CN107075948B - 旋转活塞及汽缸装置 - Google Patents

Abstract

一种旋转活塞及汽缸装置(1)，其包括转子(2)、固定体以及快门式开闭盘(3)，所述转子包括从转子延伸进入汽缸空间中的活塞，所述转子与所述固定体共同限定所述汽缸空间，所述快门式开闭盘穿过所述汽缸空间并在其中形成分隔体，所述盘包括允许所述活塞在其中穿过的狭槽(3a)，所述快门式开闭盘包括布置成与转子的表面形成密封的周向表面(30)，所述周向表面限定与所述转子表面形成至少一个封闭行进线(13b)的轮廓，至少一个封闭行进线从转子平面(13)偏移，所述转子平面(13)位于转子的半径上并包括转子的旋转的轴线。

Description

旋转活塞及汽缸装置

技术领域

本发明涉及旋转活塞及汽缸装置。

背景技术

旋转活塞及汽缸装置可以采取内燃机发动机或压缩机(例如增压器或流体泵)或膨胀器(例如蒸汽机或涡轮机替代设备)的形式，并且可以为一种容积式装置。

旋转活塞及汽缸装置包括转子和固定体，该固定体至少部分地限定环形腔室/汽缸空间，该转子可以为环形的形式，且该转子包括至少一个活塞，所述活塞从转子延伸进入环形汽缸空间中，在使用中至少一个活塞在转子相对于固定体旋转的时候沿周向移动穿过环形汽缸空间，所述装置进一步包括汽缸空间快门式开闭部件，所述快门式开闭部件能够相对于固定体移动至封闭位置(在该封闭位置上所述快门式开闭部件将环形汽缸空间分隔)和打开位置(在所述打开位置上所述快门式开闭部件允许至少一个活塞通过)，所述汽缸空间快门式开闭部件包括快门式开闭盘。

申请人已经发明了用于这种装置的改进的密封布置。

发明内容

根据本发明，提供一种旋转活塞及汽缸装置，其包括转子、固定体以及快门式开闭盘，所述转子包括从转子延伸进入汽缸空间中的活塞，所述转子与所述固定体共同限定所述汽缸空间，

所述快门式开闭盘穿过所述汽缸空间并在其中形成分隔体，所述盘包括允许所述叶片在其中穿过的狭槽，

所述快门式开闭盘包括布置成与转子的表面形成密封的周向表面，所述周向表面限定与所述转子表面形成至少一个封闭行进线的轮廓，至少一个封闭行进线从位于转子的半径上并包括转子的旋转的轴线的平面偏移。

周向表面可以被视作围绕盘延伸的最外侧的表面。

本文中所使用的术语“活塞”在其最广泛的含义内包括(其中语境允许)能够相对于汽缸壁移动的分隔体，这样的分隔体基本不需要在相对移动方向上具有实质厚度，而是可以为叶片的形式。分隔体可以具有实质厚度或可以为中空的。快门式开闭盘可以表现为基本沿汽缸空间的径向延伸的分隔体。

本文中所使用的术语密封为包括减小间隙、使泄露减到最小且不必完全防止流体穿过密封进行输送的布置。封闭行进线/区域指的是在盘与转子之间的密封配合表面处形成的区域。

虽然理论上快门式开闭部件意指可以往复运动，但是优选地避免使用往复部件，特别是在需要较高速度的时候，快门式开闭部件优选为设置有至少一个狭孔的旋转快门式开闭盘，所述狭孔在快门式开闭部件打开的条件下放置成与环形汽缸空间的周向延伸孔基本对准，从而允许至少一个活塞穿过快门式开闭盘。

快门式开闭的至少一个狭孔基本沿径向设置在快门式开闭盘中。

优选地，转子的旋转的轴线与快门式开闭盘的旋转的轴线不平行。更优选地转子的旋转的轴线基本垂直于快门式开闭盘的旋转的轴线。

优选地，活塞成形为随着狭孔穿过环形汽缸空间，活塞将在移动的快门式开闭部件中穿过狭孔而不会受到阻挡。活塞优选地成形为使得在活塞与快门式开闭部件中的狭孔之间存在最小的间隙，从而在活塞穿过狭孔时形成密封。可以在活塞的前沿表面或后沿表面或前沿边缘或后沿边缘上设置密封。在压缩机的情况下，可以在前沿表面上设置密封，而在膨胀器的情况下，可以在后沿表面上设置密封。

优选地转子由固定体可旋转地支撑而不是依赖于活塞与汽缸壁之间的协作，从而使转子本体相对于固定体定位。应理解的是旋转活塞及汽缸装置与传统的往复活塞装置不同，在传统的往复活塞装置中，活塞通过合适的活塞环而保持为与汽缸同轴，所述活塞环产生相当高的摩擦力。

优选地，转子与快门式开闭盘的周向表面之间的密封由它们之间的密封间隔提供，以使流体的传输减到最小。

转子可以由合适的轴承部件可旋转地支撑，该轴承部件由固定体承载。

优选地，固定体包括至少一个入口端口和至少一个出口端口。

优选地，至少一个端口基本毗邻快门式开闭部件。

优选地，转子的角速度与快门式开闭盘的角速度的比值可以为1:1，但是其它比值也是可能的。

转子可以包括(圆形)凹陷表面，该(圆形)凹陷表面部分地与固定体限定汽缸空间。转子可以包括中心孔以允许盘与转子之间的旋转传动延伸穿过。

快门式开闭盘可以布置成在汽缸空间的一个区域处延伸穿过汽缸空间。

快门式开闭盘可以具有中平面，该中平面可以被认为是通常在盘的高度/深度的中间延伸的平面。

所述装置可以包括一个或者更多的特征，其将在下文的描述中进行描述和/或在附图中显示。

附图说明

现在将参考下面的附图并仅通过示例性的方式来描述本发明的各个实施方案：

图1为旋转活塞及汽缸装置的立体图，

图2为图1的装置的转子的立体图，其显示了转子的旋转的轴线和不同平面，

图2a为示出生成转子径向横截面的优选方法的示意图，

图3和图4为包括偏移的封闭行进线的旋转活塞及汽缸装置的立体图和侧视图，

图5为包括偏移的封闭行进线的旋转活塞及汽缸装置的前视图，并为图3和图4中显示的装置的一个变体实施方案，

图6和图7分别为包括两个偏移的封闭行进线的旋转活塞及汽缸装置的前视图和立体图，

图8为包括两个分别都为偏移的封闭行进线的旋转活塞及汽缸装置的前视图，其中快门式开闭盘(从转子的径向平面)偏移，

图9为包括单个封闭行进线的旋转活塞及汽缸装置的前视图，其中盘和封闭行进都从转子的径向平面偏移，

图10和图11分别为旋转活塞及汽缸装置的侧视图和前视图，其中快门式开闭盘相对于转子的径向平面倾斜，

图12a和图12b为旋转活塞及汽缸装置的快门式开闭盘与转子之间不同间隙的快照细节图，

图13a至图13d显示不同的快门式开闭盘表面几何结构的横截面视图，

图14为旋转活塞及汽缸装置的快门式开闭盘的周向表面的横截面轮廓，其显示不同的弧形部分，

图15a至图15c为不同的快门式开闭盘表面几何结构相对于转子的中心平面在不同位置的横截面视图，

图16为旋转活塞及汽缸装置的第二类型的(局部)立体图，

图17a和图17B为图16的装置的转子和快门式开闭盘的横截面视图。

具体实施方式

参考显示旋转活塞及汽缸装置1的图1，所述旋转活塞及汽缸装置1包括转子2、固定体(未示出)以及快门式开闭盘3。所述固定体包括相对于转子被保持的构造以及固定体的面向转子的表面2a的内表面，从而共同限定汽缸空间。固定体还可以包括位于转子另一侧的第二部分，因此固定体部分实际上共同围住位于其之间的转子，设置与转子整体形成并从表面2a延伸的叶片5。设置在快门式开闭盘3中的狭槽3a的尺寸和形状设置成允许叶片穿过狭槽而通过。快门式开闭盘3的旋转通过传动组件而与转子保持对应，以确保转子的正时与快门式开闭盘保持同步。

使用所述装置时，快门式开闭盘的周向表面30面向转子的内表面2a从而在它们之间提供密封，因此能够实现快门式开闭盘在汽缸空间内充当分隔体的功能。在下文描述的实施方案中，公开了快门式开闭盘定位及周向表面的形状方面的内容。

在下文描述的示例性实施方案中，我们提供用于限定封闭行进线的几何结构的有利布置。“封闭行进线”包括提到的提供转子与盘之间基本为最小间隙的快门式开闭盘上的(基本连接)点的集合。下文的实施方案描述用于旋转汽缸装置的多个构造的优选几何结构，并应容易理解也能够为体现基本原理的变体。

转子的内表面2a的几何结构受限于旋转的快门式开闭盘的弯曲周向表面。由于盘(优选地)只贯穿(环形)汽缸的一侧，因此盘的轴线与转子的轴线一般不会相交。由于盘也会具有厚度，因此可以理解不能沿着盘的外表面的整体形成一致的密封间隙。这是该类型的设备的偏移轴线和腔室几何结构所导致的结果，图12a和图12b分别证明了这种效果。为了清楚起见将附图中的盘的径向横截面放大，其具有单一中心CRL。在该情况下，图12a显示图1的内直径处的间隙，而图12b显示图1的外直径处的间隙。在外部位置处，转子曲率半径比所述盘的更小，因此盘外表面在该点处与转子曲率非常接近地匹配。在内部位置处，转子曲率半径比所述盘的更大，这意味着引入和引出的间隙更大，这是因为盘曲率没有改变。CRL处的间隙也没有改变，且在示出的位置之间基本恒定。应理解的是这些附图仅用于显示特定实施方案的间隙，但是相似的特性对于其它实施方案也能够观察到。

对本领域技术人员来说显而易见的盘的表面的几何结构和转子的设计方案限定了与转子的中心平面一致的平面，对于圆形曲线限定封闭行进线完全包含在该平面之内。转子2的中心平面还可以看作是径向平面，其与转子的轴线一致。参考显示所述平面(用A和B表示)以及转子的旋转的轴线(用C表示)的图2。圆形曲线为盘的圆周的部分，然后通过使其围绕转子轴线旋转以形成表面用于限定转子的内轮廓。然后可以通过确定轮廓而生成盘的外表面，该轮廓将盘的周向表面与转子的内表面之间的间隔减小或减到最小，同时避免两者之间的任何接触。

显而易见的是限定这样的轮廓的一种方法为通过使用转子的内表面2a，使其围围绕盘的轴线旋转将其成为切割表面。尽管这对于给定的装置构造提供最佳的表面，但制造和检查将会更加困难。因此申请人已认识到优选盘的周向表面通过一个或一组更简单的曲线或半径(可以数学上进行精确描述的)反而更接近这样的最佳表面。

可以理解的是形成这样几何结构的其它方法是可能的，并且对实施方案进行的描述可以通过任何其他实现基本相似几何结构的方法来实现。

在图1中显示的实施方案中，快门式开闭盘相对于转子在中心(即在平面B上)安装，从而盘的中心平面D(在图1中显示)与转子的轴线及因此与盘的径向平面重合。盘的中心平面穿过围绕周向表面(相对于周向表面的相应厚度/高度)的正中央。在此构造中，技术解决方案的情况为封闭行进线处于所述中心盘平面或中平面，这导致转子内表面可以由以盘的轴线为中心的单一半径曲线来限定。盘的中平面可以限定为穿过盘并基本位于对于所述表面的周向延伸长度的至少部分盘的周向表面的深度/高度(或者其部分)的中间的平面。如果周向表面具有可变的高度/深度，那么平面基本位于表面的主要大部分的中间。这种简单的几何结构有利于制造和检查。与此相反，在下文描述的实施方案中，封闭行进线从该(中心)平面偏移。

参考图2a，如本文中所描述的，在封闭行进线从转子径向平面偏移的情况下，转子的理想的径向横截面事实上基本为椭圆形。然而，为了简化制造，可以通过一般具有更大直径的(单一半径)并具有从CRL偏移的轴线的圆弧来估算。在许多构造中，这种估算的误差非常低，并允许用于制造和检查的工具轨迹的更简单的规格。

参考图3和图4，图3和图4显示在中央安装但具有周向表面的快门式开闭盘13，所述周向表面具有限定从图2的平面B偏移的封闭行进线13b的轮廓，但是其中盘的中心平面与平面B重合。

图5显示封闭行进线为快门式开闭盘33的厚度的中心，但是快门式开闭盘的中心平面从平面B偏移的实施方案。

转到图6和图7，图6和图7显示包括快门式开闭盘23的旋转活塞及汽缸装置，其周向表面设置有两个隔开的封闭行进线，23b。封闭行进线围绕盘的中心平面隔开，盘的中心平面与平面B重合。由此，封闭行进线23b中的每一个以对称的形式从平面B偏移。尽管这样的解决方案增加对盘的表面进行限定的复杂性，但是对称的构造使两个封闭行进线在转子径向表面的任一侧呈现为对称。具有两个封闭行进线显著地改进旋转汽缸的密封，这是因为盘转子密封间隔提供用于大部分行程的泄露路径。

图8显示包括快门式开闭盘43的旋转活塞及汽缸装置，快门式开闭盘43包括两个封闭行进线43b，封闭行进线相对于平面B对称地定位，盘的中心平面从平面B偏移。

图9显示这样的实施方案，其中快门式开闭盘53从中心平面B偏移，并且所述快门式开闭盘53的封闭行进线从盘的中心平面偏移。在这种构造中，盘偏移超过转子平面之外，从而不与转子平面B相互影响或重叠，封闭行进线偏移的延伸范围仍会更大。在这样的方案中，不能提供多于一个的封闭行进线，然而，将单一封闭行进线放置成从盘中心平面偏移也是有益的。如果封闭行进线沿使其距离转子轴线更远的方向从盘中心平面偏移，则该益处在于与封闭行进线的每一侧的盘周向表面部分相关的方面，这是因为盘周向表面部分变得基本更靠近转子表面。当这些表面(即周向表面与转子表面)更接近的时候，即使封闭行进线处的(在周向表面与转子之间)间隙并未发生变化，但穿过间隔的泄露也会减少。应理解的是封闭行进线从盘中心平面偏移的量取决于特定的装置构造。其它因素(例如密封耗损、公差累积以及运行中变形)也是有影响的。

在图10和图11中显示旋转活塞及汽缸装置，其中快门式开闭盘63不垂直于转子的正交平面，并具有封闭行进线63b，从而封闭行进线在图中示出的方向上偏移。这种倾斜的构造可以改进装置的包封性能。这减少了部件连接的数量，并提高装置的效率。使密封平面从盘中心平面偏移基本减小密封线的任一侧的表面与转子内表面之间的距离，从而改进密封。

在快门式开闭盘中心平面从转子平面偏移和/或与转子平面形成角度的实施方案中，对于将快门式开闭盘连接至转子的传动组件可以存在包封/益处。

现在参考图13a至图13d、图14和图15a至图15c，显示了快门式开闭盘的周向表面形状/几何结构的不同示例。在显示具有两个封闭行进线的中心盘的图14中，可以看到周向表面包括一组共三个弧形部分(分别为R1和R2)。R1中间部分，部分R2位于R1的两侧。所述部分为连续的，并用来估算最佳表面轮廓(尽管是用通过数学准确地参考各自的半径而容易地限定的方式)，并且每个具有拱形的延伸范围。在中间部分R1的每一端处在距离转子表面最近的区域处形成封闭行进线。可以看到R1的半径比R2的半径更大。具有三个(或事实上通常更多，多个)单一半径曲线为制造和检查两者提供显著的益处。应理解的是将理想曲线估算为一组单一半径曲线，从而简化检查步骤。

在图13a中，显示具有方形形状的快门式开闭盘103，其具有两条封闭行进线。在图13b中，快门式开闭盘203的周向表面设置有平坦轮廓，并设置有弧形的肩部。在图13c中，周向表面包括凹陷部和弧形的肩部。在图13d中，除了设置多个凹进处403a之外，快门式开闭盘403以盘103的周向表面的几何结构为基础。这可以被看作设置有凹进处的平直的(当在截面中观察时)几何结构。

图15a显示设置有弧形表面的快门式开闭盘503，其设有单一封闭行进线，该单一封闭行进线没有从转子的中心平面偏移，并显示为以图15b和图15c中显示的偏移的程度作为对照参考。图15b显示具有不对称弯曲表面的快门式开闭盘603，其中快门式开闭盘和封闭行进线两者都从中心转子表面13偏移。图15c显示相似类型的布置，然而盘703的表面的弯曲几何结构与盘603的不同，封闭行进线放置的位置也不同。

参考图16，其显示旋转活塞及汽缸装置的另一种类型，其中转子2002包括活塞2005，其中活塞穿过设置在快门式开闭盘2003中的狭槽2006。为了清楚起见省略包围的固定体结构。如同在图17中可以看到的，为了清楚起见进行放大，盘的周向表面具有通常的凹陷形状，呈现与转子表面的两条封闭行进线。两个CRL存在于盘的中心平面周围。在该实施方案中，所述盘以转子径向平面为中心，两个CRL存在于其中心平面周围，如上所述。两个视图都是在盘的径向截面上呈现的。在转子的内直径处，从所述盘处所看到的转子的曲率是最小的，由此确定盘外表面的中心部的曲率。在转子的外直径处，从盘所看到的转子的曲率是最大的，由此确定盘外表面的外部的曲率。应理解的是在两个极点之间，盘的曲率与转子表面的曲率并不匹配，但CRL处的间隙基本是恒定且最小的。因此，显而易见的是当使用其它类型的旋转活塞及汽缸装置的时候使封闭行进线偏移的原理也是有益的。

Claims (18)

1.一种旋转活塞及汽缸装置，其包括转子、固定体以及快门式开闭盘，所述转子包括从转子延伸进入汽缸空间中的活塞，所述转子与所述固定体共同限定所述汽缸空间，

所述快门式开闭盘穿过所述汽缸空间并在其中形成分隔体，并且所述快门式开闭盘包括允许所述活塞在其中穿过的狭槽，

所述快门式开闭盘包括周向表面，所述周向表面布置成与转子的内表面形成密封的间隙，所述周向表面限定与转子表面形成至少一个封闭行进线的轮廓，至少一个封闭行进线从转子平面偏移，所述转子平面位于转子的半径上并包括转子的旋转的轴线。

2.根据权利要求1所述的旋转活塞及汽缸装置，其中，所述快门式开闭盘位于与所述转子平面平行的平面中。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的旋转活塞及汽缸装置，其中，所述快门式开闭盘位于所述转子平面的中央。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的旋转活塞及汽缸装置，其中，所述快门式开闭盘从所述转子平面偏移。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的旋转活塞及汽缸装置，其中，所述快门式开闭盘与转子表面不相交，并不与平行的旋转件径向平面相交。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的旋转活塞及汽缸装置，其中，所述快门式开闭盘相对于转子平面倾斜。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的旋转活塞及汽缸装置，其中，所述快门式开闭盘包括周向表面，该周向表面限定两个隔开的封闭行进线。

8.根据权利要求7所述的旋转活塞及汽缸装置，其中，所述封闭行进线在所述快门式开闭盘的厚度方向上隔开。

9.根据权利要求1所述的旋转活塞及汽缸装置，其中，所述封闭行进线关于所述转子平面对称。

10.根据权利要求1或权利要求2所述的旋转活塞及汽缸装置，其中，当与转子表面形成密封的时候，所述周向表面与所述转子表面隔开。

11.根据权利要求1或权利要求2所述的旋转活塞及汽缸装置，其中，所述快门式开闭盘布置成与所述转子提供两个隔开的封闭行进线，所述快门式开闭盘的中平面从所述转子的径向平面偏移。

12.根据权利要求1或权利要求2所述的旋转活塞及汽缸装置，其中，沿着所述快门式开闭盘的半径呈现的周向表面的横截面轮廓在快门式开闭盘的不同周向位置处变化。

13.根据权利要求12所述的旋转活塞及汽缸装置，其中，在不同周向位置处的轮廓变化使得：在一个周向位置处的周向表面与在另一个周向位置处的相比在更接近转子表面处具有更长的延伸范围。

14.根据权利要求1或权利要求2所述的旋转活塞及汽缸装置，其中，沿着所述快门式开闭盘的半径呈现的周向表面的横截面轮廓包括多个连续的弧形部分。

15.根据权利要求14所述的旋转活塞及汽缸装置，其中，所述周向表面包括位于两个外部弧形部分之间的中心弧形部分，中心部分的半径比外部部分的更大。

16.根据权利要求1或权利要求2所述的旋转活塞及汽缸装置，其中，所述快门式开闭盘的周向表面包括多个弧形部分、凹陷轮廓、方形轮廓中的至少一种，其中之一包括多个凹进构造。

17.根据权利要求1或权利要求2所述的旋转活塞及汽缸装置，其中，所述快门式开闭盘的封闭行进线放置成使得所述快门式开闭盘的中平面位于所述封闭行进线与所述转子平面的中间。

18.根据权利要求1所述的旋转活塞及汽缸装置，其中，所述快门式开闭盘在所述汽缸空间的一个区域处分隔汽缸空间。