CN101395343B - 具有静止和旋转缸部件的叶片式设备 - Google Patents

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Abstract

一种具有静止和旋转缸部件的叶片式设备被用作驱动或工作设备，可压缩或不可压缩介质作为工作流体。叶片式设备基本实施例包括静止缸部件(A)、旋转缸部件(B)、转子(C)、端盖(D)和带凹槽的叶片(F)。静止缸部件具有使转子和叶片在其内旋转的套管(1)。套管具有供介质进出的径向矩形开口(5和6)，开口也可为其它形状。滚子或滑动轴承的内圈(8)被叶片驱动旋转。转子相对于套筒轴线偏心放置。转子上稳固地装有与转子共同旋转的侧向板(14)。叶片式设备的工作腔由套管、内圈、叶片和板限定。所述设备被更佳注入和排出工作介质，容积效率被提高，密封更高效。接触表面间的摩擦引起的损失减小，因此提高了设备机械效率。

Description

具有静止和旋转缸部件的叶片式设备
1.技术领域
本发明涉及叶片式设备(vane machine)，其中缸的一部分是静止的，而缸的其它部分旋转。
叶片式设备可以是用以将流体能量持续转换为机械动力的工作设备(发动机)，或使用可压缩的或不可压缩的流体作为工作介质，从容积式旋转类设备通过机械动力或其它方法，对流体进行持续提升、推压、压缩或排空流体的驱动设备(泵)。
在国际专利分类中，本申请被分类为F部-机械工程；F01大类-一般机器或发动机；F01C小类-旋转活塞式或摆动活塞式机器或发动机；大组13/00-适用于特殊应用的机器或发动机；发动机与其从动装置的组合；小组13/02-用于驱动手提工具或类似工具和13/04-用于驱动泵或压缩机。
2.技术问题
容积式设备，特别是叶片容积式设备目前存在的最大问题是容积和机械损失。容积损失是因为工作介质进出设备的工作腔的开口不够大导致的。容积损失也会由于流体从工作腔的高压空间泄漏到工作腔的低压空间而产生。机械损失是由于设备彼此接触组成工作腔的旋转部件和静止部件之间的摩擦而产生的。
较高的容积和机械损失的后果是设备的容积和机械效率低下，也就是说，总效率很低。
本发明所解决的技术问题是增强了工作介质注入和排空工作腔，也减小了与缸轴向和径向表面接触的叶片表面的磨损，并且增强了叶片与缸轴向和径向表面的密封。
3.现有技术状态
在叶片式设备中，叶片通过离心力，在某些实施方式中，另外通过弹簧或将工作介质压力提供给叶片内部的径向表面，被压到工作腔内的缸壁上。
静止缸叶片设备的磨损与推动靠在工作腔内缸表面上的叶片的总力和摩擦系数成比例。通过选择叶片和缸的制作材料，从众多的问题中，摩擦问题被解决了。叶片可以被轴向移动，因此，它们靠在工作腔静止的侧向表面上。由于叶片侧向表面和工作腔侧向表面之间的相对速度较高，所以在接触的双方表面上都存在摩擦，也就是说，设备的机械效率被削弱了。在这种实施方式中，工作腔可以被径向注入流体和排空流体，这对容积效率来说是很有利的。
在另一叶片式设备实施方式中，缸旋转，因此，在腔内旋转的缸表面和叶片之间接触点处的相对速度被减小了，也使得磨损减少，这对机械效率来说是有利的。这种实施方式的不足之处在于工作介质的轴向进入和排出不利于实现对腔的注入和排空，因此容积效率变得更坏。
类似于第一种实施方式，叶片可以被轴向移动，因此它们靠在腔的静止侧向表面上。由于叶片侧向表面和工作腔侧向表面之间的相对速度很高，在接触点处的双方表面上都存在磨损。
4.发明内容
本发明的本质是具有静止缸部件和旋转缸部件的设备。
在静止缸部件中具有允许工作介质从中流过而进出缸工作腔的径向开口。
旋转缸部件是被稳固地插入到静止缸部件内的滚子轴承或滑动轴承。被稳固地插入到轴承内圈中的轴承内圈或附加圈体被叶片驱动旋转。
封闭缸工作腔的侧面隔板被稳固地套装连接到转子上并与其一起旋转。
具有轴向和径向凹槽的叶片被插入到转子中，增强了接触的叶片和其它部分之间的工作介质的密封。密封是迷宫式密封。
5.附图说明
图1示出了封闭的叶片式设备的正视图。
图2示出了封闭的叶片式设备的侧视图。
图3示出了封闭的叶片式设备的后视图。
图4示出了封闭的叶片式设备的沿图1中X-X的剖视图。
图5示出了不具有附加圈体的叶片式设备的沿图2中Y-Y的剖视图。
图6示出了不具有附加圈体的叶片式设备的沿图1中Z-Z的剖视图。
图7示出了不具有附加圈体的缸B的旋转部件的纵向剖视图。
图8示出了具有附加圈体的叶片式设备的纵向剖视图。
图9示出了具有附加圈体的叶片式设备的横向剖视图。
图10示出了具有附加圈体的缸B的旋转部件的纵向剖视图。
图11示出了缸A的静止部件的正视图。
图12示出了缸A的静止部件的侧视图。
图13示出了缸A的静止部件的后视图。
图14示出了缸A的静止部件的沿图13中R-R的纵向剖视图。
图15示出了缸端盖D的正视图。
图16示出了缸端盖D的左视图。
图17示出了缸端盖D的右视图。
图18示出了缸端盖D的沿图17中N-N的剖视图。
图19示出了转子C的正视图。
图20示出了转子C的侧视图。
图21示出了转子C的沿图20中P-P的剖视图。
图22示出了具有凹槽的转子本体的横向剖视图。
图23示出了具有凹槽E的叶片的透视图(放大)。
图24示出了使用可压缩工作介质的驱动叶片式设备的操作周期的p-v图表。
6.具体实施方式
本发明的介绍涉及叶片式设备的基础型式，其中的缸由一个静止部件和两个旋转部件组成。
叶片式设备的更多复杂型式可以由多个静止缸部件和旋转缸部件组成，而取决于所需要的技术特征的布局和尺寸的所有组合都是可能的。
此处介绍的叶片式设备的实施例，如图1、2、3、4、5、6、8和9中所示，包括：静止缸部件A、旋转缸部件B、转子C、端盖D和叶片F。
静止缸部件A
静止缸部件A在图11、12、13和14中被示出，分别为从前面、侧面、后面和在R-R处的剖面所作的视图。
静止缸部件A被制成中空滚子形状，在其中空部分的中央包括具有工作表面2和侧向表面3的内部套管1。转子C在套管内部旋转。
在进口和排口处，静止缸部件具有用于端盖D的开口4。
在套管1上具有允许工作介质从中流过而进入缸工作腔的开口5和允许工作介质从中流过而排出缸工作腔的开口6。开口5和6为矩形且相对于缸成径向分布。开口5和6也可以是其它形状。
旋转缸部件B
旋转缸部件B可以被设计为下面两种改型中的一个：
改型1-不具有附加圈体；
改型2-具有附加圈体。
图7示出了旋转缸部件的改型1，不具有附加圈体，其旋转部件实际上包括轴承，轴承具有外圈7和带有工作表面9的内圈8。如图5和6中所示，轴承被稳固地插入到静止缸部件A的开口4中，靠在套管1的侧向表面3上。内圈8被叶片F驱动旋转。图10示出了旋转缸部件的具有附加圈体的改型2，其旋转部件实际上包括轴承，轴承具有外圈7和内部被稳固地插入具有工作表面9的附加圈体10的内圈8。如图8和9中所示，轴承被稳固地插入到静止缸部件A的开口4中，靠在套管1的侧向表面3上。内圈10被叶片F驱动旋转。
旋转缸部件B，在改型1和2中，可以是滚子轴承或滑动轴承。
转子C
如图19、20和21所示，转子C包括轴11、具有纵向槽13的本体12和侧板14。板14被稳固地套装在轴上并靠在转子本体上以从其侧面封闭缸工作腔16。在转子本体上，被切有接收叶片F的相互成90度的四个纵向槽13，以使叶片表面和转子径向方向之间的角度为0。转子在缸工作腔16内与板和叶片共同旋转。转子在可以是滚子轴承或滑动轴承的轴承15内旋转。轴承被稳固地插入到端盖D的开口17内。
转子可以具有一个或多个叶片。
转子本体上的槽还可以被设计成使得叶片能够在由叶片表面和转子的径向方向形成角度的情况下移动。
如图22中所示，在转子本体的外部表面上，可以被切有制造迷宫式密封的纵向凹槽15。
端盖D
如图15、16、17和18中所示，端盖D具有开口17，用于接收转子在其内部旋转的轴承15。端盖被稳固地插入到静止缸部件的开口4中，如图14中所示，以使它们靠在旋转缸部件B的外圈7上，如图5和8所示。开口17被制成相对于端盖的轴向轴线19偏心的形式。
叶片F
叶片可以被制造具有或不具有凹槽。本发明的介绍涉及具有在其转子上具有凹槽(迷宫式密封)的叶片的叶片式设备。
叶片F，如图23所示，具有本体22，其在上表面的中心部分上和两个平坦部分23之间，被切有轴向凹槽24，而在两侧狭窄表面的整个长度上被切有径向凹槽25。叶片被插入到转子本体上的槽13内。叶片平坦部分23的长度分别与旋转缸部件的内圈8或附加圈体10的宽度对应。轴向凹槽24的长度与静止缸部件的套管1的宽度对应。
当转子旋转时，叶片平坦部分23分别驱动旋转缸部件的内圈8或内圈10。
本发明的功能
封闭的和装配的叶片式设备的视图在图1-正视图、图2-侧视图、图3-后视图和图4中的沿X-X的剖视图中被示出了。
叶片式设备的工作腔16，如图5、6、8和9中所示，由静止缸部件A的套管1、旋转缸部件B的内圈8或附加圈体10、转子C的板14和本体12以及叶片F的叶片平坦部分23和轴向凹槽24限定。关于叶片的数量，工作腔可以被划分为两个或多个部分。叶片式设备根据由转子叶片处的压力差制造切向力的原理工作。转子轴上的切向力显示为产生发动机动力的除了设备的工作转数以外的力矩动量。当用作驱动设备(发动机)时，设备能量转化为可用的机械功，而当用作工作设备(泵)时，可用的能量被用于用指定流量改变工作流体的压力。
具有静止缸部件和旋转缸部件的叶片式设备通过将介质通过开口5带进缸工作腔16内被提供动力。在工作介质的此过程中，由于压力差的存在，使得转子旋转。两个叶片之间的空间内的介质通过缸相反一侧的介质排口离开缸工作腔6，接着循环被重复。
转子的旋转制造将叶片F推出槽13的离心力，这造成了叶片平坦部分23和轴承内圈8或附加圈体10的工作表面9之间的摩擦，并使它们(使内圈8或附加圈体10)处于运动状态。
叶片和轴承内圈或被稳固地插入到轴承内圈内部的附加圈体的接触表面的滑动(打滑)速度，使得叶片外部边缘的瞬间圆周速度和由于内圈旋转引发的瞬间圆周速度不相同。在此设备中，所述速度取决于叶片的数量。对于转子内只有一个叶片的，相对速度为0，而对于转子内具有多个叶片的，最大滑动速度等于由最大和最小圆周速度相对于当前的轴承内圈旋转速度的叶片速度差值得到的平均速度。具有轴承圈的旋转缸部件的作用是减小滑动速度，以因此减小摩擦、噪音和磨损率，而这些都提高了叶片式设备的机械效率。
叶片都是轴向可移动的，靠在转子C的板14上。这些板被稳固地连接到转子上并因此与其一起旋转。它用这种方式实现了叶片侧向边缘和这些板之间滑动的最小相对速度，这还使得摩擦磨损率减小和机械效率提高。叶片侧向边缘和工作腔板之间的相对速度是由于叶片的径向运动而产生的。在叶片和静止缸部件，或套管1的工作表面2之间具有间隙所以不存在相互接触，这避免了在此区域内的摩擦磨损。
这种叶片式设备的实施例使得工作介质进口5和排口6能够被径向放置，因为它们的尺寸、形状和位置，实现了工作腔更好的注入和排出(容积效率)，这是目前已知的叶片式设备实施例的主要不足之一。
旋转内圈或轴承附加圈体和叶片之间的相对速度被大大减小了，因此叶片的摩擦磨损被减小了。
叶片作用到旋转内圈或轴承附加圈体上的压力制造了在这个区域的密封。此压力可以，如果必要，被另外增加，通过被置于叶片槽内的弹簧或提供更高压力的工作介质到叶片内部的径向表面上，这也导致额外的径向力。
转子的旋转为工作腔的周期性注入和排出创造了条件，因此，取决于叶片式设备的目的，从进口到排口的工作腔压力被增加或被减小。
具有静止缸部件和旋转缸部件的叶片式设备减少了与叶片式设备工作腔内的缸的轴向和径向壁接触的叶片接触表面的磨损，增强了工作腔对工作介质的注入和排出，并解决了叶片和缸内部静止部件和转子侧向板之间的密封问题。这提高了设备的容积效率并减小了由于接触表面之间的摩擦带来的损失，因此提高了设备的机械效率。
图24示出了包括具有静止和旋转组成部件的缸的驱动叶片式设备在使用可压缩的工作介质情况下的工作周期的p-v图表。
具有静止缸部件和旋转缸部件的叶片式设备的工作，对于一个转子旋转一圈，是注入、膨胀和排出的工作的代数和。该过程可以简单地用可压缩的工作介质在封闭的工作周期内介绍。工作腔注入是等压的，状态从a变化到b。膨胀过程是工作腔容积从b到c的变化。工作介质的排出由三个阶段组成。第一阶段是当排出槽开始打开时从c到c’的突然膨胀。从c’到d的排出的第二阶段是由于工作容积减小导致的排出。第三阶段，从d到a’，是在关闭排出槽后工作腔内剩余的工作介质的压缩。周期的最后阶段是用新的工作介质注入工作腔，因此等容线的压力突然从a’升高到a。
下面的方程从能量平衡方面示出了该过程和结果：
EdQ+dZM＝dU+dL+dZv
其中：
EdQ是被G质量的工作介质带入的能量；
dU是内部的能量变化；
dL是与环境交换的功；
dZM是因损失导致被带入工作腔内的能量数值；
dZv是在工作腔内不用但被工作介质带入到环境中的能量数值。
上面最后两个能量数值可以由下面的方程确定：
dZM＝PM dGM和dZv＝Pv dGv，
其中：
PM是进入周期的工作介质的比能(specific energy)；
Pv是离开周期的工作介质的比能；
dGM是在一个周期中从环境进入工作腔内的新工作介质的质量；
dGv是在一个周期中离开工作腔进入环境内的新工作介质的质量。
叶片式设备总效率的主要问题是由于工作介质的注入和排出工作腔(在p-v图表中的从a’-a和c-c’-d的过程)所产生的容积效率。通过尽可能最大程度地使用工作腔缸壁的静止部件作为工作介质的径向入口和排出槽，容积效率问题在本发明中被解决了。此结构设计使得工作介质入口和排出槽的截面能够另外增加，因为叶片不接触排出槽，因此排出槽可以被设计为矩形开口，而此设计达到了它们的最大可能面积，这也改善了叶片式设备工作腔的注入和排出条件。
本发明解决的另一个重要问题是叶片、旋转轴承内圈或附加圈体和旋转转子板的磨损。引入了滚子轴承或滑动轴承，其内圈可以被稳固地插入具有足够滑动特性的附加圈体，供叶片依靠，减小了滑动接触点处滑动相对速度，也因此减小了它们的磨损。
叶片可以被轴向移动，因为它们靠在转子侧向板上。在现存的叶片式设备实施例中，缸工作腔侧向板是静止的，因此，叶片侧向边缘和侧向版之间的较高的速度导致了接触中的双方表面的磨损。在转子上引入用以封闭工作腔的侧向旋转板，减小了与叶片有关的相对速度，因此，由叶片和板的摩擦导致的侧向磨损被减小了。叶片侧向边缘和工作腔板之间的相对速度仅仅是由于叶片的径向运动造成的。摩擦损失的减少提高了设备的机械效率。
7.本发明的应用
具有静止缸部件和旋转缸部件的叶片式设备可以被用于工业中例如用作驱动或工作设备。当被用作工作设备时，用指定流量输入的机械功被转化为可压缩的或不可压缩的工作流体的压力变化，而当被用作驱动设备时，它将可压缩的或不可压缩的工作流体的主要可用压力转化为机械功。
作为使用可压缩流体的工作或驱动设备，它被用作气动工具，在各式科技过程的机械化过程中，被用作大柴油机启动器、压缩器、真空泵、内燃机。
作为使用不可压缩的流体的工作或驱动设备，它被与建筑机械、液压起重机、轮船液压系统、设备流体传动中的力、运动和动量转换系统，并与目的在于工作过程的自动化的液压系统中的控制、调整或保护一起使用。
作为泵或液压发动机，关于工作流体，它具有两个应用领域。当工作流体是矿物油时，自身的润滑减小了摩擦并，因此，减小了使叶片式设备大大存在不足之处的叶片和外壳的磨损。这被与建筑机械、液压起重机、轮船液压系统、设备流体传动中的力、运动和动量转换系统，并与目的在于工作过程自动化的液压系统中的控制、调整或保护一起使用。液压叶片式设备具有很宽范围的旋转速度。其旋转部件的惯性力很小，通常使设备的启动和停止更容易。当与非润滑工作介质一起应用时，叶片和外壳磨损的问题仍是叶片式设备或泵的主要障碍。
本发明的说明中使用的字符和数字具有下述的含义：
A-缸的静止部件
1-套管
2-套管工作表面
3-套管侧向表面
4-缸的静止部件中的侧向开口
5-工作流体进口
6-工作流体排口
B-缸的旋转部件
7-旋转缸部件的外圈
8-旋转缸部件的内圈
9-内圈工作表面
10-附加圈体
C-转子
11-转子轴
12-转子本体
13-叶片槽
14-转子侧向板
15-转子轴承
16-缸工作腔
D-端盖
17-转子轴承用的端盖偏心开口
18-转子侧向板用的端盖开口
19-端盖轴向轴线
20-偏心开口轴向轴线
21-开口径向轴线
F-具有凹槽的叶片
22-叶片本体
23-不具有凹槽的叶片平坦部分
24-轴向凹槽
25-径向凹槽

Claims (7)

1.一种具有静止缸部件和旋转缸部件的叶片式设备，其属于容积式旋转类设备，可被用作驱动或工作设备，其使用可压缩的流体作为工作介质，被偏心放置的带有叶片的转子在设备的缸内旋转，其中，设备具有一个静止缸部件(A)，静止缸部件具有位于其中央的内部套管(1)以及侧向开口(4)；在套管(1)上形成有允许工作介质流入缸工作腔(16)的径向矩形开口(5)和允许工作介质流出缸工作腔(16)的径向矩形开口(6)；设备具有两个旋转缸部件(B)；旋转缸部件是被稳固地装配到静止缸部件的开口(4)内的滚子轴承或滑动轴承；设备具有转子(C)，该转子带有与其共同旋转的侧向板(14)；设备具有带凹槽的叶片(F)；设备具有被稳固地装配到静止缸部件的侧向开口(4)内的端盖(D)；在端盖(D)中设有偏心开口(17)，偏心开口中被稳固地装配有轴承(15)，转子(C)在所述轴承内旋转；其中，所述具有凹槽的叶片(F)在它们的本体(22)的上侧具有平坦表面(23)，平坦表面(23)之间具有轴向凹槽(24)；当转子旋转时，离心力导致平坦部分(23)与旋转缸部件的内圈(8)或附加圈体(10)的工作表面(9)接触而使它们旋转；在本体的侧向部分上具有与旋转的侧向板(14)接触的纵向径向凹槽(25)。
2.根据权利要求1所述的叶片式设备，其中，形成在静止缸部件(A)中央的所述内部套管(1)具有工作表面(2)和侧向表面(3)，旋转缸部件(B)的外圈(7)靠在侧向表面上。
3.根据权利要求1所述的叶片式设备，其中，允许工作介质进出缸工作腔的所述径向矩形开口(5和6)被设计为其它形状。
4.根据权利要求1所述的叶片式设备，其中，所述旋转缸部件(B)具有内圈(8)，没有附加圈体(10)。
5.根据权利要求1所述的叶片式设备，其中，所述旋转缸部件(B)可被设计成具有被稳固地装配到内圈(8)内的附加圈体(10)。
6.根据权利要求1所述的叶片式设备，其中，所述转子侧向板(14)被稳固地套装在轴(11)上，以侧向封闭缸工作腔(16)。
7.根据前面的权利要求所述的叶片式设备，其中，所述设备具有多个静止缸部件和旋转缸部件，静止缸部件和旋转缸部件的分布和尺寸的所有组合均可行。
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