[发明专利]具有多凸起部式环形凸轮的流体工作机器

说明书

发明领域

本发明涉及用于流体工作机器的多凸起部式环形凸轮并且涉及包括这种类型的环形凸轮的流体工作机器。本发明特别适用于大型流体工作机器，例如，可再生能源提取装置(如风力涡轮机)中的泵或马达。

发明背景

流体工作机器包括受流体驱动的和/或驱动流体的机器，如泵、马达、以及可以在不同的运行模式下作为泵亦或作为马达而起作用的机器。

当流体工作机器作为泵来运行时，一个低压歧管典型地用作工作流体的一种净来源点(net source)而一个高压歧管典型地用作工作流体的净汇收点(net sink)。当流体工作机器作为一台马达来运行时，一个高压歧管典型地用作流体的净来源点而一个低压歧管典型地用作流体的净汇收点。在本说明书和所附权利要求书中，术语“高压”以及“低压”是相对性的，并且取决于具体应用。在一些实施方案中，低压工作流体可以处于高于大气压的一个压力，并且可以是大气压的几倍。然而，在所有情况下，低压工作流体将典型地处于比高压工作流体更低的压力。一台流体工作机器可以具有一个以上的低压歧管并且具有一个以上的高压歧管。

大排量环形凸轮式流体工作机器(即：具有一个大型的旋转的环形凸轮的流体工作机器，这个凸轮驱动围绕该凸轮安排的多个径向活塞，其中每个活塞典型地在每圈凸轮旋转上往复运动多次)是已知的并且被提议用于可再生能源的应用中，在这些应用中存在一种低速的旋转输入但有一个相对高速的发电机(Rampen，Taylor&Riddoch，Gearless transmissions for wind turbines，DEWEK，Bremen，Dec.2006)。环形凸轮流体工作机器典型地具有多个滚轮，这些滚轮在一个波状的凸轮上滚动并且运行性地连接到多个活塞上。每个活塞是可滑动地接合在一个缸中，这个缸与活塞一起限定了包含工作流体的一个工作室，该工作室通过一个或多个阀门与高压以及低压歧管相连通。这些活塞是各自可运行的以便在该缸内进行往复运动从而在环形凸轮旋转时改变该工作室容积，这样就执行了一个工作室容积周期，并且在这个过程中工作流体可以被排移。

环形凸轮流体工作机器可以被配置成使得这些活塞与缸被定位在该环形凸轮的内部(该环形凸轮具有一个面向内的工作表面)、或者可以被配置成使得该环形凸轮具有一个面向外的工作表面并且被定位在这些活塞与缸的内部。确实，具有每一种配置的环形凸轮流体工作机器也是已知的，其中该环形凸轮旋转、亦或这些活塞和缸旋转。在这种环形凸轮被定位在内与外两圈活塞与缸之间的情况下，还有可能使环形凸轮既有面向内的也有面向外的工作表面。甚至有可能使这些活塞与缸大致与旋转轴线平行地对齐、并且使环形凸轮具有一个或多个轴向面对的工作表面。

多缸流体工作机器(包括环形凸轮流体工作机器)可以是可变排量的流体工作机器(泵或马达，或者作为泵亦或马达可运行的机器)，其中每个工作室是可选择的以便由该工作室在一个工作室容积周期的过程中执行一个有效的(或部分有效的)工作室容积周期或者一个空转周期来对从该低压歧管至高压歧管(或与之相反)的流体的时间平均净排量进行调节，在该有效的(或部分有效的)工作室容积周期中存在一个工作流体的净排量，而在该空转周期中基本上不存在工作流体的净排量。

大型的流体工作机器(例如适合于可再生能源的那些)是典型地经受着特别高的内力和压力。例如，具有适合于风力涡轮机的尺寸的大型环形凸轮流体工作机器的高压(以及的确低压)工作流体的压力是特别高的。因此由该环形凸轮接收的来自这些滚轮的力也是很高的，并且已知它使得这些环形凸轮的工作表面受损。已经有人提出用多个区段来组装大型环形凸轮，并且已知由于工作表面上出现的多个不连续点在区段之间的交界处的滚轮压力下使得过度磨损发生在滚轮上以及工作表面上。

特别是当环形凸轮流体工作机器的运行压力非常高(例如，高于300巴)时，该环形凸轮和滚轮中的反复的表面应力(赫氏应力)可超出允许该环形凸轮具有一个长工作寿命的水平(例如，1.5GPa)。此外，令人希望的是在该环形凸轮上具有大数目的凸起部(最短的波长)以便提高速度倍增因数(在轴旋转速率上工作室周期频率藉此而增大的因数)，但是在该工作表面中的赫氏应力会随着该环形凸轮表面斜率的增大而增加。因此不可能对于同一尺寸的活塞将这些滚轮简单地制造得更大，因为该活塞无论如何都只会在同一区域上施加力到该滚轮上，也不会具有更多或更高幅值的波形，否则该机器会变得更大且更沉重。该凸轮的曲率也是重要的，这是在于该凸轮的曲率决定着该凸轮与该滚轮之间的接触面积。