CN101372894B - 透平气动马达 - Google Patents

Abstract

一种透平气动马达，包括马达壳体和输出轴，马达壳体内设置反击式微型透平机，该反击式微型透平机包括排气口、透平定子、透平转子、透平轴及进气口，其透平轴通过行星齿轮减速机构与输出轴内端连接；靠近透平转子的第一轴承与透平转子以及透平定子之间设密封装置，该密封装置外表面的左部分与马达壳体及透平定子之间形成环形气道，该环形气道与进气口相通。该气动马达效率高、工作压力低、转速高、功率密度大、工作寿命长、易维护且工质气体无需内加润滑油，在工业自动化领域和气动工具中具有广泛的应用前景。

Description

透平气动马达

技术领域

本发明涉及一种透平气动马达，特别涉及一种效率高、工作压力低、转速高、功率密度大、工作寿命长、易维护且工质气体无需内加润滑油等特点的新型气动马达，可替代叶片式、齿轮式等容积式气动马达在工业自动化领域和气动工具上的应用，属于能源和动力技术领域。

背景技术

作为气动系统两种典型执行元件(气缸和气马达)之一，气动马达是将压缩空气中蕴有的能量转换为机械能并输出旋转运动的基本元件，相当于电动机或液压马达。由于气动马达具有工作安全、防燃防爆、抗电磁干扰、耐高温、无级调速、启动力矩高(可直接带负载启动)、起停迅速、无环境污染、体积小、重量轻、转速及功率变化范围宽等优良特性，不仅在实际应用和经济上具有很大的优势，而且可完全满足安全和排放法规所规定的要求，因此在全世界上百个不同的生产领域中得到广泛地应用。只要有气源供应，电机能做到的，气压马达基本上都能做到，而且功率密度(功率体积比)较电机要大得多。在很多工业领域或高危险性应用场合，气动马达是最佳甚至是唯一的选择。

作为气动系统重要且量大面广的基础元件，气动马达性能的提高无疑对改善气动系统工作性能和降低能耗具有重要作用和意义。气动马达的具体结构形式多种多样，依工作原理的不同，可分为静力式(容积式)和动力式(透平式)两大类。静力式又可分为叶片式、活塞式、齿轮式、隔膜式、螺杆式及罗茨式等多种类型，其中叶片式和活塞式应用最广。不同类型的容积式气马达虽有各自的特点，但存在着一些共同不足，如工作压力高(7bar左右)、工作寿命短(一般为几百个小时)、效率低(约为36％)等。与电动机(效率为80％～90％)和液压马达(效率为60％～70％)相比，容积式气动马达的上述缺点尤其是效率低在很大程度上削弱了其结构紧凑、功率密度高等优势，尤其在节能问题日益受到人们的重视的今天，作为量大面广的基础气动元件，提高气动马达的效率更具有紧迫性和现实意义。

发明内容

为了克服容积式气动马达存在效率低、工作压力高、能量利用率差等上述种种不足，本发明的目的是提供一种新型气动马达，即反击式透平气动马达，该反击式透平气动马达是将气体工质的可用焓降(不仅仅为压力能)转变为机械能的，除气体工质无需内加润滑油外，而且还具有效率高(可达65％以上)、工作压力低(3～4bar)、寿命长及易维护等显著优点。

本发明透平气动马达采用以下技术方案实现：它包括马达壳体和贯穿马达壳体前端部的输出轴，其特征在于：所述马达壳体内设置反击式微型透平机，该反击式微型透平机包括位于马达壳体后端部上的排气口、位于马达壳体内近排气口处的透平定子和透平转子、通过第一轴承和第二轴承支撑于马达壳体内的透平轴、以及贯穿马达壳体一侧壁且与透平轴垂直的进气口，所述透平定子与马达壳体固连，透平轴一端与透平转子固连，另一端通过行星齿轮减速机构与输出轴内端连接；靠近透平转子的第一轴承与透平转子以及透平定子之间设密封装置，该密封装置外表面的右部分与马达壳体的内表面相密合，其左部分与马达壳体及透平定子之间形成环形气道，该环形气道与马达壳体上的进气口相通；所述输出轴通过第三轴承和第四轴承支撑于马达壳体内。

进一步，所述透平定子上含有若干形状相同的叶片，且相邻两叶片之间形成收敛形喷嘴，该透平定子上所有的喷嘴组成定子喷嘴环；所述透平转子上含有若干形状相同的叶片，且相邻两叶片之间形成收敛形喷嘴，该透平转子上所有的喷嘴组成转子喷嘴环；所述透平转子上的喷嘴的朝向与透平定子上的喷嘴的朝向相反。

进一步，靠近透平转子的第一轴承与透平转子以及透平定子之间的密封装置含密封套和密封内套；所述密封套外表面的右部分与马达壳体的内表面相密合，其左部分与马达壳体及透平定子之间形成环形气道；所述密封内套装于密封套内近第一轴承处且外表面与密封套内表面密合，密封内套内壁与透平轴之间设径向密封组件，密封内套内于近第一轴承的端部设有轴向密封组件，密封内套内另一端固装挡圈。

上述行星齿轮减速机构包括太阳轮、若干行星轮及行星架，所述太阳轮固装于透平轴端部，马达壳体内壁对应太阳轮处设内齿圈，所述行星架中心处与输出轴固连，行星架上于太阳轮周围均匀设置若干行星支撑轴，所述若干行星轮分别装于行星架上的若干行星支撑轴上、并与太阳轮和内齿圈同时啮合。

本发明透平气动马达以压缩空气为工质，当气体工质在该气动马达中流过时，气体的可用焓降首先转变成转子的机械能并驱动透平轴高速旋转，进而通过齿轮传动机构带动输出轴旋转，实现旋转动力的直接输出或通过从动机构如发电机输出电能。从能量转换的角度来看，本发明反击式透平气动马达是将气体工质的可用焓降(不仅仅为压力能)转变为机械能的，这与容积式气动马达主要将气体工质的压力能转换为机械能是不同的；从结构上看，本发明气动马达不但内含反击式微型透平机、行星齿轮减速机构，而且其透平基本级即透平定子与透平转子之间无零件间的滑动接触。

上述能量利用方式的原理性区别及结构特点，使得本发明反击式透平气动马达不但具有结构紧凑、工作寿命长、易维护及气体工质无需内加润滑油等优点，而且具有能量利用率高、效率高、工作压力低等显著优点，在工业自动化领域和气动工具中具有广泛的应用前景，是新一代的高效气动马达。

与目前市场上主流气动马达(容积式气动马达)相比，本发明反击式透平气动马达的效率可达65％以上、工作压力为3～4bar，而现有的容积式气动马达的效率只有36％、工作压力为7bar左右。

该透平气动马达的输出功率和转速取决于所供给的工质质量流量和压力大小。在基本结构不变的情况下，通过改变透平机结构设计参数和对基本尺寸的缩放，本发明反击式透平气动马达可以输出数瓦至数千瓦的功率，是一种适用于工业自动化领域及便携式气动工具的动力驱动装置。

附图说明

图1为本实施例整个反击式透平气动马达的系统结构图；

图2为其透平基本级的端面视图。

具体实施方式

本发明反击式透平气动马达从能量转换的角度来看，是将气体工质的可用焓降转变为机械能的，这与容积式气动马达主要将气体工质的压力能转换为机械能是不同的；从结构上看，本发明气动马达不但内含反击式微型透平机和行星齿轮减速机构，而且其透平基本级即透平定子与转子之间无零件间的滑动接触。上述能量利用方式的原理性区别及结构特点，使得本发明反击式透平气动马达不但具有结构紧凑、工作寿命长、易维护及气体工质无需内加润滑油等优点，而且具有能量利用率高、效率高(可达65％以上)、工作压力低(3～4bar)、转速高、功率密度大等显著优点，在工业自动化领域和气动工具中具有广泛的应用前景，是新一代的高效气动马达。从数十瓦到数千瓦的输出功率都可以通过缩放发动机本体的几何尺寸来达到，是一种适用于工业自动化领域及便携式气动工具的动力驱动装置。下面结合附图对本发明的具体原理、具体结构和工作过程作进一步的说明。

图1为整个反击式微型透平气动马达的结构示意图，图2所示为透平机定子和转子的结构原理图。该反击式微型透平气动马达主要包括后端盖1，透平定子2，密封挡圈3、密封内套4、进气口5，密封套6，径向密封组件7，轴套8，第一浮动环9，第二浮动环9’，透平轴10，第一润滑腔11，第二润滑腔12，太阳轮13，左滚动轴承(第三轴承)14，右滚动轴承(第四轴承)15，第三锁紧片16，防尘圈17，输出轴18，推力环19，前端盖20，锁紧螺母21，第三调整环22，行星架23，行星轮24，内齿圈25，第一锁紧片26，第二锁紧片26’，第一调整环27，第二调整环27’，滑动轴承组件28(第一轴承)，滑动轴承组件28’(第二轴承)，轴向密封组件29，环形气道30，透平转子31，透平壳体32，排气口33，定子叶片34，定子喷嘴35，转子叶片36，转子喷嘴37等主要组成部分。

参照图1，本反击式透平气动马达包括马达壳体和贯穿马达壳体前端部的输出轴18，所述马达壳体内设置反击式微型透平机，该反击式微型透平机包括位于马达壳体后端部上的排气口33、位于马达壳体内近排气口33处的透平定子2和透平转子31、通过第一轴承28和第二轴承28’支撑于马达壳体内的透平轴10、以及贯穿马达壳体一侧壁且与透平轴10垂直的进气口5，所述透平定子2与马达壳体固连，透平轴10一端与透平转子31固连，另一端通过行星齿轮减速机构与输出轴18内端连接；靠近透平转子的第一轴承28与透平转子31以及透平定子2之间设密封装置，该密封装置外表面的右部分与马达壳体的内表面相密合，其左部分与马达壳体及透平定子2之间形成环形气道30，该环形气道30与马达壳体上的进气口5相通；所述输出轴18通过第三轴承14和第四轴承15支撑于马达壳体内。

所述排气口33位于后端盖1上，且其中心线与透平轴10平行。

参照图2，透平定子2上含有若干形状相同的叶片34，且相邻两叶片之间形成收敛形喷嘴35，该透平定子2上所有的喷嘴35组成定子喷嘴环；所述透平转子31上含有若干形状相同的叶片36，且相邻两叶片之间形成收敛形喷嘴37，该透平转子31上所有的喷嘴37组成转子喷嘴环；所述透平转子31上的喷嘴37的朝向与透平定子2上的喷嘴35的朝向相反。

参照图1，靠近透平转子的第一轴承28与透平转子31以及透平定子2之间的密封装置含密封套6和密封内套4；所述密封套6外表面的右部分与马达壳体的内表面相密合，其左部分与马达壳体及透平定子2之间形成环形气道30；所述密封内套4装于密封套6内近第一轴承28处且外表面与密封套6内表面密合，密封内套4内壁与透平轴10之间设径向密封组件7，密封内套4内于近第一轴承28的端部设有轴向密封组件29，密封内套4内另一端固装挡圈3。所述径向密封组件7、轴向密封组件29的中心皆开有内孔，高速旋转的透平轴10从中穿过。

上述行星齿轮减速机构包括太阳轮13、若干行星轮24及行星架23，所述太阳轮13连接轴通过螺纹固连于透平轴10端部，马达壳体内壁对应太阳轮13处设内齿圈25，所述行星架24中心处与输出轴18内端固连，行星架24上于太阳轮13周围均匀设置若干行星支撑轴，所述若干行星轮24分别装于行星架24上的若干行星支撑轴上、并与太阳轮13和内齿圈25同时啮合。行星轮24的数量一般为3个。

支撑透平轴10的第一轴承28和第二轴承28’为滑动轴承，两个滑动轴承28、28’与马达壳体之间分别设浮动环9、9’，两个滑动轴承28、28’之间的空腔为第一润滑腔11；支撑输出轴18的第三轴承14和第四轴承15为滚动轴承，该两个滚动轴承之间设第三调整环22，马达壳体的前端部和靠近该端部的第四轴承15的外圈之间设推力环19，第四轴承15的内圈通过第三锁紧片16和螺设于输出轴18上的锁紧螺母21定位，马达壳体内靠近前端部处设防尘圈17；推力环19的左端与第四轴承15的外圈紧密接触，右端与前端盖20的右端面相接触，推力环19的外表面与前端盖20的内表面紧密接触，推力环19的内表面与第四轴承15、输出轴18及防尘圈17之间形成第三润滑腔。

第一轴承28和其外周的第一浮动环9通过第一锁紧片26定位，第一锁紧片26与马达壳体固连，第一锁紧片26和第一浮动环9、以及第一锁紧片26和第一轴承28的外圈之间设第一调整环27；所述第一浮动环9的左端与密封套6的右端面紧密接触，其右端与第一调整环27紧密接触，其内表面与滑动轴承组件28的外表面相配合；所述第一轴承28内圈的左端面与轴套8紧密接触，其外圈与第一调整环27紧密接触，第一调整环27的右端与第一锁紧片26紧密接触。

同样，第二轴承28’和其外周的第二浮动环9’通过第二锁紧片26’定位，第二锁紧片26’与马达壳体固连，第二锁紧片26’和第二浮动环9’、以及第二锁紧片26和第二轴承28’的外圈之间设第二调整环27’。

本实施例中的马达壳体由透平壳体32、行星齿轮减速机构壳体、承载输出轴18的前端盖20和带排气口33的后端盖1组成，所述行星齿轮减速机构壳体内设有内齿圈25，行星齿轮减速机构壳体内第二轴承28’和第三轴承14之间形成第二润滑腔12。

本反击式透平气动马达的工作效率一般可达到60％以上，这不但与其独特的工作原理，即工质两次膨胀、能量利用率高有关，而且还与其通流部分符合流体力学及热力学的有关规律的完善设计密不可分，即反击式透平机的设计是一门学科关联度非常高的专业技术。

Claims (7)

1.一种透平气动马达，包括马达壳体和贯穿马达壳体前端部的输出轴(18)，其特征在于：所述马达壳体内设置反击式微型透平机，该反击式微型透平机包括位于马达壳体后端部上的排气口(33)、位于马达壳体内近排气口(33)处的透平定子(2)和透平转子(31)、通过第一轴承(28)和第二轴承(28’)支撑于马达壳体内的透平轴(10)、以及贯穿马达壳体一侧壁且与透平轴(10)垂直的进气口(5)，所述透平定子(2)与马达壳体固连，透平轴(10)一端与透平转子(31)固连，另一端通过行星齿轮减速机构与输出轴(18)内端连接；靠近透平转子的第一轴承(28)与透平转子(31)以及透平定子(2)之间设密封装置，该密封装置外表面的右部分与马达壳体的内表面相密合，其左部分与马达壳体及透平定子(2)之间形成环形气道(30)，该环形气道(30)与马达壳体上的进气口(5)相通；所述输出轴(18)通过第三轴承(14)和第四轴承(15)支撑于马达壳体内。

2.根据权利要求1所述的透平气动马达，其特征在于：所述透平定子(2)上含有若干形状相同的叶片(34)，且相邻两叶片之间形成收敛形喷嘴(35)，该透平定子(2)上所有的喷嘴(35)组成定子喷嘴环；所述透平转子(31)上含有若干形状相同的叶片(36)，且相邻两叶片之间形成收敛形喷嘴(37)，该透平转子(31)上所有的喷嘴(37)组成转子喷嘴环，所述透平转子(31)上的喷嘴(37)的朝向与透平定子(2)上的喷嘴(35)的朝向相反。

3.根据权利要求1或2所述的透平气动马达，其特征在于：靠近透平转子的第一轴承(28)与透平转子(31)以及透平定子(2)之间的密封装置含密封套(6)和密封内套(4)；所述密封套(6)外表面的右部分与马达壳体的内表面相密合，其左部分与马达壳体及透平定子(2)之间形成所述环形气道(30)；所述密封内套(4)装于密封套(6)内近第一轴承(28)处且外表面与密封套(6)内表面密合，密封内套(4)内壁与透平轴(10)之间设径向密封组件(7)，密封内套(4)内于近第一轴承(28)的端部设有轴向密封组件(29)，密封内套(4)内另一端固装挡圈(3)。

4.根据权利要求1或2所述的透平气动马达，其特征在于：所述行星齿轮减速机构包括太阳轮(13)、若干行星轮(24)及行星架(23)，所述太阳轮(13)固装于透平轴(10)端部，马达壳体内壁对应太阳轮(13)处设内齿圈(25)，所述行星架(24)中心处与输出轴(18)固连，行星架(24)上于太阳轮(13)周围均匀设置若干行星支撑轴，所述若干行星轮(24)分别装于行星架(24)上的若干行星支撑轴上、并与太阳轮(13)和内齿圈(25)同时啮合。

5.根据权利要求4所述的透平气动马达，其特征在于：支撑透平轴(10)的所述第一轴承(28)和第二轴承(28’)为滑动轴承，第一轴承(28)与马达壳体之间设第一浮动环(9)，第二轴承(28’)与马达壳体之间设第二浮动环(9’)，两个滑动轴承(28、28’)之间的空腔为第一润滑腔(11)；

支撑输出轴(18)的所述第三轴承(14)和第四轴承(15)为滚动轴承，该两个滚动轴承之间设第三调整环(22)，马达壳体的前端部和靠近该端部的第四轴承(15)的外圈之间设推力环(19)，第四轴承(15)的内圈通过锁紧片(16)和固连于输出轴上的锁紧螺母(21)定位，马达壳体内靠近前端部处设防尘圈(17)；推力环(19)的内表面与第四轴承(15)、输出轴(18)及防尘圈(17)之间形成第三润滑腔。

6.根据权利要求5所述的透平气动马达，其特征在于：所述第一轴承(28)和其外周的第一浮动环(9)通过第一锁紧片(26)定位，第一锁紧片(26)与马达壳体固连，第一锁紧片(26)和第一浮动环(9)、以及第一锁紧片(26)和第一轴承(28)的外圈之间设第一调整环(27)；

所述第二轴承(28’)和其外周的第二浮动环(9’)通过第二锁紧片(26’)定位，第二锁紧片(26’)与马达壳体固连，第二锁紧片(26’)和第二浮动环(9’)、以及第二锁紧片(26)和第二轴承(28’)的外圈之间设第二调整环(27’)。

7.根据权利要求1所述的透平气动马达，其特征在于：所述马达壳体由透平壳体(32)、行星齿轮减速机构壳体、承载输出轴(18)的前端盖(20)和带排气口(33)的后端盖(1)组成，所述行星齿轮减速机构壳体内设有内齿圈(25)。

Images