CN212296610U - 连环转子发动机 - Google Patents

Abstract

连环转子发动机，以多个连环分布的同步转子构成变容空间，作为转换装置的核心来进行燃料热能、流体势能、流体动能和机械动能等能量形式之间的转换，由于关键组件种类单一，形状对称，转动平衡，使得整体结构简单紧凑，运行平稳，有利于降低制造和维护成本；在转速受限时可以通过加大长度来提高流量，能在相对较低的转速下工作，也便于在来流方向采用较小的尺寸；在复合结构中便于通过共享组件来提高功重比，在组件充分共享的排列方式之下，单元数量越大，功重比的优势就越显著。

Description

连环转子发动机

技术领域

本实用新型涉及一种发动机。

背景技术

发动机作为一种动力装置，在广义上包括热机、动力泵、涡轮机和电机等能够输出动力的所有装置，狭义上通常指的是应用于车、船和飞机等移动设备中的热机，主要类型有活塞式发动机和喷气式发动机。活塞式发动机利用活塞的往复运动分时完成吸入、压缩、做功和排出的工作循环，输出机械转速和扭矩。活塞式发动机历经百年的发展历程，技术已经相当成熟，但存在与生俱来的缺陷——活塞运动机构必须包括气缸和活塞两种形状和作用截然不同的关键组件，种类不够单一，不利于降低制造和维护成本，在通过增加结构单元数量来扩大功率、平衡运动或减轻工作脉动时，不方便充分共享组件因而机构重复性严重，体积、重量和成本也会以大体相当的比例增加，不利于功重比的提高，而通过简化其它部位的结构来提高功重比很容易就遇到瓶颈；活塞式发动机往往还需要曲柄连杆机构或偏心轮连杆机构来把活塞的直线往复运动转换成圆周运动，传动路径长，结构不紧凑，传动机构占整体结构重量和体积的比例太大；往复运动的惯性会导致震动，克服惯性会消耗能量而影响效率，还限制了转速的提高。相对于活塞式发动机，喷气式发动机的结构和工作流程有了极大的改进，吸入、压缩、做功和排出的四个步骤在流水线式的结构中同时各自连续进行，结构得到了很大的简化，但也存在一些问题——压气机叶片强度要求高，制造工艺难度大；压气机叶片需要很高的线速度，直径越小要求转速越高，难以小型化。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种发动机，弥补现有活塞发动机和喷气发动机一些不足之处，其以多个连环分布的同步转子构成变容空间，作为转换装置的核心来进行燃料热能、流体势能、流体动能和机械动能等能量形式之间的转换，由于关键组件种类单一，转动平衡，使得整体结构简单紧凑，运行平稳，有利于降低制造和维护成本；转子形状对称，可以采用组件共享的排列方式来提高功重比，单元数量越大，功重比的优势就越显著；在转速受限时可以通过加大长度来提高流量，因而能在相对较低的转速下工作，在运动机械中也便于在来流方向采用较小的尺寸以减小阻力。

本实用新型的转换装置包括由多个转子连环分布构成的变容空间；不同的转子可以同步转动；变容空间的容积变化与转子的转动相互关联。

本实用新型的转子的横截面形状为等宽三角形，径向外形为平直形或螺旋形，转换装置的工作方式为——变容空间作为燃烧室，燃气膨胀产生压力而使转子转动输出扭矩；或者，转换装置带有专门的燃烧室，变容空间作为压气机把空气压送到燃烧室，空气在燃烧室升温膨胀后加速流动而产生动力；或者，由系统外或系统自带的上一级动力装置驱动转子来泵排流体而产生反推力；或者，由系统外或系统自带的上一级动力装置向变容空间输入压力流体来驱动转子转动而输出扭矩。

本实用新型有端板、隔板或底板与转子或转轴连接，端板、隔板、底板、转子或转轴上边设置有流体通道，是供排装置的组成部分。

本实用新型带有由螺旋形转子构成的涡轮、阀门或增压装置。

本实用新型的传动方式使得整体结构更为紧凑——带有机械式同步装置，其同时也是减速装置、输出装置、输入装置、动力装置或加强装置，或者，转子由安装在其内部的电机组件来直接驱动。

本实用新型采取的密封措施包括：转子采用具有密封作用的材料制作；或者，转子的棱边嵌有直条或螺旋状的密封条；或者，转子的棱边位置有同时起到密封作用和减阻作用的滚子；或者，转子带有外包层，可以起到密封、吸收变形、抗磨减摩、抗腐蚀、耐热或防污染的作用；或者，转子带有活动的外包层，转子转动时外包层之间相对滚动而外包层与内层之间相对滑动或滚动；或者，转子之间有两端固定的半包围结构柔性密封层；或者，变容空间中心有柔性密封内胆。

本实用新型带有加强装置，可以提高转子的扭转刚度或折弯刚度，或者在电动转子结构中采用内置直驱的方式来减轻扭转变形。

本实用新型带有多个并联的连环结构单元，相邻的连环结构有共享的转子，由此来提高功率重量比。

本实用新型有偏心轴套与转子的转轴连接，可以用来调节转子之间的距离，或者，转子的轴线之间有交角，可以通过轴向移动来调节转子之间的距离。

本实用新型的控制系统带有智能化装置。

附图说明

图1是平直形转子内燃式实施例的A-A轴向视图；

图2是平直形转子内燃式实式施例的径向视图；

图3是螺旋形转子喷气式实施例的B-B轴向视图；

图4是螺旋形转子喷气式实施例的径向视图；

图5是平直形转子喷气式实施例的径向视图；

图6是动力泵实施例的径向视图；

图7是带有活动外包层的转子结构；

图8是带有半固定密封膜的实施例；

图9是组成阀门的螺旋形转子的轴向视图；

图10是变螺距螺旋形转子组成的增压结构；

图11是具有多个连环结构单元的复合结构；

图12是多功能同步装置；

图13是刚性结构的加强装置；

图14是柔性结构的加强装置。

具体实施方式

本实用新型的转换装置包括由多个转子连环分布构成的变容空间；不同的转子可以同步转动；变容空间的容积变化与转子的转动相互关联。参照图1和图2的实施例，三个转轴6与端板5、隔板12和底板14转动连接，呈等边三角形格局分布。转子8在其自身中心位置与转轴6固定连接，以转轴6为自转中心，三个转子8为一组合围形成变容空间，在端板5与隔板12之间、隔板12与底板14之间有两个相位不同的变容空间。转子8的工作段为平直形，其外曲面由直线型母线绕转轴6运动形成，横截面是等宽三角形或以等宽三角形为基础经过修型的曲线或者是包含等宽三角形局部轮廓的曲线，同一转子8上不同轴向位置的横截面形状相同或相似且处在相同的自转相位。三个转子8的转速和自转相位相同，使得它们在同一轴向位置的横截面曲线在转动中可以保持固定的距离，它们在运动平面直接合围形成中心变容空间，或者，相互之间还间隔着密封材料或运动减阻材料；或者，在该连环结构的外周还有与端板5和底板14固定连接的外环6，其与转子8共同构成外周变容空间。中心变容空间或外周变容空间的容积随着转子8的同步转动而发生变化，反过来，当变容空间与外环境存在压力差，并且变容空间容积不处在最小和最大两个极位时，压力差对转子8产生的自转转矩在顺时针和逆时针方向的大小不相等而使转子8转动，由此，转子8构成的连环结构可以作为转换装置进行燃料热能、流体势能、流体动能和机械动能等能量形式之间的转换，两个或更多的相位不同的变容空间与供排装置、输出装置和控制装置配合来交替工作，就能够持续输出动力。有同步装置来使不同的转子8在转动中保持同步，组件包括与转轴6固定连接的行星轮3，以及同时与多个行星轮3传动的太阳轮6。同步装置也可以采用其它结构类型来代替，包括但不限于挠性结构、电子变频式、磁力式、液压式、气动式或者多种结构类型混合使用，转子8甚至还可以只依靠外曲面之间的相互约束自然实现转动同步。本实施例中，转子8为平直形转子，也可以采用图3和图4实施例的转子27那样的螺旋形等宽三角形转子来构建变容空间——同一转子27的横截面在不同的轴向位置相位渐变而使其具有螺旋外形；不同的转子27在同一轴向位置的螺距和螺旋升角大小都相等，横截面形状相同且处在相同的自转相位，因而它们在整个螺旋工作段可以处处共轭或保持固定的距离，合围成中心变容空间；来自三个转子27的三条棱边顺着连环单元的中轴线逐渐聚集或分离，使变容空间在不同的轴向位置有不同的横截面积，在三条棱边同时离连环单元中轴线最近的轴向位置，变容空间的横截面积最小，为三棱汇聚点28，该点可以随着转子27的转动而在轴向移动来吸、排或压缩变容空间内的流体，为了使变容空间两端的入口和出口不能直通，在工作过程中需保持同一时刻至少有一个三棱汇聚点28存在。为实现特定功能，同一个转子可以同时具有平直形和螺旋形的工作段。转子的截面的形状不局限于等宽三角形，也可以是其它满足以下两个条件的任何类型的曲线——一是可以连环分布同步转动形成变容空间，二是转动时能够改变变容空间容积，例如等宽五角形、卵形等宽曲线、长圆形、椭圆形或“8”字形等，构成连环结构的转子数量也不局限于三个。转子之间的同步指的是保持恒定的转速比，或者保持恒定的转速比的同时还保持相同的自转相位。

如图1和图2为内燃式轴输出结构实施例，隔板12上有通道10连接由转子8构成的变容空间与外界，可以作为燃料和空气的输入通道，转轴6上有径向通孔可以在转动中周期性打开或关闭通道10，在端板5上设置有废气排泄通道4，转子8上也设置有小孔9用于向变容空间喷射燃料或空气，都属于供排装置的组成部分；转子8构成的变容空间作为主燃烧室，隔板12上设置有副燃烧室11和火花塞13；轴向排列的两个变容空间工作相位不同，一个容积最大时另一个容积最小，交替在容积较小的一个固定角度位置点火，转子8在两次点火之间的转角差为60度，整体以二冲程节奏完成一个包含吸气、压缩、做功和排出四个过程在内的工作循环，也可以在轴向或径向增加变容空间数量，采用四冲程或别的工作节奏来工作；行星轮3与转轴6固定连接，太阳轮2与输出轴1固定连接并与行星轮3啮合，转子8转动时输出轴1输出转矩和转速；其原理类似于活塞式发动机。图3和图4为喷气式实施例——端板25和隔板29固定在外罩26上，螺旋形的转子27和转子31与转轴24固定连接或采用超越离合器单向结合连接，转轴24与端板25和隔板29转动连接；三个转子27组合形成压气机，而三个转子31组合成涡轮，以相互组合成的变容空间的内部压力作为动力；转子27的螺距和工作长度相对于转子31适当加大，确保有足够的供气量；当转子27转动而使三棱汇聚点28前赴后继从左向右移动时，空气从左端的进气室21经入口22进入变容空间，从右端面经过渐扩增压通道进入带有喷油装置和点火装置的燃烧室30；空气和燃料混合燃烧后膨胀而推动转子31转动来为转子27提供动力或向外输出动力，然后进入尾喷管32，经渐缩通道加速后往外喷出而产生反推力；转子31构成的涡轮也可以采用现有的涡轮代替，或者，转子27采用内置电机直接驱动。喷气式实施例也可以如图5所示，以平直形转子48取代图4的螺旋形转子27，两种结构中对应组件的基本连接方式相同；转子48分为三段，中间较长的平直部分构成主变容空间，两端较短的螺旋部分分别构成左边的入口阀门和右边的出口阀门；变容空间扩张时，入口阀门打开而出口阀门关闭，变容空间压缩时，入口阀门关闭而出口阀门打开；两端的螺旋形部分构成的阀门也可以采用现有的单向阀或其它配流装置来代替；变容空间向燃烧室52脉动式供气，或者在它们之间增加气室来减缓脉动。为了提高效率，喷气式实施例还可以增加风扇、外涵道或桨扇、导流罩、导流锥等结构。图6为带有上一级动力装置的动力泵结构，也可以采用系统外的上一级动力装置；外转子71、内转子72和定子70组成三层结构电机；内转子72带有中心孔来作为流体通道或安装流体管道；外转子71和内转子72转速不同，都带有传动齿，可以分别从内侧和外侧与转子65的转轴62上的齿轮69啮合，对其施加周向力偶，同时还起到减速增矩和同步传动作用；转子65转动时，空气、水或油等流体工质从入口61吸入而从出口68排出产生反推力。本实用新型还可以采用液压或气动结构，作为涡轮机来工作，由系统外或系统自带的向变容空间输入压力流体，驱动构成变容空间的转子转动来输出转矩和转速。前面所列举的各种工作方式在本实用新型中单独使用或混合使用。

如图1和图2所示，隔板12上有通道10连接转子8构成的变容空间与外界，可以作为燃料和空气的输入通道，转轴6上有径向通孔可以周期性打开或关闭通道10，端板5设置有废气排泄通道4，转子8上也设置有小孔9用于向变容空间喷射燃油或空气，都属于供排装置的组成部分。

如图4，三个转子31作为涡轮，依靠相互组合成的变容空间的内部压力作为动力，当空气和燃料在燃烧室30内燃烧时，燃气膨胀产生的压力驱动转子31构成的变容空间内的三棱汇聚点往右移，使转子31转动。如图5和图9，转子48的工作段分为三段，中段较长的平直形部分构成主变容空间50，两端较短的螺旋形部分分别构成左边的入口阀门的入口螺旋段47和构成右边的出口阀门的出口螺旋段49；主变容空间50扩张时，入口阀门打开而出口阀门关闭，主变容空间50压缩时，入口阀门关闭而出口阀门打开；入口螺旋段47和出口螺旋段49各自有三段螺旋棱在周向均布，并且入口螺旋段47和出口螺旋段49的螺旋棱在相位上互相错开；每段螺旋棱在周向上对应的圆周角度为60度，起、迄点设置在图9中用虚直线所标识的平直工作段的横截面中的六个特殊位置；三个转子48同步转动时，入口螺旋段47的三棱汇聚点和出口螺旋段49的三棱汇聚点交替生成和消失，配合主变容空间50的工周期打开或关闭入口或出口；为了入口和出口的三棱汇聚点在衔接上不出现断点，每段螺旋棱在周向上对应的圆周角度可以预留有过渡余量。如图10，螺旋形转子36在全长有两种不同的螺距，形成的变容空间35和变容空间37有不同的容积，空气段在由左向右移动的过程中实现增压；螺距的变化方式可以是分段突变，也可以是连续渐变，还可以像图4的转子27和转子31那样，中间还隔着其它结构。

本实用新型的传动方式使得整体结构更为紧凑——带有机械式同步装置，其同时也是减速装置、输出装置、输入装置、动力装置或加强装置，或者，转子由安装在其内部的电机组件来直接驱动。图12的齿轮结构是图11实施例的同步装置，转轴81上固定着齿轮83，内层和外层的齿轮83通过惰轮84实现同步，外层的所有齿轮83通过齿环82实现同步，齿环82既是同步装置又是减速装置和输出装置，该结构同样也可以安装在前端作为输入装置。图13，在每个转轴86的两端都固定安装有行星轮82，加强套84的两端有齿环与行星轮82啮合，起到同步作用，同时也使转子85两端的行星轮82联动来加强转轴86的扭转刚度。图6为带有上一级动力装置的动力泵结构，外转子71、内转子72和定子70组成三层结构电机；外转子80和内转子72转速不同，都带有传动齿，分别从内侧和外侧与转子65的转轴62上的齿轮69啮合，对其施加周向力偶，输入动力的同时还起到减速增矩和同步传动作用。为了使结构更为紧凑，图6实施例可以改成电机直驱结构，电机设置在转子65的内部，电机转子与转子65固定连接，为了降低扭转变形，电机转子在转子65的全长多点分布同步转动。

本实用新型采取的密封措施包括：转子采用具有密封作用的材料制作，例如高分子弹性材料，在相互接触部位可以直接密封；或者，转子的棱边嵌有直条或螺旋状的密封条；或者，转子的棱边位置有同时起到密封作用和减阻作用的滚子；或者，转子带有外包层，可以起到密封、吸收变形、抗磨减摩、抗腐蚀或防污染的作用；或者，如图7所示，转子包括活动的外包层18和内层19，外包层18与内层19之间有润滑材料或滚子17来降低运动阻力，外包层18的外表面为摩擦面或带有起到传动和密封作用的齿形，使得不同的外包层18之间的运动阻力大于外包层18与内层19之间的运动阻力，在转子转动时，外包层18之间相对滚动；或者，如图8所示，转子8之间有两端固定在外环7上的柔性密封层15，其中间部位动态包络转子8处在变容空间的那部分轮廓，相互之间压紧可以起到密封作用，其与转子8之间有较小的摩擦系数，可以减轻转子8的运动阻力；或者，变容空间中心有自由的柔性密封内胆，两端与变容空间的出口和入口相通，容积可以适应转子的转动而变化。

转子的长度或螺距越长，每一转的泵送量就越大，在出口获得的流速也越大，为了在加大长度的同时提高扭转刚度和折弯刚度，采用图13所示的加强结构——在转轴86的中段设置加强板88把转子85分隔成两段，其端面与转子85活动密封连接，中心孔与变容空间相通，同时与三个转轴86转动连接，防止转轴86受到变容空间内部的压力而往外拱起；在每个转轴86的两端都固定安装有行星轮82，加强套84的两端有内齿环与行星轮82啮合，使行星轮82联动来加强转轴86的扭转刚度；转子85和行星轮82之间有密封盘83与转轴86转动连接，其中心孔与变容空间相通。加强板88也可以设置与转子85同轴的内圆弧面直接约束转子85的外表面的最大直径点，此外，还可以采用图14的柔性加强结构，不可拉伸的柔性加强套89活动包络在转子80的外边防止其变形外拱。在电机驱动转子的实施例中，可以采用内置直驱的方式来减轻扭转变形——电机转子同轴设置在发动机转子的内部并与之固定连接，电机转子的驱动力作用点分布在发动机转子的中段位置，或者全长多点分布而同步转动。

如图11所示的复合结构，由多个转子80组成多个连环单元，相邻的连环单元之间有共享的转子80，在充分考虑共享的排列方式之下，例如，由基本单元逐渐增加转子80的数量并以六边形的形状来排列，连环单元和转子的数量对比为1:3、6:7、24:19、54:37、96:61、150:91、216:127……连环结构单元的增速大于转子80的增速，可以获得的功重比也越来越大，若把外周变容空间的作用也算上效果会更显著。为了消除转子80转动时反扭矩的不良影响，连环单元可以分成转动方向不同的组来相互平衡。

在图2实施例中，转轴6与端板5和底板14之间有偏心轴套15，可以用来调节转子8之间的距离。转轴6的轴线L1与其所在连环结构的中轴线L0平行，或者，不同的轴线L1相对于中轴线L0有统一的倾斜角；转子8在不同的轴向位置的横截面相同，即形状和大小均相同，或者，转子8在不同的轴向位置的横截面形状相似而面积在轴向渐变；由前述的轴线L1与中轴线L0相交或平行以及转子8横截面在轴向变或不变的多种情形可以组合成“轴平行且截面面积无变化”、“轴平行且截面面积有变化”和“轴不平行且截面面积有变化”三种实施例，后两者的转子8可以通过轴向移动来进行磨损补偿；螺旋形转子的实施例也以同样的方式来进行磨损补偿。

Claims (10)

1.连环转子发动机，包括转换装置、输出装置、供排装置、控制装置和结构件，其特征在于：转换装置包括由多个转子连环分布构成的变容空间；不同的转子可以同步转动；变容空间的容积变化与转子的转动相互关联。

2.根据权利要求1所述的连环转子发动机，其特征在于：转子的横截面形状为等宽三角形，径向外形为平直形或螺旋形，转换装置的工作方式为——变容空间作为燃烧室，燃气膨胀产生压力而使转子转动输出扭矩；或者，转换装置带有专门的燃烧室，变容空间作为压气机把空气压送到燃烧室，空气在燃烧室升温膨胀后加速流动而产生动力；或者，由系统外或系统自带的上一级动力装置驱动转子来泵排流体而产生反推力；或者，由系统外或系统自带的上一级动力装置向变容空间输入压力流体来驱动转子转动而输出扭矩。

3.根据权利要求2 所述的连环转子发动机，其特征在于：有端板、隔板或底板与转子或转轴连接，端板、隔板、底板、转子或转轴上边设置有流体通道，是供排装置的组成部分。

4.根据权利要求3所述的连环转子发动机，其特征在于：带有由螺旋形转子构成的涡轮、阀门或增压装置。

5.根据权利要求3所述的连环转子发动机，其特征在于：传动方式使得整体结构更为紧凑——带有机械式同步装置，其同时也是减速装置、输出装置、输入装置、动力装置或加强装置，或者，转子由安装在其内部的电机组件来直接驱动。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的连环转子发动机，其特征在于采取的密封措施包括：转子采用具有密封作用的材料制作；或者，转子的棱边嵌有直条或螺旋状的密封条；或者，转子的棱边位置有同时起到密封作用和减阻作用的滚子；或者，转子带有外包层，可以起到密封、吸收变形、抗磨减摩、抗腐蚀、耐热或防污染的作用；或者，转子带有活动的外包层，转子转动时外包层之间相对滚动而外包层与内层之间相对滑动或滚动；或者，转子之间有两端固定的半包围结构柔性密封层；或者，变容空间中心有柔性密封内胆。

7.根据权利要求6所述的连环转子发动机，其特征在于：带有加强装置，可以提高转子的扭转刚度或折弯刚度，或者在电动转子结构中采用内置直驱的方式来减轻扭转变形。

8.根据权利要求1、2、3、4、5或7所述的连环转子发动机，其特征在于：带有多个并联的连环结构单元，相邻的连环结构有共享的转子，由此来提高功率重量比。

9.根据权利要求8所述的连环转子发动机，其特征在于：有偏心轴套与转子的转轴连接，可以用来调节转子之间的距离，或者，转子的轴线之间有交角，可以通过轴向移动来调节转子之间的距离。

10.根据权利要求1、2、3、4、5、7或9所述的连环转子发动机，其特征在于：控制系统带有智能化装置。

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