CN109209815B - 一种径向柱塞压气机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种径向柱塞压气机，属于燃气发动机设备技术领域。该压气机包括凸轮、中心轴、叶轮、转子、机座、柱塞、滚轮以及短轴；转子位于机座的内腔，转子两侧的凸轮与机座的侧壁固定连接，转子上设置多个缸体与径向柱塞配合，短轴中间与柱塞一端铰接而两端与滚轮固定连接，滚轮与凸轮的廓面啮合，中心轴与转子固定连接并通过轴承支承于机座；转子的左、右端面与机座侧壁保持平面接触，机座侧壁上设置轴向的配气口进行进气和排气，叶轮固定安装在中心轴的一端以增加压气机的进气通量。当中心轴驱动转子转动时，滚轮推动柱塞径向往复运动实现吸气和压气。本发明所提供的径向柱塞压气机具有轴向结构紧凑、机械效率高、排量大以及运行平稳等特点。

Description

一种径向柱塞压气机

技术领域

本发明属于燃气发动机设备技术领域，具体涉及一种径向柱塞压气机。

背景技术

燃气发动机通常需要压气机产生高压空气，该高压空气与燃油混合后在燃烧室燃烧产生高温高压气流从喷管中高速喷出，从而产生强劲的推力，或通过涡轮输出力矩。现有的压气机无论是径流式还是轴流式压气机技术成熟，具有结构紧凑、稳定性好、使用寿命长等特点，在汽车、飞机、移动机器人等领域有广泛的应用。然而，现有的压气机的输出空气压力依赖叶轮的转速，转速高而压力大，通常需要采用多级叶轮进行升压因而存在压气机的轴向尺寸大、叶轮设计和制造难度大、制造成本高等缺点，限制了压气机应用的范围。中国专利CN 102144096B所公开的高压径向柱塞泵和CN102644575B所公开的连杆滑靴式配流径向柱塞泵，它们原理上都可应用于压气机。前者由静止的缸体、柱塞和转动的凸轮或偏心轮组成，其凸轮推动柱塞作径向移动，配合单向配流阀进行工作，但在高速状态下配流阀的阀芯与柱塞运动不协调易产生振动和噪音，同时缸体缺乏强制冷却也影响压气机的效率；后者采用连杆滑靴式控油阀解决了配流阀的阀芯与柱塞运动不协调的问题，但其控油阀较复杂，工作可靠性较差。

发明内容

本发明针对现有压气机存在的技术不足，提供一种径向柱塞压气机，以期具有轴向结构紧凑、输出压力高、压气效率较高、振动噪音小、制造成本低的特点。

本发明是通过以下技术方案予以实现的。

本发明所提供的一种径向柱塞压气机包括左凸轮1、轴套2、滚轮5、右凸轮7、柱塞15、转子8、中心轴10、右箱体11、短轴13、左箱体14、端盖16、空滤盘16a、叶轮18，所述左凸轮1和左箱体14的内孔轴线重合且与左箱体14固定连接，右凸轮7和右箱体11的内孔轴线重合且与右箱体11固定连接，左箱体14的内孔和右箱体11的内孔轴线重合，左箱体14的右端和右箱体11的左端配合定位并固定连接压气机的机座。所述短轴13与柱塞15一端的径向孔通过滑动轴承形成铰接，短轴13的轴线和柱塞15的轴线垂直且位于同一平面，短轴13与轴套2间隙配合而与滚轮5固定连接，短轴13、轴套2和滚轮5的轴线重合且对称布置在柱塞15轴线的两侧形成径向移动单元；所述柱塞15的另一端设置密封槽并通过密封环与转子8的气缸内壁形成无间隙的滑动配合。所述转子8和中心轴10都是轴对称结构，两者的轴线重合并固定连接，转子8上径向布置气缸，气缸的轴线位于同一回转平面上且沿转子8圆周均匀分布，中心轴10通过轴承支承在左箱体14和右箱体11的内孔中，中心轴10的一端固定安装叶轮18而另一端作为动力输入端。所述转子8位于上述机座的内腔，转子8左端面的内环面与左箱体14辐板的端面平面接触形成无间隙的滑动副，转子8右端面的内环面与右箱体11辐板的端面平面接触形成无间隙的滑动副，转子8左端面的外环面与左凸轮1的端面平面接触形成间隙配合，转子8右端面的外环面与右凸轮7的端面平面接触形成间隙配合，转子8左端面和右端面上设有相同的气口连通气缸内腔，转子8的外环面和内环面之间设有气道连通转子8的左端面和右端面，转子8外围的气缸两侧设置径向槽与所述轴套2的外圆形成滑动配合。所述左凸轮1和右凸轮7位于转子8的两侧，左凸轮1的右端面和右凸轮7的左端面上设置轴向的凸轮槽，左凸轮1和右凸轮7的凸轮槽的理论廓线相同，滚轮5的外圆与凸轮槽的廓面接触可推动上述径向移动单元在转子8上径向移动。所述左箱体14是轴对称结构，左箱体14的内孔与左凸轮1的外圆配合定位，左箱体14的辐板与左凸轮1的端面接触并周向固定，左箱体14的辐板上设置轴向的低压气入口a和洁净气入口b，左箱体14辐板左侧的进气腔A与低压气入口a相通，左箱体14与空滤盘16a形成的洁净气腔B与洁净气入口b相通，所述端盖16与左箱体14固定连接并对支承中心轴10的轴承进行轴向定位，空滤盘16a与端盖16的外圆固定连接，转动的叶轮18位于进气腔A以增加输入空气压力；所述右箱体11除支撑结构外是轴对称结构，右箱体11的内孔与右凸轮7的外圆配合定位，右箱体11的辐板与右凸轮7的端面接触并周向固定，右箱体11的辐板上设置轴向的低压气出口c和高压气出口d，右箱体11辐板的低压气出口c与转子8的气道相通，右箱体11辐板的高压气出口d与转子8右端面的气口8a间歇相通。所述转子8、柱塞15和上述机座形成封闭的润滑油腔C，所述右箱体11的外圆周上设置与润滑油腔C相通的润滑油入口O₀和润滑油出口O₁，润滑油从机座上方的润滑油入口O₀吸入而从机座下方的润滑油出口O₁排出。

作为一种优化，所述左凸轮1和右凸轮7的端面上沿圆周均匀分布有m(m≥2)段凸轮槽，每段凸轮槽由两部分凸轮轮廓组成，即吸气轮廓1a和排气轮廓1b，齿廓面是直纹面。

作为一种优化，所述转子8是轴对称结构，由具有N个辐条的圆盘和N个圆锥台组合形成(N≥2)，辐条外侧的圆盘端面是上述的转子8外环面，辐条内侧的圆盘端面是上述的转子8内环面，辐条之间的空间形成转子8的气道，圆锥台的轴线位于同一平面上且垂直于圆盘轴线，N个与圆锥台的轴线重合的气缸沿圆盘圆周均匀分布，圆盘两侧端面上分别设置N个轴向气口8a与对应的气缸底部相通。

作为一种优化，所述左箱体14辐板上设有m个洁净气入口b，洁净气b的周向弧长对应于左凸轮1和右凸轮7上的吸气轮廓1a，所有洁净气入口都与洁净气腔B相通；所述右箱体11的辐板上设有m个高压气出口d，高压气出口的周向弧长对应于左凸轮1和右凸轮7上的排气轮廓1b。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优点：

1、径向柱塞分布在转子的圆周上，多个径向柱塞同时工作，转子转动一周，每个柱塞吸气和排气多次，压气机的每转理论排量大，出口气压受转子转速的影响小。

2、转子端面与左、右箱体的无间隙滑动接触，能有效保持本压气机的高压效果。转子转动一周，柱塞吸油和排油m次，循环的润滑油对机座及柱塞有冷却作用；低压空气通过转子气道对转子上的气缸也有强制冷却作用。因此压气机有较高的工作效率。

3、本径向柱塞压气机具有轴向结构紧凑、机械效率高以及运行平稳等特点。

附图说明

图1是本发明径向柱塞压气机的主视结构示意图。

图2是图1的k-k剖面结构示意图。

图3是本发明径向柱塞压气机的凸轮廓线示意图。

图中：1、左凸轮；1a、吸气轮廓；1b、排气轮廓；2、轴套；3、螺栓组；4、轴瓦；5、滚轮；6、平键；7、右凸轮；8、转子；8a、气口；8b、气道；9、右轴承；10、中心轴；11、右箱体；12、O形圈；13、短轴；14、左箱体；15、柱塞；16、端盖；16a、空滤盘；17、左轴承；18、叶轮；19、端盖O形圈；P₁、低压气；P₂、高压气；A、进气腔；B、洁净气腔；C、润滑油腔；O₀、润滑油入口；O₁、润滑油出口；a、低压气入口；b、洁净气入口；c、低压气出口；d、高压气出口。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。

在图1中，一端与短轴13通过轴瓦4铰接而另一端带密封环的柱塞15安装在转子8的气缸中形成容积可变的内腔，轴套2空套在短轴13上，滚轮5与短轴13的轴端过盈连接，每根短轴13上有2个轴套2、2个轴瓦4和2个滚轮5对称布置在柱塞15轴线的两侧，形成压气机的径向运动单元，4个结构相同的径向运动单元从径向插入转子8的气缸中，轴套2位于气缸两侧的径向槽中，柱塞15只能沿转子气缸径向移动。

转子8与中心轴10通过花键联接进行周向定位并传递力矩，中心轴10的轴肩与转子8接触进行轴向定位。左箱体14装入左凸轮1，左凸轮1的外圆与左箱体14内孔配合形成中心定位并由平键6进行周向定位。右箱体11装入右凸轮7，右凸轮7的外圆与右箱体11内孔配合形成中心定位并由平键6进行周向定位。

转子8、中心轴10及上述径向运动单元装配后形成转动体，该转动体从轴向装入左箱体14和右箱体11的内腔。左箱体14与右箱体11端面接合并通过圆柱面配合进行径向定位，通过螺栓组3实现左箱体14与右箱体11的紧固连接形成机座。短轴13两端的滚轮5位于左凸轮1和右凸轮7的凸轮槽中，可推动柱塞15径向运动。在转子8与左凸轮1和右凸轮7的间隙配合面之间安装O形圈12以防润滑油腔的油泄漏。

在左箱体14的中心孔与中心轴10之间安装左轴承17，右箱体11的中心孔与中心轴10之间安装右轴承9，形成中心轴10与机座的转动支承；端盖16及空滤盘16a与左箱体14通过螺栓紧固连接，一方面对左轴承17轴向定位，同时空滤盘16a与左箱体14形成洁净气腔B。叶轮18通过螺栓与中心轴10的轴端固定连接，能随转子一起转动。端盖16与中心轴10之间安装端盖O形圈以防轴承润滑油泄漏。

当中心轴10转动时，位于进气腔A的叶轮18吸入空气，一部分空气经空滤盘16a进入洁净腔B并经过洁净气入口b和气口8a进入气缸内腔，柱塞压缩时洁净气入口b关闭而气缸内腔与高压气出口d连通，高压气P₂排出；进气腔A的大部分常温空气经低压气入口a通过转子8的气道8b从低压气出口c排出，可对转子8上的气缸进行冷却，低压气P₁可进一步加以利用。

图2中，转子8位于机座内腔，中心轴10位于机座的中心，转子8上有4个上述的径向运动单元且沿转子的圆周均匀分布，转子8的内环面上有4个对应的气口8a，即N＝4，转子内环面和外环面之间的气道8b始终连通低压气入口a和低压气出口c；短轴13与转子气缸内的柱塞铰接，短轴13上的轴套2位于气缸上的径向槽中以防止柱塞绕自身轴线转动。

图3中，右凸轮7端面上有4段连续而光滑的凸轮槽，介于右凸轮的外圆和内孔之间并沿圆周均布，即m＝4，每段凸轮槽由压气凸轮轮廓1a和吸气凸轮轮廓1b组成，滚轮5的外圆与凸轮槽间隙配合并能沿凸轮槽滚动。左凸轮1的内径、外径和厚度与右凸轮7相同，其端面上的凸轮槽组成和理论廓线形状也与右凸轮7的相同完全相同，安装时左凸轮和右凸轮的周向相位相同，而两者的凸轮槽关于柱塞轴线所在平面对称。

当中心轴10带动转子8转动时，而左凸轮1和右凸轮7静止，短轴13两端的滚轮5同时与左凸轮1和右凸轮7的凸轮槽接触同步推动柱塞15径向运动实现吸气和压气功能。由于每个柱塞15有2个滚轮5推动，柱塞15的负载能力较强，可产生较大的气压。

转子8高速转动时，上述径向运动单元随转子转动产生的离心力方向不变且有利于吸气，滚轮5与凸轮槽的接触基本上是单边接触，因而滚轮5和凸轮槽的接触不会产生间隙冲击，运动较平稳。

转子8的气缸与柱塞15配合形成N个动态变化的独立封闭空间，它们既是吸气腔又是排气腔。转子8转动一周，滚轮5接触凸轮槽的吸气轮廓时吸气而接触凸轮槽的排气轮廓时压气，吸气和压气m次。因此，相对于常规的空压机，本柱塞压气机的每转理论排量增大m倍。对于润滑油腔，柱塞15的径向运动也使润滑油腔的体积发生变化形成吸油和排油的动力，润滑油从机座上方的入口O₀吸入而从机座下方的出口O₁排出，能对压气机的转子气缸及柱塞强制冷却，可提高压气机的工作效率。

Claims (4)

1.一种径向柱塞压气机，其特征在于，该压气机包括左凸轮（1）、轴套（2）、滚轮（5）、右凸轮（7）、柱塞（15）、转子（8）、中心轴（10）、右箱体（11）、短轴（13）、左箱体（14）、端盖（16）、空滤盘（16a）、叶轮（18）；

所述左凸轮（1）和左箱体（14）的内孔轴线重合且与左箱体（14）固定连接，右凸轮（7）和右箱体（11）的内孔轴线重合且与右箱体（11）固定连接，左箱体（14）的内孔和右箱体（11）的内孔轴线重合，左箱体（14）的右端和右箱体（11）的左端配合定位并固定连接形成压气机的机座；

所述短轴（13）与柱塞（15）一端的径向孔通过滑动轴承形成铰接，短轴（13）的轴线和柱塞（15）的轴线垂直且位于同一平面，短轴（13）与轴套（2）间隙配合而与滚轮（5）固定连接，短轴（13）、轴套（2）和滚轮（5）的轴线重合且对称布置在柱塞（15）轴线的两侧形成径向移动单元；所述柱塞（15）的另一端设置密封槽并通过密封环与转子（8）的气缸内壁形成无间隙的滑动配合；

所述转子（8）和中心轴（10）都是轴对称结构，两者的轴线重合并固定连接，转子（8）上径向布置气缸，气缸的轴线位于同一回转平面上且沿转子（8）圆周均匀分布，中心轴（10）通过轴承支承在左箱体（14）和右箱体（11）的内孔中，中心轴（10）的一端固定安装叶轮（18）而另一端作为动力输入端；

所述转子（8）位于机座的内腔，转子（8）左端面的内环面与左箱体（14）辐板的端面平面接触形成无间隙的滑动副，转子（8）右端面的内环面与右箱体（11）辐板的端面平面接触形成无间隙的滑动副，转子（8）左端面的外环面与左凸轮（1）的端面平面接触形成间隙配合，转子（8）右端面的外环面与右凸轮（7）的端面平面接触形成间隙配合，转子（8）左端面和右端面上设有的相同的气口连通气缸内腔，转子（8）的外环面和内环面之间设有的气道连通转子（8）的左端面和右端面，转子（8）外围的气缸两侧设置的径向槽与轴套（2）的外圆形成滑动配合；

所述左凸轮（1）和右凸轮（7）位于转子（8）的两侧，左凸轮（1）的右端面和右凸轮（7）的左端面上设置轴向的凸轮槽，左凸轮（1）和右凸轮（7）的凸轮槽的理论廓线相同，滚轮（5）的外圆与凸轮槽的廓面接触可推动上述径向移动单元在转子（8）上径向移动；

所述左箱体（14）是轴对称结构，左箱体（14）的内孔与左凸轮（1）的外圆配合定位，左箱体（14）的辐板与左凸轮（1）的端面接触并周向固定，左箱体（14）的辐板上设置轴向的低压气入口（a）和洁净气入口（b），左箱体（14）辐板左侧的进气腔（A）与低压气入口（a）相通，左箱体（14）与空滤盘（16a）形成的洁净气腔（B）与洁净气入口（b）相通，所述端盖（16）与左箱体（14）固定连接并对支承中心轴（10）的轴承进行轴向定位，空滤盘（16a）与端盖（16）的外圆固定连接，转动的叶轮（18）位于进气腔（A）以增加输入空气压力；

所述右箱体（11）除支撑结构外是轴对称结构，右箱体（11）的内孔与右凸轮（7）的外圆配合定位，右箱体（11）的辐板与右凸轮（7）的端面接触并周向固定，右箱体（11）的辐板上设置轴向的低压气出口（c）和高压气出口（d），右箱体（11）辐板的低压气出口（c）与转子（8）的气道（8b）相通，右箱体（11）辐板的高压气出口（d）与转子（8）右端面的气口（8a）间歇相通；

所述转子（8）、柱塞（15）和机座形成封闭的润滑油腔（C），所述右箱体（11）的外圆周上设置与润滑油腔（C）相通的润滑油入口（O₀）和润滑油出口（O₁），润滑油从机座上方的润滑油入口（O₀）吸入而从机座下方的润滑油出口（O₁）排出。

2.根据权利要求1所述的径向柱塞压气机，其特征在于，所述左凸轮（1）和右凸轮（7）的端面上沿圆周均匀分布有m段凸轮槽，每段凸轮槽由两部分凸轮轮廓组成，即吸气轮廓（1a）和排气轮廓（1b），齿廓面是直纹面；所述m≥2。

3.根据权利要求1所述的径向柱塞压气机，其特征在于，所述转子（8）是轴对称结构，由具有N个辐条的圆盘和N个圆锥台组合形成，辐条外侧的圆盘端面是转子（8）外环面，辐条内侧的圆盘端面是转子（8）内环面，辐条之间的空间形成转子（8）的气道，圆锥台的轴线位于同一平面上且垂直于圆盘轴线，N个与圆锥台的轴线重合的气缸沿圆盘圆周均匀分布，圆盘两侧端面上分别设置的N个轴向的气口（8a）与对应的气缸底部相通；所述N≥2。

4.根据权利要求1所述的径向柱塞压气机，其特征在于，所述左箱体（14）辐板上设有m个洁净气入口（b），洁净气入口（b）的周向弧长对应于左凸轮（1）和右凸轮（7）上的吸气轮廓，所有洁净气入口（b）都与洁净气腔相通；所述右箱体（11）的辐板上设有m个高压气出口（d），高压气出口（d）的周向弧长对应于左凸轮（1）和右凸轮（7）上的排气轮廓；所述m≥2。