專利名稱:雙圓式氣動(dòng)機(jī)的制作方法
本適用新型是一種以具有一定壓力的氣體(含蒸汽在內(nèi)，以下通用氣書寫)為推動(dòng)力的連續(xù)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力機(jī)械。
現(xiàn)有的以氣體的壓力做為動(dòng)力的機(jī)械主要有活塞式蒸汽機(jī)、葉片式蒸汽輪機(jī)和其他葉片式氣動(dòng)機(jī)。(即以壓縮空氣為動(dòng)力的機(jī)械)前兩種機(jī)械一般用于獲得大功率輸出的機(jī)械，如蒸汽機(jī)車、火力發(fā)電和其他蒸汽動(dòng)力機(jī)械，后一種一般用于小型高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械方面?；钊秸羝麢C(jī)為人類的進(jìn)步作出了劃時(shí)代的偉大貢獻(xiàn)，然而它美中不足的是存在有活塞往返時(shí)的慣性損耗；連桿與活塞運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角損耗；上下兩止點(diǎn)間的曲軸旋轉(zhuǎn)角度損耗等。葉片式氣輪機(jī)后來居上，得到了廣泛的應(yīng)用，但它的缺點(diǎn)是有間隙洩漏氣流損耗；有反射氣流損耗；有側(cè)壓損耗和排氣壓力損耗等。以上兩種機(jī)械的這些損耗，目前還沒有克服的有效辦法。
本適用新型的目的是提供一種具有活塞式機(jī)械的較好的密封性能，又具有葉片式氣輪機(jī)械的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的特點(diǎn)的新型動(dòng)力機(jī)械，以節(jié)省能源。
本適用新型是以如下的方式實(shí)現(xiàn)的在一個(gè)圓形的金屬圓盤上，設(shè)置有一個(gè)圓環(huán)形溝槽，將一個(gè)兩邊帶有突起臺(tái)階的圓環(huán)，鑲?cè)雸A盤的溝槽之內(nèi)，形成一個(gè)如圓形鐵桶狀。在圓環(huán)內(nèi)，安裝一個(gè)直徑小于圓環(huán)直徑的轉(zhuǎn)輪，該轉(zhuǎn)輪的軸心與圓環(huán)的圓心，采用“不同心”的位置組裝。使轉(zhuǎn)輪與圓環(huán)形成一邊較寬、像“月牙”形狀的汽道；另一邊則間隙很小、又不能相互摩擦的密封之處。在轉(zhuǎn)輪上設(shè)有滑塊。此滑塊在彈簧和旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力的作用下，始終觸及“月牙”形汽道圓環(huán)的內(nèi)壁上?；瑝K的作用是直接承受氣壓，帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)輪上，安裝有密封環(huán)、密封塊等，其功用是阻止有用氣體洩漏。最后，還要有一個(gè)與前面提到的相同的圓盤，蓋在轉(zhuǎn)輪、圓環(huán)等組合體的上面，與轉(zhuǎn)輪保持應(yīng)有的小間隙，對準(zhǔn)圓環(huán)上的凸起臺(tái)階、蓋好、固定，把轉(zhuǎn)輪密封在其中，這就是雙圓式氣動(dòng)機(jī)的汽道裝置。歸納起來就是兩個(gè)圓盤，中間夾固著一個(gè)圓環(huán)，內(nèi)中安裝一個(gè)轉(zhuǎn)輪總成，轉(zhuǎn)輪軸裝配在兩個(gè)圓盤的軸孔上。這就是一臺(tái)單汽道的雙圓氣動(dòng)機(jī)、類似一臺(tái)單缸活塞機(jī)。如果有三個(gè)圓盤，中間夾固著兩個(gè)圓環(huán)，內(nèi)中安有兩個(gè)轉(zhuǎn)輪，這就是一臺(tái)兩汽道的雙圓氣動(dòng)機(jī)。以此類推，雙圓式氣動(dòng)機(jī)可以有多個(gè)汽道組成。為了抵消由于“不同心”的安裝引起的振動(dòng)，如果是兩個(gè)或者兩個(gè)以上汽道的雙圓機(jī)，就要將兩個(gè)汽道的最寬處錯(cuò)開，形成180°的“相位”差；如若采用三個(gè)汽道的雙圓機(jī)，則其汽道的安裝“相位”差應(yīng)是120°。另外，由于汽道的厚度不同，滑塊的重量也不同，所以既要考慮角度配合，又要考慮重量的匹配，以達(dá)到抵消振動(dòng)，平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。
雙圓式氣動(dòng)機(jī)與現(xiàn)有的活塞式蒸汽機(jī)和蒸汽輪機(jī)相比，有制造簡單、節(jié)省能源的可取之處。下面通過圖6，首先與活塞式蒸汽機(jī)加以對比。
圖6(一)是活塞機(jī)曲軸從0°開始運(yùn)轉(zhuǎn)圖。圖6(二)是與(一)相對應(yīng)的曲線。圖6(二)的橫座標(biāo)是活塞機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)的角速度，用(ω)表示?？v座標(biāo)是蒸汽壓力，用(P)表示。線(1)表示一恒定汽壓的蒸汽輸給活塞機(jī)，也就是作用在活塞頂部的壓力。虛線(2)，是當(dāng)活塞受到來自(1)的汽壓后，垂直向下移動(dòng)，而連桿的另一端則隨曲軸做圓周運(yùn)動(dòng)，所以連桿傾斜于活塞移動(dòng)方向，形成連桿夾角，這樣連桿傳給曲軸的力就有了損耗。分析表明，這一夾角損耗是以余弦的方式出現(xiàn)的，并附在線(1)的下方，我們稱它為“余弦”損耗。這一損耗的大小，決定于曲柄長度和連桿長度。反映在圖形上則是線(2)占去了線(1)以下的一些面積。曲線(3)是曲軸實(shí)際接收到連桿傳來的壓力后，在旋轉(zhuǎn)過程中所能輸出的扭力曲線。圖6(一)與圖6(二)兩圖是對應(yīng)著的，不難看出，圖6(二)是一個(gè)正弦曲線，所以我們也可稱曲軸的這一損耗為正弦損耗。這個(gè)正弦損耗是較大的，占去了線(1)以下，從0°～180°之間的兩個(gè)近似三角形的面積，實(shí)際有效功率是正弦形所含面積，此正弦所含面積占(1)線以下，從0°～180°方形面積內(nèi)的0.635倍。(即 (π)/2 )如果再減去連桿的余弦損耗，曲軸輸出的有效扭力也只有活塞受力的0.6倍左右了。因此可以認(rèn)為一切由移動(dòng)變成轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械，都存在著“正弦”損耗和“余弦”損耗。以上的分析還沒包括活塞往返時(shí)(含連桿往返時(shí))的慣性損耗?？偟膩碚f，活塞機(jī)的效率不算是高的。
圖6(三)是雙圓機(jī)的工作曲線圖。橫座標(biāo)是雙圓機(jī)旋轉(zhuǎn)的角速度，在此令它與圖6(二)的角速度相等，用(ω)表示?？v座標(biāo)是氣壓，用(P)表示。線(1)與圖6(二)的線(1)相同，均為相等的一恒定汽壓作用在活塞機(jī)和雙圓機(jī)的工作部件上。線(4)是雙圓機(jī)的工作部件(即滑塊)受到來自線(1)的壓力曲線；也是轉(zhuǎn)輪半徑受到線(1)的壓力形成力矩的曲線；也是雙圓機(jī)軸實(shí)際輸出的扭力曲線。從氣壓輸進(jìn)來，到轉(zhuǎn)輪軸輸出扭力，中間沒有其他轉(zhuǎn)換損耗，(摩擦力除外)而是直接形成輸出扭力的。另外，活塞機(jī)的工作行程最大也只能在曲軸轉(zhuǎn)角的180°以內(nèi)，而雙圓機(jī)可以超過180°，它的工作行程可達(dá)到270°～280°的旋轉(zhuǎn)角度，工作行程延長了許多。在設(shè)計(jì)過程中，只要將它的排汽孔設(shè)在距離進(jìn)汽孔270°～280°左右的弧度處即可。當(dāng)滑塊運(yùn)行到排汽孔時(shí)，線(4)突然下降，表示廢汽排除。在對活塞機(jī)和雙圓機(jī)都不考慮摩擦力的情況下，從圖6中可以看出雙圓機(jī)比活塞機(jī)的效率是高的，至少，也高出1倍以上。所以說雙圓機(jī)是節(jié)省能源的。
其次，再將雙圓式氣動(dòng)機(jī)與蒸汽輪機(jī)簡單加以比較。
蒸汽輪機(jī)的第一個(gè)問題就是漏汽損耗。轉(zhuǎn)子葉片的頂端同渦輪機(jī)圓筒(機(jī)匣)的內(nèi)壁之間存在著間隙(3)，這就導(dǎo)致一部分汽流由此流到葉片背后。另外，轉(zhuǎn)子葉片間也存在有一定的漏汽汽流。第二就是反射汽流。當(dāng)高壓蒸汽以與渦輪軸相平行的方向吹向葉片時(shí)，由于葉片的面積和角度不同，所以就產(chǎn)生了不盡相同的反射汽流，這些反射汽流相互作用、“入射”汽流與反射汽流在葉面上的相互作用等，損耗了一部分汽體的動(dòng)能。第三就是汽流與渦輪旋轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)換損失。蒸汽流吹向渦輪的方向，并不是渦輪旋轉(zhuǎn)的方向而是成90°。當(dāng)蒸汽流(或入射汽流)作用在大約成45°角的葉片上時(shí)，使葉片上面承受著兩個(gè)主要的力一個(gè)是對渦輪產(chǎn)生“側(cè)壓”的軸向力；另一個(gè)是反射汽流的“反作用力”，促進(jìn)渦輪旋轉(zhuǎn)的是后一種“反作用力”?！皞?cè)壓”力消耗在對渦輪的軸向損失上。因?yàn)榉瓷淦鞯姆瓷浞较虿槐M相同，所以它所形成的反作用力，也不是全都能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)力的。第四就是排汽損失。渦輪式蒸汽輪機(jī)，排出的汽流較大，排出的汽溫也較高，靜壓也較大。
雙圓式氣動(dòng)機(jī)由于密封性能較好，能將氣體壓力直接轉(zhuǎn)換成所需要的扭力，中間環(huán)節(jié)損耗很小，所以它較蒸汽輪機(jī)效率高。
雙圓式氣動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速將是低于汽輪機(jī)、高于活塞機(jī)的。
以下結(jié)合附圖，對本適用新型的結(jié)構(gòu)、作用等作進(jìn)一步描述。
圖1是雙圓式氣動(dòng)機(jī)(無上蓋圓盤)的俯視略圖。
圖2、3是雙圓式氣動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)輪、密封環(huán)、密封塊的視圖。
圖4是雙圓式氣動(dòng)機(jī)滑塊總成圖。
圖5是雙圓式氣動(dòng)機(jī)多個(gè)汽道組合示意圖。
圖6是雙圓式氣動(dòng)機(jī)與活塞式蒸汽機(jī)耗能對比圖。
首先參照圖1，說明雙圓式氣動(dòng)機(jī)的工作原理和各部件的構(gòu)成及作用。
由蒸汽鍋爐或具有一定壓力的空氣容器中送來的氣體(2)，經(jīng)過進(jìn)氣管(1)和圓環(huán)(4)上的進(jìn)氣孔(3)，而進(jìn)入“月牙”形汽道(10)中，并作用在滑塊(7)上。汽道(10)是由圓環(huán)(4)和轉(zhuǎn)輪(5)，因采用“不同圓心”的裝配所形成這就是轉(zhuǎn)輪(5)的直徑小于圓環(huán)(4)的直徑，在確保一個(gè)方向上(即圖1的上方)間隙最小、且又不互相摩擦的前提下，則在另一個(gè)方向上(即圖1的下方)就形成了如“月牙”形的空間，在轉(zhuǎn)輪(5)與圓環(huán)(4)的兩側(cè)面，再加蓋上如同鍋蓋似的圓形端蓋，這樣 就形成了“月牙”形空間汽道(10)了。(6)是轉(zhuǎn)輪上的密封塊，它安裝在轉(zhuǎn)輪的鍵槽圖2的(24)之中，中間裝有彈簧片圖2的(27)，使密封塊靠近滑塊(7)的側(cè)面，其作用是對汽道內(nèi)氣體起密封作用?；瑝K(7)是安裝在轉(zhuǎn)輪上的，它在彈簧(9)和離心力作用下，其頂部始終觸及圓環(huán)(4)的內(nèi)壁上。滑塊(7)的兩側(cè)，也同樣有密封付滑塊圖4的(70)密封汽道。當(dāng)滑塊(7)受到外來氣壓(2)以后，向下移動(dòng)，同時(shí)就帶動(dòng)著轉(zhuǎn)輪做順時(shí)針方向(圖1中F方向)旋轉(zhuǎn)，滑塊(7)則又在橢圓形“軌道”內(nèi)滑行并申縮著。滾珠(8)是保證滑塊(7)申縮自如、減少摩擦力的裝置。(20)是裝在轉(zhuǎn)輪上的密封環(huán)，在轉(zhuǎn)輪的兩個(gè)側(cè)面，共有4個(gè)，也是起密封汽道的作用的。密封閥(15)安裝在圓環(huán)(4)上，它的作用是密封轉(zhuǎn)輪(5)同圓環(huán)(4)之間的間隙的，使進(jìn)氣道與排汽道互不相通。特別是在密封閥(15)的尾部下方，有一個(gè)成90°的臺(tái)階(18)，它是抵抗強(qiáng)大進(jìn)氣壓力的，使進(jìn)氣道的高壓氣體，不能頂起成90°臺(tái)階的閥而“短路”流到排汽一側(cè)去。(16)是小彈簧，它彈擠著密封閥(15)，使其與轉(zhuǎn)輪(5)的邊緣相接觸。(17)是安密封閥(15)的鍵槽。
雙圓式氣動(dòng)機(jī)工作過程就是高壓氣體(2)經(jīng)過進(jìn)氣孔(3)而進(jìn)入汽道(10)，對汽道內(nèi)各處和滑塊(7)的表面，都產(chǎn)生相等的壓力，作用在滑塊(7)上的力便直接產(chǎn)生力矩，此力矩的大小，等于滑塊(7)表面積(S)，乘以滑塊(7)到轉(zhuǎn)輪(5)的軸心點(diǎn)(O)的距離(H)，再乘以作用在滑塊(7)表面上的壓力(P)，即M＝P·S·H從圖1中可以看出，輸進(jìn)來的氣壓(2)有多大，作用在滑塊(7)上的氣壓就有多大，而這個(gè)氣體壓力，由滑塊(7)的長短，加上轉(zhuǎn)輪(5)的半徑，就形成雙圓機(jī)的力矩，此力矩也就是本機(jī)的輸出扭力。(14)是加強(qiáng)、固定圓環(huán)(4)的瓦片。(11)和(13)是排汽孔與排汽管。
雙圓式氣動(dòng)機(jī)弧形“軌道”的行程，從進(jìn)氣孔到排汽孔超過180°，最大可達(dá)280°左右，滑塊(7)的行程長、效率高。汽道弧度的“長短”，取決于排汽孔位置的設(shè)置。
圖2、3是轉(zhuǎn)輪及其密封部件圖。
密封環(huán)(20)應(yīng)安裝在轉(zhuǎn)輪環(huán)槽(22)之中。密封環(huán)銷釘(21)套上小彈簧(26)，并對準(zhǔn)環(huán)槽內(nèi)的銷釘孔(25)方可安裝密封環(huán)(20)。轉(zhuǎn)輪每一面放兩個(gè)密封環(huán)，一個(gè)轉(zhuǎn)輪上共放四個(gè)。密封環(huán)(20)在小彈簧(26)的作用下，輕微接觸到兩個(gè)端蓋(圖4)的內(nèi)側(cè)，起密封作用。(23)是安裝滑塊總成的轉(zhuǎn)輪缺口。(24)是轉(zhuǎn)輪上的鍵槽，是放密封塊(6)的地方，其間放進(jìn)彈片(27)，在彈片(27)作用下，密封塊(6)接觸滑塊(7)的側(cè)面，在滑塊申縮時(shí)，它與滑塊產(chǎn)生接觸摩擦，使汽道內(nèi)汽體不洩漏。每個(gè)轉(zhuǎn)輪上安裝滑塊的數(shù)量視需要而定。轉(zhuǎn)輪的厚度是決定雙圓機(jī)馬力大小的因素之一。離心錘(28)是抵消滑塊(7)對圓環(huán)(4)內(nèi)壁上的壓力。
圖4是滑塊組合(或稱滑塊總成)圖。
滑塊組合主要是由滑塊盒和滑塊兩部分組成。組合情況是將滑塊(7)上的起著密封作用的付滑塊(70)，放入滑塊槽內(nèi)，使定位銷(71)套上小彈簧(72)，插入滑塊的定位孔(73)之中，這樣上下兩個(gè)付滑塊(70)在小彈簧的張力下，向外微張，同時(shí)觸及到上、下兩個(gè)端蓋之中的內(nèi)部平面。付滑塊(70)一方面隨同滑塊(7)轉(zhuǎn)動(dòng)和申縮，另一方面密封汽道。另外再將滾珠組合(8)放到滑塊滾珠槽(67)內(nèi)，將滑塊(7)連同滾珠組合(8)一起，放進(jìn)滑塊盒(63)內(nèi)，并使?jié)L珠組合(8)對準(zhǔn)滑塊盒的滾珠槽(66)。同樣在蓋上滑塊盒蓋(61)之前，使?jié)L珠組合(8)下面對準(zhǔn)滑塊滾珠槽(67)，上面對準(zhǔn)滑塊盒蓋的滾珠槽(64)，然后蓋好盒蓋(61)，最后將滑塊盒蓋(61)與滑塊盒(63)固定好。至此，滑塊組合已組裝成為一體，開始裝進(jìn)轉(zhuǎn)輪的缺口(23)之中，調(diào)整、固定好滑塊盒于轉(zhuǎn)輪上，此時(shí)滑塊(7)在滑塊彈簧(9)的作用下，向外申張，并可申縮自如。轉(zhuǎn)輪上的滑塊數(shù)量，視需要而定。
圖5是多個(gè)汽道組合成的雙圓機(jī)示意圖。
由多個(gè)汽道組合成的雙圓式氣動(dòng)機(jī)，其安裝“相位”差可以有不同的角度，例如180°、120°、90°、45°等等。本圖的四個(gè)汽道，是采用180°的汽道“相位”差設(shè)計(jì)、裝配的，即第1汽道同第2汽道相差180°；第2汽道同第3汽道相差180°；第3汽道同第4汽道相差180°所以是第1汽道與第3汽道是同“相位”的；第2汽道與第4汽道是同“相位”的。(7)是表示申出的滑塊。(5)是轉(zhuǎn)輪。(4)是圓環(huán)。(43)是端蓋、隔板和轉(zhuǎn)輪共同軸的位置。
本適用新型適用于具有一定壓力的氣體，(含蒸汽)為推動(dòng)力的旋轉(zhuǎn)機(jī)械?？捎迷谝哉羝麨閯?dòng)力的火力發(fā)電、蒸汽機(jī)車、和一些工廠所用的蒸汽動(dòng)力機(jī)上。在以壓縮空氣為推力的機(jī)械中，如航空、航天的某些啟動(dòng)機(jī)、工廠用的一些氣動(dòng)機(jī)，以及風(fēng)能壓縮空氣發(fā)電、海能壓縮空氣發(fā)電等。
實(shí)施本實(shí)用新型，除了在已有的壓氣(或蒸汽)機(jī)械方面試用以外，也可在小型交通、運(yùn)輸工具方面試制。據(jù)初步估算，一臺(tái)“BJ－30”電瓶車，蓄電池重近1000公斤，充一次電要耗能35～40千瓦，行走約20公里，扭力輸出近2公斤／米。如果我們將蓄電池?fù)Q成容積為1米3的貯氣瓶，將電動(dòng)機(jī)換成雙圓機(jī)。將1米3容積的氣瓶充進(jìn)50公斤／厘米2的大氣壓，需電能5千瓦左右，用此氣源推動(dòng)一臺(tái)扭力近2公斤／米的雙圓機(jī)，可行走十幾公里。如果用充電瓶車的電能(約40千瓦)來加大對貯氣瓶充氣，或者擴(kuò)大貯氣瓶容積，則此運(yùn)輸車能行走近百公里。優(yōu)點(diǎn)是重量輕、造價(jià)低，無污染。
由于本適用新型是氣動(dòng)的，又較其他氣動(dòng)機(jī)節(jié)省氣源，所以著手開發(fā)利用壓縮空氣這個(gè)二次能源，是有前途的。如用于短途、小型運(yùn)輸方面，或者成為我國人民的代步工具上，可進(jìn)行一些嘗試。它的優(yōu)點(diǎn)無污染，低噪聲，構(gòu)造簡單。
以照雙圓式氣動(dòng)機(jī)的形式與構(gòu)造，是可以設(shè)計(jì)成雙圓式內(nèi)燃機(jī)的，從而構(gòu)成另一項(xiàng)發(fā)明。
權(quán)利要求
1.由圓環(huán)(4)、端蓋(42)和轉(zhuǎn)輪(5)、滑塊組合(7)組成的雙圓式氣動(dòng)機(jī)，是以氣(汽)體壓力為推動(dòng)力的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械，其特征是由于轉(zhuǎn)輪(5)的軸心與圓環(huán)(4)的圓心是采用不同圓心的方式安裝，從而在圓環(huán)(4)、轉(zhuǎn)輪(5)與端蓋(42)之間，形成了一個(gè)“月牙”形空間即汽道(10)，在汽道(10)的兩端設(shè)有進(jìn)汽裝置與排汽裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的氣動(dòng)機(jī)，其特征是由于轉(zhuǎn)輪(5)與圓環(huán)(4)是不同心安裝的，所以一邊形成了較寬的月牙形汽道，另一邊形成了較窄的密封之處。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的氣動(dòng)機(jī)，其特征是密封之處有密封閥(15)、彈簧(16)、鍵槽(17)以及固定加強(qiáng)瓦片(14)等組成一個(gè)密封閥組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的氣動(dòng)機(jī)，其特征是轉(zhuǎn)輪(5)與滑塊(7)上分別設(shè)有密封環(huán)(20)、密封塊(6)和付滑塊(70)等密封裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的氣動(dòng)機(jī)，其特征是轉(zhuǎn)輪(5)上設(shè)有離心錘(28)，用來減少轉(zhuǎn)輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)滑塊(7)對圓環(huán)(4)內(nèi)壁上的壓力。
專利摘要
一種旋轉(zhuǎn)式氣(汽)動(dòng)機(jī)械特點(diǎn)是，當(dāng)具有一定壓力的氣(汽)體作用于密封在汽道內(nèi)的滑塊上時(shí)，滑塊滑動(dòng)并帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)輪軸則直接形成扭力輸出。它克服了活塞機(jī)的曲軸轉(zhuǎn)角(正弦)損耗、活塞往返時(shí)的慣性損耗；也克服了汽輪機(jī)的泄漏汽流損耗、端壁和二次流損耗以及排汽損耗等。因此用于蒸汽發(fā)電、蒸汽機(jī)車和其他以氣體壓力為推動(dòng)力的機(jī)械中，可節(jié)省能源。如果采用本機(jī)，以壓縮空氣為推動(dòng)力而制成的小型代步工具，將優(yōu)越于充電小型交通機(jī)械。
文檔編號(hào)F01C1/00GK86201565SQ86201565
公開日1987年4月22日 申請日期1986年3月22日
發(fā)明者姜鳳閣 申請人:姜鳳閣導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan