CN102865180A - 一种气动水轮机 - Google Patents

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Abstract

一种气动水轮机，其工作介质水通过高压气体获取能量，属于能源与动力技术领域。这种气动水轮机的能量转换器采用二个气液工作缸，每个气液工作缸采用活塞把封闭缸分割为气腔和水腔，一个连接轴穿过密封填料函进入水腔把二个气液工作缸的活塞连接在一起。利用电磁阀控制高压气罐中的压缩空气能量产生压力水推动水轮机，利用压缩空气的部分能量推动气轮机。由于高压空气在气腔内膨胀缓慢，充分吸收外界热量，使空气工质接近等温膨胀，大大提高压缩空气能量利用率。利用水轮机的高效能量转换，以及气轮机从排气中转换大部分可用能，整个***无高压空气的节流损失、气体泄漏损失、尾气损失，从而使整机效率大大高于现有的气动马达。

Description

一种气动水轮机
技术领域
本发明涉及一种气动水轮机，其工作介质水通过高压气体获取能量，属于能源与动力技术领域。
背景技术
随着汽车工业的发展，能源和环保问题日益突出，清洁替代能源的研究在世界各地普遍引起高度重视。电动车的发展由于巡航里程的制约以及蓄电池的寿命和报废污染问题目前遇到瓶颈。气动发动机的研究最近引起人们极大兴趣，有了很大的发展。压缩空气的比能量与一般电池不相上下，气动发动机可作为真正意义上的零排放发动机，充气时间很短并且安全，气动发动机寿命很长，碳纤维材料的应用使高压气体汽车的安全性得到保障，但是气动发动机的低效率又使人们对其在汽车上的应用产生了怀疑。
气动发动机主要有往复活塞式、叶片式、旋转活塞式等，无论那一种结构形式的发动机其能量损失包括：
1.节流损失：高压减压阀节流产生的损失约占到接近总量的1/5。且随减压比的提高而增大。
2.气体泄漏损失：泄漏损失在损失的总量中虽然较小，但随泄漏系数的增大将迅速增大。
3.尾气损失：由于气动发动机膨胀比较小，尾气压力排放较高，损失了大量的能量，同时膨胀过程为绝热过程，因此尾气排放时的损失占到接近总量的50%。
因此，真正用于对外做功的能量不足1/3，考虑到发动机工作在不同工况的效率，总体上高压气体的能量利用率不足15%。如果考虑到气动马达工作需要一定的压力，那么高压气罐内留有一定压力的剩余气体又占有一部分能量。尽管这部分能量不算损失，对于汽车的巡航里程还是有很大影响。
发明内容
本发明的目的在于设计一种气动水轮机，让高压气体的能量传递给水，得到能量的水推动水轮机做功，由于水轮机效率很高，可达到96%，又由于高压气体膨胀速度减慢，使其有充分时间从外界吸收热量，接近等温膨胀；气-水能量转换过程中由于其压力差很小，无气体泄漏损失；不必将高压空气减压，因此节流损失也很小；当高压罐压力降至某一值时，可直接驱动气轮机。
本发明采用的技术方案是：一种气动水轮机，它包括一个高压气罐，它还包括一个能量转换器、一个气轮机和一个水轮机，气轮机设有气轮机转子，水轮机设有水轮机转子；所述能量转换器采用二个气液工作缸，每个气液工作缸采用活塞把封闭缸分割为气腔和水腔，一个连接轴穿过密封填料函进入水腔把二个气液工作缸的活塞连接在一起；所述高压气罐经电磁阀采用管道连接封闭缸的气腔，封闭缸的气腔经电磁阀采用管道连接气轮机的气轮机喷嘴；所述水轮机设有水箱，水箱经单向阀采用管道连接封闭缸的水腔，封闭缸的水腔经单向阀采用管道连接水轮机的水轮机喷嘴。
所述气轮机转子和水轮机转子设置在同一个输出轴上。
所述水箱设置在水轮机的壳体下部。
所述高压气罐经高压空气电磁阀采用管道分别连接第一气腔的第一进气电磁阀和第二气腔的第二进气电磁阀，第一气腔的第一排气电磁阀和第二气腔的第二排气电磁阀分别采用管道连接气轮机喷嘴。
所述水轮机的水箱采用管道经第一进水单向阀连接第一水腔和经第二进水单向阀连接第二水腔，第一水腔的第一出水单向阀和第二水腔的第二出水单向阀分别采用管道连接水轮机喷嘴。
采用上述技术方案的气动水轮机，在一个气液工作缸的进气电磁阀打开时，高压空气进入该气液工作缸的气腔，高压空气能量通过活塞传给该气液工作缸水腔中的水介质，使低压水变为高压水，高压水打开出水单向阀，通过水轮机喷嘴将压力能变为动能，推动水轮机转子旋转。充入一定量高压空气后，关闭进气电磁阀，高压空气膨胀。同时，该气液工作缸的活塞移动，也推动另一气液工作缸的活塞移动，打开另一缸排气电磁阀，一定压力的膨胀气体通过气轮机喷嘴，推动气轮机转子旋转，同时通过单向阀吸入水，为下一工作过程做准备。
本发明的有益效果是：这种气动水轮机的能量转换器采用二个气液工作缸，每个气液工作缸采用活塞把封闭缸分割为气腔和水腔，一个连接轴穿过密封填料函进入水腔把二个气液工作缸的活塞连接在一起。利用电磁阀控制高压气罐中的压缩空气能量产生压力水推动水轮机，利用压缩空气的部分能量推动气轮机。由于高压空气在气腔内膨胀缓慢，充分吸收外界热量，使空气工质接近等温膨胀，大大提高压缩空气能量利用率。利用水轮机的高效能量转换，以及气轮机从排气中转换大部分可用能，整个***无高压空气的节流损失、气体泄漏损失、尾气损失，从而使整机效率大大高于现有的气动马达，高压气体的能量利用率可达到等温膨胀的80%。这种近似等温膨胀的气动水轮机在汽车上具有广阔的应用前景，如果输出连接发电机，完全可以取代电动车中昂贵、寿命短、污染重的蓄电池，构成另一种意义的电动车。
附图说明
图1、2是气动水轮机的工作原理图。
图中：1、高压气罐，2、第一进气电磁阀，3、能量转换器，4、第一封闭缸，5、第一排气电磁阀，6、第一活塞，6a、第一气腔，6b、第一水腔，7、第一出水单向阀，8、第一进水单向阀，9、气轮机转子，10、气轮机喷嘴，11、气轮机排气口，12、水轮机换气口，13、输出轴，14、水轮机转子，15、水轮机喷嘴，16、第二进水单向阀，17、第二出水单向阀，18、第二排气电磁阀，19、第二进气电磁阀，20、第二封闭缸，21、第二活塞，21a、第二气腔，21b、第二水腔，22、连接轴，23、高压空气电磁阀，24、气轮机，25、水轮机，26、密封填料函。
具体实施方法
图1、2给出了气动水轮机的工作原理图。图中，气动水轮机包括高压气罐1、能量转换器3、气轮机24和水轮机25，气轮机24设有气轮机转子9，水轮机25设有水轮机转子14，水箱设置在水轮机25的壳体下部，气轮机转子9和水轮机转子14设置在同一个输出轴13上。能量转换器3采用二个气液工作缸，一个气液工作缸采用第一活塞6把第一封闭缸4分割为第一气腔6a和第一水腔6b，另一个气液工作缸采用第二活塞21把第二封闭缸20分割为第二气腔21a和第二水腔21b，一个连接轴22穿过二个密封填料函26把第一活塞6和第二活塞21连接在一起。高压气罐1经高压空气电磁阀23分别连接第一气腔6a的第一进气电磁阀2和第二气腔21a的第二进气电磁阀19，第一气腔6a的第一排气电磁阀5和第二气腔21a的第二排气电磁阀18分别连接气轮机喷嘴10。水轮机25的水箱经第一进水单向阀8连接第一水腔6b和经第二进水单向阀16连接第二水腔21b，第一水腔6b的第一出水单向阀7和第二水腔21b的第二出水单向阀17分别连接水轮机喷嘴15。
采用上述的技术方案，当高压空气电磁阀23打开时，整机开始工作。第二进气电磁阀19和第一排气电磁阀5打开（如图1所示），高压空气进入第二封闭缸20的第二气腔21a，高压空气推动第二活塞21，将压力传递给第二水腔21b中工质水，高压工质水打开第二出水单向阀17，进入水轮机25中的水轮机喷嘴15，推动水轮机25的水轮机转子14转动。同时由于第二活塞21的移动，通过连接轴22，推动第一活塞6移动，从而使第一水腔6b的容积增大，水通过第一进水单向阀8进入第一水腔6b，第一气腔6a中的空气通过第一排气电磁阀5进入气轮机24的气轮机喷嘴10，推动气轮机24的气轮机转子9做功，做功后的气体通过气轮机排气口11排出。水轮机25和气轮机24的输出采用同一个输出轴13。在高压空气进入第二气腔21a一定量后，关闭第二进气电磁阀19，高压空气在第二气腔21a中膨胀。第二活塞21到达下止点，第二排气电磁阀18打开，第一进气电磁阀2打开，关闭第一排气电磁阀5，第一封闭缸4工作（如图2所示）。其工作过程与上述相同，如此周而复始。

Claims (5)

1.一种气动水轮机，它包括一个高压气罐（1），其特征在于：它还包括一个能量转换器（3）、一个气轮机（24）和一个水轮机（25），气轮机（24）设有气轮机转子（9），水轮机（25）设有水轮机转子（14）；所述能量转换器（3）采用二个气液工作缸，每个气液工作缸采用活塞把封闭缸分割为气腔和水腔，一个连接轴（22）穿过密封填料函（26）进入水腔把二个气液工作缸的活塞连接在一起；所述高压气罐（1）经电磁阀采用管道连接封闭缸的气腔，封闭缸的气腔经电磁阀采用管道连接气轮机（24）的气轮机喷嘴（10）；所述水轮机（25）设有水箱，水箱经单向阀采用管道连接封闭缸的水腔，封闭缸的水腔经单向阀采用管道连接水轮机（25）的水轮机喷嘴（15）。
2.根据权利要求1所述的气动水轮机，其特征在于：所述气轮机转子（9）和水轮机转子（14）设置在同一个输出轴（13）上。
3.根据权利要求1所述的气动水轮机，其特征在于：所述水箱设置在水轮机（25）的壳体下部。
4.根据权利要求1所述的气动水轮机，其特征在于：所述高压气罐（1）经高压空气电磁阀（23）采用管道分别连接第一气腔（6a）的第一进气电磁阀（2）和第二气腔（21a）的第二进气电磁阀（19），第一气腔（6a）的第一排气电磁阀（5）和第二气腔（21a）的第二排气电磁阀（18）分别采用管道连接气轮机喷嘴（10）。
5.根据权利要求1所述的气动水轮机，其特征在于：所述水轮机（25）的水箱采用管道经第一进水单向阀（8）连接第一水腔（6b）和经第二进水单向阀（16）连接第二水腔（21b），第一水腔（6b）的第一出水单向阀（7）和第二水腔（21b）的第二出水单向阀（17）分别采用管道连接水轮机喷嘴（15）。
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