吸气/压缩旋转机构、旋转式压缩机和旋转式发动机的制作方法

本发明涉及高效的吸气和压缩旋转机构，特别是在如油泵、液压电机、液压变速箱的压缩机和真空或液压系统领域中，具有安装在两个轴上并由一对匹配齿轮驱动的活塞块的压缩机构，特别是使用该机构来产生一个具有多压缩级、力产生级和持续燃料燃烧状态的旋转电机的应用。

背景技术：

目前在实际应用中有许多压缩或真空旋转机构，如螺杆式压缩机、叶轮泵、旋转叶片鼓风机、离心式风扇等。每种类型都有自己的优缺点。例如，双叶片旋转鼓风机的流量大，结构简单，但由于密封性差，压力低，螺杆式压缩机的工作压力相对较高，但通常必须用油密封，因此应安装复杂的滤油系统等。

目前的旋转叶片空气压缩机，如鼓风机、螺杆式空气压缩机，旋转叶片之间或旋转叶片与压缩机室壳体之间的密封位置通常以“线”的形式暴露，该“线”作为具有不同曲线半径的两个曲面的接触。

通常，旋转式压缩机或旋转真空比往复式压缩机具有更简单的结构和更高的流量，但是返回式压缩机难以保持其工作室密封，因为难以产生绝对的精度，并且难以将密封旋转芯和室壁之间的间隙或旋转芯之间的间隙的部件放置在一起。

具有产生力的平移运动机构的发动机有以下缺点：

-必须有将平移运动转变为旋转运动的机构，如连杆、曲轴等。这使得往复式发动机的结构复杂化，制造成本高，发动机难以维持其动平衡，维修保养方式复杂。

-对于往复式电机，进入燃烧室的进气流量不稳定，在高速旋转模式的情况下，进气的惯性延迟会降低进气效率，在高速旋转模式下，增加容量的能力迅速降低。如果要增加发动机容量，必须使用附加的增压系统。

-平移运动部件的功率损耗随着电机转数的平方比而增加。产生作用在发动机支架上的大的动态载荷也遵循相同的比率，从而缩短发动机部件的寿命。

技术实现要素：

本发明的目的是创造一种旋转式压缩机构，其具有：

结构简单，易于制作；

泄漏少，效率高；

不使用润滑油或密封油；

全旋转平衡；

流量大；

平衡泵内部压力产生的力；

摩擦力小；

轻松提高发动机功率。

为了实现上述目标，本发明提供了一种具有旋转叶片(类似于鼓风机)的旋转式压缩机构，但具有特殊的结构以增加密封性。本发明中的新型旋转叶片结构在具有相同半径的弯曲表面之间提供紧密接触，该紧密接触是一种“表面对表面”的接触，其密封性比“线”接触好得多。请注意，这里的“接触”一词是象征性表示，因为实际上有必要避免旋转叶片之间或旋转叶片与压缩机室之间的实际接触，以消除工作过程中可能导致压缩机部件的损坏的摩擦，而且在工作过程中为压缩机部件的热膨胀创造空间。密封位置的“表面对表面”接触有利于在旋转芯和泵室之间或旋转部件之间的所有间隙处安装密封部件。同时，旋转芯的轮廓不需要精确制作，同时仍不影响泵室的密封性。

然而，基于压缩结构必须是固体结构、完全动平衡和制造简单的事实，所以此处的旋转叶片结构分为两个主要部分：

-主叶片：由于其密封部件都是如在往复式压缩机活塞中一样“表面对表面”的形式，我们可以称它为旋转活塞。它是压缩机构的主要工作部件。这些主旋转叶片对称地安装在副叶片的两侧。

-副叶片：其结构与现有叶片式压缩机中的旋转叶片相同，密封位置为“线”接触。然而，与压缩机构的所有密封部件相比，这些密封位置非常小，因此压缩机构的密封效果高于传统的旋转叶片机构。尽管该副叶片也部分地参与压缩，但其主要用途是放置主旋转部件并驱动主叶片。该副叶片部分直接安装在驱动轴上。此处我们称之为支承板。

为了压缩机的高效率，本发明还为活塞的顶面和支承板提供了特殊的轮廓。两者都具有相同的基础轮廓，并且对这些轮廓进行改变以适应其不同的工作要求，这将在后面讨论。

本发明还涉及具有类似于基于旋转压缩结构的燃气轮机的燃料燃烧和力产生膨胀模式的旋转式发动机。这种发动机循环类似于燃气轮机循环，即布雷顿循环。与燃气轮机的唯一区别是在此处气体的运行是在封闭空间中，而燃气轮机中气体的运行是在开放空间。发动机以这样的模式运行，即由燃烧室中的压力加载的进气压力远高于汽车循环发动机的进气压力。因此，这些旋转电机需要一个以上的压缩级来实现高负载压力和进气效率。使用上述新型压缩机构的旋转电机有两个选项。两个选项都适用于布雷顿循环。

附图说明

图1a是示出处于独立状态的压缩机的总体结构和主要细节的概况的透视图；

图1b是示出工作位置细节的纵向截面图；

图2是示出活塞和活塞板厚度的比较的可拆卸部件的透视图；

图3是示出如何创建活塞轮廓和支承板基线的示意图；

图4是示出活塞边界和基本参数的影响的示意图；

图5是示出支承板边缘和基本参数的示意图；

图6是示出可以安装密封杆的位置的剖视图；

图7是根据选项1的发动机原理的示意图；

图8是示出根据选项1的发动机运行级的示意图；

图9是示出根据选项2的发动机运行原理的示意图；

图10是示出活塞和活塞板的主要轮廓轨迹的示图。

具体实施方式

图1：压缩机的总体结构和主要细节的概述：

一对驱动齿轮(1)紧固在两个轴(11)上，它们相应地驱动活塞一起工作；由于形成泵室的泵壁上的定位支架，泵壁(2)和泵壳(4)精确地组装在一起；滚珠轴承(5)是支撑轴的轴承，轴放置在从泵壁(2)突出的气缸(3)中；弹簧(6)也设置在气缸(3)中，其一直将密封环(7)推到靠近支承板(9)的一侧，以密封气缸(3)的顶面和支承板(9)的一侧之间的间隙；

支承板(9)紧固在轴(11)和活塞(8)上；活塞(8)对称地安装在板(9)的两侧，并通过轴(11)的旋转中心对称，这使围绕轴(11)的整个块完全平衡，同时提高了整个单元在运行期间的承载能力；扫描杆(12)密封活塞(8)内部和气缸(3)周围之间的间隙；

扫描杆(13)密封气缸(3)的凹面和相对的活塞(8)的外侧之间的间隙；扫描杆(14)密封泵室(4)内部和活塞(8)外部之间的间隙；密封板(10)密封活塞(8)侧面和泵壁之间的间隙。

图2：活塞和活塞板厚度的对比图

活塞的厚度是d，支承板的厚度是d。d/d的比越小，运行越好，只要其能保证泵运行时板的耐久性。

图3：创建活塞顶部和支承板轮廓的基础曲线

假设我们有3个点a、o、p和平面b。点a在平行于平面b并且通过两个点o和p的平面内绕点o以半径为oq旋转。平面b以与点a相同的角速度绕点p旋转，但方向相反。点a将在平面b上绘制一条曲线，该曲线是创建活塞顶部和支承板轮廓的基础曲线。

(在图上：当点a绕点o旋转角α，平面b也绕点p旋转角α但方向相反，那么点a在平面b上的投影就是曲线sq)。点a的oq转弯半径将是活塞的外半径或支承板的半径。图4：描述如何创建活塞轮廓和基本参数

活塞顶部的轮廓

在上图中，我们有4个成对对称的活塞块，活塞p1通过轴线t1与活塞p2对称，活塞p3通过轴线t2与活塞块p4对称。活塞块在由压缩机壳和气缸c1和c2限定的空间内反向旋转。

活塞顶部的轮廓由两条曲线ab和bc构成，其中曲线ab是基础曲线abd的一部分，基础曲线abd是上一部分提到的曲线。曲线bc通过穿过旋转中心t2和点b的直线ef与基础曲线的剩余部分bd对称。

活塞另一端的轮廓与旋转中心对称地对齐，使得活塞的两个顶点和旋转中心形成的角度为90度。角度gkh将为90度。

对于活塞叶片，一直有h<(r1+r2)，这是气缸c1和气缸c2上凹曲线段存在的条件，即，长度mn>0。

这种新型压缩机构具有增加的气缸c1和c2，这两个气缸安装在压缩机室的壁上，其中心轴线与活塞块的旋转中心重合，气缸的外半径分别与活塞块的内半径重合。这些气缸被圆弧mn凹切，圆弧mn的半径对应于活塞块的外半径，圆弧mn的中心与相对的活塞块的旋转中心重合。气缸的长度等于活塞块的宽度。这使活塞块的密封完全成为“表面对表面”接触，与现有的旋转叶片压缩机相比，压缩机的密封性显著提高。

对称活塞块在支承板上的安装是为了使压缩机的整个旋转运动完全平衡，压缩机可以在高旋转模式下运行，提供压缩机的高耐用性和高流量。

r1、r2和r3的不同大小比率以及两个旋转中心t1和t2之间的距离h将产生具有不同压缩流量和压缩比的压缩机。斜线部分pv1是活塞p1、p2、气缸和压缩机壳的外侧和顶侧限定的体积。斜线部分pv2的体积小于当活塞p1、p4在旋转期间形成封闭空间时由气缸c1、c2和活塞p1、p4的顶侧上的曲面mn限制的体积。

活塞顶部的轮廓不涉及密封，即两个轴线上的两个活塞的活塞顶部不需要相互接触，实际上在运行期间它们之间的间隙大小完全由设计者选取。密封完全取决于泵室内表面、活塞体表面、气缸外表面和支承板侧面之间的间隙。活塞顶部的轮廓仅用于优化压缩比，以提高压缩机的效率。这使压缩机的结构更简单。加工活塞顶部轮廓、支承板轮廓和该对驱动齿轮时的精度，不像其他旋转叶片压缩机那样严格。

图5：描述支承板的轮廓和基本参数。

支承板是金属板，其厚度比活塞的厚度小得多，支承板在压缩机室的中间位置安装在压缩机的旋转轴上，位于气缸c1和c2的两端之间。支承板的前边缘在结构上类似于活塞头的前边缘，但是有一个小得多的曲线bc，该曲线bc位于轮廓支承处顶部，其目的只是“钝化”支承板的尖锐边缘。支承板的半径r3可以近似认为是支承板的外半径r1。支承板的轮廓实际上是活塞轮廓的特殊情况，当r1+r2＝h时，在这种情况下曲线长度mn＝0。

dv1是由支承板的轮廓、压缩机壁和压缩机壳限定的体积分数。

dv2是当两个支承板和压缩机壁形成封闭空间时，它们的两个轮廓所限定的体积。

支承板的主要任务是将具有旋转轴的活塞块安装到均匀的旋转块中，支承板也可以像具有“线”的形式的旋转叶片的压缩机的旋转叶片那样非常小部分地参与压缩，然而，因为支承板的厚度与活塞块的厚度相比非常小，所以它不太影响压缩机的密封性。

支承板的厚度仅设计得足够耐用，以避免压缩机工作过程中的损坏。活塞块可以单独制造，然后安装在支承板上，也可以与支承板整体制造。支承板的外半径等于活塞块的外半径，因此整个块的外半径为r1，这使压缩机的腔室形状变成简单的圆柱形，与传统的螺杆式空气压缩机或叶片式鼓风机的机械腔室非常相似，制造简单，没有任何特殊之处。

结合活塞和支承板，有以下基本参数：

压缩机的压缩比为e：e＝(pv1+dv1)/(pv2+dv2)

压缩机的流量为v：v＝4(pv1+dv1)*转速。

由于支承板的厚度与活塞块的厚度相比较小，所以压缩机的压缩比主要是pv1和pv2之间的比值的结果。

r1、r2、r3和h的比值产生不同的压缩机压缩量和压缩比，当设计的流量增加时，压缩比减小，反之亦然。

两个h轴线之间的距离可能在以下范围内波动：

h＝1.35r1至1.75r1

活塞r2的内半径可能在以下范围内波动：

r2＝0.45r1至0.8r1

半径r3在以下范围内划分活塞顶部轮廓：

r3＝r2+0.5(r1-r2)至

r3＝r2+0.6(r1-r2)

压缩比e将为：e＝6至30

其中r1是活塞的外半径。

如果泵的所有密封部件都由合适的材料制成，例如低摩擦、耐磨、耐热的材料，压缩机将不需要油来润滑或密封。

图6：可以安装密封杆的位置：

扫描杆(14)放置在泵壳上，以密封活塞外侧和泵壳内壁之间的间隙；扫描杆(12)放置在气缸(h1.3)上，以密封活塞内部和气缸(h1.3)外部之间的间隙；密封板(10)安装在活塞上，以密封活塞侧和泵壁(h1.2)之间的间隙；密封板(7)安装在气缸的端部，以密封气缸顶部(h1.3)和支承板侧面(h1.9)之间的间隙；扫描杆(13)安装在气缸(h1.3)上，以密封气缸(h1.3)的凹面和相对侧的活塞外侧。

图7：根据选项1的发动机工作原理示意图：

空气通过主压缩机(20)的入口。在初次空气压缩之后，空气被送入气罐(22)，并继续进入二次压缩机(21)。高压空气通过单向阀(23)进入燃烧室(23)。此处，燃料通过高压喷嘴(25)与压缩空气混合，在燃烧室(24)中喷射。燃烧气体被引导到力产生级。当旋转气体分配阀(26)打开进气室(27)并关闭活塞顶部的腔室时，燃烧气体通过进入进气室(27)。当旋转气体分配阀(26)关闭进气室(27)并打开活塞顶部的腔室时，热空气将膨胀并产生能量。

旋转气体分配阀(26)根据电机轴的旋转速度而被驱动，使得空气分配和膨胀过程平稳。

每个力产生级有4个活塞，所以在压缩层的一次旋转中将有燃烧气体的4个膨胀过程。

腔室(27)在活塞膨胀体积上的比例可以达到1∶25或更大，从而利用燃烧气体的膨胀能量，提高发动机的效率。

压缩级和力产生级由一对齿轮通过两个主动轴驱动。旋转气体分配阀(26)由皮带齿轮对(29)和(30)驱动，皮带齿轮对(29)和(30)以与发动机轴相同的速度旋转。

此处的原理图显示发动机有两个连续的压缩级和两个平行的力产生级，压缩或力产生层的数量取决于目标或实际要求可能更多或更少。

图8：根据选项1对发动机运行级的描述：

h8-a：旋转阀(rv)是具有门入口和出口的中空管；皮带轮(n2)通过齿形皮带或链条连接到驱动轴上，并随着与电机轴相同的速度旋转的空气阀(rv)传递到皮带轮(n1)；在每个旋转阀(rv)上，一个力产生级有4个气体门：门1、2、3和4；门1和门2与门3和门4沿阀门错开；腔室(l)和(r)也按以下顺序交替放置：门1和门2对应腔室(r)放置，门3和门4对应腔室(l)设置；在每个产生力的级有4个活塞，所以在压缩层的一次旋转中将有燃烧气体的4个膨胀过程。

空腔(27)在活塞膨胀体积上的比例可以达到1∶25或更大，从而利用燃烧气体的膨胀能量，提高发动机的效率。

压缩级和力产生级由一对齿轮通过两个主动轴驱动。旋转气体分配阀(26)由带齿轮对(29)和(30)驱动，带齿轮对(29)和(30)以与发动机轴相同的速度旋转。

此处的原理图显示，发动机有两个连续的压缩级和两个平行的力产生级，压缩或力产生层的数量可能或多或少取决于目标或实际要求。

图8：根据选项1对发动机运行阶段的描述：

h8-a：旋转阀(rv)是具有门入口和出口的中空管；带轮(n2)通过齿形带或链条附结到驱动轴上，空气阀(rv)以与电机轴相同的速度旋转时，传送至带轮(n1)，；在每个旋转阀(rv)上，一个力产生级有4个气体门：门1、2、3和4；门1和门2与门3和门4沿阀门错开；室(l)和(r)也按以下顺序交替放置：门1和门2对应空腔(r)放置，门3和门4对应空腔(l)设置；高压下的燃烧气体通过管道(gl)穿过门2和门3进入旋转阀(rv)；燃烧气体开始在高压下通过管道(gl)穿过门2和门3进入旋转阀(rv)；燃烧气体开始从腔室(l)膨胀到左边的活塞室；废气通过排气门(g2)。

h8-b：燃烧气体从阀门(rv)内部通过门1进入腔室(r)；膨胀过程在左活塞室继续；燃烧气体仍通过门2进入阀(rv)。

h8-c：左端活塞室的膨胀；向腔室(r)中填充高压空气的过程结束。

h8-d：来自腔室(r)的燃烧气体开始膨胀进入右活塞室。

h8-e：燃烧气体通过门4进入旋转阀(rv)；燃烧气体通过门3进入腔室(l)；右活塞室的膨胀过程继续。

h8-f：燃烧气体通过门4和门1流入旋转阀(rv)；右活塞室的膨胀过程结束。

h8-g：燃烧气体通过门1继续进入旋转阀(rv)；燃烧气体从腔室(l)膨胀到左活塞室；燃烧气体通过门2进入腔室(r)。

h8-h：左活塞和右活塞之间的密封件。

-同一轴线上的力产生层的活塞组件被布置成围绕轴线均匀旋转，以便为发动机产生平滑的扭矩。因此，来自燃烧室的燃烧气体混合物一直持续不断地被加载到旋转阀中。

当空气供应阀关闭时，其将允许膨胀空气进入活塞室，因此如果这些关闭的室的体积足够大，发动机能够通过使膨胀压力接近环境压力，而将热气的能量最大化。发动机将实现高效率。

-电机具有对称和完全旋转的所有细节，没有往复运动，因此发动机完全旋转平衡。

-发动机使用连续的燃料燃烧，因此发动机可以使用多种类型的燃料。

-发动机很容易通过密封部件被密封在在相对运动的部件之间。

图9：根据选项2的发动机运行原理图示：

空气通过多个连续的压缩级压缩，即压缩级(vc1)、(vc2)和(vc3)；高压压缩空气通过单向阀(w)进入燃烧室(c)；燃料通过喷嘴(f)喷入燃烧室(c)，与空气混合燃烧；燃烧气体通过多个连续的力产生级膨胀，其有力产生级(ve1)、(ve2)和(ve3)；这些级的工作体积随着膨胀气体的方向而增加。

图10：基础曲线的轨迹

计算基础曲线轨迹的方程式为：

bx＝h.cos(α-β)-r1.cos(3β-2α)

by＝h.sin(α-β)+r1.sin(3β-2α)

其中：

角opd＝β

角opa＝γ

角opb＝α

(α是点b在基础曲线上运行时的可变角度，α在点b与点d重合时的初始值为β，b点与a点重合时的最终值为γ)。

r1是活塞的外半径；

r2是活塞的内径；

h是两个轴之间的距离；

基础曲线是曲线ad。