CN101558218A - 用于密封旋转活塞机的活塞的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转活塞机的密封系统，其特征在于，转子包括并排布置的转子盘(1、2)，所述转子盘设置在公共的转子轴上，并被在所述盘之间的接缝(11)中起作用的弹性力和/或气体力相互压离，使得盘(1、2)的指向壳体侧壁的端面(6、8)密封地抵靠在所述壳体侧壁上，从而阻止通向轴的介质通路。在所述盘(1、2)之间的部件接缝中设置有可动成型薄板(3、4)的组，该成型薄板的组适应变化的接缝宽度，并且防止转子在内部被环流。

Description

用于密封旋转活塞机的活塞的系统
技术领域
本发明涉及一种用于相对旋转式压缩机和膨胀机(Rotations-Kompressions-und-expansionsmaschinen)的环绕的壳体壁密封旋转活塞的原理和系统。
背景技术
对于旋转活塞机，已知不同的解决方法用以使活塞在运动过程中相对于环绕的壳体壁形成密封。所谓的叶片式机器/叶片式机械(flügelzellenmaschinen)通过部件——如转子、壳体和叶片——的尺寸精度实现了几乎良好的密封性，这些部件包围工作腔，在这些部件之间形成功能性需要其尽可能小的缝隙。在某些应用情况下，通过将适合的流体引入机器中以及在各部件之间形成作为密封体的、较小的流体膜，可以进一步改善密封性。这种机器在实施压缩任务时要承受剩余的间隙损耗。该间隙损耗使输送功率减小，这种输送功率减小可以通过提高压缩机的驱动功率来补偿。在膨胀机中，间隙损耗可能导致功能损失，特别是当有害的膨胀绝大部分经过缝隙进行并且不作为转子的有效扭力起作用时。
由于渗出的热气体在该位置处导致损坏性的材料烧蚀/剥落，不断膨胀的介质在较高的温度范围中——如在热力机器中出现的那样——可能导致机器被损坏，这种材料烧蚀进一步扩大了缝隙。
在F.Wankel的基础研究中发现，特别是使用多于三个彼此相对运动的部件——如转子、布置在转子上的可动活塞部件以及壳体——的转子内燃机不能运行，原因是密封元件不能布置成在机器的运动过程中以相同的几何结构实现本身闭合的空间密封线系统。在叶片式机器中直观地体现出这个缺陷。虽然可以通过弹性密封板条沿着叶片棱形成相对于壳体壁的径向和轴向密封，但是密封线在转子毂的区域中由于剩余的不连续性而中断并且导致了发动机不被密封。从经验规律推断，由F.Wankel研发的一种类型的发动机作为迄今唯一有效的、内燃式旋转活塞机，这种类型的发动机仅包括两个彼此相对运动的、包围工作腔的部件：具有长短辐旋轮线形滚道/滚动面的壳体、以及作为壳体滚道的内封体的、同样由长短辐旋轮线引导的旋转活塞。在这个活塞上可以设置密封板条，该密封板条满足几何结构不变的条件。该类型的发动机已知为汪克尔发动机。
尽管这种发动机类型具有优点并被成功的研发，但其没能实现一些技术上的既定目标。这些目标涉及到以所用长短辐旋轮线的几何上受限制的体积变化，该体积变化不允许实施通常的狄赛尔循环。些目标其次还涉及到密封板条的润滑以及与之相关的从活塞向壳体壁的散热。
发明内容
本发明的目的在于，实现一种用于旋转活塞机的密封系统，该密封系统应用根据F.Wankel的密封线几何结构相同的原理，从而能够实现用于在高温区域内的膨胀和压缩过程的、其他类型的旋转活塞机，该旋转活塞机在体积变化、润滑和散热方面的特性得到改善。
本发明的解决方案包括，转子包括两个或多个平行的转子盘部段，其中外部的、指向端侧壳体壁的盘被弹性力(弹簧力)和/或气体力这样压抵到壳体壁上，使得所述盘以其面密封地贴靠在那里，不允许环流/绕流。本发明的解决方案还包括，转子部段盘之间形成的接缝的密封件被接缝内的密封板条封闭，该密封板条与贴靠在壳体滚道上的密封板条这样弹性连接，从而得到一连续的、平的密封线系统，该密封线不再具有中断。
本发明的解决方案还包括，所述密封板条包括可动的成型薄板组，该成型薄板组以其本身与转子盘部段一起形成迷宫式密封结构/复式密封结构。本发明的解决方案还包括，薄板组可以借助于弹性力和/或介质力适应旋转活塞机在运动过程中或者由于压力和温度发生的几何变化。
本发明的解决方案还包括，贴靠在壳体滚道的周缘上的密封板条包括成型薄板，该成型薄板相互覆盖成形成密封棱，该密封棱在转子运动时可变通地/灵活地到达壳体的角部区域中，并密封该角部区域。本发明的解决方案还包括，这些成型薄板通过弹性力来适应壳体中的径向和轴向的变化。
本发明的解决方案还包括，成型薄板具有斜棱，使得楔形压力元件可以借助弹性力如此作用在斜棱上，从而使所述薄板能够在一平面的两个方向上相对移动，成型薄板组因而形成密封元件，该密封元件能够向两个方向适应其中设置有该密封元件的空间。
根据本发明，组装成转子的盘部段在其相对的侧上具有径向槽，在该径向槽中装配有成型薄板组，以使盘部段之间的接缝被柔性迷宫式密封结构密封。根据本发明，盘部段在彼此相对(zugekehrt)的侧上围绕转子轴具有环形槽，在该环形槽中可插入闭合的环并朝向轴密封转子，或者一个盘部段具有配合于(另一)相对盘的相对设置的环形槽中的环形突起(Rezess)，并朝向轴密封转子。
本发明的解决方案的另一部分包括，形成活塞的转子盘在其外表面上具有位于活塞顶点之间的凹部，从而能够在这些凹部上施加介质力，该介质力与作用于接缝中的介质力取向相反，从而将所产生的、对壳体壁的压紧力减小到确保密封性又使摩擦力最小化的大小。
本发明的解决方案包括，在转子部段盘之间设置压力弹簧，当机器在起动过程中还未具有将所述盘彼此压离的介质力时，该压力弹簧向外对盘施压。
本发明的解决方案还包括，将盘部段设计成，使得该盘部段本身作为成型薄板与其他的成型薄板结合而形成迷宫式密封结构。
附图说明
借助下面的实例来描述本发明。所述附图中：
图1示出叶片式转子上的可适应式密封线的原理；
1、2    转子部段
3、4  叶片零件
5     用于叶片的导向槽
6、8  定子部段的面对机器的侧盘的平面
7、9  叶片面对发动机的侧盘的平面
10    用于在转子部段之间的接缝11的盖环
11    在转子部段之间的接缝
图2a示出叶片式转子；
12、13转子部段
14    在转子部段之间的压力弹簧
15    在转子部段中用于容纳压力弹簧14的孔
16    用于在转子部段上的毂的接纳孔
17    在转子部段上的毂
18    在转子部段中用于接纳叶片的切口
19    在转子部段之间的接缝
图2b示出叶片组件/叶片盒；
20    叶片组件
21、22具有内斜棱的半叶片
23    内斜棱
24    压力楔
25    压力弹簧
26    用于容纳叶片零件22、23、24、25的组件壳
27    组件
图3a示出分解的汪克尔转子；
28、29转子部段
30    径向转子槽
31    轴向转子槽
32    接纳孔
33    凹部
34    中心孔
图3b示出内密封环；
35    密封环
36    在密封环上的榫舌/栓
图3c、3示出密封组件；
37    具有内斜棱的成型薄板
38    斜棱
39    压力楔
40    压力弹簧
41    压力弹簧
图4a、4b、4c、4d示出组装的汪克尔-活塞；
42    活塞中间部件
43    活塞-侧环
44    在活塞中间部件中的环形槽
45    在活塞中间部件中的径向槽
46    在活塞侧环上的突起
47    在活塞侧环上的榫舌
48    在活塞中间部件上的横向槽
49    在活塞中间部件中的通孔
50    压力弹簧
51    成型薄板
51a   外侧
51b   搭接棱
51c   覆盖部
51d   倾斜块
51e   切口部
52    压力楔
53    压力弹簧
图5a、5b示出连接有密封条的汪克尔活塞；
54    具有环形槽的转子部段
55    具有凹部的转子部段
56    环形槽
57    凹部
58    密封唇
59    铣削部
60    铣出部
Figure A20078004459000102
61    在转子部段中的孔，未穿透
62    压力弹簧
63    凹陷
具体实施方式
图1：借助图1来说明密封结构的原理。机器的转子分为两部段盘1和2，该部段盘利用其外表面6和8通过弹性力/介质力压抵在壳体的端面上，从而相对壳体密封转子。在所述部段盘之间的接缝11通过一环绕的覆盖件10向内朝向转子轴封闭。其中设置有叶片件3、4的导向槽5与该覆盖件10连接，该叶片件形成叶片式转子的叶片。该叶片3、4由成型薄板形成，该成型薄板可以适应几何上的变化。
借助于根据图2a、2b、2c、3a、3b、3c、3d、4a、4b以及4c的实施例来描述密封原理的实现。
图2a：叶片式转子的转子包括盘部段12和13，该盘部段被弹簧14相互压离，从而密封地抵靠在壳体的端面上。该弹簧位于在两个部段盘内的孔15(未贯通)中。在所述(两)部段盘之间具有分界接缝19。部段盘12以毂17接合在部段盘13的接纳部16中，并使分界接缝19闭合，对应于根据图1的覆盖件10。在部段盘12和13中的切口18对应于根据图1的导向槽5。
图2b：在转子的切口18中设置叶片组件20，该叶片组件基于其内部弹性力沿径向方向压抵到壳体滚道上并且沿轴向方向匹配于壳体的端面，同时还延伸到在壳体的两个滚动面之间的角部中，并且密封这些角部。
叶片组件具有两个构造相同的半叶片21和22，这两个半叶片被相互叠置成使得这两个半叶片能相对移动，进而作为密封件贴靠在壳体的端面上。在这个位置中，这两个半叶片连同部段盘12和13形成连续的密封面以防止介质穿透。半叶片21和22的用于这种贴靠的压紧力通过内斜棱23、并通过放置于压力弹簧25上的压力楔24实现。该压力楔24处于由半叶片21和22形成的内腔中。该压力弹簧25支承在组件外壳27的底部上。在转子的旋转运行中，半叶片21和22的径向密封的运动另外通过弹簧26实现。
图2c：图2c示出了相互插入的部段盘12和13，其中带有在转子的切口18中的叶片组件20。
用于汪克尔机的转子的图3a、3b、3c和3d示出了旋转活塞密封结构原理的另一实施例。
图3a：用于汪克尔机的转子包括两个构造相同的转子部段28、29。在所述转子部段中具有三个径向槽30，该径向槽从中心孔34延伸到转子的三个顶点中。该径向槽30在转子顶点中过渡成轴向转子槽31。该槽30和31用于接纳柔性密封元件。在中心孔34中插入环35。
图3b：环35被这样插入孔34中，使得该环上的矩形榫舌36置于转子部段28和29的槽30中。该环35用于相对于转子轴密封在转子部段28和29之间的接缝。榫舌36同样密封该接缝，同时还是密封组件39的支架。
图3c：构造相同的成型薄板37相互叠置成，使得所述成型薄板的侧向密封板条指向相反侧。这样就形成了具有搭接接缝的整体密封板条。在成型薄板37之间形成的空腔中设置压力楔39，该压力楔通过压力弹簧40压抵到成型薄板37的斜棱上，该成型薄板不仅被沿径向推向壳体滚道，而且该成型薄板同时被相互压离，使得其角部在活塞运动过程中被压入在壳体滚道与侧面之间的角线中并密封这些角线。该压力弹簧40支撑在榫舌36上。成型薄板37遮盖榫舌36，以能够将由此形成的密封单元插入转子槽30和31中。
图3d：包括成型薄板37、压力楔39和压力弹簧40的密封单元被放置于密封环35的榫舌36上。带密封单元的密封环35设置在转子部段28、29的槽30、31中。这些部件形成转子的密封系统。通过压力弹簧41将转子部段28、29压抵在壳体的端侧面上。该弹性力是在起动过程中使转子部段贴靠所必须的。在机器运行时，介质压力承担这种压紧作用。为了减小在端侧面上的摩擦，转子部段具有凹部33，该凹部使转子部段卸压。
图4a：汪克尔机的转子包括中间的转子部段42和两个侧环43。两个侧环43利用突起46和榫舌47接合到活塞中间部件42的侧向的环形槽44和径向槽45中。在活塞中间部件中具有通孔49，在该通孔中设置压力弹簧50，该压力弹簧支撑在侧环43的突起46上、将该侧环压抵在机器的侧壁上并密封转子以防止周向环流。该侧环43不具有传递转矩的功能。
图4d：成型薄板51在区域51a中具有其全部厚度。在区域51b中该成型薄板仅具有一半厚度。将两个相同的成型薄板相互搭接地叠置成，使得这两个成型薄板形成一板组，该板组被这样插入转子的横向槽48和径向槽45中，使得两个侧面51a指向转子的侧面，侧环43的榫舌47伸入切口51e中。榫舌47和切口51e以所述搭接在转子的侧面上形成闭合的密封结构。
图4b：两个成型薄板51利用覆盖件51c在薄板组的内部形成一腔，在该腔中设置有压力楔52，该压力楔抵靠在倾斜件51d上并被压力弹簧53压抵在该倾斜件上。该压力弹簧53支撑在榫舌47上，使得弹性力作为密封力沿径向方向和轴向方向作用在成型薄板51上。从而与作用在侧环43上的压力弹簧50的弹性力一起，实现了相对于壳体壁密封转子的弹性密封系统。
图4c：图4c示出了完整地配备有由成型薄板51组装成的薄板组以及侧环43的转子。
图5a：所述机器的旋转活塞的转子包括转子部段54、55，所述转子部段通过将环形突起57装入环形槽56中，而具有相对于中间轴起作用的密封结构。同样，与转子部段54和55固定连接的、由相同材料或者其他适合牢固嵌入的材料制成的密封唇58插入彼此中。此外，该密封唇58具有铣削部59，该铣削部可实现相互插入。在转子部段54和55中，在密封唇58旁具有几何形状合适的铣出部60，如果需要密封唇58的反向弹性作用的摩擦力和压力沿转子的周向方向作用在密封唇58上，则该铣出部具有卸载应力的功能。
图5b：在图5b中，使转子部段54和55在相同的轴线方向上这样相互面对，使得突起57指向环形槽56。在将转子部段55插入转子部段54中时，密封唇58以其铣削部59这样插入彼此中，使得在转子的径向方向和轴向方向上实现一动态的、在转子的运动过程中起作用的密封性。
通过弹簧62的弹性力实现了相对于壳体的端面对转子部段54和55的密封。在活塞部段54和55的外侧上的凹部63致使，在转子部段54和55的分界接缝中作为朝向转子的端面作用的摩擦力起作用的介质力在很大程度上由从外部起作用的介质力补偿。

Claims (17)

1.一种旋转活塞机的密封系统，其特征在于，转子包括并排设置的转子盘，所述转子盘设置在公共的转子轴上并被作用于所述盘之间的接缝中的弹性力和/或气体力相互压离，使得所述盘的指向壳体侧壁的端面密封地贴靠在所述壳体侧壁上，从而阻止通向轴的介质通路。
2.根据权利要求1所述的旋转活塞机的密封系统，所述旋转活塞机具有转子，其中，在所述盘之间的部件接缝中设置有含可动成型薄板的组，该含可动成型薄板的组与变化的接缝宽度相匹配，阻止转子被介质在内部环流。
3.根据权利要求1所述的旋转活塞机的密封系统，所述旋转活塞机具有转子，其中，在所述盘之间布置有含可动成型薄板的组，该含可动成型薄板的组与从转子轴到壳体滚道的变化的径向间距相匹配，阻止转子被介质在外部环流。
4.根据权利要求1所述的旋转活塞机的密封系统，所述旋转活塞机具有转子，其中，应用可动成型薄板，该成型薄板通过相互覆盖形成迷宫式密封结构，所述迷宫式密封结构在部件接缝中以及在与壳体滚道的接触位置处形成对转子的动态密封。
5.根据权利要求1所述的旋转活塞机的密封系统，所述旋转活塞机具有转子，其中，应用可动成型薄板，该成型薄板相互覆盖成，利用其相互覆盖形成用于接纳压力弹簧的腔，该压力弹簧施加作用力以沿横向于部件接缝的轴线方向并沿朝向转子与壳体滚道的接触位置的径向方向使所述成型薄板相互离开地伸出。
6.根据权利要求1所述的旋转活塞机的密封系统，所述旋转活塞机具有转子，其中，使用具有斜棱的可动成型薄板，以使一压力楔通过在所述斜棱上的力分解不仅在成型薄板相互覆盖时将所述成型薄板相互压离，而且沿径向方向将成型薄板的组压抵在壳体滚道上。
7.根据权利要求1所述的旋转活塞机的密封系统，所述旋转活塞机具有转子，其中，应用可动成型薄板，该成型薄板相互覆盖成，通过相互覆盖形成一用于接纳压力楔的腔，该压力楔借助弹性力压抵在成型薄板的斜棱上，并使得成型薄板贴靠在侧向的壳体壁和径向的壳体壁上。
8.根据权利要求1所述的旋转活塞机的密封系统，所述旋转活塞机具有转子，其中，应用可动成型薄板，该成型薄板相互覆盖，在其相互覆盖时得到转子的沿径向方向贴靠壳体滚道的、可动的、优选倒圆角的密封棱和沿侧向方向贴靠壳体侧面的平的密封面。
9.根据权利要求1所述的旋转活塞机的密封系统，所述旋转活塞机具有转子，其中，所述转子盘在彼此相对的侧上围绕公共的轴具有突起和环形槽，所述突起和环形槽插入彼此中以形成迷宫式密封结构，所述迷宫式密封结构阻止通向旋转轴的介质通路。
10.根据权利要求1所述的旋转活塞机的密封系统，所述旋转活塞机具有转子，其中，所述转子盘在彼此相对的侧上具有径向槽，在所述径向槽中插入成型薄板的组，所述成型薄板的组阻止通向旋转活塞机的其它工作腔的介质通路。
11.根据权利要求1所述的旋转活塞机的密封系统，所述旋转活塞机具有转子，其中，所述转子盘具有分布于周向的槽，在所述槽中插入成型薄板的组，该成型薄板的组在整个转子宽度上张开，在侧向和径向上阻止通向旋转活塞机的其它工作腔的介质通路。
12.根据权利要求1所述的旋转活塞机的密封系统，所述旋转活塞机具有转子，其中，插入所述转子盘之间的成型薄板由于其特性，在能够实现由弹性力引起该成型薄板沿两个轴线方向的大小变化的同时，还能够在机器运动过程中实现活塞的所有形状变化，进而在旋转活塞的每个结构角度范围中实施通用迷宫式密封的功能。
13.一种具有转子的旋转活塞机的密封系统，所述转子包括并排布置的转子盘，其特征在于，所述转子盘设计成，使得所述转子盘具有在分布于周向的外侧上的固定密封板条，所密封板条在整个转子宽度上伸展，通过在转子材料中除了设置所述密封板条外还设置有分布于周向的凹部，使所述密封板条在周向方向上具有软弹性，所述凹部引起比周围转子材料小的弹性形状稳定性，从而通过转子对壳体壁的压力在密封的同时实现密封板条的与活塞运动方向相反的弹性弯曲。
14.根据权利要求13所述的具有转子的旋转活塞机的密封系统，其中，所述转子盘设计成，使得所述密封板条在其长度的一部分中沿其宽度呈阶梯状，以使所述密封板条能够与相对侧的呈阶梯状的密封板条相互插接，从而得到连续的密封板条，所述连续的密封板条沿径向密封地贴靠在壳体滚道上，沿侧向密封地贴靠在壳体侧面上。
15.根据权利要求13所述的具有转子的旋转活塞机的密封系统，其中，所述转子盘设计成，使得所述密封板条朝向转子中心以槽和棱键进一步导入环形槽和突起中，使得转子盘的彼此相对的侧中形成封闭的迷宫式密封系统。
16.根据权利要求13所述的具有转子的旋转活塞机的密封系统，其中，所述密封板条能由其它的材料制成，所述材料可以通过嵌入或其它工艺过程而区别于嵌入有所述材料的转子盘的特性。
17.一种旋转活塞机的密封系统，所述旋转活塞机具有包括并排设置的转子盘的转子，其特征在于，所述转子盘在指向壳体壁的端面上、在外棱的区域中具有平的凹部，借助于该凹部通过介质压力产生力，所述力反作用于在转子盘之间的分界接缝中起作用的介质力和弹性力，进而将在指向壳体壁的端面上的摩擦减小到密封所需的大小。
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