基于流体容积变化的能量转换装置
技术领域
本实用新型涉及一种基于流体容积变化的能量转换装置，可通过流体容积变化，将流体压力势能转换为驱动扭矩，或将输入扭矩转换为流体动能或势能，主要应用于汽轮机、水轮机、压缩机、气动马达、液压马达、液压泵、真空泵等流体机械领域。
背景技术
目前，许多流体能量转换装置是通过流体的容积变化来实现能量的转换或流体的输送，而流体容积的变化大多是通过定子与转子之间的相对旋转运动来实现，如汽轮机、水轮机、压缩机、气动马达、液压马达、流压泵、真空泵等。这些装置设备的机械结构形式种类繁多，有叶片式、叶轮式、涡轮式、涡旋式、转轮式、旋片式、旋摆式、滑片式、齿轮式、螺杆式、罗茨式、爪式等，但这些结构形式均无法同时满足流体容积可变、流体可靠密封和转子相对于定子内腔同轴线旋转的要求，从而导致一些缺陷的存在。
一、叶片式：如汽轮机转子上的叶片，大量叶片在转子上按一定方式排列、组合，主要是动能的转换，压力势能转换较少。
缺陷：密封性差，转换效率低，结构复杂。
二、转轮式：如水轮机转子上的转轮，通过转子上的多个转轮实现对水流势能、动能的转换。
缺陷：密封性差，转换效率低，震动大。
三、旋片式：缸体内偏心配置的转子旋转时，迫使转子纵向凹槽内的滑片紧贴缸壁沿径向自由滑动，促使流体循环进出，主要应用于液体马达、气动马达、压缩机、真空泵等。
缺陷：旋片与转子和泵腔之间存在滑动摩擦，旋片不仅作直线往复运动、还作偏心旋转，密封性不高，转速不高，磨损、能耗、震动较大。
四、旋摆式：转子在缸体内绕偏心轴转动，通过滑片或滑阀分隔流体，使相隔容积发生周期性变化, 促使流体进出。主要应用于真空泵等。
缺陷：密封性差，动平衡性能较差，磨损较大，振动噪音大，转速低，能效低。
五、螺杆式：通过缸内一对互相啮合的螺旋形阴阳转子（螺杆）的反向转动，促使流体进出（或压缩），主要应用于液体泵、压缩机、真空泵、鼓风机等。
缺陷：加工及装配难度均较大，螺杆外形及动态啮合方式决定其密封效果难以提高，间隙泄漏较大，成本高，体积大、排量较小，某些情况下震动较大。
六、罗茨式：通过缸内两个相互啮合的罗茨转子（8字形、三叶形、四叶形）的同步、反向旋转，促使流体循环进出，主要应用于压缩机、真空泵、鼓风机等。
缺陷：转子外形及啮合方式导致其密封效果难以提高，间隙泄漏较大，能效不高，加工难度大。
七、涡旋式：由两个双函数方程型线的动、静涡盘相互啮合而成，动盘在偏心轴驱动下，绕静盘基圆中心做很小半径的平移偏心转动（不自转），流体在动、静涡盘啮合所组成的若干个月牙形压缩腔内被逐步压缩，然后由静盘中心的轴向孔连续排出，主要应用于压缩机等。
缺陷：密封性差，间隙泄漏较大、压缩比低，动盘的偏心运动限制了转速提高、且带有震动，容积流量较低。
八、叶轮式：如燃气轮机和喷气发动机，其叶轮一般由轮盘、轮盖和叶片等部件组成。流体在叶轮叶片的作用下，随叶轮作高速旋转，流体受旋转离心力的作用，以及在叶轮里的扩压流动，使它通过叶轮后的压力得到提高。
缺陷：较低压缩比影响燃料燃烧效率，噪音大。
九、涡轮式：如燃气轮机和喷气发动机，其涡轮是利用具有能量的流体冲击其旋浆式叶片，推动与涡轮连接的主轴旋转，将流体的动能转换成机械能。
缺陷：涡轮对燃气动能的转换利用率较低、容易给喷气造成紊流。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种基于流体容积变化的能量转换装置，使其能够同时满足流体容积可变、流体可靠密封和转子相对于定子内腔同轴线旋转的要求，以提升能量转换装置的性能。
本实用新型所述基于流体容积变化的能量转换装置，包括定子和位于定子内腔中的转子，转子通过转子轴可旋转地支撑在定子的两端，所述转子为圆柱体形，其在定子内腔中与定子内腔同轴线转动配合，在与转子转动配合的定子的圆柱形内腔壁上，沿周向开设有凹槽，使定子与转子之间形成密闭工作腔，该工作腔横截面的内轮廓线为以转子轴心为圆心、转子半径为半径的圆，该工作腔横截面的外轮廓线是由第一圆弧线、第二圆弧线、第三圆弧线、第一曲线、第二曲线、第三曲线、第四曲线、第五曲线和第六曲线连接而成的闭合线；在转子圆柱面上沿轴向开设有三个腔槽，三个腔槽在转子周向上互成120°，腔槽横截面的轮廓线为圆弧线，腔槽的两端面分别与所述凹槽的两侧面齐平，腔槽内设置有行星辊，行星辊通过辊轴可旋转地支撑在转子的两端，且行星辊与腔槽同轴线，行星辊横截面的轮廓线是由第四圆弧线、第五圆弧线、第六圆弧线、第七曲线、第八曲线和第九曲线连接而成的闭合线，是以行星辊横截面中心点为旋转对称中心、旋转角为120°的旋转对称图形，在以该中心点为原点的平面直角坐标系中，第七曲线的方程式为：
x2+( R2-y)2- R12=0，其中，-a≤x≤a，（R2- R1）≤y≤b。
第四、第五、第六圆弧线的半径与所述腔槽横截面轮廓线的半径一致，为R3- R1。
所述工作腔横截面的外轮廓线中，第一圆弧线连接在第一曲线与第六曲线之间，第二圆弧线连接在第二曲线与第三曲线之间，第三圆弧线连接在第四曲线与第五曲线之间，第一曲线与第二曲线连接，第三曲线与第四曲线连接，第五曲线与第六曲线连接，第一、第二、第三圆弧线是以转子轴心为圆心的圆弧线，工作腔横截面的外轮廓线是以转子横截面中心点为旋转对称中心、旋转角为120°的旋转对称图形，在以该中心点为原点的平面直角坐标系中，第一圆弧线与第二圆弧线、第一曲线与第二曲线、第三曲线与第六曲线、第四曲线与第五曲线分别相对于纵坐标轴对称；
第一曲线的方程式为：
（x-a）2+（y-b）2- R12=0，其中，0≤x≤a·R3/（R3- R1），b·R3/（R3- R1）≤y≤（R1+b）；
第二曲线的方程式为：
（x+a）2+（y-b）2- R12=0，其中，- a·R3/（R3- R1）≤x≤0，b·R3/（R3- R1）≤y≤（R1+b）；
上述各式中，a=R1·(1-(( R22+2·R1·R3- R32)/(2·R1·R2))2)1/2，
b=( R22-2·R1·R3+R32)/(2·R2)。
其中R1为行星辊轴线与转子轴线之间的距离，R2为转子的半径，R3为工作腔横截面外轮廓线中第一、第二、第三圆弧线的半径。
所述行星辊在腔槽内与腔槽转动配合，行星辊的两端面与腔槽的两端面及所述凹槽的两侧面贴合。
在转子端面侧设置有行星辊同步控制机构，当转子旋转时，在行星辊同步控制机构作用下，三只行星辊相对于定子只作没有自转的圆周平移运动。
在定子上开设有与所述工作腔相通的三个流体进口和三个流体出口，三个流体进口在定子内壁上的贯通口分别位于第一曲线与第二曲线连接点所对应的定子内壁棱线附近的第一曲线所对应的定子内壁曲面一侧，以及第三曲线与第四曲线连接点所对应的定子内壁棱线附近的第三曲线所对应的定子内壁曲面一侧，以及第五曲线与第六曲线连接点所对应的定子内壁棱线附近的第五曲线所对应的定子内壁曲面一侧；三个流体出口在定子内壁上的贯通口分别位于第一曲线与第二曲线连接点所对应的定子内壁棱线附近的第二曲线所对应的定子内壁曲面一侧，以及第三曲线与第四曲线连接点所对应的定子内壁棱线附近的第四曲线所对应的定子内壁曲面一侧，以及第五曲线与第六曲线连接点所对应的定子内壁棱线附近的第六曲线所对应的定子内壁曲面一侧。
所述流体进口在定子内壁上的贯通口分别位于第一曲线、第三曲线、第五曲线所对应的定子内壁曲面上；所述流体出口在定子内壁上的贯通口分别位于第二曲线、第四曲线、第六曲线所对应的定子内壁曲面上。
位于第一曲线和第二曲线所对应的定子内壁曲面上的一组流体进口和流体出口，以及位于第三曲线和第四曲线所对应的定子内壁曲面上的一组流体进口和流体出口，以及位于第五曲线和第六曲线所对应的定子内壁曲面上的一组流体进口和流体出口能够同时分别被第七曲线、第八曲线、第九曲线所对应的行星辊曲面遮盖。
作为另一种选择，所述流体进口、流体出口在定子内壁上的贯通口还可位于定子端部内壁上。
进一步，当转子旋转至所述的定子内壁棱线与第七曲线、第八曲线、第九曲线所对应的行星辊曲面接触时，三个流体进口和三个流体出口能够同时分别与该行星辊曲面与定子内壁之间所形成的六个密闭空间接通。
所述行星辊同步控制机构包括一只中心齿轮、三只同步齿轮和三只中间齿轮，中心齿轮固定在定子上且与转子同轴线，同步齿轮分别固定在辊轴的一端，中间齿轮可旋转地安装在转子端面，其分别位于中心齿轮与同步齿轮之间，且每只中间齿轮同时与中心齿轮和一只同步齿轮啮合。
本实用新型所述的能量转换装置由于具有该种结构，能够顺利地实现如下方式的能量转换：
一、高压流体经流体进口和流体出口进出后，能够带动转子旋转，从而将流体的能量转换为输出动力（如汽轮机、水轮机、气动马达、液压马达）。
二、机械动力通过转子轴驱动转子旋转过程中，工作腔容积产生变化，流体在负压作用下从流体进口进入工作腔内，并在行星辊推挤作用下从流体出口排出，从而将机械能转换为流体动能实现流体输送（如压缩机、液压泵、真空泵、鼓风机）。
该能量转换装置通过流体容积的变化来实现能量转换，其结构简单，流体密封性好，能量转换效率高，转子相对于定子同轴线旋转，震动和噪音小。转子旋转过程中，行星辊的六个顶角棱线仅分别与定子内壁的第一、第二、第三、第四、第五、第六曲线所对应的曲面接触，故行星辊的磨损小。
附图说明
图1为本实用新型沿转子轴的剖视示意图。
图2为图1中沿A-A线的剖视示意图。
图3为图1中沿C-C线的剖视示意图。
图4至图8为图2所示能量转换装置中转子在定子内沿顺时针旋转120°的过程示意图。
图9为本实用新型在其中一只行星辊位于纵坐标轴上时定子、转子和行星辊的横截面轮廓线示意图。
图10为能量转换装置中行星辊的横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
如图1和图2所示，该基于流体容积变化的能量转换装置，包括定子1和位于定子1内腔中的转子6，转子6通过转子轴7可旋转地支撑在定子1的两端，所述转子6为圆柱体形，其在定子1内腔中与定子内腔同轴线转动配合，在与转子6转动配合的定子1的圆柱形内腔壁上，沿周向开设有凹槽9，使定子1与转子6之间形成密闭工作腔12，该工作腔12横截面的内轮廓线为以转子6轴心为圆心、转子6半径为半径的圆，该工作腔12横截面的外轮廓线是由第一圆弧线22、第二圆弧线16、第三圆弧线19、第一曲线14、第二曲线15、第三曲线17、第四曲线18、第五曲线20和第六曲线21连接而成的闭合线。如图9所示，第一圆弧线22为圆弧线B1B6，第二圆弧线16为圆弧线B2B3，第三圆弧线19为圆弧线B4B5，第一曲线14为曲线M1B1，第二曲线15为曲线M1B2，第三曲线17为曲线M2B3，第四曲线18为曲线M2B4，第五曲线20为曲线M3B5，第六曲线21为曲线M3B6。在转子6圆柱面上沿轴向开设有三个腔槽13，三个腔槽13在转子周向上互成120°，腔槽13横截面的轮廓线为圆弧线，腔槽13的两端面分别与所述凹槽9的两侧面齐平，腔槽13内设置有行星辊8，行星辊8通过辊轴2可旋转地支撑在转子6的两端，且行星辊8与腔槽13同轴线。如图9和图10所示，行星辊8横截面的轮廓线是由第四圆弧线28、第五圆弧线24、第六圆弧线26、第七曲线23、第八曲线25和第九曲线27连接而成的闭合线，第四圆弧线28为圆弧线D1D6，第五圆弧线24为圆弧线D2D3，第六圆弧线26为圆弧线D4D5，第七曲线23为曲线D1D2，第八曲线25为曲线D3D4，第九曲线27为曲线D5D6，该轮廓线是以行星辊横截面中心点为旋转对称中心、旋转角为120°的旋转对称图形，在以该中心点为原点的平面直角坐标系中（图10中的水平点画线为横坐标轴，垂直点画线为纵坐标轴），第四圆弧线28与第五圆弧线24相对于纵坐标轴对称，第八曲线25与第九曲线27相对于纵坐标轴对称，第七曲线23的方程式为：
x2+( R2-y)2- R12=0，其中，-a≤x≤a，（R2- R1）≤y≤b。
第四、第五、第六圆弧线28、24、26的半径与所述腔槽13横截面轮廓线的半径一致，为R3- R1。
如图9所示，所述工作腔12横截面的外轮廓线中，第一圆弧线22连接在第一曲线14与第六曲线21之间，第一圆弧线22的两个端点为B1点和B6点；第二圆弧线16连接在第二曲线15与第三曲线17之间，第二圆弧线16的两个端点为B2点和B3点；第三圆弧线19连接在第四曲线18与第五曲线20之间，第三圆弧线19的两个端点为B4点和B5点。第一曲线14与第二曲线15连接于M1点，第三曲线17与第四曲线18连接于M2点，第五曲线20与第六曲线21连接于M3点。第一、第二、第三圆弧线22、16、19是以转子6轴心为圆心的圆弧线，工作腔横截面的外轮廓线是以转子横截面中心点为旋转对称中心、旋转角为120°的旋转对称图形，在以该中心点为原点的平面直角坐标系中（图10中的水平点画线为横坐标轴，垂直点画线为纵坐标轴），第一圆弧线与第二圆弧线、第一曲线与第二曲线、第三曲线与第六曲线、第四曲线与第五曲线分别相对于纵坐标轴对称。
第一曲线16的方程式为：
（x-a）2+（y-b）2- R12=0，其中，0≤x≤a·R3/（R3- R1），b·R3/（R3- R1）≤y≤（R1+b）；
第二曲线21的方程式为：
（x+a）2+（y-b）2- R12=0，其中，- a·R3/（R3- R1）≤x≤0，b·R3/（R3- R1）≤y≤（R1+b）；
也就是说M1点的横坐标为0，纵坐标为R2；B1点的横坐标为a·R3/（R3- R1），纵坐标为b·R3/（R3- R1）；B2点的横坐标为- a·R3/（R3- R1），纵坐标为b·R3/（R3- R1）。
上述各式中，a=R1·(1-(( R22+2·R1·R3- R32)/(2·R1·R2))2)1/2，
b=( R22-2·R1·R3+R32)/(2·R2);
其中R1为行星辊8轴线与转子6轴线之间的距离，R2为转子6的半径，R3为工作腔12横截面外轮廓线中第一、第二、第三圆弧线22、16、19的半径。
所述行星辊8在腔槽13内与腔槽转动配合，行星辊8的两端面与腔槽13的两端面及所述凹槽9的两侧面贴合。
如图9所示，实际上第七曲线23是第一曲线14与第二曲线15的连接点M1点在行星辊8横截面上划出的轨迹线；第八曲线25是第三曲线17与第四曲线18的连接点M2点在行星辊8横截面上划出的轨迹线；第九曲线27是第五曲线20与第六曲线21的连接点M3点在行星辊8横截面上划出的轨迹线。第一曲线14是第七曲线23与第四圆弧线28的连接点D1在定子1的所述凹槽9底面上划出的轨迹线；第二曲线15是第七曲线23与第五圆弧线24的连接点D2在定子1的所述凹槽9底面上划出的轨迹线；第三曲线17是第八曲线25与第五圆弧线24的连接点D3在定子1的所述凹槽9底面上划出的轨迹线；第四曲线18是第八曲线25与第六圆弧线26的连接点D4在定子1的所述凹槽9底面上划出的轨迹线；第五曲线20是第九曲线27与第六圆弧线26的连接点D5在定子1的所述凹槽9底面上划出的轨迹线；第六曲线21是第九曲线27与第四圆弧线28的连接点D6在定子1的所述凹槽9底面上划出的轨迹线。
如图1和图3所示，在转子6端面侧设置有行星辊同步控制机构，该行星辊同步控制机构包括一只中心齿轮3、三只同步齿轮5和三只中间齿轮4，中心齿轮3固定在定子1上且与转子6同轴线，同步齿轮5分别固定在辊轴2的一端，中间齿轮4可旋转地安装在转子1端面，其分别位于中心齿轮3与同步齿轮5之间，且每只中间齿轮4同时与中心齿轮3和一只同步齿轮5啮合，当转子6旋转时，在行星辊同步控制机构作用下，三只行星辊8相对于定子1只作没有自转的圆周平移运动。或者说，在行星辊同步控制机构作用下，三只行星辊8相对于转子6做转速相同、方向相反的旋转运动。
如图2所示，在定子1上开设有与所述工作腔12相通的三个流体进口11和三个流体出口10，三个流体进口11在定子1内壁上的贯通口分别位于第一、第三、第五曲线（14、17、20）所对应的定子内壁曲面上，三个流体出口10在定子内壁上的贯通口分别位于第二、四、第六曲线（15、18、21）所对应的定子内壁曲面上。位于第一曲线14和第二曲线15所对应的定子内壁曲面上的一组流体进口11和流体出口10，以及位于第三曲线17和第四曲线18所对应的定子内壁曲面上的一组流体进口11和流体出口10，以及位于第五曲线20和第六曲线21所对应的定子内壁曲面上的一组流体进口11和流体出口10能够同时分别被第七曲线23、第八曲线25、第九曲线27所对应的行星辊曲面遮盖，这样三个流体进口11与三个流体出口10之间均不能直接连通，能够避免因流体进口与流体出口直接连通而引起的流体泄漏（三个流体进口11和三个流体出口10在定子内壁上的贯通口亦可位于定子端部内壁上，当转子6旋转至所述的定子内壁棱线与第七曲线23、第八曲线25、第九曲线27所对应的行星辊曲面接触时，即图2所示位置以及其附近位置，三个流体进口11和三个流体出口10能够同时分别与该行星辊曲面与定子内壁之间所形成的六个密闭空间接通）。
图4至图8表示了转子6在定子1内沿顺时针方向旋转120°过程中的状态，结合图9，转子6在定子1内旋转一周过程中，D1点所对应的行星辊8的顶角棱线仅与第一曲线14所对应的曲面接触，D2点所对应的行星辊8的顶角棱线仅与第二曲线15所对应的曲面接触，D3点所对应的行星辊8的顶角棱线仅与第三曲线17所对应的曲面接触，D4点所对应的行星辊8的顶角棱线仅与第四曲线18所对应的曲面接触，D5所对应的行星辊8的顶角棱线仅与第五曲线20所对应的曲面接触，D6所对应的行星辊8的顶角棱线仅与第六曲线21所对应的曲面接触。第四圆弧线28所对应的行星辊8圆弧面仅与第一圆弧线22所对应的定子1内壁圆弧面接触，第五圆弧线24所对应的行星辊8圆弧面仅与第二圆弧线16所对应的定子1内壁圆弧面接触，第六圆弧线26所对应的行星辊8圆弧面仅与第三圆弧线19所对应的定子1内壁圆弧面接触。M1点所对应的定子1的内壁棱线除与转子6圆柱面接触外，还与第七曲线23所对应的行星辊8曲面接触，M2点所对应的定子1的内壁棱线除与转子6圆柱面接触外，还与第八曲线25所对应的行星辊8曲面接触，M3点所对应的定子1的内壁棱线除与转子6圆柱面接触外，还与第九曲线27所对应的行星辊8曲面接触。
当高压流体经三个流体进口11进入定子1内腔后，高压流体给予三只行星辊8压力，从而带动转子6旋转，如图4至图8所示，转子6旋转过程中，三只行星辊8又不断将工作腔12内的流体从三个流体出口10排出，从而将流体的能量转换为输出动力，如汽轮机、水轮机、气动马达、液压马达等。
机械动力通过转子轴7驱动转子6旋转过程中，工作腔12容积产生变化，如图4至图8所示，流体在负压作用下从三个流体进口11进入工作腔12内，并在行星辊8的推挤作用下从三个流体出口10排出，从而将机械能转换为流体动能实现流体输送，如压缩机、液压泵、真空泵、鼓风机等。
