摆动叶片液气动力装置初步技术-新型容积式动力装置

叶片马达是利用液压或气压（包括蒸汽）能量提供机械能量的动力装置，输出转矩，带动机械元件做旋转运动。

叶片马达是容积型动力装置，既可以利用液压、气压的压力能，也可以利用动能输出转矩。

现有的液压、气压叶片马达，制造工艺简单，结构紧凑，在液压、气压领域有广泛的应用，但也存在机械磨损大、效率不高的缺点。

为改善叶片马达的性能，提高扭矩、功率和效率，拓展其应用范围，本文介绍一种新型的摆动叶片结构的动力装置，进行概略技术分析，对比现有叶片马达的优缺点。

本文的主要内容为：

1、动力装置概述

2、动力装置静态技术分析

3、与叶片马达的技术对比

4、动力装置的特点

5、应用前景展望

一、摆动叶片动力装置概述

1、摆动叶片动力装置的结构

动力装置的结构主要由一个有蒸汽出口的缸体，一个置于缸体内的转子、其外壁在周向等距分布有用于连接叶片内沿的铰链，两个固定于缸体两端的缸盖（缸体盖板），多个能够相对于转子作旋转摆动的叶片，转子转轴、轴心液汽输入管等构成。

缸体为筒状，其断面内壁形状由两个弧段和与之连接的切线构成，在断面上不同的转子旋转角度上，在径向上形成缸体内壁与转子外壁的距离差，为动力装置的外结构件，可通过法兰固定于缸盖，缸体开设液汽出口。

转子为筒状，其断面外形为似正方形，转子置于缸体内，其旋转中心与缸体一个圆弧段的中心同心，轴向与缸体保持一致；转子外壁沿断面圆周方向等距分布有铰链，用于和叶片链接；转子内设转轴，转轴轴向穿过转子，转子通过转轴及轴承固定于缸盖，可在缸体内旋转；转轴一端延伸出盖板，为扭矩、动力输出部件；转子转轴内置轴心液汽输入管，一端延伸出另一个盖板。

缸体盖板为板状，可通过法兰固定于缸体两端；盖板内有转子的转轴固定孔，以固定转子在缸体中的位置，转子仅限于作旋转运动。

叶片为板状，宽度大于缸体内壁与转子外壁在转子径向上的最大距离，所有叶片内沿在转子断面上以铰链方式等距分布并链接在转子上；叶片外沿嵌套滚筒和轴承；在动力装置工作时，在缸体内壁作用下、配合液汽压力控制叶片相对于转子的张合及角度，使叶片外沿紧贴缸体内壁，起到密封作用，达到控制叶片运动、改变叶片之间液汽仓室容量的目的。

动力装置液汽入口为转子轴心液汽入口通道机构组成，包括转子液汽通道开口、转轴液汽通道开口、轴心液汽输入管开口，其中转子液汽通道开口与转轴液汽通道开口对齐、位置相对固定，随转子一起旋转；轴心液汽输入管固定于一侧缸盖为静止状态，开口大小根据液体或气体（蒸汽）及膨胀比确定。

2、动力装置工作原理

由缸体、转子、缸盖及叶片形成的空间为动力装置液汽工作仓室。在液汽压入阶段，仓室内壁承受液汽压力，转子旋转方向的前叶片和转子外壁在径向上的距离不同，前叶片大于转子外壁半径部分的受力通过叶片与转子连接的铰链作用于转子，是推动活动叶片和转子旋转的动力，为动力装置提供扭矩。

仓室在液汽泄出阶段，仓室内的液汽迅速泄出，压力降低，动力消失。

动力装置由现在方向的后一个仓室继续做功提供动力和扭矩。

3、动力装置工作状态

1气体（或蒸汽）

当转子旋转，转子轴心液汽入口通道机构贯通时，仓室前叶片外沿离开与转子同心的缸体内壁弧段时，仓室容量开始增加、进入气体压入阶段，这一阶段仓室处于推动功做功状态。

转子继续旋转，当仓室进入的气体达到设定容量时，液汽入口通道关闭，仓室进入气体膨胀阶段，这一阶段仓室处于膨胀功做功状态（孤立系绝热膨胀）。

之后转子继续旋转，当仓室的气体达到设定的压力或膨胀比时，仓室前叶片外沿越过缸体的液汽出口开始位置，仓室进入气体泄出阶段，直至前叶片外沿越过缸体的液汽出口结束位置，进入与转子同心的缸体内壁弧段，仓室的气体泄出阶段结束；在仓室处于气体泄出阶段时，在转子旋转方向的后一个仓室处于做功阶段。

2液体

当转子旋转，转子轴心液汽入口通道机构贯通时，仓室前叶片外沿离开与转子同心的缸体内壁弧段时，仓室容量开始增加、仓室进入液体压入阶段，仓室处于做功状态。

转子继续旋转，当仓室容量达到最大时，转子轴心液汽入口通道机构贯通切断，液体不再进入仓室；与此同时，仓室前叶片外沿马上越过缸体的泄出口开始位置，仓室进入泄出液体阶段，仓室做功状态结束；在转子旋转方向的后一个仓室仍处于做功阶段。

二、摆动叶片动力装置技术分析

由于气体或蒸汽为动力的动力装置工作状态及输出扭矩随转子及叶片的位置不同而不同，计算比较复杂，本文暂不作技术分析。

为清晰明了地介绍摆动叶片动力装置，本文以液体动力为例。

动力装置的工作仓室由缸体、转子、缸盖、前叶片构成，如图2所示，蓝色充填区域为工作仓室区域，仓室在转子旋转方向的后部由转子（或铰链）外沿与缸体内壁形成密封；在转子旋转方向的前部，在液体压力和离心力作用下叶片外沿紧贴缸体内壁起到密封作用。

1、设计动力装置基本参数

为了解动力装置的性能，本文设计一款动力装置，给定主要尺寸，计算其扭矩、流量。

2、受力分析

叶片受力在转子外壁至缸体内壁之间产生压力为有效压力，压力在缸体内壁、叶片的共同作用下，通过叶片最终传递至叶片与转子连接的铰链，形成转动扭矩推动转子转动。

3、计算参数设定及扭矩计算

设液汽压力P为5kg，根据受力分析计算叶片受力及动力装置扭矩，由于叶片在转子旋转的不同角度受力状态及转子输出扭矩不同，因此按分段平均法近似计算，转子旋转90°为一个仓室或叶片的完整做功过程，按9个分段计算结果。

4、动力装置流量计算

为动力装置一个仓室处于最大容量的状态，蓝色部分为最大断面面积，面积为85.1cm2，容量为3425.5cm。

三、与叶片动力装置的技术对比

原结构叶片马达，在转子径向、相对于转子，其叶片作往复式运动，叶片的相对运动需要借助转子内的弹簧或液压、气压等外力及缸体内壁的反作用力。

本文所述摆动叶片动力装置，由于结构及叶片运动方式不同，将对动力装置性能和适用范围产生很大的影响。

叶片马达，叶片在转子叶片槽内滑动，存在一定的摩擦阻力。摆动叶片动力装置创新性地改变了叶片的运动方式及与转子的连接方式，使叶片的运动更加流畅，叶片与转子、缸体内壁的接触由滑动接触变为滚动接触，摩擦阻力更小。

叶片马达叶片的径向运动，向外由弹簧或液汽压力提供动力，在动力装置工作时，叶片运动可能出现滞后现象，造成液汽泄漏。摆动叶片动力装置直接采用液汽压力使叶片紧贴缸体内壁，形成自压密封，密封更加可靠、密封效果更好。

由于密封更好、摩擦更小，因此摆动叶片动力装置的运行效率必然高于原结构的叶片马达。

通过对相同尺寸的原结构4叶片的叶片马达对比，摆动叶片动力装置的扭矩、排量、功率有大幅的提升，在相同的压力和转速下，扭矩提升36%，排量、功率提升56%。

总之，摆动叶片动力装置由于对叶片结构及连接和运动方式进行了重大创新，动力装置的流量比、功率比、扭矩、能量转换效率均有显著的提升。

四、摆动叶片动力装置的特点

1、大扭矩、大排量、大功率的特点

摆动叶片动力装置由于特殊的结构，产生了意想不到的特点及效果。

由于叶片宽度增加，叶片受力状态较好，使叶片的受力增加，极大地提高了动力装置扭矩；叶片和转子采用铰链连接，摩擦阻力减小，效率提高；转子外壁与缸体内壁的距离大，动力装置做功仓室空间增加，大幅提高了动力装置排量；由于动力装置的排量增加，进而提高了动力装置的功率。

2、密封性能高

叶片在液汽压力作用下，使叶片外沿紧贴缸体内壁，叶片响应速度快、无延迟，密封效果好。

3、运用于气动、蒸汽动力领域的特点

摆动叶片动力装置做功仓室具可变空间，合理设计压气动力装置的压气入口，可以有效利用压气在密闭空间内膨胀释放压力、继续做功，有效提升动力装置能量转换效率。

动力装置的仓室的可变空间大，可以实现蒸汽单级（或单机）较大的膨胀比，通过测算可以实现单级10倍的膨胀比。

总之，摆动叶片动力装置可实现设备小型化，可作为低转速大功率动力装置是其显著特征。

五、摆动叶片动力装置的应用前景

摆动叶片动力装置的用途是利用有压液汽或气体，直接产生旋转动力，有压液汽包括水、油，有压气体包括燃油、燃气产生的压力燃气及蒸汽等，产生的动力可广泛用于发电或驱动其它机械装置。

根据摆动叶片动力装置的结构特点初步分析，其适用范围主要为中低压、中低速、大扭矩、大流量的应用场景。

动力装置可以应用于中低温（或低品位）热力发电领域，如余热利用、地热发电、小型太阳能热力发电等。也可应用于中低落差的水力发电。

摆动叶片动力装置也可以作为高效率水泵、气泵、空气压缩机等的基础结构，为不同的应用场景、不同的技术要求提供更多的选择。

摆动叶片动力装置在外形尺寸相近、压力相同的情况下，与叶片动力装置相比具有中低转速下输出扭矩大、功率高的特点，与叶片动力装置、齿轮动力装置等在性能、技术参数等方面形成互补，在不同的应用场景为设备的选型提供更多的选择，必然可以在该领域获得得到一定的应用、占有一席之地。