CN1829853A - 旋转压缩机和膨胀机以及使用了它们的转子发动机 - Google Patents

Abstract

一种与可压缩流体一起工作的旋转装置，包括安装成可围绕第一轴线旋转的第一旋转件，以及具有封闭了第一旋转件的至少一部分的表面的外壳。在第一旋转件的表面和外壳表面之间限定了具有变化截面积的细长空腔。该旋转装置还包括多个安装成可围绕相应的第二轴线旋转的第二旋转件。各第二旋转件安装成穿过外壳表面而伸出，并与第一旋转件表面配合而将空腔分成相邻的工作部分。至少一个工作部分限定了用于装置的一部分循环的封闭体积。该工作部分的体积随着第一和第二旋转件旋转而变化。各第二旋转件均包括多个突出部分，其具有围绕相应的第二轴线为变化的半径，使得各突出部分以变化的量穿过外壳伸入到空腔中，以便与第一旋转件表面配合。

Description

旋转压缩机和膨胀机以及使用了它们的转子发动机

本发明涉及用于弹性流体的压缩或膨胀的装置。本发明更具体但非排他地涉及用于气体的压缩或膨胀的旋转装置，以及包括有该装置的转子发动机。

在很多种装置中都会发生气体的压缩或膨胀。众所周知的例子包括泵、压缩机、鼓风机、排气机以及转子发动机和水力发动机，所有这些均包括用来压缩或膨胀气体的某些形式的装置。本发明涵括所有这些装置。

如上所述，压缩机是众所周知的装置。一种类型的压缩机是往复式压缩机。往复式压缩机具有能够在高压下工作的优点。然而，往复式压缩机具有很多个运动部件，因此是比较复杂的装置。另一种类型的压缩机即罗茨压缩机具有旋转式而非往复式运动，其所得到的简单性意味着它具有较少的运动部件并且是可靠的。然而，这类压缩机具有其缺点。一项这种缺点在于，它依靠“背压”来增大所泵送气体的压力。这意味着在低压输入气体接触到压缩机内的高压气体并与之混合之前不会对低压输入气体进行压缩。这一不可逆的过程缺乏效率，并且会导致较高的驱动功率要求和增大的空气出口温度。

另一种类型的旋转压缩机即利肖姆压缩机采用内部压缩来克服由“背压”所引起的问题。通常来说，这些压缩机的效率高得多。然而，它们的性能在很大程度上取决于在运动零件之间保持非常小的间隙，因此带来了显著的制造问题。零件之间的不良密封导致了气体的反向泄漏，限制了使用单个压缩机所能得到的压力。

上述类型的压缩机用于内燃机中。特别是，罗茨式、单螺杆式或利肖姆式旋转压缩机与相应的膨胀机装置一起用于转子发动机中，该膨胀机装置允许在热高压气体的膨胀期间抽取功。与旋转压缩机相似，转子发动机具有更少一些的运动部件，因此比其往复式的等同物更加可靠。其生产和维修成本也较低。通常来说，与往复式发动机相比，转子发动机的噪音更小，可以实现每秒更多的燃烧循环，因此导致了更优越的动力重量比。

大多数旋转式内燃机的理想循环是奥托循环。奥托循环的一项缺点在于，可从热高压气体中抽取的功的量受到了限制，这是因为发动机的膨胀比无法超过其压缩比。如果可以进一步膨胀到环境压力下，那么奥托循环的等熵膨胀步骤结束时的气体可以做更多的功。在称为Atkinson-Miller循环的理想循环中可以克服这一缺点。Atkinson-Miller循环允许到环境压力的等熵膨胀，因此允许不同的压缩比和膨胀比。已经提出了许多种采用Atkinson-Miller循环的内燃机。然而，这些发动机设计通常具有许多运动部件，或者使用了难加工的部件。有利的转子发动机设计能够实现高压缩比，使得它们可用于压燃式发动机如柴油发动机。转子发动机的动力输出应当是平稳且连续的，只有很少的波动。噪音和机械磨损应当降至最小。

已经知道有多种单螺杆式转子发动机，其中压缩和膨胀在形成于可旋转块体的表面中的螺旋形通道内进行。螺旋通道、围绕着密封了螺旋通道的可旋转块体的表面以及具有可与螺旋通道相啮合的齿或叶片的轮件形成了单独的工作腔。例如，GB653185公开了一种转子发动机，其中通常提供具有变化深度的螺旋通道来实现压缩和膨胀，并且轮件的齿或叶片的变化部分限定了工作腔。在GB653185所公开的发动机中，齿尖或叶尖保持在通道内，并且齿或叶片总是与工作腔中的气体接触。另外，轮件的齿或叶片的形状不会对发动机的压缩比或膨胀比带来显著影响，压缩和膨胀可在发动机的不同部分中进行。

US3862623和US3897756公开了一种转子发动机，其中在每次循环期间可旋转块体仅围绕其轴线旋转一转的一部分，并且压缩和膨胀在旋转轮的齿或叶片上进行。在这些发动机中，通道的深度并不改变，因此必须有两个不同的工作腔分别用于压缩和膨胀。

US4003348、US4005682和US4013046公开了具有不同的压缩比和膨胀比的转子发动机。然而为了控制燃料和空气流，它们具有复杂形状的通道，其存在明显的制造问题。US4013046公开了一种转子发动机，其中在每次循环期间打开和关闭气门，以便控制气体的流动。

US2674982、US3208437、US3060910、US3221717和US3205874公开了一些转子发动机，其中通过互相啮合的带有齿或叶片的轮件而限定了工作腔。然而在这些发动机中，工作腔首先由一个轮件限定，然后由另一轮件限定，因此需要密封超过一个旋转部件。

根据本发明的一个方面，提供了可与可压缩流体一起使用的旋转装置，该装置包括安装成可围绕第一轴线旋转的第一旋转件，以及具有封闭了第一旋转件的至少一部分的表面的外壳，在第一旋转件的表面和该外壳表面之间限定了具有变化截面积的细长空腔，该旋转装置还包括多个安装成可围绕相应的第二轴线旋转的第二旋转件，各第二旋转件安装成穿过外壳表面而伸出，并与第一旋转件的表面配合而将空腔分成相邻的工作部分，至少一个工作部分限定了用于装置的一部分循环的封闭体积，工作部分的体积随着第一和第二旋转件旋转而变化，其中，各第二旋转件均包括多个突出部分，它们具有围绕相应的第二轴线为变化的半径，使得各突出部分以变化的量穿过外壳伸入到空腔中以便与第一旋转件表面配合。

第一旋转件和各个第二旋转件具有可变的半径。因此，具有恒定半径的外壳表面以及第一旋转件表面限定了围绕第一轴线延伸的空腔。当第一旋转件围绕第一轴线旋转时，空腔也围绕第一轴线旋转。各第二旋转件穿过外壳表面而伸出。当各第二旋转件旋转时，它们穿过外壳表面而伸出的量也变化。实际上，第一旋转件和各个第二旋转件的旋转是协同的，使得它们啮合在一起而提供了密封。因此，各第二旋转件限定了空腔的多个工作部分。工作部分还可由第一旋转件在其半径最大的部分处通过提供与外壳的密封来限定。当空腔围绕第一轴线旋转时，空腔工作部分的体积也变化，因此在其中提供了流体的压缩或膨胀。

因此，旋转压缩机或膨胀机或者采用了它们的转子发动机可实现为具有多种所需的品质，同时制造和使用简便。旋转装置依赖于内部压缩，因而避免了与“背压”有关的缺点如效率不足。同时，设计的简单性允许在旋转装置的不同零件之间实现有效的密封，因此避免了制造的复杂性以及其它与已知的内部压缩旋转装置有关的问题。

优选的是，第一和第二旋转件均包括多个整体段，它们均具有不同的半径。

优选的是，第二旋转件围绕着外壳表面分布，各个第二旋转件安装成可围绕垂直于第一轴线和外壳表面的半径的相应轴线旋转。这样就限定了空腔的多个工作部分，在每个工作部分中，压缩和/或膨胀过程可同时进行。

第一旋转件可以处于外壳表面之内，而多个第二旋转件可以处于外壳表面之外。在这种情况下，第一旋转件将是大致圆柱形的。或者，第一旋转件可以处于外壳表面之外，而多个第二旋转件可以处于外壳表面之内。在这种情况下，第一旋转件将基本上采用环体的形式。

旋转装置可以是旋转压缩机或旋转膨胀机。对于压缩机来说，第一旋转件和多个第二旋转件中的每一个的旋转导致空腔的各工作部分的体积在各循环期间减小。对于膨胀机来说，第一旋转件和多个第二旋转件中的每一个的旋转导致空腔的各工作部分的体积在各循环期间增大。

旋转装置可以是在进行压缩后进行膨胀的转子发动机。在这种情况下，第一旋转件和多个第二旋转件中的每一个的旋转导致空腔工作部分的体积在各循环期间先减小，然后增大。由于压缩和膨胀由第一旋转件表面的不同部分来进行，因此可以实现具有不同压缩比和膨胀比的发动机。

优选的是，转子发动机还包括点火装置，用于在膨胀前点燃压缩流体。例如，点火装置可包括火花塞。这样，当空腔工作部分内的气体处于最大压力下时，可能会引发压力突增。例如，如果气体是燃料和氧气的混合物，那么火花塞可能会如同传统汽油发动机一样引发燃烧。或者，如果气体包括非常高压的氧气，那么燃料自身的注射可能会如同传统柴油发动机一样引发燃烧。可以使用会导致压力突增的其它手段，例如注射小体积的高压低温气体。压力突增允许在膨胀期间抽取的功多于在压缩时用掉的功，从而为发动机提供动力。

优选的是，第一旋转件还包括至少一个用于流体入口或流体出口的通道。第一旋转件甚至可包括用于流体入口和流体出口的通道。这样，流体可被抽取或被压迫到空腔工作部分中，或者从空腔工作部分中排出或释放出来。

外壳还可包括至少一个侧阀，该至少一个侧阀中的每一个仅当相邻于空腔工作部分时才作为流体入口或流体出口来工作，对于装置的一部分循环来说，该至少一个侧阀中的每一个均相邻于空腔的工作部分。因此，旋转装置设计成使得包含侧阀的外壳区域仅在需要流体入口或流体出口时才形成了空腔工作部分的边界。

优选的是，可操作该至少一个侧阀中的每一个来改变流体到空腔工作部分中的流率，改变空腔工作部分内的流体压力，或者改变旋转装置的压缩比或膨胀比。因此，侧阀可提供控制旋转装置操作的方式。

优选的是，采用闭环反馈控制来控制该至少一个侧阀中的每一个的操作，该闭环反馈控制基于例如流体入口压力、流体出口压力和旋转速度的操作参数。这样，多个参数可保持在稳态下。

本发明还提供了一种包括两个上述旋转装置的旋转装置。这样，相应的第二旋转件可设置成使得第一旋转件上的净力最小。例如，这可通过在整体式第一旋转件的相对侧上为各旋转装置提供第二旋转件来实现。

下面将参考附图并借助示例来介绍本发明：

图1和2显示了分别处于第一和第二位置的根据本发明的第一转子发动机的截面；

图3显示了根据本发明的第一转子发动机的第二旋转件的侧面轮廓；

图4和5显示了处于第三和第四位置的根据本发明的第一转子发动机的截面；

图6显示了根据本发明的第二转子发动机的截面；

图7显示了根据本发明的第三转子发动机的截面；

图8和9显示了根据本发明的第四转子发动机的截面；

图10到14显示了分别处于第一到第五位置的根据本发明的第五转子发动机的截面；

图15和16显示了分别处于第六和第七位置的根据本发明的第五转子发动机的第一旋转件的表面；

图17显示了根据本发明的第六转子发动机的第一旋转件的表面；

图18显示了根据本发明的第七转子发动机的截面；

图19显示了根据本发明的第八转子发动机的截面；

图20到27显示了分别处于第一到第八位置的根据本发明的第八转子发动机的截面；

图28和29显示了分别处于第一和第二位置的根据本发明的第九转子发动机的截面；

图30显示了根据本发明的第九转子发动机的第一旋转件的表面；

图31显示了根据本发明的第一压缩机的截面；

图32和33显示了分别处于第一到第三位置的根据本发明的第一压缩机的第一旋转件的表面；

图34显示了根据本发明的第二压缩机的第一旋转件的表面；

图35显示了根据本发明的第三压缩机的截面；

图36显示了根据本发明的第三压缩机的第一旋转件的表面；

图37显示了根据本发明的第十转子发动机的截面；

图38和39分别显示了根据本发明的第十一和第十二转子发动机的截面；

图40显示了根据本发明的第十三转子发动机的第二旋转件的侧面轮廓；

图41显示了根据本发明的第十四转子发动机的截面；

图42、43、44和45显示了如图1到41所示第二旋转件的特征；和

图46显示了如图1到41所示装置的特征。

应当理解，所有图都是示意性的，因此未按比例绘制。例如为了清楚起见，一些尺寸已被放大。

图1到5显示了根据本发明的第一转子发动机。第一转子发动机包括第一旋转件1、外壳2、三个第二旋转件3a，3b，3c、三个火花塞8a，8b，8c以及动力输出轴(未示出)。

第一旋转件1安装成可围绕第一轴线6旋转。第一旋转件1是大致圆柱形的材料块，但在半径方面具有较大的变化。第一旋转件1由钢制成，然而本领域的技术人员可以理解，它也可有利地由其它材料制成。本领域的技术人员也将知道用于第一转子发动机的其它所述部件的适当材料。

大致圆柱形的第一旋转件1基本上由具有不同半径的四个段形成：密封段1a、压缩段1b、燃烧段1c和膨胀段1d。密封段1a围绕第一轴线6跨过一个非常小的角度，然而却具有最大的半径。压缩段1b、燃烧段1c和膨胀段1d均围绕第一轴线6跨过稍小于120°的角度。

在旋转期间，密封段1a之后是压缩段1b，之后是燃烧段1c，再后是膨胀段1d。燃烧段1c的半径稍小于密封段1a的半径。压缩段1b的半径小于燃烧段1c。膨胀段1d的半径小于压缩段1b。第一旋转件1还包括相邻于密封段1a的流体入口通道4和流体出口通道9。

外壳2包括恒定半径的大致圆柱形表面，其以第一轴线6为中心并且部分地封闭了第一旋转件1。外壳2还具有端壁2a，其可阻止第一旋转件1沿第一轴线6轴向运动。端壁2a还在外壳2和第一旋转件1的端部之间提供了密封。

在第一旋转件1和外壳2之间限定了空腔5a，5b，5c。空腔5a，5b，5c的截面积取决于第一旋转件1的半径而围绕第一轴线6变化。例如，空腔的截面积在其相邻于燃烧段1c之处较小，而空腔的截面积在其相邻于膨胀段1d之处较大。在第一旋转件1的密封段1的附近不存在空腔。作为替代，密封段1a与外壳2接触以提供密封。密封段1a还形成了空腔5a，5b，5c的起始部和终止部。在第一旋转件1的旋转期间，空腔5a，5b，5c也旋转。

三个第二旋转件3a，3b，3c均以围绕第一轴线6为120°的间隔而安装在外壳2的周围。第二旋转件3a，3b，3c全都安装成离外壳2的端部为相同的轴向距离。第二旋转件3a，3b，3c均安装成可围绕垂直于第一轴线6和第一旋转件1的半径的相应轴线旋转。在第二旋转件3a，3b，3c的旋转期间，它们均以变化的量穿过外壳2而伸入到空腔5a，5b，5c中。在各个第二旋转件3a，3b，3c和外壳2之间形成了密封。

图3显示了第二旋转件3a，3b，3c中的一个的侧面轮廓以及第二旋转件绕其旋转的轴线7。图4和5显示了发动机的垂直于轴线7的截面。图4和5清楚地显示了外壳2的端壁2a以及圆柱形表面。从图3中可以看到，与第一旋转件1相同，各个第二旋转件3a，3b，3c基本上由具有不同半径的四个段形成。第二旋转件3a，3b，3c的各个段的半径设计成使得在操作中，各第二旋转件的各段与第一旋转件1的不同段1a，1b，1c，1d配合操作，以便提供密封。因此，第二旋转件3a，3b，3c限定了三个或四个空腔工作部分。

第二旋转件3a，3b，3c是薄的平面部件。然而从图1和2中可以看到，并且本领域的技术人员也可以理解，它们必须要有一定的厚度，以便在操作期间承受施加在第二旋转件3a，3b，3c上的力。本领域的技术人员还将理解，第二旋转件3a，3b，3c的形状必须设计成可与第一旋转件1形成良好的密封。各个第二旋转件3a，3b，3c被驱动而以与第一旋转件相同的角速度旋转。本领域的技术人员已公知多种可在与第一旋转件相同的角速度下驱动第二旋转件3a，3b，3c的多种机构。例如，这些零件可通过齿轮连接在一起。

火花塞8a，8b，8c均以围绕第一轴线6为120°的间隔安装在外壳2上，并且处于第二旋转件3a，3b，3c的中间。火花塞8a，8b，8c与外壳表面平齐，因此它们不会突入到空腔中。本领域的技术人员将知道用于操作火花塞的装置(未示出)。

在使用中，第一旋转件围绕第一轴线6旋转。参见图1和4，当第一旋转件1旋转时，汽化燃料形式的气体和氧气经由流体入口通道4被抽入到第一转子发动机中。气体被抽入到限定在第一旋转件1的密封段1a和第二旋转件3a之间的空腔工作部分中。该工作空腔随第一旋转件1的旋转而膨胀，因而形成了可抽入气体的真空。

图2显示了相比于图1而言第一旋转件1推进了60°的第一转子发动机。第一旋转件1的密封段1a此时旋转到第二旋转件3c处。因此，此时在第二旋转件3a和3c之间限定了空腔工作部分。流体入口通道4即将旋转经过第二旋转件3c，因此导致已被抽入到转子发动机中的气体被完全封闭。

第一旋转件1的进一步旋转导致燃烧段1c开始旋转到限定在第二旋转件3a和3c之间的空腔工作部分中。燃烧段1c的比压缩段1b更大的半径导致空腔工作部分的体积减少。由于空腔工作部分被完全封闭，因此气体的压力增大。气体压力持续增大，直到空腔工作部分的体积达到最小值为止。当第一旋转件1的燃烧段1c已经完全旋转经过第二旋转件3a时，就达到了该最小体积。

在该位置处，空腔工作部分内的压缩气体由火花塞8c点燃。气体的燃烧导致了压力突增。

第一旋转件1的进一步旋转导致膨胀段1d开始旋转到限定在第二旋转件3a和3c之间的空腔工作部分中。膨胀段1d的比燃烧段1c更小的半径导致空腔工作部分的体积增加。该高压气体在其膨胀时做功，因而为发动机提供动力。气体持续做功，直到第一旋转件1的膨胀段1d已经完全旋转经过第二旋转件3a时为止。由于第一旋转件1的压缩段1b和膨胀段1d具有不同的半径，因此第一转子发动机的压缩比和膨胀比不同。因此，本发明允许使用高效率的Atkinson-Miller循环。

最后，密封段1a开始旋转到限定在第二旋转件3a和3c之间的空腔工作部分中。废气被迫经流体出口通道9排出，当新鲜气体经由流体入口通道4而抽入到空腔工作部分中时，新的循环开始。

在发动机的操作期间，上述压缩-燃烧-膨胀循环也在限定于第二旋转件3a和3b以及3b和3c之间的工作空腔内同时进行。动力可经由与第一旋转件1相连的动力输出轴(未示出)从第一转子发动机中输出。

图6显示了根据本发明的第二转子发动机。在该转子发动机中，执行与如图1到5所示的相同功能的部件采用了相同的标号。第二转子发动机具有环形的第一旋转件1，其安装在外壳2之外。在外壳2内安装了三个第二旋转件3a，3b，3c。第二转子发动机以与第一转子发动机相同的方式工作，其中压缩-燃烧-膨胀循环在限定于相邻第二旋转件之间的空腔工作部分内同时进行。

图7显示了根据本发明的第三转子发动机。在该第三转子发动机中，第一旋转件1是大致圆柱形的。然而，密封段1a、压缩段1b、燃烧段1c和膨胀段1d均在平行于第一轴线6的方向上突出。因此，包括端壁2a的外壳2采用了围绕第一轴线6延伸且具有槽形截面的环体的形式。然而，第三转子发动机仍以与第一和第二转子发动机类似的方式工作。第三转子发动机优选还允许在第一旋转件的一侧中结合冷却翅片。第一旋转件的其它设置对本领域的技术人员来说也是显而易见的。

在第三转子发动机中，外壳2的端壁不平行，而是相互间形成了角θ。角θ是由外壳端壁2a的内表面所限定的围绕着第二旋转件的中心的角。在使用中，当空腔工作部分的体积处于最小值时，限定了工作部分的各第二旋转件的段必须同时至少以角θ伸入到外壳中。在采用了三个第二旋转件的第三转子发动机中，各第二旋转件存在120°角的异相。因此，对应于第一旋转件的燃烧段的第二旋转件的段必须跨过120°+θ的角。

由于角θ更小一些，因此图7所示外壳2的端壁2a提供了比图4和5所示更有效的设置。

在如图4、5和7所示的转子发动机中，角θ必须比较小，因此，一旦第二旋转件的段旋转到外壳2达角θ以形成密封并限定了两个空腔工作部分，那么就可以保持密封，直到与之相互配合的第一旋转件1的段已经旋转过去为止。这便限制了空腔的尺寸，因而限制了发动机可产生的动力。

图8和9显示了可克服上述问题的根据本发明的第四转子发动机。第四转子发动机中的角θ比第一到第三转子发动机中的更大。角θ的这种增大可通过修改构成了第一旋转件1和各个第二旋转件3a，3b，3c的段来实现。在第四转子发动机中，与第一旋转件的燃烧段1c配合操作的各个第二旋转件的段跨过了θ+120°的角。这就保证了可在第一旋转件的燃烧段1c和相关第二旋转件之间形成密封达足够的持续时间。为了容纳这一额外的跨距，与第一旋转件1的压缩段1b配合操作的各个第二旋转件的段的跨距减小。然而，该段的半径增大以补偿跨距的减小。这还伴随有第一旋转件1的压缩段1b的相应的跨距减小和半径减小。

当气体被抽入到第四转子发动机中时，它们被抽入到相邻于第一旋转件1的压缩段1b的空腔工作部分中。虽然这个段比第一到第三转子发动机中的第一旋转件1跨过更小的角，然而紧接于压缩之前的空腔工作部分的体积是相似的，因为压缩段1b的半径更小，因此给出了更大的空腔截面积。

图10到16显示了根据本发明的第五转子发动机。与第四转子发动机相同，第一旋转件1的压缩段和膨胀段的半径相同。压缩段和膨胀段也跨过不同的角。

在图10中，第一旋转件1的密封段的终端刚刚旋转经过第二旋转件3a，因此气体开始经由开口而被抽入到空腔工作部分中，该开口处于与第一旋转件1的压缩段1b配合操作的第二旋转件3a的段的附近。

在图11中，发动机进一步旋转。气体仍被抽入到发动机中，然而这并未示出。与第一旋转件1的压缩段配合操作的第二旋转件3a的段此时已旋转到第一旋转件中，因此便形成了密封并限定了两个空腔工作部分。

在图12中，发动机几乎旋转到与第一旋转件1的燃烧段配合操作。

在图13中，发动机已旋转了另一个120度。在空腔工作部分的另一端，旋转件处于如图12所示的位置。气体此时处于其最大压缩下，并且进行燃烧。

在图14中，发动机进一步旋转。第二旋转件3a此时与第一旋转件1的膨胀段配合操作。因此，气体在其膨胀时做功。

发动机的进一步旋转导致第二旋转件3a回到图10所示的位置，在此位置点处气体完全膨胀。发动机的更进一步旋转导致废气被排出发动机，如图11所示。

图15和16显示了第五转子发动机的第一旋转件1的表面。图15和16还显示了第二旋转件3a，3b，3c的相对位置。在图16中，第一旋转件1相比于图15已旋转了60°。剖面区域显示出限定了空腔的第一旋转件1的表面，以及第二旋转件3a，3b，3c的表面。

图17显示了根据本发明的第六转子发动机的第一旋转件1的表面。图17还显示了第二旋转件3的相对位置。第六转子发动机具有六个第二旋转件3，它们在腔的六个工作部分内进行压缩-燃烧-膨胀循环。设置六个第二旋转件3允许它们中的一些定位在第一轴线6的相对侧上，因此便平衡了燃烧期间所产生的力。这便减小了第一旋转件1上的净力，并且保证了第一旋转件1的质心处于第一轴线6上。

图18显示了根据本发明的第七转子发动机的截面。第七转子发动机也具有六个第二旋转件3，其在腔的六个工作部分内进行压缩-燃烧-膨胀循环。燃烧期间所产生的力通过将第二旋转件3定位在第一旋转件1的相对侧上来实现。

图19到27显示了根据本发明的第八转子发动机的截面。第八转子发动机包括多个围绕外壳2分布的第二旋转件3。各个第二旋转件3包括不同长度的两瓣。当第二旋转件3旋转时，它们伸出到限定在第一旋转件1和外壳2之间的空腔中。与第一到第七转子发动机不同，空腔的截面积在第一轴线6的周围逐渐变化。

图20到27显示了在压缩-燃烧-膨胀过程中的不同阶段处的第八转子发动机。在图20中，第二旋转件3旋转到它不会伸入到第一旋转件1中的位置。在该位置中，在第一旋转件1和外壳2之间形成了密封。该密封限定了在第一轴线6的周围延伸的空腔的两端，并且保证了被抽入空腔中的新鲜气体不会与废气混合。

在图21中，第一旋转件1已旋转到限定在第一旋转件1和外壳2之间的空腔。空腔工作部分此时限定在由第一旋转件1和外壳2所形成的密封与第二旋转件3之间。气体在膨胀时经由流体入口通道4被抽入到空腔工作部分中，如箭头所示。

发动机继续旋转，气体被抽入到空腔内，直到第二旋转件3旋转到图22所示的位置为止。在该位置中，空腔工作部分限定在相邻的第二旋转件3之间。流体入口通道4旋转离开空腔工作部分，此时其被完全封闭。

发动机的进一步旋转导致第二旋转件进一步旋转，如图23所示。在该位置中，空腔工作部分被压缩，因此压缩了包含在其中的气体。

空腔工作部分继续被压缩，直到第二旋转件3达到如图24所示的位置为止。在该位置中，空腔工作部分的体积处于最小值，包含在其中的气体已被压缩。然后会引发气体的燃烧，因而导致气体压力的进一步增大。

发动机的继续旋转导致空腔膨胀，如图25所示。气体在其膨胀时做功，动力经由与第一旋转件相连的动力输出轴(未示出)从发动机中输出。

空腔工作部分中的气体继续膨胀，直到第二旋转件3到达如图26所示的位置。在该位置中，空腔工作部分的体积处于最大值。图26所示的空腔截面积比图22所示的更大。因此，发动机的膨胀比大于其压缩比。由于各个第二旋转件3包括不同形状的两瓣，因此可以实现不同的膨胀比和压缩比。在压缩期间使用一个瓣，而在膨胀期间使用另一个瓣。

一旦气体已经完全膨胀，发动机便继续旋转，直到废气被排出，如图27所示。在该位置中，第二旋转件3已经进一步旋转，使得空腔工作部分缩小。第一旋转件1也已旋转，使得流体出口通道暴露于空腔工作部分中。当空腔工作部分缩小时，包含在其中的气体经由流体出口通道9从发动机中排出，这样就完成了转子发动机的循环。

图28到30显示了根据本发明的第九转子发动机。该第九转子发动机采用了滑阀10来控制其压缩比。滑阀10位于外壳表面上的在气体压缩期间而不是在气体膨胀期间限定了空腔工作部分的区域中。通过保证与第一旋转件1的压缩段配合操作的各个第二旋转件的段具有最大的半径，就可以实现这一点。

为了阻止废气经过滑阀10，可将流体出口通道9设置在第一旋转件1内，如图29所示。在这一方面，第九转子发动机与根据本发明的其它转子发动机、例如图11所示的第五发动机不同。如图29所示，第一旋转件1的设计允许气体在排放期间在限定于第二旋转件3a的相对侧上的空腔工作部分之间流动，因此在空腔工作部分缩小时提供了气体的逸出路径。

图30显示了第九转子发动机的第一旋转件1的表面，并且显示出了第二旋转件3a，3b，3c和滑阀10的相对位置。各阀10具有滑盖11。图30显示了在滑阀10完全打开时滑盖的位置。

滑阀10允许修改发动机的压缩-燃烧-膨胀循环。特别是，该循环可被修改成使得一些压缩气体在燃烧之前便从空腔工作部分中排出，因此便降低了发动机的压缩比。优选的是，所排出的气体将重新循环以便提高燃料效率。通过改动滑阀10的打开程度，就可以控制气体压力，因而控制发动机的压缩比。这样，滑阀10可用来控制发动机的动力输出。

滑阀10仅用于气体压缩的期间。因此，滑阀10在整个压缩-燃烧-膨胀循环中保持在同一位置。只有需要改变发动机的压缩比时才改变滑阀10的位置。该操作原理不同于传统的内燃机，其中阀在每一压缩-燃烧-膨胀循环中均打开和关闭。

也可采用其它的阀构造，这些都是本领域的技术人员已知的。例如，可以提供其它的侧阀，这些侧阀的滑盖可在不同于图中所示的方向上滑动，也可以提供未设滑盖的侧阀来代替滑阀。阀可形成用于转子发动机的专用流体入口，或者提供成与第一旋转件1中的一个或多个流体入口通道相结合。当阀形成了通到转子发动机中的流体入口时，它们可用来调节其中气体不再被抽入到发动机中的正时。

图31到33显示了根据本发明的第一压缩机。该第一压缩机以与上述转子发动机相类似的方式工作。然而，从工作循环中取消了燃烧和膨胀阶段，这便实现了简化。压缩机包括一个第二旋转件3，其以第一旋转件1的角速度的一半旋转。气体被抽入到压缩机中，被压缩，然后经由滑阀10释放。滑阀10用来控制气体被压缩机所压缩的程度。第一旋转件1设计成使得在压缩气体的释放期间，气体可在限定于第二旋转件3的相对侧上的空腔工作部分之间流动。这就提供了在空腔工作部分缩小时气体的逸出路径。

压缩机可包括两个第二旋转件，以便平衡第一旋转件1上的力。这可通过采用图17和18所公开的技术及其描述来实现。

图34显示了根据本发明的第二压缩机。在该压缩机中，空腔工作部分的体积比第一压缩机中的更大。

图35和36显示了根据本发明的第三压缩机。在该压缩机中，滑阀10用来控制气体的吸入而非其排出。

第一、第二和第三压缩机可如膨胀机地工作。在这种情况下，压缩气体输送到流体出口中，第一和第二旋转件沿着与图中所示相反的方向被驱动。

图37显示了根据本发明的第十转子发动机的截面。在该第十转子发动机中，在第二旋转件3上增设了多个小齿12。这样，第一旋转件1可以正确的角速度来直接驱动第二旋转件3。优选的是，小齿12和第一旋转件1上的与之啮合的部分应当具有圆角。

图38和39分别显示了根据本发明的第十一和第十二转子发动机的截面。第十一转子发动机包括第二旋转件3，其重心处于其旋转轴线上。这就通过提供作为在其它所述转子发动机的第二旋转件中所提供的二倍多的段而实现了容易制造。第二旋转件3的段所跨过的角度小于其它所述转子发动机中的情况，因此它们所限定的空腔工作部分的空腔体积更小。然而在第十一转子发动机中，通过使空腔处于第二旋转件3的两侧就可在一定程度上补偿这一点。这样，第十一转子发动机可作为复合式发动机来工作。

如图39所示，在第十二转子发动机中，两个空腔定位成异相，因此产生了平稳的功率输出。还已经从第十二转子发动机的第一旋转件1中除去了多余的材料。这便降低了发动机重量，减小了第一旋转件1和外壳2之间的接触面积，并且为发动机提供了增强的通风。

第二旋转件的形状对应于空腔的截面形状。由于力与压力差乘以面积成比例，因此精心地设计第二旋转件的形状可以提供一种在整转中保持恒定的功率输出的发动机。对于具有一个空腔的发动机来说，在其上做功的第一旋转件的面积为限定了空腔各端的第二旋转件的面积之间的差值。可以计算出空腔的体积以及空腔内的气体压力。该压力和体积允许计算出作为第一旋转件旋转的函数的可得能量，因此允许计算出发动机的扭矩。可以得到各空腔的扭矩。这样就可以得到第二旋转件的形状，从而提供具有平稳功率输出的发动机。

第二旋转件的形状可以通过作为角度函数的半径来确定。确定一个目标如“使最小扭矩最大”允许采用本领域的技术人员所知的计算方法来得到第二旋转件的形状，从而提供具有平稳功率输出的发动机。

图40显示了可用来提供具有平稳功率输出的发动机的第二旋转件3的形状的一个例子。第二旋转件3a的左上方尖点减小了在压力较高时进行气体压缩的面积。类似的，第二旋转件3a的右下方尖点允许在压力较高时气体逐步膨胀，以及在压力较低时气体快速膨胀，从而提供具有稳态功率输出的发动机。

图41显示了根据本发明的第十四转子发动机的截面。第十四转子发动机具有安装在外壳2之外的环形的第一旋转件1。两个第二旋转件3a，3b安装在外壳2内。在第十四转子发动机中，这些零件已经安装成使得第二旋转件的平面不与第一旋转件的轴线相交。这就允许第二旋转件具有比外壳的内半径更大的最大半径，对于给定的发动机半径来说允许有更大的工作体积。另外，该发动机具有比第一旋转件的外半径更小一些的外壳半径。这使得第一旋转件和外壳之间的摩擦具有更小的区域，并且使得外壳和第一旋转件之间的泄漏具有更小的长度。这一构造也为压缩机和膨胀机提供了这些优点。

图42到46显示了根据本发明的装置区别于已知旋转装置的一些特征。应当注意的是，这些图中所示的零件已经参考前图进行了介绍，图42到46并未增加构造发动机或理解其操作所必须的知识。

图42到44显示了可视为具有一个较大的齿或突出部分的第二旋转件3。图45显示了可视为具有两个较大的齿或突出部分的第二旋转件。该齿或突出部分是第二旋转件中的伸入到在循环中的一些部分期间由外壳和第一旋转件所限定的空腔中的部分。这些齿限定了“齿角”，其围绕着旋转件3的轴线来测量。通常来说，第二旋转件设计成使得齿角稍小于360°/t，其中t是齿数。在图42和43中，齿角稍小于360°。在图45中，齿角稍小于180°。图46显示了具有槽角ψ的外壳2，该槽角围绕着第一旋转件3的轴线来测量，并且由第二旋转件伸入到空腔中的区域来限定。在该装置的最简单的实施例中，齿角大于槽角ψ。

上面参考附图来介绍的本发明的上述实施例仅是优选实施例，并且只通过示例的方式来描述。本领域的技术人员可以清楚，存在有许多尚未描述的本发明的其它实施例，本发明的范围由权利要求来限定。

权利要求书

(按照条约第19条的修改)

1.一种与可压缩流体一起使用的旋转装置，所述装置包括：

安装成可围绕第一轴线旋转的第一旋转件；

具有封闭了所述第一旋转件的至少一部分的表面的外壳，在所述第一旋转件的表面和所述外壳表面之间限定了具有变化截面积的细长空腔；

多个安装成可围绕相应的第二轴线旋转的第二旋转件，各所述第二旋转件安装成穿过所述外壳表面中的槽而伸出，并与所述第一旋转件表面配合而将所述空腔分成相邻的工作部分，在所述装置的一部分循环中，至少一个所述工作部分是由相邻的第二旋转件在相对端部处所限定的封闭体积，所述工作部分的体积随着所述第一和第二旋转件旋转而变化，

其中，各所述第二旋转件均包括多个突出部分，其具有围绕相应的第二轴线为变化的半径，使得各所述突出部分穿过所述外壳中的槽而以变化的量伸入到所述空腔中，以便与所述第一旋转件表面配合。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二旋转件的各突出部分围绕着所述相应的第二轴线跨过一定的角度，所述突出部分的半径围绕所述轴线恒定地变化。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二旋转件的各突出部分围绕着所述相应的第二轴线跨过一定的角度，所述突出部分的半径围绕所述轴线步进式变化。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，各所述第二旋转件的突出部分在所述第一和第二旋转件的旋转期间的任意时刻仅穿过相应的槽而部分地伸出。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，由槽围绕相应的第二轴线所跨过的最大角度小于各所述第二旋转件的突出部分所跨过的角度。

6.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一旋转件表面是圆柱面。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一旋转件处于所述外壳表面的内部，所述第二旋转件处于所述外壳表面的外部。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一旋转件处于所述外壳表面的外部，所述多个第二旋转件处于所述外壳表面的内部。

9.根据权利要求1到5中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一旋转表面是端面。

10.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置是旋转压缩机或旋转膨胀机，所述第一和第二旋转件的旋转导致所述空腔工作部分的体积在所述第一和第二旋转件的旋转期间减小或增大。

11.根据权利要求1到10中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置是转子发动机，所述装置执行压缩，之后执行膨胀，所述第一旋转件和所述多个第二旋转件的旋转导致所述空腔工作部分的体积在所述第一和第二旋转件的旋转期间减小，然后增大。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置还包括点火装置，用于在膨胀前点燃压缩流体。

13.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一旋转件还包括至少一个用于流体入口和/或流体出口的通道。

14.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述外壳还包括多个阀，各阀仅在相邻于空腔工作部分时用作流体入口或流体出口，并且各阀仅在所述装置的一部分循环期间相邻于空腔工作部分。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，各阀在所述装置的循环期间决不会相邻于最小体积的空腔工作部分，因而避免了阀与最高压力流体之间的接触。

16.根据权利要求14或15所述的装置，其特征在于，所述至少一个阀中的各阀可被操作以改变流入空腔工作部分的流体的流率，改变空腔工作部分内的流体的压力，或者改变所述装置的压缩比和/或膨胀比。

17.根据权利要求14到16中任一项所述的装置，其特征在于，采用闭环反馈控制来控制所述至少一个阀中的各阀的操作，所述闭环反馈控制基于至少一个装置操作参数。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述至少一个装置操作参数包括流体入口压力、流体出口压力和旋转速度中的至少一个。

19.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第二旋转件围绕所述第一旋转件分布，各所述第二旋转件安装成可围绕垂直于所述第一轴线的相应的第二轴线旋转。

20.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一旋转件表面和外壳表面还限定了空腔工作部分之间的密封。

21.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，其中至少一个工作部分是由相邻的第二旋转件在相对端部处所限定的封闭体积的装置循环部分包括所述工作部分发生压缩的循环部分。

22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，其中至少一个工作部分是由相邻的第二旋转件在相对端部处所限定的封闭体积的装置循环部分包括所述工作部分发生最大压缩的循环部分。

23.根据权利要求21或22所述的装置，其特征在于，其中至少一个工作部分是由相邻的第二旋转件在相对端部处所限定的封闭体积的装置循环部分还包括所述工作部分发生膨胀的循环部分。

24.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，在所述工作部分发生压缩和膨胀的循环部分中，限定了至少一个工作部分的相对端部的所述相邻的第二旋转件是同一第二旋转件。

Claims (21)

1.一种与可压缩流体一起使用的旋转装置，所述装置包括安装成可围绕第一轴线旋转的第一旋转件，以及具有封闭了所述第一旋转件的至少一部分的表面的外壳，在所述第一旋转件的表面和所述外壳表面之间限定了具有变化截面积的细长空腔，所述旋转装置还包括多个安装成可围绕相应的第二轴线旋转的第二旋转件，各所述第二旋转件安装成穿过所述外壳表面而伸出，并与所述第一旋转件表面配合而将所述空腔分成相邻的工作部分，至少一个所述工作部分限定了用于所述装置的一部分循环的封闭体积，所述工作部分的体积随着所述第一和第二旋转件旋转而变化，其中，各所述第二旋转件均包括多个突出部分，其具有围绕相应的第二轴线为变化的半径，使得各所述突出部分以变化的量穿过所述外壳伸入到所述空腔中，以便与所述第一旋转件表面配合。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二旋转件的各突出部分围绕着所述相应的第二轴线跨过一定的角度，所述突出部分的半径围绕所述轴线恒定地变化。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二旋转件的各突出部分围绕着所述相应的第二轴线跨过一定的角度，所述突出部分的半径围绕所述轴线步进式变化。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，各所述第二旋转件安装成穿过所述外壳表面中的槽而伸出，各所述第二旋转件的突出部分在所述第一和第二旋转件的旋转期间的任意时刻仅穿过相应的槽而部分地伸出。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，由槽围绕相应的第二轴线所跨过的最大角度小于各所述第二旋转件的突出部分所跨过的角度。

6.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一旋转件表面是圆柱面。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一旋转件处于所述外壳表面的内部，所述第二旋转件处于所述外壳表面的外部。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一旋转件处于所述外壳表面的外部，所述多个第二旋转件处于所述外壳表面的内部。

9.根据权利要求1到5中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一旋转表面是端面。

10.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置是旋转压缩机或旋转膨胀机，所述第一和第二旋转件的旋转导致所述空腔工作部分的体积在所述第一和第二旋转件的旋转期间减小或增大。

11.根据权利要求1到10中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置是转子发动机，所述装置执行压缩，之后执行膨胀，所述第一旋转件和所述多个第二旋转件的旋转导致所述空腔工作部分的体积在所述第一和第二旋转件的旋转期间减小，然后增大。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置还包括点火装置，用于在膨胀前点燃压缩流体。

13.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一旋转件还包括至少一个用于流体入口和/或流体出口的通道。

14.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述外壳还包括多个阀，各阀仅在相邻于空腔工作部分时用作流体入口或流体出口，并且各阀仅在所述装置的一部分循环期间相邻于空腔工作部分。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，各阀在所述装置的循环期间决不会相邻于最小体积的空腔工作部分，因而避免了阀与最高压力流体之间的接触。

16.根据权利要求14或15所述的装置，其特征在于，所述至少一个阀中的各阀可被操作以改变流入空腔工作部分的流体的流率，改变空腔工作部分内的流体的压力，或者改变所述装置的压缩比和/或膨胀比。

17.根据权利要求14到16中任一项所述的装置，其特征在于，采用闭环反馈控制来控制所述至少一个阀中的各阀的操作，所述闭环反馈控制基于至少一个装置操作参数。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述至少一个装置操作参数包括流体入口压力、流体出口压力和旋转速度中的至少一个。

19.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第二旋转件围绕所述第一旋转件分布，各所述第二旋转件安装成可围绕垂直于所述第一轴线的相应的第二轴线旋转。

20.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一旋转件表面和外壳表面还限定了空腔工作部分之间的密封。

21.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置与可压缩流体一起使用。

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