CN1131374C - 旋转正排式膨胀机 - Google Patents

Abstract

一种旋转正排式膨胀机包含一个或更多的由高压气体所驱动的动力转子(20，28)，和一个环状栅式转子(52)，环状栅式转子与动力转子相啮合，从而达到同步运转。动力转子(20，28)的圆柱状外表面上有相对的延伸出的轮叶(24，26，32，34)，轮叶受驱动气体驱动。栅式转子构成了一个气体传递机制，以及出气口(82)和驱动发动机的膨胀气体间的屏障。栅式转子(52)之中是一个定子(70)，定子上的端口(72，73)和栅式转子(52)上的端口(62，64)一旦排成一线，它们之间就可以顺畅地交流以传递驱动气体。栅式转子(52)的位置可以相对于动力转子(20，28)进行调整，以允许栅式转子外表面(54)与动力转子外表面(20，28)的间隙(81，83)被调节符合极为严格的公差要求，这样就保证了高的运转效率和低的废气污染。

Description

旋转正排式膨胀机

发明背景和综述

本发明涉及膨胀机领域，该设备通过高压气体的膨胀而作功。明确的说，本发明涉及旋转正排式膨胀机，通常也称为旋转发动机。更加明确一些，本发明涉及的是旋转蒸汽发动机。本发明也涉及空气压缩机及泵领域，因为通常正排式膨胀机也能够反向运作。本发明还涉及含有各自独立的压缩机，燃烧室及膨胀机部分的内燃机，因为本发明中的膨胀机也可以应用于此种内燃机。

大多数发动机是将热能转化为机械能的，需要通过一种设备使加热的高压的气体膨胀，这种设备就是膨胀机，膨胀机通过气体的膨胀而作功。传统的高压蒸汽发动机就是一个例子，该发动机中，热的高压蒸汽通过作功的膨胀机而膨胀，典型的膨胀机包含腔室中的一个活塞或涡轮。内燃机也需要热气体的膨胀，因为内燃机所涉及的过程可以分为三个阶段，首先压缩空气，加热空气，并且使热空气膨胀同时作功。典型的气体涡轮发动机(Brayton循环)包含各自独立的区域分别进行气体的压缩、加热及膨胀。而典型的汽车发动机(Otto循环)使用同一个活塞和镗孔实现三项功能。

膨胀机可以是正排式的，这种方式下，气体进入到腔室，腔室的一壁或多壁在气体压力的作用下产生运动，从而增加了腔室的容积。移动的腔室壁可以被称为活塞，无论形成腔室的部件的实际形状及结构如何。低速情况下，正排式膨胀机的效率通常较涡轮式为高，而且机械也较简单，所需物料也较脉冲和反冲涡轮(impulse and reaction turbines)便宜。由于旋转速度较慢，与高速涡轮相比，正排式膨胀机在高温下比较不受金属延展的影响。由于较低的冲击速率，与涡轮相比，正排式膨胀机也比较不受湿蒸汽冲击所导致腐蚀的影响。

正排式的膨胀机通过相同的部分反复使空气膨胀。这样，对此腔室的重新利用就需要阀门，通过这些阀门，高压气体得以进入腔室，而膨胀了的气体得以从腔室中释放出去。通常需要多个阀门来完成这一功能，其中至少一个阀门介导空气进入腔室，至少有一个阀门介导空气从腔室中释放。圆柱状旋转正排式膨胀机是这样一类设备，设备中的腔室由在空腔中旋转的中央旋转元件构成。这个旋转元件上装配有一个或多个突起或轮叶，这些突起或轮叶就构成了腔室的移动壁或者叫活塞。

以前的工艺含盖了极为广泛范围的正排式膨胀机，这些正排式膨胀机都是人类智慧的结晶。这些设备利用转子，阀门或其他的途径来将诸如高压蒸汽等驱动气体传递到旋转膨胀室，由此从气体中得到功并将废气排出。尽管对于所有的旋转正排式膨胀机来说，上述的功能都是相同的，而实现这些功能的方式，正如体现在移动部分的组成上那样，却仅仅为发明者的想象力所局限。但是许多从前的旋转正排式膨胀机的设计却往往是聪明反被聪明误，因为那些设计虽然理论上可以实现，而用在金属上却很难成功，如果不是完全不可能的话。这种实际中难以实现的原因是，为了限制渗漏对于机械和公差提出非常复杂的要求，造成成本的昂贵，不能提供实际中旋转正排式膨胀机的应用。此外，许多先前的设计要求间隙，这些间隙在常温下可以实现，但在运转时的高温情况下却难以为继。

本发明针对旋转正排式膨胀机，克服了从前工艺中那些使设计不能实现的不足。本发明所克服的第一个阻碍实用性的障碍是复杂性。本发明建立在一种简单的易于生产和重复的设计基础上，所有重要的发动机旋转组件都是圆柱状的。此外，这些组件在镗孔中旋转，而这些镗孔也都是圆柱状的。这就保证了生产上的简易性，因为圆桶是机械上最为简单的形状。

本发明所克服的第二个阻碍实用性的障碍是，不得不对旋转部分间的公差所作的折衷。本设计中，主要旋转部件间的间隙是可以在运转温度下调节的，由此就可以获得非常紧密的间隙。这就最大程度上保证了运转的效率。本发明可以应用于有一个或多个动力转子及栅式转子的旋转正排式膨胀机，也可以应用于简单或复合形式的运转。本发明还可以应用于低压或高压下的运转。

根据本发明，旋转正排式膨胀机包含一个或多个动力转子，和一个环状栅式转子，其中动力转子为高压气体，如水蒸气所驱动，而栅式转子与动力转子相啮合，从而达到栅式转子和动力转子同步转动的目的。转子在发动机外壳内贯穿的圆柱状镗孔中旋转。动力转子有圆柱状外表面，外表面上延伸出轮叶，轮叶在驱动气体的作用下运动。栅式转子有一个圆柱状外表面，该外表面极为接近于动力转子圆柱状表面，栅式转子上的端口负责传递驱动气体到动力转子。这样，栅式转子既形成了气体传输装置，又形成了出气口和驱动发动机的膨胀气体间的屏障。位于栅式转子内部的是定子，当定子上的端口与栅式转子上的端口排成一线时，端口之间能够通畅地相互联系。栅式转子的位置可以相对于动力转子调整，这样使得栅式转子与动力转子相对的表面的间隙可以在运转条件下被调节到极为符合公差，由此提供了高效的运转。

附图简述

为了更好地理解此项发明，以下各附图皆加以旁注，附图与后面的详细说明一同起到解释之用。其中，

图1为依照本发明构建的旋转正排式膨胀机的剖视图。

图2为本发明旋转正排式膨胀机的平面图。

图3为本发明栅式转子固定装置的后视图，其中，后盖和传动装置被缺省。

优先实施例的说明

图1-3显示了依照本发明构建的旋转正排式膨胀机(旋转发动机)10。旋转发动机10包括一个外壳12，外壳中有三个相互交叠的圆柱状镗孔14，16和18。第一动力转子20通过轴颈被安装于圆柱状镗孔14之中得以旋转，第一动力转子的圆柱状外表面22的直径小于圆柱状镗孔的直径，延伸于外表面22和镗孔14间的是相对的第一轮叶24和第二轮叶26。一个第二动力转子28通过轴颈被安装于圆柱状镗孔18中得以旋转，动力转子包含一个通常为圆柱状外表面30和延伸于外表面30及镗孔18间的相对的轮叶32和34。图2中最佳显示了如下的构造，动力转子20被安装于轴36上，该轴由轴承组件38和40支撑得以旋转，而轴承组件38和40又分别为外壳12的前面板42和后面板44支撑。为保证其旋转，动力转子28被安装于轴46上，此轴为第一轴承组件48和第二轴承组件50所支撑。轮叶24，26，32和34的顶端应包含顶端封垫51，从而完善与圆柱状镗孔14，18间的密封性能。

环状栅式转子52被安装于外壳12的中央圆柱状镗孔16中，并可旋转，此环状栅式转子包含一个外部圆柱状表面54和一个内部圆柱状表面56。配置于栅式转子52的圆柱状表面54上的是第一凹槽58和第二凹槽60，当动力转子20，28与栅式转子52同步转动时，这两个凹槽提供了容纳动力转子20的轮叶24，26以及动力转子28的轮叶32，34的空间。从栅式转子52的内表面56通向外表面54的第一进气口62和第二进气口64用来向圆柱状镗孔14和18传输驱动气体，驱动气体作用于动力转子20的轮叶24，26以及动力转子28的轮叶32，34从而导致动力转子旋转。栅式转子52的直径小于外壳12的圆柱状镗孔16的直径，并且一系列的安装于镗孔16之狭缝67中的密封条66延伸到栅式转子52的外表面54以防止栅式转子52和镗孔16间漏气。

栅式转子52的内部圆柱状表面中形成一个小室，定子70固着于其中。这个定子含两个相对的进气口72和73，随着栅式转子52环绕固着的定子70转动，各个端口排成一线时，进气口72和73就可以将气流传递到栅式转子52的进气口62和64。密封条74被安装于定子70的外表面76上用来与栅式转子52的内表面56相接合，这样，除非进气口72和73与进气口62和64排成一线，其他情况下都不会产生来自进气口72和73的外溢。如图2所示，驱动气体，如高压蒸汽，从锅炉(未示)等外设经由外壳12的一个入气口78传递到定子70的端口72，而后再传到栅式转子52的端口62，64，接着作用于动力转子20的轮叶24，26和动力转子28的轮叶32，34，从而使动力转子旋转。镗孔14侧壁上的出气口80排出动力转子20中的废气。镗孔18侧壁上的出气口82排出动力转子28中的废气。

如图2所示，栅式转子52被连接于轴84，为了旋转，轴84通过轴承85得到支撑，轴承85安装在外壳12后面板44所支撑的付壳体86中。后面板44上的付壳体86，其位置是可调节的，这一点将在下文中详细讨论。齿轮88被安装于轴84的末端，与齿轮88啮合的齿轮90被安装于同时还安装着动力转子20的轴36的末端。齿轮88还啮合了齿轮92，齿轮92连接在支撑动力转子28的轴46上。轴46还连接着一个输出轴94，该输出轴从外壳12的后盖95中延伸出去，并将旋转发动机10的输出功率传递到其驱动的设备。由于栅式转子52与动力转子20和28相啮合，这三个转子将同步转动。

栅式转子52具有两项重要功能。其一，它作为旋转阀，使得当栅式转子的入气口62，64与定子70上的端口72，73排成一线时，驱动气体得以进入动力转子。其二，它使出气口80，82与注入动力转子20，28的气流相隔离，由此，在栅式转子52与动力转子20，28的临近点，与动力转子20，28的轮叶间形成膨胀室。在图1中，镗孔14(动力转子20)的膨胀室旁标注序号81，而镗孔18(动力转子28)的膨胀室旁标注序号83。为了完成其密闭功能，栅式转子52的圆柱状表面54必须与动力转子20和28的圆柱状表面22，30极度接近。如果间隙过大，一部分进入的气体将由栅式转子52渗漏，并从出气口80，82中流失。另一方面，如果间隙过小，栅式转子52与动力转子20，28的圆柱状表面相接触，就会导致磨损，最少，也会由于摩擦力的增大而导致输出功率的减少。由于间隙的大小也会受发动机10运转条件的影响，间隙会随旋转发动机10假定运转温度而变化。因此，在静态情况下所作出的间隙调整几乎肯定不适合于运转温度条件。本发明旋转发动机能够克服这些问题。

图3显示了发动机10的后面板44，图中为了能清楚显示栅式转子的安装方式，对齿轮传导装置予以省略。栅式转子52的特殊安装方式使其能够相对于动力转子20，28调整位置。如前所述，为了旋转，栅式转子52通过付壳体86得以安装，而付壳体86由一系列的紧固件(螺栓)96而固定在后面板44上，这些紧固件锁定于付壳体86中的狭长开口98中。狭长开口98设置得如图1和3所示的那样，长边侧被置于垂直方向，这样栅式转子52的位置就可以沿垂直线A做调整，线A与连接动力转子22和28中央线的B线成直角。如图1所示，栅式转子52的转动轴的位置低于动力转子22和28的转动轴，并且，栅式转子的直径大于动力转子20的圆柱状外表面22与动力转子28的圆柱状外表面30间的距离。由此，栅式转子在垂直方向上的运动将分别调节栅式转子52的外表面54与动力转子20，28的外表面22，30间的间隙。如图1，3所示，栅式转子向上运动可减少栅式转子与动力转子的间隙，反之，则增大该间隙。

由于旋转发动机是设计用来在特殊的运转温度下运转的，室温下对间隙的调节几乎肯定不适合于运转温度下的情况，这是因为，很难精确预料不同部件的热膨胀率的差异会如何影响运行时的间隙。本发明允许了运转温度条件下对栅式转子和动力转子间间隙的严格的调节。依照此方法，动力转子20和28被安装于外壳12中，并且轮叶24，26，30，34的间隙被设定，由此，动力转子20，28可以自由旋转。此后，整个发动机被装到恒温箱中均匀加热，使各部分都被加热到运转温度，栅式转子52的位置则可通过沿着狭长的狭缝98微移付壳体86而得到调节，以使得栅式转子52的圆柱状表面54几乎接触到动力转子20，28的圆柱状表面22，30，随后螺栓96被拧紧。此后密封条66被插入镗孔16的狭缝67中来封闭其中的栅式转子52。密封条首选“牺牲”性材料，如青铜制成，这样在栅式转子旋转过程中，它将被略微磨损(磨掉)从而进一步完善密封性能。使用可磨损材料制成位于栅式转子52和定子70间的密封条74，以及触点封垫51，也将有利于得到最大运转功率。在栅式转子52的位置调整好后，定子70被插入栅式转子52并通过付壳体100连接于外壳的前面板42。

本发明也适合于一个栅式转子与两个动力转子的组合以外的转子组合方式。例如，一种更简单更紧凑的发动机可以由一个单一的动力转子和一个单一的栅式转子构成。其他的组合形式也许会利用三个或更多的动力转子以及多个栅式转子。另外，如图所示，这里每个动力转子都有2个相对的轮叶，目前的设计也允许每个动力转子上仅有一个轮叶或多于两个轮叶。此发明适合于高压及低压的运行方式，以及简单或复合的组合方式。

本发明通过优选实施例加以描述。但是正如本领域技术人员认识的那样，对已经得到描述及图解的一些特殊细节进行的改进及变化也是依赖且不背离如权利要求书中限定的本发明的精神及范畴的。

Claims (20)

1.一种旋转正排式膨胀机包括：

a.一个外壳，内部设有至少第一和第二相交的圆柱状镗孔；

b.至少一个动力转子安置于上述的第一圆柱状镗孔中，得以旋转，上述的动力转子有一个圆柱状外表面，该圆柱状外表面直径小于上述的圆柱状镗孔，并且至少一个轮叶从动力转子圆柱状外表面上延伸出来直到非常接近于圆柱状镗孔的各壁；

c.一个环状栅式转子，含有圆柱状的内外表面，此栅式转子被安装于上述外壳内的上述第二圆柱状镗孔中得以旋转，至少一个端口装置延伸于栅式转子的内外表面间，栅式转子的圆柱状外表面被安置在与动力转子圆柱状外表面极为接近的位置；

d.外部端口装置，用于与上述栅式转子的端口装置进行流体沟通，上述外部端口装置使动力进料能够流到栅式转子；以及

e.栅式转子的旋转轴可以相对于动力转子的旋转轴进行调整，这样动力转子的圆柱状外表面与栅式转子的圆柱状外表面间的间隙也成为可调节的。

2.如权利要求1所述的旋转正排式膨胀机，其特征在于，外部端口装置包括位于上述环状栅式转子内的定子，当上述栅式转子和定子的端口装置在上述栅式转子预先确定的旋转位置上排成一线时，上述定子的端口可以和栅式转子的端口装置进行流体沟通。

3.如权利要求1所述的旋转正排式膨胀机，其特征在于，栅式转子在镗孔内旋转，在栅式转子的圆柱状外表面和圆柱状镗孔间安装有可磨损的封垫。

4.如权利要求2所述的旋转正排式膨胀机，其特征在于，进一步包含有可磨损封垫，该封垫被安装于栅式转子圆柱状内表面和定子之间。

5.如权利要求1所述的旋转正排式膨胀机，其特征在于，进一步包含了出气口，出气口位于动力转子旋转所处的圆柱状镗孔内部。

6.如权利要求1所述的旋转正排式膨胀机，其特征在于，通过以可调节方式安置于膨胀室的付壳体，栅式转子被安装于上述的第二圆柱状镗孔之中，得以旋转。

7.如权利要求6所述的旋转正排式膨胀机，其特征在于，付壳体通过狭长的狭缝上所带紧固件被安装于膨胀机外壳，这样，付壳体的位置就可以相对于膨胀机外壳进行调节，从而对栅式转子的位置进行调节。

8.如权利要求1所述的旋转正排式膨胀机，其特征在于，进一步包含了一个第三圆柱状镗孔，此镗孔安置于上述的外壳中，并且一个第二动力转子安装于上述的第三镗孔中得以旋转，上述的动力转子的圆柱状外表面的直径小于上述的第三圆柱状镗孔，至少有一个轮叶从第二动力转子的圆柱状外表面上延伸出来直到极为接近第三圆柱状镗孔的各壁，第二动力转子的圆柱状外表面被安置在极为接近栅式转子圆柱状外表面的位置。

9.如权利要求1所述的旋转正排式膨胀机，其特征在于，动力转子包含两个轮叶，轮叶在圆柱状外表面上并分开呈180度角。

10.一种旋转正排式膨胀机包括：

a.一个外壳，内部设有至少第一和第二相交的圆柱状镗孔；

b.至少一个动力转子安置于上述的第一圆柱状镗孔中，得以旋转，上述的动力转子有一个圆柱状外表面，该圆柱状外表面直径小于上述的圆柱状镗孔，相对的第一和第二轮叶由动力转子的圆柱状外表面伸展出而直到极为接近圆柱状镗孔的各壁；

c.一个环状栅式转子，含有圆柱状的内外表面，此栅式转子被安装于上述外壳内的上述第二圆柱状镗孔中得以旋转，至少有一个端口装置从栅式转子的内表面延伸到外表面，栅式转子的圆柱状外表面被安置在与动力转子圆柱状外表面极为接近的位置；

d.一个定子定位于环状栅式转子中，当上述栅式转子和定子的端口装置在上述栅式转子预先确定的旋转位置上排成一线时，上述定子的端口装置可以和栅式转子的端口装置进行流体沟通。

11.如权利要求10所述的旋转正排式膨胀机，其特征在于，进一步包含了一个安置于上述外壳中的第三圆柱状镗孔，并且上述的一个第二动力转子被安装于上述的第三圆柱状镗孔中得以旋转，上述动力转子的圆柱状外表面的直径小于上述的第三圆柱状镗孔的直径，至少一个轮叶从第二动力转子圆柱状外表面上伸展出来直到极为接近第三圆柱状镗孔的各壁，第二动力转子的圆柱状外表面处于极为接近栅式转子圆柱状外表面的位置。

12.如权利要求10所述的旋转正排式膨胀机，其特征在于，栅式转子的旋转轴位置可以相对于动力转子的旋转轴进行调整，这样，动力转子的圆柱状外表面和栅式转子圆柱状外表面间的间隙成为可以调节的。

13.如权利要求12所述的旋转正排式膨胀机，其特征在于，借助被可调节地安装于膨胀机外壳内的付壳体，栅式转子被安置于第二圆柱状镗孔中得以旋转。

14.如权利要求13所述的旋转正排式膨胀机，其特征在于，付壳体通过狭长的狭缝上所带紧固件被安装于膨胀机外壳内，这样，付壳体的位置就可以相对于膨胀机外壳内进行调节从而对栅式转子的位置进行调节。

15.如权利要求10所述的旋转正排式膨胀机，其特征在于，进一步包含了具有可磨损性能的封垫，封垫被安置于栅式转子圆柱状外表面和栅式转子旋转于其中的圆柱状镗孔之间，

16.一种旋转正排式膨胀机，用于由外部高压气体源取得动力，它包括：

a.一个外壳，内部设有至少第一和第二相交的圆柱状镗孔；

b.一个第一和一个第二动力转子，分别被安装于第一和第二圆柱状镗孔中得以旋转，上述每个动力转子的圆柱状外表面的直径都小于与之相应圆柱状镗孔的直径，相对的第一和第二轮叶从动力转子的圆柱状外表面上伸展出来直到非常接近于内部装有动力转子的圆柱状镗孔的各壁。

c.一个环状栅式转子，有圆柱状的内外表面，栅式转子安装于上述外壳中的上述第三圆柱状镗孔当中得以旋转，第一和第二端口装置从栅式转子的内表面延伸到外表面，栅式转子的圆柱状外表面被定位于极为接近第一和第二动力转子的圆柱状外表面的位置

d.一个定子，位于环状栅式转子当中，当上述栅式转子和定子的端口装置在上述栅式转子预先确定的旋转位置上排成一线时，上述定子的端口装置可以和栅式转子的端口装置进行流体沟通。

17.如权利要求16所述的旋转正排式膨胀机，其特征在于，栅式转子的旋转轴位置可以相对于动力转子旋转轴位置调整，这样，动力转子圆柱状外表面与栅式转子外表面间的间隙成为可调节的。

18.如权利要求16所述的旋转正排式膨胀机，其特征在于，所述动力气体包括水蒸气。

19.如权利要求16所述的旋转正排式膨胀机，其特征在于，第一和第二动力转子以及栅式转子被结合在一起，从而得以同步转动。

20.如权利要求16所述的旋转正排式膨胀机，其特征在于，进一步包含了具有可磨损性的封垫，该封垫被安装于栅式转子圆柱状外表面和栅式转子转动于其中的圆柱状镗孔之间。

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