CN103422895A - 旋转活塞蒸汽发动机 - Google Patents

Abstract

本发明为旋转活塞蒸汽机，意在提高热机效率，替代传统蒸汽机、汽轮机功能。其运转部分有：一联体双汽缸，四旋转活塞。非运转部分有：上下外壳及底座。联体双汽缸内有相互对称扭转4π的环扭叶，外壳内有双环状隔板。四旋转活塞按旋向装于上下双环状隔板之间，使旋转活塞迎汽平面、汽缸壁、环扭叶壁、环状隔板壁围成一动态密封空间。在旋转活塞平面方向隔板上设有喷嘴。背面隔板的另一侧设有排汽孔，并串接至冷凝管。旋转汽缸轴一端设联轴器，另一端设旋向导汽槽。轴孔内设径向活塞槽，末端接分流管直通喷嘴。当活塞槽与导汽槽相交时，高压蒸汽将导向喷嘴。在旋转活塞迎汽面反作用力推动下，高压蒸汽便单向膨胀推动环扭叶使汽缸旋转做功。

Description

旋转活塞蒸汽发动机

所属技术领域：

本发明涉及一种以蒸汽为工质并将蒸汽的热能装换为机械功的旋转机械。 

背景技术：

目前被广泛用于驱动和发电的蒸汽机与汽轮机。前者是利用蒸汽的势能做功，活塞作往复运动必须克服惯性，热机效率很低，不足20％。后者是利用蒸汽的动能做功，热机效率也不足40％。 

发明内容：

本发明是为了解决以上两种热机之不足，进一步提高以蒸汽为工质的热机效率，从根本上取代其所有功能，以节省人类资源。为此，本发明采用了活塞与汽缸垂直相交啮合后以固定的转速比(本案为2∶1)的异步转动来替代原来活塞的往复运动。动力为蒸汽在活塞前膨胀对活塞产生一反作用力推动旋转汽缸内环扭叶而使汽缸旋转做功。 

其构造之主要部分包括一个联体双汽缸10、四个旋转活塞20、上下外壳30、一根联体双汽缸轴40、供汽调节阀50、管道系统60。 

所述联体双汽缸10，包括环扭叶11、缸壁12、导牙13、密封条14、密封环15、汽室16、定位套筒17，拼接榫18。所述环扭叶11，其作用相当于汽轮机中之叶片，接受高压蒸汽的能量而做功。在联体双汽缸中沿活塞园半径扭转4π，且在双缸内扭转方向相反，以使运转时产生的轴向分力相反而合力为零。所述缸壁12，若除去环扭叶11及导牙13外，缸壁12内空截面为圆形，半径为R₂，并成环状空间。所述导牙13，指缸壁上与环扭叶共直径处的凸起，其作用是确保旋转活塞20与联体双汽缸10之间保持设定的转速比而不出现紊乱或卡死现象。所述密封条14，位于环扭叶顶部，其作用为前后汽室间之密封，共8条。所述密封环15，位于联体双汽缸10周边与双环状隔板31接触处，共4圈。其作用为联体双汽缸周边之密封。为防止密封条、环纵向位移或越位，所有密封条、环背底面按一定距离设置柱状凸起以锁住该点所在平面位置(见图42)。所述汽室16，为联体双汽缸10内空被环扭叶11及环状隔板31所分隔而成的空间。每个汽缸两个汽室，两个汽缸共四个汽室，每两汽室成菱形状相互搭接。即每个汽室的实际占用角度为320°。所述定位套筒17是指联体双汽缸10三部分在连接面处的螺栓孔局部精确定位扩大并加装定位套筒后再上连接螺栓，这就是套筒，数量为24个。定位套筒17的作用主要是强调联体双汽缸加工和组装时的三维尺寸的精度要求，确保与四个旋转活塞20及双环状隔板31密切配合。所述拼接榫18位于联体双汽缸10拼接面处环扭叶11及导牙13相连接处，其作用是有利于汽缸的连接定位，有利于环扭叶11、导牙13向对方相互延伸缩小拼接面，不易影响拼接面强度和精度，所有拼接面可设定与主轴40共平面。 

所述旋转活塞20，数量为四个，正反各两个：包括导槽21、叶槽22、小密封环23、活塞轴24、迎汽面25、排汽面26。所述导槽21是指与导牙13相啮合之缺口，作用已述。所述叶槽22，是指与环扭叶11相啮合之缺口，其作用是让座于环扭叶11，以便形成动态汽室16。所述小密封环23是指旋转活塞20包括叶槽22在内的周边密封环。其作用为进、排汽间之阻隔。所述活塞轴24，数量为四个，安装于活塞轴孔37内。所述迎汽面25为旋转活塞20之工作平面，位置正好与联体双汽缸轴40轴线共平面。在高压蒸汽作用下为联体双汽缸10的旋转提供反作用力偶。所述排汽面26为旋转活塞20之背面，圆锥形，中厚外薄，以利保持相应刚度，其作用是及时排尽汽缸中之冷凝汽。 

所述上下外壳30，其主要功能是为设备提供支撑及保温隔热等。包括双环状隔板31、底座32、进汽孔33、排汽孔34、排污孔35、主轴孔36、旋转活塞轴孔37、喷嘴38、基础孔39，所述环状隔板31，两环分四半片，上下各两半片，上下半片之间为四个旋转活塞20之预留缺口及活塞轴孔37，在旋转活塞20正平面位置前且在乙间侧为喷嘴38、壳外为进汽孔33，在旋转活塞20背面位置且在甲、丙间连续七孔为排汽孔34，共计7孔×4。下外壳底部前、中、后顺轴线为三个排污孔35，可将设备在运行中产生的废水和污渍等即时排出。底座32为整套设备之支撑座。沿周边8孔为基孔39，是整套设备与地基相连的地脚螺栓孔。所述主轴孔36为联体双汽缸轴40提供之：两主轴承位、一次轴承位、一供汽调节阀50安装位、三密封槽。 

所述联体双汽缸轴40，包括输出端41、同步供汽端42、旋向导汽槽43、轴向定位螺母位44、两主轴承位45、一次轴承位46、键槽47、三密封圈位48。所述输出端41、连接联轴器，可以随时处理本设备与被拖动设备的连接关系。所述同步供汽端42，轴外围开有旋向导汽槽43，旋转角为π。展开角为0.25π，两条，其作用为：在活塞条54的控制下，可动态接受来自径向活塞槽55的高压蒸汽流。轴向定位螺母位44，两处，其作用为将联体双汽缸10用螺母定位于外壳30正中，使其与双环状隔板31及四旋转活塞20相吻合。主轴承位45选用单列圆锥滚子轴承，正反对装，次轴承位46选用单列向心圆柱滚子轴承，键槽47选用通长B型普通平键。其定位是根据联体双汽缸10之键槽设定位置，联体双汽缸轴40上相应键槽47必须设定在旋向导汽槽43末端轴线滞后75°方位上，如图28B-B所示。 

所述供汽调节阀50，其作用为：由于输出功率或频率的需要，由于开、停车的需要，由于汽源供应的压力变化等而对高压蒸汽的供汽量得进行调整或微调、或开启、或停止供汽等。与上下外壳30联体部分分上下两片，包括：径向活塞槽55、汽源管接口56、分流管接口57。独立部分包括：手柄51、螺杆52、螺母53、活塞条54、定位闩58。定位闩58位于螺杆52端部，其作用为锁定螺杆52的纵向位置。手柄51连螺杆52，螺杆52套螺母53，螺母53连活塞条54，通过手柄可控制活塞条54在径向活塞槽55中的有效长度，从而决定旋向导汽槽43的有效长度，即可控制在0～π之间任意供汽之转角有效值。即控制联体双汽缸10每半周期内供汽的时间比值，以达到调整功率及运转频率之目的，并且实现蒸汽的无极膨胀。 

所述管道系统60：包括汽源管61、分流管62、冷凝管63、排污管64。汽源管61由蒸汽锅炉至入汽源管接口56，为设备提供高压汽源。分流管62由分流管接口57分别接至进汽孔两接口33。冷凝管63由7孔×4排汽孔34串接合并后排出冷凝汽。排污管64将下外壳三个排污孔35串接后排出废水和污渍。 

总之，高压蒸汽源流程为：汽源管61→供汽调节阀50→分流管62→进汽孔33→喷嘴38→汽室16(蒸汽经无极膨胀做功后)→排汽孔34→冷凝管63→经高压泵等重返高压锅炉。 

附图说明：

图1联体双汽缸10A-A剖面图。 

图2定位套筒17详图。 

图3联体双汽缸10平面图。 

图4联体双汽缸10进汽端汽缸展开图。 

图5拼接榫18详图。 

图6联体双汽缸10进汽端汽缸展开图。 

图7联体双汽缸10输出端汽缸展开图。 

图8导牙13详图。 

图9联体双汽缸10输出端汽缸展开图。 

图10-1进汽端旋转活塞20正面图。 

图11-1进汽端旋转活塞20导槽21详图。 

图12-1进汽端旋转活塞201-1剖视图。 

图13-1进汽端旋转活塞20背面图。 

图14-1进汽端旋转活塞202-2剖视图。 

图15-2输出端旋转活塞20正面图。 

图16-2输出端旋转活塞20导槽21详图。 

图17-2输出端旋转活塞203-3剖视图。 

图18-2输出端旋转活塞20背面图。 

图19-2输出端旋转活塞204-4剖视图。 

图20上下外壳平面图。 

图21A-A剖视图。 

图22双环状隔板31乙间甲侧构造图。 

图23双环状隔板31乙间丙侧构造图。 

图24双环状隔板31丙间构造图。 

图25双环状隔板31甲间构造图。 

图26联体双汽缸轴40。 

图27联体双汽缸轴40输出端41剖视图。 

图28部分供汽调节阀50阀芯B-B剖视图。 

图29联体双汽缸轴40A-A剖视图。 

图30纵向定位螺母M平面图。 

图31纵向定位螺母M剖视图。 

图32供汽调节阀50侧视图。 

图33供汽调节阀50平视图。 

图34供汽调节阀501-1剖视图。 

图35供汽调节阀502-2剖视图。 

图36旋转活塞蒸汽发动机右侧立面图。 

图37旋转活塞蒸汽发动机左侧立面图。 

图38旋转活塞蒸汽发动机正立面图。 

图39旋转活塞蒸汽发动机背立面图。 

图40旋转活塞蒸汽发动机俯视外管系统图60。 

图41旋转活塞蒸汽发动机仰视外管系统图60。 

图42旋转活塞蒸汽发动机密封条、环之设计方案图。 

图43旋转活塞蒸汽发动机立面剖视透视组合视图。图43中左下角为导视图，标注3的部分对应主图为旋转活塞20所在汽缸位置，此部位以透视图方式呈现。图43中左下角导视图标注2相对应的主图部分以剖视图方式呈现。图43中左下角导视图标注1相对应的主图部分以立面图方式呈现。

图中： 

10.联体双汽缸，11.环扭叶，12.缸壁，13.导牙，14.密封条，15.密封环，16.汽室，17.定位套筒，18.拼接榫。 

20.旋转活塞，21.导槽，22.叶槽，23.小密封环，24.活塞轴，25.迎汽面，26.排汽面。 

30.上下外壳，31.双环状隔板，32.底座，33.进汽孔，34.排汽孔，35.排污孔，36.主轴孔，37.旋转活塞轴孔，38.喷嘴，39.基础孔。 

40.联体双汽缸轴，41.输出端，42同步供汽端，43.旋向导汽槽，44.轴向定位螺母位，45.主轴承位，46.次轴承位，47.键槽，48.三密封槽位。 

50.供汽调节阀，51.手柄，52.螺杆，53.螺母，54.活塞条，55.径向活塞槽，56.气源管接 口，57.分流管接口，58.定位闩。 

60.外管系统，61气源管，62.分流管，63.冷凝管，64.排污管。 

具体实施方式

图1是联体双汽缸10具体实施方式的A-A剖视图，联体双汽缸10分为左、中、右三大部分，以便分别加工成型及其内部活塞定位安装。正中为主轴孔，主轴孔周边为连接螺栓孔12个，接触部螺孔局部精确定位扩大加装套筒17，拼接榫18设于环扭叶11及导牙13之相互延续处，以确保缸壁12、环扭叶11、导牙13之所有面、线连续顺滑。14为环扭叶顶端密封条、15为汽室16周边之密封环，环扭叶11根部夹角为30°，项部夹角为40°，适当扩大顶部夹角只为有利于密封条14的安装。环扭叶11根部与缸壁12的连接弧及密封条14顶面弧均为R₃，缸壁12圆半径为R₂，R₂圆心轨迹圆半径为R₁，本案R₁∶R₂∶R₃＝21∶6∶1，本图剖视位置正位于环扭叶11拼接面处，故环扭叶11及拼接榫18是断开的。16为汽室，每缸两个汽室，每个汽室首尾320°，两汽室首尾相互搭接。 

图2是定位套筒17，其外径与套孔内径相同，其作用是让套筒17首先将联体双汽缸10三部分用定位套筒精确合拢后再用螺栓紧固。 

图3是联体双汽缸10平面图，中心为带键槽主轴孔，周边12个螺栓孔。 

图4、图6为联体双汽缸10之甲乙间汽缸展开图。2R₁为旋转活塞20之圆心轨迹图直径，2R₂为旋转活塞20所在圆直径。11为环扭叶，本案中在汽缸内首尾相连且旋转4π。12为汽缸壁，截面图直径为2R₂，13为导牙，其作用为拔动旋转活塞导槽21使联体双汽缸10与旋转活塞20之间能保持恒定的角速比关系而不至产生“死角”。14为密封条，是前后汽室间之密封。15为密封环，是汽缸内外之密封。16为汽室，每缸两个汽室，两缸四个汽室，每个汽室的实际占有汽缸弧度为320°，在每个汽缸内每两个汽室16都是首尾相互搭接的。 

图5为拼接榫18，凸凹各按10°，长按5R₃，留边按1.5R₃，布置于环扭叶11及导牙13相互延续处，以确保环扭叶11及导牙13的延续顺滑及缸壁12的平滑过渡。 

图7与图9为联体双汽缸10之乙丙间汽缸展开图。此缸内环扭叶11的旋向正好与甲乙间汽缸内环扭叶的旋向相反，其余一切与图4，图6的具体实施方式相同。 

图8为导牙13详图，位置正处于环扭叶11的同一直径上，对顶角为 

二面弧半径为R₃，正好与旋转活塞20之导槽21相吻合，其作用为使旋转活塞20能顺利越过“死角”。永远保持与汽缸的恒定角速比关系。 

图纸第4页1部分图10至图14为甲乙间旋转活塞20之正面图、导槽21详图、1-1剖视图、背面图、2-2剖面图。2部分图15至图19为乙丙问旋转活塞20之正面图、导槽详图、3-3剖面图，背面图、4-4剖面图。1部分为逆时针旋向，两枚；2部分为顺时针旋向，两枚。在正面图中，21为导槽，其形状与导牙13相吻合，22为叶槽，其根部夹角为40°，外部夹角为30°，外部边缘转角圆弧为R₃，23为小密封环，24为活塞轴，25为迎汽面，在导槽详图中，二边转角弧为R₃，对项角为 其二面角变化与该活塞剖面图中之α₁及α₂相同。在剖面图1-1及剖面图3-3中：22为叶槽，23为小密封环，24为活塞轴，25为迎汽面，26为排汽面，α₁为实角，α₂为虚角 

$\∠{\mathrm{\α}}_1\≈{\tan }^{-1}\frac{2R_x}{R_1+R_x}$ $\∠{\mathrm{\α}}_2\≈{\tan }^{-1}\frac{2R_x}{R_1+R_x}$

在图13及图18中，21为导槽，22为叶槽，24为活塞轴，26为排汽面。在图14及图19中，2R₃为排汽面26中心平面圆直径，2R₂为活塞圆直径，R₁+R₂为活塞圆周边之弧面半径，20为旋转活塞，22为叶槽，23为小密封环，24为活塞轴，25为迎汽面，26为排汽面。 

图20为上下外壳30平面展开图，上-4意为上盖轴线平面是凹进4mm的，且上盖无排污孔。31为双环状隔板，34为排汽孔，35为下外壳三排污孔，分别分布于甲乙丙三间内，36为主轴孔，在主轴孔内布置有两主轴承位，一次轴承位，三密封圈位。37为旋转活塞轴孔，38为喷嘴，14为密封条，作用为旋转活塞20迎汽面25左右汽室16间之密封。50为部分供汽调节阀，55为径向活塞槽，56为汽源管接口，只一处，57为分流管接口，上下各一处。 

图21为部分供汽调节阀之A-A剖视图，中间为轴孔36，55为径向活塞槽，56为气源管接口，57为分流管接口，30为上下外壳。 

图22、图23为乙间双环状隔板构造，每图两处，31为环状隔板，33为进汽孔，37为旋转活塞轴孔，38为喷嘴，上外壳中心面凹进4mm，下外壳中心面凸出5mm，活塞轴心所在圆半径为R₁。 

图24、图25为甲丙间双环状隔板构造，每图两处，31为环状隔板，34为排汽孔，平均布置在90°范围内，即13.5°×6+9°＝90°。37为活塞轴孔，R₁为活塞圆心所在圆半径，R₁+R₂为活塞最外侧所在圆半径，上外壳中心面凹进4mm，下外壳中心面凸出5mm。 

图26为联体双汽缸轴40，41为输出端，开有键槽，装联轴器。42为同步供汽端，接受高压蒸汽流，43为旋向导汽槽，两条，连通高压蒸汽流。44为轴向定位螺母位，两处，作用为用两定位螺母将联体双汽缸10锁定在与双环状隔板相吻合的主轴40上的相应位置。45为主轴承位，两处，采用单列圆锥滚子轴承，正反对装。46为次轴承位，一处，采用单列向心圆柱滚子轴承。47为键槽，传递扭矩。48为密封槽位，三处，以保护轴承及密封汽源。 

图27为主轴40之输出端，有与联轴器相连接时必要之键槽。 

图28B-B剖视图为与供汽调节阀50相配合之阀芯构造，43为旋向导汽槽，两条，其末端轴线较键槽轴线超前75°，以确保汽室16在旋转活塞迎汽面25前出现时能及时提供高压汽源。 

图29为联体双汽缸轴40A-A剖视图，显示有一键槽。 

图30及图31为轴向定位螺母平面图及剖视图。数量为两个，作用已述。 

图32、图33分别为供汽调节阀50侧视图、俯视图，51为手柄，52为螺杆，53为螺母，54为活塞条，两个，58为定位闩，定位闩是通过两块板合并锁定螺杆52纵向位置的。 

图34为1-1剖视图，50为供汽调节阀，54为活塞条，两个，58为定位闩。 

图35为2-2剖视图，51为手柄，52为螺杆，53为螺母，54为两活塞条，螺母53与活塞条54是整体相连的。 

图36、图37分别为旋转活塞蒸汽发动机右侧立面图和左侧立面图，图中30为上下外壳，32为底座，33为每侧两进汽孔，34为每侧十四个排汽孔，35为下外壳底部三排污孔，39为基础孔，40为联体双汽缸轴，41为输出端之联轴器。50为供汽调节阀，51为手柄，52为螺杆，56为汽源管接口，57为两分流管接口。 

图38为旋转活塞蒸汽发动机正立面图，41为输出端之联轴器。 

图39为旋转活塞蒸汽发动机背立面图，50为供汽调节阀，51为手柄，图38、39共有之为：上下外壳30、底座32、进汽孔33、排汽孔34、排污孔35、基础孔39。 

图40、图41为旋转活塞蒸汽发动机外管系统图60，前者为俯视图，后者为仰视图，33为进汽孔，34为排汽孔，35为排污孔，50为供汽调节阀，56为汽源管接口，57为分流管接口，61为汽源管，62为分流管、63为冷凝管，64为排污管。 

图42为旋转活塞蒸汽发动机密封条、环之设计方案图，a部分为密封条、环本体，直接与相对滑动面接触，b部分为封板，其作用为进一步防止漏气，b+c部分为定位圆柱，其作用为防止密封条、环产生纵向位移，d部分套小弹簧，以确保a部分与需要密封的两平面严密接触。图中g为定位圆柱间距，φe为其直径，图43-1为旋转活塞蒸汽发动机部分左侧立面图，33为进汽孔，34为排汽孔，35为排污孔，30为下外壳。图43-2为部分侧立面剖视图， 10为联体双汽缸，11为环扭叶，13为导牙，14为密封条，15为密封环，16为汽室，30为外壳，31为双环状隔板，34为排汽孔，35为排污孔，40为联体双汽缸轴，43为旋向导汽槽，44为轴向定位螺母位之螺母，45为主轴承位之主轴承，46为次轴承位之次轴承，48为三密封槽位之密封槽，50为供汽调节阀，51为手柄，52为螺杆，53为螺母，54为活塞条，55为径向活塞槽，56为汽源管接口，57为分流管接口，58为定位闩。图43-3为联体双汽缸10单缸透视图，图中：11为环扭叶，13为导牙，15为密封环，16为汽室，20为旋转活塞，31为双环状隔板，34为排汽孔，38为喷嘴，在外管方面：61为汽源管，62为分流管，63为冷凝管，64为排污管。在图43中，高压蒸汽做功流程如下：高压蒸汽从汽源管61→汽源管接口56→同步供汽端42→旋向导汽槽43→经手柄51调节后的径向活塞槽55→分流管接口57→进入分流管62→进汽孔33→喷嘴38→汽室16，在旋转活塞20迎汽面25反作用力推动下，高压蒸汽单向膨胀，推动环扭叶11，使联体双汽缸10旋转做功并由输出端41输出。做功后产生的冷凝汽由同一汽缸的另一旋转活塞20的排汽面26后面的排汽孔34排入冷凝管63并重新回收至蒸汽锅炉。少量废水污渍由排污孔35进入排污管64集中处理。供汽调节阀50的具体实施方式是这样的：螺杆52在定位闩58的作用下是纵向定位的，当旋动手柄51时螺母53便发生纵向移动并带动相连接的活塞条54在径向活塞槽55中纵向移动，当高压蒸汽由高压汽源管61通过接口56进入同步供汽端42时，高压蒸汽便顺着旋向导汽槽43进入空余部分径向活塞槽55中。空余部分越长，受汽转角越大，反之越小。所以通过手柄51可以直接控制活塞条54在径向活塞槽55中填塞的长度来决定对整个设备每半周期内供汽的状况。从而调控设备的功率、频率及开关车的需要。 

Claims (8)

1.一种旋转活塞蒸汽发动机，其特征是：一个联体双气缸10，内含四个旋转活塞20，双环状隔板31与上下外壳联体且伸向汽缸中部，并提供四旋转活塞20支撑孔及缺口。上下外壳30一端、联体双汽缸轴40一端及其独立部分共同参与组成的供汽调节阀50，进汽、排汽、排污组成管道系统60。

2.根据权利要求1所述的旋转活塞蒸汽发动机，其特征是：联体双汽缸内有沿周边扭曲的环扭叶11。

3.根据权利要求1所述的旋转活塞蒸汽发动机，其特征是：双环状隔板31伸向汽缸中部，使每个汽缸都被隔成互不连通的汽室16并提供旋转活塞20支撑之旋转活塞轴孔37。

4.根据权利要求1所述的旋转活塞蒸汽发动机，其特征是：联体双汽缸10内含有旋转活塞20，其叶槽22与环扭叶11完全齿合。

5.根据权利要求1所述的旋转活塞蒸汽发动机，其特征是：汽缸的数量为偶数，每对汽缸之结构都一一呈轴对称并联体。

6.根据权利要求1所述的旋转活塞蒸汽发动机，其特征是：在旋转活塞20上及汽室16内还设有相互齿合的导槽21与导牙13。

7.根据权利要求1所述的旋转活塞蒸汽发动机，其特征是：对设备的供汽是要经过供汽调节阀50来完成的，在供汽调节阀50中，旋向导汽槽43在联体双汽缸轴40一端，运行时随其同步旋转，径向活塞槽55在该处轴孔内是静止的，当用手柄51操控的活塞条54在径向活塞槽55中伸缩的过程中，旋向导汽槽43通过与空余部分径向活塞槽55的叠合来动态接受来自旋向导汽槽43的高压蒸汽流，并实现对开停车、功率、车速的控制。

8.根据权利要求1所述的旋转活塞蒸汽发动机，其特征是：所有密封条、密封环均由四部分组成：

a.封顶

b.封板

b+c.定位圆柱，间距为g

d.保封弹簧

以平衡侧向摩擦力的破坏。

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