CN102588088A - 螺纹转子发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺纹转子发动机，旨在提供一种转子同轴传动动力轴、运转平稳、不易磨损且能够实现能量梯级利用、燃料利用率很高的热力发动机，该发动机结构简单、运行平稳且节能环保。其技术方案要点是：发动机气体做功单元包括转子、缸体和滑塞，转子的主体部分为螺杆状，与动力轴同轴安置，其螺纹牙顶面与缸体壁面密封接触，且所述缸体壁面围成的型腔与转子同轴，缸体上设置有纵向的滑槽，滑塞为对角相通的十字形结构，置放于转子的螺纹槽内用于阻挡气体通过并沿滑槽和螺纹槽滑动配合转子的转动，转子截面较小的一端连通膨胀气体。发动机包括至少两个相联动的做功单元，交替进行膨胀行程，通过交替传动单向离合器向外输出动力。

Description

螺纹转子发动机

技术领域

本发明涉及一种转子发动机，尤其是一种转子同轴传动动力轴的螺纹转子发动机。

背景技术

转子式热力发动机是指将气体的膨胀力直接转化为驱动动力轴转动的驱动扭矩的一类发动机，相对于最常用的往复式发动机来说，转子发动机取消了无用的直线运动，因而摩擦和能量损失少，能更高效的将热能转化为机械能，而且零部件少运行平稳，具有较大应用优势。目前公知的处于实用阶段的转子发动机为三角活塞旋转式转子发动机，其做功原理是气体膨胀压力作用在与动力轴偏心安置的转子的侧面使转子转动，三角转子通过齿数较多的以其中心为中心的内齿圈传动齿数较少的以动力轴中心为中心固定在动力轴上的齿轮产生一个使动力轴转动的切线力，驱动动力轴转动。三角转子的中心绕动力轴中心公转的同时，三角转子本身又绕其中心自转。此种发动机存在的主要缺点是，转子不能同轴传动动力轴，运转过程中会产生额外的偏心震动，同时转子偏心运动的方式使得其在做功时缸体的一个区域受到巨大的冲击，造成这个区域磨损剧烈，磨损的不平衡极大的降低了发动机的使用寿命。

另外，此类发动机气体做功过程中三角转子受膨胀气体压力的面积几乎不变，由于气体在膨胀做功过程中随着温度逐渐降低，压强逐渐减小，所以作用于转子上的力也逐渐减小，并且膨胀气体作用于转子上的力分解为一个驱动动力轴转动的力和一个指向动力轴轴线的力，随着转子的转动，膨胀气体在做功后期驱动动力轴转动的分力逐渐变小，这两个因素使膨胀气体在做功后期驱动动力轴转动的切线力大幅减小，而切线力相对于转轴中线的距离不变，所以驱动动力轴转动的力矩也大幅减小，当力矩减小到不足以维持动力轴转动必要的扭矩时，气体结束做功被排放到环境中，此时气体的温度还很高，压强仍高于外界环境气压数倍。其缺点还在于：气体膨胀做功的后期，驱使动力轴转动的力矩大幅减小，不能使压强较低的气体产生足够的扭矩继续做功，不能将燃料的能量进行梯级利用，所以仅有少量的热能被转化为机械能，大量的热能被作为余热排放到了环境中，发动机排气温度和排气压强较高，造成燃料利用率不高的现象。

发明内容

为解决上述发动机所存在的问题，本发明的主要目的是提供一种转子与动力轴同轴转动，可同轴传动动力轴，运转平稳，且转子对缸体磨损平衡的螺纹转子发动机。

其次，本发明的目的还在于提供一种能将燃料的能量进行梯级利用，燃料利用率很高的螺纹转子发动机。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：

一种螺纹转子发动机，包括气体做功单元，所述做功单元包括转子、缸体和滑塞，转子的主体部分为螺杆状，与动力轴同轴安置，其螺纹牙顶面与缸体壁面密封接触，且所述缸体壁面围成的型腔与转子同轴，缸体上设置有滑槽，滑塞置放于转子的螺纹槽内用于阻挡气体通过并沿滑槽和螺纹槽滑动配合转子的转动。

所述滑塞与螺纹槽槽壁、槽底、缸体内壁及滑槽内壁密封接触，将缸体内壁与螺纹槽构成的通道分隔为四个以上区域，其中膨胀气体所在的区域和一个与之对应的区域相连通。滑塞在彼此相连通的区域中所受膨胀气体压力的合力大小相等、方向相反。 转子的主体部分为锥形螺杆状。转子通过传动单向离合器输出动力。转子截面较小的一端连通膨胀气体，截面较大的一端与滑塞之间的螺纹槽内注有冷却润滑油。所述发动机包括两两相对应的两个或四个做功单元组，每个做功单元组包括两个彼此镜像的做功单元，这两个做功单元的转子刚性连接。相对应的做功单元组驱动两根动力轴，两根动力轴通过轴传动机构共同传动输出轴。相对应的两个做功单元组通过转子联动机构相联动。相对应的做功单元组通过润滑油通道彼此相连通。

由于采用上述技术方案，本发明提供的螺纹转子发动机的有益效果是：1、运转平稳。2、转子对缸体的磨损均衡3、做功单元内效率较高。4、可实现对热能的梯级利用，提高了燃料的利用率。

四、附图说明

图1为气体做功单元的俯视图

图2为图1的B—B剖视图

图3为发动机气体做功单元的立体剖切图

图4为缸体主视图

图5为缸体轴测图

图6为转子主视图

图7为转子轴测图

图8为滑塞主视图

图9为滑塞左视图

图10为滑塞俯视图

图11为滑塞轴测图

图12为本发明作为内燃机的简易构造图

图13为图12的立体剖切图

图14为本发明作为汽轮机的简易构造图。

图中：1、缸体   2、转子  3、端盖  4、动力轴5、滑塞 6、单向离合器 7、滑槽  8、轴传动机构  9、润滑油通道  10、转子联动机构  11、输出轴  12、做功单元组  

 五、具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细描述。

图2、图3为本发明气体做功单元的实施例，图中做功单元包括转子2、缸体1和滑塞5，转子2的主体部分如图6—7所示为锥形螺杆状，与动力轴4同轴安置，其螺纹牙顶面与缸体1内壁面密封接触，且所述缸体1内壁面所围成的型腔与转子2同轴，这样转子2可以绕自身轴线使螺纹牙顶面紧贴缸体1内壁面在缸体内旋转，将螺纹槽内的气体局限在螺纹槽与缸体1内壁所构成的通道内。缸体1上设置有滑槽7，滑塞5置放于螺纹槽内沿滑槽7和螺纹槽滑动，并将缸体1内壁与螺纹槽所构成的通道隔断，起到阻挡螺纹槽内膨胀气体通过的作用，并通过滑动配合转子的转动。最好使滑塞5的滑动轨迹与转子2轴线处于同一平面，并如图8—11所示将其设计为两块板状物彼此垂直相交的十字形结构，使其外缘与螺纹槽槽壁、槽底、缸体2内壁及滑槽7内壁密封接触，将缸体1内壁与螺纹槽所构成的通道阻隔为四个区域，其中十字形对角的两个区域通过连通结构两两相通，并使滑塞5构成两个相通区域边界的四个部分有效受力面积相等，这样的结构使滑塞5在彼此相通的区域内所受膨胀气体压力的合力相等且方向相反，彼此相互抵消。所述转子2通过传动单向离合器6传动动力轴4。做功单元转子2截面较小的一端连通膨胀气体，转子2截面较大的一端与滑塞5之间的螺纹槽内加注有冷却润滑油。

图12、图13为本发明作为内燃机的实施例，发动机包括两两相对应的四个传动方向相同的做功单元组12，每个做功单元组12包括两个彼此镜像的做功单元（做功单元的实施方式如上述实施例所述），这两个做功单元的转子2按镜像方式刚性连接，同侧的缸体1末端相互贴合。相对应的做功单元组12通过润滑油通道9彼此相连通，并通过转子联动机构10相联动，使其转子2的转动方向相反。相对应的做功单元组12共驱动两根动力轴4，并通过轴传动机构8使两根动力轴4共同传动输出轴11，使输出轴11沿同一方向旋转。同一根动力轴4上的两个做功单元组的转子2刚性连接。做功单元转子截面较小的一端充当燃烧室，其端盖3上设置有进排气口。

图14为本发明作为汽轮机的实施例，发动机包括相对应的两个传动方向相同的做功单元组12，相对应的做功单元组的实施方式如上述作为内燃机的实施例所述。

本发明中，转子与动力轴同轴转动，可同轴传动动力轴，且螺杆状的转子其重量在径向上分布均衡，转子的运转过程几乎不产生震动，发动机运转平稳。其次，转子与缸体的接触面与转子同轴，所以转子转动时对缸体的磨损平衡。

我们知道，物体所受气体压力等于气体压强与物体受力面积的乘积，当膨胀气体的压强不变时，增大做功部件的受力面积可以增大其受力，另外，扭矩等于使轴转动的切线力与这个力到轴中线距离的乘积，切线力相同时增大这个力到转轴中线的距离可以增大转动的扭矩。为了使燃料燃烧所产生的能量得到梯级利用，在膨胀气体压力逐渐减小的过程中，可以通过逐渐增大做功部件（即转子）受膨胀气体压力的受力面积，以及增大驱使转轴转动的切线力与转轴（即动力轴）中线之间的距离来得到足够的扭矩，使较低压强的气体能够产生足够大的扭矩做功，从而提高燃料的利用率。本发明所提供的螺纹转子发动机的气体做功单元包括主体为锥形螺杆状的转子以及与之配套的缸体和滑塞，转子主体部分的螺纹牙顶面与缸体壁面密封接触，且所述缸体壁面围成的型腔与转子同轴，转子截面较小的一端连通膨胀气体。这样的结构使得膨胀气体只能沿螺纹槽膨胀，由于螺纹槽槽壁是一个斜面，膨胀气体作用于螺纹槽上就会产生一个使转子绕轴线转动的切线力。在螺纹槽中置放一个滑塞起到阻挡膨胀气体促使其作用于转子上驱动转子做功的作用。在缸体上设置一个纵向的滑槽，并使滑塞沿螺纹槽和滑槽滑动，可以使滑塞在转子不发生轴向移动的情况下通过滑动配合转子的转动。滑塞设计为两块板状物彼此垂直相交的十字形结构，使其外缘与螺纹槽槽壁、槽底、缸体内壁及滑槽内壁密封接触，将缸体内壁与螺纹槽所构成的通道阻隔为四个区域，对角的两个区域两两相通，并使滑塞构成两个相通区域边界的四个部分有效受力面积相等。这种结构使得滑塞对角的两个区域内气压相等，膨胀气体的压力能同时作用于滑塞构成这两个区域边界的四个部分上，使滑塞受膨胀气体压力大小相等、方向相反，彼此相互抵消，从而使滑塞总体上受力平衡，不因受膨胀力与做功单元其他部件产生额外的摩擦力，消除了做功单元内不必要的磨损，提高了做功单元的内效率。而锥形螺杆状的转子由截面小的一端到截面大的一端螺纹槽槽壁的表面积以及离轴线的距离逐渐增大，在相同的气压下力矩也逐渐增大，这样的结构可以使作用于其上的压强逐渐减小的膨胀气体能够产生足够大的扭矩做功，从而可以实现将膨胀气体的能量梯级利用的目的。

在热机产生的一百多年间，世界范围内使用的所有类型的变容式热机均不能够将燃料所产生的能量进行梯级利用，在使用能源的过程中仅利用了其中的一小部分，而将大部分的能源以余热的方式浪费掉了，其原因就在于不能使较低压力的膨胀气体产生足够的扭矩做功。本发明的创造性在于改变了热能的利用方式，使较低压力的气体也能产生足够的扭矩做功，从而使燃料大部分的能量能够得到有效利用。

气体的膨胀力作用于转子上还会产生一个轴向力，为此本发明提供的方案是使每个做功单元组包括两个彼此镜像的做功单元，这两个做功单元的转子按镜像方式刚性连接，使其在膨胀行程中传动方向相同而产生的轴向力方向相反，以此来抵消轴向力。为了使气体做功单元有效的运转起来，就要使滑塞在气体完成做功后回到原来的位置，也就需要使滑塞沿其轨迹反向运动，由于滑塞是由转子推动配合转子的旋转而运动的，这就需要转子在做功行程结束后反向旋转。为了实现这一目的，本发明设置了两个相对应的做功单元组，两个相对应的做功单元组可以通过转子联动机构相联动。当一个做功单元组进行膨胀行程时，滑塞由转子截面小的一端滑动到截面大的一端，另一个做功单元组的转子联动旋转进行排气行程或压缩行程将滑塞由转子截面较大的一端推到转子截面较小的一端，当另一个做功单元组的滑塞到达转子截面较小的一端进行膨胀行程时，又会带动前述与之相对应的做功单元组的转子反方向旋转将滑塞推动到转子截面较小的一端。两个做功单元组交替进行膨胀行程，使其转子交替进行正向和反向往复旋转，从而推动滑塞在转子截面较大的一端和较小的一端之间往复滑动，使做功单元平稳的运转起来。由于转子需要反向旋转，在此过程中不能与动力轴发生传动作用，所以设置单向离合器来使转子传动动力轴。单向离合器的作用在于，转子沿某一方向旋转的时候传动动力轴，而在反向旋转的时候不与动力轴发生传动作用进行空转。在转子截面较大的一端与滑塞之间的螺纹槽内加注润滑油，使相对应的两个做功单元组通过润滑油通道彼此相通，可以使润滑油在两个相对应的做功单元组中往复流动，对做功单元起到润滑和冷却的作用。为了使发动机的结构合理、布局紧凑，本发明使相对应的做功单元组分别驱动两根动力轴，并通过轴传动机构使两根动力轴共同传动输出轴，使输出轴沿同一方向旋转。这样，相对应的做功单元组通过单向离合器交替传动动力轴，两根动力轴交替传动输出轴，使输出轴对外输出动力。

本发明作为内燃机的运行方式：图13中，做功单元中膨胀气体沿螺纹槽膨胀，被滑塞5阻挡，压力作用于螺纹槽槽壁上驱使转子2转动带动动力轴4旋转做功。当一个做功单元组12进行膨胀行程时，其滑塞5沿滑槽由转子2截面小的一端滑动到截面大的一端，与其同轴的另一个做功单元组12的转子2同向转动，推动滑塞5也由转子2截面小的一端滑动到截面大的一端，进行吸气行程，而另一根动力轴4上的两个做功单元组12的转子2在联动机构10的作用下反向旋转，推动滑塞5由转子2截面大的一端滑动到截面小的一端，分别进行排气和压缩行程。当另一根动力轴上的做功单元组结束压缩行程进行膨胀行程时，所有转子均向上一行程旋转方向的反向旋转，使所有做功单元组按照排气、吸气、压缩、膨胀的顺序依次进行下一个行程，与往复式四冲程发动机类似，四个做功单元组12依次交替进行膨胀、排气、吸气、压缩四个行程。在发动机的运转过程中，做功单元的转子2不断进行正向和反向往复旋转，并通过单向离合器6传动动力轴4使其沿固定的方向转动。两根动力轴4通过轴传动机构8共同传动输出轴11，使其沿同一方向旋转输出动力。与此同时，冷却润滑油通过润滑油通道9在相对应的做功单元组中往复流动，起到冷却和润滑做功单元的作用。

本发明作为汽轮机时包括两个相对应的做功单元组，依次交替进行膨胀、排气两个行程，其运转方式与上述内燃机的方式类似。

使本发明所述发动机有效运转的关键在于，作为运动部件之一的滑塞为对角相通的十字形结构，气体的膨胀力能同时作用于对角相通的两个空间内，且构成十字形的四个部分有效受力面积相等，使得滑塞各部分所受膨胀气体的压力相等且相互抵消，总体受力平衡，不因受膨胀力与做功单元中的其他部分产生额外的摩擦，气体膨胀的压力仅对对外做功的转子发生作用，从而确保了做功单元较高的内效率。

以上所述转子主体部分是指转子转化能量（将膨胀气体的热能转化为机械能）的部分。所述密封接触是指相互接触时接触面紧贴对方并能在相对运动时阻止流体通过的接触方式。所述螺杆是指利用本身的螺纹（螺纹轴向延伸）传递运动或动力的机械结构。所述锥形螺杆是指螺纹外径沿轴线某一方向逐渐增大的螺杆。所述缸体壁面是指与转子主体部分螺纹牙顶面密封接触的缸体壁面。所述对应的区域是指受气体压力时受力相互抵消的区域。所述有效受力面积是指在垂直所受膨胀气体合力方向的平面上的投影面积。所述行程是指吸气、压缩、膨胀、排气四个过程中的某一过程。所述相对应的做功单元组是指交替进行膨胀行程的做功单元组。所述截面是指垂直于轴线的截面。

以上对本发明所提供的螺纹转子发动机进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式和应用范围上均会有改变之处，例如将转子主体部分设计为柱形螺杆（螺纹外径不变的螺杆）状，也在本发明的范围之内，综上所述，本发明书内容不应理解为对本发明的限制。  

Claims (10)

1.一种螺纹转子发动机，包括气体做功单元，其特征在于，所述做功单元包括转子、缸体和滑塞，所述转子主体部分为螺杆状，与动力轴同轴安置，其螺纹牙顶面与缸体壁面密封接触，且所述缸体壁面围成的型腔与转子同轴，所述缸体上设置有滑槽，所述滑塞置放于转子的螺纹槽内用于阻挡气体通过并沿滑槽和螺纹槽滑动配合转子的转动。

2.根据权利要求1所述的螺纹转子发动机，其特征在于，所述滑塞与螺纹槽槽壁、槽底、缸体内壁及滑槽内壁密封接触，将缸体内壁与螺纹槽构成的通道分隔为四个以上区域，其中膨胀气体所在的区域和一个与之对应的区域相连通。

3.根据权利要求1或2所述的螺纹转子发动机，其特征在于，所述滑塞在彼此相连通的区域中所受膨胀气体的合力大小相等、方向相反。

4.根据权利要求1所述的螺纹转子发动机，其特征在于，所述转子的主体部分为锥形螺杆状。

5.根据权利要求1或4所述的螺纹转子发动机，其特征在于，所述转子通过传动单向离合器输出动力。

6.根据权利要求1所述的螺纹转子发动机，其特征在于，所述转子截面较小的一端连通膨胀气体，截面较大的一端与滑塞之间的螺纹槽内注有冷却润滑油。

7.根据权利要求1所述的螺纹转子发动机，其特征在于，所述发动机包括两两相对应的两个或四个做功单元组，每个做功单元组包括两个彼此镜像的做功单元，这两个做功单元的转子刚性连接。

8.根据权利要求7所述的螺纹转子发动机，其特征在于，所述相对应的做功单元组驱动两根动力轴，两根动力轴通过轴传动机构共同传动输出轴。

9.根据权利要求7或8所述的螺纹转子发动机，其特征在于，所述相对应的做功单元组通过转子联动机构相联动。

10.根据权利要求7或8所述的螺纹转子发动机，其特征在于，所述相对应的做功单元组通过润滑油通道彼此相连通。

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