旋转惯性叶轮的制作方法

本发明涉及动力机械领域，具体提供一种旋转惯性叶轮。

背景技术：

1、人们追求利用惯性的历史久远，已取得很多成就。例如，在实现火箭发射中，利用了一段高速无动力惯性力行程。四冲程内燃机仅一个冲程产生动力，其它行程靠曲轴滑块的高速旋转惯性完成，靠惯性渡过上下死点。机械回转陀螺仪每分钟达几十万转，高速旋转惯性保证了稳定的高精度。惯性飞轮靠很大的转动惯量和旋转惯性力矩储能作功。汽车或飞机从低挡、高耗油而慢速，到高档、低耗油或停油而高速前进，就是靠动能和惯性。它们既增高功效又节约能源，已成为发挥高速惯性作用的典范。

然而，现有技术的水轮机、风轮机、蒸汽轮机的叶片以及飞机的旋翼或螺旋桨、船舰的螺旋桨、电动机的磁极电枢等，还没有很好地利用它们高速旋转叶片的惯性。例如，许多风力发电机的叶片和美国鱼鹰直升机的旋翼，都是内粗、外尖小型。因此，充分发挥水轮机等叶轮的高速旋转惯性，以提高惯性叶轮的功效、扩展惯性叶轮应用的技术，成为急待解决的问题。新材料、新工艺、新计算仿真计术，已为此提供了支持条件。

2、各种截面和外形的叶片、旋翼、螺旋桨或磁极电枢，统称为叶片。由它们构成的转轮或转子统称为叶轮。具有惯性作用的称为惯性叶片或惯性叶轮。惯性叶片的外形和截面样式，千变万化。作为统一的机械功效，可归结为：

(1)惯性力矩M与转动惯量I和角加速度ε成正比，即M＝Iε。转动惯量即惯性矩I越大，惯性和惯性力矩越大、功率越高，效率越好。因此，要争取I最大化。I取决于形状、尺寸、质量、质量分布和质心对轴的距离。I受到技术、空间、重量、材料、线速度和经济性等的限制，不可能无限大。

(2)刚体绕定轴转动的动能K＝Iω²/2，也是要争取转动惯量I最大化。

(3)高速稳定旋转的角速度ω越大，动能K越大、功率越高，效率越好。因此，要争取ω最大化，但是它受到临界转速、驱动力线速度和材料等的限制。

因此，如何通过惯性叶轮结构来实现I和ω适当的最大化，是增大叶轮转动惯性和惯性力矩、提高功率的关键。

3、转动物体的转动惯性的特性是：

(1)保持原有ω和动能K的状态不变，轴总是沿既定方向旋转。垂直轴的旋转是这样，水平轴的旋转也是如此，而不是转轮上行部与下行部的势能或动能相互抵消。

(2)随着外力不断驱动，引起原有ω、K不断增大。外力连续驱动，ω、K连续增大；外力间断驱动，ω、K则间断增大。

(3)驱动时间越长或间断驱动次数越多，ω、K增大越多，直到极限。但是，在达到极限前，一旦加上负载，则ω、K立即停止增加，叶轮进入匀转速运动。

本发明的目的在于，根据物体旋转惯性的这些特性，提出增大旋转叶轮的I、ω的方案，提高和利用叶轮的转动惯性，既增高功效又节约能源。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题，即，为了解决某些动力设备未能有效利用惯性作用的问题，本发明提供一种旋转惯性叶轮，充分利用了叶轮的转动惯性，既增高功效又节能。

1、本发明提出的一种旋转惯性叶轮，包括轴和叶片，叶片的内端与轴连接，还包括与叶片外端固结或铰接的第一惯性重圈8，或/和包括在轴1上通过支架2固结的第二惯性重圈9；

第一惯性重圈8的重量大于该叶轮的叶片总重量的0.38倍；

第二惯性重圈9的转动惯量为叶片总转动惯量的a倍，a的取值区间为[1，8]。

驱动力作用在叶片上、或通过轴1驱动叶片；而非作用在惯性重圈上。

2、所述的叶片为惯性叶片，惯性叶片为回转半径R0≥0.72倍叶片长度R1的叶片。

3、上述旋转惯性叶轮还包括外部助力装置，该外部助力装置用于启动时驱动旋转惯性叶轮转动，并在旋转惯性叶轮达到设定转速后与旋转惯性叶轮分离，断开动力连接。

4、所述外部助力装置为齿轮助力装置，包含固定到所述轴上的齿轮、外部齿轮传动系和连接到所述外部齿轮传动系的动力源；所述动力源是设置在地面上的电源。

5、在上述旋转惯性叶轮的优选实施方案中，所述惯性叶片的内端小于外端，惯性叶片的内端设置有加固环。

6、所述旋转惯性叶轮用做直升机的旋翼；在直升机启动时通过外部助力驱动旋转惯性叶轮转动，并在旋转惯性叶轮转动达到设定转速后撤除外部助力，直升飞机通过自身动力系统驱动旋转惯性叶轮继续转动。

7、所述旋转惯性叶轮用做汽轮机的叶轮；在汽轮机启动时通过外部助力驱动旋转惯性叶轮转动，并在旋转惯性叶轮转动达到设定转速后撤除外部助力，汽轮机通过高压蒸汽驱动旋转惯性叶轮继续转动。

8、所述旋转惯性叶轮用做水轮机的转轮；在水轮机启动时通过外部助力驱动旋转惯性叶轮转动，并在旋转惯性叶轮转动达到设定转速后撤除外部助力，水轮机通过水流驱动旋转惯性叶轮继续转动。

9、所述旋转惯性叶轮用做电动机的转子电枢，所述旋转惯性叶轮的惯性叶片包括电枢铁心和电枢绕组；在电动机启动时通过外部助力驱动旋转惯性叶轮转动，并在旋转惯性叶轮转动达到设定转速后撤除外部助力，电动机通过自身驱动系统驱动旋转惯性叶轮继续转动。

实验证明，采用上述技术方案，能够使所述动力设备高效地利用叶片和惯性重圈的惯性作用，达到既提高功效又节能的目的。特别是，当有第二惯性重圈9的转动惯量I很大时，功效更明显。

附图说明

图1是3个惯性叶片7构成的Y型惯性叶轮的示意图。

图2是4个惯性叶片7和1个第一惯性重圈8构成的X型惯性叶轮的示意图。

图3是电动机转子的磁极电枢17模拟成为惯性叶片7的示意图。

图4是有4个惯性叶轮的摇控无人直升机的示意图。

图5是有6个惯性叶轮的小型直升机的示意图。

图6是典型惯性叶轮的风力发电机的正视图。

图7是有3个第一惯性重圈8、1个第二惯性重圈9的汽轮机的侧视图。

图8是有1个第二惯性重圈9的水力发电机的示意图。

图9是有1个第二惯性重圈9的电动机的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的技术方案。

如图1至图9所示，本实施例的附图标记包括：轴1、支架2、加固环4、惯性叶片7、第一惯性重圈8、第二惯性重圈9、基础16、磁极电枢17、电磁定子18、中心支架20、支架臂21、机身22、外侧高处悬挂的重物23、立柱24、轴承28、着陆轮29、机壳31、外部齿轮系32、齿轮33。

所有实施例的旋转惯性叶轮，包括轴和叶片，叶片的内端与轴连接；叶片为普通叶片或惯性叶片7，惯性叶片为回转半径R0≥0.72倍叶片长度R1的叶片；其中，R0为实际叶片的质量对轴心线的回转半径，实际叶片即叶片的叶根到叶尖的部分；R1是指轴1的中心到惯性叶片7的最外端之间的径向距离，即轴心到叶片叶尖的距离；

旋转惯性叶轮还包含有与惯性叶片7外端固结或铰接的重量大于惯性叶片总重量0.38倍的第一惯性重圈8,或/和包含有通过支架2与轴1固结的第二惯性重圈9，第二惯性重圈9的转动惯量为叶片总转动惯量的a倍，a的取值区间为[1，8]。根据具体实施例，可依据具体情况在此区间内进一步优选最优的取值区间。

各实施例在实现中并非不能取a>8的数值，而是由于转动惯量越大，非对称变形、动平衡、震动越难解决，工程应用弊端较多。

对于轴上有轮盘，叶根固结在轮盘边缘的叶片，叶片的长度则是指从叶根到叶尖，并以此计算叶片对轴心线的转动惯量和回转半径R0；而R1仍是指轴1的中心到叶片的最外端之间的径向距离。

驱动力作用在叶片上、或通过轴1驱动叶片；而非作用在惯性重圈上。

旋转惯性叶轮还包括外部助力装置，该外部助力装置用于启动时驱动旋转惯性叶轮转动，并在旋转惯性叶轮达到设定转速后与旋转惯性叶轮分离，断开动力连接。外部助力装置的启动力作用在轴1上或惯性重圈上，而非作用在叶片上。

外部助力装置分三种：齿轮助力装置、悬重助力装置、手动助力装置；

(1)齿轮助力装置，包括固定在轴1上的齿轮、外部齿轮传动系和连接到外部齿轮传动系的动力源；所述动力源是设置在地面上的电源。

(2)悬重助力装置，是在地面锁住第二惯性重圈9，而在它的外侧高处悬挂重物23。然后，突然解锁，重物23自由下落，拉动第二惯性重圈9向下旋转。重物23着地，自动脱离第二惯性重圈9。该装置一般用于竖直设置的旋转惯性叶轮结构。

(3)手动助力装置，即手动推、拉、旋转第一惯性重圈8。该装置一般用于尺寸较小的旋转惯性叶轮结构。

惯性电动机、惯性水轮机、惯性蒸汽轮机的驱动力采用适当的分时间断或分时段减小流量的输入方式，仍能保证转子轴端输出扭矩的基本稳定性，既能够提高功效，又可以节能。

本领域技术人员可以根据需要，参照实施例作出调整，以便适应具体的应用场合。

图1的惯性叶轮有3个围绕轴1均匀周向设置的惯性叶片7，惯性叶片7之间相互夹角为120°，惯性叶片7的内端与轴1连接。惯性叶片7可以是各种截面和外形的叶片、旋翼或螺旋桨，其特点是内端小、外端大而重。惯性叶片7的回转半径R0≥叶片长度R1的0.72倍。它可用于飞行器、发动机、风扇等。

现有的吊扇、直升机旋翼、水轮机或汽轮机叶片等的R0均小于0.72R1，达不到充分发挥叶片惯性的作用。本发明的惯性叶片7的惯性作用，具有非常明显的节能效果。

图2是由4个惯性叶片7和第一惯性重圈8构成的惯性叶轮。惯性叶片7的内端与轴1连接。惯性叶片7的外端与第一惯性重圈8固结或鉸接。鉸接的目的是，当惯性叶片7很长时，允许外端可以有些偏旋。这种惯性叶轮可广泛用于各种动力设备。

图3a是一个电动机转子的示意图，有两个围绕轴均匀周向设置的磁极电枢17，两个磁极电枢17之间相互夹角为180°。

图3b是将两个磁极电枢17的力学分析简化成两个惯性叶片7。与现代电动机转子的磁极电枢17的区别是，为了充分发挥转子磁极电枢17高速旋转的惯性作用，磁极电枢17的尺寸和重量被简化成惯性叶片7，同时使惯性叶片质量的回转半径R0≥0.72倍惯性叶片长度R1。这样可以最大程度地利用高速转子的磁极电枢17的惯性作用，具有明显的节能效果。

图4中无人直升机具有4个旋转惯性叶轮，每个旋转惯性叶轮由3个惯性叶片7和一个第一惯性重圈8构成。它们的结构、质量完全相同。两侧旋转惯性叶轮的惯性叶片7的旋转方向相反。惯性叶片7的内端与轴1连接，外端与第一惯性重圈8固结或铰接。中心支架20内放置控制器等器件。对称安装4个支架臂21，它们的外端分别固定旋转惯性叶轮的轴1。旋转惯性叶轮不需要倾斜，通过调整各个旋转惯性叶轮的速度来实现不同方向的飞行。

当4个旋转惯性叶轮的转动惯量太大，靠自身动力启动很慢或不能启动时，借助外部助力装置来同时驱动4个旋转惯性叶轮的轴1，帮助惯性叶轮启动旋转，然后在直升机启动之后撤离。对于电动玩具直升机，其旋转惯性叶轮的初始转速可以通过外部电源驱动自身的旋转惯性叶轮驱动系统来获得。

图5a是另一个直升机的俯视图，图5b是该直升机的侧视图。

6个旋转惯性叶轮对称分布在长机身22两侧。每个叶轮轴1固定在支架臂21外端。每个旋转惯性叶轮由4个惯性叶片7和一个第一惯性重圈8构成，相邻两个惯性叶片7之间相互夹角为90°。惯性叶片7的内端与轴1连接，外端与第一惯性重圈8固结或铰接。左右成对旋转惯性叶轮的惯性叶片7的旋转方向相反。惯性叶片7的半径R1＝1.5m。两个旋转惯性叶轮的间距为S＝1m。它们的结构、质量完全相同。惯性叶片7的横截面弯曲度由所需的升力、动力确定。旋转惯性叶轮可制成可偏转型，垂直起飞后，旋转惯性叶轮再向前倾斜，提供升力和拉力。

6个旋转惯性叶轮的转动惯量太大时，采用叶片调距或调速来改变飞行方向比较困难，可采用转动机头螺旋桨轴方式，来改变前进方向。图示螺旋桨的半径R1＝80cm。如果机头螺旋桨是左右各一个，则可用调节螺旋桨的速度来改变前进方向。在直升机升降过程中，机头螺旋桨处于自由状态。

旋转惯性叶轮的动力采用燃油机或/和电池电动机，安置在机身内，通过传动轴-齿轮系统驱动6个惯性叶轮的轴1旋转。

机身的前后设置有着陆轮29。

采用第一惯性重圈8大幅度增加了直升机的重量，但随之获得的大升力，特别是大旋转动能有利于直升机稳定飞行。第一惯性重圈8的转动惯量I大，启动时困难，但是，由于直升机最初启动时是在地面上，可以借助设置在地面上的电源助力装置使旋转惯性叶轮加速到额定转速，使直升机顺利起飞。直升机起飞后，仅需小的能量输入来保持6个叶轮稳定旋转。直升机在地面上接受外部助力装置提供的能量达到高速运行，减少耗费自身装载的燃料，从而大幅度提升续航里程，这样，既节省飞机上燃料又能高速稳定长时间飞行。

多个旋转惯性叶轮提供了更高的稳定转速，更大的动量矩和升力，它的稳定性和安全性更高。一两个动力电动机损坏时还能继续飞行，也可以靠惯性叶轮的惯性缓慢下落。惯性叶片7越长、数量越多、叶轮越多，承载能力越大。2吨以下不同承载力、4～12个旋转惯性叶轮、有人或无人驾驶的直升机系列，将成为短途交通的有效工具，广泛用于各方面。

图6的惯性叶轮风力机由4个惯性叶片7和在叶尖处固结或铰接的一个第一惯性重圈8构成。旋转惯性叶轮的半径为50m，惯性叶片7的内端小，与轴1固结。为了防止惯性叶片7过长、内端受力过大而折断，惯性叶片7的内端设置有加固环4，提高惯性叶片7的使用寿命。立柱24的顶端与机箱连接，下端与基础16固结。

这种惯性风力机与现有风力机的区别主要是：它的转动惯量比现有风力机的转动惯量大很多。可用人力手动推拉第一惯性重圈8，助力启动。这种惯性叶轮的风力机比现有风力机的风力利用系数效率高。

现代广泛应用的风力发动机惯性叶片刚好相反，是内端大，外端小的全悬臂，没有第一惯性重圈8和加固环4，结构牢固，少用人工照料。

图7汽轮机中八个叶轮的左边3个为旋转惯性叶轮，它们的惯性叶片7外端均与一个第一惯性重圈8连接。右边5个短小叶轮，没有连接第一惯性重圈8。8个叶轮和一个通过支架2与轴1固结的第二惯性重圈9，共同构成一个整体的旋转惯性叶轮汽轮机，简称惯性汽轮机。轴1的两端由轴承28支承。

当图7没有惯性叶片7和第一惯性重圈8，而是全部采用现有技术的普通叶片，同时与第二惯性重圈9固结，共同构成一个整体旋转惯性叶轮汽轮机，简称惯性汽轮机。这种方案可应用于已有汽轮机的改造升级。

可见，上述两种惯性汽轮机均有与轴1固结的第二惯性重圈9，使惯性汽轮机的转动惯量比现有汽轮机的转动惯量大很多。第二惯性重圈9的转动惯量越大，惯性汽轮机的惯性越大，但它不可能无限大，它受到技术、材料、线速度、外力、空间等因素的限制。汽轮机轴与叶片的连接形式多样，叶片长短或数量差别很大。第二惯性重圈9的转动惯量与叶片总转动惯量的倍数的最优取值区间为[1，8]。

惯性汽轮机的转动惯量很大，难于启动，靠设置外部助力装置来帮助启动和提高转速。该助力装置包括固结在轴1上的齿轮33、外齿轮系32和外部大功率电机。大功率电机通过变速齿轮系32推动齿轮33，帮助轴1提高初始转速，达到要求转速后，该助力装置撤离。

惯性汽轮机的高压、高温驱动蒸汽采用适当的分时间断或分时段减小流量的输入方式，仍能保证转子轴端输出扭矩的基本稳定性，既能够提高功效，又可以节能。

图8a是垂直轴水轮机的仰视图，图8b是侧视图。水斗式惯性叶片7在下部。一个第二惯性重圈9在上部，共同组成一个整体刚性的惯性水轮机。水力P1推动惯性叶片7，作用点的线速度≤水流自身的线速度，否则外力失速。机壳31和基础16。

当图8a的惯性叶片7，被现有技术的普通叶片代替，同时与第二惯性重圈9结合，还是共同构成一个整体的惯性水轮机。这种方案可应用于已有水轮机的改造升级。

可见，上述两种惯性水轮机均有与轴1固结的第二惯性重圈9，使惯性水轮机的转动惯量比现有水轮机的转动惯量大很多。由于水轮机机房空间的限制，而且，非对称水力驱动引起的结构变形、动平衡、震动问题更多，重圈9的转动惯量受到更多限制。第二惯性重圈9的转动惯量与叶片总转动惯量的倍数的最优取值区间为[1，4]。空间越大和技术越好，可取更大倍数。

这种惯性水轮机与现有水轮机的区别主要是：惯性水轮机固结有第二惯性重圈9，转动惯量比传统水轮机的转动惯量大很多，更能发挥水轮机叶片的惯性功效。

惯性水轮机的驱动水力采用适当的分时间断或分时段减小流量的输入方式，仍能保证转子轴端输出扭矩的基本稳定性，既能够提高功效，又可以节能。

采用外部助力装置来帮助启动和提高惯性水轮机的转速。外部助力装置可如图7所示，采用齿轮助力装置来驱动，包括固定在轴1上的齿轮33、外部齿轮传动系32和连接到外部齿轮传动系的动力源；所述动力源是设置在地面上的电源。

对于水平轴的水轮机而言，还有另一种助力方式：在地面锁住第二惯性重圈9，而在它的外侧高处悬挂重物23。然后，突然解锁，重物23自由下落，拉动第二惯性重圈9向下旋转。重物23着地，自动脱离第二惯性重圈9。

图9a是水平轴电动机的正视图，图9b是俯视图。与图3类似，将转子磁极电枢等效为惯性叶片7。这些惯性叶片7与一个第二惯性重圈9共同组成为一个刚体惯性电动机转子，一起旋转。第二惯性重圈9的半径R比转子半径R1大。

当图9a的惯性叶片7，被现有技术的普通磁极电枢叶片代替，同时与第二惯性重圈9结合，仍然共同构成为一个整体的惯性电动机转子。这种方案可应用于已有电动机转子的改造升级。

可见，上述两种惯性电动机转子均有与轴1固结的第二惯性重圈9，使惯性电动机的转动惯量比现有电动机的转动惯量大很多。由于电动机在地上的空间大，重圈9的转动惯量可以比较大；但磁极电枢叶片的总转动惯量本身比较大，因此，第二惯性重圈9的转动惯量与磁极电枢叶片总转动惯量的倍数的最优取值区间为[1，6]。

由于惯性电动机转子的转动惯量大很多，高速旋转动能和旋转惯性很大，惯性电动机的驱动电力采用适当的分时间断或分时段减小电流流量的输入方式，仍能保证转子轴端输出扭矩的基本稳定性，既能够提高功效，又可以节能。

轴1的两端由轴承28支持。电磁定子18。

采用外部助力装置来帮助启动和提高转速，直到达到额定转速。助力装置可以与图8的助力装置相同。现有技术的电动机没有要求发挥转子磁极电枢高速旋转的惯性作用，因而没有第二惯性重圈9，转动惯量也小很多。

本发明的惯性叶轮充分利用物体的旋转惯性，实现既提高惯性叶轮的功效又节能的目的。本发明是一种新型动力机械，可广泛应用于水轮机、风轮机、蒸汽轮机、电动机、飞机和船舰等领域。

本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。