CN110307083A - 一种气致自密封转子发动机 - Google Patents

Abstract

本发明实施例是关于一种气致自密封转子发动机。该转子发动机包括包括转子和缸体；所述转子的相邻顶点连线处设有涡流管，用于将进入该涡流管的气流进行冷热分离；其中，所述涡流管的入口位于所述转子的弧面上；所述涡流管两端的出口位于所述转子的顶点处。本发明实施例通过对转子发动机的转子以及缸体的缸壁进行结构上的优化设计，使得缸体内的气流在缸壁和转子顶点的多重作用下，达到非接触式的气致密封效果。

Description

一种气致自密封转子发动机

技术领域

本发明实施例涉及转子发动机技术领域，尤其涉及一种气致自密封转子发动机。

背景技术

转子发动机具有结构简单、尺寸紧凑的特点，相对往复式发动机具有零件少、重量轻和体积小的优点，因而被广泛应用于航空飞行器的动力设备。转子发动机是一种四冲程循环内燃机，依靠转子和缸体之间形成的燃烧工作室完成热循环，因此密封问题是转子发动机研究的关键问题之一。

目前，一般转子发动机在径向都设置了径向弹簧使密封片始终径向压紧缸体，从而使密封片在整个工作过程中起到密封作用，但是弹簧所处的工作温度很高，工作环境恶劣，并且在发动机长时间运转后，径向密封片弹簧将会被磨损，使发动机失去气密性，从而影响发动机的效率。

因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种气致自密封转子发动机，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种气致自密封转子发动机，包括转子和缸体；其中：

所述转子的相邻顶点连线处设有涡流管，用于将进入该涡流管的气流进行冷热分离；其中，

所述涡流管的入口位于所述转子的弧面上；

所述涡流管两端的出口位于所述转子的顶点处。

本发明的一实施例中，所述相邻顶点连线处的涡流管包括对称紧挨的第一涡流管和第二涡流管。

本发明的一实施例中，所述第一涡流管沿长度方向距离其第一端端部的约四分之一位置处设有第一入口，所述第二涡流管沿长度方向距离其第二端端部的约四分之一位置处设有第二入口，且所述第一涡流管的第一端和第二涡流管的第二端相对。

本发明的一实施例中，在所述转子顶点的涡流管出口处设置气流引导装置，用以引导从所述涡流管流出的气流流向以转子顶点为界限的两个区域，且所述两个区域分别为相对的高压区和低压区。

本发明的一实施例中，所述气流引导装置的出口与所述缸体的缸壁之间的距离为一预设距离。

本发明的另一实施例中，所述转子的各顶点处设有气流回槽，且该气流回槽形状为类U型；

所述缸体的缸壁的预设区域处设有气流引导结构，用以在该预设区域处强化湍流和/或挤流。

本发明的另一实施例中，所述各顶点处分别设有相对称的类U型气流回槽，且该类U型气流回槽的开口方向相反。

本发明的另一实施例中，所述类U型气流回槽的曲线形状为等速阿基米德曲线，且所述类U型气流回槽具有一预设高度及一预设宽度。

本发明的另一实施例中，所述预设区域是以所述缸壁局部曲率最大值节点为界限的两侧区域。

本发明的另一实施例中，所述气流引导结构的高度介于1～10μm之间。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明的实施例中，通过上述提供的气致自密封转子发动机，取消了径向密封片的设计，通过对转子发动机的转子以及缸体的缸壁进行结构上的优化设计，使得缸体内的气流在缸壁和转子顶点的多重作用下，达到非接触式的气致密封效果。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明一示例性实施例中涡流管的正视及后视示意图；

图2示出本发明一示例性实施例中涡流管的结构示意图；

图3示出本发明一示例性实施例中涡流管的侧视示意图；

图4示出本发明一示例性实施例中相邻腔室内涡流管的连接示意图及气流流向示意图；

图5示出本发明一示例性实施例中涡流管的气流流向示意图；

图6示出本发明一示例性实施例中三个腔室的六个涡流管的布置示意图；

图7出本发明另一示例性实施例中转子顶点的结构示意图；

图8出本发明另一示例性实施例中转子发动机缸壁的示意图；

图9出本发明另一示例性实施例中转子发动机的示意图；

图10本发明另一示例性实施例中转子转动的角度与其对应腔室压力的变化趋势图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本发明实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

转子发动机是一种四冲程循环内燃机，依靠转子和缸体之间形成的燃烧工作室完成热循环，因此密封问题是转子发动机研究的关键问题之一。如果相邻工作室之间漏气，转子发动机的效率将极大减小，因此，一般转子发动机在径向都设置了径向弹簧使密封片始终径向压紧缸体，从而使密封片在整个工作过程中起到密封作用。另外，弹簧的工作温度很高，工作环境恶劣，对材料性能要求较高，基于此，径向密封片弹簧的设计、计算及材料的选择就显得极为重要。

为了提高密封效果，减小径向密封片的引入所带来的优化设计难题，本发明取消了径向密封片的设计，引入干气自密封转子发动机结构，为转子发动机优化设计、提高寿命、减小磨损以及大规模量产提供了新的思路。

本示例实施方式中首先提供了一种气致自密封转子发动机。参考图1、9中所示，该转子发动机可以包括转子100和缸体200；

所述转子100的相邻顶点连线处设有涡流管300，用于将进入该涡流管300的气流进行冷热分离；其中，所述涡流管300的入口302位于所述转子100的弧面上，所述涡流管300两端的出口304位于所述转子100的顶点处。

通过上述提供的气致自密封转子发动机，取消了径向密封片的设计，通过在转子发动机的转子100上设置涡流管300，使得通过涡流管300的冷热气流在转子100顶点处膨胀并扩散至所述缸体200的缸壁202处，达到转子100与缸体200之间的非接触式的气致密封效果。

下面，将参考图1至图6对本示例实施方式中的上述气致自密封转子发动机的各个部分进行更详细的说明。

在一实施例中，所述转子100的相邻顶点连线处设有涡流管300，用于将进入该涡流管300的气流进行冷热分离；其中，所述涡流管300的入口302位于所述转子100的弧面上，所述涡流管300两端的出口304位于所述转子100的顶点处。

具体的，以三转子发动机为例，三转子发动机的转子100形状为莱洛三角形形状，所述莱洛三角形也称为弧三角形，是通过先作一正三角形，然后分别以三个顶点为圆心，边长长为半径画弧方法所得到的三角形。三转子发动机的转子100共有三个顶点，为使转子发动机能够达到干气自密封的效果，如图1、2所示，转子100的相邻顶点连线处设有涡流管300，即在莱洛三角形的三角形轴线上分别设置涡流管300，所述涡流管300是一种结构非常简单的能量分离装置，在工作时压缩气体在入口302内膨胀，然后以很高的速度沿切线方向进入涡流管300内，气流在涡流管300内高速旋转时，经过涡流变换后分离成总温不相等的两部分气流，处于中心部分的气流温度低，而处于外层部位的气流温度高，以达到将进入该涡流管300的气流进行冷热分离的目的，具体可参照现有技术，在此不再详述。需要说明的是，所述转子100相邻顶点的连线并非为直线，即设置于该连线上的涡流管300并非直线结构，可根据其内部的气流大小将所述涡流管300设置为一定的弧形，或者是根据转子100自身的大小，实际来调整所述涡流管300的形状。

另外，当所述转子发动机在工作时，尤其是在进行压缩冲程以及做功冲程时，腔室内将产生压强较大的气流，此时气流可通过上述涡流管300的入口302进入到该涡流管300内，如图1所示，所述涡流管300的入口302位于所述转子100的弧面上，且该入口302为引导气流运动可设计为一定形成的凹槽(图中未示出)，具体方法可参考现有技术。而且所述涡流管300两端的出口304位于所述转子100的顶点处，当冷热气流通过所述涡流管300导出后，在所述转子100顶点处设置下述气流引导装置500，以使高温气流导向温度较高的一侧，实现转子发动机的自密封，冷气流则导向温度较低的一侧，实现较低一侧腔室内的自加压以及降温的效果，从而在一定程度上提高转子发动机的效率。

在一实施例中，所述相邻顶点连线处的涡流管300包括对称紧挨的第一涡流管301和第二涡流管303。

示例的，如图3所示，所述转子100的一侧面设置有两个完全相同的涡流管300，所述对称可理解为所述第一涡流管301与第二涡流管303，是关于图示中纵向中分线与横向中分线的交点为中心的中心对称，并且两个涡流管300紧挨在一起，以共同实现对进入该涡流管300的气流进行冷热分离。

在一实施例中，所述第一涡流管301沿长度方向距离其第一端401端部的约四分之一位置处设有第一入口B，所述第二涡流管303沿长度方向距离其第二端402端部的约四分之一位置处设有第二入口A，且所述第一涡流管301的第一端401和第二涡流管303的第二端402相对。

示例的，如图3所示，为能够对进入所述涡流管300的气流进行很好的冷热分离，所述涡流管300的入口302应设置在所述涡流管300沿长度方向的约四分之一处，具体为所述第一涡流管301沿长度方向距离其第一端401端部的约四分之一位置处设有第一入口B，所述第二涡流管303沿长度方向距离其第二端402端部的约四分之一位置处设有第二入口A，即B入口设置于横向中分线与一转子100顶点的中部位置处，A入口设置于横向中分线与上述转子100顶点相对的另一转子100顶点的中部位置处。

在一实施例中，在所述转子100顶点的涡流管300出口304处设置气流引导装置500，用以引导从所述涡流管300流出的气流流向以转子100顶点为界限的两个区域，且所述两个区域分别为相对的高压区和低压区。

具体的，因转子100的每个弧面设置两根涡流管300，即所述转子100顶点处存在四个涡流管300出口，为保证转子发动机的气致自密封的效果，需在所述转子100的每个顶点的涡流管300出口处设置气流引导装置500，具体为在转子100顶点位置处，如图4所示，相邻转子100弧面的两个相对的涡流管300出口304的连接设置有一个拨片501用来隔离两侧的气流，例如，当腔室在进行燃烧做功冲程时，进入该腔室对应的涡流管300的气流为高温高压的气流，该气流将会推动所述拨片501，从所述气流引导装置500流向在进行做功冲程的一侧，即高压侧，从而实现转子发动机的自密封；另两个相对的涡流管300的出口的连接也设置有一个拨片501用来隔离两侧的气流，因从该出口流出的为相对的冷气流，因此将该气流导向与上述高压侧相对的低压侧，实现对低压侧的自压缩功能。需要说明的是，所述气流引导装置500的出口形状与所述转子100顶点及所述缸体200的缸壁202之间的空腔适配，在此不作限制。

更进一步的，可在上述涡流管300的气流入口302处设置气流阻隔装置，通过电子的方式用控制器控制该阻隔装置，例如，只打开位于燃烧腔室内所述涡流管300的气流入口302，让燃烧腔室内的气流进入所述涡流管300，相应的关闭其他所述涡流管300的气流入口302，从而实现对上述燃烧腔室的密封，并且在一定程度上能够提高所述转子发动机的热机效率。

在一实施例中，所述气流引导装置500的出口与所述缸体200的缸壁202之间的距离为一预设距离。

示例的，如图5所示，为更好的实现气流对所述转子发动机在运转过程中的气密封，所述气流引导装置500的出口与所述缸壁202之间的宽度应设置在10μm以下。

另外，如图6所示，以三转子发动机为例，示出了三个腔室的六个涡流管300的布置图，且图中三角形箭头所指的方向为涡流管300内气流最终的导向方向，例如，当所述转子发动机在进行做功冲程时，涡流管300产生的高温高速气流导向此时正在燃烧的腔室，以实现对自身的密封。

需要说明的是，转子发动机在运转时，所产生的气流进入所述涡流管300后，转化为一定的高低温冷热气流需要一定的时间，而这个时间必须能够和如做功冲程形成对应关系，即当所述转子发动机工作时，第一次在燃烧腔室内进入所述涡流管300的气流，在第二次该腔室进行燃烧时才能够对该燃烧腔室进行密封，也可理解为前一次的做功冲程是为下一次的做功冲程进行自身密封做铺垫，在实际应用中，应将上述气流形成自身密封的时间控制在每个冲程的5-110％时间内，才能更好的提高所述转子发动机的热机效率。

在另一个实施例中，所述转子100的各顶点处设有气流回槽102，且该气流回槽102形状为类U型，所述缸体200的缸壁202的预设区域处设有气流引导结构204，用以在该预设区域处强化湍流和/或挤流。

具体的，以三转子发动机为例，如图7所示，在上述三个顶点分别设置气流回槽102，且该气流回槽102的形状为类U型，具体的气流回槽102形状大小还与创成半径、偏心距、等距半径、发动机的工作室容积以及发动机内的压力等因素密切相关。需要说明的是，上述各参数可参考现有转子发动机进行理解，在此不再赘述。

另外，所述气流引导结构204设置在以所述缸壁202局部曲率最大值节点为界限的两侧区域处，当转子发动机在运转时，在进行到压缩冲程，即转子100对腔室内的混合空气燃料进行压缩，以达到较大的内能，而火花塞准备点火进行做功冲程的临界点时，即到达如图8所示的位置，此时的混合空气燃料体积被快速压缩，所产生的气流迅速向所述气流引导结构204流动，但因为所述气流引导结构204的特殊形状，能够使快速流动的气体方向发生突变，从而实现了缸壁202面上的微结构湍流或挤流，并利用所述气流引导结构204使流速发生突变，从而形成剪切层，在一定程度上增强了转子100与缸体200之间的密封性。

此外，通过将上述类U型气流回槽102与缸壁202上的气流引导结构204相结合，在随着缸内压力的变化，气流经过所述气流引导结构204与类U型气流回槽102时，速度会逐渐减小，而压强就会逐渐增大，与此同时，气流的方向发生转向，将会产生一系列的马赫波，即压缩波。此时，气流的流速突然减小，而压强与气体的密度会突然增大，将会在气流引导结构204与类U型气流回槽102之间形成气膜，且该气膜具有刚度特性，能够进一步的实现对所述转子发动机的自密封。需要说明的是，所述类U型气流回槽102至所述气流引导结构204的距离小于10μm。如图10所示，示出气缸内的压力变化，随着吸气、压缩、做功、排气四个冲程，缸内压力发生周期性变化，气流速度也会产生周期性变化。

在另一个实施例中，所述各顶点处分别设有相对称的类U型气流回槽102，且该类U型气流回槽102的开口方向相反。

具体的，以三转子发动机为例，三转子发动机的转子100共有三个顶点，为使转子发动机能够达到干气自密封的效果，如图7所示，在上述三个顶点分别设置气流回槽102，且该气流回槽102的形状为类U型，具体的气流回槽102形状大小还与创成半径R、偏心距、等距半径、发动机的工作室容积以及发动机内的压力等因素密切相关。为使转子发动机在运行过程中，能够达到较好的自密封效果，所述转子100的每一顶点设置有两个相对称的类U型气流回槽102，且该类U型气流回槽102的开口方向相反。

在另一个实施例中，所述类U型气流回槽102的曲线形状为等速阿基米德曲线，且所述类U型气流回槽102具有一预设高度及一预设宽度。

示例的，所述类U型气流回槽102的曲线形状为等速阿基米德曲线，但是该类U型气流回槽102的大小还与创成半径R、偏心距、等距半径、发动机的工作室容积以及发动机内的压力等因素密切相关，所述等速阿基米德曲线也称为等速螺线。所述类U型气流回槽102沿径向方向有一预设高度，所述预设高度可根据实际需要进行制定，所述类U型气流回槽102沿周向方向有一预设宽度，所述预设宽度介于1～10mm之间。

在另一个实施例中，所述预设区域是以所述缸壁202局部曲率最大值节点为界限的两侧区域。

示例的，以三转子发动机为例，所述缸体200的缸壁202上有两处预设区域用于设置气流引导结构204，且该两处预设区域相对，所述预设区域为所述缸壁202局部曲率最大值节点为界限的两侧区域，如图9所示，即为所述缸体200内向内侧突出的两处区域。需要说明的是，上述缸体200内的突出区域可参考现有转子发动机的形状，在此不再赘述。

在另一个实施例中，所述气流引导结构204的高度介于1～10μm之间。

示例的，所述气流引导结构204用于强化湍流以及挤流，具体过程为使快速流动的气体方向发生突变，从而实现了缸壁202面上的微结构湍流或挤流，并利用所述气流引导结构204使流速发生突变，从而形成剪切层，在一定程度上增强了转子100与缸体200之间的密封性，并且该气流引导结构204的高度介于1～10μm之间。

通过上述提供的转子发动机，取消了径向密封片的设计，通过对转子发动机的转子以及缸体的缸壁进行结构上的优化设计，使得缸体内的气流在缸壁和转子顶点的多重作用下，达到非接触式的气致密封效果，不仅提高了发动机的寿命，减少了磨损，而且为大规模量产提供了新方向。

需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种气致自密封转子发动机，其特征在于，包括转子和缸体；其中：

所述转子的相邻顶点连线处设有涡流管，用于将进入该涡流管的气流进行冷热分离；其中，

所述涡流管的入口位于所述转子的弧面上；

所述涡流管两端的出口位于所述转子的顶点处。

2.根据权利要求1所述气致自密封转子发动机，其特征在于，所述相邻顶点连线处的涡流管包括对称紧挨的第一涡流管和第二涡流管。

3.根据权利要求2所述气致自密封转子发动机，其特征在于，所述第一涡流管沿长度方向距离其第一端端部的约四分之一位置处设有第一入口，所述第二涡流管沿长度方向距离其第二端端部的约四分之一位置处设有第二入口，且所述第一涡流管的第一端和第二涡流管的第二端相对。

4.根据权利要求1所述气致自密封转子发动机，其特征在于，在所述转子顶点的涡流管出口处设置气流引导装置，用以引导从所述涡流管流出的气流流向以转子顶点为界限的两个区域，且所述两个区域分别为相对的高压区和低压区。

5.根据权利要求4所述气致自密封转子发动机，其特征在于，所述气流引导装置的出口与所述缸体的缸壁之间的距离为一预设距离。

6.根据权利要求1～5任一项所述气致自密封转子发动机，其特征在于，所述转子的各顶点处设有气流回槽，且该气流回槽形状为类U型；

所述缸体的缸壁的预设区域处设有气流引导结构，用以在该预设区域处强化湍流和/或挤流。

7.根据权利要求6所述气致自密封转子发动机，其特征在于，所述各顶点处分别设有相对称的类U型气流回槽，且该类U型气流回槽的开口方向相反。

8.根据权利要求7所述气致自密封转子发动机，其特征在于，所述类U型气流回槽的曲线形状为等速阿基米德曲线，且所述类U型气流回槽具有一预设高度及一预设宽度。

9.根据权利要求6所述气致自密封转子发动机，其特征在于，所述预设区域是以所述缸壁局部曲率最大值节点为界限的两侧区域。

10.根据权利要求6所述气致自密封转子发动机，其特征在于，所述气流引导结构的高度介于1～10μm之间。