CN103527252A - 一种叶片式能量转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叶片式能量转换装置，包括外壳、转子、多个叶片、介质进口和出口以及转壳，转壳与外壳通过转动支撑件转动连接。采用本发明能量转换结构的泵和马达，具有更高的能量转换效率，节约能源，具有较大的经济效益。

Description

一种叶片式能量转换装置

技术领域

本发明涉及一种叶片式能量转换装置，尤其是可用作马达或泵的动壳的叶片式能量转换装置。

背景技术

热能是低等能量，不能直接转换成机械能。人们普遍采用压缩介质(例如水和空气)，再使压缩后的高压介质吸收热能，使容积和温度增加或汽化，最后使高压气体介质膨胀推动马达产生机械能。外燃机就是这样的一种发动机，它首先使介质(空气或水)通过泵进行压缩形成高压介质；然后再通过热源加热压缩后的高压介质，使介质的吸收能量后体积膨胀或汽化，形成具有相同气压更大容积和温度的气态介质；最后利用高压介质再推动马达产生机械能。

本专利所述的叶片式能量转换装置是高压介质与机械能之间的转换装置，即包括输入机械能和低压介质，输出高压介质的泵；也包括输入高压介质，输出机械能和低压介质的马达。

叶片式能量转换装置的应用十分广泛，可用于外燃机的泵和马达；做泵使用时可以对某个需要的系统提供更高气压的气源；做马达使用时可以制作输出机械能的气动工具、机械，这些工具在相同的体积下可以输出更高的扭矩、功率，而且其能量转换的效率会有一定的提高。

采用叶片式能量转换装置的外燃机，从其用途讲，除了发电外，还广泛的用于车船的牵引，用于野外的驱动装置；从所用能源讲，可以采用固体、液体、气体燃料燃烧的热能，地热能，太阳能或者其他能够增加高压介质温度的其他能量。

目前广泛采用煤、核能和水能发电的能量转换设备是汽轮机和涡轮机。汽轮机采用的是冲击原理来推动涡轮转动的，当功率很大性能才更能凸显出来；要产生冲击力，需要介质具有很高的速度才能实现，介质要实现很高的速度是需要能量的，这些能量被浪费掉了，故汽轮机和涡轮机不可能使所有的高压介质能全部转化为机械能。另外，汽轮机和涡轮机存在体积庞大，制作成本高，小功率的设备不能使用的缺点。

由于存在上述缺点，导致目前利用能源的效率低、能量损失大，由此带来能量浪费大，环境污染等各类问题；导致中小型发动机不能采用固体燃料。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，如果有更高效率的发动机，现有的发动机由于能耗较高逐渐要被淘汰。假设效率提高一倍，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

本发明的叶片式能量转换装置即可用作泵也可用作马达。泵的作用是输入机械能和低压介质，通过机械能将吸入的介质在泵内压缩，输出高压介质；马达的作用是将气态的高压介质能转化成机械能，是通过气态的高压介质在马达中的容腔中膨胀做功，来实现输入高压介质，输出机械能的目的。具体结构是通过“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。为了便于吸气和排气，本发明的外壳直接接触容腔进气和排气。

一种叶片式能量转换装置，包括外壳、转子、多个叶片、介质进口和出口，转子与外壳通过转轴支撑件转动连接，其特征在于：

还包括转壳、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用于安装叶片，转子沿圆周方向具有多个叶片，且单个叶片沿转子径向设置；

转子和转轴支撑件的回转中心与转动支撑件和转壳的回转中心相互偏心设置；

相邻两个叶片、所述转子凹槽的底和侧壁、以及转壳和外壳的内表面构成容腔，从而使得整个叶片式能量转换装置具有多个容腔；

介质的进口和出口位于外壳。

更进一步，转壳分成两部分，分别安装在外壳左右两侧的转动支撑件上，其内圆表面与外壳的内圆表面一起形成容腔的一个表面。

更进一步，转壳与外壳的接触面形成油膜接触和密封。

更进一步，通过向位于转子中心的油池加入适当压力的润滑油，使容腔在高压下仍能保证叶片与转壳压合。

更进一步，叶片外侧具有凹形开口，转壳部分置于上述凹形开口中。

更进一步，转壳设置在转子的凹槽内并与之相配合。

更进一步，转壳、转子、叶片、外壳之间接触的部位采用气密性接触。

更进一步，外壳上加工油孔，注入油或液体对容腔中的各部件进行密封和润滑。

更进一步，转子由两个部分连接构成或一体成型。

更进一步，叶片式能量转换装置用作马达使用，容积空间容积最小时对应的外壳上具有介质进口；容积空间容积从大变小的半圈对应的外壳上具有介质出口。

更进一步，叶片式能量转换装置用作泵使用，介质压缩到一定压力的部分对应的外壳上具有介质出口；容积空间容积从小变大的半圈对应的外壳上具有介质进口。

附图说明

图1为A-A剖面叶片式能量转换装置的主视图。

图2为B-B剖面用作泵的叶片式能量转换装置的剖视图。

图3为B-B剖面用作马达的叶片式能量转换装置的剖视图。

图4为C-C剖面叶片式能量转换装置的剖视图。

图5为叶片式能量转换装置外壳的D-D剖视主视图。

图6为叶片式能量转换装置外壳的E-E剖视图。

图7为叶片式能量转换装置转子的主视图。

图8为叶片式能量转换装置转子的拆去一半的侧视图。

图9为叶片式能量转换装置叶片的主视图。

图10为叶片式能量转换装置叶片的侧视图。

图11为G-G剖面叶片式能量转换装置的剖视图。

具体实施方式

1、机械结构

如图1、图2、图3、图4、图11所示，能量转换装置由外壳1、转动支撑件2、转壳3、多个叶片4、转子5、轴承6和介质的进气口7、介质的出气口8等部分组成。

外壳1见图5和图6所示，是气动叶片泵或马达的基础构件，在外部与泵或马达的基础相连；内部通过转动支撑件2和转轴支撑件6分别提供对转壳2和转子5的支撑；介质进口7和出口8也设置在外壳1上，其内部直接与容腔接触，外部分别连接低压和高压介质；外壳的内部表面①与转壳的内表面在一起形成叶片泵或马达容腔的一个表面；外壳1的两个侧面②与转壳相配合，由于此表面是高速滑动的表面，注油口③向此表面注入合适压力的润滑油，使外壳1的表面②与转壳相配合的侧面在高速运动中形成油膜，即保障密封性，又减小摩擦力。通过外壳向内表面①注入润滑油，润滑密封叶片4与外壳1之间的摩擦和间隙。

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，只要能实现转壳在外壳下转动，同时装配工艺上又好实现即可。

转壳3是一个环形零件，在本发明中分成一左一右两件，中间夹有外壳1的内凸出的中间部分。转壳3的内圆柱表面与外壳1的表面①形成了容腔的一个表面。两个端面一个和转子5接触，另一侧和外壳1滑动表面②接触。外圆通过转动支撑件2与外壳1相连。

叶片4的结构如图9和图10所示，叶片的数量与容腔相同。叶片外侧有凹形开口，总宽度为M+2N，宽度为N的部分高于宽度为M的部分。装配时，宽度为N的部分正好装在转子5深度为N的滑槽内，然后再连同转子一起卡在转壳3的外面。宽度为M的部分其横截面上带圆弧转动时顶在转壳3上并与转壳3的圆相切。叶片的表面⑦⑧形成了腔的两个侧面。

转予5的结构如图7图8所示，由直径φ1的圆柱和直径为φ2的两个圆柱，以及安装轴承轴承位和力矩输出或输入的轴组成。转子上开有多个槽，供装多个叶片；这多个槽加工到直径φ2的圆柱上，深度为N。由直径φ1圆柱和直径为φ2的两个圆柱形成凹槽结构，待与叶片装配在一起后，这个凹槽卡在转壳的外面。总成后，转子侧面④、⑥和直径φ1的外圆⑤形成了容腔的三个侧面。因为配装和加工的需要，转子设计成两体结构，配装时用多个螺栓使两个把紧在一起。以上结构可以分别组装构成，也可以一体成型。转子的中心有油池，油池内加入一定压力的油，一方面起推动叶片使叶片压紧转壳的作用，另一方面起润滑密封的作用。

转动支撑件6外部安装在外壳上，内部提供对转子5的支撑，可以是各种形式的轴承、滚珠、滚柱等，只要能起到滚动支撑作用即可。

进气孔7和出气孔8分别是能量转换装置(泵或马达)的介质进口和介质出口，设置在外壳上，其内部直接和容腔相连。图2是做泵用的的叶片式能量转换装置的剖视图，图示共18个容腔，气孔7是介质的进气口，内部直接分别与PQ1、RQ2----RQ9相连，外部连接低压气源或环境的空气；气孔8是介质的出气口，出气口的内部连接的容腔数量与出口的气压有关，但至少与PQ18相连，还可与RQ17、RQ16等相连，出口的气压越低，连接的容腔越多；出口的外部连接高压气源。不与进口和出口相连的容腔是压缩容腔。图3是B-B剖面用于马达的叶片式能量转换装置的剖视图，图示共18个容腔，气孔7是介质的进气口，内部直接分别与RQ18、RQ1相连，如果高压气的气压低，还可能与RQ2甚至RQ3相连，外部连接高压气源；气孔8是介质的出气口，出气口内部与RQ10、RQ11…RQ17相连，出口的气压低，一般与环境的大气相连。

由上述结构组成的能量转换装置(泵或马达)，最后组成了多个容腔，容腔的数量可根据设计确定，并不一定是附图中的18个。转动支撑件2以及转壳3所确定的中心(包括外壳1的①部分)，与支撑件7和转子5所有确定的中心有一个偏心e，这样容腔的容积大小不同，且在转动中按照规律变化。根据不同的用途，起压缩介质或使介质膨胀作功的目的。

图4所示，转子5与转壳3(包括外壳1的①部分)有一个偏心e。转子5的凹槽外径与转壳3的内径之间的距离最小为y，最大为x。其相互关系为x=y+2e。而x/y的比值与介质膨胀比正相关。当y=0时，转子5与转壳3直接相切接触，此接触点还有密封的作用，可以用于一侧是高压介质，另一侧为低压介质的场合。

叶片式能量转换装置，其转子、叶片、转壳同角速度转动，转壳和外壳径向之间的连接是转动支撑2，是滚动摩擦。但是由于外壳直接进行了进气和排气，而外壳是不转动的，故存在两个滑动摩擦环节，其一即转壳3与外壳1接触圆环表面②的滑动摩擦，另一个是叶片和外壳之间的滑动摩擦。对于转壳与外壳之间的滑动摩擦，参见图5，在油孔③中注入一定压力的润滑油或其他液体，使高速滑动的转壳与外壳之间形成油膜，油膜会降低两者之间的摩擦力；对于叶片与外壳之间的滑动摩擦，可以采用转壳和外壳之间的相互高度来解决，即使转壳相对于外壳高一个定量(这个定量很小，以微米为单位)，叶片的径向力主要由转壳来承受，外壳受正压力很小，故摩擦力也很小。

叶片式能量转换装置质量的一个重要标志是密封性。参见图1、图2、图3、图4、图11，叶片式能量转换装置共有18个容腔，每一个容腔应避免或减小向其他容腔以及叶片式能量转换装置的内外泄漏。以RQ4为例，在RQ4和RQ5及RQ3之间，由于存在压力差，高压容腔有通过叶片4与转壳3之间的接触间隙向低压容腔泄露的可能性；高压介质有通过转子5与外壳1之间的间隙向外泄露的可能性；高压介质有通过叶片4与转壳3和转子5的间隙向外泄漏的可能性；高压容腔还有通过转子5与叶片4间的滑槽向低压容腔泄露的可能性；更为重要的是，高压介质有通过叶片与外壳之间的间隙向其他容腔泄露的可能性，以及通过外壳与转壳之间的滑动间隙向外泄露的的可能性。所以，叶片与外壳之间的间隙应该很小。解决泄露的方法可以通过提高加工精度、减小装配后的间隙来达到。同时，本发明提供了另外一种方式用于改进密封性：在外壳上加工油孔，使各个容易泄露的部位有充分的油或其他液体使气密封改为液态密封；在相关的零部件表面形成一层二硫化钼的表面，也有助于润滑和密封。在转子的中心的油池内，加入适当压力的润滑油，可以推动叶片压向转壳，防止因容腔的压力过大使转壳与叶片之间产生间隙。

2、工作过程

泵的工作过程

参见图2，假设泵共分为18个容腔，分别为RQ1、RQ2----RQ18，RQ1----RQ9为进气口，RQ17、RQ18为排气口。假设转子逆时针旋转，RQ1----RQ9进气，到达RQ10时整个容腔封闭，在旋转的过程中，由于容腔的容积缩小，容腔内的介质在外力的作用下压缩，气压上升，温度上升，直至RQ17、RQ18的位置，当到达该位置时，高压气体从气道8排出泵。做泵使用的能量转换装置，图4中的尺寸y=0，转子的凹槽内径与转壳的内径相切接触，RQ18中的高压气体不能通过接触点向RQ1泄露。泵连续的旋转，吸入的气体被外力连续压缩成高压气体。

马达的工作过程

参见图3，假设马达分为18个容腔，分别为RQ1、RQ2----RQ18，RQ18和RQ1为进气口，RQ10-RQ17为排气口。假设转子逆时针旋转，我们单看RQ18这个容腔，高压高温气体从进气口7进入RQ18，马达继续旋转，到达RQ1时仍然进气，到达RQ2位置时，整个容腔封闭，在旋转的过程中，由于容腔的容积增大，容腔内的介质体积膨胀并对外作功，直至RQ9的位置，当到达该位置时，气体从气道8排出马达，从RQ10直到RQ17，排气结束。每一个容腔都如此反复循环，气体膨胀过程是对外的作功过程，机械能通过转子5的轴输出。即动壳的叶片马达连续的输入高压介质能，输出机械能。

做马达时，转子5可以与转壳3及外壳1相切，也可以不相切。

性能优点

本发明所提供的叶片式能量转换装置，包括泵和马达，可以实现高压介质能与机械能的相互转化。

叶片式能量转换装置，所采用的是气体膨胀或压缩的压力差实现与机械能的转换，转换过程中有较小的摩擦力和较好的密封性，而且气体在膨胀或压缩过程中能源被充分利用，具有良好的连续工作能力。相比较汽轮机，能量利用率高，体积小，节约制造成本，而且不仅适用于大功率的装备，也适用于小功率的装备。综上所述，叶片式能量转换装置有以下意义：

(1)做外燃发动机使用，可替代汽轮机并显著提高效率，节约能源，保护环境。

(2)做外然发动机使用，由于体积小并且采用固体燃料，可以做车船驱动的发动机，减少对石油的依赖。

(3)可以有效的利用太阳或地热及其他能源发电或驱动其他机械。

(4)做泵使用的叶片式能量转换装置，可以提供更高压力的的气源，做马达使用的叶片式能量转换装置，可以制造更大扭矩，更高效率的工具和机械。

Claims (11)

1.一种叶片式能量转换装置，包括外壳、转子、多个叶片、介质进口和出口，转子与外壳通过转轴支撑件转动连接，其特征在于：

还包括转壳、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用于安装叶片，转子沿圆周方向具有多个叶片，且单个叶片沿转子径向设置。

转子和转轴支撑件的回转中心与转动支撑件和转壳的回转中心相互偏心设置。

相邻两个叶片、所述转子凹槽的底和侧壁、以及转壳和外壳的内表面构成容腔，从而使得整个叶片式能量转换装置具有多个容腔。

介质的进口和出口位于外壳。

2.如权利要求1所述的一种叶片式能量转换装置，其特征在于：转壳分成两部分，分别安装在外壳左右两侧的转动支撑件上，其内圆表面与外壳的内圆表面一起形成容腔的一个表面。

3.如权利要求1所述的一种叶片式能量转换装置，其特征在于：转壳与外壳的接触面形成油膜接触和密封。

4.如权利要求1所述的一种叶片式能量转换装置，其特征在于：通过向位于转子中心的油池加入适当压力的润滑油，使容腔在高压下仍能保证叶片与转壳压合。

5.如权利要求1所述的一种叶片式能量转换装置，其特征在于：叶片外侧具有凹形开口，转壳部分置于上述凹形开口中。

6.如权利要求1所述的一种叶片式能量转换装置，其特征在于：转壳设置在转子的凹槽内并与之相配合。

7.如权利要求1所述的一种叶片式能量转换装置，其特征在于：转壳、转子、叶片、外壳之间接触的部位采用气密性接触。

8.如权利要求1所述的一种叶片式能量转换装置，其特征在于：外壳上加工油孔，注入油或润滑液对容腔中的各部件进行密封和润滑。

9.如权利要求1所述的一种叶片式能量转换装置，其特征在于：转子由两个部分连接构成或一体成型。

10.如权利要求1所述的一种叶片式能量转换装置，其特征在于：叶片式能量转换装置用作马达使用，容积空间容积最小时对应的外壳上具有介质进口；容积空间容积从大变小的半圈对应的外壳上具有介质出口。

11.如权利要求1所述的一种叶片式能量转换装置，其特征在于：叶片式能量转换装置用作泵使用，介质压缩到一定压力的部分对应的外壳上具有介质出口；容积空间容积从小变大的半圈对应的外壳上具有介质进口。

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