CN203515794U - 叶片式发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种叶片式发动机，包括外壳、转子、多个叶片、转轴支撑件、进气阀组件和排气阀组件，以及位于外壳和转子之间的转壳。本实用新型发动机采用滚动摩擦代替滑动摩擦，减小了能量损耗；排出气体温度、压力较小，充分利用了能量；多个容腔一起做功，效率高。因此，本实用新型发动机能量利用率高、效率高，能产生巨大的经济效益。

Description

叶片式发动机

技术领域

本实用新型涉及一种新型的发动机，尤其是具有转壳的叶片式发动机。

背景技术

目前市场广泛普遍采用的是四冲程气缸式发动机；用煤和核电的发电设备采用的是汽轮机组，水利发电采用的是涡轮机组。

对于四冲程气缸发动机而言，由其特征决定有以下的缺陷：(1)四冲程式发动机膨胀行程等于压缩行程，能量燃烧后的压缩气体排出发动机时气体仍具有一定温度和一定的压力，这些能量被浪费掉了；(2)发动机的活塞与气缸之间是滑动摩擦，为了保证高压气体不泄露还增加了密封环，这样的滑动摩擦也损失能量。(3)四冲程式发动机的四个冲程中只有一个冲程用于做功，其他三个冲程均不做功，效率低。

对于汽轮机和涡轮机，由于是靠冲击产生扭矩，需要介质具有很高的速度才能产生足够的冲击力，而介质速度从零到高速需要能量，这些能量被浪费掉了，所以汽轮机和涡轮机效率也不高。

由于存在上述缺点，导致目前的发动机效率低、能量损失大，由此带来能量浪费大，环境污染等各类问题。降低能源浪费，提高能源的转化效率一直是全社会、全世界的重点研究课题。随着全社会对发动机节能性能的要求越来越高，如果有更高效率的转能机，现有的发动机由于能耗较高逐渐要被淘汰。如果效率提高一倍，就相当于采用现在一半的能量可以驱动现有的所有机械。因此，提供一种能够提高能量利用率、节能环保的发动机是目前亟待解决的问题，具有极大的社会效益和经济效益。

发明内容

为了解决上述技术问题，提高能量利用率，本实用新型通过“转壳”外加轴承结构的设置，通过转子与叶片特殊结构的设置，实现了转子、叶片和转壳之间的几乎相同角速度转动。一方面，滚动摩擦代替传统产品中的滑动摩擦，降低了摩擦损失；另一方面，由于叶片与转壳间滑动量小，可以加大接触力，再通过“叶片”和“转壳”的配合，可以实现较好的密封效果。同时由于“转子”回转中心与“转壳”回转中心相互的偏心设置，实现了在一个圆周上由大小不同的多个容积空间所组成的容腔，每一个容腔在转动过程中可实现从大到小再从小到大有规律的变化过程。配合进气口、排气口，发动机可以实现在一个循环中实现吸气、压缩气体、燃烧、膨胀做功、排气等各种过程。

一种叶片式发动机，包括外壳、转子、多个叶片、转轴支撑件、进气阀组件和排气阀组件，转子通过转轴支撑件与外壳转动连接，

还包括位于外壳和转子之间的转壳，转壳与外壳通过转动支撑件转动连接；

转子侧面圆周形成凹槽，多个叶片沿圆周方向分布在转子凹槽内，且每个叶片沿转子径向设置；

转子、转轴支撑件的回转中心与转动支撑件、转壳的回转中心相互偏心设置；

相邻两个叶片、所述凹槽的底和侧壁、以及转壳内表面构成容腔，从而使得整个叶片式发动机具有多个大小不同的容腔。

进一步，转子凹槽内沿转子径向形成多个径向滑槽，叶片分别安装在滑槽中。

进一步，叶片外侧具有凹形开口，转壳部分或全部置于上述凹形开口中。

进一步，转壳部分或全部设置在转子的凹槽内并与之相配合。

进一步，转壳、叶片和转子相互之间均采用气密性接触。

进一步，转子一体成型，或组装连接构成。

进一步，通过转子中心油池和/或进气口向容腔加入润滑的油，并在离心力的作用下甩到转壳上，使转壳、叶片、转子相互之间的运动副都存在油进行密封。

进一步，进气阀组件与排气阀组件位于转子不同侧面。

进一步，外壳内侧面具有环形凸轮，进气侧凸轮驱动进气阀组件进气；排气侧凸轮驱动排气阀组件排气。

进一步，在容积较大的几个容腔中的一个或多个中，进气阀组件和排气阀组件处于换气状态；在容积较小的几个容腔中的一个或多个中，进气阀组件和排气阀组件处于关闭状态。

进一步，具有多个分别用于完成进气、压缩、燃烧、膨胀、排气的工作的容腔。

进一步，在容积较大的几个容腔中的一个或多个中进行换气，换气的过程是先打开排气阀进行排气，稍后打开进气阀进行进气，经过换气后排气阀和进气阀先后或同时封闭；容腔的容积变小的过程是对燃气的压缩过程；在容腔达到最小时点火爆发；然后容腔的容积变大，气体膨胀对外做功。

技术效果：本实用新型发动机采用滚动摩擦代替滑动摩擦，减小了能量损耗；排出气体温度、压力较小，充分利用了能量；多个容腔一起做功，效率高。因此，本实用新型发动机能量利用率高、效率高，能产生巨大的经济效益。

附图说明

图1为发动机C-C剖面的剖视图

图2为发动机主体结构A-A剖面剖视图

图3为发动机主体结构B-B剖面剖视图

图4为发动机P-P剖面的剖视图

图5为转壳主截面的剖视图

图6为叶片的主视图

图7为叶片E-E剖面的剖视图

图8为转子拆去一半的侧视图

图9为转子F-F剖面的剖视图

图10为进气阀组件组装图

具体实施方式

1、机械结构

图1是发动机主截面C-C的剖视图，显示各容腔大小的变化情况；图2是发动机进排气的主体结构A-A剖面剖视图，显示气阀组件的进排气情况；图3是发动机主体结构B-B剖面剖视图，显示转壳、叶片、转子的关系；图4是发动机P-P剖面的剖视图，显示发动机排气和进气的顺序和容腔情况。发动机由外壳、转动支撑、转壳、叶片、转子、凸轮、进气腔、气阀组件、密封件、排气腔等部件或空间组成；其主要部件从外到内依次是外壳、转动支撑件、转壳、转子；叶片安装在转子上，两个转动支撑安装在外壳上，转动支撑分别支撑转壳和转子。

外壳1是基础构件，外部与发动机的基础相连，内部通过转动支撑件2、转轴支撑件6分别提供对转壳、转子的支撑。转动支撑件2、转动支撑件6有偏心。外壳的内侧面还安装着或直接加工进气侧凸轮和排气侧凸轮。

转动支撑件2是转壳3和外壳1之间的支撑件，其结构可以是轴承、滚珠、滚珠加保持架等各种结构，只要能够实现转壳在外壳支撑下转动即可。

转壳3如图5所示，是一个筒状零件，其内部圆柱面①是形成容腔的一个表面；宽度a和容腔的宽度相同，安装在转子和叶片的凹槽内(如图2所示)；外面安装转动支撑件2。转壳位于外壳和转子之间，随转子一起转动。

叶片4结构如图6和图7所示，叶片共N个，叶片外侧具有凹形开口，转壳的一部分或全部置于上述凹形开口中。叶片的总宽度为a+2b，其中凹形开口的两个宽度为b的边缘部分高于中间宽度为a的中间部分；凹形开口宽度a正好与容腔及转壳的宽度相同；两端宽度b的端部安装在转子5的滑槽内；宽度为a的部分其横截面具有圆弧，半径为r(如图7所示)，转动时顶在转壳3上且与转壳3内圆相切；而两端宽度为b的部分的内端面卡在转壳3侧面上；叶片的两个表面②③是容腔六个表面中的两个可以变化的表面。

转子5的结构如图8和图9所示，由一个直径φ1两个直径φ2的圆柱体及后部的轴组成，φ2＞φ1。为了制造和装配的方便，一般都制作成两体结构，用螺栓把两部分紧在一起。当然两者也可以一体成型。转子由圆周向圆心沿径向形成多个滑槽⑦，叶片分别安装在滑槽⑦中，装配后转子5连同叶片4卡紧在转壳3的宽度方向上，根据转动时转子与叶片相对位置的不同，在离心力和/或转壳压力的共同作用下，叶片从转子的径向滑槽中伸出或缩回滑动(如图1所示)，从而使得转子转动时，保证容腔的气密性。转子5的表面⑥形成容腔的内表面，转子5的表面④⑤形成容腔的两个侧表面。转子的外端直径大于φ1的凸缘上，每两个滑槽⑦之间，均加工一个的异型孔，进气阀组件和排气阀组件安装在这个孔中，气阀组件的U和V部(UV是两个安装孔)安装在孔中的支撑点上，在凸轮的驱动下往复滑移；而且气体通过异型孔在气阀组件的作用下进行进气、排气和封闭等动作。小于φ1的N个孔是螺栓孔。转子5的中心孔是油池，辅助系统的高压油加入此油池，一方面压力油润滑转子5与叶片4之间的滑动副，并通过该滑动副渗透到容腔内，在离心力的作用下，润滑油被甩到转壳4上，并有一定的厚度，这样使转壳3、叶片4、转子5相互之间的运动副都有密封油的存在，使气密封改成油密封，进一步改善发动机的密封性能；另一方面高压油的压力也作用在叶片的内端面，增加叶片4与转壳3之间的接触力，增加容腔之间的密封性。

转动支撑6可以是轴承、滚珠、滚轮、滚柱等多种结构，只要能够实现心轴在外壳支撑下转动即可。转轴支撑件6用于转动连接外壳1和转子5。

凸轮7的作用见图4所示。凸轮7安装在外壳1的内侧面。有进气凸轮和排气凸轮。凸轮是进气排气的命令元件，总体是一个环状的零件，当不需要进气和排气的位置(例如在RQ14-RQ18和RQ1-RQ9时期)，凸轮是平的，当需要进气和排气的位置(例如在RQ10-RQ13时期)，凸轮凸起，凸起的量由小到大再由大到小，凸起的起点和终点决定进气排气的开闭点，凸起的量决定进气和排气量的大小。

进气腔8是外壳与转子之间，由两端密封件10所包围的空间。进气腔8用于容纳可燃气，可燃气指空气与燃料的混合气体，燃料指汽油、柴油、天然气等。除了可燃气外，润滑密封容腔油也从进气腔进入。进气腔的有空气和油气的单独进口，进入进气腔的气和油的量是定量供给。

气阀组件9见图10，由转动轮9-1、心轴9-2、连接件9-3、弹簧9-4、气阀9-5等组成，转动轮9-1、心轴9-2安装在连接件9-3上，弹簧9-4套装在气阀9-5上，气阀9-5通过螺纹连接在连接件9-3上。气阀组件安装在转子5上，其U和V部是安装部位；在弹簧9-4的压力下转动轮9-1始终与凸轮压合；在凸轮和弹簧的共同作用下，气阀组件往复运动，实现打开关闭容腔的目的。气阀9-5可以看做是一个单向阀，只有在打开的动作下才能进气排气，在不打开的条件下，即使容腔中的压力远高于进气腔和排气腔的压力，也不得反向泄漏。转动轮9-1是锥形结构，其目的有两个，第一可以保证转动轮9-1与凸轮件纯滚动无滑动，第二可以保证转动轮9-1的旋转中心线方向始终指向转子5的中心线。气阀组件9共2N个，其中进气的气阀组件N个，排气的气阀组件N个。

密封件10安装在进气腔，进气腔的可燃气含油且压力高，密封件10的目的是防止可燃气向外泄漏。

进气腔11是可燃气体的容腔，位于外壳、转子和密封件10之间，燃气体的压力高于排气腔的压力。

排气腔12是燃后气体的容腔，排气的气阀组件排出的气体进入此腔，然后再通过此腔排到大气环境中去。

转子5、转动支撑6的回转中心A与转动支撑2、转壳3的回转中心B有一个偏心e，N个叶片安装后在转子和转壳间形成了N个容腔。每个单独的容腔的外面是转壳内表面①，里面是转子5凹槽底面⑥，还有4个侧面，左右分别是叶片的侧面②③，前后两侧是转子5的凹槽侧面④⑤。如图1所示假设共十八个容腔(具体容腔数目和大小可以根据实际需要设定)，分别用RQ1、RQ2、RQ3…RQ18表示。

在旋转的过程中，转壳3、叶片4、转子5同角速度转动(转壳3在转动时有可能丢转，但量非常小)，每个叶片4每转一圈与转壳3、转子5之间的滑移量总和大致都等于两个偏心量2e，摩擦量极大的减少，降低了磨损，提高了效率。

发动机有一个空气进口。每转发动机的单个容腔的进气量是这样确定的，当容腔的进气阀和排气阀同时关闭的瞬间容腔的容积可以确定为单个容腔的进气量，容腔的气压介于进气腔和排气腔之间。进气腔的进气量由一个和发动机转速相关连的定量泵供应，每转进气量等于容腔数和单个容腔进气量的积，刚好维持排除燃后气体，换好可燃气体。除了空气进口外，发动机还有燃料的进口，供燃料进入容腔。

由于容腔的润滑和密封的需要，容腔中需要一定的润滑密封的机械油，这些油一般从以下两个渠道(或两者之一)加入。1、在进气口，加入适量的润滑密封油到容腔；2、从转子中心加入，转子的中心，有一个油池，辅助系统供给一定压力和流量的润滑密封油进入油池，油在一定压力下一方面润滑密封转子和叶片之间的滑动副，又通过该运动副渗透到容腔之中。上述两个方面加入的润滑油，在离心力的作用下，被甩到油腔外边动壳的上面，并具有一定的油膜厚度；在油的渗透性和离心力作用下，油充斥到发动机容腔结构的转子、转壳、叶片中的每一个运动副之中，使气密封转变成油密封。

2、工作过程

动壳的叶片发动机的工作过程如下(参见图1图2，发动机共18个容腔，假设发动机逆时针旋转)：1、换气过程：发动机的容腔转动到RQ9和RQ10中间的位置时，排气阀打开，这时容腔中的气压仍然高于大气气压，在打开瞬间立即排气，使容腔中的压力迅速降低到接近环境中的大气压力；到达RQ10稍后位置时，进气阀打开，此时进气腔的高于容腔的气压，容腔的气压高于排气腔的气压，在转到RQ10、RQ11、RQ12是进气阀进气，排气阀排气；直到RQ13的位置进气阀和排气阀同时关闭(或排气阀先关闭，进气阀后关闭)，此时换气完成。2、压缩过程：当发动机的容腔转动到RQ14、RQ15、RQ16、RQ17的位置时，发动机的容腔封闭，此时的容积逐步缩小，此时发动机是等熵压缩过程，可燃气体在此过程中压力温度同时升高。3、爆发过程：RQ18瞬间是点火爆发过程，点火器点燃可燃气体迅速燃烧，放出大量的能量，爆发后容腔中的气压、温度急剧增加。4、膨胀做功过程：当转动到RQ1、RQ2、RQ3、RQ4、RQ5、RQ6、RQ7、RQ8的位置时，发动机单个容腔的容积逐步增大，此时是等熵膨胀即对外做功过程，高压气体膨胀并推动叶片对外做功，此过程压力温度逐渐降低，直至排气阀在RQ9和RQ10之间的位置打开排气，到此一个运动过程结束。

上述的过程仅是一个粗略的过程，不同的进排气位置、点火爆发位置亦属于本专利的保护范围内。

3、工业实用性

本实用新型带转壳的叶片式发动机，与传统发动机结构具有本质区别的，将带来革命性的影响。由于现有发动机本身结构原理的限制，其诸多方面的劣势恰恰是本实用新型发动机的优势所在。本实用新型发动机优势：1、转能机能够连续转动，多个容腔同时做功，固定的进气排气位置，可燃气体的混合均匀。2、可以设计的膨胀行程大于压缩行程(四冲程气缸发动机膨胀行程大致等于压缩行程，能量利用率低)，以提高效率。3、发动机相关件之间主要为滚动摩擦，摩擦损失小。4、燃料的要求降低，可以利用气体、液体及其混合物作为燃料。

以上仅为有限列举，发动机的应用不限于此。并且上述原理、效果及应用的描述不作为对本实用新型权利要求保护范围的具体限定。凡是与本实用新型结构相同或以本实用新型构思为基础进行的改进产品均落入本实用新型保护范围之内。

Claims (10)

1.一种叶片式发动机，包括外壳、转子、多个叶片、进气阀组件和排气阀组件，转子与外壳转动连接，其特征在于：

还包括位于外壳和转子之间的转壳，转壳与外壳通过转动支撑件转动连接；

转子侧面圆周形成凹槽，多个叶片沿圆周方向分布在转子凹槽内，且每个叶片沿转子径向设置；

转子、转轴支撑件的回转中心与转动支撑件、转壳的回转中心相互偏心设置；

相邻两个叶片、所述凹槽的底和侧壁、以及转壳内表面构成容腔，从而使得整个叶片式发动机具有多个大小不同的容腔。

2.如权利要求1所述的一种叶片式发动机，其特征在于：转子凹槽内沿转子径向形成多个径向滑槽，叶片分别安装在滑槽中。

3.如权利要求1所述的一种叶片式发动机，其特征在于：叶片外侧具有凹形开口，转壳部分或全部置于上述凹形开口中。

4.如权利要求1所述的一种叶片式发动机，其特征在于：转壳部分或全部设置在转子的凹槽内并与之相配合。

5.如权利要求1所述的一种叶片式发动机，其特征在于：转壳、叶片和转子相互之间均采用气密性接触。

6.如权利要求1所述的一种叶片式发动机，其特征在于：转子一体成型，或组装连接构成。

7.如权利要求1所述的一种叶片式发动机，其特征在于：通过转子中心油池和/或进气口向容腔加入润滑的油，并在离心力的作用下甩到转壳上，使转壳、叶片、转子相互之间的运动副都存在油进行密封。

8.如权利要求1所述的一种叶片式发动机，其特征在于：进气阀组件与排气阀组件位于转子不同侧面。

9.如权利要求1所述的一种叶片式发动机，其特征在于：外壳内侧面具有环形凸轮，进气侧凸轮驱动进气阀组件进气；排气侧凸轮驱动排气阀组件排气。

10.如权利要求8或9所述的一种叶片式发动机，其特征在于：在容积较大的几个容腔中的一个或多个中，进气阀组件和排气阀组件处于换气状态；在容积较小的几个容腔中的一个或多个中，进气阀组件和排气阀组件处于关闭状态。

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