专利名称:双圆式气动机的制作方法
本适用新型是一种以具有一定压力的气体(含蒸汽在内，以下通用气书写)为推动力的连续旋转的动力机械。
现有的以气体的压力做为动力的机械主要有活塞式蒸汽机、叶片式蒸汽轮机和其他叶片式气动机。(即以压缩空气为动力的机械)前两种机械一般用于获得大功率输出的机械，如蒸汽机车、火力发电和其他蒸汽动力机械，后一种一般用于小型高速旋转机械方面。活塞式蒸汽机为人类的进步作出了划时代的伟大贡献，然而它美中不足的是存在有活塞往返时的惯性损耗；连杆与活塞运动方向之间的夹角损耗；上下两止点间的曲轴旋转角度损耗等。叶片式气轮机后来居上，得到了广泛的应用，但它的缺点是有间隙洩漏气流损耗；有反射气流损耗；有侧压损耗和排气压力损耗等。以上两种机械的这些损耗，目前还没有克服的有效办法。
本适用新型的目的是提供一种具有活塞式机械的较好的密封性能，又具有叶片式气轮机械的连续转动的特点的新型动力机械，以节省能源。
本适用新型是以如下的方式实现的在一个圆形的金属圆盘上，设置有一个圆环形沟槽，将一个两边带有突起台阶的圆环，镶入圆盘的沟槽之内，形成一个如圆形铁桶状。在圆环内，安装一个直径小于圆环直径的转轮，该转轮的轴心与圆环的圆心，采用“不同心”的位置组装。使转轮与圆环形成一边较宽、像“月牙”形状的汽道；另一边则间隙很小、又不能相互摩擦的密封之处。在转轮上设有滑块。此滑块在弹簧和旋转时离心力的作用下，始终触及“月牙”形汽道圆环的内壁上。滑块的作用是直接承受气压，带动转轮旋转。在转轮上，安装有密封环、密封块等，其功用是阻止有用气体洩漏。最后，还要有一个与前面提到的相同的圆盘，盖在转轮、圆环等组合体的上面，与转轮保持应有的小间隙，对准圆环上的凸起台阶、盖好、固定，把转轮密封在其中，这就是双圆式气动机的汽道装置。归纳起来就是两个圆盘，中间夹固着一个圆环，内中安装一个转轮总成，转轮轴装配在两个圆盘的轴孔上。这就是一台单汽道的双圆气动机、类似一台单缸活塞机。如果有三个圆盘，中间夹固着两个圆环，内中安有两个转轮，这就是一台两汽道的双圆气动机。以此类推，双圆式气动机可以有多个汽道组成。为了抵消由于“不同心”的安装引起的振动，如果是两个或者两个以上汽道的双圆机，就要将两个汽道的最宽处错开，形成180°的“相位”差；如若采用三个汽道的双圆机，则其汽道的安装“相位”差应是120°。另外，由于汽道的厚度不同，滑块的重量也不同，所以既要考虑角度配合，又要考虑重量的匹配，以达到抵消振动，平稳运转的目的。
双圆式气动机与现有的活塞式蒸汽机和蒸汽轮机相比，有制造简单、节省能源的可取之处。下面通过图6，首先与活塞式蒸汽机加以对比。
图6(一)是活塞机曲轴从0°开始运转图。图6(二)是与(一)相对应的曲线。图6(二)的横座标是活塞机曲轴旋转的角速度，用(ω)表示。纵座标是蒸汽压力，用(P)表示。线(1)表示一恒定汽压的蒸汽输给活塞机，也就是作用在活塞顶部的压力。虚线(2)，是当活塞受到来自(1)的汽压后，垂直向下移动，而连杆的另一端则随曲轴做圆周运动，所以连杆倾斜于活塞移动方向，形成连杆夹角，这样连杆传给曲轴的力就有了损耗。分析表明，这一夹角损耗是以余弦的方式出现的，并附在线(1)的下方，我们称它为“余弦”损耗。这一损耗的大小，决定于曲柄长度和连杆长度。反映在图形上则是线(2)占去了线(1)以下的一些面积。曲线(3)是曲轴实际接收到连杆传来的压力后，在旋转过程中所能输出的扭力曲线。图6(一)与图6(二)两图是对应着的，不难看出，图6(二)是一个正弦曲线，所以我们也可称曲轴的这一损耗为正弦损耗。这个正弦损耗是较大的，占去了线(1)以下，从0°～180°之间的两个近似三角形的面积，实际有效功率是正弦形所含面积，此正弦所含面积占(1)线以下，从0°～180°方形面积内的0.635倍。(即 (π)/2 )如果再减去连杆的余弦损耗，曲轴输出的有效扭力也只有活塞受力的0.6倍左右了。因此可以认为一切由移动变成转动的机械，都存在着“正弦”损耗和“余弦”损耗。以上的分析还没包括活塞往返时(含连杆往返时)的惯性损耗。总的来说，活塞机的效率不算是高的。
图6(三)是双圆机的工作曲线图。横座标是双圆机旋转的角速度，在此令它与图6(二)的角速度相等，用(ω)表示。纵座标是气压，用(P)表示。线(1)与图6(二)的线(1)相同，均为相等的一恒定汽压作用在活塞机和双圆机的工作部件上。线(4)是双圆机的工作部件(即滑块)受到来自线(1)的压力曲线；也是转轮半径受到线(1)的压力形成力矩的曲线；也是双圆机轴实际输出的扭力曲线。从气压输进来，到转轮轴输出扭力，中间没有其他转換损耗，(摩擦力除外)而是直接形成输出扭力的。另外，活塞机的工作行程最大也只能在曲轴转角的180°以内，而双圆机可以超过180°，它的工作行程可达到270°～280°的旋转角度，工作行程延长了许多。在设计过程中，只要将它的排汽孔设在距离进汽孔270°～280°左右的弧度处即可。当滑块运行到排汽孔时，线(4)突然下降，表示废汽排除。在对活塞机和双圆机都不考虑摩擦力的情况下，从图6中可以看出双圆机比活塞机的效率是高的，至少，也高出1倍以上。所以说双圆机是节省能源的。
其次，再将双圆式气动机与蒸汽轮机简单加以比较。
蒸汽轮机的第一个问题就是漏汽损耗。转子叶片的顶端同涡轮机圆筒(机匣)的内壁之间存在着间隙(3)，这就导致一部分汽流由此流到叶片背后。另外，转子叶片间也存在有一定的漏汽汽流。第二就是反射汽流。当高压蒸汽以与涡轮轴相平行的方向吹向叶片时，由于叶片的面积和角度不同，所以就产生了不尽相同的反射汽流，这些反射汽流相互作用、“入射”汽流与反射汽流在叶面上的相互作用等，损耗了一部分汽体的动能。第三就是汽流与涡轮旋转方向的转換损失。蒸汽流吹向涡轮的方向，并不是涡轮旋转的方向而是成90°。当蒸汽流(或入射汽流)作用在大约成45°角的叶片上时，使叶片上面承受着两个主要的力一个是对涡轮产生“侧压”的轴向力；另一个是反射汽流的“反作用力”，促进涡轮旋转的是后一种“反作用力”。“侧压”力消耗在对涡轮的轴向损失上。因为反射汽流的反射方向不尽相同，所以它所形成的反作用力，也不是全都能转換成旋转力的。第四就是排汽损失。涡轮式蒸汽轮机，排出的汽流较大，排出的汽温也较高，静压也较大。
双圆式气动机由于密封性能较好，能将气体压力直接转換成所需要的扭力，中间环节损耗很小，所以它较蒸汽轮机效率高。
双圆式气动机的最高转速将是低于汽轮机、高于活塞机的。
以下结合附图，对本适用新型的结构、作用等作进一步描述。
图1是双圆式气动机(无上盖圆盘)的俯视略图。
图2、3是双圆式气动机的转轮、密封环、密封块的视图。
图4是双圆式气动机滑块总成图。
图5是双圆式气动机多个汽道组合示意图。
图6是双圆式气动机与活塞式蒸汽机耗能对比图。
首先参照图1，说明双圆式气动机的工作原理和各部件的构成及作用。
由蒸汽锅炉或具有一定压力的空气容器中送来的气体(2)，经过进气管(1)和圆环(4)上的进气孔(3)，而进入“月牙”形汽道(10)中，并作用在滑块(7)上。汽道(10)是由圆环(4)和转轮(5)，因采用“不同圆心”的装配所形成这就是转轮(5)的直径小于圆环(4)的直径，在确保一个方向上(即图1的上方)间隙最小、且又不互相摩擦的前提下，则在另一个方向上(即图1的下方)就形成了如“月牙”形的空间，在转轮(5)与圆环(4)的两侧面，再加盖上如同锅盖似的圆形端盖，这样 就形成了“月牙”形空间汽道(10)了。(6)是转轮上的密封块，它安装在转轮的键槽图2的(24)之中，中间装有弹簧片图2的(27)，使密封块靠近滑块(7)的侧面，其作用是对汽道内气体起密封作用。滑块(7)是安装在转轮上的，它在弹簧(9)和离心力作用下，其顶部始终触及圆环(4)的内壁上。滑块(7)的两侧，也同样有密封付滑块图4的(70)密封汽道。当滑块(7)受到外来气压(2)以后，向下移动，同时就带动着转轮做顺时针方向(图1中F方向)旋转，滑块(7)则又在椭圆形“轨道”内滑行并申缩着。滚珠(8)是保证滑块(7)申缩自如、减少摩擦力的装置。(20)是装在转轮上的密封环，在转轮的两个侧面，共有4个，也是起密封汽道的作用的。密封阀(15)安装在圆环(4)上，它的作用是密封转轮(5)同圆环(4)之间的间隙的，使进气道与排汽道互不相通。特别是在密封阀(15)的尾部下方，有一个成90°的台阶(18)，它是抵抗强大进气压力的，使进气道的高压气体，不能顶起成90°台阶的阀而“短路”流到排汽一侧去。(16)是小弹簧，它弹挤着密封阀(15)，使其与转轮(5)的边缘相接触。(17)是安密封阀(15)的键槽。
双圆式气动机工作过程就是高压气体(2)经过进气孔(3)而进入汽道(10)，对汽道内各处和滑块(7)的表面，都产生相等的压力，作用在滑块(7)上的力便直接产生力矩，此力矩的大小，等于滑块(7)表面积(S)，乘以滑块(7)到转轮(5)的轴心点(O)的距离(H)，再乘以作用在滑块(7)表面上的压力(P)，即M＝P·S·H从图1中可以看出，输进来的气压(2)有多大，作用在滑块(7)上的气压就有多大，而这个气体压力，由滑块(7)的长短，加上转轮(5)的半径，就形成双圆机的力矩，此力矩也就是本机的输出扭力。(14)是加强、固定圆环(4)的瓦片。(11)和(13)是排汽孔与排汽管。
双圆式气动机弧形“轨道”的行程，从进气孔到排汽孔超过180°，最大可达280°左右，滑块(7)的行程长、效率高。汽道弧度的“长短”，取决于排汽孔位置的设置。
图2、3是转轮及其密封部件图。
密封环(20)应安装在转轮环槽(22)之中。密封环销钉(21)套上小弹簧(26)，并对准环槽内的销钉孔(25)方可安装密封环(20)。转轮每一面放两个密封环，一个转轮上共放四个。密封环(20)在小弹簧(26)的作用下，轻微接触到两个端盖(图4)的内侧，起密封作用。(23)是安装滑块总成的转轮缺口。(24)是转轮上的键槽，是放密封块(6)的地方，其间放进弹片(27)，在弹片(27)作用下，密封块(6)接触滑块(7)的侧面，在滑块申缩时，它与滑块产生接触摩擦，使汽道内汽体不洩漏。每个转轮上安装滑块的数量视需要而定。转轮的厚度是决定双圆机马力大小的因素之一。离心锤(28)是抵消滑块(7)对圆环(4)内壁上的压力。
图4是滑块组合(或称滑块总成)图。
滑块组合主要是由滑块盒和滑块两部分组成。组合情况是将滑块(7)上的起着密封作用的付滑块(70)，放入滑块槽内，使定位销(71)套上小弹簧(72)，插入滑块的定位孔(73)之中，这样上下两个付滑块(70)在小弹簧的张力下，向外微张，同时触及到上、下两个端盖之中的内部平面。付滑块(70)一方面随同滑块(7)转动和申缩，另一方面密封汽道。另外再将滚珠组合(8)放到滑块滚珠槽(67)内，将滑块(7)连同滚珠组合(8)一起，放进滑块盒(63)内，并使滚珠组合(8)对准滑块盒的滚珠槽(66)。同样在盖上滑块盒盖(61)之前，使滚珠组合(8)下面对准滑块滚珠槽(67)，上面对准滑块盒盖的滚珠槽(64)，然后盖好盒盖(61)，最后将滑块盒盖(61)与滑块盒(63)固定好。至此，滑块组合已组装成为一体，开始装进转轮的缺口(23)之中，调整、固定好滑块盒于转轮上，此时滑块(7)在滑块弹簧(9)的作用下，向外申张，并可申缩自如。转轮上的滑块数量，视需要而定。
图5是多个汽道组合成的双圆机示意图。
由多个汽道组合成的双圆式气动机，其安装“相位”差可以有不同的角度，例如180°、120°、90°、45°等等。本图的四个汽道，是采用180°的汽道“相位”差设计、装配的，即第1汽道同第2汽道相差180°；第2汽道同第3汽道相差180°；第3汽道同第4汽道相差180°所以是第1汽道与第3汽道是同“相位”的；第2汽道与第4汽道是同“相位”的。(7)是表示申出的滑块。(5)是转轮。(4)是圆环。(43)是端盖、隔板和转轮共同轴的位置。
本适用新型适用于具有一定压力的气体，(含蒸汽)为推动力的旋转机械。可用在以蒸汽为动力的火力发电、蒸汽机车、和一些工厂所用的蒸汽动力机上。在以压缩空气为推力的机械中，如航空、航天的某些启动机、工厂用的一些气动机，以及风能压缩空气发电、海能压缩空气发电等。
实施本实用新型，除了在已有的压气(或蒸汽)机械方面试用以外，也可在小型交通、运输工具方面试制。据初步估算，一台“BJ－30”电瓶车，蓄电池重近1000公斤，充一次电要耗能35～40千瓦，行走约20公里，扭力输出近2公斤／米。如果我们将蓄电池換成容积为1米3的贮气瓶，将电动机換成双圆机。将1米3容积的气瓶充进50公斤／厘米2的大气压，需电能5千瓦左右，用此气源推动一台扭力近2公斤／米的双圆机，可行走十几公里。如果用充电瓶车的电能(约40千瓦)来加大对贮气瓶充气，或者扩大贮气瓶容积，则此运输车能行走近百公里。优点是重量轻、造价低，无污染。
由于本适用新型是气动的，又较其他气动机节省气源，所以着手开发利用压缩空气这个二次能源，是有前途的。如用于短途、小型运输方面，或者成为我国人民的代步工具上，可进行一些尝试。它的优点无污染，低噪声，构造简单。
以照双圆式气动机的形式与构造，是可以设计成双圆式内燃机的，从而构成另一项发明。
权利要求
1.由圆环(4)、端盖(42)和转轮(5)、滑块组合(7)组成的双圆式气动机，是以气(汽)体压力为推动力的转动机械，其特征是由于转轮(5)的轴心与圆环(4)的圆心是采用不同圆心的方式安装，从而在圆环(4)、转轮(5)与端盖(42)之间，形成了一个“月牙”形空间即汽道(10)，在汽道(10)的两端设有进汽装置与排汽装置。
2.根据权利要求
1所述的气动机，其特征是由于转轮(5)与圆环(4)是不同心安装的，所以一边形成了较宽的月牙形汽道，另一边形成了较窄的密封之处。
3.根据权利要求
2所述的气动机，其特征是密封之处有密封阀(15)、弹簧(16)、键槽(17)以及固定加强瓦片(14)等组成一个密封阀组合。
4.根据权利要求
1所述的气动机，其特征是转轮(5)与滑块(7)上分别设有密封环(20)、密封块(6)和付滑块(70)等密封装置。
5.根据权利要求
1所述的气动机，其特征是转轮(5)上设有离心锤(28)，用来减少转轮在高速旋转时滑块(7)对圆环(4)内壁上的压力。
专利摘要
一种旋转式气(汽)动机械特点是，当具有一定压力的气(汽)体作用于密封在汽道内的滑块上时，滑块滑动并带动转轮旋转，转轮轴则直接形成扭力输出。它克服了活塞机的曲轴转角(正弦)损耗、活塞往返时的惯性损耗；也克服了汽轮机的泄漏汽流损耗、端壁和二次流损耗以及排汽损耗等。因此用于蒸汽发电、蒸汽机车和其他以气体压力为推动力的机械中，可节省能源。如果采用本机，以压缩空气为推动力而制成的小型代步工具，将优越于充电小型交通机械。
文档编号F01C1/00GK86201565SQ86201565
公开日1987年4月22日 申请日期1986年3月22日
发明者姜凤阁 申请人:姜凤阁导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan