CN109923282A - 旋转活塞和缸体装置 - Google Patents

Abstract

一种旋转活塞和缸体装置，包括：转子(2)，转子(2)包括转子表面(2a)；定子(4)；可旋转的活板(3)；从转子表面延伸的活塞(5)，转子表面和定子一起限定环形腔室，并且活塞布置成穿过环形腔室而旋转，并且转子表面与基本垂直于转子的旋转轴线(A‑A)的平面(P‑P)倾斜地取向，并且转子表面通常背向转子的旋转轴线或在转子的旋转轴线之外。

Description

旋转活塞和缸体装置

技术领域

本发明大体及旋转活塞和缸体装置。

背景技术

旋转活塞和缸体装置可采用各种形式并且用于多种应用，诸如内燃机，诸如增压器或流体泵的压缩机，诸如蒸汽发动机或涡轮机替换件的膨胀机，或者用作另一种形式的正位移装置。

旋转活塞和缸体装置可以被认为包括转子和定子，该定子至少部分地限定环形腔室或缸体空间，转子可以是环形物或环形(凹入截面)表面的形式，并且转子包括从转子延伸到环形缸体空间中的至少一个活塞，在使用中，当转子相对于定子旋转时，至少一个活塞沿圆周方向移动通过环形缸体空间，转子相对于定子密封，并且该装置还包括缸体空间活板，该缸体空间活板能够相对于定子移动到关闭位置和打开位置，在该关闭位置，活板将环形缸体空间分隔开，在该打开位置，诸如通过可旋转地安装的活板，活板允许至少一个活塞通过，缸体空间活板可以是活板盘的形式。

我们已经设计了旋转活塞和缸体装置的新颖构造。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种旋转活塞和缸体装置，包括：

转子，其包括转子表面，

定子，

可旋转的活板，

从转子表面延伸的活塞，

转子表面和定子一起限定环形腔室，并且活塞被布置成穿过环形腔室而旋转，

并且转子表面可以与基本垂直于转子的旋转轴线的平面倾斜地取向，并且转子表面可以背离转子的旋转轴线或大致指向远离转子的旋转轴线或者在转子的旋转轴线的外部，例如，当在轴向横截面中观察时。

转子表面可以相对于基本垂直于转子的旋转轴线的平面不对称，该平面延伸通过转子表面的中间区域。

所谓的“转子表面”可以被称为转子的环形表面区域，其(与定子一起)限定工作腔室。该表面区域的端部区域位于其两个轴向端部，并且通常每个都形成圆形线。这些线中的每一个基本上位于一个平面上，并且转子表面的中间区域基本上等距地位于这些平面之间，或者以另一种方式位于两个轴向端部的中间。

转子表面的倾斜取向可以被视为与垂直平面成角度地偏移。角度偏移可以在30度至60度的范围内或在40度至50度的范围内。

转子表面可以呈现面向角度取向，该面向角度成角度地在垂直平面和与垂直平面正交的、包括旋转轴线的第二平面的中间。

更一般地，转子表面可以相对于旋转轴线或相对于转子的旋转轴线倾斜地取向。

当在轴向横截面中观察时，可以参考连接转子的端部/远端部分的线来限定取向角。

该装置可以包括旋转轴，转子可以与该旋转轴附接或者与该旋转轴成一体，并且该装置可以围绕该轴延伸。

轴可以从转子的至少一个轴向端延伸。轴可包括两个轴部分，每个轴部分远离转子的相应轴向端部延伸。轴可以包括整体部件，该整体部件布置成延伸穿过转子。转子可包括中心开口，旋转轴可通过该中心开口定位。轴可以被视为远离腔室的(至少)一侧延伸。

轴可以提供对装置的旋转输入和/或从装置旋转输出。

可以提供与环形腔室轴向间隔开的旋转轴承。至少两个旋转轴承可以设置成与环形腔室轴向并且彼此间隔开。旋转轴承可以布置成使得环形腔室位于轴承的中间。轴承可以布置成使得轴穿过转子，每侧具有轴承，或者可以仅在一侧布置轴承，或者可以在腔室下方或腔室内轴向布置轴承(这样的轴承可以布置成使其外圈在使用中旋转)。

优选地在轴向横截面中观察时，转子表面可以具有大致喇叭形的轮廓。转子表面(其部分地限定工作腔室)可以在第一转子表面端部区域和第二转子表面端部区域之间延伸，并且第一转子表面端部区域沿着转子的旋转轴线相对于第一转子表面端部区域间隔开，并且转子表面端部区域中的一个具有比另一个端部区域更大的径向范围。每个端部区域都可以相对于旋转轴线位于转子表面的远侧或末端区域。

转子表面可以是连续的、平滑的和弯曲的中的至少一种。

转子表面可设置有一个或多个端口，以允许流体在环形腔室和腔室外部的空间之间连通。

一个或多个端口可包括开口，该开口延伸穿过部分地限定工作腔室的转子表面的后表面中的开口。后表面可以被认为与转子表面相对。后表面可以在向后方向上与转子表面间隔开，该向后方向是大致沿着旋转轴线的方向，并且相对于转子表面远离腔室。

与工作腔室连通的端口可以通过转子后表面的一部分离开，并且可以与转子表面轴向间隔开。

这可以被视为提供通过转子表面进出环形腔室的工作流体。

术语“活塞”在本文中以其最广泛的含义使用，在上下文允许的情况下包括能够相对于缸体壁移动的隔板，并且这种隔板在相对运动的方向上通常不需要具有相当大的厚度但是可以是以叶片的形式。活塞可以具有相当大的厚度或者可以是中空的。活塞可以在缸体空间内形成隔板。活塞可以布置成在使用中围绕转子的旋转轴线旋转。

术语“密封”包括允许流体的有意泄漏路径，通过相对的两个表面之间的紧密间隔，并且不一定形成流体密封构造。在该范围内，可以通过紧密配合表面或紧密配合线或紧密配合区域来实现密封。密封件可以由相对的两个表面之间的密封间隙提供，以最小化或限制流体通过其传递。由于具体的组装和操作要求，对应于不同表面的密封间隙可以具有与它们各自的相对部分不同的间隙。

虽然理论上活板可以是可往复运动的，但是优选的是避免使用往复运动的部件，特别是当需要高速时，并且活板优选地包括一个或多个活板盘，其布置成基本上与环形圆柱体空间的周向或圆周延伸孔对齐地定位，并且活板设置有至少一个孔，该至少一个孔在活板的打开状态下允许至少一个活塞穿过其中。

转子和定子可以限定工作腔室。转子的部分地限定工作腔室的表面的横截面可以是凹形或弯曲的。工作腔室可以是基本上圆环形的。

活板可以具有分隔件，该分隔件基本上沿着缸体空间的径向延伸。

活板的至少一个孔可以基本上径向地设置在活板中并且相对于活板设置。

优选地，转子的旋转轴线与活板的旋转轴线不平行。最优选地，转子的旋转轴线基本与活板的旋转轴线正交。

优选地，活塞的形状使得当孔穿过环形圆柱体空间时，活塞将穿过移动活板中的孔而不会阻行。活塞可以成形为使得在活塞和活板中的孔之间存在最小间隙，使得当活塞穿过孔时形成密封。密封件可以设置在活塞的第一侧面部分的表面或边缘区域上。

优选地，定子包括至少一个或多个端口。可以存在用于入口流动的至少一个端口，以及用于出口流动的至少一个端口。

至少一个端口可以基本上与活板相邻。

至少一个端口可以定位成与转子中的端口配合形成带阀的端口。

优选地，转子的角速度与活板盘的角速度的比率是1:1，但是其他比率也是可能的。

活板可以布置成在(仅)缸体空间的一个区域或位置处延伸穿过工作腔室或与横切工作腔室。

该装置和装置的任何特征可包括在下面的描述中描述和/或在附图中示出的一个或多个结构或功能特征，可以单独地或组合地使用。

附图说明

现在将参考以下附图仅通过示例的方式描述本发明的各种实施例，其中：

图1a是旋转活塞和缸体装置的部件的透视图，

图1b是从不同取向看到的图1中的旋转活塞和缸体装置部件的透视图，

图2a是前述图的旋转活塞和缸体装置的分解图，

图2b是图2a的组装装置的透视图，

图3a是从不同方向看到的图2a的旋转活塞和缸体装置分解图，

图3b是图3a的组装装置的透视图，

图4是图2和图3的旋转活塞和缸体装置的轴向横截面图，

图5a、图5b和图5c是图4的装置的转子的轴向横截面图，

图6、图7A、图7B、图8A和图8B示出了各种替代实施例，以及

图9、图10、图11和图12是转子的各种实施例的横截面。

具体实施方式

参考附图，其示出了旋转活塞和缸体装置1，旋转活塞和缸体装置1包括转子2、定子4和活板盘3。虽然为了便于表示而未在一些附图中示出，但定子包括诸如壳体或壳的构造，该构造相对于转子被保持，和定子的面向转子的表面2a的内表面一起限定环形空间或工作腔室，总体上以100表示。定子4有效地包括两个部分，定子部分一起基本上包围其间的转子和活板。

设置有活塞5与转子一体并从表面2a延伸。设置在活板盘3中的槽或开口3a的尺寸和形状设计成允许活塞从中通过。活板盘3的旋转被布置成确保活板的定时通过适当的传输保持与转子同步。

变速器组件的齿轮部件之一由齿轮6示出。活板盘3通过轴部分7a和7b可旋转地安装。

在使用该装置时，活板盘的圆周表面30面向转子的表面2a，以便在它们之间提供密封，因此使活板盘在功能上用作环形缸体空间内的隔板。

转子的内(即，面向并部分地限定腔室)表面2a的几何形状由旋转活板盘的圆周表面30的一部分控制。

转子和定子被构造成为环形缸体空间提供用于工作流体一个或多个入口和的一个或多个出口。下面更详细地描述其中一个端口。

特别参考图1A和图1B，示出了转子和活板布置的不同透视图，不包括定子或壳体。从两个视图中可以看出，提供了轴9，轴9包括延伸穿过转子2的端部9a和9b。

为了实现这种布置，转子2设置有中心通孔(未标记)。有利地，在组装期间，转子可以通过任何合适的方法组装到轴9上。由于转子的大的轴向范围，这可以实现诸如转子2的转子，这允许使用诸如钎焊或过盈配合的装置进行精确对准和牢固附接。

然后布置转子2，其中轴在组装过程中处于适当位置，从而防止在操作中相对于轴的相对运动。转子2位于端部9a和9b的中间。取决于装置1的使用方式，就其操作应用而言，轴可用于提供旋转输入或输出。

很明显，由于活塞5的尺寸相对较宽，因此活板3的开口3a必须相应地成比例，以便允许活塞穿过开口。应当理解，并且在某些程度上在附图中显而易见的是，开口3a的边界必须适当地配置/成型以考虑活塞和活板盘之间的相对运动。

转子2设置有(内部)端口10，其从表面2a延伸到相对的，或者可称为转子的“向后”表面，因为其沿大致轴向方向远离转子表面2a延伸。

如下面将进一步描述的，这方便地允许流体被传送到装置的环形或工作腔室或从装置的环形或工作腔室传送。这可以是例如压缩流体。

现在参考图2、图3和图4，关于定子4的结构和配置。如图2所示，定子4包括两个部分4a和4b。

从图2a和图3a中可以看出，这两个部分在组装期间被放在一起，以便容纳转子和活板盘。定子部分4a可以看作容纳转子和活板盘的部分。部分4a由两个部分圆柱形部分形成，这些圆柱形部分基本上彼此正交地布置。

在该实施例中，两个部分是一体的，其中接收活板盘3的部分被示为4a'。该部分还包括部分4a”，其布置成接收轴9的相应端部9a，以及相应的旋转轴承20。

部分4b包括基本上圆柱形的部分4b”，其布置成接收轴承20和轴端部9b。

根据部分4b，提供了构造15，在该示例中可以将其描述为插口。该特征为来自装置的工作流体提供了端口，诸如出口端口。构造15包括通道16，其在开口16a和16b之间形成管道。开口16b设置在部分4的面17上，并且转子2的上述端口10布置成与开口16b周期性地对准。

表面17布置成面向转子2的后表面(未参考)并且与其紧密配合。

这意味着当转子2旋转并且端口10与开口16b对准时，打开通道，流体可以通过该通道流入和/或流出环形腔室100。

在装置1的组装或制造期间，部件4a和4b可以通过紧固件或通过某种其它方式刚性地附接在一起。

图3a和图3b示出了定子4a中的交叉孔的布置，其方便地容纳通过活塞以及接收活板，并且组合地形成用于将流体连通到工作腔室的流体的另一个端口。在压缩机实施例中，该端口可以是入口端口。

活板和转子通过传动装置保持同步。图2和图3的齿轮13示出了这种传动装置的一部分。

参照图4，可以看出，在组装状态下，转子2和定子4限定了环形腔室100。轴9通过轴承20可旋转地安装，布置成绕轴线A-A旋转。如前所述，除了由通道16提供的通常在装置的压缩机实施例中提供形成在定子4中的出口的端口之外，还提供了一个端口(图3中的交叉孔)，其在类似的实施例中提供了用于工作流体的入口。在使用中，转子和活板之间的传动确保了所需的同步。如果装置1用作压缩机，则合适的动力或驱动源可以附接到轴9的端部9a或9b或附接到活板装置的轴7或传动装置的另一部分。

图5用于说明装置1的转子2的几何特性。转子2可以被描述为不对称的。这种不对称性是相对于平面P-P，平面P-P在转子的中点14处延伸通过转子2并将其平分。转子的中点可以描述为位于远端部分12a和12b之间的中间点，其限定和限制了表面2a的轴向范围。

平面P-P也与旋转轴A-A正交。可以看出，凹(横截面)表面2a关于平面P-P是不对称的。如箭头所示，转子表面本身通常背离旋转轴线A-A并且在旋转轴线A-A的外侧。可以通过在平面P-P和转子表面2a之间的交叉点处取切线T来确定取向角的量度。由此可以确定切线T-T和平面P-P之间的取向角x。

作为描述转子表面2a的倾斜向外取向的替代方式，参考图5b。在转子表面2a的远端区域12a和12b之间产生直线V，并且可以通过外推连接线V(如图所示)考虑连接线V和旋转轴线A-A之间的角度并且确定倾斜夹角z来确定转子表面的倾斜角度。

在图5c中示出了考虑转子表面2a的取向的另一种方式。在图5c中，横截面G(图中示出了横截面)是生成平面，其是盘的圆周限定表面2a的平面。然后在G上沿着其与正交于转子轴线的平面(其与生成平面上的盘轴线交叉点重合)的交点绘制参考线L。平面Q是正交于G的平面，与盘轴和参考线L重合。在垂直定位的盘的优选情况下，Q平行于P(见图5b)。然后腔室的范围在平面G上围绕来自L的活板轴线由两个角度(α1和α2)限定。不对称工作腔室可以定义为α1和α2不相等的工作腔室。α1和α2可以在L周围具有相反的方向。例如，两个角度可以分别是15度和65度。然而，更一般地，角度可以分别在α1：0-30度和α2：50-90度的范围内。对于上述角度z，这些范围对应于60度至25度的角度范围。

上述装置有许多显著的优点。

使得穿过转子的一个或多个端口与定子中的另一个或多个端口连通允许流入或流出环形腔室的流体被控制或有效地被阀控。

装置1允许更容易地组装转子和活板盘。由于转子不对称地环绕盘，所以可以以更不同的方式实现组装的顺序，使得定子可以设计成用于更低成本和/或更精确的制造。例如，在一些已知的活塞和缸体装置中，活板盘必须相对于转子径向插入。在装置1中，转子也可以方便地沿轴线A-A组装到活板盘上。

装置1允许包括更硬的活塞5。因为腔室100接收大约90°的活板(而不是现有技术中的大约45°)，所以活塞被更好地支撑，因此对于给定的厚度它更硬。

由于不需要将活板盘安装在环形腔室的径向约束范围内，因此可以独立地调节活板和转子(同时实现所需的工作腔室容积)的尺寸，这与一些已知类型的旋转活塞和缸体装置相比为相对的部件尺寸和轴承载荷提供了设计灵活性。

对于给定的腔室尺寸，可以实现较小的转子直径。转子不必径向延伸超出腔室，这意味着对于给定的腔室横截面和体积，最大转子直径较小。这减小了运行期间的成本、扭曲，并且减小了整个机器的尺寸。

此外，由于如上所述的设计灵活性，对于给定的腔室容积，腔室可以设计成具有更大的横截面，因此具有更小的外径。这与上面的前一点相结合意味着转子可以具有比已知转子设计可能的明显更小的外径。

在涉及现有装置时，还可以实现减小的轴承载荷。腔室具有较低的表面积与体积比。

这意味着工作流体施加的力(由于其压力与外部压力或大气压力不同)通常较低。具体地，可以减小施加在转子上的轴向力和径向力。

由于转子结构现在(通常)在腔室内部，一旦组装就不需要任何其他凹槽，它可以制造得更硬。这可以看作是转子上薄壁部段的长度的减少。转子越硬意味着在运行期间变形越小，这可以减少工作期间工作腔室周围的间隙，并且可以减少工作流体的泄漏量。

减少轴承负荷。除了由工作流体施加的减小的力之外，转子设计允许轴承简单地放置在腔室的任一侧上，而已知的转子设计要求腔室悬伸在轴承上。这极大地降低了轴承载荷，延长了使用寿命和/或减小了轴承的尺寸/成本。

减少泄漏。由于减小的表面积/体积，如上所述，泄漏路径对于给定的腔室容积具有较小的程度。

假设主转子和壳体部件是铸造的，从较简单和较小的部件减小最大铸造尺寸，这可以通过使用较小的机器来降低铸造成本。加工切削速度也可以更快(或公差可以更精细)，因为可以更简单地将转子支撑在更靠近加工面的位置。

如上所述，转子可以压配合到轴上或以其它方式组装到轴上，这降低了制造复杂性，因为两个组成部件可以比制造成单个部件更简单。该组件还允许转子和轴在其结构中采用不同的材料。

参考其余的附图，其示出了变型实施例的一些示例，但是仍然体现了与上述相同的原理。首先，参考图6，其示出了不同的传动齿轮106与活板盘3间隔开，从而允许更大的腔室(如从改进的开口103'和活塞5'可见)。

图7A和图7B示出了另一实施例，其中转子包括轴向延伸部102a和102b，它们可通过提供更大的密封区域而用于增强密封。尽管表面102b可以与表面2a几何连续；但是102b在功能上不是2a的延续部分，因为它没有限定工作腔室的一个方面。

图8a和图8b示出了轴9基本上仅在一个方向上从转子延伸的实施例。这意味着它需要由仅位于转子同一侧的轴承支撑。虽然这增加了给定腔室的轴承载荷，但是在诸如更紧凑的轴承油系统的其他方面，或者使轴承与工作腔室周围的通常升高的温度隔开可能是有利的。

图9、图10、图11和图12示出了转子的变型实施例，其中转子的后部区域150可以由底切或该区域中的空间限定，从而证明转子表面体不一定是实心的。区域150可以部分地由通常由附图标记151表示的后壁或面限定。在图9中，后面151基本上是平面的，其易于加工并且导致高刚度，但是增加了端口110的体积，这会导致性能下降。在图10中，后表面151具有与表面2a类似的曲率，使得转子具有大致恒定的厚度。这可以减少端口10的体积，但是加工更复杂。在图11中，后表面151基本上是截头圆锥形，其加工更便宜(或者可以允许其重复加工到更高的精度)，同时还使端口10的体积最小化。最后在图12中，表面151由截头圆锥形和平面部分组成。这用于减小端口10的体积，降低制造成本，并且还用于增加转子2的刚度，以更好地抵抗变形。

Claims (12)

1.一种旋转活塞和缸体装置，包括：

转子，所述转子包括转子表面，

定子，

可旋转的活板，

从所述转子表面延伸的活塞，

所述转子表面和所述定子一起限定环形腔室，并且所述活塞布置成穿过所述环形腔室而旋转，

并且所述转子表面与基本垂直于所述转子的旋转轴线的平面倾斜地取向，并且所述转子表面通常背离转子的旋转轴线或在所述转子的旋转轴线之外。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述转子表面的取向与垂直平面成角度地偏移。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，角度偏移基本上在30度到60度的范围内。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述角度偏移基本上在40度到50度的范围内。

5.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中，所述转子表面具有面向角度取向，所述面向角度取向成角度地在所述垂直平面和与所述垂直平面正交的、包括旋转轴线的第二平面中间。

6.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中，包括从所述转子的至少一个轴向端延伸的旋转轴。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述轴包括端部，每个端部从所述转子的相应轴向端延伸。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其中，所述转子包括通孔，所述轴延伸穿过所述通孔或被接纳在所述通孔中。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述转子表面设置有端口，以允许流体在所述环形腔室与所述腔室外部的空间之间连通。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述端口包括开口，所述开口延伸穿过所述转子的后表面中的开口，所述后表面在所述旋转轴线的方向上轴向间隔开。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，当在轴向横截面中观察时，所述转子表面具有大致喇叭形的轮廓。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述转子表面在第一转子表面端部区域和第二转子表面端部区域之间延伸，并且所述第一转子表面端部区域沿着所述转子的旋转轴线相对于所述第二转子表面端部区域间隔开，并且所述转子表面端部区域中的一个具有比所述另一个端部区域更大的径向范围。