CN1038332A - 转子发动机 - Google Patents

Abstract

公开了一种转子发动机，它包括：一个转子缸体； 一个安装在转子缸体中可作行星转动的转子，它与转 子缸体的内壁表面相配合，限定多个工作腔；装配在 每个密封槽中的径向密封件，密封槽成型在转子的角 顶上并沿转子的转动轴线方向延伸；设置在径向密封 件和转子之间的推压装置，该装置利用来自工作腔的 气体压力将径向密封件推压到转子缸体的内壁表面 上。

Description

本发明涉及一种转子发动机，它具有连接在转子角顶上的经过改进的径向密封装置。

通常，转子发动机具有一个安装在转子发动机缸体中的转子，该缸体具有旋轮线型的内壁表面，而该内壁表面由直径较大的部分和直径较小的部分构成;还具有多个由嵌入在每个密封槽中的径向密封件隔开并相互密封的工作腔，所述的密封槽成型在转子的角顶上并沿转子的转动轴线方向延伸。

在转子发动机中，当转子在转子发动机缸体中作行星转动时，为了保持相邻工作腔彼此处于密封或气密状态，就需要设置在转子的径向能灵敏而可靠地运动的径向密封件。

特别是当用两个径向密封件给同一个工作腔在其压缩到爆炸燃烧冲程中提供密封时，相对于转子转动方向来说位于前侧的那一个径向密封件容易使来自工作腔中的压缩气体或燃气泄漏，这一点下面将要讨论。因此，要求前侧的径向密封件能绝对可靠地产生密封运动。

在先有技术中，或多或少地存在着上述问题。因此，本发明的目的就是要提供一种改进的转子发动机：在转子作行星旋转过程中，径向密封件能在转子的径向灵敏而可靠地运动，并与转子发动机缸体的滑动表面维持理想的接触，同时保持相邻的工作腔处于良好的气密状态。

可实现上述目的本发明的转子发动机包括：一个具有内壁表面的转子缸体;一个转动地安装在转子缸体中的转子，用于和转子缸体内壁面一起限定多个工作腔，所述转子具有角顶和分别成型在每个角顶上且沿转子的转动轴线延伸的密封槽;装配在每个密封槽中的径向密封件;设置在每个径向密封件和转子间的推压装置，它利用来自工作腔中的气体压力将径向密封件推压到转子缸体的内壁面上。

下面结合附图对本发明的优选实施例进行说明。

图1是一个转子发动机的正面剖视图;

图2、3、4和5是表示作用在一个径向密封件上的力的施加方式的示意图;

图6是图1中所示A部分的局部放大图，表示的是装配有一个径向密封件的本发明的转子发动机的结构;

图7是沿图6中的线Ⅶ-Ⅶ所截取的侧面剖视图;

图8是根据本发明的转子发动机的角密封装置的透视图;

图9是图1中A部分的局部放大图，表示的是装配有用于径向密封件的滚柱的本发明的转子发动机的结构;

图10是沿图9中的线Ⅹ-Ⅹ所截取的侧面剖视图;

图11是滚柱的透视图;

图12是一种径向密封件的透视图;

图13是图解表示作用在转子发动机径向密封件上的气体压力的施加方式;

图14是图1中A部分的局部放大图，表示的是作为本发明的第二个实施例的另一种典型的转子发动机的结构;

图15是沿图14中的线ⅩⅤ-ⅩⅤ所截取的侧面剖视图;

图16是图1中所示A部分的局部放大图，表示的是作为本发明的第三个实施例的另一种典型的转子发动机的结构;

图17是沿图16中的线ⅩⅦ-ⅩⅦ所截取的侧面剖视图;

图18是图1中所示A部分的局部放大图，表示的是作为本发明的第四个实施例的另一种典型的转子发动机的结构;

图19是表示图18所臼凳├惺褂玫木断蛎芊饧耐甘油肌?

图1是表示转子发动机的一个横截面的示意图。

首先，结合附图1、2、3、4和5，对转子11作行星式旋转时通常施加于单个的径向密封件上的各种力，加以描述。

如图2所示，径向密封件3装配在转子11的角顶2处开设的密封槽4中。在径向密封件3如上所述地安装就位的情况下，来自工作腔V₁，压力为P₁并由箭头45所示的高压气流（见图2），在径向密封件3面对工作腔V₁的侧壁10上，施加一个压力，并由此将径向密封件3面对相邻的工作腔V₂的另一侧壁12紧紧地压到密封槽4位于工作腔V₂一侧的侧壁面6b上，其结果是，大大降低了径向密封件3沿径向（由箭头14所示）的运动。

另外，当径向密封件3依靠其前侧壁（以图2中箭头13所示的转子11向前转动的方向为前方）定位时，由于径向密封件3的顶面28被朝着密封槽4的底面15向下压，并同时由于密封件3面对工作腔V₂的另一侧壁12由箭头60所示的径向下压气流紧紧地压到密封槽4的侧壁面6b上（径向下压气流是来自工作腔V₁、压力为P₁的高压气流），径向密封件3借助于侧壁12和侧壁面6b之间的摩擦阻力而处于卡紧状态。因此，在顶面28和转子缸体20的滑动表面1之间，不能构成充分的接触，也就是说，在顶面28和滑动表面1之间会存在一个间隙，这样，压力为P₁的气体就会通过此间隙从工作腔V₁流到工作腔V₂中。另外，前述的径向密封3具有一个如图3所示的拱形顶面，该拱形顶面的曲率半径与顶面28平行于转子缸体20的滑动表面1（旋轮线型内壁表面）径向往复运动的幅值a是相同的。由于径向密封件3具有上述结构，所以顶面28与滑动表面1接触的部位62，随着转子11的转动，而在顶面28的整个拱形表面上连续地转移，从而导致顶面28的均匀磨损，并加强了径向密封件3的磨损阻力。

另外，在径向密封件3的底部5和密封槽4的底面15之间，装有弹簧27。弹簧27在径向密封件3上施加一个径向向外的推力。

如图4所示，当转子11在转子缸体20中以箭头13所示方向转动时，在径向密封件3上作用有一种惯性力，该惯性力起源于从转子11的转动中心P（见图1）产生的径向向外的离心力，且该力的大小与转子11的转速成正比。另外，工作腔V₁中的气体压力保持在P₁的状态下，而工作腔V₂中的气体压力保持在P₂的状态下（P₁＞P₂）。在径向密封件3上还施加有由箭头61所示的燃气压力和压缩气体压力。燃气压力是通过在径向密封件3侧壁10和密封槽4侧壁面6a间形成的通道16，进而通过腔室19从工作腔V₁传来的。而压缩气体压力就是由工作腔V₁中压力为P₁的气体从转子11的转动中心P径向向外作用在径向密封件3底部5上而产生的压力。如上所述，由气体压力P₁产生的压力作用在径向密封件3的大部分上。作用在径向密封件3整体上的力，由下列等式表达：

F＝P₁A₃-（P₁A₁+P₂A₂）-μP₁A₄其中，P₁代表的是压缩一燃烧侧的工作腔（高压侧）的内压力，P₂代表的是排气侧的工作腔（低压侧）的内压力，A₁代表的是径向密封件3的顶面28受到压力P₁作用的受压面积，A₂代表的是径向密封件3的顶面28受到压力P₂作用的受压面积，A₃代表的是径向密封件3的底部5受到压力P₁作用的受压面积，A₄代表的是径向密封件3的侧壁10受到压力P₁作用的受压面积，而μ代表的是径向密封件3的侧壁12和密封槽4的侧壁面6b之间的摩擦系数。

上述等式中的项P₁A₃表示的是由通过通道16进入密封槽4中的气体压力P₁产生的推力，这个推力径向向外地推动径向密封件3，由此使径向密封件3的顶面28紧密地与转子缸体20的滑动表面1相接触。

上述等式中的项P₁A₁+P₂A₂表示的是作用在径向密封件3的顶面28上的力，这个力将径向密封件3按箭头14所示方向径向向下压，并趋使顶面28与转子缸体20的滑动表面1脱离。

上述等式中的项μP₁A₄表示的是，当径向密封件3由气体压力P₁压紧到密封槽4的侧壁面6b上时，在径向密封件3的侧壁12和密封槽4的侧壁面6b之间产生的摩擦阻力。

在径向密封件3的底部5和密封槽4的底面之间形成的腔室19中的气体压力，与入口通道16的流动阻力、通道16的体积变化和气体压力P₁的自身变化相协调，从而无法用足够大的力将径向密封件3的顶面28压紧到转子缸体20的滑动表面1上。这样，用于向上推动径向密封件3使之与转子缸体20的滑动表面1紧密接触，并保持相邻的工作腔V₁、V₂彼此处于气密状态的推力P₁A₃，相对于趋使径向密封件3脱离转子缸体20的滑面表面1的力P₁A₁+P₂A₂和与径向密封件3的径向运动有关的摩擦阻力μP₁A₄来说，就可能显得不足了。特别是，当径向密封件3的顶面28的曲率半径大时，即拱形顶面28沿径向的高度a大时，在工作腔V₁处于压缩和燃烧过程期间，高压P₁的燃烧气就作用在径向密封件3的顶面28上的一个较宽的区域A₁上（区域A₁相对于由箭头13所示的转子11的转动方向来说，处于向前转动的后侧）。这样，就有可能使上述的力P₁A₃小于作用在径向密封件3的顶面28上的力P₁A₁+P₂A₂。这是因为径向密封件3的拱形顶面28上与转子缸体20的滑动表面1接触的部位26随着转子11的转动而接近于顶面28的顶点63，其结果是，燃气的高压P₁最终会作用在顶面28的一个宽的区域上。前述的惯性力、推举力P₁A₃和由用于顶起径向密封件3的弹簧27所产生的径向向外的推斥力，趋使径向密封件3向上升。作用在径向密封件3的顶面28上的力P₁A₁+P₂A₂和摩擦阻力μP₁A₄，能防止径向密封件3充分地升起，或迫使它保持静止，其结果是，在径向密封件3的顶面28和转子缸体20的滑动表面1之间，将形成一个间隙。具有高压P₁的燃气和由燃气压缩的未燃压缩气体，通过这个间隙泄漏到处于排气过程的相邻的工作腔V₃中。这种泄漏可能会降低发动机的输出功率和燃料的燃烧效率。

下面结合附图5，对径向密封件3的顶面28的磨损情况加以说明。

当径向密封件3在转子缸体20的滑动表面1（即旋轮线型内壁表面）上滑动时，径向密封件3的顶面28的顶部63，在转子缸体20的滑动表面上滑动较短的距离，而顶面28上位于顶部63外侧的两对置的部位64、65则可在其上滑动较长的距离。其结果是，径向密封件3在位于顶面28的顶部63外侧的部位64、65处，磨损较大，如图5中双点划线66所示，因此，顶面28将被逐渐地磨圆和磨薄，径向密封件3的顶面28的拱长，也将逐渐地增大，并且顶面28受到气体压力作用的受压面积将变宽，而径向密封件3的压下深度也将相应地增加。

上面对作用在径向密封件上的力和由这些力所产生的运动进行了说明。在本发明的转子发动机中，上述作用于径向密封件上的各种力，通过本发明对于径向密封件的改进，而转变成有利的因素，这一点下面将要说明。

参照附图1、6和7，标号1表示转子缸体20的滑动表面，标号2表示转子11的角顶，标号3表示径向密封件，标号4表示密封槽，标号5表示径向密封件3的底部，标号6a和6b各表示密封槽4的一个侧壁面，标号8表示滚柱，标号30表示角密封装置。

如图1所示，转子11绕转动输出轴P旋转，并同时绕偏离输出轴P的中心的转子轴颈67转动。转子11的角顶2的邻接部位在转子缸体20的滑动表面1上滑动，保持与滑动表面1相接触的状态。这样，在转子缸体20的滑动表面1和转子11的周边之间，形成了用于实现工作的各个过程-吸气、压缩、燃烧、膨胀和排气的工作腔V₁、V₂和V₃。这些工作腔V₁、V₂和V₃间的气密状态，是利用阻止气体通过转子11的角顶2和转子缸体20的滑动表面1之间的间隙以及通过转子11的侧壁32和端盖40（见图7）之间的间隙泄漏来维持的。

如图6和7所示，在每个角顶2处，成型有密封槽4;在每个密封槽4中，装有径向密封件3，以防在角顶2和滑动表面1之间形成间隙。在转子11的两端面32，装有端面密封装置68。同时，在径向密封件3和端面密封装置68之间，装有角密庾爸?0，以防在端面32和端盖40之间出现间隙。这样，就可以维持工作腔V₁、V₂和V₃彼此间的气密状态。在密封槽4的底面15和径向密封件3的底部5之间形成的腔室19中，设置了弹簧27，以便推压径向密封件3，使之弹性地顶在滑动表面1上。在密封槽4的每个侧壁面6a、6b上，成型有凹槽7，它们分别与径向密封件3的侧壁10、12对置。在凹槽7中，转动地装配有多个细长的滚柱8。这些滚柱8被装配成当径向密封件3沿箭头14所示的径向运动时，它们可与侧壁10和12滚动接触，并且使侧壁10、12受到来自工作腔的气体压力的作用。这样就可以减小径向密封件3的侧壁10、12与密封槽4的侧壁面6a、6b间的摩擦阻力。各种试验结果表明，在每个凹槽7中装两个滚柱8较理想。

滚柱8最好用金属材料制作，因为金属材料强度大，不易被高温高压气体损坏，也不会受燃烧产物的作用而发生粘结或化学变质。本发明人采用高速钢制造滚柱8。滚柱8通常是细长形的，最好制成圆柱滚针形，其直径大约是0.5mm左右。

如图7所示，利用装配在一对角密封装置30的凹槽70中的对置的端座69，将滚柱8稳定地支承就位。角密封装置30是以图8所示的结构构成的，并分别设置在转子11的两端。在每个角密封装置30上，加工有一个用于装纳径向密封件3的槽33，并且角密封装置30的外壁面72可与端面密封装置68相接触。角密封装置30的端面71在转子11的两端，相对于角顶2是并列设置的，以便与端盖40的内表面73面对接触，并在其上滑动。

滚柱8安装在成型在密封槽4的每个侧壁面6a和6b中的凹槽7内，它能转动地支承径向密封件3，并且在径向密封件3被高压的燃气压力P₁压紧在侧壁面6b上时，仍能使径向密封件3沿箭头14所示的径向平稳地运动。另外，滚柱8也可以按图9、10和11所示的结构构成，以便确保将气体压力P₁引入到密封槽4的腔室19中。

具体地说，如图11所示的一对滚柱50和51可被用于取代前述的滚柱8。上侧的滚柱50与滚柱8的形状是相同的。而下侧的滚柱51是一个外周面上加工有槽52的带槽的滚柱，其上的槽52可以是多个平行的槽，或者是一个螺旋槽。

上侧的滚柱50的用途是，当径向密封件3被气体压力P₂压紧在密封槽4的侧壁面6a上时，它将与侧壁面6a和径向密封件3的侧壁10接触，并构成一个气密件以防气体泄漏。

下侧的滚柱51的用途是，当径向密封件3被气体压力P₁压紧在密封槽4的侧壁面6b上时，滚柱51上的槽52构成一个由箭头45所示的气体通道，使气体压力P₁能引入到密封槽4的腔室19中。在本实施例中，如果上侧的滚柱50和下侧的滚柱51都是类似于滚柱8的圆柱形滚柱，那么尽管上侧的滚柱50能朝向凹槽7和径向密封件3的侧壁10运动并在滚柱50、凹槽7和径向密封件3的侧壁10之间构成一个能让气体流过的间隙，下侧的滚柱51也可能与凹槽7的底部和径向密封件3的侧壁10保持稳定的接触，从而当密封槽4的腔室19处于低压状态时，滚柱51无法构成一个气体通道并会经受由滚子50构成的间隙流入的高压气体的作用。

为了避免出现上述这种不利局面，在滚柱51的外周面上加工有槽52，以确保提供一条气体通道。

如上所述，由于径向密封件3的侧壁10和12是由可转动的滚柱50和51支承就位的，所以，即使当来自工作腔的高压的气体压力将侧壁10和12紧压到密封槽4的侧壁面6a和6b上时，径向密封件3也能够沿径向平稳地运动。另外，由于工作腔的气体能够通过滚柱51外周面上的槽52可靠地引入到密封槽4的腔室19中，所以径向密封件3能够被引入的气体压力径向地向外推起。

此外，在径向密封件3的顶面28的拱形顶部63上，沿转子11的转动轴线方向加工有凹槽9，如图12所示。凹槽9最好被加工成：槽宽24为径向密封件3的厚度23的 1/6 至 1/3 （0.5-1.0mm），槽深25为1.0-1.5mm。开有凹槽9的拱形顶面28的半径a（如图3所示）最好不小于1.5mm，这个尺寸较常用的径向密封件的大些。

开有凹槽9的径向密封件3的顶面28带有两个分开的倒圆形表面10a和10b，这两个表面对置地位于凹槽9的两侧。

在径向密封件3的底部5上设有凸台26，其作用是，当径向密封件3安装在转子11的密封槽4中时，有助于使径向密封件3沿转子的转动轴线方向定位。

当转子11在转子缸体20内转动时，径向密封件3相对于转子缸体20的滑动表面1的振动角发生变化，同时两个圆滑表面10a、10b上与转子缸体20的滑动表面1接触的部位62也发生变化。换言之，两表面10a、10b交替地与转子壳20的滑动表面1接触。特别是当工作腔V₁处于燃烧的初始过程时，相对于转子11的转动方向来说位于工作腔V₁的前侧的径向密封件3，以其圆滑的表面10a接触转子缸体20的滑动表面1，如图6所示。随着转子11从此状态进一步向前转动，接触部位62逐渐转移到圆滑表面10b上（处于图13所示的状态）。

由于在燃烧和膨胀过程中承受工作腔V₁中的高压气体作用的径向密封件3的顶面28上带有凹槽9，所以首先以其上的圆滑表面10a与转子壳20的滑动表面1接触。当顶面28处于这种状态时，与此时处于高压状态的工作腔V₁面对的是一个面积很窄的部位（如图6所示），而凹槽9和位于接触部位62另一侧的圆滑表面10b此时是与处于排气过程的工作腔V₂面对的。这样，高压气体此时作用在一个面积窄的区域上，而低压气体作用在面积较宽的区域上（该区域包括凹槽9和圆滑表面10b）。

当转子11进一步转动使接触部位62转过顶面28的凹槽9而位于圆滑表面10b上时（如图13所示），作用在圆滑表面10a和凹槽9上的气体压力比较低。

其结果是，趋于将径向密封件3向密封槽4的底面15（即径向向内）压下的力，能被抑制到较小的程度。由通过通道16引入的气体压力所产生的力，作用在径向密封件3的底部5上，径向向外地向上推动径向密封件3，这个推力大于上述的趋使径向密封件3压下的力。因此，径向密封件3的顶面28被紧压到转子缸体20的滑动表面1上，以致其间可以构成可靠的气密接触。

除了利用上述结构使工作腔中的气体通过滚子51外周面上的槽52引入密封槽4以外（如图9和13所示），本发明还想提出另一种替代结构，该结构是：在转子11的每个角顶2的密封槽4中形成的凹槽7中，装入与图6和图7所示实施例中所用的滚柱类似的圆柱形滚柱8，并且在支承滚柱8的凹槽7的底部54加工有凹槽53，如图14和15所示，凹槽53用于沟通密封槽4的腔室19以确保工作腔中的气体通过凹槽53可靠地引入到密封槽4的腔室19中。

除了图9和13所示的实施例的结构以外，本发明还想提出另一种替代结构，如图16和17所示，该结构是：如图8所示的那些对置地设置在滚柱8两端的角密封装置30的凹槽70，被用来支承滚柱8，而凹槽7被加工成当滚柱8装在凹槽70中时在滚柱8和凹槽7的底部54之间可构成间隙57。间隙57在转子11的纵向上贯通整个凹槽7，并沟通密封槽4的腔室19。通过间隙57，可确保将工作腔中的气体（如箭头45所示）引入到密封槽4的腔室19中。

径向密封件3可以这样构成，将在和转子缸体20的滑动表面1滑动接触时易于被磨掉的填料46嵌入到凹槽9中，凹槽9成型在径向密封件3的顶面28的拱形顶部63处，如图18和19所示。填料46能使径向密封件3与转子缸体20的滑动表面1更加紧密地接触，以提高相邻工作腔（即工作腔V₁和V₂）彼此间的气密度。填料46最好用较软的金属材料制成。

Claims (10)

1、一种转子发动机，包括：

一个具有内壁表面的转子缸体，

一个转动地安装在所述转子缸体中的转子，所述转子与所述转子缸体的内壁表面一起限定多个工作腔，所述转子具有角顶和在各角顶上成型的沿所述转子的转动轴线延伸的密封槽，

装配在每个所述密封槽中的径向密封件，

设置在所述径向密封件和所述转子间的推压装置，该推压装置利用来自所述工作腔的气体压力将所述径向密封件推压到所述转子缸体的内壁表面上。

2、根据权利要求1的转子发动机，其中所述径向密封件的顶部具有沿所述转子的转动轴线延伸的凹槽，而所述径向密封件的顶部被用于压紧到所述转子缸体的内壁表面上。

3、根据权利要求2的转子发动机，其中在所述径向密封件的顶部的凹槽中装有一块填料，用于使所述径向密封件的顶部与所述内壁表面紧密地接触。

4、根据权利要求3的转子发动机，其中所述的填料是由金属材料制成的。

5、根据权利要求1的转子发动机，其中所述的密封槽具有内壁面，而所述的径向密封件具有侧壁，所述转子发动机还包括设置在所述径向密封件的侧壁和所述密封槽的内壁面之间的用于减小摩擦阻力的装置，用以减小所述侧壁和所述内壁面间的摩擦阻力。

6、根据权利要求5的转子发动机，其中所述密封槽的内壁面包括侧壁面，而所述的用于减小摩擦阻力的装置包括成型在所述密封槽的侧壁面内的凹槽和多个沿着所述凹槽延伸的方向装配在所述凹槽中的滚柱。

7、根据权利要求1的转子发动机，其中所述的径向密封件具有一个底部，所述的推压装置在所述密封槽和所述径向密封件间设有气体通道，以便使来自工作腔的气体压力作用在所述径向密封件的底部。

8、根据权利要求7的转子发动机，其中所述的密封槽具有侧壁面和底壁面，而所述的径向密封件具有侧壁，所述气体通道包括在所述径向密封件的侧壁和所述密封槽的侧壁面间形成的间隙和位于所述径向密封件的底部和所述密封槽的底壁面间的腔室。

9、根据权利要求8的转子发动机，其中所述的气体通道还设有成型在所述密封槽的侧壁面中的凹槽和多个沿所述凹槽的延伸方向装配在所述凹槽中的滚柱以及成型在所述密封槽的底壁面内用于在所述凹槽和所述滚柱之间构成间隙的空腔。

10、根据权利要求8的转子发动机，其中所述的滚柱具有外周面，所述气体通道还包括至少成型在一个所述滚柱的外周面上的凹槽形沟道。

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