CN103527253A - 一种能量转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能量转换装置，其包括外壳、转子、多个叶片、心轴、介质进口和出口，以及位于外壳和转子之间的转壳。采用该结构的能量转换装置作为泵、马达或发动机，可以极大地提高能量利用率和转换效率，节约能源。

Description

一种能量转换装置

技术领域

本发明涉及一种能量转换装置，特别是涉及一种能够高效地将高压介质能与机械能相互转换的装置。

背景技术

我们知道具有一定压力、容积、温度的气体具有能量，例如压缩空气、从锅炉中产生的高压水蒸气；而具有一定压力、容积的液体也具有能量，例如，我们说被拦截在大坝上高位的水相对于低位的水具有能量，我们称这种具有压力的、可以流动的气体和液体介质所具有的能量为高压介质能。一般说热能是低级能量，不易转换，人们利用热能转换成高压介质能，再利用高压介质能转换成机械能进行发电，驱动其他机械。而要实现这些目的就需要一种高压介质能和机械能的互相转换的装置。

目前现有的能量转换装置包括发动机(燃料燃烧产生高压气体转化成机械能做功)、汽轮机(利用锅炉产生的高压介质转化成机械能发电)、涡轮机(利用水压转化成机械能发电)、泵和马达等等。然而这些装置由于其原理结构限制，各存在缺点。

对于四冲程气缸发动机而言，有以下不足：(1)四冲程气缸发动机膨胀比等于压缩比，压缩气体排出发动机时气体仍具有一定温度和一定的压力，这些能量被浪费掉了；(2)发动机的活塞与钢桶之间是滑动摩擦，为了保证高压气体不泄露还增加了密封环，滑动摩擦会导致能量损失。(3)四冲程式发动机的四个冲程中只有一个冲程用于做功，其他三个冲程均不做功，效率低。

对于汽轮机和涡轮机，由于是靠冲击产生扭矩，介质要具有足够高的速度才能产生足够的冲击力，而介质速度从零到高速需要能量，这些能量被浪费掉了，所以汽轮机效率也不高。

由于存在上述缺点，导致目前实现能量转换的产品转换效率低、能量损失大，由此带来能量浪费大，环境污染等各类问题。降低能源浪费，提高能源的转化效率一直是全社会、全世界的重点研究课题。随着全社会对产品节能性能的要求越来越高，如果有更高效率的转能机，现有能量转换产品由于能耗较高逐渐要被淘汰。如果效率提高一倍，就相当于采用现在一半的能量可以驱动现有的所有机械。因此，提供一种能够提高能量利用率、节能环保的能量转换产品是目前亟待解决的问题，具有极大的社会效益和经济效益。

发明内容

为了解决上述技术问题，提高能量利用率，本发明通过“转壳”外加轴承结构的设置，及转子与叶片结构的设置，实现了转子、叶片和转壳之间的几乎相同角速度转动。一方面，滚动摩擦代替传统产品中的滑动摩擦，降低了摩擦损失；另一方面，由于叶片与转壳间滑动量小，可以加大接触力，再通过“叶片”和“转壳”的配合，可以实现较好的密封效果。同时“转子”回转中心与“转壳”回转中心相互的偏心设置，实现了在一个圆周上有大小不同的多个容腔所组成的容腔，每一个容腔在转动过程中可实现从大到小再从小到大有规律的变化过程。配合不同的介质进口、介质出口，转能机可以实现使介质(例如气体)膨胀做功；压缩介质(例如空气)成高压介质(气体)；甚至实现在一个循环中吸气、压缩气体、燃烧、膨胀做功、排气等各种过程。对于液体，也可实现高压介质与机械能的互相转换。正是由于本发明的特殊结构，使得机械能／高压介质能的转换效率高，节能环保。以下是本发明的技术方案。

一种能量转换装置，包括外壳、转子、多个叶片、心轴、介质进口和出口，心轴转动连接在外壳上，其特征在于：

还包括位于外壳和转子之间的转壳，转壳与外壳通过转动支撑件转动连接；

转子侧面圆周加工成凹槽，多个叶片沿圆周方向分布在转子凹槽内，且每个叶片沿转子径向设置；

转子、心轴的回转中心与转动支撑件、转壳的回转中心相互偏心设冒；

相邻两个叶片、所述凹槽的底和侧壁、以及转壳内表面构成容腔，从而使得整个能量转换装置具有多个大小不同的容腔。

更进一步，转子凹槽内沿转子径向形成多个径向滑槽，叶片分别安装在滑槽中，能够沿转子径向方向移动。

更进一步，叶片外侧具有凹形开口，转壳部分或全部置于上述凹形开口中。

更进一步，转壳部分或全部设置在转子的凹槽内并与之相配合。

更进一步，转壳、转子和叶片相互之间均采用气密性接触。

更进一步，转子转动时，叶片在离心力和转子中心的油压作用下沿转子的滑槽移动，其外侧始终压合在转壳内表面，其外侧横截面为圆弧形，与转壳的内圆相切，并随转子与转壳的关系往复移动。

更进一步，转子分成两个部分由螺栓连接构成。

更进一步，转子与心轴固定连接或一体成型，或两者设计成一体即两者成为一个零件。

更进一步，介质进口和出口设置在转壳圆周面、转子圆周面、转子侧面或心轴上。

更进一步，心轴通过转轴支撑件与外壳转动连接。

更进一步，多个容腔用于容置工作介质。

更进一步，通过转子中心油池和／或介质进口向容腔加入润滑的油，油作用在叶片的端面，使容腔在高压下仍能保证叶片与转壳压合，并使转壳、叶片、和／或转子之间的运动副存在油进行密封。

更进一步，在转子的中心加工一个油槽，并注入一定压力的油，压力油润滑密封转子与叶片之间的滑动副，并通过该滑动副渗透到容腔内，在离心力的作用下，润滑油被甩到转壳上，并有一定的厚度，这样使转壳、叶片、转子相互之间的运动副都有密封油的存在，使气密封改成油密封。

本发明的能量转换装置(简称为转能机)可以完成下列三种工作：(1)把高压介质能转换成机械能；(2)把机械能转换成高压介质能；(3)把可燃气体(多数是气体和燃料的混合气体)加入机构中，机构先对可燃气体进行加压，然后点燃燃烧，燃烧后的气体温度增加而产生更高压力的气体，高压力气体又对机构做功，使机构产生机械能输出。我们称本发明的装置为能量转换装置或转能机。转能机根据能量转换的不同需要配置不同的介质进口和介质出口，可代替汽轮机、涡轮机、马达、泵、发动机之用。

本发明与传统的能量转换装置相比，具有更高的转换效率、一定的密封性、更广的用途。不仅可以极大提高泵、马达、发动机的能量利用和转换效率，节约能源，而且还可扩大燃料的应用范围，可采用可燃的气体、液体、固体(例如经过一定粉碎的煤)及它们的混合物做燃料，减少对石油的依赖。本发明具有广泛的应用前景，可以广泛应用于需要能量转换的场合，例如发电站、车、船、工业设备等。

附图说明

图1为能量转换装置横截面G-G的截面剖视图

图2为能量转换装置主体结构A-A的截面剖视图

图3为能量转换装置主体结构B-B的截面剖视图

图4为能量转换装置E-E截面剖视图

图5为能量转换装置转子D-D截面剖视图

图6为能量转换装置转子C-C截面剖视图

图7为能量转换装置叶片视图

图8为能量转换装置叶片F-F截面视剖视图

具体实施方式

1、机械结构

如图1所示，能量转换装置(以下简称转能机)包括外壳1、转动支撑2、转壳3、多个叶片4、转子5、心轴6、转轴支撑7、和介质进口、介质出口等部分组成。其主要部件从外到内依次是外壳、转动支撑件、转壳、转子、心轴；叶片安装在转子上，转轴支撑安装在外壳上，转动支撑心轴。

外壳1是基础构件，外部与转能机的基础相连，内部通过转动支撑件2、转轴支撑件7提供对转能机各部件的支撑。通过转轴支撑件7与心轴连接，使得心轴能够相对外壳转动；通过转动支撑件2与转壳连接，使得转壳能够相对于外壳转动。

转动支撑件2是转壳3和外壳1之间的支撑件，其结构可以是轴承、滚珠、滚珠加保持架等各种结构，只要能够实现转壳在外壳支撑下转动即可。

转壳3是一个筒状零件，其内部圆柱面②是形成容腔的一个表面；宽度和容腔的宽度相同；外面安装转动支撑件2。转壳位于外壳和转子之间。

叶片4结构如图7和图8所示，叶片共N个，叶片外侧具有凹形开口，转壳的一部分或全部置于上述凹形开口中。叶片的总宽度为a+2b，其中凹形开口的两个边缘宽度为b的边缘部分高于中间宽度为a的中间部分；凹形开口宽度a正好与容腔及转壳的宽度相同；两端宽度b的端部插装在转子5的滑槽内，使得整个叶片露出部分宽度为a(即仅宽度为a的部分露出，宽度为b的部分插入滑槽内并不露出)；宽度为a的部分其横截面具有圆弧，半径为r(如图8所示)，转动时顶在转壳3上且与转壳3内圆相切；而两端宽度为b的部分的内端面卡在转壳3侧面上；叶片的两个表面⑥⑦是容腔六个表面中的两个可以变化的表面。

转子5的结构如图5和图6所示，由一个直径φ1两个直径φ2的圆柱体组成，φ2>φ1。为了制造和转配的方便，一般都制作成两体结构，用螺栓把两部分紧在一起，也可以一体成型。不同直径的圆柱体使得转子侧面圆周形成凹槽结构，转壳部分或全部位于凹槽中。多个叶片沿圆周方向分布在转子凹槽内，且每个叶片沿转子径向设置。转子由圆周向圆心沿径向形成多个滑槽①，叶片分别安装在滑槽①中，装配后转子5连同叶片4卡紧在转壳3的宽度方向上，根掘转动时转子与叶片相对位置的不同，在离心力和／或中心油压和／或转壳压力的共同作用下，叶片从转子的径向滑槽中伸出或缩回滑动(如图1所示)，从而使得转子转动时，保证容腔的气密性。转子5的表面⑤形成容腔的内表面，转子5的表面③④形成容腔的两个侧表面；转子5的中心孔内通过键连接安装在心轴6上。

心轴6安装在转轴支撑7上，中间部分安装转子5。

转子5和心轴6可以设计成一体结构，即两个零件一体成型构成一个零件。

转轴支撑7可以是轴承、滚珠、滚轮、滚柱等多种结构，只要能够实现心轴在外壳支撑下转动即可。转轴支撑件7连接外壳1和心轴6。

转子5、心轴6、转轴支撑7具有共同的回转中心A，转动支撑2、转壳3具有共同的回转中心B，回转中心A与B之间具有一个偏心e。N个叶片安装后在转子和转壳间形成了N个容腔RQ1-RQn(例如n=12)，由于偏心的存在n个容腔容积大小并不相同。每个单独的容腔的外面是转壳内表面②，里面是转子5凹槽底面⑤，还有4个侧面，左右分别是叶片的侧面⑥⑦，前后两侧是转子5的凹槽侧面③④。如图1所示假设共十二个容腔(具体容腔数目和大小可以根据实际需要设定)，分别用RQ1、RQ2、RQ3…RQ12表示。多个容腔用于容置工作介质，例如气体、液体、固体粉末或它们的混合物。

在旋转的过程中，转壳3、叶片4、转子5同角速度转动(转壳3在转动时有可能丢转，但量非常小)，每个叶片4每转一圈与转壳3、转子5之间的滑移量总和大致都等于两个偏心量2e，比传统机械结构叶片泵、马达等滑动摩擦量极大的减少，降低了磨损，提高了效率。

参见图1，转能机共有12个容腔，每一个容腔应避免或减小向其他容腔以及转能机的内外泄漏。参见图2中的I位置，是为了提高密封性而设的特定位置，叶片4镶入到了转子5的滑槽之中(参见图4)，叶片4在此位置应加工尖角，解决泄露可以通过提高加工精度、减小装配后的间隙来达到。同时，本发明提供了另外一种方式用于改进密封性：在转子5的中心加工一个油槽(油池)，并注入一定压力的油，压力油润滑密封转子5与叶片4之间的滑动副，并通过该滑动副渗透到容腔内，在离心力的作用下，润滑油被甩到转壳4上，并有一定的厚度，这样使转壳3、叶片4、转子5相互之间的运动副都有密封油的存在，使气密封改成油密封；同时一定压力的油作用在叶片上，增加了叶片对转壳的接触力，加强了叶片4和转壳3之间的密封。

介质(气体、液体、粉末或其混合物)的进口和出口可以根据需要分别设置在任何与容腔接触的部件上，例如转壳、转子径向、转子侧面或心轴上。进口和出口上设置阀，并通过一定的控制机构打开和闭合(例如通过机械传动或气压装置等)，保证进口仅在进气时打开，出口仅在出气时打开。例如通过在外壳内表面设置凸轮，不同位置凸轮凸起程度不同，使得在进气和出气位置凸轮驱动进气阀和出气阀打开，在其他位置关闭。进口和出口阀的具体结构可以参考现有技术中发动机、泵、气动马达、汽轮机等的结构。

2、转能机的工作过程及原理

(1)高压介质能转换成机械能时

转能机做马达时，将高压介质能转化为机械能，其RQ1位置容腔设置进气口，QR7-RQ12位置容腔设置出气口。

工作时，假定转子5逆时针旋转，在将高压介质能转换成机械能时，RQ1充满高压介质，依次转动到RQ2-RQ6，容腔容积逐渐增大，气压逐渐减小。对于某个叶片而言，其右侧RQ1气压大于左侧RQ2气压，因此会推动叶片逆时针转动，依次类推各个叶片均受到压力差的推动进行逆时针旋转，这使得图1中左半部每个叶片均受到气压的压差力的推动，推动转能机对外做功。同时，转能机的膨胀比是可以设计的，对于一定压力、流量的气源，可以得到最佳的转化效果。根据热力学原理，从RQ1与RQ6是一个等熵过程，伴随着体积增大，介质的温度必然降低，从而使得RQ1部分的高压气体在到达RQ6时部分水蒸气得到液化，这样不仅充分利用的高压的能量，还使得气体液化的能量释放出来转化成推动叶片的机械能。从RQ7到RQ12放气过程，即这个过程的气压都稍大于转能机外部环境空间的气压，将容腔中的气体放到外部环境空间，到RQ12为止，一个循环过程结束。

(2)机械能转换成高压介质能时

转能机做泵使用时，将机械能转化为高压介质能，这时RQ1、RQ2-RQ6位置设置吸气口，而RQ12位置可设置高压介质的出气口，出气口是一个单向阀，外部是高压气体存储器。

工作时，设定转子5逆时针旋转，在RQ1、RQ2-RQ6位置从环境中吸气，转动到RQ6位置后吸气口封闭，在外力的作用下，转子5逆时针旋转，压缩介质使容腔的容积逐步缩小，这个过程是等熵的压缩过程，直至容腔中压力大于出气口外高压气体的压力，这时单向阀打开，转动到RQ12时，高压气体输送完成。一个循环结束。

(3)用于发动机的转能机

设定：外壳1不动，转壳3转子5叶片4心轴6同向转动，转动方向逆时针方向。容腔RQ1外于高压位置，随着RQ1向RQ2.RQ3.RQ4.RQ5.RQ6.方向转动，这时介质膨胀，介质对转能机的叶片4作功，即高压介质能转换成机械能，通过心轴6输出；当达到RQ6位置时，排气口打开，已经做功的高压介质(仍高于大气压力)通过排气口迅速排向空气，RQ6内的介质压力急降到大气压；稍后进气口打开，进气腔内是可燃气体(可燃气体指空气与柴油、汽油、天然气或其他燃料的混合气体)，进气口的压力大于此时容腔的压力，进气口的气体流向容腔，而容腔内原先的已燃气体继续通过排气口排到大气中，这个动作应该在RQ7、RQ8、RQ9的位置中完成；到达RQ9位置时进气口和排气口同时关闭，RQ9-RQ10-RQ11是压缩可燃气体的过程，会降低心轴6的输出扭矩，到RQ11与RQ12间的某一个位置点火装置点燃容腔中的可燃气体，可燃气体迅速燃烧或爆炸，温度、压力迅速升高，然后高压介质作功。

对于气体介质，由于气体具有可压缩的性能，转能机可利用气体的压缩或膨胀吸收或释放出的能量与机械能进行转换。由于转能机有一个膨胀过程和一个压缩过程，根据需要取哪个过程再配合不同的进、排气口可以实现泵、马达、发动机等各种用途。对于液体介质，介质本身的可压缩性是很小的，压缩和膨胀过程可使介质加压或对外做功，配合不同的进液口和排液口制成马达和泵。不同用途的机械产品，都可采用转能机相同的原理和结构实现。

3、转能机的工业实用性及技术前景

本发明的转能机经过理论计算和实践，已经证明了其可行性和可靠性，特别是其转化效率，远远高于现有的能量转换装置。

(1)用于马达的气动转能机：

假设转能机某个容腔在到达出气口前的容积，除以该容腔刚刚脱离进气口而封闭的容积的商称为膨胀比。对于的具有一定压力的特定介质，不同的膨胀比可以得到不同的高压介质能转化成机械能的转化效率。转能机的膨胀比的是可设计的，根据各种参数可以采用最优化的膨胀比。做马达用的转能机可以得到较大的膨胀比，并且膨胀中的高压介质能几乎可以全部转化成机械能。对于多数以水蒸气做介质的马达，通过热力学方程的计算，高压水蒸气在较大的膨胀比下高压介质温度下降较大，水蒸气在低温高压下放出汽化热直接转成湿蒸气或水，能转化成机械能的效率高，同时还可减少冷凝水蒸气的量。相比汽轮机以冲击力对汽轮做功，转能机以压力对叶片做功，转换效率高，并且无论功率大小都可以使用。

(2)用于泵的气动转能机

做泵用的转能机，由于密封性好和摩擦力小，可以得到较高的气压和效率。

(3)用于马达的水能转能机

用于做马达用的水能转能机，与常用的涡轮机比较，由于采用压力驱动叶片，高压介质能的转化成机械能的效率是非常高的，尤其对水位差大的水坝，其优势非常明显。

(4)做发动机用的转能机

如果将本发明转能机用于发动机，是与传统发动机结构具有本质区别的，将带来革命性的影响。由于现有发动机本身结构原理的限制，其诸多方面的劣势恰恰是本发明转能机的优势所在。本发明转能机优势如下：1、转能机能够连续转动(四冲程发动机仅一个冲程实际做功)，固定的进气排气位置，可燃气体的混合均匀。2、可以设计的膨胀比大于压缩比(四冲程发动机膨胀比大致等于压缩比，能量利用率低)，以提高效率。3、转能机为滚动摩擦，摩擦损失小。4、燃料的要求降低，可以利用气体、液体、粉末及其混合物作为燃料。

(5)做泵和马达用的液压转能机

采用本发明的结构用于油或乳化液的泵或马达，相比现有油泵或马达，其优点是：可得到更高的效率，更高的压力，更大的流量范围，好的适用性，因此对液压泵和马达的性能有很大的提升。

以上仅为有限列举，转能机的应用不限于此。并且上述原理、效果及应用的描述不作为对本发明权利要求保护范围的具体限定。凡是与本发明结构相同或以本发明构思为基础进行的改进产品均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种能量转换装置，包括外壳(1)、转子(5)、多个叶片(4)、心轴(6)、介质进口和出口，转子通过心轴(6)转动连接在外壳上，其特征在于：

还包括位于外壳和转子之间的转壳(3)，转壳(3)与外壳(1)通过转动支撑件(2)转动连接。

转子侧面圆周形成凹槽，多个叶片沿圆周方向分布在转子凹槽内，且每个叶片沿转子径向设置。

转子(5)、心轴(6)的回转中心与转动支撑件(2)、转壳(3)的回转中心相互偏心设置。

相邻两个叶片、所述凹槽的底和侧壁、以及转壳内表面构成容腔，从而使得整个能量转换装置具有多个大小不同的容腔。

2.如权利要求1所述的一种能量转换装置，其特征在于：转子凹槽内沿转子径向形成多个径向滑槽，叶片分别安装在滑槽中，能够沿转子径向方向移动。

3.如权利要求1所述的一种能量转换装置，其特征在于：叶片外侧具有凹形开口，转壳部分或全部置于上述凹形开口中。

4.如权利要求1所述的一种能量转换装置，其特征在于：转壳部分或全部设置在转子的凹槽内并与之相配合。

5.如权利要求1所述的一种能量转换装置，其特征在于：转壳、转子和叶片相互之间均采用气密性接触。

6.如权利要求1所述的一种能量转换装置，其特征在于：转子转动时，叶片沿转子的滑槽移动，其外侧始终压合在转壳内表面，叶片外侧横截面为圆弧形，与转壳的内圆相切，并随转子与转壳的关系往复移动。

7.如权利要求1所述的一种能量转换装置，其特征在于：转子分成多个部分连接构成或一体成型。

8.如权利要求1所述的一种能量转换装置，其特征在于：转子与心轴固定连接，或两者设计成一体即两者成为一个零件。

9.如权利要求1所述的一种能量转换装置，其特征在于：介质进口和出口设置在转壳圆周面、转子圆周面、转子侧面或心轴上。

10.如权利要求1所述的一种能量转换装置，其特征在于：通过转子中心油池和／或介质进口向容腔加入润滑的油，油作用在叶片的端面，使容腔在高压下仍能保证叶片与转壳压合，并使转壳、叶片、和／或转子之间的运动副存在油进行密封。

Images