具有平衡旋转可变入口截止阀和次膨胀而对于主膨胀没有背压的旋转活塞蒸汽发动机的制作方法

专利名称：具有平衡旋转可变入口截止阀和次膨胀而对于主膨胀没有背压的旋转活塞蒸汽发动机的制作方法
具有平衡旋转可变入口截止阀和次膨胀而对于主膨胀没有背压的旋转活塞蒸汽发动机
背景技术：
1832年“等效双旋转活塞(equal double rotary piston) ”机构在法国获得专利， 但是由于多个问题导致其潜力没有完全释放，该多个问题现在利用平衡旋转可变入口截止阀(balanced rotary variable inlet cut-off valve)和由主膨胀的排气以不对主膨胀施加背压的方式驱动的次膨胀得到解决。附图1教导了 “等效双旋转活塞”机构的基本几何形状。有两个同等的盘状旋转活塞安装在平行的轴上并且容纳在精确适于围绕由旋转活塞的升高的半圆形部分勾勒出的轨迹的膨胀腔内。一个旋转活塞的升高的半圆形表面和另一个旋转活塞的未升高的半圆形表面在所述膨胀腔的中心点处紧密接近。旋转活塞的升高的和未升高的部分之间的活塞 “面”为适当的齿轮齿廓。旋转活塞的升高的凸轮状部分的顶部延伸接近180°，尽管没有活塞环，但这种长距离提供了良好的密封。两个旋转活塞紧固到两个平行的驱动轴上，每个轴紧固到膨胀腔外部的齿轮。这两个同等的齿轮以相等的速度但是相反的方向同步地啮合并且转动旋转活塞。加压蒸汽(或者任何其它工作流体)在机构的中心附近进入膨胀腔的一侧。这种流体在活塞之一的驱动面上施加压力，压力近似垂直于包含转轴和经过活塞面的半径的平面。换言之，压力在活塞面的近似最佳方向施加，从所述压力发展到接近可能的最大转矩。另一个非驱动旋转活塞的升高部分形成桥台(abutment)。指向中心的压力被轴承在其轴上吸收，除了当轴承转动时轴承中的摩擦损失之外没有任何能量消耗。一个旋转活塞转动半圈，而另一个从动，随后第二半圈情况相反，等等。该机构有点类似于相反运行为发动机的单凸轮齿轮泵(single lobed gear pump)。但是，由于单凸轮将不产生连续转动，所以运动由外部齿轮组保持。两个活塞形状相同，与旋转活塞机构的很多其它尝试不同。因此，虽然没有完全限定，但是该机构可以方便地描述为“等效双旋转活塞”机构。更完整的限定包括旋转活塞的升高部分为接近180度的圆弧，紧密地配合在膨胀腔中，以及当两个旋转活塞在由膨胀腔外部的齿轮同步的平行轮轴上沿相反的方向转动时，它们也以紧密接近的方式运动。该发动机的优点等效双旋转活塞发动机有很多优点并且缺点很少。总体上，其应当是远远好于目前所有的汽车发动机的发动机。1.旋转活塞沿着相反的方向连续转动，因此用作飞轮并且因此很有效地节省能量。通过往复运动或者摆动而完全没有能量浪费，即使在小部件(例如阀或者桥台)中，都是主要的能量节省因素。2. “循环”的几乎100%的工作行程，与四冲程内燃发动机25%的工作行程对比明
Mo3.往复式活塞和曲柄中力的分解意味着活塞和连杆仅仅很简单地作用在近乎最佳的方向以产生转动。(最佳的位置是活塞和连杆沿着直线施加它们全部的力之时，并且也是与曲柄的臂成直角之时。这仅仅近似地在每个周期中简单完成，但是在有限尺寸的曲柄式发动机中从来没有完全满足)。相反，等效双旋转活塞发动机一直几乎与转轴成直角(根据齿廓的斜度)向活塞面施加力，几乎在100%的时间产生近乎最佳的转矩。该发动机也显著优于汪克尔(Wankel)转动机构。4.由于往复活塞具有以变化的角度指向缸体壁的力分量，通过连杆和曲轴将往复运动转化成转动也产生摩擦。引起功率和效率损失的这种摩擦在这种特定的旋转发动机中得到避免。5.与典型的内燃发动机也不同，通过感应、预点火压缩以及排气冲程，没有功率损失。也免去了凸轮和阀的驱动。这样的能量消耗通常与以非弹性的方式操作的弹簧相悖、 经常涉及往复运动并且需要显著的摩擦力。6.双旋转活塞沿着相反的方向转动，顺时针和逆时针，确保它们的加速不对外壳施加净转动惯性力。这在发动机安装是动力-重量优化的一个重要部分的汽车动力装置中是重要的优点。7.旋转活塞以及入口截止阀完美地平衡并且因此在高速时和低速时都不产生振动。这减小了发动机装置的体积，并且总体上改善了动力-重量工程。8.该机构是正位移发动机，不是涡轮机。这导致从静止位置对抗载荷的良好加速， 特别如典型的汽车应用中所需要的。涡轮机在从静止位置对抗载荷加速方面很差。“等效双旋转活塞”机构不是轨道式发动机、叶片式发动机或汪克尔发动机，这些发动机尽管是正位移旋转发动机，但都具有一个或多个明显的问题，特别是在汽车应用中。9.利用在给定周期中恒定的转动方向以及接近恒定的角速度，摩擦和磨损很小。 现代的轴承、密封件以及定时齿轮经过很多代已经高度工程化，具有较长的耐久性和性能并且在这种新装置中很容易利用。10.尽管没有活塞“环”，但旋转活塞的升高部分的长弯曲表面和其紧邻外壳的长距离确保了在这些表面之间可以漏出很少的蒸汽。当最需要时，即当压力在膨胀开始最大时，两个表面具有其所紧邻的最大长度。旋转活塞的平的面具有防止蒸汽经过旋转活塞的升高部分的侧面逃逸，以及防止通过主驱动轴轴承逃逸的密封件。11.利用现代精确制造技术，在两个旋转活塞之间，在两个旋转活塞切线渐进的中心点处将有很小的恒定间隙。这允许少量蒸汽在旋转活塞之间所述中心点处离开。该蒸汽被保持在密封系统中并且随排出的蒸汽排出，随后被冷凝并且重新使用。这是整个设计的唯一缺点。该缺点通过该旋转发动机优于往复式和其它旋转发动机的很多优点而得到充分的弥补。12.两个旋转活塞在一个固体强硬部件中用作活塞面和桥台。这个重要的事实将该机构与大多数其它旋转活塞机构区别开。很多其它旋转活塞设计具有单独的、通常较小的、移动的并且由此相对易损坏的桥台。在紧密邻近其相邻表面的长且一致弯曲的表面上均勻分布磨损将该机构与很多其它旋转活塞的设计的其它常见的缺点区分开。平衡旋转入口截止阀也是具有良好耐用性的很实用的简单设计。13.由于该等效双旋转活塞发动机是一种外燃发动机，燃烧燃料残渣不进入膨胀腔并且不产生污染或沉淀物，这与内燃发动机不同。用于轴承和同步齿轮的油因此保持干净，因此发动机的维护费用较低并且寿命变长。14.适当控制的外燃烧可以产生较少的大气污染并且允许很多不同燃料的较宽的选择。用于产生蒸汽的燃料可以包括传统的石油基燃料，例如汽油、煤油或L. P. G(天然气)。但是，这些化石燃料净增多了大气中的二氧化碳、增进了全球变暖以及有害的气候变化。人们正在开发对环境更好的燃料。这些包括可再生能源，例如(二代)乙醇、海藻油。 非理想的燃料是第一代的乙醇和植物油，例如菜籽油。氢气可以被用作由多种周期性能源例如波浪、风能以及太阳能或者恒定能源例如地热能产生的外燃燃料。但是，第二代生物燃料的更直接的燃烧是比氢气更直接、更好的选择。15.无论何种最终能源，发动机都使用高压蒸汽。至少对于最近30年来说，对于典型的用于汽车的技术，快速产生足够压力和量的蒸汽可以在大约45秒中完成。用于汽车的现代蒸汽发生器紧凑、轻重量、安全并且可靠。现在也很好地建立了用于汽车应用的蒸汽的规定。这两个领域的技术在本专利申请中都不详细论述。16.等效双旋转活塞蒸汽发动机很简单、紧凑、移动部件很少并且制造起来相对便宜。这通过旋转活塞发动机的原型在仅仅具有小车床、钻床、手工工具以及空气压缩机的后院车库内生产的事实表明。甚至考虑蒸汽发生器的成本，与内燃发动机相比生产成本都很便宜。17.汽车应用的蒸汽动力的“等效双旋转活塞”动力装置的适合性将可以免去离合器和齿轮箱，如过去一些效率不高的往复式活塞蒸汽车辆成功完成的那样。免去了离合器和齿轮箱的重量节省将增加动力装置的动力-重量效率并且甚至进一步减小制造和运行成本。可以通过使单独的较小的等效双旋转活塞发动机直接驱动每个从动轮而免去传动系的其它部分。但是，这个优点将被需要至少两个发动机的相对较大的总隔热、以及被为了保护发动机和压力管道免于更接近载荷振动所采取的额外措施所抵消。因此，我们的意见是本专利申请中所述的这种发动机具有使四冲程内燃发动机在很多场合中废弃的潜力。汽车应用包括重型长距离道路运输、轻型以及通勤运输，以及轨道运输和海运运输，以及可能的甚至航空运输(有关航空运输，本发动机和现代蒸汽发生器将比很成功的1933年4月飞行的William和George Besler往复式活塞蒸汽发动机螺旋桨双翼飞机的效率高得多。原始的新闻影片在www. youtube. com/watch ？ ν = nw6NFmcnff-8中)。固定应用包括大规模发电和小规模结合的发热和发电。农民可以利用他们自己的燃料生产自用的电力，因为可以在炉子中使用几乎任何易燃燃料以产生蒸汽。便携式单元也可以生产电或操作泵以用于气动或液压设备。通常在采矿业中使用的包括压缩空气机的很多工具可以很容易适合于“等效双旋转活塞发动机”。很多其他工业过程可以使用蒸汽动力的等效双旋转活塞动力装置，使得对当地的能源做出更直接以及因此更高效的利用。


图1。该图示出了旋转活塞的正视图和剖视图。该图示出了从旋转活塞N。2驱动到其它活塞(N° 1)驱动的转变的发动机。膨胀腔由外壳和活塞形成。旋转活塞的升高部分的引导表面具有适当的齿轮齿廓形状，这个弯曲的面形成活塞面。发动机将一直顺时针转动旋转活塞2并且逆时针转动旋转活塞1。活塞面上的齿轮齿廓的目的(例如，渐开线或其它适当的曲线)是最小化在从循环的一部分到下一部分的简短转换过程中逃逸的蒸汽， 因为小间隙保持恒定，直到它们分开。非驱动旋转活塞在膨胀腔的后部保持桥台，蒸汽压力抵靠桥台，向处于其驱动周期的活塞面的引导端施加力。
旋转活塞2将继续驱动，直到其尾部齿轮轮廓面完成其转换并且另一旋转活塞变成驱动器为止。这将在旋转活塞转动180°之后对每个旋转活塞交替地发生。因此，半个循环由一个旋转活塞，随后由另一旋转活塞而交替地传递动力，使得在每次转换时驱动器变成从动齿轮，而从动齿轮变成驱动齿轮。在下面的任何附图中对于一个旋转活塞所说的，当另一个旋转活塞处于等价的位置时，同样地适用于另一个旋转活塞，应记住的是他们沿着相反的方向转动。由于一个旋转活塞在没有另一旋转活塞的情况下将不工作，所以尽管具有两个旋转活塞，但发动机不应当被看做双缸体发动机。两个旋转活塞通过每个旋转活塞轴上的齿轮而同步。这些齿轮具有与旋转活塞相同的节圆直径。即，它们分享相同的每个旋转活塞的较小直径和较大直径的中点直径。下面是对循环的各个阶段的简要描述，它们中的大部分在附图中意义自明。图2。旋转活塞2刚刚完成其工作行程并且旋转活塞1将要开始其工作行程。图3。注意到a，直径上向内的压力不产生转动，并且b，有三个齿轮轮廓面通向驱动压力，旋转活塞1的两个面上的力得到平衡，没有净驱动力，同时，旋转活塞2上的不平衡力产生该活塞的顺时针转动。图4。旋转活塞1经过其工作行程的中点并且几乎停止了排放其先前的工作行程的气体。旋转活塞2开始排气。图5。该图示出了具有四个预定入口截止设置的例子中的平衡可变入口截止旋转阀的剖视图，参考第9-12页。截止的数目(不仅仅是四个)，以及截止比(cut-off ratio) 可以被选择为适合于特定的应用场合。图6。这是示出了平衡旋转阀的双侧性质的等轴视图。没有示出形成有槽的实体圆筒的全部三维性质，仅仅示出了圆筒的表面上的槽的外边缘。四个截止设置再次被示出为例子。图7。该视图示出了与发动机相关的旋转入口截止阀的例子。其示出了在所有的等价阶段具有相等长度的蒸汽行程的例子，从入口的分叉处到入口截止阀，通过入口截止阀自身，在合并之前从入口截止阀离开并且随后进入膨胀腔。如果同步齿形带用于直接将主发动机驱动轴和入口截止阀连接，则可以使用类似的几何形状。在简单的滑轮系统中，转动在平行平面中发生，但是，其它转动传动系统允许非平行路径。例如，人们可以在主发动机驱动轴和入口截止阀轴之间使用锥齿轮系统，允许入口截止阀更接近膨胀腔的入口。旋转阀的转轴可以与主驱动轴的轴线成直角，经过中心点，并且在旋转活塞的转动平面内。在该系统中，蒸汽的拖拽路径在中心区域具有相同的轮廓一 “S”形以及镜像“S”形，在“S”形的中心发生截止。这在图中没有示出。图8。该图示出了用于提取用于二次使用的截留蒸汽的早期排气孔的两种可能的布置，参见第13-12页。二次使用可以在机械连接的“复合式发动机”中或者在非机械连接的“辅助发动机”中。辅助发动机可以用于发电或者驱动汽车使用的其它附属设备等等。注意到，蒸汽所采取的空气动力学路径在对经由两个旋转活塞的蒸汽同样有利的区域，即在初始主膨胀排气附近的中线区域为次膨胀取道。图9。图9、10、11示出了在旋转活塞的平面密封它们的多种方法。这些方法可以附加到我们的专利W020061(^696(A1)中的那些方法，该专利2006年11月16日公开，优先权为 AU2005020174120050427。
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弯曲的平密封件安装在旋转活塞的平表面的周界周围的槽中。槽足够深以允许密封件被槽的侧面良好地支撑。在槽的底部具有凹口，凹口安装适当数目的并且定位在密封件周围的弹簧，使得适当的相对均勻分布的压力施加在密封件上。密封件可以在较锐利的拐角处更宽以承受这些区域遇到的额外应力，这个最后的特征在图9中没有示出。可以使用一系列直的密封件或具有直的部分的单个多边形密封件代替弯曲的密封件。密封件可以是不规则的或者规则的多边形并且这些直的部分可以由浅的弯曲部代替，该弯曲部的曲率小于由中心在活塞的转动中心的弧在该点给出的曲率。直的部分或者稍微弯曲的部分的优点在于磨损在旋转活塞的更大的平表面区域分配。直的部分可能制造起来更便宜。图9的虚线示出了直的部分的一个可能的布置的例子。配重的重量物可以对称地放置在旋转活塞的非升高半部中，使得活塞静态平衡。 该重量物将用比旋转活塞的主体的密度更大的材料制成，可能是钨或者铅合金。另外，或者可选择地，至少一个孔可以在旋转活塞的升高的半部中对称形成以用于相同的目的(在图 9中没有示出)。此时人们可以讨论动力装置的总体平衡。主膨胀、平衡旋转可变入口截止阀、次膨胀、以及由次膨胀和主膨胀驱动的附属设备都转动并且理想地是，这种转动应当被平衡，特别是在加速时应当被平衡。主膨胀的核心机构内在平衡，但是驱动主载荷的相关联的转动传动系统例如负重轮没有平衡。类似的，“平衡”旋转可变入口截止阀在动态角动量方面没有平衡-仅仅其轴承上的力平衡，并且静态平衡。类似的，任何由次膨胀发动机驱动的转动附属设备例如发电机在加速过程中通常不平衡。共同加速的所有这些系统的空间布置可以布置为使得角动量的净变化几乎没有。具有最大不平衡角动量的部件将是连接到主膨胀的传动系，即驱动轮等。加速过程中的平衡的这种主要来源可以通过布置旋转入口截止阀和任何由次膨胀发动机驱动的附属设备的指向(sense)和转动方向而被抵消。具有顺时针和逆时针转子的双发电机将平衡，正如双等效旋转活塞发动机自身一样。图10。本图示出了密封的多种方法。首先，可以在发动机外壳中的槽中设置圆形密封件以防止蒸汽沿着旋转活塞的平表面的侧面并进入主驱动轴轴承的泄漏。第二，外壳的平面侧在中心点处的改善的密封可能受第二密封件影响，第二密封件足够宽使得适当的齿轮齿廓的圆周方向距离大约与密封件的宽度相同或者仅仅小于该宽度。这防止了密封件在两个活塞面在中心点通过的过程中过分倾斜。进一步改善的密封通过膨胀腔的弯曲表面和平表面中的浅槽完成。蒸汽进入这些槽并且不做有用的膨胀。但是，当进入这些槽时的紊流(turbulence)意味着进一步通过旋转活塞和外壳之间的小间隙的蒸汽在通过该路径时遇到更多的扰动和对泄漏的阻力。这种效应是否有利，以及以较小的泄漏不仅仅增大阻力，必须通过实验确定。图11。该图是很类似于图10，除了如图9那样，密封件使用了直的或至少较小弯曲的部分。 平衡可变入口截止旋转阀 参见图5、6、7，以便对基本概念有视觉上的说明。在几乎所有现有技术的以蒸汽为动力的等效双旋转活塞发动机中没有任何形式的入口截止。这可能是这种特殊的机构很久以前没有成为广泛应用的发动机的重要因素。公开了等效双旋转活塞发动机的任何形式的旋转可变入口截止的现有技术对人们来说都是陌生的。另外，所提出的阀能够平衡，既静平
1衡，在由蒸汽施加在旋转阀的轴承上的压力方面也平衡。典型的汽车动力装置具有快速变化的载荷和广泛变化的速度。不可缺少的是快速且平稳地在两个、三个、四个或更多入口截止之间变化以便使用最合适量的蒸汽来平衡动力和经济。这种设计能够快速且平稳地在很多潜在的入口截止设置之间变化。因此，我们相信，这种设计特别适合于汽车应用。在一些静态情况下，例如利用其缓慢变化的载荷发电的情况下，可能仅仅需要一个或两个入口截止设置。阀制造起来简单、容易，并且高效、结实并耐用。由于这些原因，我们相信这种设计和应用是新颖的并且很有用。入口截止以允许更充分的蒸汽膨胀的重要性已经被1830年代的蒸汽工程师所认识。没有任何入口截止，蒸汽的全部头部(full head)可以缓慢地推动活塞以抵抗大载荷， 并且在行程的末端，排出蒸汽仍然可能接近全压力。排出的高压蒸汽是能源的浪费。典型的现代汽车蒸汽发生器可以产生至少为大气压20倍的蒸汽。即使在小载荷运行的快速发动机中，在蒸汽排放到大气之前允许蒸汽在产生动力时仅仅膨胀10倍。一个可能性将是使主膨胀的长度翻倍，但是由于多数高效的能量传递或工作在膨胀的早期完成，从已经膨胀10倍的蒸汽中提取能量不是高效的方法。更好的方法是截止部分进入膨胀的入口蒸汽，因此在整个膨胀期间与全压力的蒸汽施加到活塞相比，允许更充分的膨胀。旋转入口截止阀允许蒸汽在每个旋转活塞的“工作行程”(即，360°转动中两次)开始时在相同的位置进入旋转发动机，但是在每个工作行程的大约10%、30%或60%截止蒸汽，或者其可以允许蒸汽在100%的循环中连续进入发动机。应记住的是，在发动机中有两个旋转活塞。一个驱动半圈(即180° )，并且随后另一个旋转活塞驱动半圈。因此，在发动机的一个 360°回转中，每个旋转活塞轮流驱动180°，而另一个旋转活塞排气，给予了近似连续的工作行程。这种“平衡可变入口截止旋转阀”开始设计成与等效双旋转活塞旋转蒸汽发动机一起使用，以便提高效率。但是，该阀也可以在其他场合使用。四入口截止设置的例子的运行原理a.考虑到，例如10%的“经济”设置。这允许蒸汽在每个旋转活塞的工作行程的大约10%期间进入发动机，允许蒸汽在工作行程的大约90%期间膨胀并且实现接近最大的能量效率。打开和关闭阀所花费的时间可能将最佳有效阀运行时间减小到大约85%。b. 30%的设置允许蒸汽进入发动机的工作行程比10%的设置多20%，但是在完成工作行程之前膨胀的工作行程也少了 20%。这意味着在工作行程的过程中，更多的蒸汽进入，但是膨胀并且实现工作潜能的工作行程也少了。这以损害经济性情况下给予了更多的动力。c.由于相同的原因，60%的设置允许蒸汽进入的工作行程比10%的设置多出 50 %，但是很浪费燃料。这最好仅仅在非常大的载荷的情况下，例如爬很陡的坡的情况下短时间使用。d.在汽车装置中，如果使用向前-空挡-向后机械齿轮箱和离合器，则对于冷启动将选择100%设置，允许蒸汽连续进入发动机以快速预热发动机，同时允许发动机在空挡中转动。另外，当发动机关闭时，即使发动机仍然是热的，为了再启动发动机，将需要把鼓形阀 (drum valve)设定在100%位置，以用于发动机启动，这是因为在其它设定中，阀可能在关闭位置停止。
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平衡旋转可变入口截止阀的详细描述(以四截止设置为例)1)旋转阀在密封的圆柱形孔的外壳中具有轴上的转动圆筒。内圆筒以与发动机中的旋转活塞相同的速率转动。该圆筒与孔具有最小间隙，没有金属与金属的接触。圆筒锁定到或者用花键连接到轴上并且可以沿着轴滑动。正好在转动圆筒的圆周周围切有槽(在 100%设置中)，因此当这种槽与圆筒孔的相对侧中的蒸汽进入口和离开口对准时，其不禁止蒸汽连续流过阀。圆筒具有围绕转动鼓的圆周的三个(或更多)其它不同长度的槽，该不同长度的槽平行于连续(100% )槽并且沿着鼓等距离隔开。鼓可以沿着孔移动，使得所选择的槽可以与蒸汽进入口和离开口对准。这些槽的每一个的开始点在一条直线上，并且由齿形带传动装置或者齿轮定时，使得当发动机旋转活塞经过发动机进入口时鼓打开。如所示出的，槽的长度不同；例如鼓的半圆周的10%、30%或60%。相对槽来说， 转动鼓为双侧的。同等的槽形成为与在鼓的另一侧上的这些槽相一致，使得在阀鼓的一圈中，相同长度的两个槽将经过给定点。因此，在带有槽的圆筒的一个完整旋转中，当圆筒转动并且槽的开始点经过阀的进入口时，其允许蒸汽在槽的持续时间，经过槽并且离开阀的离开口进入发动机。当槽的后端经过进入口时，为了余下的半圈，该后端关闭蒸汽流。由于在鼓上有两组槽以及在阀圆筒的两侧上有进入-离开口，在阀的另一侧同时发生相同的过程。这个过程在阀和发动机的一转中重复两次。蒸汽供应线被分开以便用于两个阀入口并且两个排气在蒸汽进入发动机入口之前合并。因此，在阀圆筒的一转中，蒸汽根据所选择的截止比例进入和离开阀两次，持续较短的时间。2.由于蒸汽管道被分开并且在相反侧进入阀，(并且在进入发动机之前再次接合)，挤压在转动鼓的一侧上的蒸汽的力通过另一侧上相等的力而得到平衡。这将导致旋转阀轴承的较长的寿命。阀鼓很好地配合但是不接触该阀鼓在其中转动的圆筒孔。因此，没有摩擦力(除了在轴承和密封件中之外)，并且仅仅需要很少的能量就能驱动。这解决了经常伴随旋转阀的摩擦和磨损问题(特别是内燃发动机中的旋转阀)。3.由于引入的蒸汽将沿着与转动鼓回转的方向相同的方向运动，蒸汽压力在槽开始点上的初始冲击类似于涡轮机作用，有助于鼓的转动。这可能导致定时装置例如齿形带传动装置旋转该阀所需要的较小工作(如果有的话)_有助于能量效率。4.由于转动鼓不接触圆筒孔，在鼓周围将有一些泄漏并且这将导致阀的内部被加压，并且导致当阀关闭时少量的蒸汽继续进入发动机。由于总体系统密封，这将不是问题， 并且一些蒸汽泄漏到发动机中将仅仅有助于正确地驱动发动机，消除入口截止蒸汽的波动 (pulse) ο入口截止阀的目的是在阀装置的持续时间产生蒸汽的“波动”，即使当所选择的槽关闭时，其也不完全停止蒸汽的流动。与泄漏的阀导致能量完全损失的往复式发动机不同， 但是经过该入口阀的泄漏仅仅是在没有入口截止的情况下的进入圆筒的少量蒸汽，并且没有被浪费，但是比用于入口截止的蒸汽效率低。5.仅仅当发动机处于驱动模式或预热模式时阀接收蒸汽并且运行。由于由截留在阀外壳的中空腔的任意一端处的蒸汽引起的端部压力将通过转动鼓的排气而平衡，当选择不同的模式时，将不妨碍鼓沿着圆筒孔的运动。代替如图5中所示的摆动臂选择器，可选择的是，齿条和小齿轮可以被用于移动轭(yoke)并且沿着其轴滑动鼓。可以使用不同类型的轴承和密封件。6.当改变截止设置时，由于阀的蒸汽进入口和离开口比鼓槽之间的间隔宽，所以下一个槽在当前的槽关闭之前开始打开。因此，在截止设置之间没有死点。两个相邻的设置的结合可能实际上在它们之间产生中间设置，实现有效截止的更平稳的改变。截止设置的改变将足够平稳以便不需要使用离合器。7.如果不是固定数目的分散入口截止设置，可以通过移除相邻的槽之间的间隔部分而实现连续可变入口截止，这在圆筒的表面上导致一对三侧面的宽凹口。如果包括连续槽，即在100%截止设置中，该对三侧面形状的拐角将在每个三角形拐角中的两个处接触。在这种连续可变阀中，加压蒸汽将不能像分散槽通道那样有效地限制在路径的槽中，但是流过凹口的流体仍然将主要在连接入口孔和出口孔的2维曲线中。与具有分散数目的槽的阀相比，该连续截止阀的紊流将增多。但是，实践中，连续可变入口截止的优点将超过该缺点。三侧面凹口的形状可以(直线边缘)是为了简单而包围在圆筒周围的三角形，但是设计成弯曲边缘也是有利的。例如，人们可以补偿轭相对于仅仅铰接的启动杆或手柄转动通过的不断变化的弧的非线性运动，如图5中所示。可选择的，人们可以设计可变截止中的适当变化，以对应于在发动机所设计的应用场合的加速过程中通过实验确定的入口截止中典型有用的变化。8.该旋转入口截止阀不改变发动机和传动的机械优点。但是，在汽车系统的优化之后，可以通过实验确定入口截止是否将用于机械齿轮箱的大多数目的，或者其是否更好的结合典型的齿轮箱而使用。在后一种情况中，可变入口截止将主要用于能量效率，而不是机械优点。改变入口截止改变了功率和经济性，而不改变发动机与轮转数的比。由于发动机能够进行高速转动，即使没有使用典型的可变比齿轮箱，发动机通常也需要减速。啮合比取决于负重轮的尺寸、汽车的最大速度以及所需要的功率。这反过来也确定了发动机容量的量级、蒸汽发生器尺寸、燃料供应等等。等效双旋转活塞发动机中的蒸汽的次膨胀-背压的问题等效双旋转活塞发动机的另一个重要改善涉及设计一种使用来自主膨胀的低压排出蒸汽而不向主膨胀中涉及的活塞的非工作面上施加背压的第二发动机。如果人们仅仅在主膨胀的中央定位的排气孔处将入口设置到第二发动机，则在主膨胀的排气区域将具有在旋转活塞的非工作齿轮轮廓面上施加背压的压力积累。次膨胀获得的任何能量将以主膨胀的能量损失为代价。注意到，利用往复式蒸汽发动机，由于具有在主膨胀之后关闭的排气阀使得在排气阀关闭之后背压不能被施加回到主膨胀，所以人们可以简单地利用排出蒸汽用于次膨胀。这是利用等效双旋转活塞机构将要解决的显著问题，即，确定包括主排出蒸汽的次膨胀而不向主膨胀施加背压的简单装置。如往复式发动机中发生的那样在主膨胀引入新的单独排气阀将是一个解决方案，但是一种粗糙的解决方案涉及多种额外的部件、摩擦、 可能的往复运动损失和成本。问题的解决方案
通过仔细参考图8，可以观察到旋转活塞2的升高部分刚刚关闭进入其膨胀腔半部的蒸汽，并且旋转活塞1刚刚开始其工作行程。旋转活塞2的引导面(leading face)和尾部面(trailing face)之间的部分膨胀的蒸汽的容积被有效密封并且在转动的其余时间 (几乎一圈的四分之一)保持恒定，直到旋转活塞2的引导面经过排气孔。在这段时间，截留到该圆筒中的蒸汽不能膨胀并且不工作。这既对转动没有帮助，也不妨碍转动。这是可以用作优点的一个特征。虽然无论其位置如何，该固定腔都保持，但截留的蒸汽可以通过早期排气孔进入次膨胀。一旦旋转活塞2的引导面经过通常的中心排气孔，剩余的蒸汽将通过中心排气孔排出并且不再被使用。主膨胀的中心排气出口中的残余压力将比次膨胀的排气压力大。理想的是，需要两个冷凝器系统。用于次排气的冷凝器将被设计成在比用于残余主排气的冷凝器低的压力下运行。将高压冷凝器系统与低压系统合并将无用地施加一定的背压到低压次膨胀。但是， 由于在两个排气系统之间将没有较大差别，所以在一些初始的分开冷凝使得两个压力都很低，因此很接近之后，人们可以将两个排气系统合并，在这之后可以具有一个最终结合的冷凝器。可选择的，一旦依靠早期合并的单一冷凝器的这种有效并且快速的冷凝，有效冷凝的负压简单地吸入主排气和次排气的蒸汽，而对两种排气都不施加显著的背压。最终结果将是来自两个主旋转活塞的组合的额外动力将向次膨胀供应蒸汽，持续几乎半个主膨胀周期。在将热能回收到机械能时，这是一个显著的优点，不这样的话，能量将损失在排气中或者损失在冷凝器中。膨胀发动机“复合式发动机”(机械连接)和“辅助发动机”(非机械连接)次膨胀可用的蒸汽将行进到类似于机械连接到主膨胀的主膨胀腔的次膨胀腔，给出了“复合膨胀”，或者可能的话行进到单独的未被机械连接到主膨胀的“辅助发动机”。主膨胀和次膨胀之间的固定机械连接，使得驱动最终驱动轴的两个膨胀涉及选择主膨胀和次膨胀的最佳折衷比(best compromise ratio) 0但是，由于在特定的转速下多少蒸汽膨胀取决于做功克服多少力，该最佳比随着载荷的变化而变化。典型的如在汽车应用场合遇到的那样，当载荷和速度显著变化时，任何固定比例都必然是次优的妥协。通过耦合主膨胀和次膨胀的高度可变的齿轮箱来改变连接比将是可行的，但是不是实用的方法。因此，我们认为，特别是在汽车应用场合，单独的辅助发动机可能是最佳选择。单独的辅助发动机可以用于发电以为充分发展的机动车辆中使用的大量附属设备的电池充电。代替通过具有或没有入口截止的等效双旋转活塞发动机实施的次膨胀，人们可以使用涡轮机、“罗茨”鼓风机、 “齿轮泵”发动机、或者甚至往复式活塞发动机。但是，等效双旋转活塞发动机的很多优点使得它是最佳选择。利用辅助发动机，次膨胀的入口的设置必须在主膨胀的两个主驱动轴之间的居中的平面中。为了利用陷在旋转活塞的升高部分之间的蒸汽的惯性，人们可以使得预定用于次膨胀的排气通过基本与主膨胀腔在预定点相切的出口。管道逐渐扩展的截面有助于蒸汽的向前运动。排气输出的浅的角度以及朝向上述中心平面的空气动力学轮廓必然有利于在残余主膨胀的排气孔附近的次膨胀输入。可能与包含旋转活塞的平面有较小的偏离，以便允许残余主排气都与次膨胀入口分开但是相邻。但是，更重要的可能是保持次膨胀的入口偏离更小并且优选偏离残余主排气的路径。较高压力、较高温度的残余主排气可以用于次膨胀的蒸汽保护或者执行其它用于次膨胀的能量再生过程。
利用两对异相运行的旋转活塞的双(主和次)膨胀腔系统，活塞连续转动两个主驱动轴。在这种情况下，次膨胀入口的最佳位置将在两个残余排气出口之间，在合并之前这些出口在次入口每一侧经过一个。由于次膨胀蒸汽在主膨胀旋转活塞的每转的两个波动时到来，次膨胀不需要合并到单蒸汽流中，而是每个波动可以同步并且行进到基本与蒸汽流的方向相切的次膨胀入口，方向对于分别在次膨胀旋转活塞的每一侧的入口是最优的。次膨胀的取出(take-off) 和次膨胀入口之间的距离越短越好。这意味着，次膨胀应当使得其入口孔接近主膨胀的排气孔。这也意味着，如果两个膨胀系统的轮轴平行，作为紧凑并且因此热力学有利的装置， 则第二发动机将“颠倒”(相对于主膨胀)，并且次膨胀的转动方向将与主膨胀相反(即，与逆时针相对的顺时针)。这在减少震动、以及减小由于转动惯量的变化引起的反作用力方面有利。本领域技术人员也可以从上述例子中总结出具有多个腔的其它方向的其它次入口位置。可选择地，利用经由复合式(机械连接的膨胀)的次膨胀，则预定用于次膨胀的所有主排气在次膨胀的入口处对称地会聚之前也将理想地采取相同长度和形状的路径。来自旋转活塞对每一个的排气的交替性质将允许稳定的连续压力脉冲输入提供稳定运行的次膨胀中，这与前述非连接的次膨胀相同，可以被定路线并且同步以分别对次膨胀输入的每一个给出最佳单独输入。利用复合式发动机，每个早期排气可以分开并且单独地行进到一般将安装在与主膨胀相同的驱动轴上的次膨胀发动机。在这种情况下，从早期主排气到次膨胀入口的路线采取可能最短的空气动力学路径，并且使得两个发动机安装在彼此附近并且互相平行将是有利的。主膨胀旋转活塞和次膨胀旋转活塞之间的理想的相位关系将是使得早期排气的波动到达次膨胀入口几乎是在次旋转活塞中的一个在膨胀周期开始阶段到达的典型时间。与所有的复合膨胀一样，最佳时间可能根据载荷稍微变化。在实际中，由于除了在极大的载荷下的情况之外多数蒸汽移动很快，两个发动机之间将有很小的相位差。如果主膨胀和次膨胀安装在相同的轮轴对上，则旋转活塞的半径将必须相同，并且因此用于次膨胀的低压蒸汽增大的体积将必须通过较厚的盘状旋转活塞而得到满足，活塞面的相对截面正方形状更少并且更多为矩形。在有效膨胀方面，由于流体动力，这样窄的膨胀腔空间的矩形比将有限。因此，在复合式发动机中，人们可以考虑通过齿轮系机械连接而不是仅仅通过在相同的轮轴上而连接的次膨胀。次膨胀的轮轴对可以包围主膨胀轮轴并且与主膨胀轮轴通过简单的平行齿轮啮合，应记住的是齿轮系中的奇数个齿轮使得转动方向相反(即，顺时针变成逆时针)，而对于齿轮系中的偶数个齿轮反之也一样。因此，进入次膨胀可以根据齿轮系中齿轮的数量而在主膨胀的“顶部”或“底部”。利用通过使得主膨胀和次膨胀在相同的轮轴上而机械连接的复合式发动机中的次膨胀，存在一种减小外部的、同步齿轮和主轮轴轴承上的磨损的装置。考虑图8，预定用于次膨胀的蒸汽波动来自主旋转活塞2。如果蒸汽的这种波动行进到安装在与旋转活塞2相同的轮轴上的次膨胀，则从磨损最小化的角度看，该蒸汽波动被定时将是有利的，使得旋转活塞2的次膨胀处于驱动中，同时旋转活塞的主膨胀处于非驱动中。这可以通过使得次膨胀蒸汽从旋转活塞2向上朝向主膨胀的入口区域行进，同时使得次膨胀旋转活塞2的升高的凸轮状部分与主膨胀旋转活塞2的升高的凸轮状部分的偏离180°的相位而实现。使主
16膨胀和次膨胀的升高的凸轮状部分在相同轴的相对侧上将在平衡方面具有一些优点，但是完全平衡仍然需要主旋转活塞和次旋转活塞都单独平衡。如果人们选择将次膨胀蒸汽从旋转活塞2行进到用于次膨胀的临近主膨胀排气区域的入口，则可以应用类似的原理。这可以用于在次膨胀开始之前使预定用于次膨胀的蒸汽的路径尽可能的短的目的。为了保持旋转活塞2的相同的顺时针转动，次膨胀旋转活塞2的升高的凸轮状部分将大约偏离90°的相位，如可以通过仔细考虑图8所理解的那样。本领域技术人员可以构造出来自旋转活塞2的次膨胀蒸汽(图5中在右侧)跨越到侧旋转活塞1 (图5中在左侧)的类似装置。这可以用于通过使得两个旋转活塞轮轴上的驱动力平均，并且同时最小化行进到次膨胀的蒸汽管道的长度，并且还通过具有尽可能空气动力学方面平稳的管道来最小化磨损的目的。有很多种允许多种次膨胀速率和速度、改变次膨胀活塞面的半径和截面积、并且改变次膨胀轮轴的位置(大体平行于主膨胀轮轴，但是不一定与其共面)的可能的几何形状。这些变量可以最优化以用于最终应用。总体上，机械连接，即复合次膨胀最适合用于相对恒定载荷、或者至少缓慢变化的载荷，因此可以实现这些变量细微调节以用于最佳能量特性。静止发动机，特别是大发电装置(以及可能的大船舶应用场合)，而不是自动陆地运输动力装置，可能是复合式发动机的最好装置，给出它们相对变化较慢的载荷、并且还给出静止发动机中的附加机构的额外重量的无关性。由于所涉及的总能量转化的量很大，能量效率的相对小的提高就变得显著节省，所以在大发电装置中对于相对小的能量效率证明额外复杂性是可能的。
权利要求
1.我们要求在机械工程领域对于蒸汽动力的等效双旋转活塞动力装置的能量效率的改善的发明的权利，该发明由此实现了对于蒸汽或者其它适合的可压缩工作流体在紧密配合的膨胀腔中膨胀的更充分利用；a.首先，通过利用平衡旋转可变入口截止阀，在所述阀的相对侧上具有平衡的双重输入和输出，b.其次，通过利用来自所述等效双旋转活塞动力装置的主膨胀的排出蒸汽，所述排出蒸汽是当旋转活塞的尾部面经过膨胀腔外壳的入口孔时产生的，用于次膨胀的排气出口设置在所述膨胀腔外壳的弯曲部分中距离主膨胀入口大约180度，其中对所述主膨胀没有施加背压，以及c.第三，通过密封件和槽的特定装置，防止了在所述旋转活塞的平表面和所述膨胀腔外壳的相邻表面之间泄漏蒸汽，d.包括了下面的权利要求中的至少一项的组合。
2.如权利要求1所述的平衡旋转可变入口截止阀，其中所述阀包括在具有两对入口孔和出口孔的外壳中转动的圆筒，所述圆筒具有圆周地围绕所述圆筒形成的多个槽对，所述多个槽相当于预定数目的将被用于特定场合的入口截止设置，并且入口和出口的型式围绕圆周交替，其中进入所述阀的蒸汽的类似典型水轮或者涡轮机的效果有助于所述圆筒沿着恒定的方向转动。
3.如权利要求2所述的槽，所述槽定向在垂直于如权利要求2所述的圆筒的转轴的平面中，并且所述槽围绕所述圆筒延伸180度的预定百分比，所述预定百分比与蒸汽的入口截止所希望的百分比相同，入口截止为50%的一个例子是在相同的平面内具有两个槽，每个延伸90度，并且围绕所述旋转阀的所述圆筒的圆周均勻地隔开，另外，单个槽能形成为围绕所述旋转阀的所述圆筒延伸完整一圈，其中，全部蒸汽压力连续施加到所述膨胀腔。
4.如权利要求2所述的槽和如权利要求7所述的凹口的引导边缘，所述槽和所述凹口的所述引导边缘对齐，使得对应于入口截止的开始点的部分基本沿着直线对齐。
5.如权利要求2所述的槽对，以及如权利要求7所述的凹口的非圆周边缘，所述槽对和所述凹口的非圆周边缘每个都具有被空气动力学地弯曲以最小化高速高压蒸汽进入、通过、以及离开所述阀时的紊流的形状，横截平面中的曲线的形状a.垂直于所述圆筒的转轴，为曲率半径相对较小但不必为相同曲率的两个短曲线，与曲率半径相对较大的一个较长的弦状曲线相遇，为了易于制造，所有的曲线大体为圆弧形， 但是不排除其它适当的空气动力学轮廓，所述两个短曲线与所述圆筒的表面以一角度相遇，所述角度基本与如后面的权利要求8所述的形成入口孔和出口孔的洞相符合，当其穿过如权利要求8所述的外壳时，入口和出口的角度大体等于但是不必等于所述入口孔和所述出口孔的角度，b.权利要求2所述的槽或权利要求7所述的凹口在包括所述圆筒的转轴的平面的横截面中的形状具有所述槽或凹口的以基本垂直于所述圆筒的表面的角度离开所述表面的侧面，还具有所述槽或凹口的优选以空气动力学平稳的轮廓连接到侧壁的底部。
6.如权利要求3所述的不同的槽的数目，不同的槽的数目具有对应于入口截止的预定设置数量的复数个，所述入口截止的预定设置例如四设置入口截止阀中的100%、50%、 20%以及10%，所述槽对沿着所述圆筒的转轴均勻分布，在所述槽之间具有近似相等的间隔，允许在每对槽之间具有适当厚度的材料以便包含在压力下的蒸汽，并且在所述圆筒的每端具有肩部，所述肩部足够宽以便确保所述圆筒在如权利要求9所述的阀外壳内高速转动时的稳定性，从而使磨损分布均勻并且因此而减小。
7.如权利要求1所述的平衡旋转可变入口截止阀，其中所述阀包括在具有两对入口孔和出口孔的外壳中转动的圆筒，所述圆筒具有一对等同的三侧面凹口，而不是多个槽对，所述凹口形成在所述圆筒的外表面上，所述三侧面形凹口的一个边缘为圆周的，而所述三侧面形的另两个边缘对应于当所述凹口的边缘分别移动经过所述入口孔和所述出口孔时的入口截止点和出口截止点，两个出口和两个入口的型式和方向围绕圆周交替，其中进入所述阀并且遇到所述凹口的边缘的蒸汽的类似于水轮或涡轮机的效果也有助于所述圆筒沿着恒定的方向转动。
8.如权利要求2和权利要求7所述的旋转阀圆筒，所述旋转阀圆筒同轴地安装在坚固的旋转轴上，使得a.其允许所述圆筒沿着所述轴紧密配合但是沿着所述轴自由纵向移动，这通过使得所述轴的外表面的形状和形成在所述圆筒中的洞的内表面相匹配来实现，例如通常通过隆起、键和键槽，以及规则和不规则的多边形横截面，通过支座和锁定装置例如螺钉、销钉及类似装置来实现，使得所述圆筒沿着所述轴移动的长度能够可调节地固定，b.所述轴从所述圆筒的至少一端延伸，并且一般在每一端上至少一个，该延伸部通过转动轴承固定，所述轴承的内部被固定在所述轴的至少一端附近，并且所述转动轴承的外部被固定到如权利要求9所述的阀外壳，c.权利要求8.b所述的轴与权利要求1所述的发动机以相同的速度转动，所述轴通过转动传动装置，例如齿轮、同步带、特别是有槽口的带和滑轮、定时链以及类似装置连接到所述发动机的主驱动轴，所述轴以与主发动机驱动轴相同的角速度转动，所述转动传动装置连接到所述主发动机驱动轴中的至少一个，所述有凹口的同步带和滑轮胜于定时链和定时齿轮的优势在于，前进时动作和调整很平稳并且延迟定时能够通过导向轮及类似装置而容易地实现，而在定时齿轮的情况下，这些能够连接到单独的正齿轮组、锥齿轮组及类似物，从而本领域技术人员能够实现旋转入口阀和主发动机入口的更近的接近，第二组齿轮、 或者主齿轮的第二部分安装在主驱动轴上，一起转动但是与主发动机同步齿轮分开，从而避免了主发动机同步齿轮上的不均勻磨损，d.直接以主发动机同步齿轮的至少一个单独部分的形式以及通过包括旋转阀自身的所述转动传动装置而连接到所述主发动机驱动轴中的一个的任何附加转动质量的惯性力矩，被另一个具有适当增大并且对称分布的质量的主发动机旋转活塞和其同步齿轮所平衡，从而实现转动加速而整个发动机没有不平衡的惯性反作用，e.权利要求8.c所述的转动传动装置具有至少一个其部件的转动调节器，使得能够实现所有入口截止的等同前进或延迟，该转动调整的例子是由连接到所述主发动机同步轴的转动机构的微小转动做出的转动调整，其能够稍微转动并且能够被平头螺钉、锥形螺钉和螺栓、锁定螺帽、锥形键、一组孔中的销钉及类似物可调整地固定，类似的转动调整在固定到所述旋转阀的所述轴的转动传动组件处实现，并且具有由附加的转动部件例如导向轮及类似部件的动作通过调整阀外壳相对于主发动机的位置来改变定时带或定时链的长度的装置，从而实现入口截止定时的前进和延迟。
9.如权利要求1所述的平衡旋转入口截止阀，包括形状为中空圆筒且端部被可靠地密封的阀外壳，所述外壳上的至少一个端部具有形成在其中心的圆形孔以允许如权利要求8 所述的轴在所述外壳中自由但是紧密配合地转动，所述轴从所述外壳充分突出以连接到如权利要求8. b和8. c所述的转动传动装置和转动调节器，所述阀外壳是中空圆筒，所述中空圆筒的内径允许以与如权利要求3所述的带槽的圆筒或者如权利要求7所述的有凹口的圆筒存在紧密间隙的方式自由转动，但是不是一定要严密的蒸汽气密性，该功能由与保护如权利要求8. b所述的轴承免受高压蒸汽相关的蒸汽密封件实现，并且附加蒸汽密封件位于所述阀外壳的外边界处，通常封闭端部的圆筒外壳的至少一端能够被移除并且利用螺栓、 螺钉及类似物、定位凸耳和键、垫片以及与通常为本领域技术人员已知的这种性质的压力容器的密封通常相关的方法重新固定，从而所述外壳能够容易地组装和分解以用于制造、 维护和维修。
10.用于蒸汽的入口和出口的洞形成在如权利要求9所述的阀外壳中，预定的相对小的距离分开入口孔和出口孔中的每个的相邻的边界，所述预定的距离使得制造的材料在所施加的蒸汽压力下不变形，还使得入口孔和出口孔在所述阀外壳中进入和离开的角度适合用于制造的材料，入口孔线和出口孔线的进入和离开的角度首先基本上在包括一对槽的平面中，且其次与所述圆筒的弯曲表面形成最小化紊流的角度，该后者的要求因圆形边缘而有助于浅的角度，但是不排除其他角度和其它轮廓，所述角度选择为基本与当如权利要求 5. a所述的短曲线离开所述圆筒时所述槽的角度匹配，所述外壳中的洞大体为圆形并且足够宽以至少延伸越过一个槽并且同时越过槽之间的一个间隔部分，从而入口和出口截止孔相对于所述圆筒的滑动实现从一个截止设置到另一个截止设置的平稳过渡，同时总是可得到近似相同的蒸汽管道横截面。
11.如权利要求1所述的蒸汽动力的等效双旋转活塞动力装置，所述蒸汽动力的等效双旋转活塞动力装置具有蒸汽的次膨胀，从而来自次膨胀的入口的背压不向所述主膨胀的非驱动活塞面施加背压，这通过设置除了通常定位在中心中线的主排气孔之外的两个早期排气孔而实现，在所述主膨胀腔的每侧具有一个早期排气孔，每个旋转活塞有一个早期排气，蒸汽通过所述早期排气孔行进到次膨胀，a.早期排气的设置使得所述孔的打开开始于所述膨胀腔的周界周围的一点，当非驱动活塞的所述尾部面刚刚紧密邻近膨胀腔外壳时，所述点与同一非驱动转动的引导活塞面相邻，因此将适度压力的蒸汽截留在非驱动旋转活塞的所述引导面和所述尾部面之间，该蒸汽的压力与在主蒸汽输入的区域处的主膨胀之后的蒸汽的压力大约相同，所述适度压力的蒸汽随后在其不再被连接到主输入区域之后并且在所截留的蒸汽被暴露于中心主排气之前被排放到次膨胀中，b.所述早期排气孔是所述膨胀腔中的洞，所述早期排气孔开始于11.a中所述的点，并且延伸适当小的距离并且具有能够在主发动机的大约四分之一转所花费的时间内排放出大部分所截留的适度压力的蒸汽的适当横截面，c.所述早期排气孔的洞优选具有空气动力学横截面并且所述洞以空气动力学轮廓进入主膨胀腔，总体上，至少初始地在两个旋转活塞的平面中，d.所述早期排气孔的洞以与所述主膨胀腔的圆形形状的切线成浅的角度而进入，从而有助于所截留的蒸汽的运动，e.所述早期排气孔的洞和所述主膨胀腔的圆形曲线之间的界面具有以空气动力学方式制定轮廓的引导边缘和尾部边缘，适合于制造的材料和所涉及的力，f.管道朝向次膨胀的横截面表面积是至少恒定的、不减小并且优选稍微增大以便有助于大体积的适度压力蒸汽的传递，g.并且通向次膨胀的管道的三维形状在至少两个维度为空气动力学曲线，指向中心主排气的区域，但是不与主排气汇合，使得来自两个主膨胀旋转活塞的早期排气通过相同的长度的管道合并，从而交替的波动到达次膨胀的入口，h.次膨胀发动机弱于中等压力旋转发动机，优选适当尺寸的等效双旋转活塞发动机， 但是不排除其他动力装置，例如涡轮机、逆转的“罗茨”鼓风机和往复式发动机，i.所形成的次膨胀是以下的任何一种，j.辅助发动机，其未被机械连接到所述主膨胀，从而避免了主膨胀和次膨胀二者的最佳复合膨胀与变化的载荷之间的冲突，次膨胀发动机优选驱动发电机系统和其它附属设备，或者k.复合式发动机，其被机械连接，在所述复合式发动机中主驱动系统通过共用相同的驱动轴或者通过另一个固定或可变的机械转动传动系统连接到次膨胀，·1.在机械地连接的复合膨胀中，每个早期排气单独地行进到安装在与所述主膨胀相同的驱动轴上的次膨胀发动机，从早期主排气到次膨胀入口的路线是可能的最短空气动力学路径，并且主膨胀旋转活塞和次膨胀旋转活塞的旋转活塞之间的相位关系使得早期排气的波动在近似于次旋转活塞之一到达膨胀循环开始的典型时间到达次膨胀入口，并且同一轮轴上的主旋转活塞和次旋转活塞的升高的凸轮状部分具有适当的异相关系，该相位关系使得主膨胀的驱动力尽可能地发生在次旋转活塞是非驱动的同时，并且反之也一样，因此使得旋转活塞以及相关的同步齿轮和轴承上的磨损最小化，m.来自权利要求ll.a-11. i的次膨胀系统的排气能够在与来自残余主膨胀排气的蒸汽合并之前至少部分被冷凝，因此减少了从主膨胀排气进入次膨胀排气的回流，但是不排除主膨胀排气和次膨胀排气的早期合并和快速冷凝。
12.如权利要求1所述的蒸汽动力的等效双旋转活塞发动机的膨胀腔的平表面的蒸汽密封，基本为a.每个旋转活塞具有两个平的面，所述平的面中的每一个安装有单个弯曲的平密封件，该密封件安装在所述旋转活塞的平表面的周界附近的弯曲槽中，曲线沿着每个旋转活塞的较大和较小半径的两个半圆弧和形成引导活塞面和尾部活塞面的两个齿轮齿廓，包含所述密封件的所述槽形成的足够深以允许所述密封件被所述槽的侧面良好的支撑，所述槽的底部包含凹口，所述凹口安装适当数量的并且定位在所述密封件周围使得适当的相对均勻分布的压力施加在所述密封件上的弹簧，所述密封件在较锐利的拐角处较宽和或较深， 因此承受在所述区域遇到的额外应力，b.每个旋转活塞具有两个平的面，所述平的面中的每一个安装有一组直的密封部段或单个多边形形状的密封件，该密封件是不规则多边形或规则多边形，所述直的部段选择性地是浅的弯曲部，且曲率小于由中心定在活塞的转动中心的弧在该点处给出的曲率，从而使磨损分布在所述旋转活塞的平表面的较大区域上并且改善了长期蒸汽密封，并且有助于容易制造，c.在形成在膨胀腔发动机外壳的两个平的平行侧表面中的每一个中的槽中设置有四个圆形密封件，该密封件的中心在每个旋转活塞的转轴上，从而减少了蒸汽沿所述旋转活塞的平表面的侧面而下并且进入主驱动轴轴承的泄漏，d.两个大体直的密封件位于形成在所述膨胀腔的平的平行侧面中的每一个中的槽中， 所述槽和所述密封件相对于每个旋转活塞的轴径向定向，并且定向在包括两个旋转活塞的两轴的平面上，所述密封件的宽度至少足够宽以当所述旋转活塞在中心点接合时延伸越过所述旋转活塞的适当的齿轮齿廓的周向距离，所述密封件足够宽以便防止其在两个活塞面在所述中心点通过的过程中变得过度倾斜，从而改善了外壳的平面侧在关键的中心点的密封，e.权利要求12.a和12. b的密封件与由直的密封件连接的两个圆形密封件结合，所述直的密封件与圆形密封件的切线成直角，所有的部件在一个平面中，连接的区域被适当确定轮廓并且在该连接处的厚度适合于承受在结合的密封件的运行中所施加的额外力，从而通过利用所述圆形密封件锚定，给予了中心密封件更多的稳定性，但不排除使用具有单独弹簧加载的或通过有键的支撑件或类似物的单独直的密封件和圆形密封件。
13.如权利要求1所述的膨胀腔，所述膨胀腔具有形成在所述膨胀腔的平表面和弯曲表面中的浅槽，从而加压的蒸汽进入所述槽并且不实施有用的膨胀，而是由于泄漏的蒸汽遇到较大的紊流并且因此遇到比通常的阻力大的阻力而导致减少了蒸汽在所述旋转活塞和外壳之间的小空间的通过，所述膨胀腔的弯曲部分上的槽基本上与所述主驱动轴的转轴平行并且围绕所述膨胀腔的周界以基本规则的间隔隔开，并且所述膨胀腔的所述平表面具有类似的槽，该类似的槽径向地指向或者至少基本上与所述主驱动轴的转轴成直角，并且从直径延伸，达到比所述旋转活塞的较小直径的直径小的小距离，直到所述膨胀腔的弯曲表面，所述平表面上的槽大体与所述膨胀腔的弯曲表面上的槽相交，主轴轴承通过附加密封件的任何密封与所述槽具有适当的间隙。
14.能够在如权利要求1所述的旋转活塞的非升高半部中对称地设置配重的重量物， 使得所述活塞平衡，该重量物的材料比所述旋转活塞的块的密度大，该材料是高铅含量的合金或其他材料，另外地或者可选择地，为了相同的目的，至少一个洞能在所述旋转活塞的升高半部中对称地形成。
15.如权利要求1所述的等效双旋转活塞，所述等效双旋转活塞具有主膨胀的部件、平衡旋转可变入口截止阀、次膨胀，以及由次膨胀和主膨胀驱动的附属设备，所述等效双旋转活塞空间地定向和布置，使得所述主膨胀和驱动主载荷例如在汽车应用中的负重轮的相关转动传动系统的转动方向，顺时针或逆时针，设定为沿着相反的转动方向并且在基本上与所述平衡旋转可变入口截止阀和任何由次膨胀发动机驱动的转动附属设备例如发电机相平行的轴上，从而在加速过程中，连接到主膨胀的传动系的角动量的净变化被所述平衡旋转入口截止阀和由次膨胀发动机驱动的所述附属设备的组合的角动量的净变化所平衡，如果使用一个的话，由于核心机构作为一个整体的平衡几何形状和如权利要求14中的各个旋转活塞，或者通过本领域技术人员常用的其它类型的平衡，因此所述主膨胀和所述次膨胀的核心机构内的角动量的净变化必须是零。
全文摘要
本发明提供了一种具有等效双旋转活塞的旋转活塞蒸汽发动机，该旋转活塞蒸汽发动机带有平衡旋转可变入口截止阀以增大效率。来自主膨胀的排出蒸汽行进到次膨胀以增加效率，同时避免了背压。旋转阀在相对侧上具有平衡的双重输入和输出。当旋转活塞的尾部面经过膨胀腔外壳的入口孔时，来自主膨胀的排出蒸汽被取出，用于次膨胀的排气出口设置在膨胀腔外壳的弯曲部分中距离主膨胀入口大约180度，其中对主膨胀不施加背压。
文档编号F01C20/14GK102439262SQ201080022435
公开日2012年5月2日 申请日期2010年6月8日 优先权日2009年5月22日
发明者埃罗尔·约翰·史密斯, 肯尼思·默里·史密斯 申请人:埃罗尔·约翰·史密斯, 肯尼思·默里·史密斯