CN1033675A - 高效旋转式蒸汽发动机 - Google Patents

Abstract

旋转式蒸汽发动机包括具有两个环形腔室的机 壳，各腔室内有一个活塞组件。活塞组件由一公共轴 支承并相隔90度定位。活塞的工作端面偏转180 度。转子轴有一段是空心的，空心段将压力流体经活 塞内的通道从外部汽源输送到环腔的圆周面上的流 体液槽。环形腔的附加通道与机壳提供压力流体以 便在各腔室的活塞转到特定位置时使梭动阀动作。 各腔室包含用于排放废工作流体的侧壁通孔，在相邻 通孔间竖直设置屏网使凝结物靠重力直接导入收集 池。

Description

本发明一般涉及外部燃烧发动机，特别涉及一种旋转式流体压力发动机，该机仅有三个运动部件，这些运动部件通过受压工作流体使其正常运转。

涉及通过压缩空气、蒸汽或其他工作流体使旋转式外部燃烧发动机运转的现有技术一般有两种型式。一种型式采用在环形腔中回转的多种形状的活塞，用各种机械手段将环形腔分成隔室，而用其他机械手段把加压的流体注入不同隔室。这种型式的先有技术的特点都是通过操作杆、齿轮、回转盘、弹簧、凸动阀、阀门、辊子、螺栓、滑轮以及各种其他机械方法与装置，在动力循环期间使带压的流体对工作面施加压力。

第二种型式先有技术的旋转式外部燃烧发动机在具有一个往复式定子的环形腔中采用一个或多个偏心转子，利用不同的机械部件比如棒、曲柄、螺杆或螺旋齿轮将工作流体引入转子与定子之间的腔中。排气口被定位在环形腔内偏心转子与该环形腔接触点的前方。

针对上述型式的旋转式外部燃烧发动机，先有技术的典型例子可从下列美国专利找到：USP.605，564;614，107;669，447;723，242;777，417;1、158，325;1，293，459和3，739，754。

本发明所针对的一种新颖外部燃烧旋转发动机具有一对相邻的垂直定位的腔室，每一环形腔室容纳一个活塞组件，活塞组件包括两个活塞。每个活塞组件的两个活塞被隔开180度可旋转地设置。顶板、底板、侧板和端板包围住腔室。环形腔室之间的底部开口设有一个排放耗费的工作流体的排放口以便收集在一个中心贮（液）槽内重复使用。当各腔室中的活塞处在阀开启位置时，一对梭动阀在加压工作流体的作用下在腔室之间平移。两个梭动阀在同一平移方向上同时动作。

活塞组件由一根中心轴支承，该轴的一端接有动力输出接头。轴的一部分是空心的以提供一条压力工作流体源与腔室间的联系通路。在与腔室的中心环面相对的部位，一个沟槽从轴的空心部分延伸到每个活塞外表面。腔室的中心环面有多个液槽，各邻近的液槽在活塞移动方向上具有倾斜区。围绕腔室内壁面相隔180度设置的与环形腔相对的各液槽按一定尺寸制作，即直接相对的液槽长度不同，以便当轴的空心部分中有受压工作流体时，此工作流体总能作用在每组件的至少一个活塞上。

邻近排放口的每个活塞表面从工作面向沿此形成凸面的前缘倾斜。在工作流体终止于轴的空心部分的情况下，此凸面与梭动阀一个外表面接合，此梭动阀外表面是该阀平移离开活塞进入相对腔室的一个外表面。应该理解，当工作流体在轴的空心部中时活塞与阀之间没有机械接触。

轴的空心部分与活塞外表面之间的通道终止于活塞外表面的一个出口处，其位置处于接近活塞的工作面并邻近环形腔的中心液槽。一对对置的第二通道从各腔室中心部延伸到可平移阀的一侧。当活塞中的开口从由轴的空心部导向的通道进入腔室中心部中的第二通道时，工作流体被引进梭动阀的一侧，而且当相对腔中的活塞转过一个阀的抵触位置时则梭动阀平移进入该相对腔室。在由相对的定子堵住的通道中通过流体压力将阀保持在其最后的平移位置。在启动阀的正常操作时无机械上的连接。

这种梭动阀从环腔到环腔的平动，在各活塞组件每旋转180度便重复一次。

一个排放口位于各腔室的内侧壁中，并且通进一根排放导管。各腔的排放口具有与倾斜的活塞表面呈对置的邻接关系。在排放室的通气孔间固定着一张竖直定位的薄板，最好是多孔的或屏网材料。多孔材料使液态的废工作流体冷凝并且通过重力流向机壳底部，通过机壳内的开口流到一个隔热的收集池以重复使用。

排放导管的被加热管壁和隔热收集池稍加设置热保护层，从而在工作流体为蒸汽和由废蒸汽产生的凝结物保持高温时，使得仅需最少的能量就可将凝结物转变回蒸汽。其他在绝热领域中众所周知的保温材料可以加设以提高本发明发动机的效率。

本发明比现有蒸汽发动机更有效，理由有三条：第一，每个循环期中喷入各转子的少量蒸汽在其被排放掉之前，消耗在包围转子的腔室中的能量比在现有的设计中的比例高。第二，该机完全被隔热，这样，向下流到中心排放管的热凝结物便被收集到一个隔热池中，再以小的热损失泵送回热源，这一结果形成更有效的发动机，因为一个发动机的效率主要取决于热的利用与热的损失之比。第三，用少量运动部件和小而轻的往复梭动阀代替大而（笨）重的往复活塞，从而减小了所要克服的内摩擦和转动惯量。

本发明的主要目的是提供一种高效的外部燃烧旋转式发动机。

本发明的另一个目的是提供一种基本上无故障的旋转式外部燃烧发动机。

本发明的第三个目的是提供一种旋转式外燃发动机，该机有最少数量的运动部件，这些运动部件的运动是通过工作流体而不是由机械机构进行的。

本发明的第四个目的是提供一种改进的旋转密封件以防止工作流体从机壳中泄漏。

本发明的其他目的和优点，由下面结合附图的说明将更清楚地显现。附图中，

图1是表示发明细节的分解局部剖视图;

图2是图1的端视图，描绘工作流体进口接到发动机上;

图3是沿图2的3-3线截取的视图;

图4是图1的外部燃烧发动机与图2所示端相对的端部的视图，描绘出一个动力输出轮。

图5是沿图3的5-5线截取的视图;

图6是沿图3的6-6线截取的视图;

图7是沿图3的7-7线截取的视图;

图8是沿图7的8-8线截取的视图;

图9是图1中所示梭动阀的透视图;

图10是沿图11的10-10线截取的视图;

图11是沿图3的5-5线截取的视图，图中去掉了活塞;

图12是沿图11的12-12线截取的视图;

图13是沿图14的13-13线截取的视图;

图14是沿图3的6-6线截取的视图，图中去掉了活塞;以及

图15是沿图14的15-15线截取的视图。

现在参阅各附图。图1是本发明旋转式外部燃烧发动机10的局部剖视图。发动机壳包括一块工作流体进口端板12，一块出口端板14，一块底板或底面18，侧壁17（见其他各图）以及一块盖板或顶面16。

机壳之内是一对圆环形腔室20和22。这对环腔的内侧面由镜像环腔端板23和24封闭。一根部分管状的或空心的转子轴25纵向地穿过发动机10。该轴由端板12和14可旋转地支承在其端部并且穿过腔室内端板23和24，它不与两内端板接触。轴上固接着一对活塞组件26和28。当轴处在工作位置时，每个腔室内设定有一个活塞组件。

每个活塞组件包括一对活塞30。各活塞邻近排放口32的表面31从工作面92向形成一个凸起的前缘倾斜约30度（见图1，典型的活塞外形）。各活塞组件的活塞被错开180度定位。活塞组件错开90度，即，活塞组件26的活塞固定在1、3象限，则活塞组件28的活塞固定在2、4象限。这样的活塞位置提供了发动机的平衡和飞轮效果。

每块环腔内端板23和24具有相对的排放口32。每个环腔端板还包括相隔开180度的两个阀安装孔34。环腔端板的阀安装孔在纵向上与阀对齐。

一对阀组件36（示出一个）在腔室间穿梭或平移，该组件包括一个阀件38（示出一个）。在每个腔室的内环壁面对中地设置着两套隔开180度定位的流体通道40（见图5、6、11和14）。

流体通道40与顶板和底板中的通道42对准（见各图），使流体通道连续连接通道40和邻近阀组件中的开口的一个环腔横孔44（见图5、6、11和14），该横孔将流体引到阀组件上的开口84（见图9）。这些通道40及通孔44分别将流体引进阀室，其操作过程下文叙述。

机械间隔件46被设置在与远离阀组件的环腔端板23、24的各角附近，用来将环形腔室20、22定位在适当的相对位置上并保持在该位置。间隔件由带帽螺栓48固定就位。

紧固件50用来把各部件连接到一起。图中示为螺钉，但应该理解任何适当的紧固件均能实用于本发明。

屏网板52（见图3）被竖直地固定在腔室内端板23和24中间，其用途下文作解释。

受压工作流体用的进口接头54表示成螺纹连接，但可以理解，任何适宜的连接机构均可实用于发明，例如，一种快拆式接头就适合于这一用途。

本发明各种部件结构材料的唯一要求在于均选择最佳的适用的材料以达到发明的用途。

现在参阅图2，图中描绘出本发明发动机10的工作流体进口端板12。还示出顶板16，底板18，侧壁17与进口端板12的关系。

参阅图3，该图描绘出沿本发明之发动机纵长中心线截取的断面，其中取掉了阀组件36。除了描述过的部件以外，本图还示出了其它一些部件。在进口端板12和工作流体入口法兰58之间配置着一个“O”型密封环56。用典型的有帽螺钉60将活塞组件固定地连接到轴25上。所示的轴的空心部分62形成的通道，其终端稍超过图右侧活塞的垂直中心。穿过活塞组件26、28的通孔64与轴的空心部分相联通，提供了从流体源到每个活塞组件的各活塞外表面的工作流体通路。用过的工作流体通过排放支管65流到位于机壳底板18上的一个流体排放开口66。经排放开口66使用过的工作流体回到一个收集池（未示出）以便再用。

现在参阅图4，此图为本发明的发动机10的端视图，描绘出该发动机的动力输出端或工作端。在输出端法兰70和轴25之间设置了一种压缩或石墨密封装置68（图3）。该密封装置相对于轴25的转动是静止的。螺钉73使压缩密封装置固定就位并通过密封压力提供磨损调节补偿。在输出端板14和法兰70之间设置着第二“O”型密封环56。

现参阅图5，图中示出了图1的左侧的环形腔室20和活塞组件26。如图中可见，通孔或通道64由轴中心的空心部分通过活塞组件，在腔室每侧与一个液槽76A对齐。应注意到，在各图中所示的液槽76A-76D的尺寸按顺时针方向减小，而且每腔室在相对的两侧的液槽均是首尾相隔180度。

参阅图6，图中示出图1的右侧的环形腔22和活塞组件28。注意到图6中所示的活塞组件正是处于图5所示的左边活塞组件的活塞30旋转90度的位置。活塞相对位移相对于上述的轴是固定的。

图7是沿图3的7-7线截取的视图，清楚地示出了曲线形排放口32和梭动阀组件36，阀组件包括固定地附装在腔室端板23和24间并在端板槽80中就位的定子78。

图8是沿图7的8-8线截取的视图，清楚地示出每个阀组件36的平移梭动阀板38平移到图的左侧，使得图右边活塞组件的活塞能经过阀组件而旋转。

图9是梭动阀组件36的剖开透视图，该组件包括定子78和平移梭动阀板38。定子78在每侧包含一个孔洞84，孔84延伸进阀室86，阀室86中容放一个梭动阀塞88。一个止动调节螺栓37旋入一个通进阀室86的螺孔39，以便控制梭动阀塞88的移动范围，防止梭动阀板38端部在平移时冲进汽缸的侧壁。

图10至15表示各腔室液槽76A-76D的位置和尺寸关系。

下面详细说明发明的最佳实施例的运转操作。

在压力约为80磅/吋²以上的蒸汽或其他工作流体通过套住进口管接头54并附装在发动机流体进口端板12上的入口法兰58而进入发动机。流体向下游流到轴25的空心部分62并进入每个活塞组件上的通孔或通道64。通孔64在邻近环形腔壁的中心面的通道40处，终止于各活塞外（中心）表面。除了当通道口64邻近环腔壁上所开的液槽76A-76D时或者邻近引入阀组件36的流体通道40时（阀组件用于使阀板38平移或梭动到相对的腔室），流体的流动均被阻断。如前面所述，活塞组件是互相成直角装附到转子轴25上的并延伸到液槽和各通道。这种结构使得流体在一个时间内只能进入一个环形腔室并同时向同一活塞组件的两活塞提供流体。

为了详述本发明发动机10的运转操作，假定梭动阀组件36的梭动阀板38最初固定在如图3和图8所示的左侧位置以堵住该侧环形腔室，即，图中右侧所示的环形腔的活塞可自由旋转通过阀组件。发动机左侧转子组件的活塞就处在梭动阀前边，而且通过活塞组件的通孔64在每个活塞外表面的开口和液槽76A对齐。活塞的前缘凸起挡住液槽76A的前端，这样，流体必须流进由梭动阀板38、活塞工作面、活塞组件和环形腔壁所限定的区域90。区域90中的工作流体压力使唯一可动面即活塞组件以顺时针方向移动。如上所述，在腔室中心环部所开设的液槽76A-76D开始时相对于活塞处于相同位置，但液槽的截面积不同。这一特征确保加压的工作流体在活塞组件的任何旋转位置上既可流入一个腔室也可流入另一腔室。然而，进入各腔室的流体量迅速减小。随着活塞旋转，保留在腔室中的前次循环中用过的工作流体被迫流出排放通孔32，通过活塞的前缘凸起使该流体进入排放支管65并流出排放通道66。与此同时，右侧活塞组件活塞的工作面92正通过右腔室的排放通孔32，致使用过的工作流体在右环腔内自由流动。当排放室中的流体为液态时，其中一部分收集在中间屏网52上并靠液体重力作用从屏网向下流经排放口66至收集池。

当左侧活塞组件旋转到接近一个象限终端的位置时，通孔64的开口开始与环形腔壁中通道40的腔室端相对齐，从而使加压的工作流体能离开横孔44并从梭动阀左侧进入阀孔84。由于梭动阀板38前面的右活塞组件的活塞的存在，使得梭动阀不能平移到右腔室。当左活塞的通孔64的开口与环形腔壁中通道40的开口重叠一半时，右腔室中活塞的工作面让出梭动阀阀孔，而梭动阀室86中的压力工作流体压迫梭动阀塞88，使梭动阀迅速平移进右腔室。当组件继续按顺时针方向旋转时，由于左活塞组件将梭动阀控制在右腔室内而在通道42内保持连续压力，而随着压力工作流体经液槽76A-76D进入右腔室使该腔压力增加时，便重复上述循环。

从上面操作上的详述中很容易看出，由各液槽（示出了4个）或在实施例中为使各活塞组件旋转一圈所设置的全部16个液槽，提供了短的动力脉冲。随着具有足够压力的工作流体投入工作，两组活塞组件的四个活塞提供了相当数量的转动力矩。

当本发明的发动机以高温蒸汽工作流体投入运转时，屏网52的重要特征在于直接将由废蒸汽产生的凝结物（水）引到一个固定贮池以备再用，而不会使凝结物进入相对的排放通孔。整个发动机和收集池（未示出）被用适当的隔热材料隔离，以便使凝结物保持高温，从而减少把水变回蒸汽所需的能量。

应该理解到，如果需要增加动力输出，相似的成对附加活塞组件可以相似地被装附到按发明实施的一根延长转子轴上。

在图示和说明了本发明的最佳实施例后，本领域的专业技术人员就能不偏离发明原理和精神，在权利要求限定的范围内实现此实施例。

Claims (12)

1、旋转式外部燃烧发动机，其特征是包括：

至少一对并排垂直定位的环形腔室；

一对活塞组件，每个上述腔室中配置一个活塞组件，每一上述活塞组件包括一对活塞，每个上述活塞具有隔开180度设置的工作面，上述活塞与上述环形腔室相适合并相对该环室旋转；

一根延伸穿过上述环腔的轴，该轴的中心部分沿轴的长度的一部分是管状，上述活塞组件固定式地连接到上述轴上，所述一个活塞组件的活塞相对另一活塞组件的活塞偏移90度；

在每个上述环形腔室远离其水平中心线的中心内壁圆周的两个部位上设置着多个独立的液槽，所述两个部位大体相隔180度，在上述各部位上的每组上述液槽，其横截面积不同，而且与各活塞组件的每个活塞相遇的第一个液槽的前缘和上述多个独立液槽的最后一个液槽的后缘大体相隔180度；

一种压力工作流体源，该压力工作流体源与所述轴的空心部分的开口顶端相联通；

用于导引上述压力工作流体的通道机构，将流体从上述空心部分引到上述活塞组件的各活塞的外侧中心部分，在圆周的一个单独位置上与所述独立的液槽对齐；

一对可平移的梭动阀用于在挡住一个环形腔室的位置和挡住另一环腔的位置之间同时平动，各所述梭动阀的控制件被从上述活塞上的单独位置上连到上述压力工作流体，当一个上述腔室的上述活塞处在一个具体旋转位置时，所述工作流体使得堵住该环形腔的上述成对梭动阀平移到堵住另一环形腔室的位置；

一组在各环形腔中的开口，它们开设在大体相隔180度的两个位置上，用以在上述梭动阀从一个环形腔室平移时从上述环形腔排放用过的工作流体；

在所述轴远离空心顶端的轴端配置的一个动力输出接头。

2、按照权利要求1所述的发动机，其中，顶板、底板和侧壁包围上述成对环形腔室以形成一个整体结构。

3、按照权利要求2所述的发动机，其中在底板面上相邻的上述环形腔壁之间设置一个开口。

4、按照权利要求3所述的发动机，其中一块薄材料板被垂直设置在上述底板中的开口之上及相邻的上述腔室壁之间。

5、按照权利要求1所述的发动机，其中所述活塞纵长地向其前缘倾斜从而形成凸起面。

6、按照权利要求1所述的发动机，其中所述活塞包括一个邻近所述工作面前方的所述中心内壁的主表面，用以在所述通道前方挡住所述独立的液槽。

7、按照权利要求1所述的发动机，其中所述压力工作流体是蒸汽。

8、按照权利要求1所述的发动机，其中，由所述多个独立液槽在各位置覆盖的总长度大体相等。

9、按照权利要求1所述的发动机，其中所述压力工作流体具有至少80磅/吋²的压力。

10、按照权利要求5所述的发动机，其中邻近环形腔中的开口的所述活塞的侧边是倾斜的。

11、按照权利要求10所述的发动机，其中所述活塞的倾斜度大体为30度。

12、按照权利要求1所述的发动机，其中所述各梭动阀有一个中心定位的阀塞，该阀塞受上述工作流体冲击以使所述梭动阀从一个腔室平移到另一腔室。

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