖；

圖3是本發明實施例一以飛行器發動機為氣體加熱結構的多個夾層結構的套管狀組合的氣體增壓結構整體結構示意圖；

圖4是本發明實施例一以飛行器發動機為氣體加熱結構的單一腔室結構的氣體增壓結構整體結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。

實施例一：

本實施例中的氣體發動裝置，如圖1所示，它包括供氣結構2、氣體增壓結構3、氣體加熱結構1和氣體噴射結構4；其中供氣結構2與氣體增壓結構3通過連接結構5和進氣閥6相連接，氣體加熱結構1位于氣體增壓結構3的內部，氣體噴射結構4與氣體增壓結構3相連接且位于氣體增壓結構的驅動力方向7相反的一側。供氣結構2通過連接結構5和進氣閥6向氣體增壓結構3輸送氣體，進入氣體增壓結構3的氣體經氣體加熱結構1加熱膨脹，使腔室內壓力增加，然后經氣體噴射結構4的排氣口排出，產生高壓氣流。高壓氣流的方向與驅動力方向7相反，進而產生反作用推力。

進一步地，如圖2所示，氣體加熱結構選用加熱驅動的飛行器發動機21，氣體增壓結構23為夾層單腔室結構，夾層中央包裹形成氣體增壓結構23的中央套管區間28。飛行器發動機21的渦輪排氣口位于氣體增壓結構23的中央套管區間28的驅動力方向端27。當啟動飛行器發動機21和進氣結構26時，飛行器發動機21的渦輪排氣口排出的熱風加熱氣體增壓結構23的腔室內壁，使腔室內的氣體加熱膨脹，經高壓氣體排氣口24排出，進而產生反作用推力。

進一步地，如圖3所示，氣體加熱結構選用加熱驅動的飛行器發動機31，氣體增壓結構33為夾層雙腔室結構，分別為腔室33a和腔室33b，并分別安裝有獨立的氣體噴射結構34a和34b，夾層中央包裹形成氣體增壓結構33的中央套管區間38。飛行器發動機31的渦輪排氣口位于氣體增壓結構33的中央套管區間的驅動力方向端7。當啟動飛行器發動機31和進氣結構36時，飛行器發動機31的渦輪排氣口排出的熱風加熱氣體增壓結構33a和33b的腔室內壁，使腔室內的氣體加熱膨脹，經高壓氣體排氣口34a和34b排出，進而產生反作用推力。

進一步地，如圖4所示，氣體加熱結構選用加熱驅動的飛行器發動機41，氣體增壓結構43為單一腔室結構，安裝有氣體噴射結構44。飛行器發動機31的渦輪排氣口位于氣體增壓結構43的腔室內。當啟動飛行器發動機41和進氣結構46時，飛行器發動機41的渦輪排氣口排出的直接熱風加熱氣體增壓結構33腔室內的氣體，使其膨脹，經高壓氣體排氣口44排出，進而產生反作用推力。

本發明的工作原理為：在氣體腔室內注入高壓氣體或液化氣體，再進行快速加熱使氣體體積迅速膨脹，并經排氣口高速排出，進而通過反作用力產生向前的推力。進一步將這種結構與加熱驅動的飛行發動機結合，如渦輪噴氣發動機，在有效利用飛行發動機經排氣口排出的余熱的同時，加熱膨脹的氣體經排氣口高速排出，產生二級反作用推力，可以顯著增加現行發動機的驅動效能。

下面以實驗室中的模擬實驗來說明本發明的效果：

實驗例（一）：固態干熱法加熱驅動模擬實驗

1）實驗材料：帶有螺蓋的圓形不銹鋼桶、不銹鋼管、加熱棒、液氮、橡膠塞。

2）實驗裝置的制備：取直徑30cm帶有螺蓋的圓形不銹鋼桶,在螺蓋的中央部位開口，將直徑5cm的不銹鋼管截取長5cm，焊接到螺蓋的中央開口處，密封。橡皮膠塞打孔，穿加熱棒電線。在焊接的不銹鋼管的內側，用橡皮膠塞封堵，并將加熱棒放置在不銹鋼桶內。

3）實驗方法與結果：

在不銹鋼桶內加入少量液氮，蓋上螺蓋，倒立放置于預制的鐵架上，連接電源。用溫度計檢測不銹鋼桶表面溫度。當溫度升到100℃時，用一木棒從外向內推開橡膠塞，此時看見強大的氣流從不銹鋼管口噴射出，同時看到不銹鋼桶飛離鐵架。結束試驗。

實驗例（二）：燃燒加熱法模擬實驗一:

實驗材料：jetcatp120sx渦噴航模發動機、不銹鋼桶、拉力計、液氮。

實驗裝置的制備：

制作4個長50cm，長徑12cm的弧形不銹鋼桶，出口直徑2cm，以圓弧形捆綁固定于jetcatp120sx渦噴航模發動機的排氣口的周圍，固定于鐵制的手推平板車上。平板車的后端與拉力計相連接。拉力計的另一端與一地面的固定支架連接。

實驗方法與結果：

啟動jetcatp120sx渦噴航模發動機，看見手推平板車先前運動，拉力計顯示最大拉力為12.6公斤。關閉jetcatp120sx渦噴航模發動機，在4個弧形不銹鋼桶內各加入約200ml液氮，啟動jetcatp120sx渦噴航模發動機，看見手推平板車先前運動，同時弧形不銹鋼桶出口處氣體噴出迅速加快，并停止。觀察拉力計最大拉力為27.1公斤。結束試驗。

實驗例（三）：燃燒加熱法模擬實驗二:

實驗材料：jetcatp120sx渦噴航模發動機、不銹鋼桶、拉力計、空氣壓縮機（排氣量7.7m³/min，壓力1mpa，功率37kw）。

實驗裝置的制備：

制作4個長50cm，長徑12cm的弧形不銹鋼桶，出口直徑2cm。在相對于出口的另一端安裝進氣接口。以圓弧形捆綁固定于jetcatp120sx渦噴航模發動機的排氣口的周圍，固定于鐵制的手推平板車上。進氣接口與空氣壓縮機連接。平板車的后端與拉力計相連接。拉力計的另一端與一地面的固定支架連接。

實驗方法與結果：

開啟空氣壓縮機，達到壓力平衡。啟動jetcatp120sx渦噴航模發動機。將jetcatp120sx渦噴航模發動機開至最大。看到手推平板車向前運動，拉力計顯示最大拉力為13.3公斤。打開空氣壓縮機與4個弧形不銹鋼桶的連接開關，可以看到弧形不銹鋼桶出口處氣體快速噴出。觀察拉力計最大拉力為25.8公斤。結束試驗。

實驗例（四）：燃燒加熱法模擬實驗三:

實驗材料：jetcatp120sx渦噴航模發動機、不銹鋼桶、不銹鋼管、拉力計、空氣壓縮機（排氣量7.7m³/min，壓力1mpa，功率37kw）。

實驗裝置的制備：

制作1個直徑50cm的圓形不銹鋼桶，在一側安裝4個直徑2cm的不銹鋼管作為排氣口。在排氣口對應的另一側安裝jetcatp120sx渦噴航模發動機排氣口，并密封。在jetcatp120sx渦噴航模發動機的外側安裝直徑1cm的進氣口，與空氣壓縮機連接。固定于鐵制的手推平板車上。平板車的后端與拉力計相連接。拉力計的另一端與一地面的固定支架連接。

實驗方法與結果：

開啟空氣壓縮機，達到壓力平衡。啟動jetcatp120sx渦噴航模發動機。將jetcatp120sx渦噴航模發動機開至最大。看到手推平板車向前運動，拉力計顯示最大拉力為12.9公斤。打開空氣壓縮機與不銹鋼桶的連接開關，可以看到不銹鋼桶出口處氣體快速噴出。觀察拉力計最大拉力為29.2公斤。結束試驗。

實驗例（五）：燃燒加熱法模擬實驗四:

實驗材料：jetcatp120sx渦噴航模發動機、不銹鋼桶、不銹鋼管、拉力計、液氮。

實驗裝置的制備：

制作1個直徑50cm的圓形不銹鋼桶，在一側安裝4個直徑2cm的不銹鋼管作為排氣口。在排氣口對應的另一側安裝jetcatp120sx渦噴航模發動機排氣口，并密封。固定于鐵制的手推平板車上。平板車的后端與拉力計相連接。拉力計的另一端與一地面的固定支架連接。

實驗方法與結果：

啟動jetcatp120sx渦噴航模發動機。將jetcatp120sx渦噴航模發動機開至最大。看到手推平板車向前運動，拉力計顯示最大拉力為13.8公斤。關閉jetcatp120sx渦噴航模發動機，從排氣口加入約1000ml液氮，啟動jetcatp120sx渦噴航模發動機，可以看到不銹鋼桶出口處氣體快速噴出。觀察拉力計最大拉力為31.2公斤。結束試驗。

本發明僅以上述實施例進行說明，各部件的結構、設置位置及其連接都是可以有所變化的。在本發明技術方案的基礎上，凡根據本發明原理對個別部件進行的改進或等同變換，均不應排除在本發明的保護范圍之外。