專利名稱:雙圓式氣動機的制作方法
本適用新型是一種以具有一定壓力的氣體(含蒸汽在內，以下通用氣書寫)為推動力的連續旋轉的動力機械。
現有的以氣體的壓力做為動力的機械主要有活塞式蒸汽機、葉片式蒸汽輪機和其他葉片式氣動機。(即以壓縮空氣為動力的機械)前兩種機械一般用于獲得大功率輸出的機械，如蒸汽機車、火力發電和其他蒸汽動力機械，后一種一般用于小型高速旋轉機械方面。活塞式蒸汽機為人類的進步作出了劃時代的偉大貢獻，然而它美中不足的是存在有活塞往返時的慣性損耗；連桿與活塞運動方向之間的夾角損耗；上下兩止點間的曲軸旋轉角度損耗等。葉片式氣輪機后來居上，得到了廣泛的應用，但它的缺點是有間隙洩漏氣流損耗；有反射氣流損耗；有側壓損耗和排氣壓力損耗等。以上兩種機械的這些損耗，目前還沒有克服的有效辦法。
本適用新型的目的是提供一種具有活塞式機械的較好的密封性能，又具有葉片式氣輪機械的連續轉動的特點的新型動力機械，以節省能源。
本適用新型是以如下的方式實現的在一個圓形的金屬圓盤上，設置有一個圓環形溝槽，將一個兩邊帶有突起臺階的圓環，鑲入圓盤的溝槽之內，形成一個如圓形鐵桶狀。在圓環內，安裝一個直徑小于圓環直徑的轉輪，該轉輪的軸心與圓環的圓心，采用“不同心”的位置組裝。使轉輪與圓環形成一邊較寬、像“月牙”形狀的汽道；另一邊則間隙很小、又不能相互摩擦的密封之處。在轉輪上設有滑塊。此滑塊在彈簧和旋轉時離心力的作用下，始終觸及“月牙”形汽道圓環的內壁上。滑塊的作用是直接承受氣壓，帶動轉輪旋轉。在轉輪上，安裝有密封環、密封塊等，其功用是阻止有用氣體洩漏。最后，還要有一個與前面提到的相同的圓盤，蓋在轉輪、圓環等組合體的上面，與轉輪保持應有的小間隙，對準圓環上的凸起臺階、蓋好、固定，把轉輪密封在其中，這就是雙圓式氣動機的汽道裝置。歸納起來就是兩個圓盤，中間夾固著一個圓環，內中安裝一個轉輪總成，轉輪軸裝配在兩個圓盤的軸孔上。這就是一臺單汽道的雙圓氣動機、類似一臺單缸活塞機。如果有三個圓盤，中間夾固著兩個圓環，內中安有兩個轉輪，這就是一臺兩汽道的雙圓氣動機。以此類推，雙圓式氣動機可以有多個汽道組成。為了抵消由于“不同心”的安裝引起的振動，如果是兩個或者兩個以上汽道的雙圓機，就要將兩個汽道的最寬處錯開，形成180°的“相位”差；如若采用三個汽道的雙圓機，則其汽道的安裝“相位”差應是120°。另外，由于汽道的厚度不同，滑塊的重量也不同，所以既要考慮角度配合，又要考慮重量的匹配，以達到抵消振動，平穩運轉的目的。
雙圓式氣動機與現有的活塞式蒸汽機和蒸汽輪機相比，有制造簡單、節省能源的可取之處。下面通過圖6，首先與活塞式蒸汽機加以對比。
圖6(一)是活塞機曲軸從0°開始運轉圖。圖6(二)是與(一)相對應的曲線。圖6(二)的橫座標是活塞機曲軸旋轉的角速度，用(ω)表示。縱座標是蒸汽壓力，用(P)表示。線(1)表示一恒定汽壓的蒸汽輸給活塞機，也就是作用在活塞頂部的壓力。虛線(2)，是當活塞受到來自(1)的汽壓后，垂直向下移動，而連桿的另一端則隨曲軸做圓周運動，所以連桿傾斜于活塞移動方向，形成連桿夾角，這樣連桿傳給曲軸的力就有了損耗。分析表明，這一夾角損耗是以余弦的方式出現的，并附在線(1)的下方，我們稱它為“余弦”損耗。這一損耗的大小，決定于曲柄長度和連桿長度。反映在圖形上則是線(2)占去了線(1)以下的一些面積。曲線(3)是曲軸實際接收到連桿傳來的壓力后，在旋轉過程中所能輸出的扭力曲線。圖6(一)與圖6(二)兩圖是對應著的，不難看出，圖6(二)是一個正弦曲線，所以我們也可稱曲軸的這一損耗為正弦損耗。這個正弦損耗是較大的，占去了線(1)以下，從0°～180°之間的兩個近似三角形的面積，實際有效功率是正弦形所含面積，此正弦所含面積占(1)線以下，從0°～180°方形面積內的0.635倍。(即 (π)/2 )如果再減去連桿的余弦損耗，曲軸輸出的有效扭力也只有活塞受力的0.6倍左右了。因此可以認為一切由移動變成轉動的機械，都存在著“正弦”損耗和“余弦”損耗。以上的分析還沒包括活塞往返時(含連桿往返時)的慣性損耗。總的來說，活塞機的效率不算是高的。
圖6(三)是雙圓機的工作曲線圖。橫座標是雙圓機旋轉的角速度，在此令它與圖6(二)的角速度相等，用(ω)表示。縱座標是氣壓，用(P)表示。線(1)與圖6(二)的線(1)相同，均為相等的一恒定汽壓作用在活塞機和雙圓機的工作部件上。線(4)是雙圓機的工作部件(即滑塊)受到來自線(1)的壓力曲線；也是轉輪半徑受到線(1)的壓力形成力矩的曲線；也是雙圓機軸實際輸出的扭力曲線。從氣壓輸進來，到轉輪軸輸出扭力，中間沒有其他轉換損耗，(摩擦力除外)而是直接形成輸出扭力的。另外，活塞機的工作行程最大也只能在曲軸轉角的180°以內，而雙圓機可以超過180°，它的工作行程可達到270°～280°的旋轉角度，工作行程延長了許多。在設計過程中，只要將它的排汽孔設在距離進汽孔270°～280°左右的弧度處即可。當滑塊運行到排汽孔時，線(4)突然下降，表示廢汽排除。在對活塞機和雙圓機都不考慮摩擦力的情況下，從圖6中可以看出雙圓機比活塞機的效率是高的，至少，也高出1倍以上。所以說雙圓機是節省能源的。
其次，再將雙圓式氣動機與蒸汽輪機簡單加以比較。
蒸汽輪機的第一個問題就是漏汽損耗。轉子葉片的頂端同渦輪機圓筒(機匣)的內壁之間存在著間隙(3)，這就導致一部分汽流由此流到葉片背后。另外，轉子葉片間也存在有一定的漏汽汽流。第二就是反射汽流。當高壓蒸汽以與渦輪軸相平行的方向吹向葉片時，由于葉片的面積和角度不同，所以就產生了不盡相同的反射汽流，這些反射汽流相互作用、“入射”汽流與反射汽流在葉面上的相互作用等，損耗了一部分汽體的動能。第三就是汽流與渦輪旋轉方向的轉換損失。蒸汽流吹向渦輪的方向，并不是渦輪旋轉的方向而是成90°。當蒸汽流(或入射汽流)作用在大約成45°角的葉片上時，使葉片上面承受著兩個主要的力一個是對渦輪產生“側壓”的軸向力；另一個是反射汽流的“反作用力”，促進渦輪旋轉的是后一種“反作用力”。“側壓”力消耗在對渦輪的軸向損失上。因為反射汽流的反射方向不盡相同，所以它所形成的反作用力，也不是全都能轉換成旋轉力的。第四就是排汽損失。渦輪式蒸汽輪機，排出的汽流較大，排出的汽溫也較高，靜壓也較大。
雙圓式氣動機由于密封性能較好，能將氣體壓力直接轉換成所需要的扭力，中間環節損耗很小，所以它較蒸汽輪機效率高。
雙圓式氣動機的最高轉速將是低于汽輪機、高于活塞機的。
以下結合附圖，對本適用新型的結構、作用等作進一步描述。
圖1是雙圓式氣動機(無上蓋圓盤)的俯視略圖。
圖2、3是雙圓式氣動機的轉輪、密封環、密封塊的視圖。
圖4是雙圓式氣動機滑塊總成圖。
圖5是雙圓式氣動機多個汽道組合示意圖。
圖6是雙圓式氣動機與活塞式蒸汽機耗能對比圖。
首先參照圖1，說明雙圓式氣動機的工作原理和各部件的構成及作用。
由蒸汽鍋爐或具有一定壓力的空氣容器中送來的氣體(2)，經過進氣管(1)和圓環(4)上的進氣孔(3)，而進入“月牙”形汽道(10)中，并作用在滑塊(7)上。汽道(10)是由圓環(4)和轉輪(5)，因采用“不同圓心”的裝配所形成這就是轉輪(5)的直徑小于圓環(4)的直徑，在確保一個方向上(即圖1的上方)間隙最小、且又不互相摩擦的前提下，則在另一個方向上(即圖1的下方)就形成了如“月牙”形的空間，在轉輪(5)與圓環(4)的兩側面，再加蓋上如同鍋蓋似的圓形端蓋，這樣 就形成了“月牙”形空間汽道(10)了。(6)是轉輪上的密封塊，它安裝在轉輪的鍵槽圖2的(24)之中，中間裝有彈簧片圖2的(27)，使密封塊靠近滑塊(7)的側面，其作用是對汽道內氣體起密封作用。滑塊(7)是安裝在轉輪上的，它在彈簧(9)和離心力作用下，其頂部始終觸及圓環(4)的內壁上。滑塊(7)的兩側，也同樣有密封付滑塊圖4的(70)密封汽道。當滑塊(7)受到外來氣壓(2)以后，向下移動，同時就帶動著轉輪做順時針方向(圖1中F方向)旋轉，滑塊(7)則又在橢圓形“軌道”內滑行并申縮著。滾珠(8)是保證滑塊(7)申縮自如、減少摩擦力的裝置。(20)是裝在轉輪上的密封環，在轉輪的兩個側面，共有4個，也是起密封汽道的作用的。密封閥(15)安裝在圓環(4)上，它的作用是密封轉輪(5)同圓環(4)之間的間隙的，使進氣道與排汽道互不相通。特別是在密封閥(15)的尾部下方，有一個成90°的臺階(18)，它是抵抗強大進氣壓力的，使進氣道的高壓氣體，不能頂起成90°臺階的閥而“短路”流到排汽一側去。(16)是小彈簧，它彈擠著密封閥(15)，使其與轉輪(5)的邊緣相接觸。(17)是安密封閥(15)的鍵槽。
雙圓式氣動機工作過程就是高壓氣體(2)經過進氣孔(3)而進入汽道(10)，對汽道內各處和滑塊(7)的表面，都產生相等的壓力，作用在滑塊(7)上的力便直接產生力矩，此力矩的大小，等于滑塊(7)表面積(S)，乘以滑塊(7)到轉輪(5)的軸心點(O)的距離(H)，再乘以作用在滑塊(7)表面上的壓力(P)，即M＝P·S·H從圖1中可以看出，輸進來的氣壓(2)有多大，作用在滑塊(7)上的氣壓就有多大，而這個氣體壓力，由滑塊(7)的長短，加上轉輪(5)的半徑，就形成雙圓機的力矩，此力矩也就是本機的輸出扭力。(14)是加強、固定圓環(4)的瓦片。(11)和(13)是排汽孔與排汽管。
雙圓式氣動機弧形“軌道”的行程，從進氣孔到排汽孔超過180°，最大可達280°左右，滑塊(7)的行程長、效率高。汽道弧度的“長短”，取決于排汽孔位置的設置。
圖2、3是轉輪及其密封部件圖。
密封環(20)應安裝在轉輪環槽(22)之中。密封環銷釘(21)套上小彈簧(26)，并對準環槽內的銷釘孔(25)方可安裝密封環(20)。轉輪每一面放兩個密封環，一個轉輪上共放四個。密封環(20)在小彈簧(26)的作用下，輕微接觸到兩個端蓋(圖4)的內側，起密封作用。(23)是安裝滑塊總成的轉輪缺口。(24)是轉輪上的鍵槽，是放密封塊(6)的地方，其間放進彈片(27)，在彈片(27)作用下，密封塊(6)接觸滑塊(7)的側面，在滑塊申縮時，它與滑塊產生接觸摩擦，使汽道內汽體不洩漏。每個轉輪上安裝滑塊的數量視需要而定。轉輪的厚度是決定雙圓機馬力大小的因素之一。離心錘(28)是抵消滑塊(7)對圓環(4)內壁上的壓力。
圖4是滑塊組合(或稱滑塊總成)圖。
滑塊組合主要是由滑塊盒和滑塊兩部分組成。組合情況是將滑塊(7)上的起著密封作用的付滑塊(70)，放入滑塊槽內，使定位銷(71)套上小彈簧(72)，插入滑塊的定位孔(73)之中，這樣上下兩個付滑塊(70)在小彈簧的張力下，向外微張，同時觸及到上、下兩個端蓋之中的內部平面。付滑塊(70)一方面隨同滑塊(7)轉動和申縮，另一方面密封汽道。另外再將滾珠組合(8)放到滑塊滾珠槽(67)內，將滑塊(7)連同滾珠組合(8)一起，放進滑塊盒(63)內，并使滾珠組合(8)對準滑塊盒的滾珠槽(66)。同樣在蓋上滑塊盒蓋(61)之前，使滾珠組合(8)下面對準滑塊滾珠槽(67)，上面對準滑塊盒蓋的滾珠槽(64)，然后蓋好盒蓋(61)，最后將滑塊盒蓋(61)與滑塊盒(63)固定好。至此，滑塊組合已組裝成為一體，開始裝進轉輪的缺口(23)之中，調整、固定好滑塊盒于轉輪上，此時滑塊(7)在滑塊彈簧(9)的作用下，向外申張，并可申縮自如。轉輪上的滑塊數量，視需要而定。
圖5是多個汽道組合成的雙圓機示意圖。
由多個汽道組合成的雙圓式氣動機，其安裝“相位”差可以有不同的角度，例如180°、120°、90°、45°等等。本圖的四個汽道，是采用180°的汽道“相位”差設計、裝配的，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汽道與第3汽道是同“相位”的；第2汽道與第4汽道是同“相位”的。(7)是表示申出的滑塊。(5)是轉輪。(4)是圓環。(43)是端蓋、隔板和轉輪共同軸的位置。
本適用新型適用于具有一定壓力的氣體，(含蒸汽)為推動力的旋轉機械。可用在以蒸汽為動力的火力發電、蒸汽機車、和一些工廠所用的蒸汽動力機上。在以壓縮空氣為推力的機械中，如航空、航天的某些啟動機、工廠用的一些氣動機，以及風能壓縮空氣發電、海能壓縮空氣發電等。
實施本實用新型，除了在已有的壓氣(或蒸汽)機械方面試用以外，也可在小型交通、運輸工具方面試制。據初步估算，一臺“BJ－30”電瓶車，蓄電池重近1000公斤，充一次電要耗能35～40千瓦，行走約20公里，扭力輸出近2公斤／米。如果我們將蓄電池換成容積為1米3的貯氣瓶，將電動機換成雙圓機。將1米3容積的氣瓶充進50公斤／厘米2的大氣壓，需電能5千瓦左右，用此氣源推動一臺扭力近2公斤／米的雙圓機，可行走十幾公里。如果用充電瓶車的電能(約40千瓦)來加大對貯氣瓶充氣，或者擴大貯氣瓶容積，則此運輸車能行走近百公里。優點是重量輕、造價低，無污染。
由于本適用新型是氣動的，又較其他氣動機節省氣源，所以著手開發利用壓縮空氣這個二次能源，是有前途的。如用于短途、小型運輸方面，或者成為我國人民的代步工具上，可進行一些嘗試。它的優點無污染，低噪聲，構造簡單。
以照雙圓式氣動機的形式與構造，是可以設計成雙圓式內燃機的，從而構成另一項發明。
權利要求
1.由圓環(4)、端蓋(42)和轉輪(5)、滑塊組合(7)組成的雙圓式氣動機，是以氣(汽)體壓力為推動力的轉動機械，其特征是由于轉輪(5)的軸心與圓環(4)的圓心是采用不同圓心的方式安裝，從而在圓環(4)、轉輪(5)與端蓋(42)之間，形成了一個“月牙”形空間即汽道(10)，在汽道(10)的兩端設有進汽裝置與排汽裝置。
2.根據權利要求
1所述的氣動機，其特征是由于轉輪(5)與圓環(4)是不同心安裝的，所以一邊形成了較寬的月牙形汽道，另一邊形成了較窄的密封之處。
3.根據權利要求
2所述的氣動機，其特征是密封之處有密封閥(15)、彈簧(16)、鍵槽(17)以及固定加強瓦片(14)等組成一個密封閥組合。
4.根據權利要求
1所述的氣動機，其特征是轉輪(5)與滑塊(7)上分別設有密封環(20)、密封塊(6)和付滑塊(70)等密封裝置。
5.根據權利要求
1所述的氣動機，其特征是轉輪(5)上設有離心錘(28)，用來減少轉輪在高速旋轉時滑塊(7)對圓環(4)內壁上的壓力。
專利摘要
一種旋轉式氣(汽)動機械特點是，當具有一定壓力的氣(汽)體作用于密封在汽道內的滑塊上時，滑塊滑動并帶動轉輪旋轉，轉輪軸則直接形成扭力輸出。它克服了活塞機的曲軸轉角(正弦)損耗、活塞往返時的慣性損耗；也克服了汽輪機的泄漏汽流損耗、端壁和二次流損耗以及排汽損耗等。因此用于蒸汽發電、蒸汽機車和其他以氣體壓力為推動力的機械中，可節省能源。如果采用本機，以壓縮空氣為推動力而制成的小型代步工具，將優越于充電小型交通機械。
文檔編號F01C1/00GK86201565SQ86201565
公開日1987年4月22日 申請日期1986年3月22日
發明者姜鳳閣 申請人:姜鳳閣導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan