專利名稱：容積膨脹式蒸汽轉子發(fā)動機的制作方法
本項發(fā)明涉及機器制造業(yè)范圍，也就是說屬于容積膨脹式蒸汽轉子發(fā)動機。
本項發(fā)明用來作為運輸設備的發(fā)動機是最適當?shù)?，這種發(fā)動機可以保證反轉，滑行運動和用發(fā)動機制動。
本項發(fā)明也可用來作為各種動力裝置中的發(fā)動機。
眾所周知，一般用活塞式蒸汽機和汽輪機用來作為蒸汽動力裝置和運輸設備的發(fā)動機。與內燃發(fā)動機比較，特別是在城市運行條件下，蒸汽發(fā)動機的優(yōu)越性是能夠采用任意的燃料，在空轉工況下不作功，并且對環(huán)境生態(tài)因素沒有不利影響。
活塞式蒸汽發(fā)動機的主要缺點是-存在進行往復直移動的沉重零件，這將限制發(fā)動機的轉數(shù);
-在蒸汽機的汽缸內存在無功容積，這樣會降低發(fā)動機的容積效率;
-在機構的力回路內，由于反轉裝置的運動聯(lián)系，使該裝置很笨重;
-在保持活塞作用力的情況下，不增加汽缸的外形尺寸，不能提高汽缸內蒸汽的絕熱膨脹，這樣將嚴重影響單位功率。
蒸汽汽輪機沒有作往復直移運動的零件，但是，由于在變負載的情況下效率低，所以在單位功率小的運輸設備上采用汽輪機是不利的。
發(fā)動機的總效率包括熱效率(可能得到的最大功與耗費的熱能之比)，機械效率(可能得到的最大功與不計摩擦損失的功之比)和容積效率(所利用的工質的容積值與工作室最大容積值之比)。
已知一種可反轉的容積式刮板氣動發(fā)動機，(SU、A，435358)，該發(fā)動機包含殼體和供給工質的定量器，殼體內裝有定子和帶有徑向凹槽的轉子。在定子的側壁上開有多個預排氣孔，這些孔以相等的間距分布在定子對稱平面的兩側，并且裝有從進氣側自動關閉這些排氣孔的裝置。在這種發(fā)動機中，由于離心力作用到葉片上，所以隨著轉子轉數(shù)的提高，因葉片對定子內表面的摩擦所造成的能量損耗將增加。葉片的歪斜在凹槽內會產生額外的摩擦。這些原因造成了氣動發(fā)動機機械效率的降低。由于工質的節(jié)流，也會產生熱損失形式的能量損耗，從而降低熱效率。由于上述諸原因，所以氣動發(fā)動機的總效率是不會太高的。除此以外，在所指出的結構方案內，反轉裝置制作得非常復雜，因為要使用大量的閥，這些閥只有存在工質的情況下才可工作。這些缺點還導致了單位重量外形尺寸指標的降低。在利用這種結構作為運輸設備的發(fā)動機時，在制動工況下將損耗工質，也就是損耗能量。不利用工質，用發(fā)動機制動是不可能的。在該結構方案內，沒有考慮調整轉子正向和反向轉動的轉數(shù)問題，這樣也限制了利用這種氣動發(fā)動機作為運輸設備的蒸汽發(fā)動機。
還知道一種可反轉的轉子發(fā)動機(SU，A，1298407)，該發(fā)動機包含具有兩只集氣管(帶有進氣孔和排氣孔)的圓柱形定子，每只集氣管直接與最近的具有最小容積的工作室相通，并且通過控制閥和滑閥分別與供給工質的干管和排氣干管接通。帶有徑向凹槽的轉子安置得與定子有偏心，在凹槽內裝有可伸出的葉片，這些葉片將定子空腔分成多個工作(膨脹-壓縮)室，這些工作室通過排氣閥與集氣管連通。此外，還設有工質的定量器和與轉子連接的功率選擇軸。
這種結構方案的缺點是效率比較低，這種低效率是由于機械效率、熱效率和容積效率的減小造成的，機械效率的降低是由于隨著發(fā)動機轉數(shù)的升高和工質的壓力所引起的葉片歪斜度加大而造成葉片摩擦的能量損耗增大的緣故，熱效率的降低是由于裝在定量器中的前行程節(jié)流閥和后行程節(jié)流閥工作時所引起的熱能損耗的緣故，而容積效率的降低是由于在葉片的端面上和凹槽內不能建立可靠密封的緣故。機械效率、熱效率和容積效率的降低決定了總效率不夠高。此外，由于定子直徑與轉子直徑與轉子直徑的比值不大，發(fā)動機的工作室具有不大的容積，這也就導致了發(fā)動機單位重量外形尺寸指標的降低。
本項發(fā)明的基本任務是研制一種容積膨脹式蒸汽發(fā)動機，為了有效地用來作為運輸設備的發(fā)動機，該發(fā)動機的轉子機的構造和工質的供給系統(tǒng)，要保證能夠提高發(fā)動機的效率和改善重量外形尺寸的指標。
本項發(fā)明的實質是這樣的，在容積式蒸汽轉子發(fā)動機內，其殼體中裝有轉子機，定量供給工質的干管以及控制和排放工質的干管與該轉子機接通，根據(jù)本項發(fā)明，具有球形轉子的轉子機本身當然用來作為轉子機，球形轉子由盤形擋板形式的隔板和兩只葉片組成，隔板安裝得能夠繞著殼體球形空腔的球心進行轉動，并且隔板構成兩個彼此相隔離的小室，兩只葉片與隔板用鉸銷連接，并且與殼體的內表面形成變容積的密封工作室，此外，每一葉片與相應的功率選擇軸相連接，功率選擇軸的兩軸線安置得彼此成一夾角，并且相交于球形空腔的球心，這樣可有兩個容積定量器，每一定量器以自己的進口與供給工質的干管相通，而用排出口在一區(qū)域內與轉子機相應的小室連通，在該區(qū)域小室的工作室具有最小容積。
從先前技術水平中所知道的具有球形轉子的可反轉的轉子發(fā)動機內，存在非均衡元件一葉片。當轉子轉動時，葉片在離心力的作用下被擠壓至殼體的內表面上，而在接觸線處產生克服摩擦力的能量損耗。在葉片與轉子的接觸線處也存在能量損耗。在發(fā)動機工作時，葉片承受著壓力差，并且所形成的力通過接觸從葉片傳遞到轉子，與此同時，葉片以歪斜的狀態(tài)相對于轉子作往復直移運動。與已知的技術水平不同，所申述的本發(fā)動機沒有上述缺點。其優(yōu)點反映在機械效率的提高。在已知的解決方案內，供給工質和調整發(fā)動機的轉數(shù)借助于節(jié)流閥來實現(xiàn)。在蒸汽形式的工質的節(jié)流過程中，由于溫度和壓力的下降，這種調整方法伴隨有不可避免的能量損耗。在所申述的發(fā)動機中，沒有這種缺點。發(fā)動機的調整過程借助于容積配量來實現(xiàn)，而定量器所量出的劑量具有工質全部的初始參數(shù)。這樣一來，工質本身實際上在無損耗的情況下攜帶著全部初始能量?？紤]到在工質絕熱膨脹的情況下，作功僅僅靠工質的內能來完成，所以這種發(fā)動機的熱效率是高的。在所申述的發(fā)動機的結構內，工作室之間的連接部分不是線性的-連接部分作成球面，這樣可以保證能夠使用有效的密封元件，這種密封元件有可能只產生點滴漏泄。因此，所申述的發(fā)動機具有高的容積效率。
在與已知的技術方案具有相同的發(fā)動機容積和重量的情況下，所申述的結構特點的總和能夠使工作室具有大的容積，這種大容積可以保證功率選擇軸上具有大功率，因而也能改善單位重量外形尺寸的指標。
希望每個容積定量器都設置帶有圓柱孔的殼體，殼體的直徑實際上等于相應的穿過圓柱孔的功率選擇軸的直徑，軸體內設置有空腔，空腔內安放活塞，活塞將該空腔分為兩部分，而在軸側壁上開有徑向孔，這些徑向孔彼此沿軸線分開，并且對著直徑方向的相反一端，而在定量器的殼體內開有兩對開向圓柱孔內腔的徑向通路，此外，每一對中的兩個通路彼此沿軸線都離開一個與軸上徑向孔的距離相同的距離，并且這兩對通路對著直徑方向的相反一端，另外，還與工質的供給干管和控制干管連通。
適當?shù)氖鞘够钊蓛刹糠纸M成，在兩部分之間形成一個空腔，在軸側壁和定量器的殼體上開有通路，該通路將空腔與控制汽缸的內腔永久連通。
這種結構特點可以簡化發(fā)動機的控制系統(tǒng)，并且可以制作出利用工作機構殼體的全部容積的工作室，這樣也可以改善發(fā)動機單位重量外形尺寸的指標。
下面用發(fā)明的具體實施例和附圖對本項發(fā)明加以詳細說明，在附圖中

圖1，根據(jù)本發(fā)明，用剖面表示容積膨脹式蒸汽轉子發(fā)動機，并且概略地示出了控制系統(tǒng);
圖2以簡圖形式表示轉子機。
根據(jù)本項發(fā)明，容積膨脹式蒸汽轉子發(fā)動機含有殼體1，轉子機本身當然放置在殼體1內。轉子機是一種具有所謂“球形”轉子的機器。轉子由隔板2組成，隔板2為盤形擋板，該擋板安裝得能夠繞著殼體1的球形空腔的球心轉動。隔板2在殼體空腔內形成兩個彼此相隔離的小室。在隔板2的兩側安置葉片3、4，葉片3、4在兩個相互垂直的徑向平面內用鉸銷與隔板2相連接。用簡圖將轉子表示在圖2上。
每一葉片3、4都是由兩個相交成銳角的平面所限定的球的一部分，而兩平面的交線與球的直徑相重合。殼體1的內表面也呈球形，隔板2和葉片3、4的外表面與殼體1的內表面相吻合。
葉片3、4(圖1)與功率選擇軸5、5′剛性連接，軸的軸線a、b(圖2)相互組成銳角，并且相交于球形空腔的球心。
還設置有工質的容積定量器6、7，在圖1所示的實施例中，該定量器裝在功率選擇軸5、5′的內部。顯然，定量器6、7也可裝在軸5、5′的外部，而它們的最佳結構方案將在下面說明。
隔板2和葉片3、4的鉸銷聯(lián)接可以按下述方式制作。例如，在隔板2的側面上這樣制作出兩個圓柱凸塊8(示意地表示出)，使得它們的縱向對稱軸線彼此成直角，并且相交于平面的中心。在葉片3、4的端面上，制作出凹圓柱面，該凹圓柱面與相應的圓柱凸塊8的表面相吻合。這樣一來，葉片3、4分布在隔板2的兩側，而隔板有可能相對于葉片進行移動。功率選擇軸5、5′沿著葉片3、4的對稱軸安裝，并且穿過殼體1上的圓孔。
在殼體1上制作出兩個進入孔10、11和四個排出孔，進入孔與工質的供給通路12連通，而排出孔與排氣集氣管連通。進入孔10、11位于隔板2的兩側，并且所在的位置要對應于工作室的最小容積。分布在隔板2兩側的排出孔各兩個。此外，一對孔中的第一孔位于工作室具有最大容積的開始處，而第二孔位于工作室具有最大容積的終止處。如果認為位于工作室具有最大容積終止處的排出孔13、14(在隔板兩側)是前行程排出孔，則位于工作室具有最大容積起始處(在隔板兩側)的另外兩個排出孔(圖上未示出)，則被認為是后行程排出孔。前行程排出孔和后行程排出孔均包括在工質排出裝置15內，此外，在該裝置中還含有前行程雙重閥16和后行程雙重閥(圖上未示出)。
前行程雙重閥16含有電磁和液壓傳動裝置，其執(zhí)行機構是感應線圈17和液壓工作缸18，其活塞用機械方法與閥16相連接。線圈17的鐵心也具有這樣的聯(lián)接。電磁傳動裝置可以實現(xiàn)快速開啟和快速關閉排出孔，而液壓傳動裝置則可以實現(xiàn)緩慢平滑的開啟和關閉排出孔，并且有改變閥門通過能力的可能性。
后行程雙重閥傳動裝置的線圈19和液壓缸20的安裝地點示意地表示在圖1上。此外，在發(fā)動機的殼體1內，于隔板2的一側(任意的)和葉片3或葉片4的不同側開有換向孔21和22。
各零件的接觸面，即隔板2的外表面，葉片3和4的外表面，殼體1的內表面，圓柱凸塊8的表面，以及端頭9的凹圓柱面要沿著其全部面積加以接合，而正由于這樣，才有可能保證形成有效的密封，以改善工作室23、24、25和26的密封狀況(圖2)。
工作室23、24、25和26由葉片3、4，隔板2和殼體1的內表面組成，在由隔板2所形成的相應的殼體空腔的小室內，各有兩個工作室，而工作室內的容積將隨葉片3、4的轉動而變化。
在相應小室的工作室23、26或24、25(圖2)具有最小容積的區(qū)域內，小室與相應的定量器6或7的排出孔連通。
下面在描述定量器6、7的構造時，為了說明簡便，相同的數(shù)字位置配屬于定量器的相同元件，因為定量器具有相似的構造。
每一個定量器6、7都有一個殼體27，剛性地固定在發(fā)動機機殼1的軸5或5′的支承部件內。功率選擇軸5或5′穿過定量器殼體27的縱向孔，并且能夠相對定量器殼體進行轉動。在軸5或5′的本體內開有沿軸的縱向軸線的空腔28。在空腔28內放置兩個自由游動的活塞29。
在空腔28兩端的端壁附近，于軸的本體上開有兩個供給工質的孔眼30，並且它們分布得彼此相差180°。在空腔28側壁的中央部分，于軸的本體上開有控制孔31。
在定量器殼體27上開有孔眼30，這些孔眼分別與干管32，工質的進入閥12和排出閥12′，以及控制干管33相連通?？刂瓶?1通過定量器殼體27上的環(huán)形溝與干管33連通(圖上未示出)。當轉軸相對于殼體27處于一定位置時，孔眼30與干管32和閥12接通?？刂瓶?1借助于環(huán)形溝與控制干管33永久接通。干管33與可控的運行液壓缸34連通，該液壓缸內安裝帶有彈簧的活塞，而活塞用機械方法與運行壓板35連接。為了不使汽缸34的活塞承受由于管32傳來的壓差，汽缸活塞外面的空間要與干管32接通。
制動系統(tǒng)包括制動壓板36，制動液壓缸37，制動缸的活塞用機械方法與制動壓板36加以連接。制動缸37用液壓方法與滑閥式換向開關38接通，該開關還與前行程雙重閥16和后行程雙重閥的液壓借壓傳動裝置的工作缸18和20連通。
反轉系統(tǒng)含有反轉杠桿，該杠桿用機械方法與滑閥式換向開關38的活塞和反轉用的滑閥式換向開關40的活塞加以連接。換向開關40通過閥41與工質的供給干管接通，而從另一面與反轉孔21、22連通。閥41的開啟裝置用機械方法與運行壓板35和閥的自動關閉裝置相連接(圖上未示出)。感應線圈17、19通過轉換開關42和開關43接通到電源上，轉換開關42的接觸片用機械方法與反轉杠桿39相連接，而開關43的兩個接觸片用機械方法與運行壓板35和制動壓板36相連接。
指定用于運輸設備的最佳實施方案內，活塞29由兩部分構成是適當?shù)?，在活塞的兩部分之間形成空腔。此外，希望通過控制管路33使空腔與控制缸34的內腔永久連通?？涨贿€與制作在軸5或5′的軸壁上和定量器6或7殼體27上的通路31相通。這樣的制作方案可以簡單可靠地控制電機。
當說明表示在圖1上的蒸汽轉子發(fā)動機如何工作時，在涉及轉子機如何工作的部分內，還應當注意一下圖2，在該圖上可以看出變容積工作室23、24、25、26的形成和作用原理。
發(fā)動機按下述方式進行工作。發(fā)動機在停機工況下的初始狀態(tài)運行壓板35和制動壓板36處于自由狀態(tài)，兩個開關43處于開啟位置，反轉杠桿39處于“向前”位置，在此位置時，后行程排出閥電磁傳動裝置的線圈19可以通電?；y式轉換開關38接通位于制動缸和前行程閥16的工作液壓缸18之間的液體干管18，并且關斷制動缸37和后行程液壓缸20之間的液體干管。制動缸37處于充滿液體的狀態(tài)，而液壓缸20和18沒有工作液體。在運行缸34內不存在液體，因為液體保持在位于定量器6、7空腔28內的活塞29兩部分之間的空間里?；钊?9的兩部分處于兩極端位置，這兩部分遮蓋住孔眼30。工質排出裝置的前行程孔13和后行程孔14是開啟的，并且工作室23、24、25和26的空腔通過排氣集氣管彼此連通。當著向前運動時，按壓運行壓板35，由壓板35來閉合一個開關43，通過開關42的閉合接點向后行程雙重閥的線圈19進行供電，并且關閉后行程的排出孔，開啟閥41，而工質穿過滑閥式反轉轉換開關40進入反轉孔21，隨后，隔板2開始移動，并且保證葉片3、4和功率選擇軸5、5′向一定的方向進行轉動。
隔板2和葉片3、4的外表面沿著殼體1的內球面滑動，而圓柱凸塊8的表面沿著端頭9的內圓柱面滑動。
在轉動開始后，閥41自動關閉。進一步按壓運行壓板35，使液體從定量器6、7的活塞之間的空間沿著控制干管流入運行液壓缸34，而活塞的兩部分將靠近。工質沿著干管32流入，并且充滿定量器6、7活塞外面的空間。功率選擇軸5、5′的轉動可以保證截取工質的劑量，該劑量是由活塞外面的空間的容積確定的，而容積量也與活塞29的兩部分的位置有關。當著孔30中的一個孔與制作在定量器殼體27上的工質的供給通路12連通，而第二孔與工質的供給干管連通時，活塞29自由游動的兩部分，開始將工質的劑量從活塞外面的空間壓入通路12，進而通過進入孔10或11壓入具有最小容積的工作室。這樣一來，運行壓板35的位置將決定送入工作室的工質劑量的大小。松開壓板35后，運行汽缸34的活塞，在彈簧的作用下將工作液體壓入活塞間的空間，活塞遮蓋住孔30，并且工質不流入工作室。
下面討論發(fā)動機處于滑行工況的情況，發(fā)動機的諸元件處于初始狀態(tài)。為了停住發(fā)動機，要按壓制動壓板36，接通開關43相應的一對接點，并且后行程電磁傳動裝置的感應線圈19被饋電，后行程雙重閥(未示出)保持關閉。工作液體從制動缸37通過滑閥式轉換開關38的液壓缸進入工作缸18，而液壓傳動裝置逐漸關閉前行程的雙重閥16。由于在工作室內產生反壓，所以葉片3、4的轉動減慢，并且發(fā)動機被停住。松開壓板36，發(fā)動機的所有元件轉到初始狀態(tài)。
為了向后運動，將反轉杠桿39轉到“向后”位置。同時，滑閥式轉換開關38的活塞的移動可以保證制動缸37和后行程閥的液壓工作缸20之間的聯(lián)系，並且閉合開關42的另一對接點。用反轉轉換開關的活塞可以建立閥41和反轉孔22之間的聯(lián)系。當按壓運行壓板35時，將向感應線圈17饋電，前行程雙重閥16被關閉，后行程雙重閥處于開啟狀態(tài)，并且閥41被打開。隔板2和葉片3、4開始朝反向轉動。由于工質通過反轉孔22流入，閥41被關閉，而運行壓板35通過定量器6、7控制運動情況。
在所申述的發(fā)動機內，利用液體作為工質，將液體送入發(fā)動機的工作室。在絕熱膨脹過程里，這些液體在工作室內沸騰，同時因蒸汽的膨脹而完成作功。
權利要求
1.容積膨脹式蒸汽轉子發(fā)動機，在其殼體(1)內安裝轉子機，定量供給工質的干管(32)以及控制和排出工質的干管(33)與轉子機連通，本蒸汽轉子發(fā)動機的特點是，具有球形轉子的轉子機本身自然用來作為轉子機，球形轉子由盤形擋板形式的隔板(2)和兩只葉片(3、4)所組成，隔板安裝得能夠繞著殼體(1)球形空腔的球心進行轉動，並且隔板(2)組成兩個彼此相隔離的小室，兩只葉片(3、4)與隔板(2)從隔板的兩側在兩個相互垂直的徑向平面內用鉸銷加以連接，並且與隔板(2)和殼體(1)的內表面共同組成變容積的密封工作室(23、24、25、26)，同時，每一只葉片都與相應的功率選擇軸(5、5′)剛性連接，兩軸的軸線(a、b)安置得相互成一夾角(α)，並且相交于球形空腔的球心，這樣可以設置兩個容積定量器(6、7)，每一定量器以其進入口與供給工質的干管(32)連通，而以排出口在一區(qū)域內與轉子機相應的小室連通，在這個區(qū)域該小室的工作室(23、26或24、25)具有最小容積。
2.根據(jù)權利要求1，本發(fā)動機的特點是，每一容積定量器(6、7)設置帶有圓柱孔的殼體(27)，圓柱孔的孔徑實際上等于相應的穿過圓柱孔的功率選擇軸(5或5′)的軸徑，在軸的本體內，設置有空腔(28)，並且在其中安裝活塞(29)，該活塞將空腔(28)分成兩部分，而在軸(5、5′)的軸壁上開有徑向孔，這些徑向孔彼此沿軸線分開，並且對著直徑方向的相反一端，在定量器(6、7)的殼體(27)上制作有兩對開向圓柱孔內腔的徑向通路(12、12′)，此外，每一對中的通路(12和12′)相互沿著轉軸(5、5′)的軸線隔開一段距離，該距離與軸上兩徑向孔(30)的距離相同，並且這兩對通路(12、12′)對著直徑方向的相反一端，此外還與供給工質的干管(32)和控制干管(33)連通。
3.根據(jù)權利要求2，本發(fā)動機的特點是，每個定量器(6、7)的活塞(29)由兩部分組成，兩部分之間形成空腔，而在轉軸(5、5′)的軸壁上和定量器(6、7)的殼體(27)上開有通路(31)，該通路將空腔與控制缸(34)的空腔永久連通。
全文摘要
容積膨脹式蒸汽轉子發(fā)動機具有球形轉子，球形轉子由盤形隔板(2)和與隔板用鉸銷連接的兩只相互垂直的葉片(3、4)組成，兩只葉片分布在隔板(2)的不同側，并且在殼體(1)中與隔板(2)共同組成變容積的工作室。為了定量供給工質，設置兩個容積定量器(6、7)，每一定量器以其進入口與供給工質的干管(32)連通，而以其排出口在一區(qū)域內與轉子機相應的小室連通，而在這個區(qū)域該工作室具有最小容積。
文檔編號F01C3/06GK1061642SQ9010934
公開日1992年6月3日 申請日期1990年11月23日 優(yōu)先權日1990年11月23日
發(fā)明者蘭尼德·P·博格里亞德 申請人:“蒸氣機船”專門科學技術合作部