CN101818665B - 旋转变容式膨胀压气发动机 - Google Patents
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Abstract
一种旋转变容式膨胀压气发动机，包括：壳体（1）、两端大小圆柱型凸轮及隔套、转子轴（7），滑片（5）及耐高温轴承（6），所述转子轴的盘形转子上装有滑片（5），转子轴通过耐高温陶瓷轴承或气体动压螺旋槽型径向轴承与轴两端的大小圆柱型凸轮及隔套相连，再用壳体（1）把转子轴和滑片及两端的大小圆柱型凸轮和隔套封装于内，构成了旋转变容式膨胀压气发动机。
Description
技术领域
本发明涉及到一种新型发动机领域，特别涉及到一种旋转变容式膨胀压气发动机
背景技术
目前，主要发动机可以分为如下类型：内燃机(柴油机、汽油机、煤气机)动力装置；蒸汽动力装置，通常指蒸汽轮机；燃气轮机(航空、舰船、上业用)动力装置(燃机)；内燃机是燃料在汽缸内与吸入的空气混合燃烧，推动活塞往复运动，借助曲柄、连杆，将往复运动转变为旋转运动而对外输出功率。应用范围很广，但结构复杂，设备笨重，且对燃料要求较高(一般采用柴油或汽油)。蒸汽轮机虽然可以采用各种燃料(如煤、渣油、甚至垃圾)但结构复杂，且小型蒸汽动力装置循环热效率效低。燃气轮机是经空气为介质，靠高温燃气推动涡轮(透平)机械连续做功的大功率、高性能动力机械，但设备制造复杂，则压缩比不大，且对燃料要求较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种以天然空气或氦气为工质的新型回转式发动机，即一种旋转变容式膨胀压气发动机。
本发明旋转变容式膨胀压气发动机，包括：壳体1、两端大小圆柱型凸轮及隔套、转子轴7，滑片5及耐高温轴承6，所述转子轴的盘形转子上装有滑片5，转子轴通过陶瓷轴承或者气体动压螺旋槽型径向轴承与轴两端的大小圆柱型凸轮及隔套相连，再用壳体1把转子轴和滑片及两端的大小圆柱型凸轮和隔套封装于内，构成了旋转变容式膨胀压气发动机。
所述壳体1是由圆柱形管1.1和套在管两端带内槽的圆环排气腔1.2(圆环上面设膨胀排气孔B)和进气腔1.3组成(圆环上设压气进气孔C)。
所述两端的大小圆柱型凸轮及隔套，区分为膨胀端与压气端。膨胀端大小圆柱型凸轮及隔套，由其中小圆柱型凸轮2放在大圆柱型凸轮4中(其中小圆柱型凸轮2上设有膨胀进气孔A)，大小圆柱型凸轮最高点互成180度，大小圆柱型凸轮中间用隔套3隔开，形成两个大小不等的两个空腔。其中膨胀端隔套上开有相通的圆孔，实现两个空腔相通，构成了一个两极膨胀空间。压气端大小圆柱型凸轮及隔套，装有与壳体膨胀端完全相同的两个大小圆柱型凸轮2’、4’，其中小圆柱型凸轮2’放在大圆柱型凸轮4’中，且互成180度。此两个大小圆柱型凸轮与左边大小圆柱型凸轮安装方向也互成180度，实现了左右两边圆柱型凸轮的两个曲面是等距离，以便等长滑片能在圆柱型凸轮的两个曲面上滑动。压气端大小圆柱型凸轮中间用隔套3’隔开，形成两个大小不等的两个空腔。其中隔套上无相通的圆孔，构成了两极压缩空间。
所述转子轴7及滑片5，转子轴7的盘型转子上开内外两圈通孔，每圈为4个菱形孔，孔内装有直线滚动导轨，导轨中采用陶瓷球做滚动体(以便耐高温)，使得装入孔中的菱形滑片5减小摩擦力的滑动，装入孔内的滑片5，其两头开有装直线弹片的槽，槽内放入耐高温的弹片，后把耐磨刮片装入槽内，使刮片能在开槽内能自由伸缩，以实现刮片能起到很好的密封作用。转子轴的轴两端与小圆柱型凸轮之间安装有耐高温陶瓷轴承或气体动压螺旋型径向轴承6，同时圆柱型凸轮与轴之间，隔套与转子之间以及转子两端采用迷宫型密封。以减少气体泄露损失。
本发明旋转变容式膨胀压气发动机是这样实现的
旋转式膨胀压缩机主要是由机壳1，大圆柱型凸轮4、4’，小圆柱型凸轮2、2’，转子轴7，滑片5及隔套3、3’组成。旋转式膨胀压缩机的膨胀端小圆柱型凸轮2上开有进气孔A，机壳1上膨胀端有膨胀排气孔B，机壳1压缩端上有压缩机进气孔C，小圆柱型凸轮2’上有压缩排气孔D。压缩端大圆柱型凸轮4’上还有中间排气孔E，压缩端小圆柱型凸轮2’上还有冷却气进气孔F，转子轴7转子膨胀端面与机壳1内表面，大、小圆柱型凸轮2、4曲面以及圆柱型凸轮之间的隔套3内外表面组成了大小不等的两个膨胀空腔。而在这两个膨胀空腔中装有滑片把每个空腔分成了四个小的膨胀基元容积。
转子轴7转子压缩端面与机壳1内表面，大、小圆柱型凸轮2’、4’曲面以及圆柱型凸轮之间的隔套3’内外表面组成了大小不等的两个压缩空腔。而在这两个压缩空腔中装有滑片把每个空腔分成了四个小的压缩基元容积。
高温压缩的气体工质由膨胀端小圆柱型凸轮2进气孔A进入，经过小膨胀基元容积变化膨胀做功后，以一定的压力排入大膨胀基元容积变化进一步做功，做完功的气体经排出口B排出冷却，机壳另一端为压缩端，低温低压的气体工质由进气口C吸入，经过大的压缩腔进入压缩基元容积，经过渐缩基元容积实现压缩，被压缩气体由排出口E排出冷却，冷却后的压缩工质气体由进气口F进入小压缩腔的压缩基元容积，通过压缩基元容积缩小再进一步压缩，压缩后的气体工质以一定的压力经排气口D排出，以实现多变压缩，节省压缩功。经压缩后的气体再进入加热装置，加热后再进入膨胀端，进行下一次的绝热膨胀循环做功。此旋转变容式膨胀压气发动机可以采用空气为工质的开式循环，也可以采用氦气做工质的闭式循环。
下面结合实例对本发明旋转式变容膨胀压气发动机进行详细描述
图1为旋转式膨胀压缩机的剖面图
图2为旋转式膨胀压缩机的剖面图机壳图
图3为旋转式膨胀压缩机图1中圆柱型凸轮
图4为旋转式膨胀压缩机图1中转子轴图
图5为旋转式膨胀压缩机图1中滑片图
图6为旋转式膨胀压缩机中隔套图
图7为旋转式膨胀压缩机内圈滑片运动第一象限到第四象限的示意图
图8为旋转式膨胀压缩机内圈滑片运动第一象限到第四象限的示意图
如图1所示，左右边各具有两对圆柱型凸轮2、4和2’和4’，其中膨胀端小圆柱型凸轮2装入大圆柱型凸轮4内，且互成180度，中间装入隔套3，当与中心转子7膨胀端面，机壳1内表面封闭时，膨胀端分别形成两个大小不等的容积，两个大小不等的容积通过隔套的小孔相连，分别形成了两级膨胀容积，而右端小圆柱型凸轮2’装入大圆柱型凸轮4’内，且互成180度，中间装入隔套3’，当与中心转子轴7转子压缩端面，机壳1内表面封闭时，压缩端分别形成两个大小不等两级压缩容积，其中大圆柱凸轮上设有冷却排气口E，小圆柱型凸轮上设有冷却气吸入口F，再分别与膨胀端圆柱型凸轮两两互成180角装入中心转子轴的两端，通过耐高温陶瓷轴承6或气体动压螺旋槽型径向轴承与中心转子轴7相连，使得左右大、小两个圆柱型凸轮两两相对的曲面组成等距，中心转子轴中盘型转子上开有8个菱形孔，孔内预先装有滚动直线导轨副(导轨副的滚动是靠安装在导轨副里面的陶瓷球实现)，其中内外圈8块滑片5***安装在中心转子孔内，再通过外端机壳1用螺栓与两端大圆柱型凸轮4、4’相连，膨胀压缩机的中心转子轴7和两端的圆柱型凸轮2、4和2’、4’中间隔套3、3’便封装在机壳内，通过长度相等的滑片组成了组成了整个的旋转式膨胀压缩机。
图2所示壳体1是由圆柱形管1.1和套在管两端带内槽的圆环排气腔1.2(圆环上面设膨胀排气孔B)和进气腔1.3组成(圆环上设压气进气孔C)。
图3所示为圆柱型凸轮，其中此零件曲面采用氮化硅陶瓷(SI3N4)做衬里，氮化硅陶瓷具有良好的耐耐磨性及自润滑性，高硬度，耐腐蚀，耐高温，抗热震性和耐热疲劳性能均优良，绝热性也很好。
图4所示为旋转式压膨胀压缩机转子轴7，转子轴7转子上开有滑片块孔，分内圈和外圈，滑片块孔装有滚动直线导轨(滚动导轨是由陶瓷球做滚珠具有耐高温性能)，使氮化硅陶瓷滑片能在孔内很小磨擦滑动。盘型转子两端面采用耐高温氮化硅陶瓷与合金盘型转子连接。
图5所示为旋转式膨胀压缩机滑片5，材料为氮化硅陶瓷，滑片两端开有小槽，槽内装入耐高温直线弹簧片5.1，装有耐高温的氮化硅耐磨陶瓷做防磨块5.2。
图6所示为旋转式膨胀压缩机的膨胀端隔套3，隔套3采用氮化硅陶瓷材料，隔套装入大小圆柱型凸轮之间把两个凸轮分隔从两个大小不等的空间，中间用小孔相通，使气体能成小空间流入大空间，能更好的膨胀。右隔套中间无小孔
具体实施方式
如图7所示，压缩的气体工质由A孔进入分两路，一路经过小圆柱型凸轮内曲面到叶片5.2底部推动叶片向容积扩大的方向转动，叶片靠此气体压力推动和转子轴在转动过程中滑片受另一端曲面的推力及直线弹片作用而保证滑片能较紧密的抵在小圆柱型凸轮的曲面内壁上，起到良好的密封作用，而压缩气体另一路经过小圆柱型凸轮内曲面到另一叶片5.1底部推动叶片向容积缩小方向转动，压缩气体作用在滑片5.1和5.2上各产生相反的转矩，但是滑片5.2伸出比较长(与滑片5.1相比)作用面积大，产生的转矩大于滑片5.1产生的转矩，因此转子在相应滑片上产生的转矩差作用下按顺时针方向转动，当转动到最大基元容积作功后的气体由隔套孔排出进入二级膨胀空腔进一步膨胀，如图8所示，进入二级膨胀空间的气体对滑片做功原理如上所述，一定气体作用在滑片5.3和5.4上各产生相反的转矩，但是滑片5.4伸出比较长(与滑片5.3相比)作用面积大，产生的转矩大于滑片5.3产生的转矩，因此转子在相应滑片上产生的转矩差作用下按顺时针方向转动，最后经过二级膨胀后的气体达到很低压力，较少的对转子做功为止。然后由机壳上的排气孔排出膨胀腔。
机壳另一端为压缩端，装有与膨胀端两个大、小完全相等圆柱型凸轮2’、4’，其中小圆柱型凸轮2’放在大圆柱型凸轮4’中，大小圆柱型凸轮最高点互成180度，大小圆柱型凸轮中间用隔套3’隔开，此时两个大小圆柱型凸轮与膨胀端大小圆柱型凸轮的也互成180度，实现了左右两边圆柱型凸轮的两个曲面是等距离(以便滑片能灵活的在膨胀腔与压缩腔内移动)，转子轴端面与机壳内表面，大、小圆柱型凸轮内曲面以及圆柱型凸轮之间的隔套组成了大小不等的两个压缩空腔，而小圆柱型凸轮曲面与转子轴端面、滑片以及隔套内表面组成了若干个小的二级密封压缩基元容积，而大圆柱型凸轮曲面与转子轴端面、滑片以及隔套外表面、机壳内表面组成了若干个大的一级密封压缩基元容积。
如图8所示，当膨胀压力的作用下带动了转子轴旋转，转子旋转时，由于在压缩或膨胀端大圆柱型凸轮的曲面的推力以及滑片内弹片的作用下，使得滑片与压缩端的大圆柱型凸轮的曲面内壁紧贴，因此外圈滑片与大圆柱型凸轮的曲面内壁，转子轴转子端面，外壳内壁面及隔套3’外表面组成了四个可变的基元容积，由于转子的转动，导致基元容积在转动一周之内容积由最小值逐渐变大，再由最大逐渐变小，直到最小，随着转子的旋转，基元容积逐渐增大，与吸气孔C相通时开始吸气，基元容积达到最大时吸气结束，转子继续旋转，基元容积开始缩小，气体被压缩，当与大圆柱凸轮上排气孔E相连通时开始排气，排出的气体与二级压缩室的进气孔F吸入基元容积相通，如图7所示，由大圆柱凸轮上排气孔E排出的气体经冷却后，再由小圆柱型凸轮F孔吸入，此时二级压缩室基元容积最大开始吸气，转子继续顺时针方向转动，二级压缩基元容积开始逐渐缩小，当二极压缩滑片转动180度时，二级基元达到最小，此时与排气孔D相通，当基元容积达到最小时排气结束，转子继续旋转时，进入下一次吸气压缩过程。排出的气体进入外部加热装置，对压缩气体加热，加热后的气体再进入膨胀端，进行下一次的绝热膨胀循环做功。此旋转式膨胀压缩发动机可以采用空气为工质的开式循环，也可以采用氦气做工质的闭式循环。
本发明旋转变容式膨胀压气发动机的优点是：该装置能采用高温压缩气体驱动，采用了陶瓷做隔热材料，使很好的实现绝热膨胀，此发动机中膨胀压缩空间在整个装置中比重大，使得整体体积小，零部件少，且加工简单，采用了陶瓷做材料，润滑性能好，使得热能得到高效的利用，同时用在中温高压气体驱动，出口温度低，可以实现制冷，压缩机端压缩气体放出热量还能提供热水。且可以采用价廉易得的燃料，可利用太阳能及生物能作为燃料。它的排气污染少，噪声低，这对于缓解世界对优质能源的需求，减少污染无疑是有利的。
Claims (5)
1.一种旋转变容式膨胀压气发动机，包括：壳体(1)、两端大小圆柱型凸轮及隔套、转子轴(7)、滑片(5)及耐高温轴承(6)，所述转子轴的盘形转子上装有滑片(5)，转子轴通过耐高温轴承(6)与轴两端的大小圆柱型凸轮及隔套相连，其中耐高温轴承(6)为耐高温氮化硅陶瓷轴承或气体动压螺旋槽型径向轴承，再用壳体(1)把转子轴和滑片及两端的大小圆柱型凸轮和隔套封装于内，构成了旋转变容式膨胀压气发动机；所述两端大小圆柱型凸轮及隔套，区分为膨胀端与压气端，膨胀端大小圆柱型凸轮及隔套，由其中小圆柱型凸轮(2)放在大圆柱型凸轮(4)中，大、小圆柱型凸轮最高点互成180度，大、小圆柱型凸轮中间用隔套(3)隔开，压气端大小圆柱型凸轮及隔套，装有与壳体膨胀端完全相同的两个大、小圆柱型凸轮(2’、4’)，其中小圆柱型凸轮(2’)放在大圆柱型凸轮(4’)中，且互成180度，此压气端两个大、小圆柱型凸轮与左边膨胀端大、小圆柱型凸轮安装方向也互成180度，实现了左右两边圆柱型凸轮的两个曲面是等距离，压气端大、小圆柱型凸轮中间用隔套(3’)隔开；转子轴(7)的盘型转子上开内外两圈通孔，每圈为4个菱形孔，孔内装有直线滚动导轨，导轨中采用陶瓷球做滚动体，使得装入孔中的菱形滑片(5)减小摩擦力的滑动。
2.根据权利要求1所述旋转变容式膨胀压气发动机，其特征在于：所述壳体(1)包括：圆柱形管(1.1)和套在管两端带内槽的膨胀端圆环排气腔(1.2)，和压缩端进气腔(1.3)，膨胀端圆环上面设排气孔B，压气端圆环上设进气孔C。
3.根据权利要求1所述旋转变容式膨胀压气发动机，其特征在于：盘型转子两端面采用耐高温氮化硅陶瓷与合金盘型转子连接。
4.根据权利要求1所述旋转变容式膨胀压气发动机，其特征在于：滑片其两头开有装直线弹片的槽，槽内放入耐高温的弹片(5.1)，后把耐磨刮片(5.2)装入槽内，滑片(5)与耐磨刮片材料为氮化硅陶瓷。
5.根据权利要求3所述旋转变容式膨胀压气发动机，其特征在于：两端的大、小圆柱型凸轮的内部曲面采用具有耐磨性及自润滑性，高硬度，耐腐蚀，耐高温，抗热震性和耐热疲劳性能均优良的氮化硅陶瓷做衬里。
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Legal Events
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140402 Termination date: 20210326 |