正位移旋转叶片发动机.pdf

本发明为发动机，其包括正位移压缩过程、可变地加燃料的连续燃烧器和/或热交换器以及正位移产生运转的膨胀器。此种布置避免了在传统的基于火花点燃的发动机中使用的化学计量性混合物的要求，并避免了与柴油发动机相关的排放问题。

1.  一种针对旋转叶片内燃发动机的改进，所述旋转叶片内燃发动机具有外壳及偏心地安装在外壳中的转子，所述转子可操作来在所述壳内转动运动以界定压缩和膨胀腔，所述改进包括：
多个叶片状物，其与所述转子机械相通并从所述转子径向延伸，所述叶片状物是可膨胀的以便与所述外壳的至少一个面向内部的表面接合。

2.  如权利要求1所述的改进，其中，每个叶片状物包括至少一个叶片状物尖端密封件，以用于与所述外壳的至少一个面对的表面密封接合。

3.  如权利要求1所述的改进，其中，每个叶片状物包括第一侧面密封件和第二侧面密封件，以用于与所述外壳的至少一个面对的表面密封接合。

4.  如权利要求1所述的改进，其中，每个叶片状物包括至少两个叶片状物部件。

5.  如权利要求4所述的改进，其中，每个叶片状物还包括至少一个楔形件，所述楔形件的至少一部分连接在两个叶片状物部件之间。

6.  如权利要求5所述的改进，其中，所述楔形件可操作来驱动两个叶片状物部件间隔开，以使所述叶片状物的表面区域是可膨胀的。

7.  如权利要求1所述的改进，其中，所述壳由第一材料构造，所述第一材料具有第一热膨胀系数，并且所述叶片状物由第二材料构造，所述第二材料具有与所述第一热膨胀系数不同的第二热膨胀系数，使得在暴露于热时，壳和叶片状物以不同速率膨胀。

8.  一种旋转叶片发动机，其包括：
罩子，其界定内部室；
转子，其可转动地安装在所述内部室内，所述转子具有多个径向设置的花键，所述花键间隔开以在连续的花键之间界定槽；以及
多个旋转叶片状物，每个叶片状物接纳在槽中对应的一个中，所述旋转叶片状物与所述花键滑动接合；
其中，所述旋转叶片状物为可膨胀的。

9.  如权利要求8所述的旋转叶片发动机，其中，所述叶片状物是可膨胀的，以保持与所述室的至少一个对应的内部表面密封接合。

10.  如权利要求9所述的旋转叶片发动机，其中，每个叶片状物包括第一密封表面、第二密封表面以及第三密封表面，所述第一密封表面、所述第二密封表面以及所述第三密封表面可操作来保持与所述室的对应的第一表面、第二表面以及第三表面密封接合。

11.  如权利要求10所述的旋转叶片发动机，其中，每个叶片状物还包括沿着第一密封表面的叶片状物密封尖端，以用于与所述室的第一表面密封接合。

12.  如权利要求11所述的旋转叶片发动机，其中，每个叶片状物还包括沿着第二密封表面和第三密封表面的侧面密封件，以用于分别与所述室的第二表面和第三表面密封接合。

13.  如权利要求8所述的旋转叶片发动机，其中，所述叶片状物实质上垂直于所述室的至少一个对应的内部表面。

14.  一种旋转叶片发动机，其包括：
外壳，其中界定有中空室；
转子，其偏心地安装在所述室内，所述转子具有从所述转子径向延伸的多个旋转叶片状物；
座圈，其实质上包含在所述转子内，所述座圈与所述叶片状物的至少一部分机械接合，以限制所述叶片状物相对于所述转子的径向延伸。

15.  如权利要求14所述的旋转叶片发动机，其中，所述发动机还包括固定轴，所述固定轴连接到所述壳。

16.  如权利要求15所述的旋转叶片发动机，其中，所述座圈被刚性地连接到所述固定轴。

17.  如权利要求16所述的旋转叶片发动机，其中，所述转子可操作来绕所述固定轴和所述座圈转动运动。

18.  如权利要求14所述的旋转叶片发动机，其中，所述座圈限制所述叶片状物从缩回位置到延伸位置的径向延伸。

19.  如权利要求18所述的旋转叶片发动机，其中，所述座圈包括叶片状物引导表面以便与所述叶片状物接合。

20.  如权利要求19所述的旋转叶片发动机，其中，所述叶片状物包括用于与所述叶片状物引导表面接合的叶片状物轴环。

21.  一种旋转叶片发动机，其包括：
罩子，其中界定有中空室；以及
转子，其偏心地安装在所述室内，所述转子具有从所述转子径向向外延伸的多个旋转叶片状物，以用于与所述罩子的面向内部的表面密封接合；
其中，所述罩子的内部表面的至少一部分界定实质上指数曲率。

22.  如权利要求21所述的旋转叶片发动机，其中，所述罩子的内部表面的形状实质上为椭圆的。

23.  如权利要求21所述的旋转叶片发动机，其中，所述罩子的内部表面的形状为实质上指数地弯曲。

24.  如权利要求23所述的旋转叶片发动机，其中，所述指数曲率由等式(r＝r_oe^kθ)界定，其中，“r”为曲线在给定角度“θ”处的半径，“r₀”为所述转子的半径，而“k”为常数。

25.  如权利要求21所述的旋转叶片发动机，其中，所述发动机还包括实质上容纳在所述转子内的座圈，所述座圈与所述叶片状物的至少一部分机械相通，以限制所述叶片状物相对于所述转子的径向延伸。

26.  如权利要求25所述的旋转叶片发动机，其中，所述座圈的形状实质上为椭圆的。

27.  如权利要求25所述的旋转叶片发动机，其中，所述座圈的形状实质上指数地弯曲。

28.  如权利要求25所述的旋转叶片发动机，其中，所述座圈的形状实质上类似于所述罩子。

29.  如权利要求25所述的旋转叶片发动机，其中，所述座圈的形状由等式(r_座圈＝r_罩子-d)界定，其中，r_座圈为所述座圈上的任何给定点处的半径，r_罩子为所述罩子在对应于所述座圈的任何点处的半径，而“d”为对应的点之间的径向距离。

30.  一种连续燃烧的旋转叶片发动机，其包括：
罩子；
转子，其可转动地安装在所述罩子内，所述转子具有设置成压缩工作流体的多个径向安装的叶片状物；以及
燃烧器，其与所述罩子流体相通，以从所述转子接收压缩的工作流体；
其中，所述压缩的工作流体的至少一部分与燃料源混合以形成混合物，并且所述混合物在所述燃烧器内实质上连续地燃烧。

31.  如权利要求30所述的连续燃烧的旋转叶片发动机，其中，相对于所述罩子来说，所述燃烧器位于外部。

32.  如权利要求31所述的连续燃烧的旋转叶片发动机，其中，所述工作流体从所述罩子引到所述燃烧器。

33.  如权利要求32所述的连续燃烧的旋转叶片发动机，其中，所述混合物由于燃烧而被加热，并且所产生的加热的混合物被引回进入所述罩子内，在所述罩子内，所述加热的混合物可在所述转子上操作。

34.  如权利要求30所述的连续燃烧的旋转叶片发动机，其中，所述燃烧器包括至少一个管道，以便在压缩的工作流体与燃料源混合之前分离压缩的工作流体。

35.  如权利要求30所述的连续燃烧的旋转叶片发动机，其中，所述工作流体为大气。

36.  一种热驱动的旋转叶片发动机，其包括：
罩子；
转子，其可转动地安装在所述罩子内，所述转子具有设置成压缩工作流体的多个径向安装的叶片状物；以及
热交换器，其与所述罩子流体相通，以从所述转子接收压缩的工作流体；
其中，能量从所述热交换器传输到其中所接纳的压缩的工作流体的至少一部分。

37.  如权利要求36所述的热驱动的旋转叶片发动机，其中，所述热交换器为太阳能热收集器。

38.  一种旋转叶片发动机，其包括：
外壳，其中界定有中空室；
第一转子，其偏心地安装在所述室内；以及
第二转子，其偏心地安装成实质上位于所述第一转子的内部，所述第二转子具有从所述第二转子径向延伸的多个旋转叶片状物；
其中，所述叶片状物向外延伸穿过所述第一转子，以保持与所述外壳的面向内部的表面密封接合。

正位移旋转叶片发动机
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2007年3月5日提交的美国临时专利申请第60/892,913号的权益，该申请的全部内容在此为了所有目的特此通过引用并入。
技术领域
本发明一般涉及发动机。更具体地说，本发明涉及正位移旋转叶片发动机(positive displacement rotary vane engine)。
发明背景
运行在奥托循环中的预混合及直接喷射式火花点燃活塞发动机(premixed and direct-injection spark-ignition piston engine)以及运行在狄塞尔循环中的直接喷射式发动机代表了用于机动交通工具的大多数已知发动机。这些发动机受欢迎的原因有多种，但它们被广泛使用主要是因为它们能为各种各样的动力装置提供合理的效率。火花点燃发动机的一个主要缺点是它们必须运行在这样一种模式中，在这种模式中，发动机在处于燃烧阶段时燃料质量对空气质量的比率接近化学计量性比率。因此，为了以部分功率运行，发动机必须被节流，由此，进口侧的压力必须被有意地降低，以便限制空气质量流量。这有效地限制了压缩比率并进而限制了发动机的效率。该事实是混合电力推进系统(hybrid-electric propulsionsystem)成功的基础。
直接喷射式火花点燃发动机及柴油发动机不受此要求的限制，但是这两种类型的发动机具有显著的排放问题。将混合比率改变为远离于化学计量性混合比率的问题使用基于燃气涡轮技术的布雷顿循环发动机(Brayton cycle engine)中的高调节比燃烧器(high turndown ratiocombustor)解决。这是可能的，因为燃烧过程发生在发动机中远离于压缩和膨胀的分离的物理区域中，从而只允许部分空气以高度控制的方式与燃料结合燃烧。具有发生燃烧的分离的物理区域允许仅通过改变通向燃烧器的燃料流量来控制动力水平。以部分功率运行布雷顿循环发动机的缺点通过已知的轴流压缩机和涡轮系统(axial flow compressor and turbinesystem)在偏离设计的运行点时是低效率的事实解释。
常规活塞发动机的另一个缺点是空气通过阀输送到燃烧室，这限制了发动机有效地换气(breathe)的能力，并甚至在节流装置(throttle setting)敞开时引起泵送损失。
为了解决这些问题，已经做出了很多努力来发展成功的旋转叶片类型的高容积流率正位移压缩机(high volumetric flow rate positivedisplacement compressor)。先前已知的旋转叶片类型的发动机实质上取决于在用于燃烧的小体积中的间歇火花点燃和/或燃料喷射。这以相同的方式内在地限制活塞发动机的性能，其中活塞发动机的性能受燃烧化学计量(combustion stoichiometry)的限制。
另外，用于高温用途的旋转叶片装置(rotary vane device)例如燃烧发动机的密封迄今为止已经使得发明者感到困惑，并且过度磨损妨碍了所有类型的已知旋转叶片装置的成功。为了创建成功的旋转叶片发动机，叶片的可靠密封(positive sealing)必须沿着每个叶片的外边缘进行、沿着每个叶片的侧面进行、沿着每个叶片的底部区域进行并位于转子和壳体(case)之间。在没有正确密封的情况下，不能进行充分的压缩和膨胀。另外，为了装置的寿命，必须减小与已知的旋转叶片发动机的离心力关联的高磨损率。
因此，可见存在对于改进燃烧发动机且特别是那些旋转叶片类型的发动机的需要。另外，可见存在对于有效地密封压缩和膨胀腔同时减小部件磨损的旋转叶片燃烧发动机的需要，以使可以实现长期运行的旋转叶片发动机。本发明主要涉及提供这些以及其它需要。
发明概述
以实例的形式，本发明为采用正位移压缩过程、可变地加燃料的连续燃烧器(比如用在燃气涡轮中的燃烧器)和/或热交换器以及正位移产生运转的膨胀器(positive displacement work-producing expander)的发动机。此种布置避免了传统的基于整个发动机空气质量流速的火花点燃发动机对化学计量性混合物的要求，并避免了偏离设计的压缩机和涡轮性能的低效率。另外，此种布置不像火花点燃发动机那样受压缩比率的限制。另外，本发明的发动机能显著减少发动机排放物，一般是柴油发动机运行时的排放物。本文描述的本发动机的示例性实施方式是可密封的旋转叶片装置的形式。
在一方面，本发明涉及对具有外壳(external housing)和偏心安装于其中的转子的旋转叶片内燃发动机的改进。转子可操作来在壳中进行旋转运动，以界定压缩和膨胀腔。对发动机的改进包括与转子机械相通并从其径向延伸的多个叶片状物(blade)。叶片状物是可膨胀的，以便与外壳的至少一个面向内部的表面(interior confronting face)接合。
在另一方面，本发明涉及一种旋转叶片发动机，其包括罩子(cowl)和转子，罩子界定内部室，而转子与内部室可转动地安装在一起。转子包括多个径向设置的花键，这些花键间隔开以便在连续的花键之间界定槽。发动机还包括多个旋转叶片状物，并且每个叶片状物接纳在多个槽中对应的一个槽中。这些旋转叶片状物与花键滑动接合。这些旋转叶片状物是可膨胀的。
在另一方面，本发明涉及一种旋转叶片发动机，其包括界定有中空室的外壳以及偏心地安装在该室内的转子。该转子包括从其径向延伸的多个旋转叶片状物。该发动机还包括实质上容纳在转子内的座圈(race)。该座圈与叶片状物的至少一部分机械接合，以限制叶片状物相对于转子的径向延伸。
在又一方面，本发明涉及一种旋转叶片发动机，其包括罩子和转子，罩子中界定有中空室，而转子偏心地安装在该室内。该转子包括从其径向向外延伸的多个旋转叶片状物，以便与罩子的面向内部的表面密封接合。罩子的内部表面的至少一部分界定实质上指数曲率(exponentialcurvature)。
在另一方面，本发明涉及一种连续燃烧的旋转叶片发动机(continuously combusting rotary vane engine)，其包括罩子和可转动地安装在该罩子内的转子。该转子包括设置成压缩来自转子的工作流体的多个径向安装的叶片状物。该发动机还包括与罩子流体相通以从转子接收压缩的工作流体的燃烧器。压缩的工作流体的至少一部分与燃料源混合以形成混合物，并且该混合物实质上在燃烧器内连续地燃烧。
在另一方面，本发明涉及一种热驱动的旋转叶片发动机(heat poweredrotary vane engine)，其包括罩子和可转动地安装在该罩子内的转子，该转子具有设置成压缩工作流体的多个径向安装的叶片状物。该发动机还包括与罩子流体相通以从转子接收压缩的工作流体的热交换器。能量从热交换器传输到其中所接收的压缩的工作流体的至少一部分。可选择地，该热交换器为太阳能热收集器(solar thermal collector)。
在又一方面，本发明涉及一种旋转叶片发动机，其包括外壳、第一转子和第二转子，该外壳中界定有中空室，第一转子偏心地安装在该室内，而第二转子偏心地安装在第一转子内。第二转子包括从其径向延伸的多个旋转叶片状物。这些叶片状物向外延伸穿过第一转子，以保持与外壳的面向内部的表面的密封接合。
将参照附图及本文的详细描述理解本发明的这些以及其它方面、特征以及优势，并且将通过附加的权利要求中具体地指出的不同元素和组合来实现本发明的这些以及其它方面、特征以及优势。应理解，前面的一般描述和接下来的附图简述以及本发明的详细描述是本发明优选实施方式的示例和说明，并且不限制如所声明的本发明。

附图简述
图l示意性地示出了依据本发明的旋转叶片发动机循环的示例性实施方式。
图2为依据本发明示例性实施方式的旋转叶片发动机的截面平面图。
图3为与图2发动机一起使用的转子的分解透视图。
图4为图3转子的侧视图，展示为装有输出齿轮。
图5为用于图3转子的转子花键的透视图。
图6为依据本发明示例性实施方式的图3转子、示例性叶片状物座圈以及固定轴的部分透视剖视图。
图7为图6叶片状物座圈和固定轴的透视图。
图8为与图2发动机一起使用的旋转叶片状物的示例性实施方式的透视图。
图9为图6转子、叶片状物座圈以及固定轴的部分透视剖视图，展示为装有图8的叶片状物。
图10示出了发动机壳和旋转叶片状物之间的现有技术密封构造。
图11展示了发动机壳和旋转叶片状物之间的另一现有技术密封构造。
图12展示了依据本发明的示例性构造的优化布置，其用于使叶片状物密封贴着发动机壳。
图13为用于配置叶片状物和发动机壳之间的优化布置的数学描述。
图14为图8叶片状物的叶片状物密封表面的放大透视图。
图15为与图2发动机一起使用的旋转叶片状物的可选择的实施方式。
图16为图2发动机的部分透视剖视图，展示为不带有燃烧器。
图17为依据本发明的可选择的示例性实施方式的太阳能动力的旋转叶片发动机(solar powered rotary vane engine)的截面平面图。
图18为依据本发明的另一个示例性实施方式的双主体转子组件的侧视图。
图19为图18双主体转子组件的平面图，展示为不带有轴承或同步传动装置(synchronizing gear)。
示例性实施方式详述
通过参照结合附图图形进行的本发明接下来的详细描述，可以更容易地理解本发明，其中附图形成本公开内容的一部分。应理解，本发明不限于本文中描述的和/或示出的具体装置、方法、状态或参数，并且本文中使用的术语只是为了通过实例描述具体实施方式，并且不意味着对所声明的发明进行限制。同样，正如在包括附加的权利要求的说明书中使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”包括复数，并且对具体的数字值的引用至少包括该具体值，除非上下文以其它形式清楚地表明。范围在此可以从“大约”或“接近”一具体值和/或到“大约”或“接近”另一具体值表达。当此范围被表达时，另一个实施方式包括从该一具体值和/或到该另外的具体值。类似地，应理解，当值被以近似值描述时，通过先行词“大约”的使用，该具体值形成另一个实施方式。
总之，本发明的发动机包括多个叶片型叶片状物(vane-type blade)，这些叶片型叶片状物围绕偏移轴线径向定位，以此种方式以便允许在叶片状物在附近转动时移入带有槽的转子(slotted rotor)并从带有槽的转子移出。叶片状物尖端(blade tip)贴靠着可变半径的外壳或罩子滑行，并且向着可变半径的外壳或罩子偏置，其中可变体积的气体腔形成在叶片状物和外壳之间。叶片状物通过它们贴靠着可变半径的外表面的圆形运动的转动提供空气的压缩和膨胀。如下文描述的各种示例性实施方式的压缩比率主要由连续的叶片状物之间的距离以及进气口和燃烧器口(combustorport)的精确定位确定。下文示出及描述的示例性实施方式代表实质上恒定体积的燃烧装置，并且已发现其呈现大约15∶1的压缩比率；然而，本发明还包括呈现更高或更低压缩比率的实施方式。
现在具体参照附图，图1示出了依据本发明的示例性实施方式的发动机10的操作发动机循环。一般地，本发明的发动机10包括外壳或罩子20、膨胀/压缩腔30、内部转子40以及外部燃烧器50。在示例性实施方式中，转子40的转动压缩穿过进气口60进入并进到膨胀/压缩腔的压缩侧30a内的新鲜空气，或者交替的工作流体，并将新鲜空气或工作流体存放进入燃烧器50。压缩空气通过压缩口80存放进入燃烧器50。在进入燃烧器50时，燃料以高压引导进入一部分空气流。所得到的燃料/空气(燃料/工作流体)混合物在燃烧器50中被点燃，并且因而发生的燃烧在空气被重新引导进入压缩/膨胀腔的膨胀侧30b以便膨胀之前、在通过排气口70最终被喷射到外部环境之前迅速加热空气。加热的空气经过膨胀口85被重新引入膨胀腔30b。空气在燃烧后的迅速膨胀引起转子40转动，以完成本发明的发动机循环。如附图中所示，发动机10的示例性实施方式包括用于压缩和膨胀的单一转子40。可选择地，发动机10可以应用两个或更多个转子40。依据空气从压缩/膨胀腔30被传输进入/离开燃烧器50的具体位置，发动机10的示例性实施方式可以在不同的发动机循环上操作，比如：恒定体积的燃烧过程比如奥托循环和/或艾金森循环、恒定压力的燃烧过程比如布雷顿循环，或者发动机可在介乎两者之间的循环上操作，比如狄塞尔循环通常所模仿的。
在本发明的示例性实施方式中，发动机10的燃烧器50只允许燃烧小部分空气，同时为连续燃烧保持必须的可燃混合物。在此实施方式中，如图2中示意地示出的燃烧器50包括管道系统52以及总体形状，比如卵形、圆形、椭圆形等(但不限于这些)，以允许连续地使空气、燃料和燃烧产物再循环。此设计允许可变级别的燃料喷射穿过装有气门的圆柱形装置(ported cylindrical device)。用于再循环设计的主要考虑是确保燃料以高调节比和最少的排放连续燃烧。例如，当压缩空气被带进燃烧器50内时，管道系统52使一部分空气的路径穿过管道53，离开燃料喷射源54，以使吸入空气被隔离。通过将空气隔离，并非全部吸入空气立即燃烧(并且并非全部空气将必然地被燃烧)并循环穿过燃烧器50。在示例性实施方式中，燃料穿过高压燃料喷射器54而被引导进入燃烧器50，高压燃料喷射器54从压缩口80将燃料喷射进入吸入空气流的至少一部分。点火器56，比如例如火花塞或电热塞，被布置成靠近燃料喷射器54，以点燃燃料/空气混合物。在优选的示例性实施方式中，点火器56仅在启动以初始地燃烧燃料/空气混合物的过程中需要，因为在燃烧器50内发生的是连续燃烧。压缩空气经过压缩口80进入燃烧器50的输送(以及膨胀的气体被输送回到膨胀/压缩腔30内)进一步实现了优选的示例性实施方式中的连续燃烧，因为允许压缩和膨胀在压缩/膨胀腔30内连续发生，而不是已知发动机的典型的间歇性的压缩、点燃以及膨胀。因为空气以恒定体积和压力引导进入燃烧器50，所以用户只需要减少喷射进入燃烧器50的燃料量来减小整体的发动机输出。在奥拓循环上操作的大多数已知发动机要求用户降低(节流)输送到燃烧室的空气和燃料，以便减小发动机输出，从而减小发动机的压缩比率和效率。另外，和由已知的火花点燃发动机和直接喷射式发动机产生的排放对比，发生在燃烧器50内的连续燃烧显著地减少了由发动机10产生的有害排放。具体地，和已知的火花点燃发动机和直接喷射式发动机相比，燃烧器50具有较大的相对体积和较高的谐振次数。另外，燃烧产物在燃烧器50内的再循环使CO、NO以及黑烟排放物最小化。在可选的示例性实施方式中，点火器56间歇地点燃燃料/空气混合物，以使燃烧器50内发生半连续的或间歇性的燃烧。
图2示出了发动机10的示例性实施方式的更详细的图像。如其中所见到的，转子40和罩子20轴向偏移，以使压缩/膨胀腔30的体积在整个压缩/膨胀循环中是可变的。转子40进一步包括多个单独的扇形(pie-shaped)楔形件或花键100以及一对转子侧板44，该对侧板与花键100的每侧匹配，以保持花键如图2-4中描绘的那样正确对准。转子侧板44与花键100同轴对准，并且每个花键可以与螺栓和/或螺母或其它机械紧固件或连接装置匹配。在示例性实施方式中，转子侧板44包括多个螺栓孔46，该多个螺栓孔46对应于每个花键中的多个螺栓孔47以便接纳穿过其中的螺栓，以使该两者可以被刚性地固定在一起。例如，转子侧板44中的螺栓孔46a、46b、46c对应于花键100中的螺栓孔47a、47b、47c，如图3中所示的。螺栓孔46、47可以被攻内螺纹以便接纳螺纹螺栓/螺钉或者可根据需要被镗孔。可选择地，转子侧板44可以整体地或者与其它紧固件组合地焊接到花键100。每个花键100进一步包括定位成靠近花键的径向端部的至少一个，并且优选地一系列共心沟槽102，如图5中示出的。共心沟槽102适合于接纳压缩密封件或环，以便防止在到达转子40内部时漏气并使转子密封贴着罩子20。因此，转子40是完全可密封的。
再次参照图2，转子40进一步包括转动的轮毂42，该轮毂绕固定轴90转动。在示例性实施方式中，轮毂42从固定轴90分离，以使其间存在间隙。在这些实施方式中，轴承92(图4和图16)可包括在轮毂42和罩子20之间，以保持转子40在罩子内正确对准。在可选择的实施方式中，轮毂42包括中空套筒，该套筒可转动地耦合到轴90，并可以包括一个或多个轴承(未示出)，比如球轴承、套筒轴承或其它轴承，以便减少轮毂和轴之间的摩擦。可选择地，润滑剂比如油和/或油脂可以被施加在轮毂42和固定轴90之间，以减小其间的机械磨损和摩擦。
转子40适合于如图2中所示的可滑动地接纳多个花键100之间的多个可膨胀的叶片或叶片状物110。叶片状物110接纳在位于连续的花键100之间的间隙或槽45中，并且可以在槽内自由滑动，以使叶片状物从花键的径向延伸是可变的。一般地，叶片状物110从花键100向外延伸，以保持与罩子20的面向内部的表面密封接触。在示例性实施方式中，叶片状物110的数量对应于花键100的数量，以使转子40包括相等数量的叶片状物和花键。根据用户的需要，发动机10的可选择的实施方式可包括比花键100多的叶片状物110，或反之亦然。已发现，发动机10的压缩比率随着花键100和叶片状物110的数量的增加而增加。在相对较高的转动速度时，附图中示出的旋转叶片装置的示例性实施方式中的叶片状物110可以通过离心力紧压着外壳20，该离心力远大于在二者之间产生密封所需的力。实际上，这些力导致了已知旋转叶片发动机的相对低效，因为这些力引起旋转叶片的迅速磨损。因此，本发明的转子40还容纳有内部叶片状物引导装置或座圈120，以便引导叶片状物110在叶片槽45内的滑动运动。总之，座圈120限制每个叶片状物110从转子40延伸的径向距离，这将在下文详细解释。如图5中所示的，每个花键100包括用于容纳穿过其中的座圈120的切口104，以使座圈包含在花键内。然而，在优选的实施方式中，该座圈120不与花键100直接接合，如图6中更好地见到的，其展示了转子侧板44、花键和座圈之间的相对关系。
座圈120不是与花键接合，而是被固定地定位在罩子20内并且被锚固到固定轴90；座圈和轴之间的关系见于图7中。固定的座圈120可以使用花键、键、梢(cotter)或其它常规紧固件刚性地连接到轴90，或者座圈可以通过焊接永久地与轴匹配。可选择地，座圈120和轴90可以被铸造成为一件。在示例性实施方式中，轴90刚性地连接到壳或罩子20，以确保轴和座圈120固定地定位在壳或罩子20内。如图6-7中所示，座圈120包括用于接触其上的叶片状物110的一部分的唇缘或叶片状物引导表面122。如图8中所示，每个叶片状物110包括叶片状物轴环112，以便沿着叶片状物引导表面122可转动地和/或可滑动地接合。另外，每个叶片状物110包括狭窄的切口114，该切口114在叶片状物轴环112上方延伸并围绕轴环的远端边缘，以便穿过其接纳座圈120和叶片状物引导表面122。图9描绘了与座圈120的叶片状物引导表面122接合的叶片状物110。可以见到，叶片状物轴环112压紧叶片状物引导表面122的内侧边缘(并且通过操作时的离心运动牢固地保持在那里)，并且该座圈和引导表面配合进入并穿过切口114。返回参照图2，可以见到，当转子40和叶片状物110在罩子20内转动时，叶片状物轴环112保持与叶片状物引导表面122接触，以使在叶片状物环绕座圈120运动时，叶片状物从花键100的径向延伸发生变化。例如，正好在每个叶片状物经过排气口开口70时，叶片状物110达到从花键100的最大径向延伸(完全延伸位置)，并且在叶片状物经过压缩口80(缩回位置)时，最低限度地延伸(或与转子平齐)。
在本发明的优选实施方式中，如图2中所见，罩子20的曲率处于指数曲线的形状中。虽然其它实施方式可以利用各种椭圆形或以其它形式成形的罩子设计，但是已经发现，当罩子20的形状为指数曲线时，发动机性能是优化的。另外，如图2中所示，已经发现，当座圈20的形状为实质上几何形状类似于(相同形状或相似形状，但是比例不同)罩子20的曲率时，发动机性能是优化的，或者反之亦然。具体地，当叶片状物被推动以遵循于与几何形状实质上类似或接近类似的罩子曲线耦合的指数曲线的座圈120时，可以在长期运行的循环过程中保持叶片状物110和罩子20之间的密封。已知的旋转叶片型发动机是低效的，并且在一些运行周期之后由于缺少叶片状物和壳之间有效的密封表面而经常出故障。例如，大多数已知的旋转叶片发动机依靠图10-11中示出的叶片状物尖端密封布置(blade tip sealing arrangement)。图10描绘了末端为正方形的叶片状物贴靠着弯曲表面滑行。此种布置已经是不成功的，因为由于二者之间的最小接触面积而不能在叶片状物和壳之间产生有效密封。另外，最小接触面积引起高速磨损，该高速磨损迅速地降低使用此种布置的发动机的效率。图11描绘了改进的布置(在图10中描绘的布置中进行改进)，其中叶片状物尖端是圆形的，以降低磨损量。然而，因为叶片状物尖端和壳之间的接触面积仍然相对较小，所以漏气和压缩损失引起显著的发动机低效。相反，已经发现，在两个接近平坦的表面之间的密切接触有效时，旋转叶片状物和外壳之间的密封能提供更好的密封质量以及改进的润滑特性，这与实质上弯曲的表面和接近平坦的表面之间的那些已知密封形成对照。另外，已经发现，具有相对较大的平坦接触面积的叶片状物尖端是带有角度的，以便匹配罩子的表面轮廓，该表面轮廓提供最大密封(以及发动机)效率，如图12中描绘的。
用于罩子20和座圈120的曲率的最佳形状可以使用接下来的分析并参照图13数学地确定。从叶片状物的转动运动起点到弯曲的罩子壁的距离为“R”，而平坦的叶片状物尖端和以其它形式垂直的叶片状物尖端表面之间的角度为“β”。在叶片状物移动经过差角Δθ时，叶片状物运动的起点和罩子表面之间的径向距离的改变ΔR将是：
ΔR＝R(Δθ)(tan β)
对于角度θ微分变元(differential change)，此等式可以被重新写成：
dR＝(tan β)R(dθ)
为了保持叶片状物尖端和罩子表面之间的密切接触，角度β将是常量，这不仅由于叶片状物的几何形状固定而且也由于在其上滑动的表面。设β为常量并分离变量得到：
dRR=(tanβ)dθ]]>
从R₀在θ＝0时的参考起始值对此等式进行积分得到：
lnR|R0R=(tanβ)dθ]]>
或者
R＝R₀e^(tan β)θ
因此，用于叶片状物尖端和带有固定的几何形状的叶片状物的罩子之间的密封的最理想的形状是指数的。如果罩子的形状为下面的等式描绘的指数曲线，那么为了以另一种方式展示最佳曲线形状，叶片状物尖端贴靠着罩子的密封可以通过确认短线线段(segment)以事实上垂直于可以按与包含转动的叶片的罩子几乎密切接触地滑动的径向线而被优化：
r＝r₀e^k0
其中“r”为曲线在离开参考线一给定的角度θ处的半径，“r₀”为参考半径(接近于转子的半径)，而“k”为基于想要的发动机流速和机械考虑而确定的小常数。另外，座圈120的曲率和罩子20的曲率之间的关系可以表示为：
R_罩子＝r_座圈+d
其中，罩子在任意给定的点的半径等于座圈上的对应点的半径加上某常数“d”，该常数d代表对应点之间的径向距离。因此，优选地但非必须地，座圈120和罩子20遵循对应的指数曲线，以便优化叶片状物密封能力以及发动机性能。
为了在叶片状物转动通过整个压缩和膨胀循环时使叶片状物110最佳地密封贴着罩子20的曲率，每个叶片状物尖端115与叶片状物尖端密封件130配合，如图14中更好地见到的。在示例性实施方式中，每个叶片状物尖端密封件130包括双头尖端，该双头尖端具有用于与罩子20密切接合的两个平坦表面132、134。在每个叶片状物从排气口70向着压缩口80转动时，平坦表面132与罩子20接合，并且当叶片状物从压缩移动返回膨胀时，相对的平坦表面134与罩子接合。以此种方式，在膨胀和压缩的过程中，叶片状物尖端密封件130的平坦表面与罩子20一直恒定地接合。可选择地，叶片状物尖端密封件130可以是圆形的，或者包括单独的平坦表面。在另外的实施方式中，根据需要，叶片状物尖端密封件130可以包括多于两个平坦表面。
返回图8，在示例性实施方式中，每个叶片状物110的侧面与第一和第二侧面密封件140配合，以便使每个叶片状物密封贴着罩子20的侧面以防止漏气和/或压缩损失。一般地，如附图中描绘的，侧面密封件140和叶片状物110一样厚，但是在可选择的实施方式中，侧面密封件为叶片状物厚度的一部分。侧面密封件140可以通过任何数量的常规接头比如齿接头(bridle joint)、鸠尾榫接头(dovetail joint)、搭接接头(lap joint)、T形接头、榫眼榫头连接(mortise and tenon joint)和/或任何接合这些相同部件的其它常规方法刚性地连接到叶片状物尖端密封件130。在优选的示例性实施方式中，使用齿接头142将侧面密封件140连接到叶片状物尖端密封件130。在其它实施方式中，侧面密封件140和叶片状物密封件130可以形成为分离地或与叶片状物110连接的整体部件。
在操作过程中，发动机10的内部部件由于来自内部燃烧的热而膨胀，这些内部部件包括罩子、膨胀/压缩腔30和叶片状物110。不幸地，在这些部件暴露于高热时，如果位于起点则这些部件之间的紧密公差显著地增加。已知的旋转叶片发动机已经成功地解决了公差的这些改变，这些改变一般引起发动机磨损增加并由于压缩损失引起巨大的低效。本发明通过设计使叶片状物膨胀以在跨越一范围的热膨胀和收缩时保持密封而解决此问题。可膨胀的叶片状物的一个这样的实施方式见于图8中，其中可膨胀的叶片状物110包括三个主要部件：两个叶片状物半片116、117以及两个叶片状物半片116、117之间的至少一个膨胀楔形件150。可选择地，叶片状物110可以被分成三份、四份或五份等等，并且可以根据需要使用两个或更多个膨胀楔形件。在描绘的示例性实施方式中，该两个半片116、117通过使用至少一个舌簧和沟槽接头(tongue and groove joint)118互锁在一起。在可选的实施方式中，这两个半片可以与另外的接头连接，以便将该相同的和/或其它类型的常规紧固件比如夹具、钩子等等互锁，或者可以使用常规接头。在示例性实施方式中，该膨胀楔形件150被定位在进入两个叶片状物半片116、117的表面的凹槽152内，以使膨胀楔形件与叶片状物半片的顶部表面平齐，如图中所示的。楔形件150还包括突出物154，该突出物154由叶片状物110中的互补凹槽156接纳，以进一步提供使楔形件保持在其中的摩擦力。在示例性实施方式中，楔形件150是三角形的，其中该三角形的最窄角度指向叶片状物尖端115，并且该三角形的较宽端部指向叶片状物的根部。在优选的实施方式中，每个叶片状物110可以使用两个或更多个楔形件150。在另外的实施方式中，叶片状物主体110可以包括整体单元。然而，无论具体实施方式是如何使用的，在发动机部件暴露于来自内部燃烧的热时，罩子20开始膨胀。此膨胀引起叶片状物尖端密封件130、侧面密封件140和膨胀罩子之间产生间距，使得发生效率损失而叶片状物110的膨胀能力不损失。叶片状物110在正常操作时受到的离心力径向地向外(向着罩子20)偏置膨胀楔形件150，以使三角形楔形件驱动该两个叶片状物116、117渐进地分开，并允许叶片状物110横向地膨胀并保持贴靠着密封罩子20。
本发明可以使用膨胀叶片状物的很多其它实施方式，比如图15中描绘的可选择的叶片状物设计。叶片状物210的主要部分被示出于此图中。在此具体实施方式中，有可以使用被三个密封部分(130、140)围绕的舌簧和沟槽装置以与上文的描述类似的布置被边缘配合的五个不同部件。这五个部件包括三个叶片状物部件212、214以及216，并进一步包括两个楔形件部件250和252。使用此种布置，侧表面可以按不同的速度在流动路径周围独立地膨胀，并且它们可以是不平行的，以使叶片状物轻微地旋转/枢轴转动。这允许更多样性的密封布置，但是增加了叶片状物复杂性。在另一个示例性实施方式中，叶片状物110可以设计成通过由具有和罩子20不同的热速度的材料构造叶片状物而膨胀，以使当罩子和叶片状物被加热时，叶片状物膨胀以填充由罩子的热膨胀产生的间隙。然而，本文决非旨在将本发明限制到具体的膨胀叶片状物设计，因为很多叶片状物实施方式可以基于本文中公开的膨胀叶片状物概念构思，以防止在普通操作调节的过程中漏气和压缩损失。
图16中描绘了依据本发明的示例性发动机的截面图，展示了在罩子20内互相连接的部件(不带有燃烧器)。可以见到，至少一个齿轮160被连接到转子轮毂42以便根据需要输出使用的动力。在可选择的实施方式中，转子轮毂42可以直接地连接到用于汽车或其它交通工具中的变速器系统(transmission system)或齿轮箱。虽然上文已经描述了操作方法，但是在图16中可以更好地见到依据本发明的示例性发动机10是如何运行的。外壳或罩子20界定室，该室容纳偏心安装的转子40。该转子40包括多个花键100，多个花键100径向地设置并间隔开以在连续的花键之间界定槽45。多个旋转叶片状物110接纳在对应的槽45内，其中叶片状物被允许在槽内滑动，以使叶片状物可以关于转子40径向地延伸或缩回。叶片状物110的径向延伸被座圈120限制，该座圈120包括叶片状物引导表面122。每个叶片状物110包括叶片状物轴环112以便与叶片状物引导表面122接合并限制叶片状物的径向延伸。叶片状物110包括尖端密封表面130以及侧面密封表面140，该侧面密封表面140与罩子20的面对的表面接合，以便使叶片状物密封贴着罩子。座圈120允许叶片状物110与罩子20的内部表面接合，以使叶片状物密封可以被保持，但是防止叶片状物受到高磨损力。当转子40和叶片状物110绕固定轴90转动时，吸入空气被压缩并存放进入燃烧器50(未示出)，在燃烧器50中，空气与燃料源混合并燃烧。一旦燃烧，废气被接纳进入膨胀/压缩腔30的膨胀侧30b内，在膨胀侧30b，允许废气膨胀以及进一步驱动转子40的转动。至少一个齿轮160连接到转子40，以输出由发动机10产生的动力。
在本发明的示例性实施方式中，发动机部件一般由4140硬化钢制造，并且磨损表面被涂有亚硝酸盐以延长发动机的使用。叶片状物密封件130、140由青铜合金形成，并且燃烧器由不锈钢形成。在其它实施方式中，发动机部件可以可交换地由不锈钢、硬化钢、铬合金钢、钛、铝、铸铁、高温合金、复合材料或热塑性材料、镍和/或其它多种类型的金属和金属合金形成。本文决非旨在将本发明限制到由具体类型的材料构成，并且上面列举出的材料只是用作举例。
在本发明的可选实施方式中，发动机10以双旋转叶片阶段的形式实施，其中第一阶段中的部分压缩后是在具体设计的比如出现在一些涡轮增压活塞设计的汽车发动机上的中间冷却器(intercooler)中的冷却。最后阶段在将冷却的空气引入燃烧器之前将其进一步压缩。来自燃烧器的输出气体将随后连续地驱动该两个阶段。该两个阶段将以直接驱动布置联系在一起，以机械地确保流动连续性并因此确保压缩效率。
在本发明的另一个可选实施方式中，如图17中所示，发动机10′可包括太阳能热收集器50′，代替上面描述的燃烧器。除了太阳能热收集器50′以外，发动机10′的其余部分包括与上面的示例性实施方式中描述的相同或类似的部件，并且用主要标号标明。如图17中所示，空气或其它工作流体在形成于叶片状物110′和罩子20′之间的气体腔30′中通过转子40′的转动被压缩。工作流体通过压缩口80′被引进太阳能热收集器50′中，在该太阳能热收集器50′中，工作流体被加热。太阳能热收集器50′可以利用从太阳收集的能量，以加热其中存放的工作流体。加热的工作流体可以随后通过膨胀口85′被引回进入转子40′，在转子40′处，允许工作流体膨胀并且驱动转子。在示例性实施方式中，工作流体为大气。可选择地，工作流体可以为氩(为了更大的效率)，或用户所需的其它流体类型。
在其它可选的实施方式中，燃烧器可以用任何已知热交换器代替，以传输能量来加热工作流体。因此，热交换器可以被煤燃料、核能、太阳能等驱动。
在又一个可选择的示例性实施方式中，本发明包括具有双主体转子340的发动机310，双主体转子340偏心地安装在罩子320内，如图18-19中所示。该转子340包括两个转子主体，即内部转子342以及外部转子344。在示例性实施方式中，罩子320和转子主体342、344的形状实质上为圆形。可以根据需要使用其它形状，比如椭圆形、指数曲线等。然而，在使用圆形形状的转子主体和罩子320的本实施方式中，叶片状物410保持与罩子实质上垂直密封接合，以便保持密封布置。实际上，如图18所示，罩子320的截面形状可以为实质上圆形。根据需要，本实施方式使用时可以带有或不带有座圈。为了保持叶片状物410和罩子320之间的密封，可以在两个转子主体342、344之间使用至少两个同步齿轮322、324，如图18中示出的。另外，如图19中示出的，叶片状物410可以在一个或多个枢轴点枢轴转动，以在罩子320之间保持实质上垂直密封布置。
虽然已经参照优选和示例性实施方式描述了本发明，但本领域技术人员应理解，各种修改、添加和删除在由接下来的权利要求界定的本发明的范围内。