专利名称：容积膨胀式蒸汽转子发动机的制作方法
本项发明涉及机器制造业范围，也就是说属于容积膨胀式蒸汽转子发动机。
本项发明用来作为运输设备的发动机是最适当的，这种发动机可以保证反转，滑行运动和用发动机制动。
本项发明也可用来作为各种动力装置中的发动机。
众所周知，一般用活塞式蒸汽机和汽轮机用来作为蒸汽动力装置和运输设备的发动机。与内燃发动机比较，特别是在城市运行条件下，蒸汽发动机的优越性是能够采用任意的燃料，在空转工况下不作功，并且对环境生态因素没有不利影响。
活塞式蒸汽发动机的主要缺点是-存在进行往复直移动的沉重零件，这将限制发动机的转数;
-在蒸汽机的汽缸内存在无功容积，这样会降低发动机的容积效率;
-在机构的力回路内，由于反转装置的运动联系，使该装置很笨重;
-在保持活塞作用力的情况下，不增加汽缸的外形尺寸，不能提高汽缸内蒸汽的绝热膨胀，这样将严重影响单位功率。
蒸汽汽轮机没有作往复直移运动的零件，但是，由于在变负载的情况下效率低，所以在单位功率小的运输设备上采用汽轮机是不利的。
发动机的总效率包括热效率(可能得到的最大功与耗费的热能之比)，机械效率(可能得到的最大功与不计摩擦损失的功之比)和容积效率(所利用的工质的容积值与工作室最大容积值之比)。
已知一种可反转的容积式刮板气动发动机，(SU、A，435358)，该发动机包含壳体和供给工质的定量器，壳体内装有定子和带有径向凹槽的转子。在定子的侧壁上开有多个预排气孔，这些孔以相等的间距分布在定子对称平面的两侧，并且装有从进气侧自动关闭这些排气孔的装置。在这种发动机中，由于离心力作用到叶片上，所以随着转子转数的提高，因叶片对定子内表面的摩擦所造成的能量损耗将增加。叶片的歪斜在凹槽内会产生额外的摩擦。这些原因造成了气动发动机机械效率的降低。由于工质的节流，也会产生热损失形式的能量损耗，从而降低热效率。由于上述诸原因，所以气动发动机的总效率是不会太高的。除此以外，在所指出的结构方案内，反转装置制作得非常复杂，因为要使用大量的阀，这些阀只有存在工质的情况下才可工作。这些缺点还导致了单位重量外形尺寸指标的降低。在利用这种结构作为运输设备的发动机时，在制动工况下将损耗工质，也就是损耗能量。不利用工质，用发动机制动是不可能的。在该结构方案内，没有考虑调整转子正向和反向转动的转数问题，这样也限制了利用这种气动发动机作为运输设备的蒸汽发动机。
还知道一种可反转的转子发动机(SU，A，1298407)，该发动机包含具有两只集气管(带有进气孔和排气孔)的圆柱形定子，每只集气管直接与最近的具有最小容积的工作室相通，并且通过控制阀和滑阀分别与供给工质的干管和排气干管接通。带有径向凹槽的转子安置得与定子有偏心，在凹槽内装有可伸出的叶片，这些叶片将定子空腔分成多个工作(膨胀-压缩)室，这些工作室通过排气阀与集气管连通。此外，还设有工质的定量器和与转子连接的功率选择轴。
这种结构方案的缺点是效率比较低，这种低效率是由于机械效率、热效率和容积效率的减小造成的，机械效率的降低是由于随着发动机转数的升高和工质的压力所引起的叶片歪斜度加大而造成叶片摩擦的能量损耗增大的缘故，热效率的降低是由于装在定量器中的前行程节流阀和后行程节流阀工作时所引起的热能损耗的缘故，而容积效率的降低是由于在叶片的端面上和凹槽内不能建立可靠密封的缘故。机械效率、热效率和容积效率的降低决定了总效率不够高。此外，由于定子直径与转子直径与转子直径的比值不大，发动机的工作室具有不大的容积，这也就导致了发动机单位重量外形尺寸指标的降低。
本项发明的基本任务是研制一种容积膨胀式蒸汽发动机，为了有效地用来作为运输设备的发动机，该发动机的转子机的构造和工质的供给系统，要保证能够提高发动机的效率和改善重量外形尺寸的指标。
本项发明的实质是这样的，在容积式蒸汽转子发动机内，其壳体中装有转子机，定量供给工质的干管以及控制和排放工质的干管与该转子机接通，根据本项发明，具有球形转子的转子机本身当然用来作为转子机，球形转子由盘形挡板形式的隔板和两只叶片组成，隔板安装得能够绕着壳体球形空腔的球心进行转动，并且隔板构成两个彼此相隔离的小室，两只叶片与隔板用铰销连接，并且与壳体的内表面形成变容积的密封工作室，此外，每一叶片与相应的功率选择轴相连接，功率选择轴的两轴线安置得彼此成一夹角，并且相交于球形空腔的球心，这样可有两个容积定量器，每一定量器以自己的进口与供给工质的干管相通，而用排出口在一区域内与转子机相应的小室连通，在该区域小室的工作室具有最小容积。
从先前技术水平中所知道的具有球形转子的可反转的转子发动机内，存在非均衡元件一叶片。当转子转动时，叶片在离心力的作用下被挤压至壳体的内表面上，而在接触线处产生克服摩擦力的能量损耗。在叶片与转子的接触线处也存在能量损耗。在发动机工作时，叶片承受着压力差，并且所形成的力通过接触从叶片传递到转子，与此同时，叶片以歪斜的状态相对于转子作往复直移运动。与已知的技术水平不同，所申述的本发动机没有上述缺点。其优点反映在机械效率的提高。在已知的解决方案内，供给工质和调整发动机的转数借助于节流阀来实现。在蒸汽形式的工质的节流过程中，由于温度和压力的下降，这种调整方法伴随有不可避免的能量损耗。在所申述的发动机中，没有这种缺点。发动机的调整过程借助于容积配量来实现，而定量器所量出的剂量具有工质全部的初始参数。这样一来，工质本身实际上在无损耗的情况下携带着全部初始能量。考虑到在工质绝热膨胀的情况下，作功仅仅靠工质的内能来完成，所以这种发动机的热效率是高的。在所申述的发动机的结构内，工作室之间的连接部分不是线性的-连接部分作成球面，这样可以保证能够使用有效的密封元件，这种密封元件有可能只产生点滴漏泄。因此，所申述的发动机具有高的容积效率。
在与已知的技术方案具有相同的发动机容积和重量的情况下，所申述的结构特点的总和能够使工作室具有大的容积，这种大容积可以保证功率选择轴上具有大功率，因而也能改善单位重量外形尺寸的指标。
希望每个容积定量器都设置带有圆柱孔的壳体，壳体的直径实际上等于相应的穿过圆柱孔的功率选择轴的直径，轴体内设置有空腔，空腔内安放活塞，活塞将该空腔分为两部分，而在轴侧壁上开有径向孔，这些径向孔彼此沿轴线分开，并且对着直径方向的相反一端，而在定量器的壳体内开有两对开向圆柱孔内腔的径向通路，此外，每一对中的两个通路彼此沿轴线都离开一个与轴上径向孔的距离相同的距离，并且这两对通路对着直径方向的相反一端，另外，还与工质的供给干管和控制干管连通。
适当的是使活塞由两部分组成，在两部分之间形成一个空腔，在轴侧壁和定量器的壳体上开有通路，该通路将空腔与控制汽缸的内腔永久连通。
这种结构特点可以简化发动机的控制系统，并且可以制作出利用工作机构壳体的全部容积的工作室，这样也可以改善发动机单位重量外形尺寸的指标。
下面用发明的具体实施例和附图对本项发明加以详细说明，在附图中
图1，根据本发明，用剖面表示容积膨胀式蒸汽转子发动机，并且概略地示出了控制系统;
图2以简图形式表示转子机。
根据本项发明，容积膨胀式蒸汽转子发动机含有壳体1，转子机本身当然放置在壳体1内。转子机是一种具有所谓“球形”转子的机器。转子由隔板2组成，隔板2为盘形挡板，该挡板安装得能够绕着壳体1的球形空腔的球心转动。隔板2在壳体空腔内形成两个彼此相隔离的小室。在隔板2的两侧安置叶片3、4，叶片3、4在两个相互垂直的径向平面内用铰销与隔板2相连接。用简图将转子表示在图2上。
每一叶片3、4都是由两个相交成锐角的平面所限定的球的一部分，而两平面的交线与球的直径相重合。壳体1的内表面也呈球形，隔板2和叶片3、4的外表面与壳体1的内表面相吻合。
叶片3、4(图1)与功率选择轴5、5′刚性连接，轴的轴线a、b(图2)相互组成锐角，并且相交于球形空腔的球心。
还设置有工质的容积定量器6、7，在图1所示的实施例中，该定量器装在功率选择轴5、5′的内部。显然，定量器6、7也可装在轴5、5′的外部，而它们的最佳结构方案将在下面说明。
隔板2和叶片3、4的铰销联接可以按下述方式制作。例如，在隔板2的侧面上这样制作出两个圆柱凸块8(示意地表示出)，使得它们的纵向对称轴线彼此成直角，并且相交于平面的中心。在叶片3、4的端面上，制作出凹圆柱面，该凹圆柱面与相应的圆柱凸块8的表面相吻合。这样一来，叶片3、4分布在隔板2的两侧，而隔板有可能相对于叶片进行移动。功率选择轴5、5′沿着叶片3、4的对称轴安装，并且穿过壳体1上的圆孔。
在壳体1上制作出两个进入孔10、11和四个排出孔，进入孔与工质的供给通路12连通，而排出孔与排气集气管连通。进入孔10、11位于隔板2的两侧，并且所在的位置要对应于工作室的最小容积。分布在隔板2两侧的排出孔各两个。此外，一对孔中的第一孔位于工作室具有最大容积的开始处，而第二孔位于工作室具有最大容积的终止处。如果认为位于工作室具有最大容积终止处的排出孔13、14(在隔板两侧)是前行程排出孔，则位于工作室具有最大容积起始处(在隔板两侧)的另外两个排出孔(图上未示出)，则被认为是后行程排出孔。前行程排出孔和后行程排出孔均包括在工质排出装置15内，此外，在该装置中还含有前行程双重阀16和后行程双重阀(图上未示出)。
前行程双重阀16含有电磁和液压传动装置，其执行机构是感应线圈17和液压工作缸18，其活塞用机械方法与阀16相连接。线圈17的铁心也具有这样的联接。电磁传动装置可以实现快速开启和快速关闭排出孔，而液压传动装置则可以实现缓慢平滑的开启和关闭排出孔，并且有改变阀门通过能力的可能性。
后行程双重阀传动装置的线圈19和液压缸20的安装地点示意地表示在图1上。此外，在发动机的壳体1内，于隔板2的一侧(任意的)和叶片3或叶片4的不同侧开有换向孔21和22。
各零件的接触面，即隔板2的外表面，叶片3和4的外表面，壳体1的内表面，圆柱凸块8的表面，以及端头9的凹圆柱面要沿着其全部面积加以接合，而正由于这样，才有可能保证形成有效的密封，以改善工作室23、24、25和26的密封状况(图2)。
工作室23、24、25和26由叶片3、4，隔板2和壳体1的内表面组成，在由隔板2所形成的相应的壳体空腔的小室内，各有两个工作室，而工作室内的容积将随叶片3、4的转动而变化。
在相应小室的工作室23、26或24、25(图2)具有最小容积的区域内，小室与相应的定量器6或7的排出孔连通。
下面在描述定量器6、7的构造时，为了说明简便，相同的数字位置配属于定量器的相同元件，因为定量器具有相似的构造。
每一个定量器6、7都有一个壳体27，刚性地固定在发动机机壳1的轴5或5′的支承部件内。功率选择轴5或5′穿过定量器壳体27的纵向孔，并且能够相对定量器壳体进行转动。在轴5或5′的本体内开有沿轴的纵向轴线的空腔28。在空腔28内放置两个自由游动的活塞29。
在空腔28两端的端壁附近，于轴的本体上开有两个供给工质的孔眼30，並且它们分布得彼此相差180°。在空腔28侧壁的中央部分，于轴的本体上开有控制孔31。
在定量器壳体27上开有孔眼30，这些孔眼分别与干管32，工质的进入阀12和排出阀12′，以及控制干管33相连通。控制孔31通过定量器壳体27上的环形沟与干管33连通(图上未示出)。当转轴相对于壳体27处于一定位置时，孔眼30与干管32和阀12接通。控制孔31借助于环形沟与控制干管33永久接通。干管33与可控的运行液压缸34连通，该液压缸内安装带有弹簧的活塞，而活塞用机械方法与运行压板35连接。为了不使汽缸34的活塞承受由于管32传来的压差，汽缸活塞外面的空间要与干管32接通。
制动系统包括制动压板36，制动液压缸37，制动缸的活塞用机械方法与制动压板36加以连接。制动缸37用液压方法与滑阀式换向开关38接通，该开关还与前行程双重阀16和后行程双重阀的液压借压传动装置的工作缸18和20连通。
反转系统含有反转杠杆，该杠杆用机械方法与滑阀式换向开关38的活塞和反转用的滑阀式换向开关40的活塞加以连接。换向开关40通过阀41与工质的供给干管接通，而从另一面与反转孔21、22连通。阀41的开启装置用机械方法与运行压板35和阀的自动关闭装置相连接(图上未示出)。感应线圈17、19通过转换开关42和开关43接通到电源上，转换开关42的接触片用机械方法与反转杠杆39相连接，而开关43的两个接触片用机械方法与运行压板35和制动压板36相连接。
指定用于运输设备的最佳实施方案内，活塞29由两部分构成是适当的，在活塞的两部分之间形成空腔。此外，希望通过控制管路33使空腔与控制缸34的内腔永久连通。空腔还与制作在轴5或5′的轴壁上和定量器6或7壳体27上的通路31相通。这样的制作方案可以简单可靠地控制电机。
当说明表示在图1上的蒸汽转子发动机如何工作时，在涉及转子机如何工作的部分内，还应当注意一下图2，在该图上可以看出变容积工作室23、24、25、26的形成和作用原理。
发动机按下述方式进行工作。发动机在停机工况下的初始状态运行压板35和制动压板36处于自由状态，两个开关43处于开启位置，反转杠杆39处于“向前”位置，在此位置时，后行程排出阀电磁传动装置的线圈19可以通电。滑阀式转换开关38接通位于制动缸和前行程阀16的工作液压缸18之间的液体干管18，并且关断制动缸37和后行程液压缸20之间的液体干管。制动缸37处于充满液体的状态，而液压缸20和18没有工作液体。在运行缸34内不存在液体，因为液体保持在位于定量器6、7空腔28内的活塞29两部分之间的空间里。活塞29的两部分处于两极端位置，这两部分遮盖住孔眼30。工质排出装置的前行程孔13和后行程孔14是开启的，并且工作室23、24、25和26的空腔通过排气集气管彼此连通。当着向前运动时，按压运行压板35，由压板35来闭合一个开关43，通过开关42的闭合接点向后行程双重阀的线圈19进行供电，并且关闭后行程的排出孔，开启阀41，而工质穿过滑阀式反转转换开关40进入反转孔21，随后，隔板2开始移动，并且保证叶片3、4和功率选择轴5、5′向一定的方向进行转动。
隔板2和叶片3、4的外表面沿着壳体1的内球面滑动，而圆柱凸块8的表面沿着端头9的内圆柱面滑动。
在转动开始后，阀41自动关闭。进一步按压运行压板35，使液体从定量器6、7的活塞之间的空间沿着控制干管流入运行液压缸34，而活塞的两部分将靠近。工质沿着干管32流入，并且充满定量器6、7活塞外面的空间。功率选择轴5、5′的转动可以保证截取工质的剂量，该剂量是由活塞外面的空间的容积确定的，而容积量也与活塞29的两部分的位置有关。当着孔30中的一个孔与制作在定量器壳体27上的工质的供给通路12连通，而第二孔与工质的供给干管连通时，活塞29自由游动的两部分，开始将工质的剂量从活塞外面的空间压入通路12，进而通过进入孔10或11压入具有最小容积的工作室。这样一来，运行压板35的位置将决定送入工作室的工质剂量的大小。松开压板35后，运行汽缸34的活塞，在弹簧的作用下将工作液体压入活塞间的空间，活塞遮盖住孔30，并且工质不流入工作室。
下面讨论发动机处于滑行工况的情况，发动机的诸元件处于初始状态。为了停住发动机，要按压制动压板36，接通开关43相应的一对接点，并且后行程电磁传动装置的感应线圈19被馈电，后行程双重阀(未示出)保持关闭。工作液体从制动缸37通过滑阀式转换开关38的液压缸进入工作缸18，而液压传动装置逐渐关闭前行程的双重阀16。由于在工作室内产生反压，所以叶片3、4的转动减慢，并且发动机被停住。松开压板36，发动机的所有元件转到初始状态。
为了向后运动，将反转杠杆39转到“向后”位置。同时，滑阀式转换开关38的活塞的移动可以保证制动缸37和后行程阀的液压工作缸20之间的联系，並且闭合开关42的另一对接点。用反转转换开关的活塞可以建立阀41和反转孔22之间的联系。当按压运行压板35时，将向感应线圈17馈电，前行程双重阀16被关闭，后行程双重阀处于开启状态，并且阀41被打开。隔板2和叶片3、4开始朝反向转动。由于工质通过反转孔22流入，阀41被关闭，而运行压板35通过定量器6、7控制运动情况。
在所申述的发动机内，利用液体作为工质，将液体送入发动机的工作室。在绝热膨胀过程里，这些液体在工作室内沸腾，同时因蒸汽的膨胀而完成作功。
权利要求
1.容积膨胀式蒸汽转子发动机，在其壳体(1)内安装转子机，定量供给工质的干管(32)以及控制和排出工质的干管(33)与转子机连通，本蒸汽转子发动机的特点是，具有球形转子的转子机本身自然用来作为转子机，球形转子由盘形挡板形式的隔板(2)和两只叶片(3、4)所组成，隔板安装得能够绕着壳体(1)球形空腔的球心进行转动，並且隔板(2)组成两个彼此相隔离的小室，两只叶片(3、4)与隔板(2)从隔板的两侧在两个相互垂直的径向平面内用铰销加以连接，並且与隔板(2)和壳体(1)的内表面共同组成变容积的密封工作室(23、24、25、26)，同时，每一只叶片都与相应的功率选择轴(5、5′)刚性连接，两轴的轴线(a、b)安置得相互成一夹角(α)，並且相交于球形空腔的球心，这样可以设置两个容积定量器(6、7)，每一定量器以其进入口与供给工质的干管(32)连通，而以排出口在一区域内与转子机相应的小室连通，在这个区域该小室的工作室(23、26或24、25)具有最小容积。
2.根据权利要求1，本发动机的特点是，每一容积定量器(6、7)设置带有圆柱孔的壳体(27)，圆柱孔的孔径实际上等于相应的穿过圆柱孔的功率选择轴(5或5′)的轴径，在轴的本体内，设置有空腔(28)，並且在其中安装活塞(29)，该活塞将空腔(28)分成两部分，而在轴(5、5′)的轴壁上开有径向孔，这些径向孔彼此沿轴线分开，並且对着直径方向的相反一端，在定量器(6、7)的壳体(27)上制作有两对开向圆柱孔内腔的径向通路(12、12′)，此外，每一对中的通路(12和12′)相互沿着转轴(5、5′)的轴线隔开一段距离，该距离与轴上两径向孔(30)的距离相同，並且这两对通路(12、12′)对着直径方向的相反一端，此外还与供给工质的干管(32)和控制干管(33)连通。
3.根据权利要求2，本发动机的特点是，每个定量器(6、7)的活塞(29)由两部分组成，两部分之间形成空腔，而在转轴(5、5′)的轴壁上和定量器(6、7)的壳体(27)上开有通路(31)，该通路将空腔与控制缸(34)的空腔永久连通。
全文摘要
容积膨胀式蒸汽转子发动机具有球形转子，球形转子由盘形隔板(2)和与隔板用铰销连接的两只相互垂直的叶片(3、4)组成，两只叶片分布在隔板(2)的不同侧，并且在壳体(1)中与隔板(2)共同组成变容积的工作室。为了定量供给工质，设置两个容积定量器(6、7)，每一定量器以其进入口与供给工质的干管(32)连通，而以其排出口在一区域内与转子机相应的小室连通，而在这个区域该工作室具有最小容积。
文档编号F01C3/06GK1061642SQ9010934
公开日1992年6月3日 申请日期1990年11月23日 优先权日1990年11月23日
发明者兰尼德·P·博格里亚德 申请人:“蒸气机船”专门科学技术合作部