CN109209825B - 一种机械式液体连续换向装置 - Google Patents

Abstract

一种机械式液体连续换向装置，包括定子，定子周壁开设通孔，定子的内壁与转子配合，转子周壁上开设两个通孔，转子设置腔室，转子的腔室内设置隔离部件，隔离部件将转子腔室分成两个独立小腔室并使独立小腔室一端为敞口另一端为封闭，两个独立小腔室的封闭端分别位于转子高度方向的两端，每个独立小腔室与转子壁上相应的通孔对应，隔离部件与带动转子转动的部件连为一体。本发明能够使管路循环液体在高速运动的情况下实现连续换向，使液体连续往复运动；或使连续往复运动的液体在管路中连续循环运动，从而通过机械结构将液体动能转换成对外做功的机械能。

Description

一种机械式液体连续换向装置

技术领域

本发明涉及使用液体活塞实现往复运动的装置，具体说是一种机械式液体连续换向装置。

背景技术

液体活塞可以应用在空压机、内燃机及外燃机等机械结构上，液体活塞在这些机械装置中使用具有摩擦力小，机械结构简单，造价低及活塞行程大等优点，由于液体活塞不受缸径比的限制，密封性好，其工作效率比机械活塞高很多。但是，液体活塞机械装置有一个较大不足是，液体运动的换向只能采用换向阀，而换向阀主要是电磁阀或电动阀，这种换向阀从启动到全部打开再到关闭，整个运行是间断式或称脉冲式，这种间断式、脉冲式换向使液体无法做到连续流动，从而影响空压机内燃机等机械结构的性能，同时，在液体高速运动的情况下，换向频率很高，这种高频率的换向，使电磁阀或电动阀均极易损坏，更换电磁阀或电动阀的频率很高。由于上述原因，导致液体活塞虽具有很多优点也较难被广泛使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种机械式液体连续换向装置，它采用机械结构实现液体连续换向，从而解决现有技术的不足。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种机械式液体连续换向装置，包括定子，定子周壁开设通孔，定子的内壁与转子配合，转子周壁上开设两个通孔，转子设置腔室，转子的腔室内设置隔离部件，隔离部件将转子腔室分成两个独立小腔室并使独立小腔室一端为敞口另一端为封闭，两个独立小腔室的封闭端分别位于转子高度方向的两端，每个独立小腔室与转子壁上相应的通孔对应，隔离部件与带动转子转动的部件连为一体。

所述隔离部件是隔板，隔板是直板，隔板的一端连接第一堵板，隔3的另一端连接第二堵板，第一堵板与第二堵板平行，第一堵板和第二堵板分别与隔板的高度方向垂直。

所述隔离部件是倾斜板，倾斜板高度方向两端分别位于转子腔室上下两端内壁处，将转子腔室隔成两个独立小腔室。

所述隔离部件是隔板与导流体相连的结构，隔板是直板，隔板高度方向一端与第一导流体连接，隔板高度方向另一端与第二导流体连接，隔板与第一导流体和第二导流体的连接处均为曲面。

所述第一导流体和第二导流体靠近转子腔室一侧边沿分别是曲面。

所述转子高度方向两端分别安装第一圆筒和第二圆筒，第一圆筒内设置第一导流体，第一导流体与第一堵板相连，第二圆筒内设置第二导流体，第二导流体与第二堵板相连。

所述转子壁上的两个通孔开设在转子高度的中部位置，两个通孔在转子周壁上对称分布。

所述转子上的通孔为方形孔，两个方形孔在转子的周壁上对称分布。

所述隔离部件与传动轴连为一体，传动轴为实心轴或空心轴管，空心轴管一端为封闭。

一种机械式液体连续换向装置的用途，用于空气压缩机、内燃机、外燃机及泵的液体活塞装置换向。

本发明的贡献在于提供了一种供液体活塞装置使用的机械式液体连续换向装置，彻底解决了现有技术的不足，为液体活塞的应用打开了广阔的空间；本发明能够使管路循环液体在高速运动的情况下实现连续换向，使液体连续往复运动；或使连续往复运动的液体在管路中连续循环运动，从而通过机械结构将液体动能转换成对外做功的机械能；本发明还具有部件少、体积小、能耗小、造价低、不易损坏、维修量少及运转性能稳定等优点。

附图说明

附图1是本发明结构示意图；附图2是图1的轴测结构示意图；附图3是图1的侧视结构示意图；附图4是附图3的D-D剖视结构示意图；附图5是图1中转子2的结构示意图；附图6是图5的轴测结构示意图；附图7是图6的侧视结构示意图；附图8是图7中A-A剖视结构示意图；附图9是转子的实施例之一结构示意图；附图10是图9的轴测结构示意图；附图11是图10的侧视结构示意图；附图12是图11中B-B剖视结构示意图；附图13是图1中转子的实施例之二结构示意图；附图14是图13的轴测结构示意图；附图15是图14的侧视结构示意图；附图16是图15中B-B剖视结构示意图；附图17是图1中定子结构示意图；附图18是图17的轴测结构示意图；附图19是图17的侧视结构示意图；附图20是图19中C-C剖视结构示意图；附图21是采用机械结构带动转子转动的实施例之一结构示意图；附图22是图21的轴测结构示意图；附图23是图21的侧视结构示意图；附图24是图23中E-E剖视结构示意图；附图25是采用涡轮带动转子转动的实施例之二结构示意图；附图26是图25的轴测结构示意图；附图27是图25的侧视结构示意图；附图28是图27中F-F剖视结构示意图；附图29是泵与转子为一体的实施例之三结构示意图；附图30是图29的轴测结构示意图；附图31是图29的俯视结构示意图；附图32是图31中H-H结构示意图；附图33是离心式涡轮泵转子一体的实施例之四结构示意图；附图34是图33的轴测结构示意图；附图35是图33的侧视结构示意图；附图36是图35中I-I剖视结构示意图；附图37是本发明键连接组装转子实施例之一结构示意图；附图38是图37的轴测结构示意图；附图39是附图38的侧视结构示意图；附图40是图39中J-J剖视结构示意图；附图41是本发明实施例中采用的浮动推力轴承结构示意图；附图42是图41的轴测结构示意图；附图43是图41的侧视结构示意图；附图44是图43中K-K结构示意图；附图45是电动机带动本发明转子转动安装在空压机上的结构示意图；附图46是图45中L-L剖视结构示意图；附图47是采用泵与转子共轴带动本发明转子转动的安装在空压机上的结构示意图；附图48是图47中的M-M剖视结构示意图。

具体实施方式

对照附图对本发明做进一步说明。

图中1是定子，2是转子。本发明所述一种机械式液体连续换向装置，包括定子，定子周壁开设通孔，定子的内壁与转子配合，转子周壁上开设两个通孔，转子设置腔室，转子的腔室内设置隔离部件，隔离部件将转子腔室分成两个独立小腔室并使独立小腔室一端为敞口另一端为封闭，两个独立小腔室的封闭端分别位于转子高度方向的两端，每个独立小腔室与转子壁上相应的通孔对应，隔离部件与带动转子转动的部件连为一体。

所述隔离部件是隔板3，隔板3是直板，隔板3的一端连接第一堵板33，隔板3的另一端连接第二堵板4，第一堵板33与第二堵板4平行，第一堵板33和第二堵板4分别与隔板3的高度方向垂直。

所述隔离部件是倾斜板，倾斜板高度方向两端分别位于转子腔室上下两端内壁处，将转子腔室隔成两个独立小腔室。

所述隔离部件是隔板3与导流体相连的结构，隔板3是直板，隔板3高度方向一端与第一导流体31连接，隔板3高度方向另一端与第二导流体32连接，隔板3与第一导流体31和第二导流体32的连接处均为曲面。

所述第一导流体31和第二导流体32靠近转子腔室一侧边沿分别是曲面。

所述转子高度方向两端分别安装第一圆筒5和第二圆筒6，第一圆筒5内设置第一导流体31，第一导流体31与第一堵板33相连，第二圆筒6内设置第二导流体32，第二导流体32与第二堵板4相连。

所述转子壁上的两个通孔开设在转子高度的中部位置，两个通孔在转子周壁上对称分布。

所述转子上的通孔为方形孔，两个方形孔在转子的周壁上对称分布。

所述隔离部件与传动轴连为一体，传动轴为实心轴或空心轴管，空心轴管一端为封闭。

一种机械式液体连续换向装置的用途，用于空气压缩机、内燃机、外燃机及泵的液体活塞装置换向。将本发明所述的机械式液体连续换向装置安装在相应的需要换向部位，与进出液体管道相连接，使电动机带动转子转动实现液体换向。

所述定子的外壁通孔处安装连接管，连接管的外端口处安装法兰。

本发明所述定子的周壁开设两个或两个以上的通孔，各通孔在圆周上均布，每个通孔均与相应的连接管连接。定子为圆筒状，圆筒的上下两端面分别安装法兰，使其与其它部件连接。附图17-图20所示是定子实施例之一的结构，定子1包括一个圆筒9，圆筒9上的四个连接管与圆筒9上的四个通孔相连通，圆筒9的一端安装圆环10，圆环10的外径与圆筒9的外径相同，圆环10内径与转子2端部开口内径相同。附图17中11-2是外接法兰。

本发明所述的转子的结构如图5-图8、图9-图12及图13-图16所示，这些结构是转子2不同的实施例。转子2的基本结构如图13-图16所示，转子是圆柱体。转子有三种实施方式，本发明不限于这三种方式。实施例一：转子2内壁设置腔室，转子2的周壁上开设两个通孔，转子的腔室内设置隔板3，隔板3将转子2的腔室分成两个独立的小腔室，即：第一独立小腔室34、第二独立小腔室35。通常情况下两个独立小腔室的体积相等，特殊情况下可以根据实际需要设置独立小腔室的不同体积。本发明所述的每个独立的小腔室均与对应的通孔相通，第一独立小腔室34与第一通孔37对应连通，第二独立小腔室35与第二通孔36对应连通。采用堵板封闭独立小腔体，第一堵板33将第一独立小腔室34一端封闭，第一独立小腔室34的另一端为敞口，第二堵板4将第二独立小腔室35一端封闭，第二独立小腔室35另一端为敞口。第一堵板33与转子2的上端口位于同一平面内，第二堵板4与转子2的下端口位于同一平面内，隔板3与第一堵板33及第二堵板4连为一体，隔板3也可以与第一堵板33及第二堵板4为分体制造，然后分别安装。

转子2的周壁上开设两个通孔，这两个通孔在转子周壁上对称分布。两个通孔为方形孔，两个方形孔在转子的周壁上以中轴为中心对称分布。方形孔可以是正方形、长方形。转子周壁上的通孔也可以是椭圆形、圆形孔等。

转子2上的两个独立小腔室分别是液体回液腔和进液腔。转子2周壁上开设的两个通孔位于转子2高度的中部位置，两通孔在转子外圆弧线的净间距大于或等于定子周壁通孔在定子周壁内圆所占的弧长为优选，以防止进回液体在某一定子管口处形成串流，造成能量损失。

图5-图8所示是转子实施例之二结构示意图，转子腔室内的隔离部件是三元流线渐变结构，它可以是倾斜板，主要是用倾斜板将转子的腔室直接隔成两个独立小腔室。如图所示倾斜板的两端头厚度较大，起到堵板的作用，起到隔离液体使转子的腔室分成两个独立小腔室的作用。转子的两个独立小腔室在其圆周上对称分布，两个独立小腔室形成回液腔和进液腔，这种结构可使液体的进出更顺畅，流体阻力进一步降低。

附图9-附图12所示是转子是实施例之三，这种结构在转子2的高度方向两端分别安装了第一圆环5和第二圆环6，第一圆环5和第二圆环6可以与转子一体制作，也可以分体制作，分别安装，增设两个圆环可以增加转子上下两端的腔室体积，便于适于多种装置安装使用本发明所述换向装置。增加的圆环的高度根据使用要求设定，圆环高出的腔室，采用三元流线渐变式导流体、隔板及堵板相连，使液体的进入与回流通道流体阻力降低。图12中所示的第一导流体31与第一堵板33相连，两者可做成分体，也可制成一体，但是第一导流体31位于腔室内边沿的板面以曲面过度至第一堵板33，第一导流体31的曲面形状以能够与第一堵板33相连、起到密封独立小腔室为目的的同时，尽可能使第一圆环5的腔室具有较大的体积，便于安装传动部件等结构，第一导流体31的曲面形状还以能够最大可能降低流体阻力为设计目的。第二导流体32与第二堵板4相连，第二导流体32其结构形状及作用等均与第一导流体31相同。图12所示的实施例可以将第一导流体31、第一堵板33、隔板3、第二堵板4及第二导流体32做成一体，这些部件组合完成的功能是将转子腔室隔成两个独立的小腔室，与转子周壁上开设的通孔形成液体的进出通道，并使液体流动阻力进一步降低，同时，便于安装多种形式的传动部件。当将导流体、隔板及堵板做成分体时，将各部件按照其功能逐一安装。本发明图12所示第一导流体31和第二导流体32的曲面形状是优选方案之一，当其做成直角形或不规则等形状时，虽然也能起到与堵板或隔板连接封闭独立小腔室的目的，但其对流体的阻力较大。当根据需要安装较复杂传动结构需要圆环内的较大空间时，也可以不安装导流体。

本发明所述结构中的隔离部件可以与多种结构形式的传动轴连接。例如：图21-24所示结构中部安装中轴13，中轴13为空心轴与隔离部件连为一体，中轴13的一端设置封头14，另一端为敞口，用以连接外接传动轴。这种结构能够实现机械拖动本发明所述换向装置运转。

本发明所述结构中的隔离部件与传动部件的连接方式，还可以是图25-28所述结构。隔离部件与涡轮轴34连为一体，涡轮轴34两端分别安装第一涡轮15和第二涡轮35，该结构采用推力轴承16为优选。

另有一种实施例如图29-32所示，本发明所述结构中转子与泵连为一体。中轴连接孔管18一端或两端分别安装第三涡轮17或第四涡轮36，涡轮最大直径与转子2外径相同，涡轮17与转子连接，涡轮17和转子2轴向中心分别设置中轴连接孔管18及轴孔键槽。中轴连接孔管18在插入中轴或被中轴穿过的一端为敞口，另一端为堵头19封闭，堵头19外端一面为圆弧面。转子2与涡轮连接的进入液体一端承受与液体流向反向的推力，因此，在转子2与涡轮连接的液体进入端与定子的内壁间设置推力轴承。转子2通过中轴与电机连接。这就使水泵与本发明所述机械式液体连续换向装置完全结合成一体同步转动。

本发明所述的机械式液体连续换向装置中转子外接离心式涡轮的结构如图33-36所示，其中离心式涡轮17-2或涡轮与转子的连接方式可以是一次铸造成型，也可以是分体组装焊接，或者是图37-40所示采用键连接方式。键连接形式是在转子的基础结构和涡轮外壁及中轴的结合处开设键孔并设第一连接键21和第二连接键22，以组装形式构成整体转子。

本发明所述选用的推力轴承16有两种结构，一种是机械推力轴承，另一种是液体浮动推力轴承。图41-44所示液体浮动推力轴承，这种液体浮动推力轴承为圆环形，推力轴承圆环受力的在一面圆环上，以圆环的圆心为中心，呈辐射状均布若干凹槽20，该凹槽径向截面为弧形，且该弧形线与圆环受力面边线连接处为圆角。工作时，液体将在液体浮动轴承受力面与相对的受力面之间形成液膜润滑和液膜支撑。所述的凹槽20也可开设在浮动轴承圆环的上下两个表面上，可以实现转子轴向双向定位。

本发明所述的机械式液体连续换向装置中转子与定子间的配合间隙，以合理的液体流路，在转子与定子配合面间形成液膜为佳。

本发明所述的机械式液体连续换向装置可用于空压机等多种机械机构中。带动本发明机械式液体连续换向装置转动的结构可以是电机直接驱动转子的方式，或者转子与水泵共轴，共用水泵电机驱动的形式如图45、图46所示，它的出水口通过主管路24连接水泵23的回水口，它的进水口通过主管路24连接水泵23的出水口。主管道24上设有补水管25。转子2通过插入其中心连接轴孔并穿透主管道24外壁的中轴及联轴器与转子电机26的主轴连接。定子1侧壁的四个开口D1、D2、D3、D4通过管路分别与对应的气缸(或液压罐)Q1、Q2、Q3、Q4连接，各气缸顶部分别连接进气管和排气管。进气管各自有只进不出的单向阀27，排气管各自有只出不进的单向阀28。进气管在单向阀进气侧连接统一的进气主管。排气管在单向阀出气侧连接统一的排气主管。

该空压机第一次开机时首先打开补水管25的阀门给空压机充水，当水位达到气缸容积的一半液位左右时关闭补水管25阀门。这时同时启动转子电机26和水泵23的电机。主管道24内的水开始循环，转子2开始旋转。当定子1侧壁管口D1对应的是转子2进液腔周壁中部开口时，与主管道24进水相通，D1联通的气缸Q1开始进水，这时气缸Q1内的气体被压缩并从排气管排出；同时，定子1侧壁管口D1对面的管口D3对应的是转子2回液腔周壁中部开口，与主管回水相通，与之相连接的气缸Q3开始回水，这时气缸Q3开始通过进气管吸气。转子2一直在连续旋转。当转子2回水腔中部开口转到定子1管口D1位置时，定子管口D1与主管24回水口相通，D1对应的气缸Q1开始回水，这时气缸Q1通过进气管吸气；同时D3与转子2进液腔中部开口对应，与主管道24进水相通，气缸Q3开始进水，这时气缸Q3内的气体被压缩并通过排气管排气。当转子不停的旋转中部开口对应另一对定子管口D2、D4时，气缸Q2、Q4也重复Q1、Q3的过程。这样，空压机的四个缸周而复始的进水、回水，同时吸气、排气，并且两对缸相互接力，不停地连续工作，不停地为用气负荷提供压缩气体或连续供风。

采用机械式液体连续换向装置的空压机，转子电机26与水泵23电机互不干扰，协同工作，单独控制，可以使用定型产品水泵，有利于水泵的快速批量供应，对提高生产效率和质量控制有一定益处。

共用泵电机驱动形式如图47、48所示，采用本发明的机械式液体连续换向装置的空压机整体运行原理及管路连接方式与电机直接驱动转子的空压机相比工作原理一样。不同之处在于，省去了拖动本发明转子的专门电机26，采用转子与水泵共轴的方式。转子2与水泵涡轮29采用同一根中轴连接或通过联轴器连接在一起，用同一台电机拖动。其优点是空压机的结构更加紧凑，部件进一步减少；缺点是，由于涉及到中轴连接问题，配套水泵23需要专门定制，无法采用已定型的标准化产品。另一特点是，转子转速与水泵转速完全同步，在设计制造时控制方式及气缸设计容量与电机直接驱动转子的空压机都不尽相同。

涡轮带动转子转动的机械结构：采用本发明所述的机械式液体连续换向装置的空压机其运行原理与采用电机直接驱动转子形式相比，管路连接方式与运行原理完全一样，唯一不同之处是：采用涡轮拖动的机械式液体连续换向装置，转子转动由自身的涡轮通过主管道循环水冲动提供动力，没有专用电机，也不使用水泵电机直接拖动。这样做的优点是整体结构紧凑，水泵可以采用定型产品批量采购；缺点是转子转速由水泵流速压力流量及涡轮叶片多个参数确定，设计时转子几何尺寸及气缸容量确定较繁琐。

泵转子一体的机械式液体连续换向装置：使用机械式液体连续换向装置的空压机运行原理与上同。只是机械式液体连续换向装置将水泵涡轮与转子完全结合为一体，采用同一电动机拖动，结构最为紧凑，转子转速与涡轮转速同步。该泵转子一体的机械式液体连续换向装置，涡轮设计流量、扬程、转速等参数与同等技术要求的水泵涡轮相同，涡轮可以是轴流式涡轮(含混流式和斜流式)，也可以是离心式涡轮。采用哪一种涡轮主要参照泵的比转速合理确定。

本发明所述的机械式液体连续换向装置还可以用于液体活塞内燃机。液体活塞内燃机可以看做液体活塞空压机的逆现象，主要区别是：空压机气缸工作程序为吸气、排气组成一个往复运行周期，为两冲程，是提供压缩气体或供风；内燃机气缸工作程序是吸气、压缩、燃烧膨胀、排气，是四冲程，是将液体在气缸里往复运动，然后通过机械式液体连续换向装置将往复式运动的液体转换成主管道液体的循环流动运动，循环流动的液体再推动涡轮旋转对外做功；本发明的运行原理和管路安装方法与液体活塞空压机相同。本发明所述的“上”和“下”均以图示位置为参考。

Claims (6)

1.一种机械式液体连续换向装置，其特征在于：包括定子，定子周壁开设通孔，定子的内壁与转子配合，转子周壁上开设两个通孔，转子设置腔室，转子的腔室内设置隔离部件，隔离部件将转子腔室分成两个独立小腔室并使独立小腔室一端为敞口另一端为封闭，两个独立小腔室的封闭端分别位于转子高度方向的两端，每个独立小腔室与转子壁上相应的通孔对应，隔离部件与带动转子转动的部件连为一体;定子的周壁开设两个以上通孔，各通孔在圆周上均布，每个通孔与相应的连接管连接，定子为圆筒状，圆筒的上下两端面分别安装法兰；转子的两个小腔室分别是液体回液腔和进液腔，转子轴向与定子回水相通端是回液腔，与定子进水口相通端是进液腔，转子壁上的两个通孔开设在转子高度的中部位置，两通孔在转子外圆弧线的净间距大于或等于定子周壁通孔在定子周壁内圆所占的弧长，转子与定子配合面形成液膜，转子与电机连接或转子与涡轮连接或转子与水泵共轴连接。

2.根据权利要求1所述的一种机械式液体连续换向装置，其特征在于：所述隔离部件是隔板（3），隔板（3）是直板，隔板（3）的一端连接第一堵板（33），隔板（3）的另一端连接第二堵板（4），第一堵板（33）与第二堵板（4）平行，第一堵板（33）和第二堵板（4）分别与隔板（3）的高度方向垂直。

3.根据权利要求1所述的一种机械式液体连续换向装置，其特征在于：所述隔离部件是倾斜板，倾斜板高度方向两端分别位于转子腔室上下两端内壁处，将转子腔室隔成两个独立小腔室。

4.根据权利要求1所述的一种机械式液体连续换向装置，其特征在于：所述隔离部件是隔板（3）与导流体相连的结构，隔板（3）是直板，隔板（3）高度方向一端与第一导流体（31）连接，隔板（3）高度方向另一端与第二导流体（32）连接，隔板（3）与第一导流体（31）和第二导流体（32）的连接处均为曲面。

5.根据权利要求4所述的一种机械式液体连续换向装置，其特征在于：第一导流体（31）和第二导流体（32）靠近转子腔室一侧边沿分别是曲面。

6.根据权利要求2所述的一种机械式液体连续换向装置，其特征在于：转子高度方向两端分别安装第一圆筒（5）和第二圆筒（6），第一圆筒（5）内设置第一导流体（31），第一导流体（31）与第一堵板（33）相连，第二圆筒（6）内设置第二导流体（32），第二导流体（32）与第二堵板（4）相连。

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