CN1452696A - 旋转流体机械 - Google Patents

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本间健介
伊藤直纪
远藤恒雄
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Abstract

旋转流体机械具有配合于设于转子(27)的缸(33)地往复运动的活塞(37)和配合于设于转子(27)上的叶片槽(43)中地往复运动的叶片(44)；其中，转子(27)由支承于旋转轴(21)对缸(33)进行收容的转子芯(31)和沿周向分割并围住转子芯(31)的外周地固定的(12)个转子扇形块(32)构成，在相邻的转子扇形块(32)之间形成叶片槽(43)。这样，不需要特别精密的加工即可提高叶片槽(43)的尺寸精度，而且可隔断从较高温度的转子芯(31)向较低温度的转子扇形块(32)的热传导，抑制热向转子(27)外部的散失，提高热效率，而且可缓和转子(27)的各部的热变形。

Description

旋转流体机械
技术领域
本发明涉及一种可用作膨胀机或压缩机的旋转流体机械。
背景技术
在日本特开昭59-41602号公报中记载有双重多叶片式旋转流体机械。该旋转流体机械在椭圆形的外侧凸轮环与椭圆形的内侧凸轮环之间配置圆形的叶片支承环，将沿径向可自由滑动地支承于该叶片支承环的多个叶片的外端和内端分别接触于外侧的凸轮环的内周面和内侧的凸轮环的外周面。因此，当相对于外侧凸轮环和内侧凸轮环使叶片支承环相对旋转时，在外侧凸轮环和叶片支承环之间由叶片划分的多个叶片室的容积增大、缩小而作为膨胀机或压缩机起作用，另外，在内侧凸轮环和叶片支承环之间由叶片划分的多个叶片室的容积扩大、缩小而作为膨胀机或压缩机起作用。
在该双重多叶片式旋转流体机械中，可将外侧和内侧的旋转流体机械作为分别独立的膨胀机使用，或将外侧和内侧的旋转流体机械作为分别独立的压缩机使用，或将外侧和内侧的旋转流体机械中的一方和另一方分别用作膨胀机和压缩机使用。
另外，在日本特开昭60-206990号公报中记载了可作为膨胀机或压缩机使用的叶片式旋转流体机械。该旋转流体机械在同心配置的圆形的外侧凸轮环与圆形的内侧凸轮环之间偏心地配置圆形的中间缸，可朝径向自由滑动地支承于该中间缸的多个叶片的外端和内端分别接触于外侧的凸轮环的内周面和内侧的凸轮环的外周面。因此，当相对于外侧的凸轮环和内侧的凸轮环使中间缸相对旋转时，在外侧凸轮环和中间缸之间由叶片划分而获得的多个叶片室的容积扩大、缩小，作为膨胀机或压缩机起作用，另外，在内侧凸轮环与中间缸之间由叶片划分获得的多个叶片室的容积扩大和缩小，作为膨胀机或压缩机起作用。
在该叶片式旋转流体机械中，可将外侧和内侧的旋转流体机械作为分别独立的膨胀机使用，或将外侧和内侧的旋转流体机械作为分别独立的压缩机使用，此外，还可通过使通过外侧和内侧的旋转流体机械中的一方的工作流体通过另一方，从而串联地连接外侧和内侧的旋转流体机械，作为2级膨胀机或2级压缩机作动。
可是，过去的叶片式旋转流体机械由于支承缸和叶片的转子由一个构件构成，所以，难以提高叶片槽的加工精度，叶片槽和叶片间的间隙变得不均匀，可能导致耐磨损性下降或密封性下降。另外，收容缸的转子的中心部成为高温，由于转子由一个构件构成，所以，中心部的热量易于传递到收容叶片的外周部，热变形不仅使上述问题加重，而且转子的中心部的热量易于散失到外部，存在热效率下降的问题。因此，由于转子由一个构件构成，所以，即使在其一部分存在问题的场合，也需要更换转子全体，在成本方面不利。
发明的公开
本发明就是鉴于上述情况而作出的，其目的在于对具有支承缸和叶片的转子的旋转流体机械实现转子的精度的提高、耐久性的提高、热效率的提高、及成本的降低。
为了达到上述目的，按照本发明的特征，旋转流体机械至少具有第1能量变换装置和第2能量变换装置，可将具有压力能的工作流体输入到第1、第2能量变换装置，将上述压力能变换成机械能，从而将第1、第2能量变换装置分别产生的机械能统一后输出，作为膨胀机起作用；而且，可将机械能输入到第1、第2能量变换装置，将上述机械能变换成压力能，从而将第1、第2能量变换装置分别发生的工作流体的压力能统一后输出，作为压缩机起作用；其特征在于：上述第1能量变换装置具有以放射状支承在可自由旋转地收容于转子室内的转子的缸和可自由滑动地支承于该缸的活塞；上述第2能量变换装置具有以放射状形成于转子的叶片槽和可自由滑动地支承于该叶片槽并且外周面滑动接触于转子室的内周面的叶片；上述转子由支承于旋转轴并收容缸的转子芯和沿圆周向被分割并围住转子芯的外周地被固定的转子扇形块构成；在相邻的转子扇形块之间形成可自由滑动地支承叶片的叶片槽。
按照上述构成，由支承于旋转轴并收容缸的转子芯和沿圆周向被分割并围住转子芯的外周地被固定的转子扇形块构成旋转流体机械的转子，所以，由最后组装的转子扇形块的尺寸调整可补偿其它所有转子扇形块的组装导致的累积误差，不需要进行特别精密的加工即可提高形成于相邻的转子扇形块之间的叶片槽的尺寸精度。
另外，由于位于径向内侧的转子芯和位于径向外侧的转子扇形块用分别独立的构件构成，所以，不仅可隔断从较高温度的转子芯向较低温度的转子扇块的热传导，抑制向转子外部的热散失，提高热效率，而且可缓和转子各部的热变形。
另外，由于可选择分别适合于转子芯和转子扇形块的功能的材质和加工方法，所以，设计自由度和加工方法的自由度增加，可减轻各部分的滑动面的摩擦，提高而久性和密封性。
另外，即使在转子一部分产生问题的场合，也不用更换或废弃转子整体，只需更换其一部分即可修补，所以，可降低成本。
附图说明
图1-图12示出本发明的一实施例，图1为内燃机的废热回收装置的示意图，图2为与图4的2-2线剖面图相当的膨胀机的纵断面图，图3为图2的旋转轴线周围的放大断面图，图4为图2的4-4线断面图，图5为图2的-5-5线断面图，图6为图4的局部放大图，图7为图3的7-7线放大图，图8为示出转子室和转子的断面形状的示意图，图9为转子的分解透视图，图10为转子扇形块的分解透视图，图11为叶片的分解透视图，图12为旋转阀的分解透视图。
具体实施方式
在图1中，内燃机1的废热回收装置2具有蒸发器3、膨胀机4、冷凝器5、及供给泵6；该蒸发器3以内燃机1的废热(例如废气)作为热源，使高压状态的液体(例如水)气化，产生高温高压状态的蒸汽；该膨胀机4由该蒸汽的膨胀产生输出；该冷凝器5在该膨胀机4中使压力能变换成机械能，将温度和压力下降了的蒸汽液化；该供给泵6对来自冷凝器5的液体(例如水)加压再次供给到蒸发器3。
首先，根据图2-图6说明膨胀机4的整体的构造。
膨胀机4的外壳11由金属制的第1、第2外壳半体12、13构成。第1、第2外壳半体12、13由协作构成转子室14的本体部12a、13a和分别一体连接到本体部12a、13a外周的圆形凸缘12b、13b构成，两圆形凸缘12b、13b通过金属密封垫片15接合。第1外壳半体12的外面由构成深钵形的中继室外壁16覆盖，一体地与其外周相连的圆形凸缘16a重合到第1外壳半体12的圆形凸缘12b的左侧面。第2外壳半体13的外面由收容将膨胀机4的输出传递到外部的电磁联轴节(图中未示出)的排气室外壁17覆盖，一体连接到其外周的圆形凸缘17a重合到第2外壳半体13的圆形凸缘13b的右侧面上。上述4个圆形凸缘12a、13a、16a、17a由沿圆周向配置的多个螺栓18…一起连接。在中继室外壁16和第1外壳半体12间划分中继室19，在排气室外壁17与第2外壳半体13间分隔排气室20。在排气室外壁17上设置将由膨胀机4做完功的降温降压蒸汽引导至冷凝器5的排出口17b。
两外壳半体12、13的本体部12a、13a具有朝外方凸出的空心轴承筒12c、13c，在这些空心轴承筒12c、13c上通过一对轴承构件22、23可旋转地支承具有空心部21a的旋转轴21。这样，旋转轴21的轴线L通过构成大体椭圆形的转子室14的长径与短径的交点。另外，旋转轴21右端的小直径部21b贯通第2外壳半体13的空心轴承筒13c延伸到排气室20的内部，在该处用花键连接电磁联轴节的转子轮毂24。旋转轴21右端的小直径部21b的外周与第2外壳半体13的空心轴承筒13c的内周之间由密封构件25密封，该密封构件25由螺旋接合于空心轴承筒13c内周的螺母26固定。
由图4和图8可知，在构成准椭圆状的转子室14的内部可自由旋转地收容呈圆形的转子27。转子27配合到旋转轴21的外周，由销28一体地接合，转子27的轴线和转子室14的轴线与旋转轴21的轴线L一致。在轴线L方向观看的转子室14的形状为与4个顶点倒圆的类似菱形的准椭圆状，具有长径DL和短径DS。在轴线L方向上观看的转子27的形状为正圆，具有比转子室14的短径DS稍小的直径DR。
在与轴线L正交的方向上观看到的转子室14和转子27的断面形状都呈田径比赛跑道状。即，转子室14的断面形状由隔开距离d地平行延伸的一对平坦面14a、14a、圆滑地连接这些平坦面14a、14a的外周的中心角180°的圆弧面14b构成，同样，转子27的断面形状由隔开距离d地平行延伸的一对平坦面27a、27a和圆滑地连接这些平坦面27a、27a的外周的中心角180°的圆弧面27b构成。因此，转子室14的平坦面14a、14a与转子27的平坦面27a、27a相互接触，在转子室14内周面与转子27外周面之间形成月牙形的一对空间(参照图4)。
下面，参照图3、图6、图9、及图10详细说明转子27的构造。
转子27由固定于旋转轴21外周的转子芯31和覆盖转子芯31周围地被固定并构成转子27外廓的12个转子扇形块32…构成。转子芯31具有圆板状的本体部31a和从本体部31a的中心部朝轴向两侧凸出的齿轮状的轮毂部31b、31b。在本体部31a以30°间隔以放射状安装由陶瓷(或碳)制成的12个缸33…，由盖34…和键35…防脱。在各缸33的内端凸设小直径部33a，小直径部33a的基端通过O形密封圈36密封与转子芯31的本体部31a之间。小直径部33a的前端配合于空心的旋转轴21的外周面，缸孔33b通过贯通小直径部33a和旋转轴21的12个第3蒸汽通道S3…连通到该旋转轴21的空心部2 1a。在各  33的内部可自由滑动地配合陶瓷制的活塞37。当活塞37最往径向内侧移动时，完全退没到缸孔 33b的内部，当最往径向外侧移动时，全长的约一半凸出到缸孔33b的外部。
各转子扇形块32接舍5个部件地构成。5个部件为具有空心部38a、38a的一对块构件38、38、由U字状的板体构成的一对侧板39、39、及由矩形板体构成的底板40，它们由钎焊一体化。
在各块构件38的外周面即与转子室14的一对平坦面14a、14a相对的面形成以轴线L为中心按圆弧状延伸的2个凹槽38b、38c，在该凹槽38b、38c的中央开设润滑水喷出  38d、38e。另外，在与块构件38的侧板39的接合面凹设第20水通道W20和第2 1水通道W21。
在底板40的中央配合具有12个节流孔的节流孔形成构件41，围住节流孔形成构件41地安装于底板40的0形密封圈42密封与转子芯3 1的本体部3 1a的外周面之间。在接合于块构件38的底板40的表面上凹设从节流孔形成构件41沿放射方向延伸的各2个第14-第19水通道W14-W19，这些第14-第19水通道W14-W19朝与侧板39的接合面延伸。
在各侧板39的与块构件38、38和底板40的接合面上凹设第22-第27水通道W22-W27。底板40外侧的第14水通道W14、第1 5水通道W1 5、第1 8水通道W18、及第1 9水通道W1 9连通到侧板39的第22水通道W22、第23水通道W23、第26水通道W26及第27水通道W27，底板40的内侧的第16水通道W16和第1 7水通道W17通过块构件38的第20水通道W20和第2 1水通道W21连通到侧板39的第24水通道W24和第25水通道W25。侧板39的第22水通道W22、第25水通道W25、第26水通道W26、及第27水通道W27的外端在侧板39的外面上作为4个润滑水喷出孔 39a…开口。另外，侧板39的第23水通道W23和第24水通道W24的外端通过形成于块板件38、38内部的第28水通道W28和第29水通道W29分别连通到凹槽38b、38c内的润滑水喷出  38d、38e。为了避免与朝朝径向外侧移动的活塞37的干涉，在侧板39的外面形成具有部分圆弧状断面的切口39b。不是在侧板39而是在块构件38上形成第20水通道W20和第21水通道W21的原因在于，上述切口39b使侧板39成为薄壁，不能确保形成第20水通道W20和第21水通道W21的壁厚。
如图2、图5、图9、及图11所示那样，在转子27的相邻的转子扇形块32…间形成沿放射方向延伸的12个叶片槽43…，在这些叶片槽43…中分别可自由滑动地配合板状的叶片44…。各叶片44具有沿转子室14的平行面14a、14a的平行面44a、44a、沿转子室14的圆弧面14b的圆弧面44b、及位于两平行面44a、44a之间的切44c，大体形成为U字状，在从两平行面44a、44a凸出的一对支轴44d、44d上可自由旋转地支承滚柱轴承构造的滚轮45、45。
在叶片44的圆弧面44b上保持形成为U字状的合成树脂制的密封构件46，该密封构件46的前端从叶片44的圆弧面44b稍凸出，滑动接触于转子室14的圆弧面14b。在叶片44的平行部44a、44a上固定合成树脂制的滑动构件47、47，这些滑动构件47、47滑动接触于转子室14的平行面14a、14a。另外，在叶片44的切44c的两侧固定合成树脂制的滑动构件48、48，这些滑动构件48、48滑动接触于转子芯31的本体部31a。在叶片44的两侧面上各形成2个凹槽44e、44e，这些凹槽44e、44e与在转子扇形块32的各侧板39、39的外面上开口的4个润滑水喷出孔39a…的径向内侧的2个相对。在叶片44的切口44c的中央朝径向内方凸设的凸起44f接触于活塞37的径向外端。在叶片44的内部形成朝径向延伸的水排出通道44g，该径向内端在上述凸起44f的前端开口，其径向外端在叶片44的一方的侧面开口。当叶片44最往径向外侧凸出时，水排出通道44g在叶片44的一方侧面开口的位置比转子27的圆弧面27b更临径向外侧。
在由第1、第2外壳半体12、13分隔成的转子室14的平坦面14a、14a上凹设使4个顶点变圆的类似于菱形的准椭圆状的环状槽49、49，在两环状槽49、49可自由滚动地接合各叶片44的一对滚轮45、45。这些环状槽49、49中和转子室14的圆弧面14b间的距离沿全周为一定。因此，当转子27旋转时，将滚轮45、45被环状槽49、49导引的叶片44在叶片槽43内沿径向往复运动，安装于叶片44的圆弧面44b的密封构件46在压缩一定量的状态下沿转子室14的圆弧面14b滑动。这样，防止转子室14和叶片44…直接固体接触，可在防止滑动阻力的增加和磨损发生的同时可靠地密封划分于相邻的叶片44…之间的叶片室50…。
在转子室14的平坦面14a、14a围住上述环状槽49、49的外侧地形成一对圆形密封槽51、51。在各圆形密封槽51中可自由滑动地配合具有2个O形密封圈52、53的一对环状密封件54，其密封面与形成于各转子扇形块32的凹槽38b、38c相对。一对环状密封件54、54分别由定位销55、55相对第1、第2外壳半体12、13防转。
转子27的组装如以下那样进行。在图9中，在预先安装了缸33…、盖34…、及键35…的转子芯31的外周配合12个转子扇形块32…，将叶片44…配合到形成于相邻的转子扇形块32…间的12个叶片槽43…中。此时，为了在叶片44…和转子扇形块32…的侧板39…间形成规定的间隙，在叶片44…的两面间介入设置规定厚度的垫片。在该状态下，使用夹具朝向转子芯31往径向内方紧固转子扇形块32…和叶片44…，相对转子芯31精密地对转子扇形块32…进行定位后，由临时定位螺栓58…(参照图2)将各转子扇形块32…临时固定于转子芯31上。接着，从夹具拆下转子27，对各转子扇形块32一起加工贯通转子芯31的销孔56、56，将定位销57、57压入到这些销孔56、56，将转子扇形块32…接合到转子芯31。
如图3、图7、及图12所示，支承旋转轴21的外周面的一对轴承构件22、23具有朝转子27侧扩径地形成锥形的内周面，其轴向外端部凹凸接合于第1、第2外壳半体12、13的空心轴承筒12c、13c防转。为了可相对于旋转轴21安装转子27，支承于左侧的空心轴承筒12c的旋转轴21的左端外周部由另外的构件21c构成。
在中继室外壁16的中心形成开口16b，配置于轴线L上的阀壳61的轮毂部61a在上述开口16b的内面上由多个螺栓62…固定，而且由螺母63固定于第1外壳半体12。在旋转轴21的空心部21a中可相对自由旋转地配合圆筒状的第1固定轴64，在该第1固定轴64的右端内周同轴地配合第2固定轴65。从第1固定轴64凸出的第2固定轴65的右端外周部与旋转轴21的空心部21a之间由O形密封圈66密封。延伸到第1固定轴64的内部的阀壳61具有凸缘61b，在该凸缘61b的右侧依次配合O形密封圈67、第1固定轴64的厚壁部64a、O形密封圈68、垫圈69、螺母70、及上述第2固定轴65。相对于阀壳61由螺纹接合螺母70和第2固定轴65，因此，第1固定轴64的厚壁部64a在阀壳61的凸缘61b与垫圈69之间通过一对O形密封圈66、67定位。
在第1外壳半体12的空心轴承筒12c的内周上通过O形密封圈71支承的第1固定轴64的左端由环状的十字头联轴节72连接到阀壳61的轮毂部61a，由该十字头联轴节72容许第1固定轴64的径向摆动，从而可容许通过旋转轴21支承于第1固定轴64外周的转子27的摆动。另外，由螺栓74、74将松动嵌合在第1固定轴64的左端的止转构件73的臂部73a、73a固定于第1外壳半体12，从而可相对外壳11防止第1固定轴64旋转。
在配置于轴线L上的阀壳61的内部嵌合蒸汽供给管75，由螺母76固定于阀壳61，该蒸汽供给管75右端连接到压入阀壳61内部的喷嘴构件77。跨在阀壳61和喷嘴构件77的前端部地以180°的相位差形成一对凹部81、81(参照图7)，在该处配合保持环状的连接构件78、78。在喷嘴构件77的中心沿轴向形成连接到蒸汽供给管75的第1蒸汽通道S1，另外，在第1固定轴64的厚壁部64a上以180°的相位差沿径向贯通一对第2蒸汽通道S2、S2。第1蒸汽通道S1的末端部和第2蒸汽通道S2、S2的径向内端部通过上述连接构件78、78经常连通。如上述那样，12根第3蒸气通路S3…贯通在固定于旋转轴21上的转子27上以30°间隔保持的12个缸33…的小直径部33a和旋转轴21，这些第3蒸汽通道S3…的径向内端部与上述第2蒸汽通道S2、S2的径向外端部连通地与其相对。
在第1固定轴64的厚壁部64a的外周面以180°的相位差形成一对切口64b、64b，这些切口64b、64b可连通到上述第3蒸汽通道S3…。切口64b、64b和中继室19通过倾斜形成于第1固定轴64的一对第4蒸汽通道S4、S4、沿轴向形成于第1固定轴64的第5蒸汽通道S5、形成于阀壳61的轮毂部61a的第6蒸汽通道S6、及开设于阀壳61的轮毂部61a外周的通孔61c…相互连通。
如图5所示，在第1外壳半体12上以转子室14的短径方向为基准在转子27的旋转方向前方侧15°的位置形成沿放射方向排列的多个进气孔79…。由该进气孔79…将转子室14的内部空间连通到中继室19。另外，在第2外壳半体13上以转子室14的短径方向为基准在转子27的旋转方向的后方侧15°-75°的位置形成沿放射方向排列多列的多个排气孔80…。由该排气孔80…将转子室14的内部空间连通到排气室20。
第2蒸汽通道S2、S2和第3蒸汽通道S3…及第1固定轴64的切口64b、64b和第3蒸汽通道S3…构成由第1固定轴64和旋转轴21的相对旋转周期性地连通的旋转阀V。
如图2和图3所示那样，在配合于第1、第2外壳半体12、13的圆形密封槽51、51中的环封54、54的背面形成压力室86、86，形成于第1、第2外壳半体12、13的第1水通道W1通过由管构成的第2水通道W2和第3水通道W3连通到两压力室86、86。在第2外壳半体13的空心轴承筒13c的径向外侧形成由具有2个O形密封圈87、88的盖89开闭的过滤器室13d，在其内部收容环状的过滤器90。第2外壳半体13的第1水通道W1通过由阀构成的第4水通道W4连通到过滤器90的外周面，过滤器90的内周面通过形成于第2外壳半体13的第5水通道W5连通到形成于第2外壳半体13和旋转轴21间的环状的第6水通道W6。第6水通道W6通过在旋转轴21的内部沿轴向延伸的12个第7水通道W7…、形成于旋转轴21外周的环状槽21d和在转子芯31的内部沿径向延伸的12个第8水通道W8…分别连通到12个节流孔形成构件41…。
另外，形成于旋转轴21外周的环状槽21d通过沿轴向延伸的12个第9水通道W9…(参照图7)连通到形成于旋转轴21外周的环状槽21e，环状槽21e通过在旋转轴21内部沿轴向延伸的12个第10水通道W10…连通到形成于环状槽21e左端和第1外壳半体12之间的环状的第11水通道W11。环状的第6水通道W6和第11水通道W11通过螺旋接合于轴承构件22、23的节流孔形成螺栓91…的外周的节流孔，并经过形成于轴承构件22、23内的第12水通道W12…连通到轴承构件22、23内周和旋转轴21外周间的滑动面。轴承构件22、23的内周和旋转轴21的外周间的滑动面经过排泄用的第13水通道W13…连通到叶片槽43…。
环状的第6水通道W6经过沿轴向穿设于旋转轴21的2个第30水通道W30、30连通到旋转轴21的空心部21a内周面与第1固定轴64的右端外周面的滑动部。形成于第1固定轴64的厚壁部64a右侧的密封槽64c通过倾斜穿设于第1固定轴64的内部的第31水通道W31、31连通到第5蒸汽通道S5。环状的第11水通道W11连通到旋转轴21的空心部21a内周面与第1固定轴64左端外周面的滑动部，形成于第1固定轴64的厚壁部64a左侧的密封槽64d通过沿径向贯通第1固定轴64的第32水通道W32、32和上述第31水通道W31、31连通到第5蒸汽通道S5。
下面，说明具有上述构成的本实施例的作用。
首先，说明膨胀机4的作动。在图3中，来自蒸发器3的高温高压蒸汽供给到蒸汽供给管75、沿轴向形成于喷嘴构件77的第1蒸汽通道S1、沿径向贯通喷嘴构件77、连接构件78、78及第1固定轴64的厚壁部64a的一对第2蒸汽通道S2、S2。在图6和图7中，当与转子27一体旋转的旋转轴21到达规定相位时，处于转子室14的短径位置的按箭头R所示转子27旋转方向前方侧的一对第3蒸汽通道S3、S3连通到一对第2蒸汽通道S2、S2，第2蒸汽通道S2、S2的高温高压蒸汽经过上述第3蒸汽通道S3、S3供给到一对缸33、33的内部，朝径向外侧推压活塞37、37。当由这些活塞37、37推压的叶片44、44朝径向外侧移动时，由设于叶片44、44上的一对滚轮45、45与环状槽49、49的接合将活塞37、37的前进运动换为转子27的旋转运动。
随着转子27的箭头R方向的旋转，在第2蒸汽通道S2、S2与第3蒸汽通道S3、S3的连通被隔断后，缸33、33内的高温高压蒸汽通过进一步持续膨胀，从而使活塞37、37进一步前进，由此使转子27的旋转持续进行。当叶片44、44到达转子室14的长径位置时，与对应的缸33、33相连的第3蒸汽通道S3、S3连通到第1固定轴64的切口64b、64b，由将滚轮45、45被环状槽49、49导引的叶片44、44推压的活塞37、37朝径向内侧移动，从而使缸33、33内的蒸汽通过第3蒸汽通道S3、S3、切口64b、64b、第4蒸汽通道S4、S4、第5蒸汽通道S5、第6蒸汽通道S6及通孔61c…成为第1降温降压蒸汽，供给到中继室19。第1降温降压蒸汽为从蒸汽供给管75供给的高温高压蒸汽结束驱动活塞37、37的工作后温度和压力下降了的蒸汽。第1降温降压蒸汽具有的热能和压力能比高温高压蒸汽低，但仍然具有足以驱动叶片44…的热能和压力能。
中继室19内的第1降温降压蒸汽从第1外壳半体12的进气孔79…供给到转子室14内的叶片室50即由转子室14、转子27及相邻的一对叶片44、44划分的空间，在此外通过进一步膨胀，使转子27旋转。然后，做完功后温度和压力进一步下降后的第2降温降压蒸汽从第2外壳半体13的排气孔80…排出到排气室20，从该处经过排出口17b供给到冷凝器5。
这样，由高温高压蒸汽的膨胀使12个活塞37…依次作动，通过滚轮45、45和环状槽49、49使转子27旋转，另外，由高温高压蒸汽降温降压后的第1降温降压蒸汽的膨胀通过叶片44…使转子27旋转，从而从旋转轴21获得输出。
下面，说明上述膨胀机4的各滑动部的水产生的润滑。
润滑用的水的供给利用将来自冷凝器5的水加压供给到蒸发器3的供给泵6(参照图1)进行，供给泵6排出的水的一部分作为润滑用供给到外壳11的第1水通道W1。这样，通过将供给泵6用于向膨胀机4的各部的静压轴承供给水，从而不需要特别的泵，可减少部件数量。
供给到第1水通道W1的水经过由管构成的第2水通道W2和第3水通道W3供给到第1外壳半体12和第2外壳半体13的圆形密封槽51、51的底部的压力室86、86，朝转子27的侧面对环封54、54施加压力。另外，从第1水通道W1供给到由管构成的第4水通道W4的水由过滤器90过滤杂质后，供给到形成于第2外壳半体13的第5水通道W5、形成于第2外壳半体13和旋转轴21之间的第6水通道W6、形成于旋转轴21内的第7水通道W7…、形成于旋转轴21的环状槽21d及转子芯31上的第8水通道W8…，为此在转子27的旋转产生的离心力的作用下进一步加压，供给到转子扇形块32…的节流孔形成构件41…。
在各转子扇形块32中，通过节流孔形成构件41流出到底板40的第14水通道W14的水通过侧板39的第22水通道W22从润滑水喷出孔39a…喷出，通过节流孔形成构件41流出到底板40的第17水通道W17的水通过块构件38的第21水通道W21和侧板39的第25水通道W25从润滑水喷出孔39a…喷出，通过节流孔形成构件41流出到底板40的第18水通道W18的水通过侧板39的第26水通道W26从润滑水喷出孔39a…喷出，经过节流孔形成构件41流出到底板40的第19水通道W19的水通过侧板39的第27水通道W27从润滑水喷出孔39a…喷出。在侧板39的表面开口的上述4个润滑水喷出孔39a…中的下侧2个连通到叶片44的凹槽44e、44e内。
通过节流孔形成构件41流出到底板40的第15水通道W15的水通过侧板39的第23水通道W23和块构件38的第29水通道W29从凹槽38c内的润滑水喷出口38e喷出，通过节流孔形成构件41流出到底板40的第16水通道W16的水通过块构件38的第20水通道W20、侧板39的第24水通道W24及块构件38的第28水通道W28从凹槽38b内的润滑水喷出口38d喷出。
然而，从各转子扇形块32的侧板39的润滑水喷出孔39a…喷出到叶片槽43内的水在与可自由滑动地嵌合到叶片槽43中的叶片44之间构成静压轴承，以浮动状态支承该叶片44，防止转子扇形块32的侧板39与叶片44的固体接触，防止发热胶着和磨损的发生。这样，通过将对叶片44的滑动面进行润滑的水通过以放射状设置在转子27的内部的第8水通道W8供给，不仅可由离心力对水进行加压，而且可使转子27周边的温度稳定，受热膨胀的影响少，可维持设定的间隙，将蒸汽的泄漏抑制到最小限度。
可是，加到各叶片44的圆周方向的负荷(相对板状的叶片44垂直方向的负荷)为加到转子室14内的叶片44的前后面的蒸汽压的差压导致的负荷和设于叶片44的滚轮45、45从环状槽49、49接受的反作用力在上述圆周方向的成分的合力，但这些负荷相应于转子27的相位周期性地变化。因此，接受了该偏负荷的叶片44周期性地示出在叶片槽43内倾斜的那样的举动。
这样，当上述偏负荷使叶片44倾斜时，在两侧的转子扇形块32的侧板39、39上开口的各4个润滑水喷出孔39a…与叶片44的间隙变化，所以，间隙扩大的部分的水膜流失，而且在间隙变窄的部分不易供水，所以，可能在滑动部不建立压力，叶片44直接接触于侧板39、39的滑动面而产生磨损。然而，按照本实施例，由设于转子扇形块32的节流孔形成构件41通过节流孔将水供给润滑水喷出孔39a…，所以，可消除上述问题。
即，在润滑水喷出孔39a…与叶片44的间隙扩大的场合，水的供给压力一定，所以，在稳定状态下相对产生于节流孔前后的一定的差压，由从上述间隙的流出量的增大使水的流量增大，从而由节流孔效果增大节流孔前后的差压，减少上述间隙的压力，结果，缩小扩大了的间隙，产生恢复到原来状态的力。另外，当润滑水喷出孔39a…与叶片44的间隙缩小时，从上述间隙的流出量减少，节流孔的前后的差压减少，结果，上述间隙的压力增大，将缩小了的间隙扩大，产生恢复到原来状态的力。
这样，即使由加到叶片44的负荷使润滑水喷出孔39a…与叶片44的间隙变化，由于相应于其间隙的大小的变化由节流孔自动地调整供给到该间隙的水的压力，所以，可将叶片44和两侧的转子扇形块32的侧板39、39间的间隙稳定地维持到所期望的大小。这样，时常将水膜保持于叶片44与侧板39、39间，在浮动状态下支承叶片44，确实地避免叶片44以固体形式接触于侧板39、39的滑动面而发生磨损。
另外，将水保持在分别各2个地形成于叶片44的两面的凹槽44e、44e，为此，该凹槽44e、44e成为压力存留部，抑制水的泄漏导致的压力下降。结果，夹于一对侧板39、39的滑动面的叶片44因水而成为浮动状态，可将滑动阻力降低到接近全无的状态。另外，当叶片44往复运动时，叶片44相对转子27的在径向的相对位置变化，但上述凹槽44e、44e不设置在侧板39、39侧，而是设置于叶片44侧，而且，设置到负荷最作用于叶片44的滚轮45、45的近旁，所以，经常将往复运动的叶片44保持为浮动状态，有效地降低滑动阻力。
润滑叶片44相对于侧板39、39的滑动面的水由离心力的作用朝径向外侧移动，对设于叶片44的圆弧面44b上的密封构件46与转子室14的圆弧面14b的滑动部进行润滑。然后，完成润滑后的水从转子室14通过排气孔80…排出。
如上述那样，将水供给到第1外壳半体12和第2外壳半体13的圆形密封槽51、51底部的压力室86、86，朝转子27的侧面对环封54、54施加压力，而且，从形成于各转子扇形块32的凹槽38b、38c的内部的润滑水喷出  38d、38e将水喷出，在转子室14的平坦面14a、14a的滑动面上构成静压轴承，从而可由在圆形密封槽51、51的内部处于浮动状态的环状密封件54、54密封转子27的平坦面27a、27a，结果可防止转子室14内的蒸汽通过与转子27的间隙泄漏。此时，环状密封件54、54与转子27由从润滑水喷出口38d、38e供给的水膜隔绝，不进行固体接触，另外，即使转子27倾斜，通过使圆形密封槽51、51内的环状密封件54、54随之倾斜，可在将摩擦力抑制到最小限度的同时确保稳定的密封性能。
对环状密封件54、54与转子27的滑动部进行润滑的水由离心力供给到转子室14，从该处经过排气孔80…排出到外壳11的外部。
另一方面，从第6水通道W6供给的水经过形成于轴承构件23的节流孔形成螺栓91…外周的节流孔和第12水通道W12…在轴承构件23内周和旋转轴21外周的滑动面上形成水膜，由其水膜以浮动状态支承旋转轴21的右半部的外周，从而防止旋转轴21与轴承构件23的固体接触，不发生发热胶着和磨损地进行润滑。从第6水通道W6供给到旋转轴21的第7水通道W7…、第9水通道W9…、第10水通道W10…及第11水通道W11的水经过形成于轴承构件22的节流孔形成螺栓91…的外周的节流孔和第12水通道W12…，在轴承构件22内周和旋转轴21外周的滑动面形成水膜，由该水膜以浮动状态支承旋转轴21的左半部的外周，从而防止旋转轴21与轴承构件22的固定接触，不发生发热胶着和磨损地进行润滑。对两轴承构件22、23的滑动面进行润滑的水经过形成于其内部的第13水通道W13…排出到叶片槽43…。
积存于叶片槽43…的水流入到连接叶片44…底部与叶片44…一侧部的水排出通道44g…，但该水排出通道44g…的叶片44…在最从转子27凸出的规定角度范围对转子室14开口，所以，由叶片槽43…与转子室14的压力差将叶片槽43…内的水经过水排出通道44g…排出到转子室14。
另外，从第6水通道W6经过形成于旋转轴21的第30水通道W30…供给的水润滑第1固定轴64外周和旋转轴21内周的滑动面的右半部，从第1固定轴64的密封槽64c经过第31水通道W31、W31排出到第5蒸汽通道S5。另外，来自上述第11水通道W11的水润滑第1固定轴64外周和旋转轴21内周的滑动面的左半部，从第1固定轴64的密封槽64d经过第31水通道W31排出到第5蒸汽通道S5。
如以上那样，由于将膨胀机4的转子27分割成转子芯31和多个转子扇形块32…地构成，所以，可容易地提高转子27的叶片槽43…的尺寸精度。即，虽然极难在单体的转子27中以良好精度加工叶片槽43…的槽宽、改善滑动面的面粗糙度，但通过将预先制作的多个转子扇形块32…组装到转子芯31，可解决上述问题。而且，即使由多个转子扇形块32…的安装累积误差，通过调整最后1个转子扇形块32的尺寸，吸收上述误差的累积，可整体上获得高精度的转子27。
另外，由于用分别独立的构件构成供给高温高压蒸汽的内侧的转子芯31和较低温度的外侧的转子扇形块32…，所以，不仅可抑制从高温的转子芯31向转子扇形块32…的热传导，防止热向转子27外部的散失，提高热效率，而且可缓和转子27的热变形，提高精度。而且，由于可选择与转子芯31及转子扇形块32…的各功能对应的材质和加工方法，所以，设计自由度和加工方法的自由度增加，转子扇形块32…和叶片44…的滑动面的磨损减轻，可提高耐久性和密封性。另外，即使在转子27的一部分产生问题时，由于通过更换其一部分即可修补，所以，与更换或废弃转子27全体的场合相比，可降低成本。
除了以上说明的实施例以外，作为将活塞37…的前进运动变换成转子27的旋转运动的构成，也可不通过叶片44…地直接由滚轮45…承受活塞37…的前进运动，由与环状槽49、49的接合变换成旋转运动。另外，叶片44…也由滚轮45…与环状槽49、49的协作如上述那样从转子室14的内周面按大体一定间隔经常离开即可，活塞37…和滚轮45…及叶片44…和滚轮45…也可分别独立地与环状槽49、49协作。
在将上述膨胀机4用作压缩机的场合，由旋转轴21使转子27朝图4的与箭头R相反的方向旋转，由叶片44…将作为流体的外气从排气孔80…吸入到转子室14而进行压缩，从进气孔79…将这样获得的低压缩空气经过中继室19、通孔61c…第6蒸汽通道S6、第5蒸汽通道S5、S5、第4蒸汽通道S4、S4、第1固定轴64的切口64b、64b、及第3蒸汽通道S3…吸入到缸33…内，在此处由活塞37…压缩形成为高压缩空气。这样获得的高压缩空气从缸33…经过第3蒸汽通道S3…、第2蒸汽通道S2、S2、第1蒸汽通道S1及蒸汽供给管75排出。在将膨胀机4用作压缩机的场合，上述蒸汽通道S1-S5和蒸汽供给管75分别改写成空气通道S1～S5和空气供给管75。
在以上说明的膨胀机4中，在共用的转子27上设置由缸33…和活塞37…构成的第1能量变换装置和由叶片44…构成的第2能量变换装置，由串联地连接的第1、第2能量变换装置的协作将高温高压蒸汽的能量作为机械能取出到旋转轴21。因此，第1能量变换装置输出的机械能和第2能量变换装置输出的机械能通过转子27自动统一，不需要具有齿轮等动力传递装置的特别的能量统一装置。
第1能量变换装置由工作流体的密封容易、不易发生泄漏的缸33…和活塞37…的组合构成，所以，可提高高温高压蒸汽的密封性，将泄漏导致的效率下降抑制到最小极限。另一方面，第2能量变换装置由可在放射方向上自由移动地支承于转子27的叶片44…构成，加到叶片44…的蒸汽压直接变换成转子27的旋转运动，不需要将往复运动变换成旋转运动的特别的变换机构，构造得到简化。而且，由于围着第1能量变换装置的外周地配置可有效地将低压、大流量的蒸汽变换成机械能的第2能量变换装置，所以，可将膨胀机4整体的尺寸紧凑化。
在由缸33…和活塞37…构成的第1能量变换装置将高温高压蒸汽作为工作流体的场合，压力能和机械能之间的变换效率高，另外，由叶片44…构成的第2能量变换装置具有在将较低温低压的蒸汽作为工作流体的场合压力能和机械能间的变换效率也较高的特性。因此，串联地连接第1、第2能量变换装置，先使高温高压蒸汽通过第1能量变换装置变换成机械能，并使由此降低了压力下降了的第1降温降压蒸汽通过第2能量变换装置，再次变换成机械能，不会余下包含于当初的高温高压蒸汽的能量地有效地变换成机械能。
即使在将本实施例的膨胀机4用作压缩机的场合，由在较低温低压的工作流体的场合也有效地作动的第2能量变换装置对由来自外部的机械能使转子27旋转而吸入到转子室14的空气进行压缩使其升温，由在相对高温高压的工作流体作用下有效地工作的第1能量变换装置进一步对该压缩·升温了的空气进行压缩使其升温，从而高效率地将机械能变换成压缩空气的压力能(热能)。通过组合由缸33…和活塞37…构成的第1能量变换装置和由叶片44…构成的第2能量变换装置可获得兼有两者的优点的高性能的旋转流体机械。
另外，转子27的轴线L(即旋转轴21的轴线L)与转子室14的中心一致，而且当在图4和图5中使转子27朝上下左右分别按90°分割时，在相对旋转轴线L呈点对称的右上的的1/4部和左下的1/4部进行从压力能到机械能的变换，所以，可防止在转子27作用偏负荷，抑制振动的发生。即，将工作流体的压力能变换成机械能的部分或将机械能变换成工作流体的压力能的部分配置于以转子27的轴线L为中心错开180°的2个部位，所以，作用到转子27的负荷成为力偶，可进行平稳的旋转，而且可使进气时刻和排气时刻的高效化。
然而，在本实施例中，兰肯循环由利用内燃机1的废气的热能对水进行加热从而产生高温高压蒸汽的蒸发器3、将从蒸发器3供给的高温高压蒸汽变换成一定转矩的轴输出的膨胀机4、将膨胀机4排出的降温降压蒸汽液化的冷凝器5、及将由冷凝器5液化的水供给到蒸发器3的供给泵6构成；在该兰肯循环中，该膨胀机4为容积型。该容积型的膨胀机4与涡轮机那样的非容积型的膨胀机相比，可在从低速到高速的宽转速范围以高效率进行能量回收，而且相对由内燃机1的转速增减产生的废气的热能变化(废气的温度变化和流量变化)的跟随性和响应性也优良。而且，由于将膨胀机4形成为串联地连接由缸33…和活塞37…构成的第1能量变换装置和由叶片44…构成的第2能量变换装置并配置到径向内外的双重膨胀型，所以，可使膨胀机4小型轻量化，提高空间效率，同时，可进一步提高兰肯循环的热能回收效率。
以上详细说明了本发明的实施，但本发明在不脱离其要旨的范围可进行种种设计变更。
例如，在实施例的膨胀机4中，首先，在将高温高压蒸汽供给到作为第1能量变换装置的缸33…和活塞37…后，将降温降压后的第1降温降压蒸汽供给到作为第2能量变换装置的叶片44…，但也可通过例如形成使排出来自图3所示第1能量变换装置的第1降温降压蒸汽的第6蒸汽通道S6与中继室19连通或非连通、并可通过中继室外壁16独立于第2能量变换装置地将蒸汽分别供给中继室19的装置，从而分别将温度和压力不同的蒸汽分别供给到第1、第2能量变换装置。另外，也可分别供给第1、第2能量变换装置的各温度和压力不同的蒸汽，同时，通过第1能量变换装置将降温降压后的蒸汽进一步供给第2能量变换装置。
产业上利用的可能性
本发明的旋转流体机械适合用作兰肯循环装置的膨胀机，但也可用作其它任意用途的膨胀机和其它任意用途的压缩机。

Claims (1)

1.一种旋转流体机械，至少具有第1能量变换装置和第2能量变换装置，可通过将具有压力能的工作流体输入到第1、第2能量变换装置，将上述压力能变换成机械能，从而将第1、第2能量变换装置分别产生的机械能统一后输出，作为膨胀机(4)用；而且，可通过将机械能输入到第1、第2能量变换装置，将上述机械能变换成压力能，从而将第1、第2能量变换装置分别发生的工作流体的压力能统一后输出，作为压缩机用；其特征在于：上述第1能量变换装置具有以放射状支承在可自由旋转地收容于转子室(14)内的转子(27)上的缸(33)和可自由滑动地支承于该缸(33)的活塞(37)；上述第2能量变换装置具有以放射状形成于转子(27)上的叶片槽(43)和可自由滑动地支承于该叶片槽(43)中并且外周面滑动接触于转子室(14)的内周面的叶片(44)；上述转子(27)由支承于旋转轴(21)并收容缸(33)的转子芯(31)和沿圆周方向被分割并围着转子芯(31)的外周地被固定的转子扇形块(32)构成；在相邻的转子扇形块(32)之间形成可自由滑动地支承叶片(44)的叶片槽(43)。
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