CN86201565U - 双圆式气动机 - Google Patents

Abstract

一种旋转式气(汽)动机械特点是，当具有一定压力的气(汽)体作用于密封在汽道内的滑块上时，滑块滑动并带动转轮旋转，转轮轴则直接形成扭力输出。它克服了活塞机的曲轴转角(正弦)损耗、活塞往返时的惯性损耗；也克服了汽轮机的泄漏汽流损耗、端壁和二次流损耗以及排汽损耗等。因此用于蒸汽发电、蒸汽机车和其他以气体压力为推动力的机械中，可节省能源。如果采用本机，以压缩空气为推动力而制成的小型代步工具，将优越于充电小型交通机械。

Description

本适用新型是一种以具有一定压力的气体（含蒸汽在内，以下通用气书写）为推动力的连续旋转的动力机械。

现有的以气体的压力做为动力的机械主要有：活塞式蒸汽机、叶片式蒸汽轮机和其他叶片式气动机。（即以压缩空气为动力的机械）前两种机械一般用于获得大功率输出的机械，如蒸汽机车、火力发电和其他蒸汽动力机械，后一种一般用于小型高速旋转机械方面。活塞式蒸汽机为人类的进步作出了划时代的伟大贡献，然而它美中不足的是存在有：活塞往返时的惯性损耗；连杆与活塞运动方向之间的夹角损耗；上下两止点间的曲轴旋转角度损耗等。叶片式气轮机后来居上，得到了广泛的应用，但它的缺点是：有间隙洩漏气流损耗；有反射气流损耗；有侧压损耗和排气压力损耗等。以上两种机械的这些损耗，目前还没有克服的有效办法。

本适用新型的目的是提供一种具有活塞式机械的较好的密封性能，又具有叶片式气轮机械的连续转动的特点的新型动力机械，以节省能源。

本适用新型是以如下的方式实现的：在一个圆形的金属圆盘上，设置有一个圆环形沟槽，将一个两边带有突起台阶的圆环，镶入圆盘的沟槽之内，形成一个如圆形铁桶状。在圆环内，安装一个直径小于圆环直径的转轮，该转轮的轴心与圆环的圆心，采用“不同心”的位置组装。使转轮与圆环形成一边较宽、像“月牙”形状的汽道；另一边则间隙很小、又不能相互摩擦的密封之处。在转轮上设有滑块。此滑块在弹簧和旋转时离心力的作用下，始终触及“月牙”形汽道圆环的内壁上。滑块的作用是直接承受气压，带动转轮旋转。在转轮上，安装有密封环、密封块等，其功用是阻止有用气体洩漏。最后，还要有一个与前面提到的相同的圆盘，盖在转轮、圆环等组合体的上面，与转轮保持应有的小间隙，对准圆环上的凸起台阶、盖好、固定，把转轮密封在其中，这就是双圆式气动机的汽道装置。归纳起来就是：两个圆盘，中间夹固着一个圆环，内中安装一个转轮总成，转轮轴装配在两个圆盘的轴孔上。这就是一台单汽道的双圆气动机、类似一台单缸活塞机。如果有三个圆盘，中间夹固着两个圆环，内中安有两个转轮，这就是一台两汽道的双圆气动机。以此类推，双圆式气动机可以有多个汽道组成。为了抵消由于“不同心”的安装引起的振动，如果是两个或者两个以上汽道的双圆机，就要将两个汽道的最宽处错开，形成180°的“相位”差；如若采用三个汽道的双圆机，则其汽道的安装“相位”差应是120°。另外，由于汽道的厚度不同，滑块的重量也不同，所以既要考虑角度配合，又要考虑重量的匹配，以达到抵消振动，平稳运转的目的。

双圆式气动机与现有的活塞式蒸汽机和蒸汽轮机相比，有制造简单、节省能源的可取之处。下面通过图6，首先与活塞式蒸汽机加以对比。

图6（一）是活塞机曲轴从0°开始运转图。图6（二）是与（一）相对应的曲线。图6（二）的横座标是活塞机曲轴旋转的角速度，用（ω）表示。纵座标是蒸汽压力，用（P）表示。线（1）表示一恒定汽压的蒸汽输给活塞机，也就是作用在活塞顶部的压力。虚线（2），是当活塞受到来自（1）的汽压后，垂直向下移动，而连杆的另一端则随曲轴做圆周运动，所以连杆倾斜于活塞移动方向，形成连杆夹角，这样连杆传给曲轴的力就有了损耗。分析表明，这一夹角损耗是以余弦的方式出现的，并附在线（1）的下方，我们称它为“余弦”损耗。这一损耗的大小，决定于曲柄长度和连杆长度。反映在图形上则是线（2）占去了线（1）以下的一些面积。曲线（3）是曲轴实际接收到连杆传来的压力后，在旋转过程中所能输出的扭力曲线。图6（一）与图6（二）两图是对应着的，不难看出，图6（二）是一个正弦曲线，所以我们也可称曲轴的这一损耗为正弦损耗。这个正弦损耗是较大的，占去了线（1）以下，从0°～180°之间的两个近似三角形的面积，实际有效功率是正弦形所含面积，此正弦所含面积占（1）线以下，从0°～180°方形面积内的0.635倍。（即： (π)/2 ）如果再减去连杆的余弦损耗，曲轴输出的有效扭力也只有活塞受力的0.6倍左右了。因此可以认为：一切由移动变成转动的机械，都存在着“正弦”损耗和“余弦”损耗。以上的分析还没包括活塞往返时（含连杆往返时）的惯性损耗。总的来说，活塞机的效率不算是高的。

图6（三）是双圆机的工作曲线图。横座标是双圆机旋转的角速度，在此令它与图6（二）的角速度相等，用（ω）表示。纵座标是气压，用（P）表示。线（1）与图6（二）的线（1）相同，均为相等的一恒定汽压作用在活塞机和双圆机的工作部件上。线（4）是双圆机的工作部件（即滑块）受到来自线（1）的压力曲线；也是转轮半径受到线（1）的压力形成力矩的曲线；也是双圆机轴实际输出的扭力曲线。从气压输进来，到转轮轴输出扭力，中间没有其他转換损耗，（摩擦力除外）而是直接形成输出扭力的。另外，活塞机的工作行程最大也只能在曲轴转角的180°以内，而双圆机可以超过180°，它的工作行程可达到270°～280°的旋转角度，工作行程延长了许多。在设计过程中，只要将它的排汽孔设在距离进汽孔270°～280°左右的弧度处即可。当滑块运行到排汽孔时，线（4）突然下降，表示废汽排除。在对活塞机和双圆机都不考虑摩擦力的情况下，从图6中可以看出：双圆机比活塞机的效率是高的，至少，也高出1倍以上。所以说双圆机是节省能源的。

其次，再将双圆式气动机与蒸汽轮机简单加以比较。

蒸汽轮机的第一个问题就是：漏汽损耗。转子叶片的顶端同涡轮机圆筒（机匣）的内壁之间存在着间隙（3），这就导致一部分汽流由此流到叶片背后。另外，转子叶片间也存在有一定的漏汽汽流。第二就是反射汽流。当高压蒸汽以与涡轮轴相平行的方向吹向叶片时，由于叶片的面积和角度不同，所以就产生了不尽相同的反射汽流，这些反射汽流相互作用、“入射”汽流与反射汽流在叶面上的相互作用等，损耗了一部分汽体的动能。第三就是汽流与涡轮旋转方向的转換损失。蒸汽流吹向涡轮的方向，并不是涡轮旋转的方向而是成90°。当蒸汽流（或入射汽流）作用在大约成45°角的叶片上时，使叶片上面承受着两个主要的力：一个是对涡轮产生“侧压”的轴向力；另一个是反射汽流的“反作用力”，促进涡轮旋转的是后一种“反作用力”。“侧压”力消耗在对涡轮的轴向损失上。因为反射汽流的反射方向不尽相同，所以它所形成的反作用力，也不是全都能转換成旋转力的。第四就是排汽损失。涡轮式蒸汽轮机，排出的汽流较大，排出的汽温也较高，静压也较大。

双圆式气动机由于密封性能较好，能将气体压力直接转換成所需要的扭力，中间环节损耗很小，所以它较蒸汽轮机效率高。

双圆式气动机的最高转速将是低于汽轮机、高于活塞机的。

以下结合附图，对本适用新型的结构、作用等作进一步描述。

图1是双圆式气动机（无上盖圆盘）的俯视略图。

图2、3是双圆式气动机的转轮、密封环、密封块的视图。

图4是双圆式气动机滑块总成图。

图5是双圆式气动机多个汽道组合示意图。

图6是双圆式气动机与活塞式蒸汽机耗能对比图。

首先参照图1，说明双圆式气动机的工作原理和各部件的构成及作用。

由蒸汽锅炉或具有一定压力的空气容器中送来的气体（2），经过进气管（1）和圆环（4）上的进气孔（3），而进入“月牙”形汽道（10）中，并作用在滑块（7）上。汽道（10）是由圆环（4）和转轮（5），因采用“不同圆心”的装配所形成：这就是转轮（5）的直径小于圆环（4）的直径，在确保一个方向上（即图1的上方）间隙最小、且又不互相摩擦的前提下，则在另一个方向上（即图1的下方）就形成了如“月牙”形的空间，在转轮（5）与圆环（4）的两侧面，再加盖上如同锅盖似的圆形端盖，这样    就形成了“月牙”形空间汽道（10）了。（6）是转轮上的密封块，它安装在转轮的键槽图2的（24）之中，中间装有弹簧片图2的（27），使密封块靠近滑块（7）的侧面，其作用是对汽道内气体起密封作用。滑块（7）是安装在转轮上的，它在弹簧（9）和离心力作用下，其顶部始终触及圆环（4）的内壁上。滑块（7）的两侧，也同样有密封付滑块图4的（70）密封汽道。当滑块（7）受到外来气压（2）以后，向下移动，同时就带动着转轮做顺时针方向（图1中F方向）旋转，滑块（7）则又在椭圆形“轨道”内滑行并申缩着。滚珠（8）是保证滑块（7）申缩自如、减少摩擦力的装置。（20）是装在转轮上的密封环，在转轮的两个侧面，共有4个，也是起密封汽道的作用的。密封阀（15）安装在圆环（4）上，它的作用是密封转轮（5）同圆环（4）之间的间隙的，使进气道与排汽道互不相通。特别是在密封阀（15）的尾部下方，有一个成90°的台阶（18），它是抵抗强大进气压力的，使进气道的高压气体，不能顶起成90°台阶的阀而“短路”流到排汽一侧去。（16）是小弹簧，它弹挤着密封阀（15），使其与转轮（5）的边缘相接触。（17）是安密封阀（15）的键槽。

双圆式气动机工作过程就是：高压气体（2）经过进气孔（3）而进入汽道（10），对汽道内各处和滑块（7）的表面，都产生相等的压力，作用在滑块（7）上的力便直接产生力矩，此力矩的大小，等于滑块（7）表面积（S），乘以滑块（7）到转轮（5）的轴心点（O）的距离（H），再乘以作用在滑块（7）表面上的压力（P），即：

M＝P·S·H

从图1中可以看出，输进来的气压（2）有多大，作用在滑块（7）上的气压就有多大，而这个气体压力，由滑块（7）的长短，加上转轮（5）的半径，就形成双圆机的力矩，此力矩也就是本机的输出扭力。（14）是加强、固定圆环（4）的瓦片。（11）和（13）是排汽孔与排汽管。

双圆式气动机弧形“轨道”的行程，从进气孔到排汽孔超过180°，最大可达280°左右，滑块（7）的行程长、效率高。汽道弧度的“长短”，取决于排汽孔位置的设置。

图2、3是转轮及其密封部件图。

密封环（20）应安装在转轮环槽（22）之中。密封环销钉（21）套上小弹簧（26），并对准环槽内的销钉孔（25）方可安装密封环（20）。转轮每一面放两个密封环，一个转轮上共放四个。密封环（20）在小弹簧（26）的作用下，轻微接触到两个端盖（图4）的内侧，起密封作用。（23）是安装滑块总成的转轮缺口。（24）是转轮上的键槽，是放密封块（6）的地方，其间放进弹片（27），在弹片（27）作用下，密封块（6）接触滑块（7）的侧面，在滑块申缩时，它与滑块产生接触摩擦，使汽道内汽体不洩漏。每个转轮上安装滑块的数量视需要而定。转轮的厚度是决定双圆机马力大小的因素之一。离心锤（28）是抵消滑块（7）对圆环（4）内壁上的压力。

图4是滑块组合（或称滑块总成）图。

滑块组合主要是由滑块盒和滑块两部分组成。组合情况是：将滑块（7）上的起着密封作用的付滑块（70），放入滑块槽内，使定位销（71）套上小弹簧（72），插入滑块的定位孔（73）之中，这样上下两个付滑块（70）在小弹簧的张力下，向外微张，同时触及到上、下两个端盖之中的内部平面。付滑块（70）一方面随同滑块（7）转动和申缩，另一方面密封汽道。另外再将滚珠组合（8）放到滑块滚珠槽（67）内，将滑块（7）连同滚珠组合（8）一起，放进滑块盒（63）内，并使滚珠组合（8）对准滑块盒的滚珠槽（66）。同样在盖上滑块盒盖（61）之前，使滚珠组合（8）下面对准滑块滚珠槽（67），上面对准滑块盒盖的滚珠槽（64），然后盖好盒盖（61），最后将滑块盒盖（61）与滑块盒（63）固定好。至此，滑块组合已组装成为一体，开始装进转轮的缺口（23）之中，调整、固定好滑块盒于转轮上，此时滑块（7）在滑块弹簧（9）的作用下，向外申张，并可申缩自如。转轮上的滑块数量，视需要而定。

图5是多个汽道组合成的双圆机示意图。

由多个汽道组合成的双圆式气动机，其安装“相位”差可以有不同的角度，例如：180°、120°、90°、45°等等。本图的四个汽道，是采用180°的汽道“相位”差设计、装配的，即第1汽道同第2汽道相差180°；第2汽道同第3汽道相差180°；第3汽道同第4汽道相差180°所以是第1汽道与第3汽道是同“相位”的；第2汽道与第4汽道是同“相位”的。（7）是表示申出的滑块。（5）是转轮。（4）是圆环。（43）是端盖、隔板和转轮共同轴的位置。

本适用新型适用于：具有一定压力的气体，（含蒸汽）为推动力的旋转机械。可用在以蒸汽为动力的火力发电、蒸汽机车、和一些工厂所用的蒸汽动力机上。在以压缩空气为推力的机械中，如航空、航天的某些启动机、工厂用的一些气动机，以及风能压缩空气发电、海能压缩空气发电等。

实施本实用新型，除了在已有的压气（或蒸汽）机械方面试用以外，也可在小型交通、运输工具方面试制。据初步估算，一台“BJ－30”电瓶车，蓄电池重近1000公斤，充一次电要耗能35～40千瓦，行走约20公里，扭力输出近2公斤／米。如果我们将蓄电池換成容积为1米³的贮气瓶，将电动机換成双圆机。将1米³容积的气瓶充进50公斤／厘米²的大气压，需电能5千瓦左右，用此气源推动一台扭力近2公斤／米的双圆机，可行走十几公里。如果用充电瓶车的电能（约40千瓦）来加大对贮气瓶充气，或者扩大贮气瓶容积，则此运输车能行走近百公里。优点是重量轻、造价低，无污染。

由于本适用新型是气动的，又较其他气动机节省气源，所以着手开发利用压缩空气这个二次能源，是有前途的。如用于短途、小型运输方面，或者成为我国人民的代步工具上，可进行一些尝试。它的优点无污染，低噪声，构造简单。

以照双圆式气动机的形式与构造，是可以设计成双圆式内燃机的，从而构成另一项发明。

Claims (5)

1、由圆环(4)、端盖(42)和转轮(5)、滑块组合(7)组成的双圆式气动机，是以气(汽)体压力为推动力的转动机械，其特征是由于转轮(5)的轴心与圆环(4)的圆心是采用不同圆心的方式安装，从而在圆环(4)、转轮(5)与端盖(42)之间，形成了一个“月牙”形空间即汽道(10)，在汽道(10)的两端设有进汽装置与排汽装置。

2、根据权利要求1所述的气动机，其特征是由于转轮（5）与圆环（4）是不同心安装的，所以一边形成了较宽的月牙形汽道，另一边形成了较窄的密封之处。

3、根据权利要求2所述的气动机，其特征是密封之处有密封阀（15）、弹簧（16）、键槽（17）以及固定加强瓦片（14）等组成一个密封阀组合。

4、根据权利要求1所述的气动机，其特征是转轮（5）与滑块（7）上分别设有密封环（20）、密封块（6）和付滑块（70）等密封装置。

5、根据权利要求1所述的气动机，其特征是转轮（5）上设有离心锤（28），用来减少转轮在高速旋转时滑块（7）对圆环（4）内壁上的压力。

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