一種能量轉換裝置製造方法

2023-09-21 08:20:50 7

一種能量轉換裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種能量轉換裝置，其包括外殼、轉子、多個葉片、心軸、介質進口和出口，以及位於外殼和轉子之間的轉殼。採用該結構的能量轉換裝置作為泵、馬達或發動機，可以極大地提高能量利用率和轉換效率，節約能源。
【專利說明】一種能量轉換裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種能量轉換裝置，特別是涉及一種能夠高效地將高壓介質能與機械能相互轉換的裝置。
【背景技術】
[0002]我們知道具有一定壓力、容積、溫度的氣體具有能量，例如壓縮空氣、從鍋爐中產生的高壓水蒸氣；而具有一定壓力、容積的液體也具有能量，例如，我們說被攔截在大壩上高位的水相對於低位的水具有能量，我們稱這種具有壓力的、可以流動的氣體和液體介質所具有的能量為高壓介質能。一般說熱能是低級能量，不易轉換，人們利用熱能轉換成高壓介質能，再利用高壓介質能轉換成機械能進行發電，驅動其他機械。而要實現這些目的就需要一種高壓介質能和機械能的互相轉換的裝置。
[0003]目前現有的能量轉換裝置包括發動機(燃料燃燒產生高壓氣體轉化成機械能做功)、汽輪機(利用鍋爐產生的高壓介質轉化成機械能發電)、渦輪機(利用水壓轉化成機械能發電)、泵和馬達等等。然而這些裝置由於其原理結構限制，各存在缺點。
[0004]對於四衝程氣缸發動機而言，有以下不足:(I)四衝程氣缸發動機膨脹比等於壓縮比，壓縮氣體排出發動機時氣體仍具有一定溫度和一定的壓力，這些能量被浪費掉了 ；
(2)發動機的活塞與鋼桶之間是滑動摩擦，為了保證高壓氣體不洩露還增加了密封環，滑動摩擦會導致能量損失。(3)四衝程式發動機的四個衝程中只有一個衝程用於做功，其他三個衝程均不做功，效率低。
[0005]對於汽輪機和渦輪機，由於是靠衝擊產生扭矩，介質要具有足夠高的速度才能產生足夠的衝擊力，而介質速度從零到高速需要能量，這些能量被浪費掉了，所以汽輪機效率也不高。
[0006]由於存在上述缺點，導致目前實現能量轉換的產品轉換效率低、能量損失大，由此帶來能量浪費大，環境汙染等各類問題。降低能源浪費，提高能源的轉化效率一直是全社會、全世界的重點研究課題。隨著全社會對產品節能性能的要求越來越高，如果有更高效率的轉能機，現有能量轉換產品由於能耗較高逐漸要被淘汰。如果效率提高一倍，就相當於採用現在一半的能量可以驅動現有的所有機械。因此，提供一種能夠提高能量利用率、節能環保的能量轉換產品是目前亟待解決的問題，具有極大的社會效益和經濟效益。

【發明內容】

[0007]為了解決上述技術問題，提高能量利用率，本發明通過「轉殼」外加軸承結構的設置，及轉子與葉片結構的設置，實現了轉子、葉片和轉殼之間的幾乎相同角速度轉動。一方面，滾動摩擦代替傳統產品中的滑動摩擦，降低了摩擦損失；另一方面，由於葉片與轉殼間滑動量小，可以加大接觸力，再通過「葉片」和「轉殼」的配合，可以實現較好的密封效果。同時「轉子」迴轉中心與「轉殼」迴轉中心相互的偏心設置，實現了在一個圓周上有大小不同的多個容腔所組成的容腔，每一個容腔在轉動過程中可實現從大到小再從小到大有規律的變化過程。配合不同的介質進口、介質出口，轉能機可以實現使介質(例如氣體)膨脹做功；壓縮介質(例如空氣)成高壓介質(氣體)；甚至實現在一個循環中吸氣、壓縮氣體、燃燒、膨脹做功、排氣等各種過程。對於液體，也可實現高壓介質與機械能的互相轉換。正是由於本發明的特殊結構，使得機械能/高壓介質能的轉換效率高，節能環保。以下是本發明的技術方案。
[0008]一種能量轉換裝置，包括外殼、轉子、多個葉片、心軸、介質進口和出口，心軸轉動連接在外殼上，其特徵在於:
[0009]還包括位於外殼和轉子之間的轉殼,轉殼與外殼通過轉動支撐件轉動連接；
[0010]轉子側面圓周加工成凹槽，多個葉片沿圓周方向分布在轉子凹槽內，且每個葉片沿轉子徑向設置；
[0011]轉子、心軸的迴轉中心與轉動支撐件、轉殼的迴轉中心相互偏心設冒；
[0012]相鄰兩個葉片、所述凹槽的底和側壁、以及轉殼內表面構成容腔，從而使得整個能量轉換裝置具有多個大小不同的容腔。
[0013]更進一步，轉子凹槽內沿轉子徑向形成多個徑向滑槽，葉片分別安裝在滑槽中，能夠沿轉子徑向方向移動。
[0014]更進一步，葉片外側具有凹形開口，轉殼部分或全部置於上述凹形開口中。
[0015]更進一步，轉殼部分或全部設置在轉子的凹槽內並與之相配合。
[0016]更進一步，轉殼、轉子和葉片相互之間均採用氣密性接觸。
[0017]更進一步，轉子轉動時，葉片在離心力和轉子中心的油壓作用下沿轉子的滑槽移動，其外側始終壓合在轉殼內表面，其外側橫截面為圓弧形，與轉殼的內圓相切，並隨轉子與轉殼的關係往復移動。
[0018]更進一步，轉子分成兩個部分由螺栓連接構成。
[0019]更進一步，轉子與心軸固定連接或一體成型，或兩者設計成一體即兩者成為一個零件。
[0020]更進一步,介質進口和出口設置在轉殼圓周面、轉子圓周面、轉子側面或心軸上。
[0021]更進一步,心軸通過轉軸支撐件與外殼轉動連接。
[0022]更進一步，多個容腔用於容置工作介質。
[0023]更進一步，通過轉子中心油池和/或介質進口向容腔加入潤滑的油，油作用在葉片的端面，使容腔在高壓下仍能保證葉片與轉殼壓合，並使轉殼、葉片、和/或轉子之間的運動副存在油進行密封。
[0024]更進一步，在轉子的中心加工一個油槽，並注入一定壓力的油，壓力油潤滑密封轉子與葉片之間的滑動副，並通過該滑動副滲透到容腔內，在離心力的作用下，潤滑油被甩到轉殼上，並有一定的厚度，這樣使轉殼、葉片、轉子相互之間的運動副都有密封油的存在，使氣密封改成油密封。
[0025]本發明的能量轉換裝置(簡稱為轉能機)可以完成下列三種工作:(I)把高壓介質能轉換成機械能；(2)把機械能轉換成高壓介質能；(3)把可燃氣體(多數是氣體和燃料的混合氣體)加入機構中，機構先對可燃氣體進行加壓，然後點燃燃燒，燃燒後的氣體溫度增加而產生更高壓力的氣體，高壓力氣體又對機構做功,使機構產生機械能輸出。我們稱本發明的裝置為能量轉換裝置或轉能機。轉能機根據能量轉換的不同需要配置不同的介質進口和介質出口，可代替汽輪機、渦輪機、馬達、泵、發動機之用。
[0026]本發明與傳統的能量轉換裝置相比，具有更高的轉換效率、一定的密封性、更廣的用途。不僅可以極大提高泵、馬達、發動機的能量利用和轉換效率，節約能源，而且還可擴大燃料的應用範圍，可採用可燃的氣體、液體、固體(例如經過一定粉碎的煤)及它們的混合物做燃料，減少對石油的依賴。本發明具有廣泛的應用前景，可以廣泛應用於需要能量轉換的場合，例如發電站、車、船、工業設備等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為能量轉換裝置橫截面G-G的截面剖視圖
[0028]圖2為能量轉換裝置主體結構A-A的截面剖視圖
[0029]圖3為能量轉換裝置主體結構B-B的截面剖視圖
[0030]圖4為能量轉換裝置E-E截面剖視圖
[0031]圖5為能量轉換裝置轉子D-D截面剖視圖
[0032]圖6為能量轉換裝置轉子C-C截面剖視圖
[0033]圖7為能量轉換裝置葉片視圖
[0034]圖8為能量轉換裝置葉片F-F截面視剖視圖
【具體實施方式】
[0035]1、機械結構
[0036]如圖1所示，能量轉換裝置(以下簡稱轉能機)包括外殼1、轉動支撐2、轉殼3、多個葉片4、轉子5、心軸6、轉軸支撐7、和介質進口、介質出口等部分組成。其主要部件從外到內依次是外殼、轉動支撐件、轉殼、轉子、心軸；葉片安裝在轉子上，轉軸支撐安裝在外殼上，轉動支撐心軸。
[0037]外殼I是基礎構件，外部與轉能機的基礎相連，內部通過轉動支撐件2、轉軸支撐件7提供對轉能機各部件的支撐。通過轉軸支撐件7與心軸連接，使得心軸能夠相對外殼轉動；通過轉動支撐件2與轉殼連接，使得轉殼能夠相對於外殼轉動。
[0038]轉動支撐件2是轉殼3和外殼I之間的支撐件，其結構可以是軸承、滾珠、滾珠加保持架等各種結構，只要能夠實現轉殼在外殼支撐下轉動即可。
[0039]轉殼3是一個筒狀零件，其內部圓柱面②是形成容腔的一個表面；寬度和容腔的寬度相同；外面安裝轉動支撐件2。轉殼位於外殼和轉子之間。
[0040]葉片4結構如圖7和圖8所示，葉片共N個，葉片外側具有凹形開口，轉殼的一部分或全部置於上述凹形開口中。葉片的總寬度為a+2b，其中凹形開口的兩個邊緣寬度為b的邊緣部分高於中間寬度為a的中間部分；凹形開口寬度a正好與容腔及轉殼的寬度相同；兩端寬度b的端部插裝在轉子5的滑槽內，使得整個葉片露出部分寬度為a(即僅寬度為a的部分露出，寬度為b的部分插入滑槽內並不露出)；寬度為a的部分其橫截面具有圓弧，半徑為r (如圖8所示)，轉動時頂在轉殼3上且與轉殼3內圓相切；而兩端寬度為b的部分的內端面卡在轉殼3側面上；葉片的兩個表面⑥⑦是容腔六個表面中的兩個可以變化的表面。
[0041]轉子5的結構如圖5和圖6所示，由一個直徑Φ I兩個直徑Φ2的圓柱體組成，Φ2>Φ1。為了製造和轉配的方便，一般都製作成兩體結構，用螺栓把兩部分緊在一起，也可以一體成型。不同直徑的圓柱體使得轉子側面圓周形成凹槽結構，轉殼部分或全部位於凹槽中。多個葉片沿圓周方向分布在轉子凹槽內，且每個葉片沿轉子徑向設置。轉子由圓周向圓心沿徑向形成多個滑槽①，葉片分別安裝在滑槽①中，裝配後轉子5連同葉片4卡緊在轉殼3的寬度方向上，根掘轉動時轉子與葉片相對位置的不同，在離心力和/或中心油壓和/或轉殼壓力的共同作用下，葉片從轉子的徑向滑槽中伸出或縮回滑動(如圖1所示)，從而使得轉子轉動時，保證容腔的氣密性。轉子5的表面⑤形成容腔的內表面，轉子5的表面③④形成容腔的兩個側表面；轉子5的中心孔內通過鍵連接安裝在心軸6上。
[0042]心軸6安裝在轉軸支撐7上，中間部分安裝轉子5。
[0043]轉子5和心軸6可以設計成一體結構，即兩個零件一體成型構成一個零件。
[0044]轉軸支撐7可以是軸承、滾珠、滾輪、滾柱等多種結構，只要能夠實現心軸在外殼支撐下轉動即可。轉軸支撐件7連接外殼I和心軸6。
[0045]轉子5、心軸6、轉軸支撐7具有共同的迴轉中心Α，轉動支撐2、轉殼3具有共同的迴轉中心B，迴轉中心A與B之間具有一個偏心e。N個葉片安裝後在轉子和轉殼間形成了N個容腔RQl-RQn (例如n=12)，由於偏心的存在η個容腔容積大小並不相同。每個單獨的容腔的外面是轉殼內表面②，裡面是轉子5凹槽底面⑤，還有4個側面，左右分別是葉片的側面⑥⑦，前後兩側是轉子5的凹槽側面③④。如圖1所示假設共十二個容腔(具體容腔數目和大小可以根據實際需要設定)，分別用RQ1、RQ2、RQ3-RQ12表示。多個容腔用於容置工作介質，例如氣體、液體、固體粉末或它們的混合物。
[0046]在旋轉的過程中，轉殼3、葉片4、轉子5同角速度轉動(轉殼3在轉動時有可能丟轉，但量非常小)，每個葉片4每轉一圈與轉殼3、轉子5之間的滑移量總和大致都等於兩個偏心量2e，比傳統機械結構葉片泵、馬達等滑動摩擦量極大的減少，降低了磨損，提高了效率。
[0047]參見圖1，轉能機共有12個容腔，每一個容腔應避免或減小向其他容腔以及轉能機的內外洩漏。參見圖2中的I位置，是為了提高密封性而設的特定位置，葉片4鑲入到了轉子5的滑槽之中(參見圖4)，葉片4在此位置應加工尖角，解決洩露可以通過提高加工精度、減小裝配後的間隙來達到。同時，本發明提供了另外一種方式用於改進密封性:在轉子5的中心加工一個油槽(油池)，並注入一定壓力的油，壓力油潤滑密封轉子5與葉片4之間的滑動副，並通過該滑動副滲透到容腔內，在離心力的作用下，潤滑油被甩到轉殼4上，並有一定的厚度，這樣使轉殼3、葉片4、轉子5相互之間的運動副都有密封油的存在，使氣密封改成油密封；同時一定壓力的油作用在葉片上，增加了葉片對轉殼的接觸力，加強了葉片4和轉殼3之間的密封。
[0048]介質(氣體、液體、粉末或其混合物)的進口和出口可以根據需要分別設置在任何與容腔接觸的部件上，例如轉殼、轉子徑向、轉子側面或心軸上。進口和出口上設置閥，並通過一定的控制機構打開和閉合(例如通過機械傳動或氣壓裝置等)，保證進口僅在進氣時打開，出口僅在出氣時打開。例如通過在外殼內表面設置凸輪，不同位置凸輪凸起程度不同，使得在進氣和出氣位置凸輪驅動進氣閥和出氣閥打開，在其他位置關閉。進口和出口閥的具體結構可以參考現有技術中發動機、泵、氣動馬達、汽輪機等的結構。
[0049]2、轉能機的工作過程及原理[0050](I)高壓介質能轉換成機械能時
[0051]轉能機做馬達時，將高壓介質能轉化為機械能，其RQl位置容腔設置進氣口，QR7-RQ12位置容腔設置出氣口。
[0052]工作時，假定轉子5逆時針旋轉，在將高壓介質能轉換成機械能時，RQl充滿高壓介質，依次轉動到RQ2-RQ6，容腔容積逐漸增大，氣壓逐漸減小。對於某個葉片而言，其右側RQl氣壓大於左側RQ2氣壓，因此會推動葉片逆時針轉動，依次類推各個葉片均受到壓力差的推動進行逆時針旋轉，這使得圖1中左半部每個葉片均受到氣壓的壓差力的推動，推動轉能機對外做功。同時，轉能機的膨脹比是可以設計的，對於一定壓力、流量的氣源，可以得到最佳的轉化效果。根據熱力學原理，從RQl與RQ6是一個等熵過程，伴隨著體積增大，介質的溫度必然降低，從而使得RQl部分的高壓氣體在到達RQ6時部分水蒸氣得到液化，這樣不僅充分利用的高壓的能量，還使得氣體液化的能量釋放出來轉化成推動葉片的機械能。從RQ7到RQ12放氣過程，即這個過程的氣壓都稍大於轉能機外部環境空間的氣壓，將容腔中的氣體放到外部環境空間，到RQ12為止，一個循環過程結束。
[0053](2)機械能轉換成高壓介質能時
[0054]轉能機做泵使用時，將機械能轉化為高壓介質能，這時RQ1、RQ2-RQ6位置設置吸氣口，而RQ12位置可設置高壓介質的出氣口，出氣口是一個單向閥，外部是高壓氣體存儲器。
[0055]工作時，設定轉子5逆時針旋轉，在RQl、RQ2-RQ6位置從環境中吸氣，轉動到RQ6位置後吸氣口封閉，在外力的作用下，轉子5逆時針旋轉，壓縮介質使容腔的容積逐步縮小，這個過程是等熵的壓縮過程，直至容腔中壓力大於出氣口外高壓氣體的壓力，這時單向閥打開，轉動到RQ12時，高壓氣體輸送完成。一個循環結束。
[0056](3)用於發動機的轉能機
[0057]設定:外殼I不動，轉殼3轉子5葉片4心軸6同向轉動，轉動方向逆時針方向。容腔RQl外於高壓位置，隨著RQl向RQ2.RQ3.RQ4.RQ5.RQ6.方向轉動，這時介質膨脹，介質對轉能機的葉片4作功，即高壓介質能轉換成機械能，通過心軸6輸出；當達到RQ6位置時，排氣口打開，已經做功的高壓介質(仍高於大氣壓力)通過排氣口迅速排向空氣，RQ6內的介質壓力急降到大氣壓；稍後進氣口打開，進氣腔內是可燃氣體(可燃氣體指空氣與柴油、汽油、天然氣或其他燃料的混合氣體)，進氣口的壓力大於此時容腔的壓力，進氣口的氣體流向容腔，而容腔內原先的已燃氣體繼續通過排氣口排到大氣中，這個動作應該在RQ7、RQ8、RQ9的位置中完成；到達RQ9位置時進氣口和排氣口同時關閉，RQ9-RQ10-RQ11是壓縮可燃氣體的過程，會降低心軸6的輸出扭矩，到RQll與RQ12間的某一個位置點火裝置點燃容腔中的可燃氣體，可燃氣體迅速燃燒或爆炸，溫度、壓力迅速升高，然後高壓介質作功。
[0058]對於氣體介質，由於氣體具有可壓縮的性能，轉能機可利用氣體的壓縮或膨脹吸收或釋放出的能量與機械能進行轉換。由於轉能機有一個膨脹過程和一個壓縮過程，根據需要取哪個過程再配合不同的進、排氣口可以實現泵、馬達、發動機等各種用途。對於液體介質，介質本身的可壓縮性是很小的，壓縮和膨脹過程可使介質加壓或對外做功，配合不同的進液口和排液口製成馬達和泵。不同用途的機械產品，都可採用轉能機相同的原理和結構實現。
[0059]3、轉能機的工業實用性及技術前景[0060]本發明的轉能機經過理論計算和實踐，已經證明了其可行性和可靠性，特別是其轉化效率，遠遠高於現有的能量轉換裝置。
[0061](I)用於馬達的氣動轉能機:
[0062]假設轉能機某個容腔在到達出氣口前的容積，除以該容腔剛剛脫離進氣口而封閉的容積的商稱為膨脹比。對於的具有一定壓力的特定介質，不同的膨脹比可以得到不同的高壓介質能轉化成機械能的轉化效率。轉能機的膨脹比的是可設計的，根據各種參數可以採用最優化的膨脹比。做馬達用的轉能機可以得到較大的膨脹比，並且膨脹中的高壓介質能幾乎可以全部轉化成機械能。對於多數以水蒸氣做介質的馬達，通過熱力學方程的計算，高壓水蒸氣在較大的膨脹比下高壓介質溫度下降較大，水蒸氣在低溫高壓下放出汽化熱直接轉成溼蒸氣或水，能轉化成機械能的效率高，同時還可減少冷凝水蒸氣的量。相比汽輪機以衝擊力對汽輪做功，轉能機以壓力對葉片做功，轉換效率高，並且無論功率大小都可以使用。
[0063](2)用於泵的氣動轉能機
[0064]做泵用的轉能機，由於密封性好和摩擦力小，可以得到較高的氣壓和效率。
[0065](3)用於馬達的水能轉能機
[0066]用於做馬達用的水能轉能機，與常用的渦輪機比較，由於採用壓力驅動葉片，高壓介質能的轉化成機械能的效率是非常高的，尤其對水位差大的水壩，其優勢非常明顯。
[0067](4)做發動機用的轉能機
[0068]如果將本發明轉能機用於發動機，是與傳統發動機結構具有本質區別的，將帶來革命性的影響。由於現有發動機本身結構原理的限制，其諸多方面的劣勢恰恰是本發明轉能機的優勢所在。本發明轉能機優勢如下:1、轉能機能夠連續轉動(四衝程發動機僅一個衝程實際做功)，固定的進氣排氣位置，可燃氣體的混合均勻。2、可以設計的膨脹比大於壓縮比(四衝程發動機膨脹比大致等於壓縮比，能量利用率低)，以提高效率。3、轉能機為滾動摩擦，摩擦損失小。4、燃料的要求降低，可以利用氣體、液體、粉末及其混合物作為燃料。
[0069](5)做泵和馬達用的液壓轉能機
[0070]採用本發明的結構用於油或乳化液的泵或馬達，相比現有油泵或馬達，其優點是:可得到更高的效率，更高的壓力，更大的流量範圍，好的適用性，因此對液壓泵和馬達的性能有很大的提升。
[0071]以上僅為有限列舉，轉能機的應用不限於此。並且上述原理、效果及應用的描述不作為對本發明權利要求保護範圍的具體限定。凡是與本發明結構相同或以本發明構思為基礎進行的改進產品均落入本發明保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種能量轉換裝置，包括外殼(I)、轉子(5)、多個葉片(4)、心軸(6)、介質進口和出口，轉子通過心軸(6)轉動連接在外殼上，其特徵在於: 還包括位於外殼和轉子之間的轉殼(3),轉殼(3)與外殼(I)通過轉動支撐件(2)轉動連接。 轉子側面圓周形成凹槽，多個葉片沿圓周方向分布在轉子凹槽內，且每個葉片沿轉子徑向設置。 轉子(5)、心軸(6)的迴轉中心與轉動支撐件(2)、轉殼(3)的迴轉中心相互偏心設置。 相鄰兩個葉片、所述凹槽的底和側壁、以及轉殼內表面構成容腔，從而使得整個能量轉換裝置具有多個大小不同的容腔。
2.如權利要求1所述的一種能量轉換裝置，其特徵在於:轉子凹槽內沿轉子徑向形成多個徑向滑槽，葉片分別安裝在滑槽中，能夠沿轉子徑向方向移動。
3.如權利要求1所述的一種能量轉換裝置，其特徵在於:葉片外側具有凹形開口，轉殼部分或全部置於上述凹形開口中。
4.如權利要求1所述的一種能量轉換裝置，其特徵在於:轉殼部分或全部設置在轉子的凹槽內並與之相配合。
5.如權利要求1所述的一種能量轉換裝置，其特徵在於:轉殼、轉子和葉片相互之間均採用氣密性接觸。
6.如權利要求1所述的一種能量轉換裝置，其特徵在於:轉子轉動時，葉片沿轉子的滑槽移動，其外側始終壓合在轉殼內表面，葉片外側橫截面為圓弧形，與轉殼的內圓相切，並隨轉子與轉殼的關係往復移動。·
7.如權利要求1所述的一種能量轉換裝置，其特徵在於:轉子分成多個部分連接構成或一體成型。
8.如權利要求1所述的一種能量轉換裝置，其特徵在於:轉子與心軸固定連接，或兩者設計成一體即兩者成為一個零件。
9.如權利要求1所述的一種能量轉換裝置，其特徵在於:介質進口和出口設置在轉殼圓周面、轉子圓周面、轉子側面或心軸上。
10.如權利要求1所述的一種能量轉換裝置，其特徵在於:通過轉子中心油池和/或介質進口向容腔加入潤滑的油，油作用在葉片的端面，使容腔在高壓下仍能保證葉片與轉殼壓合，並使轉殼、葉片、和/或轉子之間的運動副存在油進行密封。
【文檔編號】F03C2/30GK103527253SQ201310500059
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月21日 優先權日:2013年10月21日
【發明者】宋振才 申請人:宋振才