本发明涉及制冷和空气能发动机领域，尤其涉及一种真空膨胀涡轮装置。
背景技术：
1、1中国专利申请201810063184.4公开一种空气真空喷射深度制冷装置及其实现深度制冷的方法，所述装置包括涡轮机，涡轮机由涡壳，涡轮轴，设在涡轮轴上的涡轮叶轮，以及设在涡壳上的多个缩放喷管，涡轮轴一端固定涡轮叶轮，另一端与发电机或其它做功机械相连，设在涡轮机涡壳上的缩放喷管与大气相通，涡轮机低压端出口经连接管与低温室一端连接，低温室另一端设有风道，风管末端设有真空泵。在真空泵的抽吸作用下，进入涡轮机的常温常压空气可以膨胀到很低的压力，可以达到极低的温度，真空泵的真空度越高，低温室的温度越低，满足了需要深度制冷的生产或科研机构的需求。该发明制冷效率高，系统的主要功耗在于真空泵，涡轮机的输出功可以折减部分真空泵的功耗，从而大大提高制冷效率。但仍存在以下缺点：
2、a真空喷射时，喷管能效和喷流速度均达极大值，该发明为了维持喷管的真空喷射效果，采用高真空度的抽吸方式对涡腔强力抽吸，真空泵的真空度越高，低温室的温度越低，但真空度越高真空泵功耗也越大。其实维持真空喷射还有很多途径，例如，可以令喷管出口前方气流的速度大于等于真空喷射流的速度也一样能使喷管维持真空喷射状态。依该发明附图，紧贴叶片凹面流动的超音速气流为主做功气流，假设该做功气流是非脉冲的、持续的气流，将该主做功气流平均分成无数小段进行分析；各小段气体稀薄，分子间碰撞极少；靠惯性运行而非靠压力差运行；靠近喷管喷口的各小段速度是一样的；接下来的各小段气流由于推动叶轮做功失去能量的原因，速度越来越慢；真空喷射速度很快，属超音速，高速喷流沿着叶片凹面快速流动时，由于强大的离心作用，气流将紧贴叶片表面，气体体积变小，密度变大，由于各小段气体做功过程时间很短，直至做功结束，气体小段也来不及膨胀仍能保持较高的密度。想象一下，如果将整条做功气流用收敛的c形气道壁封闭，不和真空接触，保持转速、流量等参数不变，保持气道尾部的抽吸速度，该做功气流大概率也会继续保持原样正常运行，喷管仍处于真空喷射状态。喷管能维持真空喷射状态的原因在于喷管前的小段气流的运动速度等于喷管真空喷射速度，在于段间速度差不变，还在于主气流尾部的抽吸速度；因此对喷管口及整条做功气流全面地高真空度地抽吸并非喷管能维持真空喷射状态的必要条件；气流封闭后，真空泵只对c形气道出口抽吸也能维持喷管的真空喷射状态。因为所述c形气道出口处气体密度较高，降低真空泵真空度也能获得足够的抽吸速度，所以该发明通过改进，有望不降低涡轮机能效的前提下降低真空泵功耗。
3、b该发明涡壳内气流主要包括涡流和紧贴叶片流动的主、次、负三种做功气流。和叶片凹面凸面均没有接触的均统称涡流；喷管喷流直接冲击在叶片凹面形成的紧贴气流称为主做功气流；当叶片处于两个喷管之间时，其凹面没有喷流的直接冲击，但仍有少量的速度较慢的做功气流称为次做功气流，它一部分来自从主做功气流泄漏出来的涡流，一部分来自喷管喷流直接形成的类龙卷风的涡流；叶片凸面的外圈某些部位切向方向的线速度会超过该处涡流切向方向线速度，因此产生的紧贴凸面的气流做负功，称之为负做功气流，它一部分来自从主做功气流泄漏出来的涡流，一部分来自喷管喷流直接形成的类龙卷风涡流，还有一部分来自从主做功气流反弹出来的涡流，由于外圈凸面的反推，外圈处的负做功气流和喷管喷流是反方向的。当叶片凹面处于喷管喷流的冲击之下时，喷流及主做功气流和次、负做功气流、上一次的主做功气流及涡流之间激烈碰撞、摩擦，由于喷流属超音速气流，故碰撞、摩擦致热量不少，再加上主做功气流不连续属脉动式冲击，摩擦损耗更大；涡流和次、负做功气流之间也存在速度差，故它们之间也存在摩擦。根据能量守恒，摩擦发热多了，涡轮输出功必然减少，涡轮能效降低。c依该发明附图，该发明为使涡腔达到高真空超低压的效果，涡壳上的出气管的管径选用较大，喷管数量选用较少；为了将真空尽快扩散至喷管所处的外圈部位，除了涡壳上的出口管径较大外，还需加大相邻叶片之间以及叶轮与涡壳壁之间的间隔。该构型特点，使得各种气流最终汇在一起后会以涡旋气流的形式排出涡壳，由于出口管径较大，涡旋气流速度也较大，其带走的动能能量也较大。而且因喷管、叶片数量较少以及叶片凹面非连续工作，涡轮机的功率密度也较低。因为采用全涡腔高真空度的抽吸方式以及做功气流未封闭，做完功的气体很快又膨胀，连同其它涡流最终转化为稀薄气体后被抽出，致使真空泵真空度很大，能耗也很大。另外由于主做功气流没有封闭有些做功气流半路就被抽吸走了，这也会降低涡轮能效。
4、d该发明喷管喷流为超音速气流，为提高能效叶轮转速很快，腔内气体高速旋转，外圈气体包括两个喷管之间的叶轮内的外圈气体，线速度甚至超音速，离心力很大，离心力使腔内气体往外移动，造成涡腔外圈处的真空度降低，喷流所受阻力增大，降低了喷管的能效。如果将喷管居内圈安装，内圈真空度较高，则喷管能效也较高。
5、2中国专利申请202010164395.4公开一种负压叶轮转子发动机，中国专利申请202220242581x公开一种可发电的制冷设备，这两个专利的申请人和发明人和本发明相同。主要构成包括气源、膨胀喷管、涡轮，涡轮包括c形气道，c形气道出口为收敛的气体出口，所述气源和膨胀喷管连通，膨胀喷管通过c形气道和形气道出口连通，c形气道出口接真空泵；这两个发明通过将做功气流封闭在c形气道内降低腔内气流摩擦损耗来提高涡轮能效，还通过采用特别的收敛型的c形气道降低真空泵的功耗，从而提高了系统能效。它能解决现有技术1存在的上述缺陷，系统能效高，但是仍有需要改进和完善的地方：
6、a由于c形气道出口较小等原因，系统是很难自行启动的，启动较困难，启动过程也较复杂。所述启动主要指喷管进入真空喷射状态，真空泵进入低功耗状态。b系统要应对很多复杂的工况，某些工况下，喷管易失去真空喷射状态，且需要较复杂的启动过程进行恢复，系统稳定性差，易误事。
7、和本发明较为接近的制冷技术还包括
8、3令有压气源在常压制冷室内膨胀，气体温度下降用于制冷。其制冷原理是有压气体克服大气压力膨胀做功，热能转化为大气势能使得气体热能减小温度下降。该制冷方法简单，但和制造有压气源消耗的能量相比制冷量极低。
9、4令有压气源在类似于现有技术1的涡轮机内做功后排入大气，其尾气温度低于有压气源，可用于制冷。该技术也属于空气动力发动机技术范畴。其制冷原理是，有压气体克服大气压力膨胀做功的同时还推动涡轮做功，热能一部分转化为有用功输出，一部分转化为大气势能，使得尾气热能减小温度下降。系统的主要功耗在于制造有压气源的空压机，涡轮机的输出功可以折减部分空压机的功耗，和现有技术3相比，制冷效率大幅提高。但仍存在以下缺点：
10、a因为采用有压气源，涡壳没有抽真空，涡壳内涡流和紧贴叶片的主、次、负三种做功气流密度和现有技术1相比均有所增加，故各气流间的摩擦发热量增大。b该类制冷机涡轮喷管属缩放喷管，喷流虽然属非真空喷射流，但仍为超音速气流，为提高涡轮能效叶轮转速很快，外圈涡流气体，包括两个喷管之间的叶轮内的外圈气体，高速旋转，线速度甚至超音速，离心力很大，造成外圈部位的气体密度提高，喷流所受阻力加大，从而降低了喷管的能效。如果将喷管居内圈安装，内圈真空度较高，则喷管能效也较高。
11、c因喷管未进入真空喷射状态，故喷管能效很低。
12、d因喷管、叶片数量较少以及叶片凹面非连续工作，涡轮机的功率密度也较低。5将现有技术4所述涡轮机排气口连接一个普通的真空泵。该技术方案涡壳内的真空度越高，可使膨胀越充分，喷管的能效越高，涡轮机的能效也越高。但真空度越高真空泵需消耗的能量也越大，综合来看系统能效提升有限。其缺点和现有技术1、4基本一样，主要包括：
13、a因为采用有压气源和真空喷射，喷流速度更快，涡壳内涡流和紧贴叶片的主、次、负三种做功气流的密度、速度均更大，故各气流间的摩擦发热量更大。b因喷流速度更快，离心力更大，造成外圈部位的真空度更低，喷管的能效也更低。如果将喷管居内圈安装，内圈真空度较高，则喷管能效也较高。
14、c因采用高真空度全面的抽吸方式维持喷管的真空喷射状态，真空泵功耗很大，有降低空间。
15、d因喷管、叶片数量较少以及叶片凹面非连续工作，涡轮机的功率密度也较低。
技术实现思路
1、为了克服现有技术1、4、5的缺陷，尤其是解决涡壳内各气流间的碰撞、摩擦损耗严重等缺陷，本发明将涡壳内的叶轮两侧装上涡轮盘，使相邻叶片间形成c形气道来封闭主做功气流；为解决叶片凹面所受喷流不连续，快速的主做功气流对慢速的次做功气流及上一次的主做功气流脉冲式强冲击、摩擦所造成的能耗损失，本发明将喷管连续布置在涡壳上，不留间隔；c形气道出口通过连通腔、空心管轴和包括真空泵在内的外界连通。这种构造下，涡壳内只剩下一种类型的气流即紧贴叶片凹面流动的主做功气流，而且是连续的气流，杜绝了各种气流与气流间的摩擦损耗。相应构造参见说明书实施例附图3、4。
2、为解决现有技术1、5因采用高真空度的抽吸方式对涡腔强力抽吸来维持喷管真空喷射状态所造成的真空泵功耗大的缺陷，本发明改用从做功气流尾部抽吸的方式，用c形气道封闭主做功气流，保证各条c形气道均有连续不间断气流，气道凹面选用较为深凹的弧形来提高气道出口端的气体密度，并将c形气道出口缩窄，气道出口选用高度尽量和出口处的正常工作气流厚度基本一致，确保从各c形气道排出的气体之间不留膨胀空间，从而确保气体排出气道后不立刻膨胀来提高出口后的气体密度。真空泵通过连通腔抽吸各c形气道排出的气体，因为从各气道排出的气体密度较高，降低真空泵的真空度也能保持足够的抽吸速度，真空泵的真空度越低，真空泵功耗也越低。相应构造参见说明书实施例附图3、4。
3、为解决现有技术1、4、5因喷管居外圈安装带来的喷管能效降低的缺陷，本发明增加了将喷管居内圈安装于定子上的方案，该涡轮机的构造参见说明书实施例附图1、2。
4、为解决现有技术2无法自行启动、启动困难和系统稳定性差等缺陷，本发明在喷管口周增设引射真空腔，并设置引射真空泵与之连通。在高真空度的引射真空泵和真空泵的共同抽吸下，喷管自行进入并始终维持真空喷射状态；只要凹面、收敛口、真空泵的选择得当，真空泵能紧随其后进入低功耗稳定运行状态；系统能自行启动。真空引射下，喷管不易失去真空喷射状态，真空泵不易失去低功耗状态，故系统稳定性好，避免了困难、复杂的启动或重启动程序。因喷管喷流具有高度的方向性且属于超音速气流，喷口对准c形气道入口，再加上强大的离心力使高速气流紧贴c形气道的凹面，c形气道出口对气流没有阻力；这使得绝大部分气流进入c形气道，只有极少气流进入引射真空泵，气流越小功耗也越小，故引射真空泵功耗可以忽略不计。因此，本发明在不降低系统能效的前提下能解决现有技术2无法自行启动、启动困难和系统稳定性差等缺陷。收敛口、真空泵的选择及其原理参见实施例2。引射真空腔的设置参见说明书实施例附图1、2、3、4。
5、为解决现有技术1、4、5因喷管、叶片数量较少以及叶片凹面非连续工作造成的涡轮机的功率密度低的缺陷，本发明将喷管连续设置不留间隔，叶片数量也相应增加，确保c形气道内的凹面连续工作不间断，涡轮机的功率密度大幅提高。相应构造参见说明书实施例附图1、2、3、4。
6、具体方案包括以下内容：
7、1.一种双吸式真空喷射涡轮机，包括气源、缩放喷管、引射真空腔、引射真空泵、涡轮，涡轮包括c形气道，c形气道出口为收敛的气体出口称为收敛口，所述气源和缩放喷管连通，缩放喷管通过c形气道和收敛口连通，收敛口和包括真空泵在内的外界连通；喷管的口周还设有引射真空腔，引射真空腔和引射真空泵连通；所述气源包括有压气源、无压气源；喷管居内圈安装于定子上。本方案涡轮机的构造参见说明书实施例附图1、2。
8、本方案有益效果：在喷管口周增设高真空度的引射真空腔，解决了现有技术2无法自行启动、启动困难和系统稳定性差等缺陷；采用c形气道和喷管的无间隔设置解决了现有技术1、4、5因喷流脉冲式冲击摩擦损耗大、涡壳内各种气流间互相强烈冲击摩擦所造成的能量损耗大等缺陷；采用收敛的深凹的c形气道以及改从该气道出口抽真空，解决了现有技术1、5真空泵功耗高的缺陷；喷管采用居内圈安装解决了现有技术1、4、5因离心作用造成的喷管口真空度低喷管能效低的缺陷；喷管无间隔设置解决了现有技术1、4、5各叶片凹面上的主做功气流非连续、功率密度低的缺陷；c形气道出口外的那一小段叶片凸面有真空泵的作用，它极简单地在涡轮上自然形成而无需额外成本，和现有技术1、4、5相比其真空泵制造成本低。
9、2.如以上发明方案所述的双吸式真空喷射涡轮机，本方案特别之处在于：缩放喷管改为居外圈安装于涡壳上，相应的收敛口改为居内圈安装，缩放喷管同气源连通，收敛口改为通过连通腔、空心管轴和包括真空泵在内的外界连通，引射真空腔的位置也相应改变。本方案涡轮机的构造参见说明书实施例附图3、4。
10、本方案有益效果：解决了现有技术2无法自行启动、启动困难和系统稳定性差等缺陷；解决了现有技术1、4、5因喷流脉冲式冲击摩擦损耗大、涡壳内各种气流间强烈的互相冲击摩擦所造成的能量损耗大等缺陷；解决了现有技术1、5真空泵功耗高的缺陷；解决了现有技术1、4、5各叶片凹面上的主做功气流不连续，功率密度较低的缺陷。
11、3.如以上发明方案所述的双吸式真空喷射涡轮机，本方案特别之处在于：还包括测温器和控制单元；所述测温器能对尾气温度进行有效探测，所述控制单元可根据测温器探测到的尾气温度，逐渐调低或调高转轴转速，使尾气温度趋于最低，用于获得高能效。
12、本方案有益效果：涡轮机排气温度越低能效越高，本方案可帮助涡轮运行在经济转速下，将排气温度降低，从而获得更高能效。
13、需指出的是，当系统启动完毕正常运行时，为减少点功耗，引射真空泵可退出需要时再打开，喷管仍能维持真空或亚真空喷射状态，只是系统稳定性稍差。本发明有益效果是：系统能效高、功率密度大、启动容易、稳定性好，用途广、重量轻、制造成本低，潜在价值高。
1.一种双吸式真空喷射涡轮机，其特征在于：包括气源、缩放喷管、引射真空腔、引射真空泵、涡轮，涡轮包括c形气道，c形气道出口为收敛的气体出口称为收敛口，所述气源和缩放喷管连通，缩放喷管通过c形气道和收敛口连通，收敛口和包括真空泵在内的外界连通；喷管的口周还设置引射真空腔，引射真空腔和引射真空泵连通；所述气源包括有压气源、无压气源。
2.如权利要求1所述的双吸式真空喷射涡轮机，其特征在于：所述缩放喷管居内圈安装于定子上，相应的，收敛口为居外圈安装。
3.如权利要求1所述的双吸式真空喷射涡轮机，其特征在于：所述缩放喷管为居外圈安装于涡壳上，相应的，收敛口为居内圈安装。
4.如权利要求1或2或3所述的双吸式真空喷射涡轮机，其特征在于：还包括测温器和控制单元；所述测温器能对尾气温度进行有效探测，所述控制单元可根据测温器探测到的尾气温度，逐渐调低或调高转轴转速，使尾气温度趋于最低，用于获得高能效。
5.如权利要求1或2或3所述的双吸式真空喷射涡轮机，其特征在于：当系统启动完毕，正常运行时，引射真空泵可退出。
