CN106368809A - 一种带有径向密封片的微小转子 - Google Patents

Abstract

本发明一种带有径向密封片的微小转子，属于转子发动机领域。包括转子主体、密封片主体和之字形结构。所述转子主体的顶端的凹槽形结构中由底部向外依次加工有之字型结构和密封片主体。基于先进的微机电***加工技术，将密封片与转子加工为一体，转子主体和密封片主体之间为之字形结构，该结构具有弹簧片的作用。大大减少了转子发动机在小型化之后的零件数量，提高了其运转的可靠性和平稳性，且消除了传统转子发动机径向密封片底部的漏气通道，减少了燃烧室之间的漏气情况，提高了微小型转子发动机效率。解决了传统转子和其径向密封片在转子发动机小型化过程中产生的密封片、弹簧片加工、装配困难、零件个数多及此种密封方式漏气严重的问题。

Description

一种带有径向密封片的微小转子

技术领域

本发明涉及微小转子发动机的径向密封，尤其涉及一种带有径向密封片的微小转子，属于转子发动机领域。

背景技术

机电行业的发展趋势之一是设备的微小型化，如微型机器人、微型无人机、便携或可穿戴式计算机、军用单兵***，微阀微泵***等，如何为这些设备提供高能量密度、高可靠性、长寿命的微小型动力装置成为了日益突出的问题。目前这些设备的动力来源多为电池，但是电池的能量密度远低于直接将碳氢燃料的化学能转化为机械能的内燃机，即使是当前较为先进的锂离子电池，其能量密度仅为普通内燃机的约1/20。因此微型内燃机的发展将大大推动设备微小型化的发展。

转子发动机作为内燃机的一种，零件个数较少、结构相对简单、适宜高转速工作，这些特点使得转子发动机的微小型化成为了研究和应用热点。在转子发动机的微小型化过程中，漏气损失带来的效率下降甚至不能稳定工作的问题越来越突出，不同燃烧室之间的气体从转子顶端密封片处的泄漏是漏气损失的重要组成部分，如何设计转子顶端密封装置尤为重要。在传统的转子发动机中，转子顶端挖有凹槽，凹槽中需安装弹簧片和密封片来实现径向密封。随着转子发动机的小型化，弹簧片和密封片的尺寸减小，高精度的加工和安装均会导致时间和经济成本增高，并且，较多的零件个数导致转子发动机工作的可靠性下降。因此，可以考虑将转子和密封片作为一体，使其成为一个零件进行设计加工。MEMS加工技术的发展使得带有密封片的微小转子的加工成为可能。如以美国为代表的硅微加工技术的深度反应离子腐蚀技术，可以制造出高深宽比的结构，即在一个很小的线宽下能获得一个很深的结构。又如以德国为代表的X光深层光刻、微电铸、微塑铸技术，可以实现各种金属、高分子材料、陶瓷等的微加工。因此加工工艺对微小型转子结构设计的制约大大减小。

发明内容

本发明的目的是克服现有转子发动机微小型化过程中，转子的径向密封片和弹簧片加工、装配困难，零件个数多，以及此种密封方式使燃烧室之间漏气恶化，使得发动机运转可靠性和效率降低的技术缺陷，提出了一种带有径向密封片的微小转子。

转子的径向密封的常用方式是在转子顶尖处挖出凹槽，依次装入弹簧片和密封片，转子和其径向密封装置共由转子、三个弹簧片和三个密封片组成，在转子发动机微小型化过程中，一方面用于微小转子的弹簧片和密封片的加工和装配难度增加，另一方面传统的密封方式在密封片底部形成的气体通道造成的相邻燃烧室之间于顶端的漏气情况急剧恶化，造成发动机效率降低。而本发明设计的带有径向密封片的微小转子改善了上述的难点。转子和其顶端密封片、弹簧片作为一体加工成形，无需单独加工密封片和弹簧片，无需安装密封片和弹簧片；密封片底部不再有气体通道，改善了相邻燃烧室的窜气情况。

一种带有径向密封片的微小转子，简称转子，包括转子主体、密封片主体和之字形结构；

所述转子主体顶端的凹槽形结构中由底部向外依次加工有之字型结构和密封片主体；所述凹槽型结构、之字形结构和密封片主体为在垂直于转子轴向平面内的二维结构，即此二维结构在转子轴线方向不发生改变；具备该特点的结构形式可以利用先进的MEMS，即微机电***，加工技术完成，可采用X光深层光刻、微电铸、微塑铸技术为主的技术完成；

所述之字型结构底端与转子主体凹槽底部连接，顶端与密封片主体连接；之字型结构在垂直于转子轴向的平面内关于其几何中心中心对称；之字型结构的轴向长度与转子主体的厚度相等，之字型结构的宽度略小于转子主体凹槽的宽度，使得转子在使用过程中，之字型结构可发生径向伸缩；

所述之字形结构与转子主体凹槽底面和密封片主体底面均由相切与对应平面的圆弧过渡；所述之字形结构弯折处由两等半径圆弧相切过渡；

所述之字型结构起到弹簧片的作用，在密封片顶端受到指向转子中心的径向的作用力时，之字型结构可以发生宏观的径向变形，并产生反作用力作用于密封片主体；弹力可以通过改变之字型结构的弯折角度和转子主体上的凹槽深度进行调整；

所述密封片主体底部与之字型结构连接，密封片主体长度与转子主体的厚度相等，宽度略小于转子主体凹槽的宽度，以保证在受热膨胀后，密封片主体仍然可以产生径向位移；所述密封片顶部为圆弧，顶点略高于转子主体工作面的理论型线顶点；

所述的转子主体工作面的理论型线由三段相同的圆弧组成，圆弧半径和圆弧对应的圆心角的计算公式分别如公式(1)和公式(2)所示:

$R=\frac{e{(K-2)}^2}{K-4}---\left(1\right)$

$\mathrm{\α}=2arcsin\frac{\sqrt{3}K(K-4)}{2{(K-2)}^2}---\left(2\right)$

其中，公式(1)中R为圆弧半径，e为转子发动机的偏心距；公式(1)和公式(2)中的K为转子发动机的形状系数；公式(2)中的α为圆弧对应的圆心角；arcsin为反正弦函数；

所述转子主体、密封片主体和之字形结构采用合金钢材料。

有益效果

本发明一种带有径向密封片的微小转子，与传统转子发动机的转子和其径向密封装置相比具有如下有益效果：

1.本发明解决了转子发动机在微小型化过程中，转子顶端密封装置——径向密封片和弹簧片加工和装配困难的问题；

2.本发明减少了微小型转子发动机的零件个数，避免了由于零件个数多导致的运转平稳性和可靠性下降的问题；

3.在传统密封结构形式下，相邻两燃烧室会通过密封片底部发生窜气，使转子发动机在小型化过程中的效率急剧降低，本发明密封片主体和转子主体通过之字型结构直接连接，有效避免了此种现象的发生；

4.本发明充分利用现有的MEMS微机电***加工技术，能够较好地的解决转子发动机由于微小型化导致的径向密封恶化的问题；

5.本发明充分利用了先进的MEMS(微机电***)加工技术，例如，X光深层光刻、微电铸、微塑铸技术，可以加工出高精度的微小结构，包括本发明提出的之字形的高深宽比的结构。

附图说明

图1为本发明一种带有径向密封片的微小转子及实施例1中转子在气缸中的安装位置图；

图2为图1中虚线圈中所示部分的局部放大图，展示了带有径向密封片的微小转子的径向密封局部结构，为实施例1的附图；

图3为本发明一种带有径向密封片的微小转子实施例2中的三维零件图；

图4为本发明一种带有径向密封片的微小转子实施例2中顶端密封片主体和之字形结构的局部放大图；

图5为本发明实施例3中传统转子及其密封装置的三维装配图；

图6为本发明实施例3中传统转子及其密封装置各零件的***图。

附图标记说明：1-气缸，2-带径向密封片的微小转子，3-所述转子的密封片主体，4-所述转子的之字形结构，5-所述转子的转子主体，6-传统径向密封片，7-传统径向密封弹簧片，8-传统转子。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行深入阐述，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

本实施例阐述了本发明一种带有径向密封片的微小转子的基本结构。

结合图1和图2，在保证精度的前提下进行加工，尺寸根据具体动力装置设定。

带有径向密封片的微小转子在气缸中的安装位置如图1所示。图1中，1是微小转子发动机的气缸，2是本发明一种带有径向密封片的微小转子；虚线圈内的内容在图2中得到具体展示。

本专利不讨论气缸1，不讨论转子内部的结构，只讨论转子顶端包含径向密封片在内的部分，该部分的具体结构如图2所示，图2中，1为气缸，3为密封片主体，4为之字形结构，5为转子主体。转子主体5顶端为凹槽结构，从凹槽低端向上加工有之字形结构4和密封片主体3。带有径向密封片的微小转子的三个顶端处，结构相同，如图1所示。

实施例2

本实施例阐述了本发明一种带有径向密封片的微小转子的具体实施方式。

图3为本发明一种带有径向密封片的微小转子的三维零件图。转子三个顶端凹槽结构、之字形结构和密封片主体为在垂直于转子轴向平面内的二维结构，即此二维结构在转子轴线方向不发生改变。该结构特点可以充分利用先进的MEMS(微机电***)加工技术，例如，X光深层光刻、微电铸、微塑铸技术。

图4为对应于图2部分的局部放大的三维图。图4中，3为密封片主体，4为之字形结构，5为转子主体。之字形结构与凹槽底部和密封片主体底部均由相切圆弧过渡，之字形结构设计有两个折角，折角处为两等半径的相切圆弧过渡。可通过改变相切圆弧的半径来调整之字形结构的弹力。之字形结构在垂直于转子轴向的平面内关于几何中心中心对称。之字形结构宽度的公称尺寸略小于凹槽宽度，长度与转子主体厚度相等。密封片主体宽度与之字形结构宽度相等，长度与转子厚度相等，密封片主体顶面为圆弧。密封片高度不宜过高，转子主体凹槽深度不宜过深。

实施例3

本实施例结合传统转子发动机转子及其顶端密封片和弹簧片结构阐述了本发明一种带有径向密封片的微小转子的有益效果。

图5为传统转子及其径向密封装置的装配图，图6为对应于图5的***图。图6中，6为传统转子径向密封用密封片，7为传统转子径向密封用弹簧片，8为传统转子。转子顶端加工有凹槽，凹槽内装配有圆弧形弹簧片，弹簧片上装配有密封片，因此转子及其径向密封装置共由1个转子、3个弹簧片、3个密封片共10个零件组成，在转子发动机小型化过程中，弹簧片和密封片的加工和装配难度大大增加，在发动机运转过程中，降低了其可靠性和平稳性。本发明提出的带有径向密封片的微小转子为一个零件，因此，在转子发动机小型化过程中，大大减少了零件个数，提高了转子发动机运转的可靠性和平稳性。另一方面，在传统转子和其径向密封装置的设计中，密封片和转子顶端凹槽之间为圆弧形弹簧片，使密封片底部通过密封片侧向间隙将相邻两燃烧室连通，形成漏气通道，在转子发动机小型化过程中，通过密封片底部的漏气而降低发动机效率的问题恶化，严重制约了微小型转子发动机效率的提高。本发明中，密封片主体与转子主体之间为之字形结构连接，密封片底部没有漏气通道，大大减少了微小型转子发动机的漏气情况，提高了发动机效率。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种带有径向密封片的微小转子，简称转子，其特征在于：包括转子主体、密封片主体和之字形结构；所述转子主体、密封片主体和之字形结构采用合金钢材料；

所述转子主体顶端的凹槽形结构中由底部向外依次加工有之字型结构和密封片主体；所述凹槽型结构、之字形结构和密封片主体为在垂直于转子轴向平面内的二维结构，即此二维结构在转子轴线方向不发生改变；具备该特点的结构形式可以利用先进的MEMS，即微机电***，加工技术完成，可采用X光深层光刻、微电铸、微塑铸技术为主的技术完成。

2.如权利要求1所述的一种带有径向密封片的微小转子，其特征在于：所述之字型结构底端与转子主体凹槽底部连接，顶端与密封片主体连接；之字型结构在垂直于转子轴向的平面内关于其几何中心中心对称；之字型结构的轴向长度与转子主体的厚度相等，之字型结构的宽度略小于转子主体凹槽的宽度，使得转子在使用过程中，之字型结构可发生径向伸缩；所述之字形结构与转子主体凹槽底面和密封片主体底面均由相切与对应平面的圆弧过渡；所述之字形结构弯折处由两等半径圆弧相切过渡；

所述之字型结构起到弹簧片的作用，在密封片顶端受到指向转子中心的径向的作用力时，之字型结构可以发生宏观的径向变形，并产生反作用力作用于密封片主体；弹力可以通过改变之字型结构的弯折角度和转子主体上的凹槽深度进行调整。

3.如权利要求1所述的一种带有径向密封片的微小转子，其特征在于：

所述密封片主体底部与之字型结构连接，密封片主体长度与转子主体的厚度相等，宽度略小于转子主体凹槽的宽度，以保证在受热膨胀后，密封片主体仍然可以产生径向位移；所述密封片顶部为圆弧，顶点略高于转子主体工作面的理论型线顶点。

4.如权利要求3所述的一种带有径向密封片的微小转子，其特征在于：

所述转子主体工作面的理论型线由三段相同的圆弧组成，圆弧半径和圆弧对应的圆心角的计算公式分别如公式(1)和公式(2)所示:

$R=\frac{e{(K-2)}^2}{K-4}---\left(1\right)$

$\mathrm{\α}=2arcsin\frac{\sqrt{3}K(K-4)}{2{(K-2)}^2}---\left(2\right)$

其中，公式(1)中R为圆弧半径，e为转子发动机的偏心距；公式(1)和公式(2)中的K为转子发动机的形状系数；公式(2)中的α为圆弧对应的圆心角；arcsin为反正弦函数。