CN102877934A - 一种用于同心转子发动机的转子结构 - Google Patents
一种用于同心转子发动机的转子结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于同心转子发动机的转子结构,转子结构包括前端转子、后端转子以及传动杆;前端转子和后端转子相互交差且同轴地安装在转轴上形成一个转子系统;前端转子或者后端转子包括轮毂,轮毂的一端设有锥形面,锥形面的端部设有锥形槽,该锥形槽上设有密封环,在锥形面上设有转子叶片,转子叶片高出轮毂的外圆表面,前端转子和后端转子相互交差连接是通过反向侧板A和反向侧板B连接的,反向侧板A通过前端转子与后端转子连接,反向侧板B通过后端转子与前端转子连接,转子叶片、反向侧板A和反向侧板B的外圆面处于缸体的内圆面内。本发明避免了气缸气体易从转子中心和转子侧面泄露并减小了过多的摩擦损耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种转子发动机,具体地说涉及一种用于同心转子发动机的转子结构。
背景技术
目前出现的转子发动机,有申请号为01134215.3的中国发明专利,公开了一种自平衡的转子发动机,该发动机主要涉及两个相互交差放置的四叶片转子在一个圆缸体内作与转轴同心但交差变化的转动,总共形成八个气缸。转子相对转轴的变速转动是由一个内凸轮和两个摇臂滚子机构实现,转子的传动杆和转轴的传动杆与两个摇臂滚子机构相连接,四个滚子位于两个摇臂滚子机构的四个角上。当滚子在凸轮曲面上滚动时,转子传动杆相对转轴传动杆作变速转动。左右两侧的转轴传动杆的角度位置相差45°。当转轴作匀速转动时,两个转子作同一方向的变速转动,前端转子作加速转动时后端转子作减速转动,前端转子作减速转动时后端转子作加速转动,这种不断重复的转子转动过程使气缸张角不断重复从小到大再从大变小的变化。转轴每转动一圈,每个气缸完成两次发动机循环,因此八个气缸总共完成十六次发动机循环。通过凸轮曲线设计,两个转子变速产生的惯性力矩能够保持平衡。由于径向对称的两个气缸同时经历相同的发动机循环过程,发动机在工作过程中除了燃烧气体对两个转子产生的净功率外,气体产生的径向力和力矩构成近似的平衡。
然而在上述的设计中,转子中心密封是通过一个弹簧装置在转子末端的法兰端面上施加一个较大的轴向力,从而压紧两个转子中心密封件来实现。上述设计的转子叶片在传动杆一端是闭合的,相当于有一个正向侧板,气缸内气压在转子正向侧板的内侧会产生拉开两个转子的轴向力,这个轴向拉开力随着气体压力变化和气缸张角变化而变化。当气缸压力最大时形成的轴向力会很大,远远大于弹簧装置产生的轴向力,因此会导致气缸气体从转子中心快速泄露。当气缸压力很小时,相对较大的弹簧力又会导致在转子中心密封件间和在法兰端面上的轴向力过大,从而引起过多的摩擦损耗。
而且在上述设计中,转子侧面密封是通过弹簧装置把开口密封环或两片半圆密封环压紧在正向侧板的外圆面上来实现。通常的实现方法是在密封环外套有一个开口环,通过弹簧来压紧开口环从而压紧密封环。由于气缸气体压力和气缸张角随转轴位置变化而变化,因此达到密封要求所需的密封环上压紧力是随着转轴位置变化而变化的。但是弹簧提供的压紧力是不随这些因素变化的。如果保证气缸压力最大时密封环上有足够的弹簧压紧力,那么在气缸压力不高时,这个弹簧压紧力会过大,导致密封环与正向侧板外圆面间的摩擦损耗过大。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种用于同心转子发动机的转子结构,以克服现有技术中转子发动机气缸气体易从转子中心和转子侧面泄露以及存在过多摩擦损耗的缺陷。
(二)技术方案
为达到上述目的,本发明提供一种用于同心转子发动机的转子结构,所述转子结构包括前端转子、后端转子以及设于所述前端转子和后端转子上的传动杆;所述前端转子上的传动杆与所述后端转子上的传动杆有45°角的错位,所述传动杆上设有法兰,所述前端转子和后端转子相互交差且同轴地安装在所述转轴上形成一个转子系统;所述前端转子或者后端转子包括轮毂,所述轮毂的一端设有锥形面,所述锥形面的端部设有锥形槽,该锥形槽上设有密封环,在所述锥形面上设有转子叶片,所述转子叶片高出所述轮毂的外圆表面,所述前端转子和后端转子相互交差连接是通过反向侧板A和反向侧板B连接的,所述反向侧板A通过前端转子与所述后端转子连接,所述反向侧板B通过后端转子与所述前端转子连接,所述转子叶片、反向侧板A和反向侧板B的外圆面处于缸体的内圆面内。
其中,所述转子叶片根部设为一个三角形体,在所述三角形体上部设有长方形体。
其中,在所述前端转子和后端转子相互交差连接处形成气缸,所述气缸内的锥形轮毂面和所述反向侧板A或反向侧板B的内侧面在垂直于转轴的平面上投影为一个小扇形面,以及在所述小扇形面上部的大扇形面,所述小扇形面和大扇形面满足如下公式:其中:R1为小扇形面内半径,R2为大扇形面内半径,R3为大扇形面外半径;且所述大扇形面在圆周方向上朝外偏离小扇形面一个角度α2。
其中,在所述长方形体的表面可根据燃烧室形状设置为平面、凹面或凸面。
其中,所述反向侧板A或者反向侧板B包括侧板本体、密封片、平衡块以及摇臂;所述侧板本体两边设有左开口槽和右开口槽,所述左开口槽内通过所述摇臂设有所述平衡块,所述平衡块在所述左开口槽内作径向滑动,所述右开口槽内通过所述摇臂设有所述密封片,所述密封片在所述右开口槽内作径向滑动。
其中,所述密封片包括上密封片和下密封片,所述上密封片外径为一光滑圆面,内径上设有齿槽;所述下密封片外径上设有齿槽,内径为一光滑圆面;所述上密封片和下密封片通过齿槽相啮合且所述上密封片和下密封片在所述齿槽内作径向滑动,在所述转子转动时,所述上密封片的惯性力迫使其沿径向向外滑动直到压紧所述缸体内圆面,从而密封住所述反向侧板A或者反向侧板B的外圆面。
其中,所述平衡块的重量大于所述下密封片的重量。
其中,所述摇臂穿过所述侧板本体的通槽,且所述摇臂的中心凸面与所述侧板本体通槽内的凹面相配,所述摇臂的左侧凸面与所述平衡块通槽内的凹面相配,所述摇臂的右侧凸面与所述下密封片凸台相配,在所述转子转动时,所述摇臂中心凸面成为支点,在所述平衡块的惯性力大于所述下密封片的惯性力的情况下,在支点上产生的惯性力矩之差迫使所述下密封片沿径向向内滑动直到压紧所述轮毂的外圆表面,从而密封住所述反向侧板A或者反向侧板B的内圆面。
其中,所述反向侧板A与所述后端转子或者所述反向侧板B与所述前端转子是通过螺丝连接的。
(三)有益效果
与现有技术相比,本发明通过对转子结构的改进设计来消除了气缸压力在转子上产生的轴向拉开力,并且确保在任何转轴位置上气缸压力在转子上产生的轴向力是朝向转子中心的。通过气缸压力来密封转子中心,一方面在气缸压力最大时有足够的密封压力来避免气缸气体从转子中心泄露,另一方面在气缸压力较小时又不产生过大的摩擦损耗;同时也通过转速惯性力和气缸压力来密封转子侧面,一方面在气缸压力最大时有足够的密封压力来避免气缸气体从转子侧面泄露,另一方面在气缸压力较小时又不产生过大的摩擦损耗。
附图说明
图1是申请号为01134215.3所示的自平衡的转子发动机分解结构示意图;
图2是图1中转子系统分解结构示意图;
图3是图1中转子侧面密封结构示意图;
图4是本发明用于同心转子发动机的转子结构分解示意图;
图5是图4中前端转子或者后端转子的结构示意图;
图6是图5中前端转子或者后端转子另一角度的示意图;
图7是本发明气缸内的锥形轮毂面和反向侧板A或反向侧板B的内侧面在垂直于转轴的平面上投影面积示意图;
图8是图4中反向侧板A或者反向侧板B的结构示意图;
图9是图8中密封片的结构分解示意图;
图10是本发明反向侧板A或者反向侧板B横向截面结构示意图;
图11是本发明转子形成气缸的结构示意图;
图12是本发明转子形成气缸另一角度的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
申请号为01134215.3的自平衡的转子发动机如图1、2、3所示,在这种转子发动机中,有两个相互交差放置的前端转子1和后端转子2并在缸体3内作与转轴4同心但交差变化的转动。所述的前端转子1设有四个转子叶片5a、5b、5c、5d;所述的后端转子2设有四个转子叶片6a、6b、6c、6d,在交差的转子叶片中形成气缸7,共八个,缸体3上设置有两个进气口8a、8b,两个排气口9a、9b和两个点火装置10a、10b,并且它们之间形成径向对称。转子上的两个传动杆15a、15b外分别设有转动的圆套16a、16b,并与两个摇臂滚子机构12、13形成一个菱形结构。摇臂滚子机构12、13的中心分别设有一个圆柱形滑块17、18,而转轴传动杆14a、14b、14c的两端分别与滑块17、18相连接;摇臂滚子机构12、13的两个角上分别安装有滚子。当四个滚子在一个内凸轮11的双曲面21上滚动时,转子上的传动杆15a和15b相对转轴上的传动杆14a、14b、14c作变速转动。左右两侧转轴上的传动杆的角度位置相差45°。当转轴4作匀速转动时,前端转子1和后端转子2作同一方向的变速转动,前端转子作加速转动时后端转子作减速转动,前端转子作减速转动时后端转子作加速转动,这种不断重复的转子转动过程使气缸张角不断重复从小到大再从大到小的变化。转轴每转动一圈,每个气缸完成两次发动机循环,因此八个气缸总共完成十六次发动机循环。通过凸轮曲线设计,两个转子变速产生的惯性力矩能够保持平衡。由于径向对称的两个气缸同时经历相同的发动机循环过程,发动机在工作过程中除了燃烧气体对两个转子产生的净功率外,气体产生的径向力和力矩构成近似的平衡。
在转子中心密封上,在转子叶片5a、5b、5c、5d或6a、6b、6c、6d靠近传动杆的一端将该转子叶片一端设有一挡圈,相当于有一个正向侧板28a、28b。在转子上的传动杆末端有法兰24、25,转子中心有密封环26、27。通过在转轴4上安装一个强力弹簧装置22、23向转子法兰端面上施加一个朝向转子中心的轴向力,从而压紧两个转子中心密封环来实现转子中心的密封。
在转子侧面密封上,采用了两片半圆密封环30,在密封环外圆上套有一个开口环31。通过在缸体3径向上开多个孔安装弹簧来压紧开口环31外圆,从而把密封环30压紧在正向侧板28b外圆面29上来实现转子侧面的密封。
本发明的用于同心转子发动机的转子结构如图4、图5、图6所示,所述转子结构包括前端转子01、后端转子02以及设于所述前端转子01传动杆安装孔040和后端转子02传动杆安装孔上的传动杆03、04;所述前端转子01上的传动杆03与所述后端转子02上的传动杆04有45°角的错位,所述传动杆03、04上设有法兰05、06,所述前端转子01和后端转子02相互交差且同轴地安装在所述转轴上形成一个转子系统;在所述前端转子01和后端转子02相互交差连接处形成气缸07,共八个;所述前端转子01或者后端转子02包括轮毂08,所述轮毂08的一端设有锥形面09,所述锥形面09的端部设有锥形槽010,该锥形槽010上设有密封环011,在所述锥形面09上设有转子叶片012,所述转子叶片012高出所述轮毂08的外圆表面,所述前端转子01和后端转子02相互交差安装是通过反向侧板A013和反向侧板B014连接的,所述反向侧板A013通过前端转子01与所述后端转子014连接,所述反向侧板B014通过后端转子014与所述前端转子013连接,所述反向侧板A013与所述后端转子02或者所述反向侧板B014与所述前端转子01是通过螺丝039连接的,即螺丝039与转子叶片上的螺纹孔042相配。所述转子叶片012、反向侧板A013和反向侧板B014的外圆面处于缸体015的内圆面060内。
所述转子叶片012根部设为一个三角形体016,在所述三角形体016上部设有长方形体017。在所述长方形体017形成所述气缸的表面38可根据燃烧室形状设置为平面、凹面或凸面。
如图7所示,示出了所述气缸内的锥形轮毂面和所述反向侧板A或反向侧板B的内侧面在垂直于转轴的平面上投影面积,为一个小扇形面018,以及在所述小扇形面018上部大扇形面019,所述小扇形面018和大扇形面019满足如下公式:其中:R1为小扇形面018内半径,R2为大扇形面019内半径,R3为大扇形面019外半径;且所述大扇形面019在圆周方向上朝外偏离小扇形面018一个角度α2。大扇形面019为反向侧板A或反向侧板B的内侧面面积,包括虚线内面积A2和虚线外面积A3,虚线外面积A3就是大扇形面019在圆周方向上朝外偏离小扇形面018一个角度α2。气缸内的锥形轮毂面46的投影面积A1与面积A2是随气缸张角α1变化,但面积A3不随α1变化,它只与角度α2有关。在设计中让面积A1和A2相等,也就是锥形轮毂面最小半径即小扇形面018内半径R1、内侧面最小半径即大扇形面019内半径R2和最大半径即大扇形面019外半径R3之间就满足这样的几何关系:那么气缸压力P在面积A1和A2上的轴向力就互相抵消,在转子上产生的净轴向力只有在面积A3上产生的轴向力,并且总是朝向转子中心的。因此转子中心密封的压紧力是2A3P。当气体压力越大时产生的密封压紧力越大。当气体压力小时,密封压紧力也小,这样就避免了不必要的摩擦损耗。
如图8所示,所述反向侧板A或者反向侧板B包括侧板本体020、密封片021、平衡块022以及摇臂023;所述侧板本体020两边设有四个左开口槽024和四个右开口槽025,所述左开口槽024内通过所述摇臂023设有所述平衡块022,所述平衡块022在所述左开口槽024内作径向滑动,该平衡块的惯性力是通过摇臂迫使其沿径向向内滑动直到顶住轮毂的外圆表面。所述右开口槽025内通过所述摇臂023设有所述密封片021,所述密封片021在所述右开口槽025内作径向滑动。所述平衡块022的重量大于所述下密封片027的重量。
如图9所示,所述密封片021包括上密封片026和下密封片027,所述上密封片026外径为一光滑圆面,内径上设有齿槽028;所述下密封片027外径上设有齿槽029,内径为一光滑圆面;所述上密封片026和下密封片027通过齿槽028、029相啮合且所述上密封片026和下密封片027在所述齿槽028、029内作径向滑动,当所述转子转动时,所述上密封片026的惯性力迫使其沿径向向外滑动直到压紧所述缸体015内圆面060,从而密封住所述反向侧板A或者反向侧板B的外圆面。又因为上密封片026和下密封片027之间在径向上出现间隙,在间隙内的气体压力进一步让上密封片压紧缸体015内圆面060,让下密封片压紧轮毂外圆表面。并且这种相互之间的齿槽啮合导致气缸内气体通过这个间隙泄露到旁边气缸的量很小。
如图10所示,用摇臂平衡下密封片惯性力。所述摇臂023穿过所述侧板本体020的通槽030,且所述摇臂023的中心凸面031与所述侧板本体020通槽030内的凹面033相配,所述摇臂023的左侧凸面034与所述平衡块022通槽035内的凹面036相配,所述摇臂023的右侧凸面037与所述下密封片027凸台038相配,当所述转子转动时,所述摇臂023中心凸面031成为支点,由于所述平衡块022的惯性力大于所述下密封片027的惯性力,在支点上产生的惯性力矩之差迫使所述下密封片027沿径向向内滑动直到压紧所述轮毂的外圆表面。
如图11、图12所示,示出了转子形成的气缸。在气缸7内,气体压力在转子043的锥形轮毂面46上产生的轴向力使前端转子和后端转子远离转子中心,而在与前端转子和后端转子相连接的反向侧板A和反向侧板B的内侧面47上产生的轴向力使转子朝向转子中心。
本发明因为在原有技术中去掉了正向侧板,让转子叶片高出所述轮毂的外圆表面,这样气缸压力就不会在转子上产生拉开前后端转子的轴向力。但是这样会导致轮毂外圆面的半径过小,因而前后端转子上的传动杆不能直接连接到前后端转子侧面内。为了解决这个问题,所述轮毂的一端采用锥形面,转子叶片根部设为一个三角形体,在三角形体上部设有长方形体。在长方形体形成所述气缸的表面可根据燃烧室形状设置为平面、凹面或凸面。大扇形面在圆周方向上朝外偏离小扇形面一个角度α2。气缸压力在转子锥形面上也会产生拉开转子的轴向力,为了平衡这个轴向力,在转子叶片的另一端连接一个反向侧板,也称为反向侧板A或者反向侧板B。气缸压力在反向侧板上产生的轴向力是朝向转子中心的。锥形轮毂面最小半径即小扇形面内半径R1、内侧面最小半径即大扇形面内半径R2和最大半径即大扇形面外半径R3之间就满足这样的几何关系:当大扇形面偏离小扇形面的角度α2为零时,气缸压力在反向侧板上产生的轴向力与气缸压力在锥形面上产生的轴向力互相抵消。大扇形面偏离小扇形面的角度α2就可以保证,气缸压力在转子中心形成的轴向力永远是压紧力,并且这个压紧力只与气缸压力和偏离面积有关,与气缸张角无关。当气体压力越大时产生的密封压紧力越大,这样就保证了转子中心密封是靠气体压力,而不是靠一个强力弹簧装置提供一个压紧转子的预轴向力来实现。当气体压力小时,密封压紧力也小,这样就避免了不必要的摩擦损耗。
在本发明的转子中,位于反向侧板A或反向侧板B内侧有四组上下密封片,上密封片内边有一个同向多齿槽,下密封片外边也有一个同向多齿槽,上下密封片通过齿槽相啮合,并且在齿槽内及在侧板开口槽内小幅度径向滑动。当转子转动时,惯性力迫使上密封片沿径向向外滑动直到顶住缸体内圆面,从而密封住反向侧板A或反向侧板B外圆面。但是惯性力也迫使下密封片远离转子侧面的另一个密封面(轮毂的外圆表面),本发明的转子设计采用了在侧板外侧放置四个平衡块来解决这个问题,并且让平衡块产生的惯性力略大于下密封片产生的惯性力,每个对应的平衡块和下密封片都通过一个摇臂穿过侧板主体上的一个通槽连接起来形成一个摇臂机构。
本发明通过对转子的改进设计来消除了气缸压力在转子上产生的轴向拉开力,并且确保在任何转轴位置上气缸压力在转子上产生的轴向力是朝向转子中心的。进而提出一种靠气缸压力来密封转子中心的方法,一方面在气缸压力最大时有足够的密封压力来避免气缸气体从转子中心泄露,另一方面在气缸压力较小时又不产生过大的摩擦损耗;同时也提出一种靠转速惯性力和气缸压力来密封转子侧面的方法,一方面在气缸压力最大时有足够的密封压力来避免气缸气体从转子侧面泄露,另一方面在气缸压力较小时又不产生过大的摩擦损耗。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于同心转子发动机的转子结构,所述转子结构包括前端转子(01)、后端转子(02)以及设于所述前端转子(01)和后端转子(02)上的传动杆(03、04);所述前端转子(01)上的传动杆(03)与所述后端转子(02)上的传动杆(04)有45°角的错位,所述传动杆(03、04)上设有法兰(05、06),所述前端转子(01)和后端转子(02)相互交差且同轴地安装在所述转轴上形成一个转子系统;
其特征在于:所述前端转子(01)或者后端转子(02)包括轮毂(08),所述轮毂(08)的一端设有锥形面(09),所述锥形面(09)的端部设有锥形槽(010),该锥形槽(010)上设有密封环(011),在所述锥形面(09)上设有转子叶片(012),所述转子叶片(012)高出所述轮毂(08)的外圆表面;所述前端转子(01)和后端转子(02)相互交差连接是通过反向侧板A(013)和反向侧板B(014)连接的,所述反向侧板A(013)通过前端转子(01)与所述后端转子(014)连接,所述反向侧板B(014)通过后端转子(014)与所述前端转子(013)连接,所述转子叶片(012)、反向侧板A(013)和反向侧板B(014)的外圆面处于缸体(015)的内圆面内。
2.根据权利要求1所述的用于同心转子发动机的转子结构,其特征在于:所述转子叶片(012)根部设为一个三角形体(016),在所述三角形体(016)上部设有长方形体(017)。
4.根据权利要求3所述的用于同心转子发动机的转子结构,其特征在于:在所述长方形体(017)的表面(38)可根据燃烧室形状设置为平面、凹面或者凸面。
5.根据权利要求1所述的用于同心转子发动机的转子结构,其特征在于:所述反向侧板A(013)或者反向侧板B(014)包括侧板本体(020)、密封片(021)、平衡块(022)以及摇臂(023);所述侧板本体(020)两边设有左开口槽(024)和右开口槽(025),所述左开口槽(024)内通过所述摇臂(023)设有所述平衡块(022),所述平衡块(022)在所述左开口槽(024)内作径向滑动,所述右开口槽(025)内通过所述摇臂(023)设有所述密封片(021),所述密封片(021)在所述右开口槽(025)内作径向滑动。
6.根据权利要求5所述的用于同心转子发动机的转子结构,其特征在于:所述密封片(021)包括上密封片(026)和下密封片(027),所述上密封片(026)外径为一光滑圆面,内径上设有齿槽(028);所述下密封片(027)外径上设有齿槽(029),内径为一光滑圆面;所述上密封片(026)和下密封片(027)通过齿槽(028、029)相啮合且所述上密封片(026)和下密封片(027)在所述齿槽(028、029)内作径向滑动,在所述转子转动时,所述上密封片(026)的惯性力迫使其沿径向向外滑动直到压紧所述缸体(015)内圆面,从而密封住所述反向侧板A(013)或者反向侧板B(014)的外圆面。
7.根据权利要求6所述的用于同心转子发动机的转子结构,其特征在于:所述平衡块(022)的重量大于所述下密封片(027)的重量。
8.根据权利要求7所述的用于同心转子发动机的转子结构,其特征在于:所述摇臂(023)穿过所述侧板本体(020)的通槽(030),且所述摇臂(023)的中心凸面(031)与所述侧板本体(020)通槽(030)内的凹面(033)相配,所述摇臂(023)的左侧凸面(034)与所述平衡块(022)通槽(035)内的凹面(036)相配,所述摇臂(023)的右侧凸面(037)与所述下密封片(027)凸台(038)相配,在所述转子转动时,所述摇臂(023)中心凸面(031)成为支点,在所述平衡块(022)的惯性力大于所述下密封片(027)的惯性力的情况下,在支点上产生的惯性力矩之差迫使所述下密封片(027)沿径向向内滑动直到压紧所述轮毂(08)的外圆表面,从而密封住所述反向侧板A(013)或者反向侧板B(014)的内圆面。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的用于同心转子发动机的转子结构,其特征在于:所述反向侧板A(013)与所述后端转子(02)或者所述反向侧板B(014)与所述前端转子(01)是通过螺丝(039)连接的。
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