CN100513748C

CN100513748C - 具有旋转叶片的活塞装置

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Publication number: CN100513748C
Application number: CNB2006101231263A
Authority: CN
Inventors: 黄庆培
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-10-31
Filing date: 2006-10-31
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2026-10-31
Also published as: CN101067379A

Abstract

本发明公开了一种可用于压缩机或发动机的旋转叶片活塞装置，它通过改善叶片的受力，来增大叶片的径向伸出量，从而增大工作腔容积，使得其工作腔容积可接近于结构的理论最大值，获得较高的压缩比和较高的排气量。它包括缸体、偏心设置在缸体内腔的转子以及可在转子上的叶片槽内沿转子径向往复运动的叶片，缸体的两端设有端盖，转子的两端设有与转子同轴并同步旋转的力矩承载板，所述力矩承载板的直径大于转子直径，力矩承载板上设有槽口，所述叶片上下两端伸入该槽口内，并与槽口的侧壁保持气密封接触。叶片受到的较高侧面气压力直接或间接通过力矩承载板传递到转子上，使叶片在转子内的伸出幅度增大到接近于结构的理论最大值。

Description

具有旋转叶片的活塞装置

技术领域

本发明涉及一种具有旋转叶片的活塞装置，特别是用于旋转叶片式发动机或压缩机的活塞装置。

背景技术

采用往复式活塞的发动机是目前应用最广泛、技术最成熟的内燃发动机，但由于其固有的结构形式，存在活塞和气门的往复运动惯性所产生的振动，使其转速和升功率已很难再提升。汪克尔三角转子式发动机虽然在结构上避免了往复惯性产生的振动，但其制造成本、燃油经济性等方面都远不及往复式活塞发动机，因此没有被广泛应用。

旋转叶片活塞机构是在1588年拉迈尔利(Ramelli)提出的多基元滑片装置的概念上发展起来的，利用偏心转子上的活动叶片在缸体内旋转，使工作容积发生周期性变化，从而使工作容积内的气体做功。它避免了往复惯性产生的振动，已被广泛应用于压缩机、泵、气马达等领域。但是目前的旋转叶片活塞主要存的问题是：叶片与气缸壁间的线型密封结构在较高气压的工况下气密封不良，叶片与气缸壁间、叶片与转子叶片槽之间的磨损严重。这些问题导致旋转叶片活塞的能量损失严重，限制了使用的经济性和活塞的寿命。目前旋转叶片活塞式压缩机的单级压缩压力很难超过2MPa。采用旋转叶片活塞的发动机，其气密封不良和磨损的问题更为突出，这使叶片在转子内的伸出幅度不能设得太大，造成工作腔狭窄，其有效排量远低于相同气缸尺寸的往复式活塞的排气量，大大限制了发动机的升功率，另外，狭窄的月牙形工作腔会影响进气效率，为增加功率而采用加大进气口、改善进气效率方法又会增大基元在结束进气时的容积，导致压缩比下降，从而使发动机的热效率降低。因此，现有的旋转叶片活塞式发动机的性能远不及传统的往复式发动机和汪克尔三角转子式发动机，没有被推广应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可用于压缩机或发动机的旋转叶片活塞装置，它通过改善叶片的受力，来增大叶片的径向伸出量，从而增大工作腔容积，使得其工作腔容积可接近于结构的理论最大值，获得较高的压缩比和较高的排气量。

实现本发明的技术方案为：一种具有旋转叶片的活塞装置，包括缸体、偏心设置在缸体内腔的转子以及可在转子上的叶片槽内沿转子径向往复运动的叶片，缸体的两端设有端盖，其特征在于：所述转子的两端设有与转子同轴并同步旋转的力矩承载板，所述力矩承载板的直径大于转子直径，力矩承载板上设有槽口，所述叶片上下两端伸入该槽口内，并与槽口的侧壁保持气密封接触。为了进一步改善受力，在叶片与槽口的相对面之间设有滚动体，叶片、槽口、滚动体三者相互滚动配合。为进一步减少摩损，在叶片与滚动体之间可设置力矩滑板，该力矩滑板与叶片相贴合。由于采用力矩承载板和滚动配合的结构，使叶片受到的较高侧面气压力直接或间接通过力矩承载板传递到转子上，从而避免了叶片与转子叶片槽之间的强烈摩擦，同时也使叶片在转子内的伸出幅度增大到接近于结构的理论最大值(或者说转子直径可以减小)；对于气缸内壁面为圆柱面的活塞装置，工作腔的容积可增大到气缸内腔容积的1/3(接近于结构的理论最大值)，从而使压缩比和升功率能接近结构的理论最大值。

同时，在叶片的前端绞接有活动滑撬，其绞接轴与转子中心轴相互平行。缸体内壁型面为圆柱面，力矩承载板的端面与缸体内壁端口部之间气密封，力矩承板与端盖之间的空间内充有润滑油。所述滑撬具有一个与缸体内壁相适应并相互气密封的弧面。当应用于发动机时，滑橇随转子旋转经过进气口后能较早关闭基元的进气，使闭气基元具有较小的最小容积，因而可获得较高的压缩比。其压缩比等于由气缸内壁、转子、力矩承载板和相邻的叶片围成的基元的最大容积与闭气基元的最小容积之比，上述活塞的排气量为转子旋转一周的进气口吸入的气体容积，等于基元的最大容积乘以基元个数，在不计叶片和叶片滑橇的厚度的情况下基元的最大容积Vm等于：Vm＝HR²[eρ+arcsin(ρsina)-(1-e)²a]。其中：H为气缸内壁型面的高度，R为气缸内壁型面的半径，r为转子半径，e＝1-r/R；ρ＝ecosa+(1-e²sin²a)^1/2；a为相邻叶片之间夹角的1/2。在本发明中，旋转叶片活塞的r/R最小值可接近于2/3，对于叶片个数为6的活塞，其排气量为Vp＝6Vm≈5.3HR²，因此其排气量能大大超过相同气缸尺寸的往复式活塞的排气量Vp＇＝pHR²≈3.14HR²。

由于采用了上述滑撬的结构，使得活塞由传统的叶片与缸体内壁的线型接触改进为滑橇与气缸内壁的面型接触，有利与改善气密封和减少磨损。这也是本发明所要解决的另一个技术问题：提供一种减少叶片与缸体壁之间磨损的活塞装置，避免叶片与气缸壁间在较高气压工况下的气密封不良，叶片与气缸壁间、叶片与转子叶片槽之间磨损严重的问题。

作为本发明的进一步改进，在缸体内还设有与缸体圆柱面同轴设置的滑撬导向装置，该滑撬导向装置至少包括与转子同步旋转的圆环形滑撬滑轨。

具体来说，滑撬导向装置的滑撬滑轨设置在缸体内壁与滑撬之间并相互气密封，所述端盖与力矩承载板之间设有与缸体内壁同轴的导向环，叶片的上端面和/或下端面设有与所述导向环相切的导向体。可以进一步将所述导向体的轴线与滑撬的铰接轴同轴设置，导向环直接开设在端盖上，或者导向环通过导向体活动定位在力矩承载板上方。还可更进一步在导向环上设置环形凹槽(当凹槽为通槽时，相当于两个同心的导向环的组合)，其中导向体为导向柱或弧形半径与所述凹槽半径一致的导向块，或导向体上有凹槽，导向体与导向环相嵌合。

或者是将所述滑撬导向装置的滑撬滑轨设置在转子与缸体内壁之间，所述滑撬的上、下端面设有弧形半径与滑撬滑轨半径一致的凹槽，滑轨与所述凹槽相嵌合。

其中，滑撬滑轨上与滑撬相对应的位置设有润滑油开口。所述滑撬滑轨上设有与力矩承载板相互平行的同步齿轮，所述力矩承载板上设有沿转子轴心圆周均匀分布并与同步齿轮齿数相应的同步齿，该同步齿与同步齿轮相互啮合。

本发明中也可以不采用滑撬滑轨，仅在所述端盖与力距承载板之间设有与缸体内壁同轴的导向环，滑撬绞接轴上同轴设有与所述导向环相切的导向体。

在本发明中，当所述滚动槽在力矩承载板的厚度方向上为通槽时，在力矩承载板与转子端面之间设置转子盖，转子盖表面与缸体内壁端口部之间气密封，所述转子盖上与叶片相对应的位置设有叶片槽，转子盖与端盖之间的空间内充有润滑油。或者将力矩承载板与转子盖做成一体。

本发明与现有技术相比，其主要优点在于它既能避免叶片与气缸壁间在较高气压工况下的气密封不良，叶片与气缸壁间、叶片与转子叶片槽之间磨损严重的问题，而且其工作腔容积可接近于结构的理论最大值，可获得较高的压缩比和较高的排气量。它通过设置力矩承载板以及滚动体，转移对叶片的侧压力，使得叶片可以减薄或者伸出的幅度增大，或者转子直径可以减小，从而增大工作腔的容积；另外利用滑撬、滑撬滑轨和/或导向环的共同作用，改善叶片与缸体内壁之间的摩擦和气密封。其次，由于滑撬滑轨沿缸体内壁与转子同步转动，使得滑撬相对于滑橇导轨做往复运动，因此叶片滑橇与缸内滑橇导轨之间的平均相对运动速度远远小于叶片的外端相对于气缸内壁的平均运动速度，使叶片滑橇与缸内滑橇导轨之间的磨损大大减小·

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明具有旋转叶片的活塞装置作进一步的说明。

图1是实施例1的从东北上方观察的立体图；

图2是图1从东北偏东上方观察的立体图；

图3是图1的剖视图；

图4是沿图3中A—A线的剖视图；

图5是沿图3中C—C线的剖视图；

图6是沿图3中D—D线的剖视图；

图7是图1中部分部件连接关系的立体图，其中对滑橇滑轨11、同步齿轮10做了局部剖切；

图8是图1中部分部件连接关系的立体图，其中对叶片导向环3做了局部剖切；

图9是实施例2中部分部件连接关系的立体图，其中对叶片6、同步齿轮10做了局部剖切；

图10是实施例3、4中部分部件连接关系的立体图，其中对导向环3、力矩滑板2、叶片外段6b、转子盖9做了局部剖切；

图11是实施例4中包含导向环3、气缸内壁12、滑橇15、铰接轴26、导向块27、进气口17、排气口14连接关系的立体图。

具体实施方式

实施例1

本实施方式用于压缩机，如附图1至图6所示的活塞装置，气缸体1由水套18和嵌套在其内的气缸内腔组成，缸体内壁12型面为圆柱面，气缸体1上开有进气口14、排气口17(用于发动机：进气口为17、排气口为14)，转子13偏心置于气缸内腔中，按图3的顺时针方向旋转(用于发动机按逆时针方向旋转)，气缸体1两侧固定有缸体端盖20，缸体端盖20上有转子轴承21，转子13通过转子主轴22可旋转地支撑在转子轴承21上，缸体内腔的两端对称设有以转子轴心为中心的台阶面30，转子盖9固定在转子13的两端，并且以气密封配合封盖住缸体内腔两侧的台阶面30，气缸内腔12、转子13和转子盖9围成工作腔；转子盖9的外侧固定有力矩承载板8；转子盖9和力矩承载板8随转子13共同旋转；转子13及力矩承载板8上分别开有叶片槽16、16a，转子盖9上开有叶片槽口7，叶片6装在转子13的叶片槽16内，并向两端延伸至力矩承载板8上的叶片槽16a内；由此叶片6沿转子轴向分为三段：处于气缸内腔12内的叶片6中段和上、下端通过转子盖9的叶片槽口7伸出到转子盖9外侧的叶片外段6b；叶片6与转子13上的叶片槽16、转子盖9上的叶片槽口7之间需气密封配合；在力矩承载板8上沿径向设有滚动槽31，滚动槽31在力矩承载板厚度方向为通槽(当其为盲槽时，可以取消转子盖9，并且使得力矩承载板8与台阶面30之间气密封)，滚动体4(如滚柱或滚珠)安装在滚动槽31内，与力矩承载板8、叶片外段6b之间呈滚动配合。或者，在叶片外段6b的侧面设置力矩滑板2，滚动体4与力矩承载板8、力矩滑板2之间呈滚动配合，以进一步减轻对叶片的磨损。这种结构，使叶片6受到的较高侧面气压力通过滚动体4和矩承载板8传递到转子13上，从而避免了叶片6与转子叶片槽16之间的强烈摩擦，同时也使叶片6在转子13内的伸出幅度接近于结构的理论最大值；对于气缸内壁面为圆柱面的这种活塞，工作腔的容积可增大到气缸内腔容积的1/3，使压缩比和升功率能接近结构的理论最大值。

在叶片6中段靠近气缸内壁12的边上绞接有叶片滑橇15；滑橇15贴近气缸内壁12的侧面是与气缸内壁12面相配合的圆弧面。这样，活塞由传统的叶片与气缸内壁的线型接触改进为叶片滑橇15与气缸内壁12的面型接触，有利与改善气密封和减少磨损。

叶片6与叶片槽16、叶片槽口7之间有气密封条，气缸内壁12轴向的两侧套装有滑橇滑轨11，滑橇滑轨11的外侧有与转子盖9保持气密封的密封环。滑撬滑轨边缘设有与滑轨同轴并相对于转子盖9平行设置的同步齿轮10，与力矩承载板8相结合的转子盖9端面设有沿转子13轴心圆周均匀分布并与同步齿轮10齿数相应的同步齿24，该同步齿24与同步齿轮10相互啮合。滑橇滑轨11通过同步齿轮10、转子上的同步齿24与转子13保持同步但不同轴的旋转。缸内的滑橇滑轨11上还可开有与叶片6数量相同的润滑油开口23，并将滑撬设计成如附图7所示的框形，这样润滑油开口23在转子13旋转一周的过程中，能始终被叶片滑橇15遮盖住。在叶片外段6b的侧边设有导向柱5，叶片导向环3直接设置在缸体端盖20上，或者在叶片数量等于或大于3片的情况下，可通过导向柱5活动定位在力矩承载板8上方，转子13转动时导向柱5沿着导向环3外侧滑动或连同导向环3一起转动。或者如附图8所示，在导向环3的端面设置环形的凹槽3b，该环形凹槽3b具有圆形轨迹，在叶片外段6b的端面上与滑撬铰接轴同轴的位置设置导向柱5，导向柱5在凹槽3b内滑动，这种具有简单几何形状的圆环形导轨凹槽3b或导向环3，能较容易地使叶片滑橇15与滑撬滑轨11内表面保持精确的滑动接触，保证既有良好的气密封，又有较小的摩擦。

在本实施例中，如附图2所示，滑橇滑轨11的内径等于或略小于气缸内壁12的内径，叶片导向环3通过导向柱5、叶片6使叶片滑橇15紧贴于缸内滑橇滑轨11的表面滑动，导向环3既能保证叶片滑橇15贴着气缸内壁12滑动，又能保证叶片滑橇15不与气缸内壁12有强烈的摩擦。由于滑橇滑轨11与转子13同步旋转，因此滑橇15是相对于缸内滑橇滑轨11做往复运动，其最大相对运动速度与叶片6外端相对于气缸内壁12的最大相对运动速度之间的比值为：(R₁-R₂)/(2R₁-R₂)<4/9，其中：R₁为缸体内壁半径，R₂为转子半径，并且2/3R₁<R₂<R₁，因此叶片滑橇15与缸内滑橇导轨11之间的平均相对运动速度远远小于叶片的外端相对于缸体内壁的平均运动速度，使叶片滑橇15与滑橇导轨11之间的磨损较小；缸内滑橇导轨11上的润滑油开口23，可使润滑油流入叶片滑橇15与缸内滑橇导轨11之间的接触面，在滑橇滑轨11表面形成油膜，进一步减少了它们之间的磨损。

缸体端盖20将转子盖9、叶片外段6b、力矩承载板8、力矩滑板2、滚动体4等封盖在其内，在端盖20与转子盖9之间的腔体19内充有润滑油。润滑油可通过转子端盖9上的叶片槽口7流入转子13上的叶片槽16内，这样不仅叶片滑橇15与气缸内壁12之间有润滑油，其它的运动配合部件之间也都处于有润滑油的环境中，不仅能减小磨损，还能提高气密封性能。

上述实施方式由于只有一个工作腔，在转子13的旋转过程中不能既具有压缩冲程，又具有膨胀冲程，因此它在发动机中只作为燃气膨胀、做功的活塞，其转子13按图3的逆时针方向旋转，进气口为17、排气口为14，它与另一个完成混合气体吸入、压缩功能的活塞机构组合构成外压式发动机。对于这种活塞应用于发动机，其压缩比等于由缸体内壁12、转子13、转子端盖9和相邻的叶片6围成的基元的最大容积与闭气基元的最小容积之比，由于滑撬15的外形为如附图8所示的框形，滑撬15上具有一个朝向转子旋转方向一侧的弧面长度大于背向转子旋转方向一侧的弧面长度的部分，也即滑橇15在对应于叶片中段6b的位置设计成向转子13旋转方向的一侧较长，这样叶片滑橇15随转子13旋转经过进气口后能较早关闭基元的进气，使闭气基元的具有较小的最小容积，因而可获得较高的压缩比。上述活塞的排气量为转子13按图3的顺时针方向旋转一周活塞的进气口吸入的气体容积，等于基元的最大容积乘以基元个数，在不计叶片和叶片滑橇的厚度的情况下基元的最大容积：

Vm＝HR²[eρ+arcsin(ρsina)-(1-e)²a]。对于叶片个数为6、r/R＝0.8的活塞，其排气量为Vp＝6Vm≈3.13HR²，接近于相同气缸尺寸的往复式活塞的排气量Vp＇＝pHR²，当旋转叶片活塞的r/R接近于0.66时，其排气量最大值可接近于Vp_max≈5.3HR²，因此其排气量能大大超过相同气缸尺寸的往复式活塞的排气量。

实施例2：

如附图9所示，实施例2与实施例1的区别在于，滑撬滑轨11的结构方式不同，滑撬滑轨11设置在转子13与缸体内壁12之间，滑撬15的上、下端面设有弧形半径与滑撬滑轨11半径一致的嵌合槽25，滑撬滑轨11与嵌合槽25相嵌合。滑撬滑轨11上的同步齿轮10与转子13以相同的转向和角速度的同步旋转；滑橇15与滑橇滑轨11呈滑动配合。叶片外段6b的上下端面也采用了实施例1中的所采用的导向柱、导向环结构，当然，由于滑撬上的嵌合槽32具有限位的作用，所以这些结构在实施例2中也可以省略。滑橇滑轨11精确保证滑橇15在气缸内壁12表面有精密的接触滑动，能更好地保证叶片滑橇15与气缸内壁12之间在润滑的条件下既有良好的气密封，又有较小的摩擦。

实施例3：

如附图10所示，实施例3与实施例1的区别在于，它所采用的导向体结构不同，它的导向体为弧形半径与导向环3上的凹槽3b半径一致的导向块27，并且导向块27的中心与滑撬15的绞接轴同轴连接。在转子转动的过程中，导向环3与导向块27的配合，能保证滑撬15与滑撬滑轨11之间良好的配合，并且减少滑撬15与缸体内壁12之间的摩擦。

实施例4：

如附图10、11所示，实施例4与实施例3的区别在于，它取消了滑撬滑轨11，滑撬15与缸体内壁12之间气密封配合，保留了实施例3中的导向环3与导向块的结构，并且导向块27的中心与滑撬15的绞接轴同轴26连接。其中导向环3上的凹槽也可以是通槽，当它是通槽的时候，导向环3相当于两个同心的导向环的组合。在转子转动的过程中，导向环3与导向块27的配合，束缚了滑橇15的运动轨迹，可使滑橇15与气缸内壁12之间经过磨合达到最佳的配合，即达到在气密封和摩擦之间的最佳平衡点。

Claims

1、一种具有旋转叶片的活塞装置，包括缸体、偏心设置在缸体内腔的转子以及可在转子上的叶片槽内沿转子径向往复运动的叶片，缸体的两端设有端盖，转子的两端设有与转子同轴并同步旋转的力矩承载板，所述力矩承载板的直径大于转子直径，力矩承载板上设有槽口，所述叶片上下两端伸入该槽口内，并与槽口的侧壁保持气密封接触；其特征在于：所述叶片的前端绞接有活动滑撬，其绞接轴与转子中心轴相互平行；所述力矩承载板的槽口处设有滚动槽，滚动槽内设有滚动体，叶片、槽口、滚动体三者相互滚动配合。

2、根据权利要求1所述的活塞装置，其特征在于：所述缸体内壁型面为圆柱面，所述力矩承载板的端面与缸体内壁端口部之间气密封，所述滑撬具有一个与缸体内壁相适应并相互气密封的弧面，所述缸体内设有与缸体圆柱面同轴设置的滑撬导向装置，所述滑撬导向装置至少包括与转子同步旋转的圆环形滑撬滑轨。

3、根据权利要求2所述的活塞装置，其特征在于：所述滑撬滑轨设置在缸体内壁与滑撬之间并相互气密封，所述端盖与力距承载板之间设有与缸体内壁同轴的导向环，叶片的上端面和/或下端面设有与所述导向环相切的导向体。

4、根据权利要求3所述的活塞装置，其特征在于：所述导向体的轴线与滑撬的铰接轴同轴，导向环直接开设在端盖上，或者导向环通过导向体活动定位在端盖与力距承载板之间。

5、根据权利要求4所述的活塞装置，其特征在于：所述导向环上设有环形凹槽，或所述导向体上有凹槽，导向体与导向环相嵌合。

6、根据权利要求2所述的活塞装置，其特征在于：所述滑撬滑轨设置在转子与缸体内壁之间，所述滑撬的上、下端面设有弧形半径与滑撬滑轨半径一致的凹槽，滑轨与所述凹槽相嵌合。

7、根据权利要求2至6任一项所述的活塞装置，其特征在于：所述滑撬滑轨上与滑撬相对应的位置设有润滑油开口。

8、根据权利要求7所述的活塞装置，其特征在于：所述滑撬滑轨边缘设有与滑轨同轴并与力矩承载板相互平行的同步齿轮，所述力矩承载板上设有沿转子轴心圆周均匀分布并与同步齿轮齿数相应的同步齿，该同步齿与同步齿轮相互啮合。

9、根据权利要求1所述的活塞装置，其特征在于：所述缸体内壁型面为圆柱面，所述滑撬具有一个与缸体内壁相适应并相互气密封的弧面，所述端盖与力矩承载板之间设有与缸体内壁同轴的导向环，滑撬绞接轴上同轴设有与所述导向环相切的导向体。

10、根据权利要求1至6或9任一项所述的活塞装置，其特征在于：所述叶片槽、槽口内以及力矩承板与端盖之间充有润滑油。

11、根据权利要求10所述的活塞装置，其特征在于：力矩承载板与转子端面之间设置转子盖，转子盖表面与缸体内壁端口部之间气密封，所述转子盖上与叶片相对应的位置设有叶片槽。

12、根据权利要求10所述的活塞装置，其特征在于：所述叶片与滚动体之间设有力矩滑板，所述力矩滑板与叶片相贴合。