CN105164373B - 旋转机械 - Google Patents

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Abstract

一种旋转流体机械具有内转子(1)和由固定的支撑结构支承的外罩(3)，被布置为使得所述外罩(3)内侧上的密封点(5)在密封构件中与所述转子(1)的外表面相互作用以限定工作室，使得在使用时，所述转子(1)相对于所述外罩(3)的移动导致流体穿过转子(1)和转轴(9)中的管道(10；11；13)，在所述工作室和转轴(9)与支撑结构相互作用的点之间移动。

Description

旋转机械
技术领域
本发明涉及一种旋转机械，尤其涉及一种旋转式发动机和旋转式压缩机。
背景技术
许多不同种类的旋转机械和压缩机是已知的。长久以来的目标是用旋转机械代替往复压缩机和发动机，然而当然在发动机的情况下，现今已经成功并广泛应用的非常少。
在旋转机械领域，已得到最多发展和应用的设计是已知的汪克尔发动机。然而，这存在许多问题的不足，其中之一是内转子密封件产生的磨损问题，另一问题是其不是真正的旋转机械，因为还存在离心移动部件，这些离心移动部件通常要求存在两个平衡的转子，或者由旋转的平衡体构成的应用。此外，在内转子上定位顶端密封件是指这些不能在不完全拆下整个发动机的情况下更换。
能使用汪克尔设计并使内转子和外壳同时轴向旋转，由此没有离心组件，如在最初的版本里为DKM发动机。然而，在这种设计的情况下，密封点位于内转子上，这意味着含有进气口和排气口的滑动表面必须位于外罩或外壳中。这意味着密封点扫过以控制流体转移的这些端口和管道必须位于外罩中。难以制备使气体从旋转外罩上的管道到发动机外所需的密封设置。
已公开了不同设计的旋转发动机和压缩机，它们具有在偏移的平行轴上旋转的两个转子。这些的实例是GB764719、DE2916858、FR1124310和DE3209807。首先考虑GB764719，该设计公开了将流体传输至工作室以及从工作室传输流体的管道，这些管道位于机械的轴内。然而，这些管道从工作室延伸穿过转子，然后进入基本静止的轴，这需要位于这两个组件之间的密封设置。在该设置中，利用围绕该轴旋转的转子控制流体至工作室和来自工作室，意思是指该机械需要同时产生工作室(内转子和外转子之间的空间)的密封件和控制流向工作室/来自工作室的流体。此外，内转轴中的端口和管道是双向的，其能减缓流体行进，并且它们还永久地连接至工作室，由此增大有效腔室体积，并减小机械的可能的压缩率。对于将流体传输至工作室，DE2916858、FR1124310和DE3209807都相近。
库利提议了一种与本发明非常相似的发动机(US724994)，使用两个轴向旋转的转子。在他的设计中，进口路线和出口路线经过外罩和壳之间的滑动密封件，这使得该设计有问题并易泄露。
许多其它旋转机械设计公开了使气体进入工作室以及从工作室排出的方法，然而，大多数设计具有包含多个移动部件的相对复杂的管道，这导致密封以及来自热的废气的热量传输的问题。
本发明的目的是克服一些下述问题，此前已知的旋转机械具有离心组件和往复组件的平衡和机械问题、密封件更换问题、热气与组件的部件隔离的问题，以及这些其他设计的通常整体复杂的问题，这是使气体或工作流体从机械外部进入工作室以及从工作室排出的难题。
发明内容
本发明涉及一种被设计用作发动机或压缩机的旋转机械。更具体地，本发明涉及一种机械，其中滑动密封点位于外壳或外罩中，且密封点滑动的表面形成中心转子的一部分，导致流体经由内转子上的一个或多个端口传输。由此，利用横跨这些端口移动的这些密封点控制流体流入位于转子和外罩之间的工作室和从该工作室流出，并且这些端口中的至少一个与转子和转轴中的管道连接，该管道被制成连续的并且与所述端口是一体的，并且延伸至所述机械的外部。以此方式，该管道是单向的，这意味着，取决于机械旋转方向，该管道要么一直将流体传输至工作室中，要么一直将流体从工作室中输出。
该配置的原理上的优点是流体可经由转子和轴中的简单管道在机械的端口和外部之间传输，而没有额外的控制设施、密封件或额外的移动部件的复杂性。这使得转子和外罩都能轴向旋转，从而形成真正的旋转机械。在该机械与热的气体一起使用时，例如用作内燃机时，围绕固定轴线，转轴的简单的旋转性质，以及其包围的管道是指利用同心的旋转密封件容易实现对另一管道或导管的密封，此外还容易使管道相对传入发动机组件内的热传输绝热。
另一优点是密封点可从机械外部接近，使得能容易更换，以及开创使用更便宜或磨损更快的材料的可能性。
可见，在提供直接邻近端口和管道的流体控制设施方面存在多种优点，包括：该管道是单向的，因此流体流可在一个方向上是连续的，而不会来回摆动，以及管道的体积不会变成工作室的一部分，这将减小机械的最大压缩。
因此，根据本发明，提供一种旋转机械，包括：
内转子和外罩；
所述转子在第一轴线上旋转，且所述外罩在第二轴线上旋转，所述第二轴线与所述第一轴线平行并且偏离于所述第一轴线；
外部支撑结构，所述外部支撑结构保持所述第一轴线和所述第二轴线彼此对齐，并且，其中，所述轴线相对于所述支撑结构基本固定；
所述外罩在内表面上具有两个或更多个密封点，所述密封点与所述转子的外表面相互作用以在所述转子和所述外罩之间限定两个或更多个工作室；
所述外表面包括流体传输端口；
轴，所述轴附接至所述转子并且与第一旋转轴线同心；
所述轴含有与所述第一旋转轴线大致平行的管道，该管道与所述转子中的另一管道连接，并且所述另一管道与所述端口连接；
所述管道和另一管道一起形成连续的通道，该通道用于流体从所述端口流至所述轴与所述支撑结构相互作用的点；
其中，该通道连续打开且基本没有障碍，并且围绕相对于所述支撑结构基本固定的轴线旋转；
使得在使用时，所述转子相对于所述外罩的转动导致工作室大小改变，从而密封点在整个端口上的相对移动控制所述端口与工作室之间的流体传输，并且，其中，对于转子的给定旋转方向，所述流体通过所述工作室和所述轴与所述支撑结构相互作用的点之间的通道单向传输。
所述转子优选具有与所述转子的旋转轴线大致平行的外表面，所述外罩优选具有与所述外罩的旋转轴线大致平行的内表面。
所述内转子的外表面优选大致为具有一个或多个叶片的外旋轮线的形式，然而，其它适宜的形状也可被用于转子的外表面，当然前提是在使用中，外罩的密封点保持与转子表面的接触或非常接近。优选地，所述外罩的内表面也大致为外旋轮线形状。
转轴可附接至转子的一侧，或者它可通过转子从一侧延伸至另一侧。在另一构造中，可使用两个轴，转子的每一侧上一个。
转子和外罩优选被安装在框架、结构或壳中，以使外罩和转子的轴线相对于彼此精确地定位。
所述转子的表面通常可具有两个叶片，且所述外罩具有三个密封点，但其他构造也是可能的，例如具有三个叶片的转子和具有四个密封点的外罩。许多其它组合也是可能的，通常使用叶片比外罩上的密封点少一个的转子。
转子可包括第二端口、第二管道和第二另一管道，其中该第二管道优选位于轴上与第一管道相对的一端，使得在使用时，流体将在转轴的一端进入机械，而在另一端流出。
或者，转子可具有与转子内的空隙连接的第二流体传输端口，该第二流体传输端口还经由外罩内的管道与机械外部连接，使得在使用时，流体将通过外罩轴进入机械，并通过转轴流出，或者流体将通过转轴进入，并通过外罩轴流出。
转轴中的管道可经由旋转密封件与附接至机械外部的固定管道、导管或支管连接。
形成通道的管道和另一管道可被制成为整体的，即为一体的，并且不是由单独移动的部件构成。
外罩优选包括内齿轮，该内齿轮与附接至转子的外齿轮啮合，从而使得这两个部件以相对于彼此正确的关系移动，从而使密封点和表面之间的内在磨损最小。
密封点可包括可移动的条板，该条板可便利地从外罩外部接近，使得它们能易于更换。
利用使用两个叶片的转子的设计，优选在转子上的合适位置处设置一个进口和一个出口，以使得机械能作为四冲程内燃机运行，或者可替代地，相似的两个叶片的设计通过在转子上的合适位置处提供两个进口和两个出口可被用作泵或压缩机。
当上述机械用作发动机时，可围绕上述外罩的周边设置火花塞。可提供将燃油添加至发动机以及调节进入发动机的空气流的设置，例如喷射系统或汽化器，它们可便利地附接至支承转子和外罩的框架，并且流体传输出口和管道可与废气系统连接。
在用作发动机时，废气优选经由转轴中的通道排出所述机械。可对通道的内表面提供热绝缘体，以防止热的废气过度加热转子和/或轴。通道的一致的性能有利于该绝缘体的设置。
附图说明
图1示出了发动机与旋转轴垂直的组件的剖面图；
图2示出了转子逆时针旋转90度后图1中的发动机组件；
图3示出了与旋转轴配合的图2中的发动机的剖面图；
图4示出了密封点的更改；
图5示出了具有四个端口的压缩机；
图6示出了包括转子和外罩的发动机，其中，转子具有四个叶片，外罩具有五个密封点；
图7示出了转轴的更改；
图8示出了对图3中所示发动机的更改；
图9示出了对图3中所示发动机的更改；
图10示出了图9所示的发动机的外罩视图。
具体实施方式
现将参照附图仅以示例的方式说明本发明。
首先参见图1，这示出了根据本发明的四冲程内燃机的主移动组件19，为便于观察，使这些组件保留原位的结构均未示出。在该发动机中，内转子1围绕外罩3内的轴线2旋转，该外罩3围绕与轴线2偏离的轴线4旋转，旋转方向用箭头2r和3r表示。该实施方式中的转子具有两个叶片40，且外罩具有三个密封点5。这些密封点被包括在具有可移动的密封条6的弹簧机构7和固定板8。外罩3和转子1以2:3的比例分别以不同速度按同一方向旋转。由于转子表面的外旋轮几何形状和转子与外罩的相对速度，这些密封点与转子表面保持滑动的气密密封。转轴9是圆柱形的，并在中心包括管道10。离观察者最近的转轴中的管道通过终止于转子的外表面中的端口12(入口)处的转子延伸至另一管道11，该管道、该另一管道和端口形成通道17。离观察者最远的轴(未示出)中的管道通过转子延伸至管道13，并终止于端口14(出口)。该第二管道、第二另一管道和第二端口形成第二通道18。三个工作室A、B、C由外罩和转子表面中的密封点的相互作用形成。本领域技术人员将看到，使用时，转子和外罩的旋转导致工作室大小变化，如在标准四冲程发动机中一样，结合进口和出口的位置，这导致气体被吸入、压缩、燃烧和膨胀，然后被排出。在该图中，转子和外罩之间的室A处在将气体通过出口14排出的过程中，气流方向用箭头表示，且室B是通过进口12吸入气体，同样用箭头表示气流。室C处于用于点火的完全压缩位置。外罩可包括一个或多个用于承载大部分压缩气体的燃烧腔15。火花塞16在最大压缩点处点燃压缩气体。
图2示出了转子逆时针旋转90度，外罩相应旋转60度后图1中所示的转子和外罩。室A体积减小，室B已达到最大体积，且室C刚开始膨胀。由此可看出旋转产生了与四冲程发动机循环相配的气流。
注意两个啮合齿轮在外罩50和转子51上的定位。这些齿轮确保了转子以与外罩正确的关系移动，从而防止转子表面和外罩表面(密封点除外)之间的接触，并且减小了应力以及对外罩、密封点和转子表面的磨损。
图3示出了按照发动机37的旋转轴线的剖面图，该发动机37具有如图2所示的相对位置相同的转子和外罩，并且包括图2中未示出的其他组件。支撑结构20利用轴承23使转子21和外罩22定位在合适位置。转子围绕其周边24装配有侧密封件，它们抵靠外罩22的内侧(外罩的密封点在该图中未示出)形成密封。转子28中的端口与转子中的管道27连接，该管道27延伸至轴25中的管道26，并且与轴和转子的旋转轴线43平行且同心。管道26延伸至点41，在点41处轴经由轴承23与支撑结构相互作用，该管道构件包括工作室A和点41之间传输流体的通道e-f。可见该通道是整体的，因为它由结合在一起的部件界定，而不是由相对于彼此能移动的部件构成。轴25和管道26在其中的延续部分延伸超出点41至轴终止之处42。旋转密封件35将轴密封至支撑结构，使得管道进一步延伸至附接到支撑结构的固定管道44。可看出，在超过41朝向42的各个点处，具有整体管道的轴在固定轴线43上旋转，与支撑结构相关，并且邻近该支撑结构，这意味着从点41向上远离转子，可容易地设置气体向发动机传输或者将气体传输至发动机。
第二端口29与轴36中的转子和管道31中的管道30连接，该构件包括用于在室B和点45之间传输流体的第二通道，在点45处轴36与支撑结构相互作用，在此情况下，通过靠近其来相互作用。该轴延伸超过点45，并且该管道用密封件34抵靠支撑结构形成密封。
将热绝缘体38装配至轴36以保护其不受热的废气影响。另一热绝缘体39被装配至转子中的管道30。可见，因为形成通道g-h的管道是整体的并且一起移动，因此它使得围绕该通道安装该绝缘体更容易实现。
将高压电流施加至电极32，该电极32接近位于发动机处于最大压缩位置时的点的火花塞33，从而引起燃烧。
图4示出了图1的实施方式的密封点的变体，其中密封点60与外罩61接触，并通过保持非常接近于转子62来实现气密密封。
图5示出了具有两个入口70和两个出口71的压缩机。这使用了和图1的发动机相同原理的大小可变的室，但省略了燃烧/膨胀循环，而是对转子的每个360度旋转进行两次压缩循环。
图6示出了包括外罩101与转子103的发动机，外罩101具有五个密封点102，转子103具有四个叶片104。在该构件中，具有两对端口110,111是必要的。可见，该构件因为转子的对称结构在机械上和热膨胀方面都是平衡很好的转子。
图7示出了对图3中所示发动机的更改。转轴80延伸至发动机外部。废气通过该轴排出，该轴包括用于保护发动机组件不受气体热量影响的绝缘体82。消音器81被装配至轴，可见该消音器随轴旋转。
图8示出了对图3中所示发动机的更改。转子90包括向空隙92敞开的端口91。用于流体的通道从该端口，穿过空隙，并通过一系列孔洞93进入外罩的轴94，该轴94与外罩旋转轴线同心，直至外罩轴与支撑结构相互作用的点127。该通道进一步延伸通过支撑结构96中的管道95，并且利用密封件97和126密封。在本发明的该实施方式中，支撑转子的轴98可制成实心的，或者可包含如前述实施方式中的管道。在转子90的另一侧，第二端口120与具有热绝缘体124的转子中的管道121连接，该管道121进一步延伸至也具有热绝缘体125的第二转轴99中的管道。这形成了从端口120至轴与支撑结构相互作用的点122，并且进一步延伸至出口管道123的连续通道m-n。上文已经阐述了这种通道m-n构造的益处，特别是在用于发动机热的废气侧的时候。进口通道不是连续的，不是整体的，因此需要更多的密封件以有效地起作用，并且此外更难以绝缘，然而，它具有比m-n更大的横截面，因此能更有效地传输气体的优点。该通道p-q在此处用于允许冷的进气进入至发动机中。
图9示出了对图3中所示发动机的更改。发动机130具有外罩131，其具有形成在其外表面中的许多翼片132。当外罩旋转时，这些翼片132用作扇片，通过支撑结构中的出口133吸入空气，并且将空气通过出口134吹出。借助于翼片提供的增大的表面积，横穿外罩的空气使得外罩冷却。可见，这是旋转发动机外罩的益处，因为它消除了对外部冷却系统的需要。同时还示出了对设计的改进，由此通过出口134出来的空气穿过管道135-136，并进入发动机137的进气通道。本领域技术人员将理解，这将增大进入空气的压力，由此对发动机提供更高的功率输出。
图10示出了沿着旋转轴线观察的图9的外罩131的视图，并示出了弯曲的径向翼片141的构造。可提供形成在支撑结构中的其它翼片(此处未示出)，它们可与外罩翼片141相互作用以提供额外的空气压缩。

Claims (22)

1.一种旋转机械，包括：
内转子和外罩；
所述内转子在第一轴线上旋转，且所述外罩在第二轴线上旋转，所述第二轴线与所述第一轴线平行并且偏离于所述第一轴线；
外部支撑结构，所述外部支撑结构保持所述第一轴线和所述第二轴线彼此对齐，并且，其中，所述第一轴线和所述第二轴线相对于所述支撑结构基本固定；
所述外罩在内表面上具有两个或更多个密封点，所述密封点与所述内转子的外表面相互作用以在所述内转子和所述外罩之间限定两个或更多个工作室；
所述外表面包括流体传输端口；
轴，所述轴附接至所述内转子并且与第一旋转轴线同心；
所述轴含有与所述第一旋转轴线大致平行的管道，该管道与所述内转子中的另一管道连接，并且所述另一管道与所述端口连接；
所述管道和另一管道一起形成连续的通道，该通道用于流体从所述端口流至所述轴与所述支撑结构相互作用的点；
其中，该通道由一个或多个部件整体界定，所述一个或多个部件接合在一起，使得在所述旋转机械运行期间，所述一个或多个部件相对于彼此保持固定，从而使得流体在所述旋转机械的整个运行期间流过所述通道，并且在所述旋转机械运行期间，所述通道围绕相对于所述支撑结构基本固定的一第三轴线旋转；
使得在使用时，所述内转子相对于所述外罩的转动导致工作室大小改变，从而密封点在整个端口上的相对移动控制所述端口与工作室之间的流体传输，并且，其中，构建通路，使得，在所述旋转机械的运行期间，其中，所述内转子相对于所述外罩的旋转沿着第一旋转方向，所述通道内的流体以第一方向连续流过所述工作室和所述轴与所述支撑结构相互作用的点之间的通道。
2.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述内转子的外表面与所述第一轴线平行。
3.根据权利要求1或2所述的旋转机械，其特征在于，所述密封点与所述第二轴线平行。
4.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述内转子的外表面大致为外旋轮线的形式。
5.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述外罩的内表面大致为外旋轮线的形式。
6.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述内转子具有一个或多个叶片，且所述内转子上叶片的数量少于所述外罩上密封点的数量。
7.根据权利要求6所述的旋转机械，其特征在于，所述内转子的表面具有两个叶片，且所述外罩具有三个密封点。
8.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，包括：
第二轴，所述第二轴与所述内转子的第一旋转轴线同心，并且附接至所述内转子的与第一轴相对的一侧；
所述第二轴内的第二管道，所述第二管道与第一旋转轴线大致平行，所述第二管道与所述内转子中的另一第二管道连接，且所述另一第二管道与所述内转子的表面内的第二端口连接；
所述第二管道和所述另一第二管道一起形成第二连续通道，该第二连续通道用于流体从所述第二端口流至所述第二轴与所述支撑结构相互作用的点；
其中，所述第二连续通道由一个或多个第二部件整体界定，所述一个或多个第二部件接合在一起，使得在所述旋转机械运行期间，所述一个或多个第二部件相对于彼此保持固定，从而使得流体在所述旋转机械的整个运行期间流过所述第二连续通道，并且在所述旋转机械运行期间，所述第二连续通道围绕相对于所述支撑结构基本固定的第三轴线旋转；
使得在使用时，流体能通过第一通道通入该旋转机械，并通过第二连续通道流出该旋转机械。
9.根据权利要求8所述的旋转机械，其特征在于，所述轴和第二轴接合在一起。
10.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述内转子具有与所述内转子内的空隙连接的第二流体传输端口，所述空隙连接至与所述外罩基本同心布置的管道，使得在使用时，流体能在第二端口和所述外罩与所述支撑结构相互作用的点之间传输。
11.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述轴中的管道利用与所述第一轴线同心的旋转密封件与固定的管道连接。
12.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述外罩包括齿环，该齿环与附接至轴的第二齿环啮合，由此所述内转子和外罩彼此相关地精确地对齐。
13.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述密封点包括离散的条板。
14.根据权利要求13所述的旋转机械，其特征在于，所述条板能从外罩外部接近。
15.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，包括所述内转子上的两个或更多个流体传输端口，其中，所述内转子上的端口位置为使得所述旋转机械如四冲程内燃机一样起作用。
16.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，包括所述内转子上的两个或更多个流体传输端口，其中，所述内转子上的端口位置为使得所述旋转机械如流体压缩机一样起作用。
17.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，轴内的所述管道与所述轴热绝缘。
18.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述内转子内的所述另一管道与所述内转子热绝缘。
19.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述管道与所述第一旋转轴线同心。
20.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，包括所述外罩的外表面上的翼片，用于对所述外罩提供冷却设施。
21.根据权利要求20所述的旋转机械，其特征在于，所述外罩的外表面上的所述翼片通过所述支撑结构中的第一出口吸入空气，并通过所述支撑结构中的第二出口将所述空气吹出。
22.根据权利要求20所述的旋转机械，其特征在于，所述外罩上的翼片压缩空气，所述空气被导入发动机的进气通道。
CN201480003121.XA 2013-11-29 2014-01-07 旋转机械 Active CN105164373B (zh)

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