CN1096570C - 共轴多滑片波环转子机 - Google Patents

Abstract

共轴多滑片波环转子机，是一种直接由旋转产生可变容积的活塞机。它由波环转子，圆柱形定子，共轴设置、立体交会的三组滑片，以及两面端盖等部件组成。本机中以“环行正弦波曲线”为型面的转子与定长滑片组的配合，以全新的运转机理工作。大大降低了摩擦损耗、增加了容积效率、提高了运行转速、减小了振动和噪声。可广泛用于各种流体的压缩、泵送或抽取，以及以流体为介质的能量或热量的传输等用途。

Description

共轴多滑片波环转子机

技术领域：

本发明涉及机械领域的一种旋转活塞变容积机械——共轴多滑片波环转子机。它实质上是本发明人92234322.5#中国专利，波环型线滑片式转子机(专利证号153179#，以下简称原波环机)的改进与发展，是一种性能更为完善，并已开发成功的实用机型。

背景技术：

滑片式转子机是众多旋转活塞机中沿用历史最为悠久的一种。它无论从整机结构或制造工艺看都是十分简洁的。只是它在四百多年的发展历程中一直未能摆脱摩擦损耗大，机械效率低；密封线长、泄漏较大；容积利用率低等缺陷的困扰。因而通常只能在中低压力和中低转速下用作压缩机或泵，无法在更广阔的技术条件与应用领域内与往复式活塞机竞争。

现在的滑片式转子机虽然在某种范围内还有一定的优势，在当前市场还能有一席之地。比如：附图1是一种多滑片空气压缩机(也用于真空泵)；图2是一种滚动活塞机，常见于小型空调或电冰箱内氟利昂压缩机。它们实际上与拉梅里在1588年讨论过的两种机型的基本相同，见图3及图4。它们同样也没有能克服上面提到的拉梅里滑片机型的基本缺点。何况，目前已经受到螺杆压缩机与涡旋压缩机等机种的强劲挑战。可见，若滑片式转子机仍无突破性进展的话，也许很快就会进入淘汰机型的行列。

然而，本发明人坚信：“科学的美在于简洁”。简单、高效的机械自会有其长盛不衰的生命力。我们认为，只要对拉梅里滑片机作目标明确的改进，使其在性能上有质的飞跃，特别是在节能降耗、提高转速等方面有所突破，就会有新的滑片机来占领市场。波环型线滑片式转子机就是这一思路的初步成果。它在改变滑片与型面贴接机理，改善滑片受力状态，减少机械损耗，提高容积利用率等方面有了较大的突破。但是在我们的试制实践中发现，原波环机方案还是有不少缺点，经过一次又一次的失败、修改、提高最后形成现在介绍给大家的共轴多滑片波环转子机方案。

发明内容：

附图5与6是共轴多滑片波环转子机的原理图。尽管它与通常的滑片式转子机一样，也是由定子(4)、转子(5)、滑片(7)、端盖(1及6)等部件构成，但它却有许多不同于一般滑片式转子机的新颖独到的内涵，具体如下：

1、本机型与原波环机一样，波环缸体的内腔型面曲线(14)采用“环行正弦波曲线”ρ＝R+h(1+COSnα)，而不是一般滑片机常用的旋轮线或圆。但这次我们仅推荐大家将波形参数n选为3。其曲线矢径的极坐标方程为：

ρ＝R+h(1+COS3α)式中R为圆柱内芯半径，h为滑片伸出参量，α为极角即转子转角。理论计算证明：将波形参数定为3是单转子机型的最佳选择。

2、波环缸体(5)套在直径为2R的圆柱形机芯(4)的外部，同轴外切设置，外转内静，即外周的波环缸体为转子(故称波环转子)，中央的圆柱机芯为定子(故称圆柱形定子)，这将带来一系列独到的优点。

3、一般滑片机只有一个新月形工作室，本机型波环曲线(14)与内切的定子圆配合形成三个跨度各为120°的新月形工作室(8，以后简称弓形腔)。这些工作室被伸出定子的滑片所分隔。当波环转子旋转时它们就各自轮流发生容积变化。以用于各种流体的压缩、泵送、抽取或以流体为介质的能量或热量的传输。

4、与原波环机不同，本机型采用三副滑片，它们相互成60°交角，并通过同一轴线(见图6)。与拉梅里滑片机不同，波环机的滑片必须经过定子圆心并贯穿定子。我们由波环曲线的创成公式ρ＝R+h(1+COS3α)可知，任何通过中心轴的直线上的两条相位差180°的矢径之和严格等于2(R+h)。所以波环机的滑片都必须通过中心，而且长度应相等。为了保证各组滑片能互不干扰、各自独立地自由运行，我们将原波环机的定长滑片分解为保留两端滑片，中间用两根推杆(11)联结，三组推杆沿轴向错开，立体交叉设置的办法来实现这一要求。在同一直径上的两个滑片为一组，各个滑片组的长度都等于2(R+h)。每一滑片组相当于原波环机的一个定长滑片。它同样能保证既被转子型面所驱动，又时时与转子型面相贴接。起到将新月形工作室密闭分隔的作用。

5、与此相应本机圆柱形定子沿直径方向开有三组六个滑片槽(15)，彼此相隔60°。同一直径上的两个滑片槽间沿直径方向开有上下两组通孔，中间放置推杆。不同直径上的推杆孔沿轴向互相错开。在某些应用中，这些推杆孔可作为定子中部储油室向滑片槽提供机油的通道。

6、本机型在很多应用场合与一般滑片机一样，运转中应有源源不断的机油供给各啮合面和密封线，以作润滑、密封、冷却之用。本机圆柱形定子中央可用作机油贮存室(3)。机油由通道(10)引入。

7、本机波环转子与其外周的冷却翅(12)联成一体，环绕转子的冷却翅可设计为螺旋形的。当它外转内静地运转时，能强迫周围空气流动，加强冷却效果。

8、本机的流体出入基本上是全方位的，一般在任何转角下都在持续进行。通常进出口处无需定时启闭的联动机构。这不仅简化了结构，对减少噪音也有相当的作用。

作为实施例，图5与图6是按空气压缩机用途绘制的。进气道(2)开在波环转子的一个侧面上，经由一块端盖上的进气道吸入空气。而排气孔(9)设在另一盖板上。排气口上设有单向限压阀(13)，以便积蓄一定压力后再排气，且保证排出的气体不能返回工作室。当然，当这种机型作其他用途时就不一定需要单向阀了。

下面我们简要叙述共轴多滑片波环转子机的变容积工作过程：

设波环转子(5)在动力驱动下顺时针方向旋转(反之一样)。这时波环转子的型面与定子圆柱所围成的三个弓形腔将顺次通过各个滑片。我们考察其中某一个弓形腔的变化：比如图(6)中右侧的那一个弓形腔。此时它的主体部分被水平向右的滑片分成前后两个工作室(17、16)。我们这儿的前与后是以旋转的前进方向为准的。随着转子的旋转，前方工作室(17)将继续扩大，而后方工作室(16)则还在不断缩小；这时跨过前一滑片(即右下五点钟位置的那一片)的弓形腔前部尖端则在该滑片前方生成了一个新的前方工作室。之后(17)将作为右下滑片的后方工作室而开始缩小；此后，右水平滑片的后方工作室(16)将完全消失。紧接着，当波环曲线最短矢径部份越过右水平滑片后，后一弓形腔的尖端部份将在它的前方产生新的前方工作室，并不断扩大。这时，作为右下滑片的后方工作室的(17)也会像(16)一样很快消失。这种过程是在三个弓形腔内同时交替进行的。它们总是这样：滑片前方的工作室不断扩大；同时滑片后方的工作室则不断缩小，而后在波环曲线最短矢径越过滑片顶端时完成后方工作室的最终消失和新前方工作室生成的交替。而前方工作室则在波环曲线的最大矢径通过两个滑片间的中心位置时达到最大值，并转化为前一滑片的后方工作室，继而开始缩小。如此循环重复。显然，波环转子每转一周，三个弓形腔顺次扫过六个滑片，共完成十八次完整的从无到有、从小到大、而又从大到小、直到消失的变容积过程。因而本机的理论排量：V＝18nV₀式中n为转速、V₀为单个工作室的最大容积，它可简单地用计算或实际测量的方法来确定。这就是本机由单纯旋转直接产生容积变化的全过程。

这里特别要指出的是：波环转子机运转过程中滑片紧贴型面的机理与拉梅里机型完全不同。它既不靠滑片参与旋转运动的离心力；也不靠背部安装弹簧的弹性力，而是靠滑片组的确定长度始终与在此位置过中心轴的直线和型面曲线相交所截取的长度相等的几何方法来保证的。当然，型面曲线必须是本发明人专门为此设计的“环行正弦波曲线”，只有这样才能保证处处、时时、任何角度都附合上述要求。这种利用型面的几何尺寸来驱动滑片作约束运动并始终与型面贴接的设计，大大减小了滑片与型面间的磨擦损耗，也为提高滑片机的转速创造了条件。

另外，本设计将滑片增加为三组的道理是：原波环机运转时尽管波环转子本身的重心可永远严格与转轴重合。但单一滑片的往复运动还是会给转子机带来微小的震动的。改用三副滑片后，虽然每个滑片都在运动，但它们的共同重心则无论转子在什么转角、那个位置都能保证永远与转轴重合(这当然也必须与环行正弦波曲线相配合才行)。这就保证了本机运行中不会发生任何微小的振动。增加为三副滑片的另一好处是大大提高了转子机的容积利用效率，从原波环机每转一周六次变容，增加为每转十八次变容。这就在不增加整机体积的前提下将排气量几乎提高三倍。与其他滑片机每转一周只一次变容相比，其容积利用效率高的更多。

与原机型不同，相邻的两个滑片的间隔已经由180°缩短为60°。这不仅消除了原机变容过程中所具有的60°转角的间歇，而且使滑片两侧工作室的功能由全过程均相反，变为有一定转角范围内为相同工况的方式。这就消除了不少滑片机型都可能发生的进排气口窜通的现象。也减少了工作介质在相邻工作室间的泄漏。

综上所述，共轴多滑片波环转子机不仅完全保存了拉梅里滑片机结构与工艺都十分简洁的优点，更实现了一系列独到的改进：简化运动方式，以改善受力状况；改变滑片型面贴接机理，以减少磨擦、降低功耗；增加滑片，以提高容积利用效率；消除运转中重心偏移，以减小振动；实现全方位进排气，免除定时启闭机构，以降低气动噪声；基于以上效果还能大大提高本机的运行转速，这正符合旋转活塞机的基本要求。

正因为如此，共轴多滑片波环转子机的应用范围必将大大超过现有滑片机。除了因其面容比仍比较大，用于旋转发动机时机尚不成熟以外，几乎适用于活塞机的其它所有应用场合。

附图说明：

图1是一种多滑片转子机的原理图。图2是一种滚动活塞机的原理图。图3和图4是1588年拉梅里讨论过的两种相应的滑片机简图。图5和图6是共轴多滑片波环转子机的主视剖面图与顶视图。这两幅图中的另件按序号依次为：1.上盖，2.进气口，3.中心腔(贮油室)，4.圆柱形机芯，5.波环缸体，6.下盖，7.滑片，8.弓形腔，9.排气孔，10.机油入口，11.推杆，12.冷却翅，13.单向阀，14.环行正弦波曲线，15.滑片槽，16.后方工作室，17.前方工作室。

实施方式：

下面我们推荐几种最具特色的，近期即可开发成功的应用：

1、鉴于本机型可以设计为无内压缩过程运行，滑片的厚度可设计得较大；外转子可传递较大的扭矩，特别适用于大流量高压油泵或液压马达。

2、将本机型进气集中一处，很容易开发成高速大流量真空泵。

3、鉴于本机型体积小、排量大、振动小、噪音低、再大排量的机器亦无需桩基的特点，最适合于开发作道路、桥栈工程中风动工具的流动空压机站，以及其它小型多用途移动空压机。

4、同样的理由我们还可以将波环空气压缩机和波环膨胀机联合运用开发冰箱用空气介质制冷机或家用空气介质空调机。

作为应用实例，附图5与6是按可变容积旋转活塞机最典型也是最广泛的应用——空气压缩机绘制的。发明者本人的试制实践也是从波环空气压缩机入手的。实践证明本文所述的改进与有益效果是确实存在的。因而把它用作高压液压泵和抽气真空泵也将是现实可行的。

Claims (6)

1、一种由波环转子、圆柱形定子、定长滑片及两面端盖等部件组成的旋转活塞机——共轴多滑片波环转子机，其特征是：转子型面采用环行正弦波曲线，与圆柱型定子共轴外切设置，围成三个新月形工作室，它们被伸出定子的三副长度相等、共轴立交、等距设置的滑片组同时密闭分隔，从而形成由旋转直接产生若干可变容积工作室的旋转活塞机构。

2、权利要求1所述的波环转子机，其特征是：它的波环转子的外周与冷却翅联成一体。

3、权利要求1所述的波环转子机，其特征是：它的波环转子的型面曲线采用波形参数为3的环行正弦波曲线，其矢径的极坐方程为：

ρ＝R+h(1+COS3α)式中R为定子半径，h为滑片伸出参量，α为转角。

4、权利要求1所述的波环转子机，其特征是：它的圆柱形定子的直径为2R，其外圈每隔60°沿径向开有滑片槽，同一直径上的两个滑片槽间开有上下两组推杆孔，不同直径上的推杆孔在轴向上互相错开。

5、权利要求1所述的波环转子机，其特征是：它的每副滑片组都由分置两端的两片滑片及中间的两根推杆联结而成，各滑片组的长度都等于2(R+h)，它们沿定子圆的直径方向共轴、立交放置，且贯穿整个定子。

6、权利要求1所述的波环转子机，其特征是：它的三个新月形工作室被三副定长滑片组分隔时，是通过严格的几何尺寸的配合来实现密闭却又滑动可变的分隔的。

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