專利名稱:旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)機構(gòu),這種旋轉(zhuǎn)機構(gòu)具有雙凸葉轉(zhuǎn)子,所述轉(zhuǎn)子在封閉腔室內(nèi)被偏心驅(qū)動從而壓縮或膨脹所述腔室內(nèi)的流體。
旋轉(zhuǎn)機構(gòu)在包括有液壓泵、氣體壓縮機、氣體膨脹機以及旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機等的各種機器中均有應用。
已經(jīng)提出有許多不同類型的用于在泵、壓縮機、膨脹機以及旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機中運行的旋轉(zhuǎn)式機械。大多數(shù)公知的旋轉(zhuǎn)式機械在任一上述應用中已經(jīng)取得了有限的操作上的成功,但還沒有任一旋轉(zhuǎn)式機械適于在所有這些應用中均能成功地運行。
一種特定的旋轉(zhuǎn)式機械包括可轉(zhuǎn)動地安裝在環(huán)形腔室內(nèi)的雙凸葉透鏡狀轉(zhuǎn)子(two-lobe lenticular rotor)或者葉片,所述環(huán)形腔室具有圓貝殼狀的結(jié)構(gòu)。雙凸葉轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動必須被精細地引導,以確保雙凸葉轉(zhuǎn)子的頂端始終保持與腔室內(nèi)壁的滑動接觸以及密封接觸,從而連續(xù)改變轉(zhuǎn)子和腔室壁之間的空間體積。進入腔室內(nèi)的入口允許流體進入,并且流體在轉(zhuǎn)子的壓縮下通過出口排出。
在一種已知的旋轉(zhuǎn)式機械中,端部開口的曲柄延伸穿過腔室的一個端蓋并且支撐轉(zhuǎn)子。驅(qū)動機構(gòu)轉(zhuǎn)動曲柄從而在腔室內(nèi)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子運動由安裝在透鏡狀轉(zhuǎn)子一端的齒輪系統(tǒng)進行引導。這種設計的問題在于,該齒輪系統(tǒng)不足以承受在運行過程中作用于機械上的高振動應力及負荷。
上述這種旋轉(zhuǎn)式機械具有偏心旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子質(zhì)心,這自然就會產(chǎn)生沿一個方向的傾斜或牽拉。即使增加了腔室殼體的剛度并引入旋轉(zhuǎn)配重,諸如那些在轉(zhuǎn)子一側(cè)具有齒輪系統(tǒng)導向裝置的復雜設計、或者引入任意其他的打亂機械對稱性的設計仍不能抵消通常的機械傾斜,因此運行時會失去平衡。
另一種已知的旋轉(zhuǎn)式機械使用延伸穿過槽的心軸,其中,槽與心軸的相互關系為,心軸在槽內(nèi)的往復滑動引導轉(zhuǎn)子在腔室內(nèi)偏心地轉(zhuǎn)動。不過,這種設計在結(jié)構(gòu)上太過脆弱,不能承受泵、壓縮機、膨脹機、發(fā)動機等在正常運行狀態(tài)下的連續(xù)振動應力。有時在轉(zhuǎn)子的每個循環(huán)中都要承載運動轉(zhuǎn)子的滿負荷的各心軸不能承受住重復負荷而會發(fā)生剪切變形。
就內(nèi)燃機而言,僅有汪克爾發(fā)動機(Wankel)的回轉(zhuǎn)設計成功地應用在內(nèi)燃機中。不過,即便是汪克爾發(fā)動機也有不足,由于外旋輪線腔室內(nèi)的三凸葉轉(zhuǎn)子導致低熱力學效率,使得其僅適合于在高速旋轉(zhuǎn)的情況下使用并且僅適用于輕型車輛。由于在發(fā)動機最大壓縮處的上死點,轉(zhuǎn)子橫跨外旋輪線腔室且在轉(zhuǎn)子和腔室壁之間留下兩個具有未壓縮燃料的小間隙,因此壓縮比低。在低速旋轉(zhuǎn)的情況下,轉(zhuǎn)子與腔室的接觸損失尤其值得關注。三凸葉轉(zhuǎn)子在這種形狀的腔室內(nèi)的密封也尤為困難。
在所有的旋轉(zhuǎn)式機械中,特別是由于維持良好的腔室密封很困難,而導致了熱力學效率低下。由于許多公知的旋轉(zhuǎn)式機械具有復雜的轉(zhuǎn)子,通常隨之具有復雜的腔室形狀,因此頂端處的尖端密封件需要從轉(zhuǎn)子或多或少地進行延伸。在許多情況下,轉(zhuǎn)子運行時所述尖端密封件自身就要承受負荷,這使得它們易于磨損和泄漏。例如齒輪系統(tǒng)及槽的附加特征增加了可能發(fā)生流體泄漏的區(qū)域數(shù)量,并且由于這些附加特征的尺寸及定位,可能無法有效地設置密封件??梢岳斫猓D(zhuǎn)子和腔室的形狀越復雜,腔室密封就會遇到越大的困難。另外,具有較多數(shù)量組件的較為復雜的設計更為昂貴,并且制造和維護會更困難。
通常,旋轉(zhuǎn)式機械還會面臨其他熱力學缺陷,即很難有效地冷卻轉(zhuǎn)子。而冷卻問題又可能導致難以維持金屬制品(metal)的整體性(integrity),特別是可能會達到高溫的轉(zhuǎn)子的金屬制品的整體性。
機械部件尤其是諸如齒輪系統(tǒng)以及槽系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子驅(qū)動裝置的磨損是導致機械卡住的普遍問題。其中的一個主要原因就是對于眾多設計來說,移動組件被迫承受大的點載荷或者承載不均勻載荷,這會導致組件的一部分會比另一部分磨損得更厲害。這樣,在薄弱點上施加的較大負荷會進一步產(chǎn)生使磨損惡化的振動。
因此需要一種改進的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其能作為發(fā)動機進行有效熱力學運行,以提供足以驅(qū)動各種車輛的壓縮比。這種機構(gòu)應該制造經(jīng)濟,密封和磨損良好,并且當作為泵、壓縮機、發(fā)動機等運行時容易承載滿負荷。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例,提供了一種旋轉(zhuǎn)機構(gòu),包括殼體,所述殼體限定了具有內(nèi)壁的大致呈環(huán)形的封閉腔室;雙凸葉對稱轉(zhuǎn)子,所述轉(zhuǎn)子具有位于所述轉(zhuǎn)子的頂端之間的縱向中心軸線;驅(qū)動軸,所述驅(qū)動軸支撐所述轉(zhuǎn)子以使所述轉(zhuǎn)子以下述方式在所述腔室內(nèi)滑動并偏心地轉(zhuǎn)動所述頂端連續(xù)地掃過所述內(nèi)壁,從而在各凸葉和所述內(nèi)壁之間產(chǎn)生容積相繼增大和減小的空腔;以及間隔開的入口端口和排放端口,用于將流體供入所述空腔并從所述空腔排出;其中,所述轉(zhuǎn)子通過擋塊和槽的往復裝置以及第二支撐裝置支撐,以在所述驅(qū)動軸上滑動并偏心地轉(zhuǎn)動。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例,提供了一種旋轉(zhuǎn)機構(gòu),包括殼體,所述殼體限定了具有內(nèi)壁的大致呈環(huán)形的封閉腔室;雙凸葉對稱轉(zhuǎn)子,所述轉(zhuǎn)子具有位于所述轉(zhuǎn)子的頂端之間的縱向中心軸線;所述轉(zhuǎn)子以下述方式設置在所述腔室內(nèi)以在所述腔室內(nèi)滑動并偏心地轉(zhuǎn)動所述頂端連續(xù)地掃過所述內(nèi)壁,從而在各凸葉和所述內(nèi)壁之間產(chǎn)生容積相繼增大和減小的空腔;其中,所述轉(zhuǎn)子安裝在延伸穿過所述腔室至少一端的軸上,所述軸支撐第一導向裝置,所述第一導向裝置是安裝成相對于所述轉(zhuǎn)子上的長槽(elongated slot)能進行往復運動的擋塊,由此,所述擋塊和所述軸允許所述轉(zhuǎn)子滑動和偏心地轉(zhuǎn)動;間隔開的入口端口和排放端口,用于將流體供入所述空腔并從所述空腔排出;以及第二導向裝置,所述第二導向裝置與所述第一導向裝置相互作用,以引導所述轉(zhuǎn)子并確保所述頂端在運行過程中與所述內(nèi)壁保持連續(xù)的密封接觸,其中,所述第二導向裝置的中心位于與所述腔室的中心軸線偏離的原點上。
優(yōu)選地,所述導向裝置為導向組件,所述引導組件構(gòu)成為具有匹配的接觸表面,從而使相互接合的導向組件之間的接觸負荷沿著所述導向組件均勻分布。
優(yōu)選地,所述導向組件包括圓形的導向盤,所述導向盤安裝在所述環(huán)形腔室的至少一端;以及對應的圓形凹部,其位于所述轉(zhuǎn)子的一側(cè),以容置所述導向盤;其中,所述凹部具有位于所述轉(zhuǎn)子的中心的原點,并且比所述導向盤大,以允許所述轉(zhuǎn)子在所述導向盤上進行有限的運動。所述導向盤的中心通常偏離所述腔室的中心軸線,并且特別地,所述導向盤的中心位于所述腔室的中心軸線與所述軸的軸心之間。
優(yōu)選地,設置兩個導向盤,在所述腔室的每一端各設置一個導向盤;所述導向盤能容置在位于所述轉(zhuǎn)子的每一側(cè)面上的對應的圓形凹部內(nèi)。所述軸優(yōu)選為延伸穿過所述轉(zhuǎn)子和所述腔室的單個檔塊軸(single block shaft),并且,所述長槽沿所述轉(zhuǎn)子的縱向軸線定向。
根據(jù)本發(fā)明的再一個實施例,還提供了一種旋轉(zhuǎn)機構(gòu),包括殼體,所述殼體限定了具有內(nèi)壁的大致呈環(huán)形的封閉腔室;雙凸葉對稱轉(zhuǎn)子,所述轉(zhuǎn)子具有位于所述轉(zhuǎn)子的頂端之間的縱向中心軸線;所述轉(zhuǎn)子以下述方式設置在所述腔室內(nèi)以在所述腔室內(nèi)滑動并偏心地轉(zhuǎn)動所述頂端連續(xù)地掃過所述內(nèi)壁,從而在各凸葉和所述內(nèi)壁之間產(chǎn)生容積相繼增大和減小的空腔;其中,所述轉(zhuǎn)子安裝在分軸系統(tǒng)上,所述分軸系統(tǒng)包括延伸穿過所述腔室一端的第一軸以及延伸穿過所述腔室另一端的第二軸,所述第一軸支撐第一擋塊,所述第一擋塊被安裝成相對于沿所述轉(zhuǎn)子的縱向軸線定向的第一長槽進行往復運動;所述第二軸支撐第二擋塊,所述第二擋塊被安裝成相對于垂直所述第一槽定向的第二長槽進行往復運動;其中,所述擋塊和軸允許所述轉(zhuǎn)子滑動并偏心地轉(zhuǎn)動,且所述轉(zhuǎn)子的負荷由各擋塊和軸依次承載;以及間隔開的入口端口和排放端口,用于將流體供入所述空腔并從所述空腔排出。
優(yōu)選地,所述第一軸和第二軸彼此軸向偏離地排列,并且一個軸的軸心與所述腔室的中心軸線對齊。
所述轉(zhuǎn)子的圓形軌跡的中心偏離所述腔室的中心軸線,并且特別地,所述軌跡的中心位于所述中心軸線和與所述中心軸線并不對齊的所述軸的軸心之間。
可以理解,根據(jù)端口的設置,這種裝置可以用作容積式液壓泵、氣體壓縮機、氣體膨脹機或者旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機。
參考附圖以舉例的方式對本發(fā)明作進一步說明,附圖中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)第一實施例的示意性俯視圖,其中轉(zhuǎn)子位于腔室的上死點;圖2示出了圖1的機構(gòu)的轉(zhuǎn)子逆時針移位30°的情形;圖3示出了圖1的機構(gòu)的轉(zhuǎn)子逆時針移位60°的情形;圖4示出了圖1的機構(gòu)的轉(zhuǎn)子逆時針移位90°的情形;圖5示出了圖1的機構(gòu)的轉(zhuǎn)子逆時針移位135°的情形;圖6是沿圖1的線6-6的該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)第一實施例的示意性剖視圖,并且沿線1-1示出的對應剖視圖是圖1;圖7是根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)第二實施例的示意性俯視圖,其中轉(zhuǎn)子位于腔室的上死點;圖8示出了圖7的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)子逆時針移位30°的情形;圖9示出了圖7的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)子逆時針移位60°的情形;圖10示出了圖7的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)子逆時針移位90°的情形;圖11示出了圖7的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)子逆時針移位135°的情形;圖12是沿圖7的線12-12的該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)第二實施例的示意性剖視圖,并且沿線7-7示出的對應剖視圖是圖7;圖13a是該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)子的實施例的立體圖,其示出了擋塊和槽的輪廓;圖13b是該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的實施例的一個擋塊和槽的幾何輪廓的立體圖;圖13c是該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的實施例的另一個擋塊和槽的幾何輪廓的立體圖;圖13d示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的殼體腔室的形狀的兩種可選方案;圖14是用作空氣壓縮機的第二實施例的剖視圖;圖15是圖14所示配重的剖視圖;圖16是配重的主視圖;圖17是示出該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的容積與軸轉(zhuǎn)角函數(shù)關系實施例的曲線圖;圖18是該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)子頂端抵靠殼體的放大視圖。
圖1和圖7示出了適于在多種應用中使用的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)10的兩個實施例,所述應用場合包括液壓泵、氣體壓縮機、氣體膨脹機以及旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機。在這兩個實施例中,機構(gòu)10具有設置在封閉腔室內(nèi)的轉(zhuǎn)子,該轉(zhuǎn)子偏心地轉(zhuǎn)動以依序增大和減小腔室內(nèi)封閉空間的尺寸,從而根據(jù)入口端口和出口端口的位置以及端口操作(即,端口用作開式閥或者定時閥),通過入口端口將流體引入腔室內(nèi)并使流體膨脹或者壓縮流體。然后流體通過出口端口排出。
附圖中所示的兩個實施例示出了旋轉(zhuǎn)機構(gòu)10包括具有大致呈環(huán)形腔室12的殼體11。腔室12由內(nèi)腔室壁16及殼體端蓋13限定,不同實施例之間端蓋13的結(jié)構(gòu)不同(見圖6和圖12)。各端蓋13支撐軸頸支撐在所述蓋內(nèi)的支承件14中的軸。雖然這里公開的實施例中示出了從各蓋延伸的擋塊軸(block shaft)或者分軸(split shaft),但是應該理解,轉(zhuǎn)子的特性(特別參考第二實施例)可以使該機構(gòu)通過僅延伸穿過一個端蓋13的單個擋塊軸就足以運行。
腔室12內(nèi)設置有雙凸葉透鏡狀轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子在形狀上關于縱向長軸20和垂直的短軸23對稱。長軸和短軸的交點限定了轉(zhuǎn)子的中心軸線30。轉(zhuǎn)子的縱向長軸20與兩個凸葉21的結(jié)合部,即轉(zhuǎn)子頂端22相交。這兩個對稱的凸葉21沿長軸20朝內(nèi)向著頂端變尖。從頂端向外延伸有彈簧加載的尖端密封件(未示出),并且彈簧加載的尖端密封件適合于連續(xù)抵靠腔室的內(nèi)壁16。尖端密封件的彈簧加載特性彌補了(bridge)腔室壁16和頂端22之間可能由于腔室壁的缺陷或者設計造成的微小間隙。
轉(zhuǎn)子上的端面24a和24b彼此平行,并且以狹窄間隙(close clearance)抵靠殼體11的固定端蓋13移動。各端面和相鄰端蓋13之間應該允許有間隙,以不妨礙轉(zhuǎn)子的移動,但防止轉(zhuǎn)子和端蓋之間的流體泄漏。在轉(zhuǎn)子的側(cè)面上設置有密封件,并在端蓋13和端面24a和24b之間引入潤滑油以輔助轉(zhuǎn)子運動,并且密封間隙,防止泄漏。
轉(zhuǎn)子適于在腔室12內(nèi)偏心地旋轉(zhuǎn),同時以圓形蚌線(circular-conchoidal)的形式滑動,使頂端沿內(nèi)腔室壁16連續(xù)掃過并且與所述內(nèi)壁密封接觸,產(chǎn)生與各凸葉21相鄰的封閉空腔25,這樣,轉(zhuǎn)子15每一次旋轉(zhuǎn)均會使所述封閉空腔的容積相繼增大和減小。在頂端處的尖端密封件防止在腔室25之間發(fā)生流體泄漏。封閉腔室25的容積變化歸因于轉(zhuǎn)子15隨著在腔室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)所經(jīng)過的圓形蚌線路徑。也就是說,轉(zhuǎn)子的中心軸線30相對于腔室12并不是固定的位置,而是圍繞與腔室的中心軸線32偏心設置的原點(origin)31、沿著稱作瞬心軌跡33的圓形軌跡運行。
在圖1至圖6中所示的第一個分軸實施例中,原點31分別位于第一分軸41和第二分軸44的軸心(axial centre)46和47之間。在圖7至圖12所示的第二個直軸(straight shaft)實施例中,原點31位于腔室12的中心軸線32和單軸(single shaft)50的軸心57之間。
轉(zhuǎn)子的瞬心軌跡原點31偏離腔室的中心軸線32,使得轉(zhuǎn)子相對于腔室滑動和偏心地轉(zhuǎn)動,從而產(chǎn)生兩個相對的、容積連續(xù)變化的空腔。圖2-5以及圖8-11的剖視圖分別示出了該機構(gòu)的第一和第二實施例的組件的幾何關系。特別地,其清楚地示出了轉(zhuǎn)子的瞬心軌跡33及其原點31。
所述腔室被描述為大致呈環(huán)形。雖然環(huán)形腔室完全能夠滿足需要,但是在其轉(zhuǎn)動路徑上的某些位置處,可能會在頂端和尤其是尖端密封件上施加不希望的負荷。為了減少這種負荷,腔室的內(nèi)部形狀可以不制成圓形的,而是制成由轉(zhuǎn)子的實際頂端所限定的精確路徑的形狀,即圓形蚌線形。在這種情況下,這種形狀與圓形并沒有實質(zhì)差異,但盡管如此,通過這樣形成的腔室使得尖端密封件上的負荷以及尖端密封件上存在變化負荷時可能出現(xiàn)的問題即使不能克服至少也可以基本最小化。
圖1和圖7示出了內(nèi)腔室壁16上的隔開的入口端口34和排放端口35。這兩個端口之間距離的微小變化會改變腔室內(nèi)的流體壓力以及該機構(gòu)的計時,從而使其適合在不同的應用中使用。根據(jù)該機構(gòu)的諸如發(fā)動機、泵、壓縮機、膨脹機等的期望應用,可以確定任意的這種修改。盡管端口之間有一些搭接是允許的,但是通常在任何時刻一個空腔僅向一個端口敞開。
在工作時,除非流體經(jīng)過預壓縮,否則流體會在由尺寸增大的空腔以及由此產(chǎn)生的負壓梯度所引起的真空效應(vacuum effect)的作用下進入空腔內(nèi)。一旦空腔的尺寸開始減小,則入口關閉,并且排放端口打開,以在壓縮狀態(tài)下排出流體。這個過程發(fā)生在轉(zhuǎn)子的半轉(zhuǎn)中,這種排放可以稱作為脈動。因此轉(zhuǎn)子的每一旋轉(zhuǎn)存在兩個脈動。通常不需要入口閥(inlet valve),因為擴大的空腔產(chǎn)生的真空足以吸入流體。在排放端口處可以使用單向閥,以防止流體回流進入腔室。
可選地,在一定量的預壓縮流體進入擴大的腔室之后關閉入口。由流體施加的壓力使得腔室的尺寸變大,從而提供驅(qū)動一根或多根軸的扭矩。一旦空腔的尺寸開始減小,則一個端口打開,允許排出膨脹的流體(expandedfluid)。
為了確保掃過的頂端與內(nèi)腔室壁密封接觸并防止流體從空腔25泄漏,腔室內(nèi)精確偏心的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動十分重要。雖然彈簧加載的尖端密封件允許有某些公差,但是在設計頂端時必須注意使頂端不受阻礙地掃過內(nèi)壁,即恰好接觸內(nèi)壁或者與內(nèi)壁有間隔;而不是強制地與內(nèi)壁作用,這將會造成頂端磨損。在此描述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)第一和第二實施例的設計特征本質(zhì)上提供了精確的偏心轉(zhuǎn)動路徑,頂端能沿該路徑不受阻礙地掃過。
另外,盡管轉(zhuǎn)子偏心地轉(zhuǎn)動,該機構(gòu)分軸實施例的相互接合的組件允許其均勻且平穩(wěn)地承受轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)負荷。在直軸實施例中,實際上所有的負荷都由單個檔塊軸承受,使得不再需要用于相互接合組件的復雜支承裝置(bearing arrangement)。
該機構(gòu)的第一和第二實施例均有驅(qū)動裝置;或者,在該機構(gòu)應用為發(fā)動機或者氣體膨脹機的情況下具有從動裝置。兩個實施例還具有導向裝置。在第一實施例中,分軸同時用作驅(qū)動裝置和導向裝置。在直軸實施例中有專用的導向裝置。在這兩個實施例中,驅(qū)動/從動裝置和/或?qū)蜓b置使得轉(zhuǎn)子的中心沿所述腔室內(nèi)的圓形軌跡(即瞬心軌跡)運動。
在圖1至圖6所示的第一實施例(分軸實施例)中,驅(qū)動裝置包括第一和第二擋塊及軸裝置(block and shaft arrangement)。第一矩形擋塊40固定在機構(gòu)10的第一分軸41的端部上,并安裝成在轉(zhuǎn)子的一個端面24a中的第一長槽42內(nèi)做往復運動。第一長槽42與轉(zhuǎn)子的短軸23平行,并且沿轉(zhuǎn)子的短軸23布置。軸心46(圖2)限定了第一分軸41的中心軸線。第二矩形擋塊43安裝在第二分軸44的端部上,并且設置在位于轉(zhuǎn)子另一端面24b上的第二長槽45(圖2)內(nèi)。第二長槽與第一長槽呈直角,即,沿著長軸20定位。軸心47是第二分軸44的中心軸線。前述被軸頸支撐于腔室12的端蓋13內(nèi)的第一和第二分軸41和44設置成,第一分軸41與腔室的中心軸線32同軸,而另一分軸即第二分軸44偏移中心軸線32。偏移量取決于腔室的尺寸,其由兩軸間的距離以及轉(zhuǎn)子的輪廓來確定。圖6中所示的該機構(gòu)的剖視圖清楚地示出了偏移的分軸以及垂直的擋塊和槽裝置。
當?shù)谝环州S41或者第二分軸44轉(zhuǎn)動或者兩者同時轉(zhuǎn)動時,通過槽在相應擋塊上的線性往復運動來圍繞腔室驅(qū)動轉(zhuǎn)子15。軸的轉(zhuǎn)動以及所述分軸同時的相互作用迫使轉(zhuǎn)子15以滑動且偏心但受控的方式繞腔室12運動,從而使頂端以狹窄間隙掃過內(nèi)腔室壁16。
由于兩個槽以直角設置,擋塊40和43有效地將轉(zhuǎn)子精確地定位在腔室內(nèi),從而強制頂端22沿腔室的內(nèi)壁16運行。凸葉21自身在整個旋轉(zhuǎn)過程中的位置是相繼靠近相鄰的內(nèi)腔室壁部分或者進一步遠離該部分。
圖1至圖5示出了轉(zhuǎn)子半轉(zhuǎn)的情況,首先是30°的間隔,然后圖4和圖5之間以及返回到圖1是45°的間隔。
圖1示出了旋轉(zhuǎn)開始時的情形,此時流體已經(jīng)進入第一封閉空腔25a,并且轉(zhuǎn)子關閉空腔25a以及入口34和出口35。此位置的轉(zhuǎn)子位于上死點。具體地,第一矩形擋塊40位于第一槽42的頂端,而第二擋塊43位于第二槽45的中心,與第二槽端部間隔的距離相等。擋塊軸(block shaft)41和44中的一個或者兩個的相互轉(zhuǎn)動迫使槽在其相應的擋塊上滑動,從而使轉(zhuǎn)子15在腔室12內(nèi)偏心地轉(zhuǎn)動。
圖2至圖5示出了轉(zhuǎn)子15的轉(zhuǎn)動以及第一和第二槽在其相關擋塊上的往復滑動。為了清晰起見,圖2至圖5中略去了入口端口和排放端口,但是可以想象,通過沿著圖2中的腔室下部與第二凸葉21b相鄰形成的第二封閉空腔25,流體在擴大的空腔25b內(nèi)的真空壓力下通過入口端口進入第二空腔25b。
同時,第一封閉空腔25a中與第一轉(zhuǎn)子凸葉21a相鄰的流體通過排放端口35被強制排出。因此,該機構(gòu)在每一轉(zhuǎn)中吸入、壓縮并排出流體兩次,也就是說,每轉(zhuǎn)兩次脈動。因此,在轉(zhuǎn)子一側(cè)上出現(xiàn)的操作與轉(zhuǎn)子另一側(cè)上出現(xiàn)的操作相同,只不過有180°的相位差。
圖7至圖12示出了本發(fā)明的第二實施例(單軸實施例)。所有與第一實施例類似的特征采用相同的附圖標記。第二實施例包括單個擋塊軸50,該單個擋塊軸50具有縱向軸線57,并且從腔室的一個端蓋13至另一個端蓋垂直(right)地延伸穿過該機構(gòu)。該單個擋塊軸50延伸穿過所述轉(zhuǎn)子,并且支撐位于轉(zhuǎn)子15內(nèi)部的驅(qū)動擋塊51。
該實施例中的驅(qū)動裝置僅包括設置在用于往復滑動的長槽52內(nèi)的驅(qū)動擋塊51。槽52沿轉(zhuǎn)子的長軸對齊,并且垂直貫穿轉(zhuǎn)子的寬度延伸。當軸50轉(zhuǎn)動時,槽在驅(qū)動擋塊51上移動,從而使轉(zhuǎn)子偏心地繞所述腔室運動。軸50自身偏離腔室的中心軸線32以提供轉(zhuǎn)子相對于腔室的位移,從而產(chǎn)生變?nèi)莘e的封閉空腔。
該實施例包括繞所述腔室偏心地引導移動轉(zhuǎn)子的導向裝置。該導向裝置包括兩個圓形的導向盤53,所述導向盤53從殼體的端蓋13向腔室12的內(nèi)部突出。圖12最佳地示出了所述突出的導向盤53。導向盤53可以與端蓋13一體形成,或者可以單獨制造再獨立地連接至端蓋。臺階部54將導向盤與圍繞各導向盤的凹形環(huán)狀部55分開。
轉(zhuǎn)子的兩個端面24a和24b均設置有與導向盤53對應但是大于導向盤的圓形凹部56。轉(zhuǎn)子任一端上的圓形凹部56用于容置相鄰端蓋13上相應的導向盤53。由于圓形凹部56的直徑大于導向盤53,因此轉(zhuǎn)子15能夠繞導向盤運動,但因為有導向盤和圓形凹部之間的直徑差的限制,因此位移有限。所述的直徑差由軸50的軸心57與腔室的中心軸線32之間偏移的差確定。該距離又由用于特定應用的空腔的變化容積來確定。由于偏心軸以及轉(zhuǎn)子位移的綜合結(jié)果要確保頂端連續(xù)地掃過腔室的內(nèi)壁,因此圓形盤53的中心位于腔室的中心軸線和軸50的軸心之間的中點處。因此,導向盤53的中心也偏離腔室的中心軸線32,并且還是與轉(zhuǎn)子中心軌跡的原點31相同的點。特別地,導向盤53以及導向盤與凹部相互接合產(chǎn)生的組合導向效應以軌跡原點31為中心,從而允許在導向組件上不施加任何顯著負荷的情況下使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。
由導向裝置與擋塊和槽的裝置組合支配的運動限制產(chǎn)生了轉(zhuǎn)子頂端的精確蚌線路徑,在該路徑中,頂端以密封接觸的方式連續(xù)地掃過(circumspect)內(nèi)腔室壁16。實際上,由組合導向裝置的結(jié)構(gòu)來支配轉(zhuǎn)子繞腔室的自然運動已經(jīng)頂端始終掃過內(nèi)壁所得到的路徑。當然可以理解的是,導向裝置可以僅使用一個導向盤來運行,但是優(yōu)選在每一個端蓋上都設置導向盤,因為這樣提供了平衡且對稱的轉(zhuǎn)子運動。
圖12示出了容置于轉(zhuǎn)子的圓形凹部56內(nèi)的導向盤53。通過鄰接圓形凹部的壁的導向盤臺階部54來限制轉(zhuǎn)子的運動。
圖7至圖11示出了轉(zhuǎn)子的半轉(zhuǎn),其間隔與第一實施例中示出的相同。即,圖8、9、10和11分別示出了從圖7所示的上死點中間位置移位30°、60°、90°以及135°的轉(zhuǎn)子??梢钥吹?,為了獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的期望路徑,擋塊軸50本身安裝成偏離導向盤53的中心以及腔室12的中心軸線32。
圖8至圖11示意性地示出了在腔室12內(nèi)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子15,通過長槽52在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動擋塊51上的往復滑動來驅(qū)動該運動。由導向盤53限制的轉(zhuǎn)子的圓形凹部56進一步限制了該運動。如在第一實施例中所討論的,轉(zhuǎn)子中心(在其中心軸線30處)沿著圍繞原點31的瞬心軌跡33運動。圖8至圖11(也適用于圖2至圖5)中的長軸和短軸的交點代表了轉(zhuǎn)子中心30。當轉(zhuǎn)子在腔室內(nèi)偏心地轉(zhuǎn)動時,轉(zhuǎn)子中心30在圖8至圖11中示出為沿路徑33運動。還可以看到,轉(zhuǎn)子的瞬心軌跡33與導向盤53同心地對齊。
導向盤帶來的優(yōu)點在于,其允許直的擋塊軸(straight block shaft)從一個端蓋13到另一個端蓋延伸穿過整個腔室,并且允許該軸通過僅用作導向裝置的盤來承載所有的轉(zhuǎn)動負荷。這樣消除了所有的轉(zhuǎn)子傾斜,并且減小了機構(gòu)中的振動。由于不需要重載滾柱軸承來調(diào)整由傾斜的轉(zhuǎn)子導致的軸偏差及游隙,所以該機構(gòu)的設計比公知設計更為簡單。較少的部件以及更簡單的設計減小了該機構(gòu)的總體制造成本。
另外,由圓形凹部引導的圓形盤提供了一種轉(zhuǎn)子和腔室之間的磨損系數(shù)(wear factor)徹底最小化的裝置,其原因在于,互相接合的導向盤和凹部之間的接觸負荷沿所述導向盤和凹部均衡分布。也就是說,導向盤53圓周上的所有點是均勻磨損的,并且圓形凹部56的內(nèi)圓周上的所有點也是均勻磨損的。其原因在于,兩個組件具有匹配或者一致的接觸表面,即一個圓在一較大圓中轉(zhuǎn)動。換句話說,導向盤上的所有點都保持與圓形凹部接觸相同的時間,從而將磨損減小到可以忽略不計的程度,且出現(xiàn)的磨損圍繞組件均勻地分布。諸如在具有平行壁的槽中的圓形構(gòu)件等其他不一致的裝置就不是這樣,其中構(gòu)件或者槽上的一些點分別與槽壁或者構(gòu)件接觸不同長度的時間,這最終將在運行期間導致故障。
圖1至圖12的兩個實施例中所示的擋塊和長槽的裝置示出了與擋塊連接的軸,所述擋塊為矩形輪廓且在對應的矩形槽內(nèi)滑動。擋塊的表面和槽的內(nèi)表面為機械加工表面,其具有精密公差(close tolerance)以確保最大程度地并且平穩(wěn)地傳遞來自轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動能。槽的內(nèi)表面可以沿著支承表面設置,用于減少摩擦。
圖13a的轉(zhuǎn)子示出了在初始位置時軸擋塊以及槽的對應支承輪廓。不過,擋塊和支承輪廓并非必須是矩形輪廓,而是可以包括其他匹配的幾何形狀。例如,圖13b和圖13c分別示出了圓柱形活塞軸/支承表面輪廓以及六棱柱形(cylindrical hexagonal)輪廓。在這些實施例中,軸71延伸穿過擋塊72,所述擋塊72在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)對應成形的支承表面73內(nèi)滑動。擋塊/槽的輪廓可以采用提供始終保持恒定均勻的滑動接觸的、與機械加工表面相匹配的支承表面的任何幾何形狀??梢赃x擇轉(zhuǎn)子/槽的輪廓形狀,以更好地適應加工限制和/或該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)在不同應用中的空間限制。
另外,對許多機器而言,該機構(gòu)近似圓形的結(jié)構(gòu)是最佳設計。不過,該機構(gòu)的形狀可以進行修改,只要這種修改更適合特定的機器。在第二實施例中,偏心軸和在對應槽內(nèi)的擋塊以及容置在轉(zhuǎn)子側(cè)面中對應的凹部內(nèi)的、腔室蓋端部處的圓形盤的組合導向影響,實現(xiàn)了由轉(zhuǎn)子和對應的腔室形狀所實現(xiàn)的蚌線形路徑。這些參量中任一個的形狀變化均會導致運動和路徑的形狀變化。轉(zhuǎn)子和殼體輪廓的形狀也可以進行修改以更好地適合特定的功能。
例如,殼體的形狀可以制成為環(huán)形或者蚌線形。當轉(zhuǎn)子頂端掃過腔室的內(nèi)壁時,蚌線形的殼體成形為緊密跟隨轉(zhuǎn)子頂端。這種形狀提供了在任一點處轉(zhuǎn)子頂端和腔室壁之間的最小間隙。圖13d示出了與環(huán)形腔室輪廓78重疊的蚌線形腔室輪廓77。盡管蚌線形輪廓大致為環(huán)形輪廓,但是這兩種輪廓的差別明顯。其他的修改包括改變殼體端蓋的形狀以及轉(zhuǎn)子面的形狀。這些修改可以更好地適應包含該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的機器的功能,并且可以例如改善支承負荷、增加間隙、改變流速、優(yōu)化端口的定時、提供凹形燃燒室(recessedcombustion chamber)等。
與許多公知的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)不同,本機構(gòu)的兩個實施例由于所有的轉(zhuǎn)動負荷都橫越驅(qū)動裝置而被均勻地分布,所以能輕易承受負荷并且實現(xiàn)良好的平衡。為了將振動進一步減少至可以忽略不計的程度,可以使用旋轉(zhuǎn)配重來有效地平衡轉(zhuǎn)子。發(fā)生轉(zhuǎn)子振動的原因在于,轉(zhuǎn)子每一轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)子的質(zhì)心都會轉(zhuǎn)動兩次。為了抵消這種振動,引入了平衡機構(gòu)以與轉(zhuǎn)子的質(zhì)心以相同轉(zhuǎn)速和相同轉(zhuǎn)數(shù)進行轉(zhuǎn)動,即轉(zhuǎn)子和軸每轉(zhuǎn)一圈該平衡機構(gòu)轉(zhuǎn)動兩次。這可以通過使用1∶2的傳動比來實現(xiàn)。
圖14至圖16示出了該平衡裝置,其示出了作為空氣壓縮機操作的直軸轉(zhuǎn)子機構(gòu)10的實施例。在圖14所示的空氣壓縮機中,該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)10由驅(qū)動軸90驅(qū)動,并且被側(cè)蓋91限制。驅(qū)動軸90在主支承件98上轉(zhuǎn)動,并且轉(zhuǎn)子93相對于驅(qū)動軸90在滑動支承件99上滑動。該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的殼體92包圍轉(zhuǎn)子93,并且支撐從殼體92徑向延伸的散熱片94。環(huán)形保持件95設置在轉(zhuǎn)子93的圓形凹部96中,并提供凹形支承(recessed bearing)(環(huán))以及刮油環(huán)。所述油環(huán)與活塞式或者汪克爾旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機中油環(huán)的作用相同,用來控制冷卻油從轉(zhuǎn)子內(nèi)部進入壓縮腔。所述環(huán)形保持件繞所述導向盤轉(zhuǎn)動,以結(jié)合軸/擋塊以及轉(zhuǎn)子槽產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的運動路徑。環(huán)形保持件的轉(zhuǎn)子凹部96圍繞固定的導向盤97轉(zhuǎn)動。
該平衡機構(gòu)包括具有孔67的配重63,該配重63以軸頸支撐的方式安裝在轉(zhuǎn)子軸50上,軸50每轉(zhuǎn)一圈該配重就圍繞軸50轉(zhuǎn)兩圈。圖16示出了該配重63的質(zhì)量源自孔67下方的半圓形結(jié)構(gòu)。
配重63通過螺紋連接到配重齒輪68內(nèi),配重齒輪68同樣被軸頸支撐,并以所述軸兩倍的速度繞軸轉(zhuǎn)動。配重齒輪68分別由較大、較小的兩個小齒輪64a和64b驅(qū)動。較大、較小的兩個小齒輪彼此同軸固定到小齒輪軸65上。較大的小齒輪64a的尺寸是較小的小齒輪64b的兩倍,兩者一起提供使配重與轉(zhuǎn)子質(zhì)心以相同速度轉(zhuǎn)動所需的1∶2的傳動比。較小的小齒輪64b通過驅(qū)動齒輪66驅(qū)動,所述驅(qū)動齒輪66安裝在所述轉(zhuǎn)子軸50上并且與之一起轉(zhuǎn)動。
以這種方式驅(qū)動配重63可使配重和諧地(in unison)轉(zhuǎn)動,并抵消由于轉(zhuǎn)子15的質(zhì)心造成的失衡力。
就該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)用作空氣壓縮機而言,只有振動顯著的大容積式空氣壓縮機才真正需要平衡機構(gòu)。小容量的空氣壓縮機,例如每次循環(huán)都低于300cc的空氣壓縮機的振動通常不會達到顯著的程度。
決定是否使用平衡機構(gòu)還取決于轉(zhuǎn)子的質(zhì)量及其材料。與較重的轉(zhuǎn)子相比,較輕的轉(zhuǎn)子不易產(chǎn)生顯著的振動。
不過,總的來說,與其他類型的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)相比,本旋轉(zhuǎn)機構(gòu)產(chǎn)生的振動較低,很容易就能獲得極好的平衡。這是因為,與例如具有相似容量的氣缸內(nèi)活塞質(zhì)心的運動偏心率(eccentricity)相比,該轉(zhuǎn)子質(zhì)心的運動偏心率極低。
該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的幾何形狀使得其能減小機構(gòu)振動、降低磨損、消除高應力區(qū)域,總的來說,其通常會延長該機構(gòu)的壽命。而且,在直軸實施例的情形下,該機構(gòu)的腔室內(nèi)僅有兩個主要的工作組件,即在擋塊上滑動的槽以及繞固定的導向盤運動的凹部,從而減少了該機構(gòu)的復雜程度。
為了獲得最佳效果,根據(jù)該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的應用,可以通過對該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的動力學進行分析來計算殼體和轉(zhuǎn)子的輪廓幾何形狀。
通過該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的動力學分析,可以推導出用于描述并由此產(chǎn)生轉(zhuǎn)子和殼體幾何形狀的數(shù)學方程。這類數(shù)學方程可以通過產(chǎn)生制造轉(zhuǎn)子和殼體所需坐標(coordinate)的計算機軟件程序來實施。至少利用最大腔室半徑以及第一軸與殼體中心偏移距離的期望值,可以計算出幾何輪廓。轉(zhuǎn)子和殼體之間的期望間隙也可用于幾何計算。
該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的一個特征在于,其產(chǎn)生諧和循環(huán)(harmonic cycle),由此使得處理過程中的充氣容積是軸轉(zhuǎn)角(shaft angle)θ的簡單正弦函數(shù)。從數(shù)學上講,簡單振蕩運動的圖示及相類似的、一點沿一圓移動的圖示相當于一正弦曲線。由該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)產(chǎn)生的膨脹-壓縮循環(huán)的簡單正弦特性簡化了包括本機構(gòu)的機器的設計及分析。諸如處理的容積(volume processed)、傳遞壓力和扭矩這樣的性能特性可以作為軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)進行計算。圖17示出了該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)在其用作空氣壓縮機時,作為軸轉(zhuǎn)角θ°的函數(shù)的容積的正弦函數(shù)?;谠摍C構(gòu),該機構(gòu)的簡單特性及其隨之而來的簡單的諧和特性(harmonicnature)可望很好地反映機器的性能和效率。
除了頂端密封件之外,適當?shù)拿芊饧夹g還應用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的其他部分。在單軸實施例中,圓形凹部56適用于容置圓形的油封,圓形的油封在密封時更為有效,并且比非圓形密封件更容易定位。導向盤的小尺寸以及對應的轉(zhuǎn)子凹部的尺寸使得密封更容易,并且在機構(gòu)被設計為不同應用時具有更大靈活性。當本機構(gòu)用作發(fā)動機時,在其容量內(nèi)還能很容易地使用氣體密封技術。應該理解,在該機構(gòu)的這種應用中,頂端和側(cè)面密封件的密封柵格(grid)與所述端口及閥和諧地工作,以有效地密封燃燒室。
該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)在其用作空氣壓縮機的實施例中,可以安裝簡單廉價的氣體密封件。在頂端處以及轉(zhuǎn)子的側(cè)面使用密封件以產(chǎn)生三維空間的有效的密封柵格,以增加壓縮機的熱力學及工作效率。相比較而言,這種密封程度不能用在螺桿式和葉片式壓縮機上,而所述螺桿式和葉片式壓縮機嚴重依賴于極小間隙以及油溢流(oil flooding)來阻隔充氣。
本轉(zhuǎn)子機構(gòu)使用的有效密封使得即使在從較低到中等的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下也能將空氣壓縮至極高的壓力。除了有效的密封,在上死點處非常接近殼體的轉(zhuǎn)子也輔助產(chǎn)生高壓。這將有利地允許在變速及高壓下獲得變化的容積。大多數(shù)傳統(tǒng)的空氣壓縮機依賴于高轉(zhuǎn)速,以將空氣壓縮到高壓。
當用作發(fā)動器時,轉(zhuǎn)子在腔室內(nèi)的單向運動有效地產(chǎn)生了極高的湍流,這種極高的湍流是燃料-氣體混合物快速均勻燃燒所必需的。這種效果導致廢氣(exhaust gas)的低排放。
另外,使用轉(zhuǎn)子側(cè)面的油封來避免與腔室內(nèi)的油溢流有關的問題,并用于有效地冷卻轉(zhuǎn)子。圖14示出了使油流至軸和擋塊上的滑動部(slides)以及支承件(bearings)的油路69,其用于冷卻空氣壓縮機內(nèi)的機構(gòu)。該空氣壓縮機僅需要標準的油水過濾器,以將油從壓縮空氣中的水/油冷凝物中分離。因此,為了使機構(gòu)順利運行,被用來潤滑并冷卻轉(zhuǎn)子的組件,例如油泵、油分離器、過濾器以及控制器,不需要太復雜。相比之下,制造用于螺桿式和葉片式壓縮機的復雜控制器以及油-氣處理系統(tǒng)的高成本會導致高的制造和銷售成本。
圖18為轉(zhuǎn)子15的頂端81處的彈簧加載的密封件80的放大視圖。密封件80頂?shù)謴椈?4而設置在于轉(zhuǎn)子頂端81處通過機械加工得到的縱向槽82內(nèi),并且由扣式密封件(button seal)83保持在縱向槽82內(nèi)。在圖18示出的實施例中,轉(zhuǎn)子沿順時針方向轉(zhuǎn)動,密封件80與殼體內(nèi)部接觸。這種接觸是始終與殼體接觸而總是不受阻礙(always positive)的接觸;并且在壓縮過程中,氣體G進入槽從而強制頂端密封件從槽的后部向槽的外部偏壓并且與殼體接觸。同時,頂端密封件80也與槽的側(cè)面接觸,以防止流體繞密封件泄漏,并提供有效的密封。這種密封件抵靠殼體的連續(xù)接觸不僅提供了較佳的腔室密封,而且還使得密封件與殼體的磨損最小。在這種裝置中,作用于密封件上的力的大小不會急劇變化。
轉(zhuǎn)子殼體的這種“近似環(huán)形(close to annular)”的設計也利于有效地密封該機構(gòu)。殼體的形狀與轉(zhuǎn)子頂端經(jīng)過的路徑相協(xié)調(diào)(sympathetic),從而使得頂端處的密封件有效地滑動,不會在殼體上產(chǎn)生任何負力(negativeforce)。頂端密封件的正力(positive force)意味著在所有的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下在其整個循環(huán)中該機構(gòu)會遇到可以忽略不計的壓縮空氣損失。相比較而言,汪克爾旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機近似呈數(shù)字“8”狀的殼體在其腰部附近會遇到負力,由此在這點處會損失壓縮空氣。
殼體的圓形或者蚌線形路徑的優(yōu)點在于,其不會遇到其他旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的殼體所遇到的問題,例如“顫動擦痕”。頂端密封件在汪克爾發(fā)動機的殼體腰部處的接觸損失是指,當重新開始接觸時,密封件會生硬地(harshly)沖擊殼體,產(chǎn)生公知為“顫動擦痕”的現(xiàn)象。在本旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中,由于密封件不會喪失與殼體的接觸,所以不會產(chǎn)生上述現(xiàn)象。
在空氣壓縮機中,旋轉(zhuǎn)機構(gòu)不使用吸入閥(suction valve),僅使用吸入端口。吸入端口始終位于轉(zhuǎn)子殼體上。不過,在排放端口中安裝排放閥可使壓縮機更有效地運行。所述排放端口可以設置在轉(zhuǎn)子殼體上或者設置在每一側(cè)蓋上。為了實現(xiàn)最佳性能,不管有沒有閥,仔細選擇排放端口相對于轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子的位置是很重要的。
將吸入端口始終暴露于大氣壓力下會產(chǎn)生高的容積效率,并且轉(zhuǎn)子的正位移(positive displacement)能進一步增大容積效率。在排放端口處具有閥的一個優(yōu)點在于,流體持續(xù)地沿一個方向流動以及通過閥口系統(tǒng)散熱會加大冷卻。
本機構(gòu)的兩個實施例的對稱特性允許該機構(gòu)以最小的振動運行,并且由轉(zhuǎn)子質(zhì)量產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力均勻地分布并且由轉(zhuǎn)子上的所有點連續(xù)承載。換句話說,轉(zhuǎn)子上不存在承載比其他部分更多負荷的特殊部分,否則這些特殊部分將產(chǎn)生集中的結(jié)構(gòu)應力區(qū)域??梢允褂萌缟纤龅呐渲鼗蛘咂渌胶饧夹g來平衡轉(zhuǎn)子并將振動減少至絕對最小值。
該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)可用在許多應用中,包括液壓泵、真空泵、油泵、氣體壓縮機、氣體膨脹機以及發(fā)動機。與公知機構(gòu)相比,結(jié)合輕質(zhì)緊湊的結(jié)構(gòu)所獲得的高壓提供了明顯的優(yōu)勢。
以作為內(nèi)燃機的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中的任一實施例為例,可以看到,在轉(zhuǎn)子基本移向腔室外周的上死點處(如圖1和圖7所示),已經(jīng)提前進行了引入,從而存在待壓縮的燃料/空氣混合物。這種情形可以認為與活塞發(fā)動機中活塞向著壓縮沖程上死點的運動相類似。
在此位置,轉(zhuǎn)子外周的一部分可以輕易地提供一個腔,在該位置處,該腔可以有效地設置在火花塞或者其他點火裝置的下方。并且,在該位置處,或者可由轉(zhuǎn)子自身覆蓋進入腔室的封閉空腔的端口,或者可以關閉與所述端口相連接的閥。
點火之后,開始動力沖程及排氣沖程,并且使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。由于空腔內(nèi)的燃燒致使轉(zhuǎn)子運動,所以鄰近內(nèi)腔室壁的轉(zhuǎn)子凸葉趨向于遠離所述壁運動。此時,排放端口打開,空腔內(nèi)的氣體和未燃燒燃料的壓力使得廢氣能有效地從空腔通過排放端口排出。
如果能結(jié)合單獨的增壓器,優(yōu)選結(jié)合旋轉(zhuǎn)式增壓器,則將該機構(gòu)用作雙沖程發(fā)動機會更為有效。在這樣的裝置中,入口處于壓力下,從而只要設置適當?shù)亩丝诩伴y系統(tǒng),不需要吸入沖程就可以向腔室內(nèi)充氣,引入這種增壓器還能輔助將廢氣完全排出(extraction)。在這種裝置中,轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈就有兩個沖程動力的兩個脈動。
因此,可以看到在這種雙沖程情形下,與活塞發(fā)動機相比,該發(fā)動機因為動力沖程的頻率而具有高效率。
同樣可以理解的是,槽和環(huán)形凹部使得轉(zhuǎn)子實際上是中空的,并且由于通過槽或者通過孔(例如鄰近槽的孔)可以從轉(zhuǎn)子的內(nèi)部接近端蓋,因此易于使油流入轉(zhuǎn)子中心來簡單地潤滑并冷卻本發(fā)明的發(fā)動機??蛇x地,所述軸中的一個可以制成為是中空的,從而使轉(zhuǎn)子部分地或者完全地充滿油,并且油通過一個或者兩個槽或孔返回,因此,轉(zhuǎn)子和油之間具有良好的傳熱。導向盤和腔室端蓋自身也可以設置例如鄰近支承件的、用于排油的通路。然后油可以到達貯油槽(sump)或者類似部件。還可以優(yōu)選設置散熱片以對位于貯油槽的入口或者出口的油進行冷卻。可以從貯油槽抽吸油,以用于再循環(huán)。當油沿轉(zhuǎn)子的端面流動時,其還提供了密封件的潤滑。
為了實現(xiàn)密封件的有效潤滑,可以使用傳統(tǒng)的方法,這些方法包括使用油/燃料混合物將油導入燃燒室或者將油直接導入腔室的損失可控的油噴射方法(controlled loss oil injection method)。
機構(gòu)的幾何形狀使得其具有大的表面積,這確保了有效的散熱和改善的冷卻性能。當考慮該機構(gòu)的整體效率時,尤其是當實施為具有散熱片的空氣壓縮機而暴露于空氣時,這一點尤為有利。
盡管已經(jīng)論述了旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機的運行組件,雖然并未深入探討特殊的機械結(jié)構(gòu)和操作,但是應該理解,同樣的裝置也同樣適用于容積式泵。由于轉(zhuǎn)子的頂端經(jīng)過入口端口的位置處,在該位置處轉(zhuǎn)子和腔室之間的容積增大,因此該端口處的流體會被引入腔室中。隨著進一步的轉(zhuǎn)動,當轉(zhuǎn)子的凸葉移動接近腔室的內(nèi)壁時,流體承受壓力,并且能夠在壓力下從適當位置的出口端口排出。同樣地,當用作泵運行時,轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈會產(chǎn)生兩個流體脈動,因此作為泵時其具有高級別的效率。
應該理解并且如之前簡要提及的,根據(jù)該機構(gòu)是用作旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機還是用作泵以及具體的條件和待被操作的流體,端口和閥的具體位置(如果有閥的話甚至是閥的類型)可以有很大變化。
另外,如果該機構(gòu)被用作旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機,則根據(jù)該發(fā)動機的設計轉(zhuǎn)速,端口的位置將被設計為,在需要的運行速度下提供最有效的導入和排出。
該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)可以通過幾乎任意一種適當?shù)牟牧享樌夭僮?。其不需要制造殼體的復雜過程以及任何精加工(finishings)。該機構(gòu)可以簡單地由例如鑄鐵的材料制造。在考慮重量的場合更希望是輕質(zhì)材料以及復合材料。
控制和維護該機構(gòu)不需要復雜的電子控制。對于壓縮機而言,許多公知的機器使用監(jiān)視及運行控制裝置來控制熱量、濕氣、氣/油污染、發(fā)動機及“空氣”速度、振動、供油、濕度等。在最簡單的形式中,實施為空氣壓縮機的本機構(gòu)實際上不需要這些控制,不需要在特定負荷的條件下切斷電源的標準空氣/壓力開關。在具有較高容量的較大壓縮機中可以考慮輔助控制器,不過任何這些控制器都將是標準的并且容易獲得。
盡管在該說明書中,該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)及其操作已經(jīng)以其最簡單的概念進行了說明,但是應該理解,在實際的機構(gòu)中可以有各種變化,其對于本領域的技術人員而言是很清楚的。
另外,在此并未描述當該機構(gòu)用作旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機時所使用的燃料系統(tǒng)形式,但是其對于本領域的技術人員而言是顯而易見的。例如,燃料源根據(jù)需要可以是汽化器或者燃料噴射系統(tǒng)。
上面已經(jīng)對該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的某些應用進行了描述。下面將描述這些實例以及其他實例的其他細節(jié)。
該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)可用作空氣發(fā)動機(air motor),其中,可以使用壓縮空氣來運行作為發(fā)動機的該機構(gòu)。實際上,所有類型的流體膨脹機均可以使用該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。這些膨脹機包括蒸汽或者有機流體的蘭金循環(huán)電動機、斯特林發(fā)動機、液態(tài)制冷劑膨脹閥、空氣循環(huán)冷卻器、氣動起動器、天然氣膨脹機、重金屬污染清洗系統(tǒng)等。
該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的概念從微小級別到大型級別都是有用的。在微小級別,本旋轉(zhuǎn)機構(gòu)展現(xiàn)了用于微機械的良好特性。例如,可以將相同的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)概念用于微型發(fā)動機以及標準的大型(full size)發(fā)動機。其簡單的、平面的幾何形狀以及較少的部件(沒有齒輪機構(gòu))意味著在微小級別上該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的制造相對簡單,并可以以最少的維護來運行。甚至在微小級別上轉(zhuǎn)子密封也是有效的,因為轉(zhuǎn)子尖端的密封始終無阻礙地(positive)抵靠殼體。有效的密封對于高性能是很重要的。當用作微型發(fā)動機時,甚至在微小級別上也能很容易地獲得高壓縮比,并產(chǎn)生有效的壓縮點火燃燒。
該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)可利用包括氫和乙醇等眾多形式的燃料來運行。作為發(fā)動機,該機構(gòu)可以以極低速度和極高速度運行。
在大型級別上,該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)可以設計成內(nèi)燃機或者其他的流體膨脹發(fā)動機,所述發(fā)動機同時還能作為發(fā)電機運行。通過在轉(zhuǎn)子內(nèi)設置適當?shù)拇朋w并在殼體內(nèi)設置線圈,可以將發(fā)電機結(jié)合到發(fā)動機內(nèi)。
具有高壓縮潛力的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)開辟了以天然氣或者氫作為燃料的可能性。該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)很有潛力用作氫發(fā)動機,因為其沒有熱點并且具有良好的冷卻。
該機構(gòu)的冷卻特性可以歸因于其較大的表面/容積比;每一次充氣都是繞殼體腔室的整個周邊正向移位(positively displaced);進氣口遠離排出閥,并且持續(xù)打開從而保持冷卻;壓縮空氣通過排放端口的閥被快速排放至氣罐(tank),以防止熱的壓縮空氣泄漏或者回流進入壓縮機;在軸的內(nèi)部設置有油路,用于進一步冷卻;并且與渦輪式及螺桿式壓縮機不同,該機構(gòu)不會攪動或者截斷空氣,否則會產(chǎn)生動能并加熱空氣。
該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)在用作汽車增壓器時具有更大的優(yōu)點。
對于本發(fā)明所屬領域的技術人員而言,可以理解的是,在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以作出多種修改。
在本發(fā)明的權利要求書及說明書中,除非由于語言表達或者必要的暗示導致的內(nèi)容需要,否則詞語“包括”或者其變形均為包含的意思,即,只是具體指出所述特征的存在,但是不排除本發(fā)明各實施例中其他特征的存在或者附加。
權利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)機構(gòu),包括殼體,所述殼體限定了具有內(nèi)壁的大致呈環(huán)形的封閉腔室;雙凸葉對稱轉(zhuǎn)子,所述轉(zhuǎn)子具有相對的側(cè)面以及位于所述轉(zhuǎn)子的頂端之間的縱向軸線;驅(qū)動軸,所述驅(qū)動軸支撐所述轉(zhuǎn)子以使所述轉(zhuǎn)子以下述方式在所述腔室內(nèi)偏心地轉(zhuǎn)動所述頂端連續(xù)地掃過所述內(nèi)壁,從而在各凸葉和所述內(nèi)壁之間產(chǎn)生容積相繼增大和減小的空腔;以及間隔開的入口端口和排放端口,用于將流體供入所述空腔并從所述空腔排出;其中,所述轉(zhuǎn)子通過擋塊和槽的往復裝置以及第二支撐裝置支撐,以在所述驅(qū)動軸上偏心地轉(zhuǎn)動,從而使所述轉(zhuǎn)子的中心沿所述腔室內(nèi)的圓形軌跡運動。
2.如權利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述第二支撐裝置是輔助引導所述轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動時的路徑的導向裝置。
3.如權利要求2所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述導向裝置位于所述腔室的端壁上,并且與所述轉(zhuǎn)子的側(cè)面接合。
4.如權利要求3所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述導向裝置是位于所述腔室至少一端處的圓形盤,并且所述圓形盤容置在所述轉(zhuǎn)子側(cè)面中的、對應但較大的圓形凹部中。
5.如權利要求4所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,在所述轉(zhuǎn)子側(cè)面中的所述圓形凹部的原點位于所述轉(zhuǎn)子的中心。
6.如權利要求5所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述導向盤的中心偏離所述腔室的中心軸線。
7.如權利要求6所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述導向盤的中心位于所述腔室的中心軸線與所述驅(qū)動軸的軸心之間的中間位置。
8.如權利要求4所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設置有兩個導向盤,所述腔室的每一端各有一個導向盤;并且,所述導向盤能容置在位于所述轉(zhuǎn)子的每一側(cè)面中的、對應的圓形凹部內(nèi)。
9.如權利要求4所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述殼體和轉(zhuǎn)子的幾何輪廓可以由所述腔室的直徑以及所述軸與所述腔室的中心的偏離距離來計算。
10.如權利要求1至9中任一項所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述軸為延伸穿過所述轉(zhuǎn)子和所述腔室的單軸,并且在所述軸上支撐所述擋塊和槽裝置中的擋塊。
11.如權利要求1至10中任一項所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,長槽沿所述轉(zhuǎn)子的縱向軸線定位。
12.如權利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述第二支撐裝置為安裝在第二驅(qū)動軸上的第二擋塊和槽往復裝置。
13.如權利要求12所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述第二擋塊和槽裝置垂直于所述第一擋塊和槽裝置安裝,且所述第一擋塊和槽裝置沿所述轉(zhuǎn)子的縱向軸線定位。
14.如權利要求12所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述第一和第二驅(qū)動軸從所述殼體的相對端延伸到所述腔室內(nèi),并且彼此軸向偏離地排列。
15.如權利要求14所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,一個軸的軸心與所述腔室的中心軸線對齊。
16.如前述權利要求中任一項所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述轉(zhuǎn)子的中心沿圓形軌跡移動,由此所述軌跡的中心與所述腔室的中心貫通軸線和所述第一驅(qū)動軸的軸心之間的中間位置偏離。
17.一種旋轉(zhuǎn)機構(gòu),包括殼體,所述殼體限定了具有內(nèi)壁的大致呈環(huán)形的封閉腔室;雙凸葉對稱轉(zhuǎn)子,所述轉(zhuǎn)子具有位于所述轉(zhuǎn)子的頂端之間的縱向中心軸線;所述轉(zhuǎn)子以下述方式設置在所述腔室內(nèi)以在所述腔室內(nèi)偏心地轉(zhuǎn)動所述頂端連續(xù)地掃過所述內(nèi)壁,從而在各凸葉和所述內(nèi)壁之間產(chǎn)生容積相繼增大和減小的空腔;其中,所述轉(zhuǎn)子安裝在延伸穿過所述腔室至少一端的軸上,所述軸支撐第一導向裝置,所述第一導向裝置由安裝成相對于所述轉(zhuǎn)子上的長槽進行往復運動的擋塊來限定,由此,所述擋塊和軸允許所述轉(zhuǎn)子偏心地轉(zhuǎn)動;間隔開的入口端口和排放端口,用于將流體供入所述空腔并從所述空腔排出;以及第二導向裝置,所述第二導向裝置與所述第一導向裝置相互作用,以便引導所述轉(zhuǎn)子并確保所述頂端在運行期間與所述內(nèi)壁連續(xù)地密封接觸,使得所述轉(zhuǎn)子的中心沿著所述腔室內(nèi)的圓形軌跡運動,其中,所述第二導向裝置的中心偏離所述腔室的中心軸線。
18.如權利要求17所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述第二導向裝置是構(gòu)造成具有匹配的接觸表面的組件,從而使接觸負荷沿著相互接合的導向組件均勻分布。
19.如權利要求18所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述第二導向組件包括圓形的導向盤,所述導向盤安裝在所述環(huán)形腔室的至少一端;以及對應的圓形凹部,其位于所述轉(zhuǎn)子的一側(cè)上,以容置所述導向盤;其中,所述凹部具有位于所述轉(zhuǎn)子的中心的原點,并且比所述導向盤大,以允許所述轉(zhuǎn)子在所述導向盤上進行有限運動。
20.如權利要求19所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述導向盤的中心偏離所述腔室的中心軸線。
21.如權利要求20所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述導向盤的中心位于所述腔室的中心軸線與所述軸的軸心之間的中間位置。
22.如權利要求19所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設置有兩個導向盤,所述腔室的每一端各有一個導向盤;并且,所述導向盤能容置在位于所述轉(zhuǎn)子的每一側(cè)面中的、對應的圓形凹部內(nèi)。
23.如權利要求17所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述軸為單軸,其延伸穿過所述轉(zhuǎn)子并且其上支撐有擋塊。
24.如權利要求17所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述長槽沿所述轉(zhuǎn)子的縱向軸線定位。
25.一種旋轉(zhuǎn)機構(gòu),包括殼體,所述殼體限定了具有內(nèi)壁的大致呈環(huán)形的封閉腔室;雙凸葉對稱轉(zhuǎn)子,所述轉(zhuǎn)子具有位于所述轉(zhuǎn)子的頂端之間的縱向中心軸線;所述轉(zhuǎn)子以下述方式設置在所述腔室內(nèi)以在所述腔室內(nèi)偏心地轉(zhuǎn)動所述頂端連續(xù)地掃過所述內(nèi)壁,從而在各凸葉和所述內(nèi)壁之間產(chǎn)生容積相繼增大和減小的空腔;其中,所述轉(zhuǎn)子安裝在分軸系統(tǒng)上,所述分軸系統(tǒng)包括延伸穿過所述腔室一端的第一軸以及延伸穿過所述腔室另一端的第二軸,所述第一軸支撐第一擋塊,所述第一擋塊安裝成相對于沿所述轉(zhuǎn)子的縱向軸線定位的第一長槽進行往復運動;所述第二軸支撐第二擋塊,所述第二擋塊安裝成相對于垂直所述第一長槽定位的第二長槽進行往復運動;其中,所述擋塊和軸允許所述轉(zhuǎn)子偏心地轉(zhuǎn)動,以使所述轉(zhuǎn)子的中心沿所述腔室內(nèi)的圓形軌跡運動,且所述轉(zhuǎn)子的負荷由各擋塊和軸依次承載;以及間隔開的入口端口和排放端口,用于將流體供入所述空腔并從所述空腔排出。
26.如權利要求25所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述第一軸和第二軸彼此軸向偏離地排列。
27.如權利要求26所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,一個軸的軸心與所述腔室的中心軸線對齊。
28.如權利要求25所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述轉(zhuǎn)子的圓形軌跡的中心偏離所述腔室的中心軸線。
29.如權利要求28所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述軌跡的中心位于所述中心軸線和與所述中心軸線不對齊的軸的軸心之間的中間位置。
30.如前述權利要求中任一項所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述轉(zhuǎn)子頂端設置有正位移密封件,所述密封件位于與所述內(nèi)壁連續(xù)接觸的所述轉(zhuǎn)子頂端處的槽內(nèi)。
31.如權利要求30所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述密封件為彈簧偏置的密封件。
32.如權利要求30所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,允許所述空腔內(nèi)的流體進入所述槽內(nèi),并迫使所述密封件抵靠所述內(nèi)壁。
33.一種包含如前述權利要求中任一項所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的機器,其中,所述機器傳輸、膨脹或壓縮流體、或者使流體內(nèi)燃。
34.如前述權利要求中任一項所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述轉(zhuǎn)子的輪廓和/或所述腔室的輪廓能進行修改,以適應特定的機械參量。
35.如權利要求19所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述導向盤和/或圓形凹部的形狀能進行修改,以適應特定的機械參量。
36.如權利要求34或35所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述參量為間隙的增大、流速的變化或者凹形燃燒室。
37.如前述權利要求中任一項所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu),其中,所述腔室的輪廓為圓形或者蚌線形。
38.一種包含如前述權利要求中任一項所述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)以及用于平衡所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中的轉(zhuǎn)子運動的平衡機構(gòu)的機器。
39.如權利要求37所述的機器,其中,所述轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈所述平衡機構(gòu)就轉(zhuǎn)動兩圈。
全文摘要
一種旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(10),其具有由殼體(11)的內(nèi)壁(16)限定的環(huán)形腔(12)。對稱的雙凸葉轉(zhuǎn)子(15)具有相對的側(cè)面(21a、21b)以及位于頂端(22)之間的縱向軸線。驅(qū)動軸(50)通過擋塊(51)和槽(52)的往復裝置以及第二支撐裝置(53)偏心地轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的中心沿著腔室(12)內(nèi)的圓形軌道運動。頂端(22)連續(xù)地掃過內(nèi)壁(16),借助相關的流體入口端口和排放端口(31、35)產(chǎn)生容積相繼增大和減小的空腔(25)。
文檔編號F01C1/22GK1842636SQ200480024656
公開日2006年10月4日 申請日期2004年8月27日 優(yōu)先權日2003年8月27日
發(fā)明者揚尼斯·特拉帕利斯 申請人:Kcr技術有限公司