专利名称：往复式转子发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种转子发动机，尤其是一种利用转子同轴传动动力轴的往复式转子发动机。
背景技术：
转子式热力发动机是指将气体的膨胀力直接转化为驱动动力轴转动的驱动扭矩的一类发动机，相对于最常用的往复式活塞式发动机来说，转子发动机取消了无用的直线运动，因而摩擦和能量损失少，能更高效的将热能转化为机械能，而且零部件少运行平稳，具有较大应用优势。目前公知的处于实用阶段的利用转子传动动力轴的做功装置如三角活塞旋转式转子发动机，其做功原理是气体膨胀压力作用在与动力轴偏心安置的转子的侧面，使转子转动，三角转子通过齿数较多的以其中心为中心的内齿圈传动齿数较少的以动力轴中心为中心固定在动力轴上的齿轮产生一个使动力轴转动的切线力，驱动动力轴转动。三角转子的中心绕动力轴中心公转的同时，三角转子本身又绕其中心自转。此种发动机做功单元存在的主要缺点是，转子不能同轴传动动力轴，运转过程中会产生额外的偏心震动，同时转子偏心运动的方式使得其在做功时缸体的一个区域受到巨大的冲击，造成这个区域磨损剧烈，磨损的不平衡极大的降低了发动机的使用寿命。另外，此类发动机做功单元(做功单元是指将热能转化为机械能的核心结构)气体做功过程中三角转子受膨胀气体压力的面积几乎不变，由于气体在膨胀做功过程中随着温度逐渐降低，压强逐渐减小，所以作用于转子上的力也逐渐减小，并且膨胀气体作用于转子上的力分解为一个驱动动力轴转动的力和一个指向动力轴轴线的力，随着转子的转动，膨胀气体在做功后期驱动动力轴转动的分力逐渐变小，这两个因素使膨胀气体在做功后期驱动动力轴转动的切线力大幅减小，而切线力相对于转轴中线的距离不变，所以驱动动力轴转动的力矩也大幅减小，当力矩减小到不足以维持动力轴转动必要的扭矩时，气体结束做功被排放到环境中，此时气体的温度还很高，压强仍高于外界环境气压数倍。其缺点还在于气体膨胀做功的后期，驱使动力轴转动的力矩大幅减小，不能使压强较低的气体产生足够的扭矩继续做功，不能将燃料的能量进行梯级利用，所以仅有少量的热能被转化为机械能，大量的热能被作为余热排放到了环境中，发动机排气温度和排气压强较高，造成燃料利用率不高的现象。
发明内容
为解决现有发动机所存在的问题，本发明的目的是提供一种转子与动力轴同轴转动，可同轴传动动力轴，且转子对缸体磨损平衡的往复式转子发动机。其次，本发明的目的还在于提供一种能将燃料的能量进行梯级利用，燃料利用率很高的往复式转子发动机。技术方案如下
一种往复式转子发动机，包括气体做功单元，所述做功单元包括转子、缸体和滑塞；所述转子主体部分为螺杆状，所述缸体内壁面围成的型腔与所述转子同轴，所述缸体上设置有滑槽，所述滑塞放置于所述滑槽和所述转子的螺纹槽内，所述滑塞用于阻挡做功气体通过，所述滑塞沿所述滑槽和所述螺纹槽滑动以配合所述转子的转动；所述转子与动力轴同轴安置，所述转子通过单向轴承传动所述动力轴。进一步所述做功单元包括A端和B端，所述转子的A端与所述滑塞之间的螺纹槽连通做功气体。进一步所述转子的螺纹牙顶面与所述缸体内壁面密封接触。进一步所述转子的主体部分为锥形螺杆状。进一步所述滑塞设置有对角连接通孔，所述对角连接通孔用于抵消所述滑塞在所述通孔相连通的两个区域中受到的膨胀气体的压力。进一步所述滑塞为对角相通的十字形结构，所述滑塞包括连接轴、第一滑塞块、第二滑塞块、第三滑塞块、第四滑塞块，所述第一滑塞块、第二滑塞块、第三滑塞块、第四滑塞块分别固定在所述连接轴上，所述第一滑塞块和所述第三滑塞块处在同一个平面，所述第二滑塞块和所述第四滑塞块处在同在一个平面；所述对角连接通孔开在所述连接轴上，包括第一对角连接通孔和第二对角连接通孔；所述第一对角连接通孔连通所述第一滑塞块和所述第二滑塞块围成的空间与所述第三滑塞块和所述第四滑塞块围成的空间，所述第二角连接通孔连通所述第一滑塞块和所述第四滑塞块围成的空间与所述第二滑塞块和所述第三滑塞块围成的空间；所述第一滑塞块安装在所述滑槽内，所述第二滑塞块、第三滑塞块和第四滑塞块安装在所述螺纹槽内；所述第二滑塞块、第三滑塞块和第四滑塞块的外缘与所述螺纹槽的槽壁密封接触，所述第一滑塞块的外壁与所述滑槽内壁密封接触；所述滑塞在所述对角连接通孔连通的两个区域中所受膨胀气体的有效受力面积相等。进一步包括至少两个相对应的做功单元组，每个做功单元组包括两个彼此镜像的做功单元，所述做功单元包括A端和B端，所述两个做功单元转子的B端刚性连接、缸体的B端相互闭合，所述相对应的做功单元组分别驱动两根动力轴，所述两根动力轴通过轴传动机构共同传动输出轴；所述相对应的做功单元组通过转子联动机构相联动，所述联动机构用于实现所述相对应的做功单元组的互相配合工作。进一步所述相对应的做功单元组通过润滑油通道彼此相连通。进一步所述转子的螺纹牙顶面上设置有活塞环，所述活塞环与所述缸体内壁面密封接触。进一步所述转子靠近A端的螺纹槽中产生做功气体。由于采用上述技术方案，本发明提供的做功装置的有益效果是1、运转平稳。2、转子对缸体的磨损均衡。3、做功单元内效率较高。4、可实现对热能的梯级利用，提高了燃料的利用率。
图1为本发明中气体做功单元的俯视图；图2为本发明中图1的B B向剖视图；图3为本发明中发动机气体做功单元的立体剖切图4为本发明中缸体主视图；图5为本发明中缸体立体图；图6为本发明中转子主视图；图7为本发明中转子立体图；图8为本发明中滑塞主视图；图9为本发明中滑塞左视图；图10为本发明中滑塞俯视图；图11为本发明中滑塞轴测图；图12为本发明中内燃机的简易构造图；图13为本发明中图12的立体剖切图；图14为本发明中作为蒸汽机的简易构造图。图中1、缸体2、转子3、端盖4、动力轴5、滑塞6、单向轴承7、滑槽8、轴传动机构9、润滑油通道10、转子联动机构11、输出轴12、做功单元组13、进气口 14、排气口 15、轴套16螺纹牙17、螺纹槽18、连接轴19、第一滑塞块20、第二滑塞块21、第三滑塞块22、第四滑塞块23、第一对角连接通孔24、第二对角连接通孔25、输出主动齿轮26、输出主动齿轮27、输出从动齿轮28、联动主动齿轮29、联动主动齿轮30、联动从动齿轮31、联动从动齿轮32、齿轮轴
具体实施例方式本发明的部分实施例中，气体做功单元作为将膨胀气体的热能转化为机械能的核心结构，只有将膨胀气体(或者称为做功气体)通入到做功单元的某一端与滑塞之间的螺纹槽内才会使膨胀气体能更好的(更节能的)驱使转子转动实现能量转换，本发明的部分实施例中将通入膨胀气体的一端称为A端，与A端相对应的另一端称为B端(如做功单元的转子为柱形螺杆状则任一端都可作为A端)。本发明的部分实施例如作为内燃机，其做功单元可以直接连通燃烧室，将燃烧室中产生的膨胀气体通入到做功单元A端与滑塞之间的螺纹槽内，也可以在A端集成一个燃烧室，如作为蒸汽机，则是将膨胀蒸汽通入到做功单元A端与滑塞之间的螺纹槽内，使做功单元实现做功。下面结合附图和优选实施例，对本发明部分实施例的技术方案作进一步的详细描述。如图f 3所示，做功单元包括转子2、缸体I和滑塞5，转子2设置在缸体I的内壁面所围成的型腔内，转子2与动力轴4同轴安置并呈锥形螺杆状，转子2的螺纹牙16的顶面与缸体I内壁面密封接触，且所述缸体I内壁面所围成的型腔与转子2同轴，这样转子2可以绕自身轴线使螺纹牙16顶面紧贴缸体I内壁面在缸体I内旋转，将做功气体局限在螺纹槽17与缸体I内壁所构成的通道内。缸体I上设置有滑槽7，滑槽7的内壁和缸体I的内壁连接，使滑槽7和缸体I内壁面所围成的型腔相通。滑塞5放置于转子2的螺纹槽17内，沿滑槽7和螺纹槽17滑动，并将缸体I内壁与螺纹槽17所构成的通道隔断，起到阻挡螺纹槽17内膨胀气体通过的作用，并通过滑动配合转子2的转动。如图4和5所示，缸体I的内壁面与转子的螺纹牙16顶面密封接触，并可使转子2在其内绕自身轴线自由转动。当然，在本发明的部分实施例中转子2的螺纹牙16顶面上如果设置有活塞环，则由活塞环与缸体内壁面密封接触。滑槽7设置在缸体I上，且滑槽7纵向中线和动力轴4轴线在一个平面上，这就使滑塞5的滑动轨迹与转子2轴线处于同一平面。滑槽7在缸体I上是纵向(由做功单元的A端到B端或B端到A端)设置的，其主要作用是为了约束滑塞5沿缸体纵向运动，以使滑塞5可以配合转子2的转动，并起到阻挡膨胀气体的作用。滑槽7决定滑塞5的运动轨迹，滑槽7的运动轨迹可以和转子2的轴线不在一个平面上或呈曲线状态，但是优化的方式是所述轨迹与转子2的轴线在同一平面并呈直线状态。在本优选实施例中，由于转子2为锥形螺杆状，只有将膨胀气体通入到做功单元转子截面较小的那一端才能使做功单元更好(更节能)的实现做功，即这一端为做功单元的A端。在缸体I的A端设置有端盖3，端盖3上设置有进气口 13、排气口 14 (也可以将进气口 13、排气口 14合并为一个进排气口)，端盖3中部开有轴孔，与转子2刚性连接的轴套15从轴孔伸出，轴孔和轴套15密封接触，轴套15上固定输出主动齿轮25。转子2通过传动单向轴承6 (或者采用飞轮等功能类似的装置)传动动力轴4，本优选实施例中动力轴4穿过单向轴承6与转子2，将转子2固定在缸体I的内壁面所围成的型腔内。由于设置有单向轴承6，转子2沿同一方向传动动力轴4。本发明的部分实施例中，单项轴承6的作用在于，当转子2向某一方向旋转时，转子2带动单向轴承6传动动力轴4,当转子2向相反的方向转动时,单项轴承6不传动动力轴4，转子2进行空转，如自行车飞轮的工作原理。当然，端盖3也可以和缸体I为一体结构，采用一体浇铸成型(如端盖3与缸体I是分体设计的，我们也将端盖3理解为缸体I的一部分)，本发明的部分实施例中也可以采用动力轴4直接穿过轴孔，动力轴4和轴孔密封接触，这样可以省去轴套15。如图6和7所示，转子2的主体部分为锥形螺杆状，凸起部分为螺纹牙16，凹下去的部分为螺纹槽17，螺旋状的螺纹牙16和螺纹槽17 —直延伸到转子2的底部，缸体I内腔为锥台形，以和转子2形状相适应，使转子2的螺纹牙16顶面可以和缸体I内壁面密封接触，并可绕自身轴线在缸体I内自由旋转。另外，本发明的部分实施例中转子2的外形也可以设计为柱状螺杆形，相应的缸体I内壁面围成的型腔为圆柱形。滑塞5的主要作用是阻挡螺纹槽17内的膨胀气体通过，最好使滑塞5的滑动轨迹与转子2轴线处于同一平面，并将其设计为两块板状物彼此垂直相交的十字形结构，使其外缘与螺纹槽17的槽壁、槽底、缸体2内壁及滑槽7内壁密封接触，将缸体I内壁与螺纹槽所构成的通道阻隔为四个区域，为了抵消滑塞5在彼此相通的区域内所受膨胀气体压力，滑塞5十字形对角的两个区域通过连通结构两两相通，并使滑塞5构成两个相通区域边界的四个部分有效受力面积相等，这样的结构使滑塞5在彼此相通的区域内所受膨胀气体压力的合力相等且方向相反，彼此相互抵消。优化的方式如图8 11所示，滑塞5的外形为两块板状物十字交叉形结构，其结构包括连接轴18、第一滑塞块19、第二滑塞块20、第三滑塞块21、第四滑塞块22，第一滑塞块19、第二滑塞块20、第三滑塞块21、第四滑塞块22分别固定在连接轴上，第一滑塞块和第三滑塞块处在同一个平面，第二滑塞块和第四滑塞块处在同在一个平面；在连接轴上开有第一对角连接通孔23和第二对角连接通孔24，其中，第一对角连接通孔23连通第一滑塞块19和第二滑塞块20围成的空间与第三滑塞块21和第四滑塞块22围成的空间，第二角连接通孔24连通第一滑塞块19和第四滑塞块22围成的空间与第二滑塞块20和第三滑塞块21围成的空间。第一滑塞块19安装在滑槽7内，第二滑塞块、第三滑塞块和第四滑塞块安装在螺纹槽17内，并且第二滑塞块20、第三滑塞块21和第四滑塞块22的外壁与螺纹槽17的槽壁密封接触，第一滑塞块19的外壁与滑槽7内壁密封接触，将缸体I内壁与螺纹槽17所构成的通道阻隔为四个区域；通过第一对角连接通孔23和第二对角连接通孔24使十字交叉形的两个区域相通，并使滑塞5构成两个相通区域边界的四个部分有效受力面积相等，这样的结构使滑塞5在彼此相通的区域(第一对角通孔连通的两个区域)内所受膨胀气体压力的合力相等且方向相反，彼此相互抵消。当然，滑塞5也可以设计为其它形状，只要能起到阻挡螺纹槽内膨胀气体通过的作用即可。将本发明的部分实施例作为内燃机，其做功单元的运转方式为燃烧室通过缸体I上的进排气口与做功单元A端相连通，或做功单元A端集成有燃烧室，或者，空气直接和燃料在转子2靠近A端的部分螺纹槽17内燃烧(这种方式则将转子靠近A端的部分螺纹槽视为燃烧室，燃烧室的辅助结构可以参考现有技术当中内燃机的燃烧室进行设置，以使做功单元A端的部分螺纹槽充当燃烧室可顺利工作)，驱使转子2转动，转子2带动单向轴承6传动动力轴4输出动力。当滑塞5由转子2的A端滑动到转子的B端，做功行程(膨胀行程)结束，燃烧室的排气门开启，转子2反向旋转，滑塞5由转子2的B端向A端滑动，螺纹槽17内完成做功的气体通过进排气口或直接排入燃烧室，并经燃烧室排出(如果空气直接和燃料在转子2的A端的螺纹槽17内燃烧，则空气通过进气口 13进入螺纹槽17内，完成做功的气体通过排气口 14排出)，此时转子2带动单向轴承6反向旋转，单向轴承6空转，不对动力轴4产生传动作用。当滑塞5由转子2的B端滑动到A端完成排气行程后，燃烧室的排气门关闭，进气门开启，转子2又正向旋转，使滑塞5由转子2的A端滑动到B端，燃烧室在负压的作用下完成进气行程，进气行程结束后，燃烧室的进气门和排气门均关闭，转子2再反向旋转，驱使滑塞5由转子2的B端向A端滑动，将气体压缩到燃烧室内完成压气行程，压气行程结束后，燃烧室内的气体燃烧膨胀开始下一个做功行程。将本发明的部分实施例作为蒸汽机其做功单元的运转方式为将膨胀气体通过缸体I上的进气口 13通入到做功单元A端与滑塞5之间的螺纹槽17内，驱使转子2转动，转子2带动单向轴承6传动动力轴4输出动力。当滑塞5滑动到转子2的B端，做功行程(膨胀行程)结束，进气口 13关闭，排气口 14开启，转子2反向旋转，滑塞5由转子2的B端向A端滑动，螺纹槽17内完成做功的气体通过缸体I上的排气口 14被排出，此时转子2带动单向轴承6反向旋转，单向轴承6空转，不对动力轴4产生传动作用。当滑塞5由转子2的B端滑动到A端完成排气行程后，排气口 14关闭，进气口 13开启，膨胀气体进入开始下一个做功行程。公知的，任何发动机的做功单元都必须有气体进出的通道，在本发明的部分实施例中，如作为内燃机，膨胀气体产生于燃烧室，其做功单元的缸体I上必定有连通膨胀气体的通道，这个通道可以为上述进排气口，做功单元与燃烧室之间通过进排气口进出气体，与外界则通过燃烧室的进气门、排气门进出气体，也可以直接将燃烧室集成在缸体I的A端(缸体A端的部分螺纹槽充当燃烧室也是缸体A端集成燃烧室的一种实施方式)，使燃烧室与做功单元的A端的螺纹槽呈一体相通的结构。如本发明的部分实施例作为蒸汽机，其做功单元则是通过缸体I上的进气口 13连通膨胀气体进气，通过排气口 14排出做功后的气体。如图12和图13所示，为本发明作为内燃机的部分实施例。选用燃烧室连通做功单元A端的方式，做功单元的进排气口(进排气口可以为一个口)连通燃烧室，做功单元转子2的A端与滑塞5之间的螺纹槽17连通膨胀气体，转子2的B端与滑塞5之间的螺纹槽17内加注有冷却润滑油。内燃机的结构包括两两相对应的四个传动方向相同的做功单元组12，每个做功单元组12包括两个彼此镜像且连接在一起的做功单元，两个做功单元B端的缸体I相闭合，转子2按镜像方式刚性连接。做功单元组12之间连接有轴传动机构8和转子联动机构10，轴传动机构8用于传动输出轴11输出动力，联动机构10用于实现四个做功单元组12的联动和互相配合工作。本发明中，镜像是指以做功单元末端垂直转子4轴线的某个面为对称面，另一个做功单元与其呈面对称状态。本优选实施例中，四个做功单元组12的排列方式为两根动力轴4上分别安装两个做功单元组12,两根动力轴4上的做功单元组12通过轴传动机构8彼此相对应的联接在一起共同传动输出轴11。同一根动力轴4上的两个做功单元组12的转子2通过轴套15刚性连接在一起。两根动力轴4上相对应的两个做功单元组12的缸体B端通过润滑油通道9彼此相连通，B端及润滑油通道9中盛放有润滑油。两根动力轴4上彼此相对应的两个做功单元组12之间分别设置有轴传动机构8，轴传动机构8的结构包括输出主动齿轮25、输出主动齿轮26和输出从动齿轮27，输出主动齿轮25和输出主动齿轮26分别固定在两根动力轴4上，输出从动齿轮27固定在输出轴11上，输出主动齿轮25、输出从动齿轮27和输出主动齿轮26依次啮合，通过输出主动齿轮25和输出主动齿轮26传动输出从动齿轮27。当然，轴传动机构8的作用是使转子可以传动输出轴11，只要能实现上述目的，设计为其它的传动方式及传动机构也可以。两根动力轴4上的做功单元组12之间设置有转子联动机构10，位于两根动力轴4上中间两个做功单元A端的轴套15彼此相连接的部位,转子联动机构10的结构包括联动主动齿轮28、联动主动齿轮29、联动从动齿轮30和联动从动齿轮31，联动主动齿轮28和联动主动齿轮29分别固定在每根动力轴上两个做功单元A端相连接的轴套15上，在同一根动力轴4上两个做功单元组12的缸体I的外壁上固定有齿轮轴32，齿轮轴32设置有轴承，联动从动齿轮30和联动从动齿轮31分别安装在两个轴承上；联动主动齿轮28与靠近的联动从动齿轮30通过齿轮啮合，联动主动齿轮28与远离的联动从动齿轮31通过皮带传动，联动主动齿轮29与靠近的联动从动齿轮31通过齿轮啮合，联动主动齿轮29与远离的联动从动齿轮30通过皮带传动。这样做的目的是为了通过联动机构10使两根动力轴4上的转子2的转动方向相反。当然，只要能实现上述目的，设计为其它联动机构或联动方式也可以。如上所述相对应的做功单元组12共驱动两根动力轴4,并通过轴传动机构8使两根动力轴4共同传动输出轴11，并通过单向轴承6的传动使输出轴11沿同一方向旋转。本优选应用实例中，按照图12、图13所示的位置关系，上面和下面的四个做功单元的转子2可不设置轴套15，轴套15也不从轴孔伸出；而中间的四个做功单元的转子2连接有轴套15，并且轴套15从轴孔伸出。这个设置是为了使同一根动力轴4上的两个做功单元组12的转子2连接在一起相联动，以及便于将联动主动齿轮28、联动主动齿轮29固定。如图14所示，为本发明作为蒸汽机的部分实施例，其结构包括相对应的两个传动方向相同的做功单元组12，做功单元组12之间连接有轴传动机构8、润滑油通道9和转子联动机构10，轴传动机构8用于输出动力给输出轴11，联动机构10用于实现两个做功单元组12联动和互相配合工作。做功单元A端的缸体或其端盖上开有进气口 13、排气口 14。润滑油通道9、转子联动机构10的结构和图12和图13中将本发明作为内燃机的实施例的结构类似，当然，如果能以油脂润滑则可以取消润滑油通道。轴传动机构8的结构包括两个输出主动齿轮25、两个输出主动齿轮26和两个输出从动齿轮27，做功单元组12两侧的端盖3两侧各设置一组，并且每组中输出主动齿轮25和输出主动齿轮26分别固定在动力轴4上两侧两个做功单元的外端，输出从动齿轮27固定在输出轴11上，输出主动齿轮25、输出从动齿轮27和输出主动齿轮26依次啮合，通过输出主动齿轮25和输出主动齿轮26传动输出从动齿轮27。两根动力轴4上的做功单元组12之间设置有转子联动机构10，位于两根动力轴4上同侧做功单元A端的轴套15的部位(这里仅在做功单元组的一侧设置轴套15和联动机构10，当然在做功单元组12的两侧都可以设置上述机构)，转子联动机构10的结构包括联动主动齿轮28、联动主动齿轮29、联动从动齿轮30和联动从动齿轮31，联动主动齿轮28和联动主动齿轮29分别固定在每根动力轴上做功单元A端的轴套15上，每根动力轴4上做功单元组12的缸体I的外壁上固定有齿轮轴32，齿轮轴32设置有轴承，联动从动齿轮30和联动从动齿轮31分别安装在两个轴承上；联动主动齿轮28与靠近的联动从动齿轮30通过齿轮啮合，联动主动齿轮28与远离的联动从动齿轮31通过皮带传动，联动主动齿轮29与靠近的联动从动齿轮31通过齿轮啮合,联动主动齿轮29与远离的联动从动齿轮30通过皮带传动。这样做的目的也是为了通过联动机构使两根动力轴上的转子的转动方向相反。本发明的部分实施例所提供的往复式转子发动机，其转子2与动力轴4同轴转动，可同轴传动输出轴11，且螺杆状的转子2其重量在径向上分布均衡，转子2的运转过程几乎不产生震动，发动机运转平稳。其次，转子2与缸体I的接触面与转子2同轴，所以转子2转动时对缸体I的磨损平衡。我们知道，物体所受气体压力等于气体压强与物体受力面积的乘积，当膨胀气体的压强不变时，增大做功部件的受力面积可以增大其受力，另外，扭矩等于使轴转动的切线力与这个力到轴中线距离的乘积，切线力相同时增大这个力到转轴中线的距离可以增大转动的扭矩。为了使燃料燃烧所产生的能量得到梯级利用，在膨胀气体压力逐渐减小的过程中，可以通过逐渐增大做功部件(即转子2)受膨胀气体压力的受力面积，以及增大驱使转轴转动的切线力与转轴(即动力轴4)中线之间的距离来得到足够的扭矩，使较低压强的气体能够产生足够大的扭矩做功，从而提高燃料的利用率。用数学公式来表示N=FL=kPSL式中N为扭矩，F为膨胀气体作用于转子2上产生的使转子2旋转的切线力，L为切线力到转子2轴线的距离，k为常数，P为膨胀气体的压强，S为转子受膨胀气体的有效受力面积。从上述公式可以看出，因为SL的积不断增大，所以N不会随着P的减小而线性减小，当驱动动力轴4转动的最小扭矩N的值恒定时，P的最小值可以很小，也就是排气压强可以很小，这样就达到了降低排气压强的目的，实现了对燃气能量的梯级利用。本发明的部分实施例所提供的往复式转子发动机其气体做功单元包括主体为锥形螺杆状的转子2以及与之配套的缸体I和滑塞5，转子2主体部分的螺纹牙16与缸体I壁面密封接触，且转子2可绕自身轴线在缸体I内壁面围成的型腔内自由旋转，做功单元的A端连通膨胀气体。这样的结构使得膨胀气体只能沿螺纹槽17膨胀，由于螺纹槽17的槽壁是一个斜面，膨胀气体作用于螺纹槽17上就会产生一个使转子2绕轴线转动的切线力。在螺纹槽17中置放一个滑塞5起到阻挡膨胀气体通过并促使其作用于转子2上驱动转子
2做功的作用。在缸体I上设置一个纵向的滑槽7，并使滑塞5沿螺纹槽17和滑槽7滑动，可以使滑塞5在转子2不发生轴向移动的情况下通过滑动配合转子2的转动。滑塞5设计为两块板状物彼此垂直相交的十字形结构，使其外缘与螺纹槽17槽壁、槽底、缸体I内壁及滑槽7内壁密封接触，将缸体I内壁与螺纹槽17所构成的通道阻隔为四个区域，对角的两个区域两两相通，并使滑塞5构成两个相通区域边界的四个部分有效受力面积相等。这种结构使得滑塞5对角的两个区域内气压相等，膨胀气体的压力能同时作用于滑塞5构成这两个区域边界的四个部分上，使滑塞5受膨胀气体压力大小相等、方向相反，彼此相互抵消，从而使滑塞5总体上受力平衡，不因受膨胀力与做功单元其他部件产生额外的摩擦力，消除了做功单元内不必要的磨损，提高了做功单元的内效率。而锥形螺杆状的转子I由截面小的一端(A端)到截面大的一端(B端)螺纹槽17的槽壁的表面积以及离轴线的距离逐渐增大，在相同的气压下力矩也逐渐增大，这样的结构可以使作用于其上的压强逐渐减小的膨胀气体能够产生足够大的扭矩做功，从而可以实现将膨胀气体的能量梯级利用的目的。在热机产生的一百多年间，世界范围内使用的所有类型的变容式热机均不能够将燃料所产生的能量进行梯级利用，在使用能源的过程中仅利用了其中的一小部分，而将大部分的能源以余热的方式浪费掉了，其原因就在于不能使较低压力的膨胀气体产生足够的扭矩做功。本发明的创造性在于改变了热能的利用方式，使较低压力的气体也能产生足够的扭矩做功，从而使燃料大部分的能量能够得到有效利用。气体的膨胀力作用于转子2上还会产生一个轴向力，为此本发明的部分实施例提供的方案是使每个做功单元组12包括两个彼此镜像的做功单元，这两个做功单元的转子2按镜像方式刚性连接，使其在膨胀行程中传动方向相同而产生的轴向力方向相反，以此来抵消轴向力。为了使气体做功单元有效的运转起来，就要使滑塞5在气体完成做功后回到原来的位置，也就需要使滑塞5沿其轨迹反向运动，由于滑塞5是由转子2推动配合转子2的旋转而运动的，这就需要转子2在做功行程结束后反向旋转。为了实现这一目的，本发明的部分实施例设置了两个相对应的做功单元组12，两个相对应的做功单元组12可以通过转子联动机构10相联动。当一个做功单元组12进行膨胀行程时，滑塞5由转子的A端滑动到B端，与之相对应的另一个做功单元组12的转子2联动旋转进行排气行程或压缩行程将滑塞5由转子的B端推到转子的A端，当另一个做功单元组12的滑塞5到达转子A端进行膨胀行程时，又会带动前述与之相对应的做功单元组12的转子反方向旋转，将滑塞5推动到转子的A端。两个相对应的做功单元组12交替进行膨胀行程，使其转子2交替进行正向和反向往复旋转，从而推动滑塞5在转子的B端和A端之间往复滑动，使做功单元平稳的运转起来。由于转子2需要反向旋转，在此过程中不能与动力轴4发生传动作用，所以设置单向轴承6来使转子传动动力轴4。单向轴承6的作用在于，转子2沿某一方向旋转的时候传动动力轴4，而在反向旋转的时候不与动力轴4发生传动作用，进行空转，类似于自行车飞轮的工作原理。在转子截面较大的一端(B端)与滑塞5之间的螺纹槽17内加注润滑油，使相对应的两个做功单元组12通过润滑油通道9彼此相通，可以使润滑油在两个相对应的做功单元组12中往复流动，对做功单元起到润滑和冷却的作用。为了使发动机的结构合理、布局紧凑，本发明的部分实施例使相对应的做功单元组12分别驱动两根动力轴4，并通过轴传动机构8使两根动力轴4共同传动输出轴11，使输出轴11沿同一方向旋转。这样，相对应的做功单元组12通过单向轴承6交替传动动力轴4，两根动力轴4交替传动输出轴11，使输出轴11对外输出动力。本发明的部分实施例作为内燃机的运行方式图13中，做功单元中膨胀气体沿螺纹槽17膨胀，被滑塞5阻挡，压力作用于螺纹槽17的槽壁上驱使转子2转动带动动力轴4旋转做功。当一个做功单元组12进行膨胀行程时，其滑塞5沿滑槽由做功单元的A端滑动到B端，与其同轴的另一个做功单元组12的转子2同向转动，推动滑塞5也由做功单元的A端滑动到B端，进行吸气行程，而另一根动力轴4上的两个做功单元组12的转子2在联动机构10的作用下反向旋转，推动滑塞5由做功单元的B端滑动到A端，分别进行排气和压缩行程。当另一根动力轴4上的做功单元组12结束压缩行程进行膨胀行程时，所有转子2均向上一行程旋转方向的反向旋转，使所有做功单元组12按照排气、吸气、压缩、膨胀的顺序依次进行下一个行程，与往复式四冲程发动机类似，四个做功单元组12依次交替进行膨胀、排气、吸气、压缩四个行程。在发动机的运转过程中，做功单元的转子2不断进行正向和反向往复旋转，并通过单向轴承6传动动力轴4使其沿固定的方向转动。两根动力轴4通过轴传动机构8共同传动输出轴11，使其沿同一方向旋转输出动力。与此同时，冷却润滑油通过润滑油通道9在相对应的做功单元组中往复流动，起到冷却和润滑做功单元的作用。当然，本发明作为内燃机的实施例不只限定为四个做功单元组12，为了增强动力也可以在两根动力轴4上叠加更多的做功单元组12。本发明的部分实施例作为蒸汽机时包括两个相对应的做功单元组12，依次交替进行膨胀、排气两个行程，其运转方式与上述内燃机的方式类似，具体为当一个做功单元组12进行膨胀行程时，其滑塞5沿滑槽由转子2截面较小的一端滑动到转子2截面较大的一端，而另一根动力轴4上的做功单元组12的转子2在联动机构10的作用下反向旋转，推动滑塞5由转子2截面较大的一端滑动到转子2截面较小的一端，进行排气行程。当另一根动力轴4上的做功单元组12结束排气行程进行膨胀行程时，所有转子2均向上一行程旋转方向的反向旋转，使两个做功单元组12按照排气、膨胀的顺序交替进行下一个行程。同样，本发明的实施例作为蒸汽机不只限定为两个做功单元组12，为了增强动力也可以在两根动力轴4上叠加更多的做功单元组12。使本发明所述发动机有效运转的关键在于，作为运动部件之一的滑塞5为对角相通的十字形结构，气体的膨胀力能同时作用于对角相通的两个空间内，且构成十字形的四个部分有效受力面积相等，使得滑塞5各部分所受膨胀气体的压力相等且相互抵消，总体受力平衡，不因受膨胀力与做功单元中的其他部分产生额外的摩擦，气体膨胀的压力仅对对外做功的转子2发生作用，从而确保了做功单元较高的内效率。以上所述转子主体部分是指转子转化能量(将膨胀气体的热能转化为机械能)的部分。所述密封接触是指相互接触时接触面紧贴对方并能在相对运动时阻止流体通过的接触方式(在本发明的部分实施例中，转子的螺纹牙顶面上如果设置有活塞环或功能类似的装置，则由活塞环或与其功能类似的装置与缸体内壁面密封接触，所述活塞环的功能与现有发动机技术中活塞环的功能相同)。螺杆是指利用本身的螺纹(螺纹轴向延伸)传递运动或动力的机械结构，螺杆状是指其外观形状如螺杆。锥形螺杆是指螺纹外径沿轴线某一方向逐渐增大的螺杆，锥形螺杆状是指其外形如锥形螺杆。缸体内壁面是指与转子2主体部分螺纹牙16顶面密封接触的缸体壁面。对应的区域是指受气体压力时受力相互抵消的区域，有效受力面积是指在垂直所受膨胀气体合力方向的平面上的投影面积。行程是指吸气、压缩、膨胀、排气四个过程中的某一过程。所述相对应的做功单元组12是指两根动力轴上同侧位置的做功单元组。以上对本发明所提供的往复式转子发动机的部分实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的部分实施例的思想，在具体实施方式
和应用范围上均会有改变之处，例如构成做功单元组的两个做功单元可以是转子A端刚性连接彼此镜像安置的方式，这也在本发明的范围之内，综上所述，本发明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1.一种往复式转子发动机，包括做功单元，其特征在于，所述做功单元包括转子、缸体和滑塞；所述转子主体部分为螺杆状，所述缸体内壁面围成的型腔与所述转子同轴，所述缸体上设置有滑槽，所述滑塞放置于所述滑槽和所述转子的螺纹槽内，所述滑塞用于阻挡做功气体通过，所述滑塞沿所述滑槽和所述螺纹槽滑动以配合所述转子的转动；所述转子与动力轴同轴安置，所述转子通过单向轴承传动所述动力轴。
2.根据权利要求1所述的往复式转子发动机，其特征在于，所述做功单元包括A端和B端，所述转子的A端与所述滑塞之间的螺纹槽连通做功气体。
3.根据权利要求1所述的往复式转子发动机，其特征在于，所述转子的螺纹牙顶面与所述缸体内壁面密封接触。
4.根据权利要求1所述的往复式转子发动机，其特征在于，所述转子的主体部分为锥形螺杆状。
5.根据权利要求1所述的往复式转子发动机，其特征在于所述滑塞设置有对角连接通孔，所述对角连接通孔用于抵消所述滑塞在所述通孔相连通的两个区域中受到的膨胀气体的压力。
6.根据权利要求5所述的往复式转子发动机，其特征在于所述滑塞为对角相通的十字形结构，所述滑塞包括连接轴、第一滑塞块、第二滑塞块、第三滑塞块、第四滑塞块，所述第一滑塞块、第二滑塞块、第三滑塞块、第四滑塞块分别固定在所述连接轴上，所述第一滑塞块和所述第三滑塞块处在同一个平面，所述第二滑塞块和所述第四滑塞块处在同在一个平面；所述对角连接通孔开在所述连接轴上，包括第一对角连接通孔和第二对角连接通孔；所述第一对角连接通孔连通所述第一滑塞块和所述第二滑塞块围成的空间与所述第三滑塞块和所述第四滑塞块围成的空间，所述第二角连接通孔连通所述第一滑塞块和所述第四滑塞块围成的空间与所述第二滑塞块和所述第三滑塞块围成的空间；所述第一滑塞块安装在所述滑槽内，所述第二滑塞块、第三滑塞块和第四滑塞块安装在所述螺纹槽内；所述第二滑塞块、第三滑塞块和第四滑塞块的外缘与所述螺纹槽的槽壁密封接触，所述第一滑塞块的外壁与所述滑槽内壁密封接触；所述滑塞在所述对角连接通孔连通的两个区域中所受膨胀气体的有效受力面积相等。
7.根据权利要求1至6任一项所述的往复式转子发动机，其特征在于，包括至少两个相对应的做功单元组，每个做功单元组包括两个彼此镜像的做功单元，所述做功单元包括A端和B端，所述两个做功单元转子的B端刚性连接、缸体的B端相互闭合，所述相对应的做功单元组分别驱动两根动力轴，所述两根动力轴通过轴传动机构共同传动输出轴；所述相对应的做功单元组通过转子联动机构相联动，所述联动机构用于实现所述相对应的做功单元组的互相配合工作。
8.根据权利要求7所述的往复式转子发动机，其特征在于所述相对应的做功单元组通过润滑油通道彼此相连通。
9.根据权利要求7所述的往复式转子发动机，其特征在于所述转子的螺纹牙顶面上设置有活塞环，所述活塞环与所述缸体内壁面密封接触。
10.根据权利要求2所述的往复式转子发动机，其特征在于所述转子靠近A端的螺纹槽中产生做功气体。
全文摘要
本发明公开了一种往复式转子发动机，包括气体做功单元，所述做功单元包括转子、缸体和滑塞。本发明往复式转子发动机中，转子与动力轴同轴转动，所以运转平稳，并且能将燃料的能量进行梯级利用，所以提高了燃料利用率。
文档编号F02B55/02GK103016142SQ201210520688
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月7日 优先权日2011年12月12日
发明者齐永军 申请人:齐永军