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旋轉機械.pdf

摘要
申請專利號:

CN201480003121.X

申請日:

2014.01.07

公開號:

CN105164373A

公開日:

2015.12.16

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):F01C 1/10申請日:20140107|||公開
IPC分類號: F01C1/10 主分類號: F01C1/10
申請人: 彼得·布羅特施
發明人: 彼得·布羅特施
地址: 英國韋茅斯賽特
優先權: 1321080.2 2013.11.29 GB
專利代理機構: 北京匯信合知識產權代理有限公司11335 代理人: 翟國明
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201480003121.X

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.11.28|||2016.01.13|||2015.12.16

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種旋轉流體機械具有內轉子(1)和由固定的支撐結構支承的外罩(3),被布置為使得所述外罩(3)內側上的密封點(5)在密封構件中與所述轉子(1)的外表面相互作用以限定工作室,使得在使用時,所述轉子(1)相對于所述外罩(3)的移動導致流體穿過轉子(1)和轉軸(9)中的管道(10;11;13),在所述工作室和轉軸(9)與支撐結構相互作用的點之間移動。

權利要求書

權利要求書
1.  一種旋轉機械,包括:
內轉子和外罩;
所述轉子在第一軸線上旋轉,且所述外罩在第二軸線上旋轉,所述第二軸線與所述第一軸線平行并且偏離于所述第一軸線;
外部支撐結構,所述外部支撐結構保持所述第一軸線和所述第二軸線彼此對齊,并且,其中,所述軸線相對于所述支撐結構基本固定;
所述外罩在內表面上具有兩個或更多個密封點,所述密封點與所述轉子的外表面相互作用以在所述轉子和所述外罩之間限定兩個或更多個工作室;
所述外表面包括流體傳輸端口;
軸,所述軸附接至所述轉子并且與第一旋轉軸線同心;
所述軸含有與所述第一旋轉軸線大致平行的管道,該管道與所述轉子中的另一管道連接,并且所述另一管道與所述端口連接;
所述管道和另一管道一起形成連續的通道,該通道用于流體從所述端口流至所述軸與所述支撐結構相互作用的點;
其中,該通道連續打開且基本沒有障礙,并且圍繞相對于所述支撐結構基本固定的軸線旋轉;
使得在使用時,所述轉子相對于所述外罩的轉動導致工作室大小改變,從而密封點在整個端口上的相對移動控制所述端口與工作室之間的流體傳輸,并且,其中,對于轉子的給定旋轉方向,所述流體通過所述工作室和所述軸與所述支撐結構相互作用的點之間的通道單向傳輸。

2.  根據權利要求1所述的旋轉機械,其特征在于,所述轉子的外表面與所述第一軸線平行。

3.  根據權利要求1或2所述的旋轉機械,其特征在于,所述密封點與所述第二軸線平行。

4.  根據前述權利要求中任意一項所述的旋轉機械,其特征在于,所述轉子的外表面大致為外旋輪線的形式。

5.  根據前述權利要求中任意一項所述的旋轉機械,其特征在于,所述外罩的內表面大致為外旋輪線的形式。

6.  根據前述權利要求中任意一項所述的旋轉機械,其特征在于,所述轉子具有一個或多個葉片,且所述轉子上葉片的數量少于所述外罩上密封點的數量。

7.  根據權利要求6所述的旋轉機械,其特征在于,所述轉子的表面具有兩個葉片,且所述外罩具有三個密封點。

8.  根據前述權利要求中任意一項所述的旋轉機械,其特征在于,包括:
第二軸,所述第二軸與所述轉子的旋轉軸線同心,并且附接至所述轉子的與所述第一軸相對的一側;
所述第二軸內的第二管道,所述第二管道與所述第二軸的旋轉軸線大致平行,所述第二管道與所述轉子中的另一第二管道連接,且所述另一第二管道與所述轉子的表面內的第二端口連接;
所述第二管道和所述另一第二管道一起形成第二連續通道,該第二連續通道用于流體從所述第二端口流至所述第二軸與所述支撐結構相互作用的點;
其中,所述第二通道連續打開且基本沒有障礙,并且圍繞相對于所述支撐結構基本固定的軸線旋轉;
使得在使用時,流體能通過第一通道通入該機械,并通過第二通道流出該機械。

9.  根據權利要求8所述的旋轉機械,其特征在于,所述軸和第二軸接合在一起。

10.  根據權利要求1至7中任意一項所述的旋轉機械,其特征在于,所述轉子具有與所述轉子內的空隙連接的第二流體傳輸端口,所述空隙連接至與所述外罩基本同心布置的管道,使得在使用時,流體能在第二端口和所述外罩與所述支撐結構相互作用的點之間傳輸。

11.  根據前述權利要求中任意一項所述的旋轉機械,其特征在于,所述軸中的管道利用與所述軸的軸線同心的旋轉密封件與固定的管道連接。

12.  根據前述權利要求中任意一項所述的旋轉機械,其特征在于,所述外罩 包括齒環,該齒環與附接至轉軸的第二齒環嚙合,由此所述轉子和外罩彼此相關地精確地對齊。

13.  根據前述權利要求中任意一項所述的旋轉機械,其特征在于,所述密封點包括離散的條板。

14.  根據權利要求13所述的旋轉機械,其特征在于,所述條板能從外罩外部接近。

15.  根據前述權利要求中任意一項所述的旋轉機械,其特征在于,包括所述轉子上的兩個或更多個流體傳輸端口,其中,所述轉子上的端口位置為使得所述機械如四沖程內燃機一樣起作用。

16.  根據前述權利要求中任意一項所述的旋轉機械,其特征在于,包括所述轉子上的兩個或更多個流體傳輸端口,其中,所述轉子上的端口位置為使得所述機械如流體壓縮機一樣起作用。

17.  根據前述權利要求中任意一項所述的旋轉機械,其特征在于,轉軸內的所述管道與所述轉軸熱絕緣。

18.  根據前述權利要求中任意一項所述的旋轉機械,其特征在于,所述轉子內的所述另一管道與所述轉子熱絕緣。

19.  根據前述權利要求中任意一項所述的旋轉機械,其特征在于,所述管道與所述軸的旋轉軸線同心。

20.  根據前述權利要求中任意一項所述的旋轉機械,其特征在于,包括所述外罩的外表面上的翼片,用于對所述外罩提供冷卻設施。

21.  根據前述權利要求中任意一項所述的旋轉機械,其特征在于,所述外罩的外表面上的所述翼片通過所述支撐結構中的第一出口吸入空氣,并通過所述支撐結構中的第二出口將所述空氣吹出。

22.  根據權利要求20或21所述的旋轉機械,其特征在于,所述外罩上的翼片壓縮空氣,所述空氣被導入發動機的進氣通道。

23.  一種基本如前文參照附圖所述的以及如附圖中所示的旋轉機械。

說明書

說明書旋轉機械
背景技術
許多不同種類的旋轉機械和壓縮機是已知的。長久以來的目標是用旋轉機械代替往復壓縮機和發動機,然而當然在發動機的情況下,現今已經成功并廣泛應用的非常少。
在旋轉機械領域,已得到最多發展和應用的設計是已知的汪克爾發動機。然而,這存在許多問題的不足,其中之一是內轉子密封件產生的磨損問題,另一問題是其不是真正的旋轉機械,因為還存在離心移動部件,這些離心移動部件通常要求存在兩個平衡的轉子,或者由旋轉的平衡體構成的應用。此外,在內轉子上定位頂端密封件是指這些不能在不完全拆下整個發動機的情況下更換。
能使用汪克爾設計并使內轉子和外殼同時軸向旋轉,由此沒有離心組件,如在最初的版本里為DKM發動機。然而,在這種設計的情況下,密封點位于內轉子上,這意味著含有進氣口和排氣口的滑動表面必須位于外罩或外殼中。這意味著密封點掃過以控制流體轉移的這些端口和管道必須位于外罩中。難以制備使氣體從旋轉外罩上的管道到發動機外所需的密封設置。
已公開了不同設計的旋轉發動機和壓縮機,它們具有在偏移的平行軸上旋轉的兩個轉子。這些的實例是GB764719、DE2916858、FR1124310和DE3209807。首先考慮GB764719,該設計公開了將流體傳輸至工作室以及從工作室傳輸流體的管道,這些管道位于機械的軸內。然而,這些管道從工作室延伸穿過轉子,然后進入基本靜止的軸,這需要位于這兩個組件之間的密封設置。在該設置中,利用圍繞該軸旋轉的轉子控制流體至工作室和來自工作室,意思是指該機械需要同時產生工作室(內轉子和外轉子之間的空間)的密封件和控制流向工作室/來自工作室的流體。此外,內轉軸中的端口和管道是雙向的,其能減緩流體行進,并且它們還永久地連接至工作室,由此增大有效腔室體積,并減小機械的 可能的壓縮率。對于將流體傳輸至工作室,DE2916858、FR1124310和DE3209807都相近。
庫利提議了一種與本發明非常相似的發動機(US724994),使用兩個軸向旋轉的轉子。在他的設計中,進口路線和出口路線經過外罩和殼之間的滑動密封件,這使得該設計有問題并易泄露。
許多其它旋轉機械設計公開了使氣體進入工作室以及從工作室排出的方法,然而,大多數設計具有包含多個移動部件的相對復雜的管道,這導致密封以及來自熱的廢氣的熱量傳輸的問題。
本發明的目的是克服一些下述問題,此前已知的旋轉機械具有離心組件和往復組件的平衡和機械問題、密封件更換問題、熱氣與組件的部件隔離的問題,以及這些其他設計的通常整體復雜的問題,這是使氣體或工作流體從機械外部進入工作室以及從工作室排出的難題。
發明內容
本發明涉及一種被設計用作發動機或壓縮機的旋轉機械。更具體地,本發明涉及一種機械,其中滑動密封點位于外殼或外罩中,且密封點滑動的表面形成中心轉子的一部分,導致流體經由內轉子上的一個或多個端口傳輸。由此,利用橫跨這些端口移動的這些密封點控制流體流入位于轉子和外罩之間的工作室和從該工作室流出,并且這些端口中的至少一個與轉子和轉軸中的管道連接,該管道被制成連續的并且與所述端口是一體的,并且延伸至所述機械的外部。以此方式,該管道是單向的,這意味著,取決于機械旋轉方向,該管道要么一直將流體傳輸至工作室中,要么一直將流體從工作室中輸出。
該配置的原理上的優點是流體可經由轉子和軸中的簡單管道在機械的端口和外部之間傳輸,而沒有額外的控制設施、密封件或額外的移動部件的復雜性。這使得轉子和外罩都能軸向旋轉,從而形成真正的旋轉機械。在該機械與熱的氣體一起使用時,例如用作內燃機時,圍繞固定軸線,轉軸的簡單的旋轉性質,以及其包圍的管道是指利用同心的旋轉密封件容易實現對另一管道或導管的密 封,此外還容易使管道相對傳入發動機組件內的熱傳輸絕熱。
另一優點是密封點可從機械外部接近,使得能容易更換,以及開創使用更便宜或磨損更快的材料的可能性。
可見,在提供直接鄰近端口和管道的流體控制設施方面存在多種優點,包括:該管道是單向的,因此流體流可在一個方向上是連續的,而不會來回擺動,以及管道的體積不會變成工作室的一部分,這將減小機械的最大壓縮。
因此,根據本發明,提供一種旋轉機械,包括:
內轉子和外罩;
所述轉子在第一軸線上旋轉,且所述外罩在第二軸線上旋轉,所述第二軸線與所述第一軸線平行并且偏離于所述第一軸線;
外部支撐結構,所述外部支撐結構保持所述第一軸線和所述第二軸線彼此對齊,并且,其中,所述軸線相對于所述支撐結構基本固定;
所述外罩在內表面上具有兩個或更多個密封點,所述密封點與所述轉子的外表面相互作用以在所述轉子和所述外罩之間限定兩個或更多個工作室;
所述外表面包括流體傳輸端口;
軸,所述軸附接至所述轉子并且與第一旋轉軸線同心;
所述軸含有與所述第一旋轉軸線大致平行的管道,該管道與所述轉子中的另一管道連接,并且所述另一管道與所述端口連接;
所述管道和另一管道一起形成連續的通道,該通道用于流體從所述端口流至所述軸與所述支撐結構相互作用的點;
其中,該通道連續打開且基本沒有障礙,并且圍繞相對于所述支撐結構基本固定的軸線旋轉;
使得在使用時,所述轉子相對于所述外罩的轉動導致工作室大小改變,從而密封點在整個端口上的相對移動控制所述端口與工作室之間的流體傳輸,并且,其中,對于轉子的給定旋轉方向,所述流體通過所述工作室和所述軸與所述支撐結構相互作用的點之間的通道單向傳輸。
所述轉子優選具有與所述轉子的旋轉軸線大致平行的外表面,所述外罩優 選具有與所述外罩的旋轉軸線大致平行的內表面。
所述內轉子的外表面優選大致為具有一個或多個葉片的外旋輪線的形式,然而,其它適宜的形狀也可被用于轉子的外表面,當然前提是在使用中,外罩的密封點保持與轉子表面的接觸或非常接近。優選地,所述外罩的內表面也大致為外旋輪線形狀。
轉軸可附接至轉子的一側,或者它可通過轉子從一側延伸至另一側。在另一構造中,可使用兩個軸,轉子的每一側上一個。
轉子和外罩優選被安裝在框架、結構或殼中,以使外罩和轉子的軸線相對于彼此精確地定位。
所述轉子的表面通常可具有兩個葉片,且所述外罩具有三個密封點,但其他構造也是可能的,例如具有三個葉片的轉子和具有四個密封點的外罩。許多其它組合也是可能的,通常使用葉片比外罩上的密封點少一個的轉子。
轉子可包括第二端口、第二管道和第二另一管道,其中該第二管道優選位于軸上與第一管道相對的一端,使得在使用時,流體將在轉軸的一端進入機械,而在另一端流出。
或者,轉子可具有與轉子內的空隙連接的第二流體傳輸端口,該第二流體傳輸端口還經由外罩內的管道與機械外部連接,使得在使用時,流體將通過外罩軸進入機械,并通過轉軸流出,或者流體將通過轉軸進入,并通過外罩軸流出。
轉軸中的管道可經由旋轉密封件與附接至機械外部的固定管道、導管或支管連接。
形成通道的管道和另一管道可被制成為整體的,即為一體的,并且不是由單獨移動的部件構成。
外罩優選包括內齒輪,該內齒輪與附接至轉子的外齒輪嚙合,從而使得這兩個部件以相對于彼此正確的關系移動,從而使密封點和表面之間的內在磨損最小。
密封點可包括可移動的條板,該條板可便利地從外罩外部接近,使得它們 能易于更換。
利用使用兩個葉片的轉子的設計,優選在轉子上的合適位置處設置一個進口和一個出口,以使得機械能作為四沖程內燃機運行,或者可替代地,相似的兩個葉片的設計通過在轉子上的合適位置處提供兩個進口和兩個出口可被用作泵或壓縮機。
當上述機械用作發動機時,可圍繞上述外罩的周邊設置火花塞。可提供將燃油添加至發動機以及調節進入發動機的空氣流的設置,例如噴射系統或汽化器,它們可便利地附接至支承轉子和外罩的框架,并且流體傳輸出口和管道可與廢氣系統連接。
在用作發動機時,廢氣優選經由轉軸中的通道排出所述機械。可對通道的內表面提供熱絕緣體,以防止熱的廢氣過度加熱轉子和/或軸。通道的一致的性能有利于該絕緣體的設置。
附圖說明
圖1示出了發動機與旋轉軸垂直的組件的剖面圖;
圖2示出了轉子逆時針旋轉90度后圖1中的發動機組件;
圖3示出了與旋轉軸配合的圖2中的發動機的剖面圖;
圖4示出了密封點的更改;
圖5示出了具有四個端口的壓縮機;
圖6示出了包括轉子和外罩的發動機,其中,轉子具有四個葉片,外罩具有五個密封點;
圖7示出了轉軸的更改。
具體實施方式
現將參照附圖僅以示例的方式說明本發明。
首先參見圖1,這示出了根據本發明的四沖程內燃機的主移動組件19,為便于觀察,使這些組件保留原位的結構均未示出。在該發動機中,內轉子1圍 繞外罩3內的軸線2旋轉,該外罩3圍繞與軸線2偏離的軸線4旋轉,旋轉方向用箭頭2r和3r表示。該實施方式中的轉子具有兩個葉片40,且外罩具有三個密封點5。這些密封點被包括在具有可移動的密封條6的彈簧機構7和固定板8。外罩3和轉子1以2:3的比例分別以不同速度按同一方向旋轉。由于轉子表面的外旋輪幾何形狀和轉子與外罩的相對速度,這些密封點與轉子表面保持滑動的氣密密封。轉軸9是圓柱形的,并在中心包括管道10。離觀察者最近的轉軸中的管道通過終止于轉子的外表面中的端口12(入口)處的轉子延伸至另一管道11,該管道、該另一管道和端口形成通道17。離觀察者最遠的軸(未示出)中的管道通過轉子延伸至管道13,并終止于端口14(出口)。該第二管道、第二另一管道和第二端口形成第二通道18。三個工作室A、B、C由外罩和轉子表面中的密封點的相互作用形成。本領域技術人員將看到,使用時,轉子和外罩的旋轉導致工作室大小變化,如在標準四沖程發動機中一樣,結合進口和出口的位置,這導致氣體被吸入、壓縮、燃燒和膨脹,然后被排出。在該圖中,轉子和外罩之間的室A處在將氣體通過出口14排出的過程中,氣流方向用箭頭表示,且室B是通過進口12吸入氣體,同樣用箭頭表示氣流。室C處于用于點火的完全壓縮位置。外罩可包括一個或多個用于承載大部分壓縮氣體的燃燒腔15。火花塞16在最大壓縮點處點燃壓縮氣體。
圖2示出了轉子逆時針旋轉90度,外罩相應旋轉60度后圖1中所示的轉子和外罩。室A體積減小,室B已達到最大體積,且室C剛開始膨脹。由此可看出旋轉產生了與四沖程發動機循環相配的氣流。
注意兩個嚙合齒輪在外罩50和轉子51上的定位。這些齒輪確保了轉子以與外罩正確的關系移動,從而防止轉子表面和外罩表面(密封點除外)之間的接觸,并且減小了應力以及對外罩、密封點和轉子表面的磨損。
圖3示出了按照發動機37的旋轉軸線的剖面圖,該發動機37具有如圖2所示的相對位置相同的轉子和外罩,并且包括圖2中未示出的其他組件。支撐結構20利用軸承23使轉子21和外罩22定位在合適位置。轉子圍繞其周邊24裝配有側密封件,它們抵靠外罩22的內側(外罩的密封點在該圖中未示出)形 成密封。轉子28中的端口與轉子中的管道27連接,該管道27延伸至軸25中的管道26,并且與軸和轉子的旋轉軸線43平行且同心。管道26延伸至點41,在點41處軸經由軸承23與支撐結構相互作用,該管道構件包括工作室A和點41之間傳輸流體的通道e-f。可見該通道是整體的,因為它由結合在一起的部件界定,而不是由相對于彼此能移動的部件構成。軸25和管道26在其中的延續部分延伸超出點41至軸終止之處42。旋轉密封件35將軸密封至支撐結構,使得管道進一步延伸至附接到支撐結構的固定管道44。可看出,在超過41朝向42的各個點處,具有整體管道的軸在固定軸線43上旋轉,與支撐結構相關,并且鄰近該支撐結構,這意味著從點41向上遠離轉子,可容易地設置氣體向發動機傳輸或者將氣體傳輸至發動機。
第二端口29與軸36中的轉子和管道31中的管道30連接,該構件包括用于在室B和點45之間傳輸流體的第二通道,在點45處軸36與支撐結構相互作用,在此情況下,通過靠近其來相互作用。該軸延伸超過點45,并且該管道用密封件34抵靠支撐結構形成密封。
將熱絕緣體38裝配至軸36以保護其不受熱的廢氣影響。另一熱絕緣體39被裝配至轉子中的管道30。可見,因為形成通道g-h的管道是整體的并且一起移動,因此它使得圍繞該通道安裝該絕緣體更容易實現。
將高壓電流施加至電極32,該電極32接近位于發動機處于最大壓縮位置時的點的火花塞33,從而引起燃燒。
圖4示出了圖1的實施方式的密封點的變體,其中密封點60與外罩61接觸,并通過保持非常接近于轉子62來實現氣密密封。
圖5示出了具有兩個入口70和兩個出口71的壓縮機。這使用了和圖1的發動機相同原理的大小可變的室,但省略了燃燒/膨脹循環,而是對轉子的每個360度旋轉進行兩次壓縮循環。
圖6示出了包括外罩101與轉子103的發動機,外罩101具有五個密封點102,轉子103具有四個葉片104。在該構件中,具有兩對端口110,111是必要的。可見,該構件因為轉子的對稱結構在機械上和熱膨脹方面都是平衡很好的轉子。
圖7示出了對圖3中所示發動機的更改。轉軸80延伸至發動機外部。廢氣通過該軸排出,該軸包括用于保護發動機組件不受氣體熱量影響的絕緣體82。消音器81被裝配至軸,可見該消音器隨軸旋轉。
圖8示出了對圖3中所示發動機的更改。轉子90包括向空隙92敞開的端口91。用于流體的通道從該端口,穿過空隙,并通過一系列孔洞93進入外罩的軸94,該軸94與外罩旋轉軸線同心,直至外罩軸與支撐結構127相互作用的點。該通道進一步延伸通過支撐結構96中的管道95,并且利用密封件97和126密封。在本發明的該實施方式中,支撐轉子的軸98可制成實心的,或者可包含如前述實施方式中的管道。在轉子90的另一側,第二端口120與具有熱絕緣體124的轉子中的管道121連接,該管道121進一步延伸至也具有熱絕緣體125的第二轉軸99中的管道。這形成了從端口120至軸與支撐結構相互作用的點122,并且進一步延伸至出口管道123的連續通道m-n。上文已經闡述了這種通道m-n構造的益處,特別是在用于發動機熱的廢氣側的時候。進口通道不是連續的,不是整體的,因此需要更多的密封件以有效地起作用,并且此外更難以絕緣,然而,它具有比m-n更大的橫截面,因此能更有效地傳輸氣體的優點。該通道p-q在此處用于允許冷的進氣進入至發動機中。
圖9示出了對圖3中所示發動機的更改。發動機130具有外罩131,其具有形成在其外表面中的許多翼片132。當外罩旋轉時,這些翼片132用作扇片,通過支撐結構中的出口133吸入空氣,并且將空氣通過出口134吹出。借助于翼片提供的增大的表面積,橫穿外罩的空氣使得外罩冷卻。可見,這是旋轉發動機外罩的益處,因為它消除了對外部冷卻系統的需要。同時還示出了對設計的改進,由此通過出口134出來的空氣穿過管道135-136,并進入發動機137的進氣通道。本領域技術人員將理解,這將增大進入空氣的壓力,由此對發動機提供更高的功率輸出。
圖10示出了沿著旋轉軸線觀察的圖9的外罩131的視圖,并示出了彎曲的徑向翼片141的構造。可提供形成在支撐結構中的其它翼片(此處未示出),它們可與外罩翼片141相互作用以提供額外的空氣壓縮。

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