CN101638995B - 一种流体机械中动叶片的三自由度调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有叶片的流体机械，公开了一种流体机械中动叶片的三自由度调节装置，它设置有伸缩缸、下摆动缸、上摆动缸，通过液压控制上述缸体，能够在不停机的情况下，适应流体机械变工况工作条件下实时地对动叶片进行三自由度调节，以达到便于调节、提高效率、节约能源的工业效果。

Description

一种流体机械中动叶片的三自由度调节装置

技术领域

本发明涉及具有叶片的流体机械，特别涉及一种流体机械中动叶片的三自由度调节装置。 

背景技术

叶片调节技术一直是流体机械领域的一个重要研究课题，流体机械中叶片的调节主要分为静叶片调节、动叶片调节以及二者的联动调节，叶片调节的目的是为了适应流体机械变工况性能的要求，改善流体机械内部流动结构，减少能量损失，获取最大的工作效率。 

目前，流体机械中叶片的调节主要是针对的是静叶片，静叶片的调节相对比较简单，调节技术已经比较成熟，但是动叶片的调节还有待进一步的研究。近些年很多相关人员也着手对动叶片的调节进行研究，并提出了一些相关的调节方式。在现有技术中，大多数动叶片的调节装置仅能对叶片的部分自由度进行调节(一个或者两个自由度)，在机械正常工作条件下，不能按照工作条件的变化对叶片进行三个自由度的联动调节，因此整体效率比较低，浪费了大量的能源；少数动叶片的调节装置的可以对叶片的三个自由度进行调节，但是不能在机械变工况工作条件下实时地对叶片进行调节，需要停机之后进行调节后再重新开机，使用起来比较繁琐，费时费力。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种流体机械中动叶片的三自由度调节装置，能够在不停机的情况下，适应流体机械变工况工作条件下实时地对动叶片进行三自由度调节，以达到便于调节、提高效率、节约能源的工业效果。 

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。 

一种流体机械中动叶片的三自由度调节装置，包括具有轴套的支撑架，中心轴，由沿中心轴轴向依次连接的轮毂盖、上部轮毂、下部轮毂和轮毂罩组成的轮毂，以及设置在上部轮毂和下部轮毂之间的动叶片，所述轴套与中心轴上端同心配合，其特征在于， 

所述中心轴上部和轴套沿轴向分别开设有三道油槽，并分别构成第一、第二、第三上油腔，第一、第二、第三上油腔分别通过连接在轴套上的三根油管引出； 

在所述轮毂内，中心轴下部套装有伸缩缸，并且中心轴下部和伸缩缸之间由下至上依次设置有第一、第二、第三滑动环，并依次构成第一、第二、第三下油腔，第一、第二、第三上油腔分别通过位于中心轴径向的第一、第二、第三通孔和位于中心轴内的油路一、二、三与第一、第二、第三下油腔对应连通，其中第一下油腔作为伸缩缸的工作油腔；所述伸缩缸的底部设置有轴向运动的导向柱，导向柱伸入开设在下部轮毂中心的导向孔内；所述伸缩缸的外壁设置有下摆动缸，对应第二下油腔在伸缩缸的外壁开设有第一径向孔与第二下油腔连通；所述下摆动缸的下缸体和上缸体之间沿周向均匀设置具有转轴的锥齿轮，锥齿轮的转轴沿下摆动缸的径向伸出并依次通过万向联轴节、滑动副、球铰连接对应的动叶片，锥齿轮的锥齿伸出下摆动缸的上缸体的上表面；所述下摆动缸的上缸体的外壁设置有上摆动缸，对应第三下油腔在伸缩缸的外壁开设有过渡油槽，上摆动缸的工作油腔依次通过开设在下摆动缸的上缸体的第三径向孔、开设在过渡油槽底部的第二径向孔与第三下油腔连通；所述上摆动缸的下缸体的下表面的周向设置有与锥齿轮啮合的锥齿； 

所述上部轮毂和下部轮毂的周向均匀设置有支撑所述球铰的球铰窝。 

本发明的进一步特点在于： 

所述下摆动缸的动叶固定在其内壁上，其静叶固定在伸缩缸的外壁上； 

所述上摆动缸的动叶固定在其内壁上，其静叶固定在下摆动缸的外壁上； 

所述滑动副由套筒和伸入套筒的滑动杆组成； 

所述上、下摆动缸的工作油腔的两侧分别设置有密封环； 

所述第一、第二、第三上油腔的两侧分别设置有密封环； 

所述第一、第二、第三滑动环上分别设置有密封环； 

所述渡油槽的两侧分别设置有密封环。 

由于本发明通过三路液压油路控制，分别独立驱动伸缩缸、下摆动缸、上摆动缸，在机械工作条件下，可以实现流体机械动叶片的三个旋转自由度的实时调节，以便在不同工况下获得最佳的流体机械性能；同时，本发明还可以实现对流体机械动叶片的连续无级调节。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。 

图1为本发明的一种轴流式流体机械中动叶片的三自由度调节装置的外部结构示意图； 

图2为轴套的结构示意图； 

图3为图1的内部结构示意图； 

图4为中心轴的结构示意图； 

图5为中心轴和伸缩缸装配的剖面示意图； 

图6为伸缩缸的装配结构示意图； 

图7为下摆动缸的下缸体装配结构示意图； 

图8为下摆动缸的上缸体装配结构示意图； 

图9为上摆动缸的装配机构示意图； 

图10为调节输出机构的结构示意图； 

图11为本实施例动叶片的三自由度调节示意图，其中：Z轴为过球铰中心的动叶片的叶展轴线；Y轴为过球铰中心且平行动叶片叶面平面并与Z轴垂直的直线；X轴为同时垂直Z轴、Y轴并通过球铰中心的直线。 

上述图中：1为支撑架；2为轴套；3为中心轴；4为轮毂盖；5为上部轮毂；6为下部轮毂；7为轮毂罩；8为动叶片；9为第一上油腔；10为第二上油腔；11为第三上油腔；12为伸缩缸；13为下摆动缸的下缸体；14为下摆动缸的上缸体；15为上摆动缸的下缸体；16为上摆动缸的上缸体；17为锥齿轮；18为万向联轴节；19为球铰；20为球铰窝；21为第一滑动环；22为第二滑动环；23为第三滑动环；24为第一下油腔；25为第二下油腔；26为第三下油腔；27为第一油孔；28为第二油孔；29为第三油孔；30为第一径向孔；31为下摆动缸的静叶；32为伸缩缸上的过渡油槽；33为第二径向孔；34为下摆动缸的气腔；35为下摆动缸的动叶；36为锥齿轮槽；37为第三径向孔；38为上摆动缸的静叶；39为滑动副；40为油管；41为油路一；42为油路二；43为下摆动缸的油腔；44为油路三。 

具体实施方式

参照图1，为一种轴流式流体机械中动叶片的三自由度调节装置，包括具有轴套2的支撑架1，中心轴3，轮毂4、5、6、7以及动叶片8。轮毂由沿中心轴轴向依次通过螺栓固定的轮毂盖4、上部轮毂5、下部轮毂6和轮毂罩7，上部轮毂5和下部轮毂6之间沿周向设置三个动叶8。轴套2与中心轴3上端同心配合，在轴套2上连接有三根油管40，分别连通位于轴套2与中心轴3之间的第一、第二、第三上油腔9、10、11。 

参照图2、图3，轴套和中心轴3上部沿轴向分别开设有相互对应的三道油槽，沿轴向依次构成第一、第二、第三上油腔9、10、11，第一、第二、第三上油腔9、10、11的两侧分别设置有密封环，保证三个上油腔的密封。 

在轮毂内，中心轴3下部套装有伸缩缸12，伸缩缸12的底部设置有方形的导向柱，方形的导向柱伸入开设在下部轮毂6中心的方形的导向孔内，伸缩缸只能沿轴向上下运动，而不能相对下部轮毂6旋转，当然，能够实现上述功能的其他截面形状(三角形等非圆截面)的导向柱也可。在伸缩缸12的外壁上安装有下摆动缸，在下摆动缸的上缸体14的外壁安装有上摆动缸，下摆动缸的下缸体13和上缸体14之间沿周向均匀设置具有转轴的锥齿轮17，锥齿轮17的转轴沿下摆动缸的径向伸出并依次通过万向联轴节18、球铰19连接对应的动叶片8，上部轮毂5和下部轮毂6的周向均匀设置有支撑球铰的球铰窝20。锥齿轮17的锥齿伸出下摆动缸的上缸体14的上表面，与周向设置在上摆动缸的下缸体15的下表面的锥齿相啮合。 

参照图4、图5，在中心轴3下部由下至上依次设置有第一、第二、第三滑动环21、22、23，在中心轴3下部和伸缩缸12之间，依次构成第一、第二、第三下油腔24、25、26，在第一、第二、第三滑动环21、22、23上分别设置有密封环，保证第一、第二、第三下油腔24、25、26之间相互密封。第一、第二、第三上油腔9、10、11分别通过位于中心轴轴心的三个油孔27、28、29与第一、第二、第三24、25、26下油腔对应连通，其中第一下油腔24作为伸缩缸12的工作油腔。 

参照图6，伸缩缸12套装在中心轴3下部，对应第二下油腔25在伸缩缸12的外壁上开设与第二下油腔25连通的第一径向孔30，在第一径向孔附近设置下摆动缸的静叶31；对应第三下油腔26在伸缩缸12的外壁上开设过渡 油槽32，在过渡油槽32底部开设与第三下油腔连通的第二径向孔33。 

参照图7、图8，下摆动缸的上缸体14和下缸体13之间通过螺栓固定，并套装在伸缩缸12上，下摆动缸的下缸体13内设置有动叶35，下摆动缸可绕伸缩缸12外壁旋转。在下摆动缸的下缸体13的上表面和上缸体14的下表面沿轴向分别对应开设三个锥齿轮槽36，用于支承锥齿轮17的转轴槽，锥齿轮17的转轴沿下摆动缸的径向伸出并依次通过万向联轴节18、球铰19连接对应的动叶片8，锥齿轮17的锥齿伸出下摆动缸的上缸体14的上表面。下摆动缸的上缸体14、伸缩缸12和过渡油槽32，构成过渡油腔，过渡油槽32的两侧分别设置有密封环，以保证过渡油腔的密封。在下摆动缸的上缸体14上，对应过渡油腔(或过渡油槽)开设有第三径向孔37，在第三径向孔的附近设置有用于上摆动缸的静叶38。 

参照图9，上摆动缸的上缸体16和下缸体15之间通过螺栓固定，并套装在下摆动缸的上缸体14的外壁，上摆动缸的下缸体15内设置有动叶，上摆动缸可绕下摆动缸的上缸体14的外壁旋转。上摆动缸的工作油腔依次通过开设在下摆动缸的上缸体14的第三径向孔37、开设在过渡油槽底部的第二径向孔33与第三下油腔26连通。上摆动缸的下缸体15的下表面的周向设置有锥齿，该锥齿与设置在下摆动缸上的锥齿轮17啮合。 

参照图10，调节输出机构包括锥齿轮17的转轴、万向联轴节18及其构成的滑动副39和球铰19。滑动副39由套筒和伸入套筒的滑动杆组成。锥齿轮17与其转轴固定，该转轴与万向联轴节18的一端连接，万向联轴节18的另一端连接滑动副39的套筒，滑动杆连接球铰19的一端，球铰的另一端连接动叶片8。 

参照图11，具体说明本实施例的三个旋转自由度调节方法。 

自由度一(绕X轴转动自由度)的调节，结合图5、图7、图11，三路控制油路中与中心轴3的油路一41相连通的控制油路用来驱动伸缩缸缸体12的上下动作，控制油经中心轴3的油路一41进入由中心轴3和伸缩缸缸体12形成的伸缩缸中(图5中第一下油腔24)，来推动伸缩缸缸体12向下运动；反之当伸缩缸12中的控制油被吸走时，伸缩缸缸体12向上运动(由于中心轴3与下部轮毂6无相对运动，伸缩缸缸体12下部以四棱柱的方式与下部轮毂6配合，二者之间仅有沿轴线的相对滑动，因此伸缩缸缸体12相对于中心轴3只能做上下运动)；由于伸缩缸缸体12与下摆动缸没有沿中心轴3轴线方向的位移(见图7)，因此伸缩缸缸体12的上下运动将带动下摆动缸上下运动，(同时，由于下摆动缸和上摆动缸之间也没有沿中心轴3轴线方向的位移，因此下摆动缸的上下运动也会同时带动上摆动缸上下运动。)下摆动缸的上下运动将带动连接万向联轴节18的锥齿轮17上下运动，从而带动球铰19绕X轴(见图11)转动，从而实现动叶片8第一个自由度的调节。 

自由度二(绕Y轴转动自由度)的调节，结合图7、图8，三路控制油路中与中心轴3油路二42相连通的控制油路用来驱动下摆动缸上下缸体13、14的绕伸缩缸缸体12的旋转动作(伸缩缸缸体12作为下摆动缸的中心转轴，下摆动缸与伸缩缸缸体12之间无沿中心轴3轴线方向位移)，控制油经中心轴3油路二42进入第二下油腔25中，然后经伸缩缸缸体12的第一径向孔30进入下摆动缸的油腔43中，推动下摆动缸的动叶35绕伸缩缸缸体12转动，下摆动缸动叶35与下摆动缸下缸体13固连，下摆动缸下缸体13与下摆动缸上缸体14通过螺钉组固连，因此下摆动缸动叶35绕伸缩缸缸体12的旋转运动将带动下摆动缸上下缸体13、14绕伸缩缸缸体12旋转(下摆动缸静叶片31与伸缩缸缸体12固连)；下摆动缸相对伸缩缸缸体12的旋转运动将带动与 万向联轴节18相连接的锥齿轮17绕伸缩缸缸体12做旋转运动，从而通过万向联轴18节带动球铰19绕Y轴转动，从而实现动叶片8第二个自由度的调节。 

自由度三(绕Z轴转动自由度)的调节，结合图8、图9，上摆动缸与下摆动缸类似，三路控制油路中与中心轴3的油路三44相连通的控制油路用来驱动上摆动缸上下缸体15、16的绕下摆动缸上缸体14的旋转动作(下摆动缸上缸体14作为上摆动缸的中心转轴，上摆动缸与下摆动缸上缸体14之间无沿中心轴3轴线方向位移)，控制油经中心轴3油路三44进入第三下油腔26中，然后经伸缩缸缸体12的第二径向孔33进入伸缩缸缸体12上的过渡油槽32中，过渡油槽32与下摆动缸上缸体14相配对形成过渡油腔，使得控制油经过渡油腔和下摆动缸上缸体14上的第三径向孔37进入上摆动缸的油腔中，进而驱动上摆动缸绕下摆动缸的上缸体14旋转。上摆动缸的动叶片固连在上摆动缸的上缸体16中，上下缸体15、16也是通过螺钉组固连，上摆动缸的下缸体15带有锥齿，与连接万向联轴节18的锥齿轮17形成锥齿轮副，因此，上摆动缸绕下摆动缸上缸体14的旋转运动将通过齿轮副带动与万向联轴节18相连的锥齿轮17绕自身轴转动，从而通过万向联轴节18带动球铰19绕Z轴转动，从而实现动叶片8第三个自由度的调节。 

本发明不仅可以应用于风机类流体机械的动叶片的三自由度调节，而且可以应用于水泵等其他类似的流体机械。尽管以上结合附图对本发明的具体实施方案进行了描述，但发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。 

Claims (8)

1.一种流体机械中动叶片的三自由度调节装置，包括具有轴套(2)的支撑架(1)，中心轴(3)，由沿中心轴(3)轴向依次连接的轮毂盖(4)、上部轮毂(5)、下部轮毂(6)和轮毂罩(7)组成的轮毂，以及设置在上部轮毂(5)和下部轮毂(6)之间的动叶片(8)，所述轴套(2)与中心轴(3)上端同心配合，其特征在于，

所述中心轴(3)上部和轴套(2)沿轴向分别开设有三道油槽，并分别构成第一、第二、第三上油腔(9、10、11)，第一、第二、第三上油腔(9、10、11)分别通过连接在轴套(2)上的三根油管(40)引出；

在所述轮毂内，中心轴(3)下部套装有伸缩缸(12)，并且中心轴(3)下部和伸缩缸(12)之间由下至上依次设置有第一、第二、第三滑动环(21、22、23)，并依次构成第一、第二、第三下油腔(24、25、26)，第一、第二、第三上油腔(9、10、11)分别通过位于中心轴(3)径向的第一、第二、第三通孔(27、28、29)和位于中心轴(3)内的油路一、二、三(41、42、43)与第一、第二、第三下油腔(24、25、26)对应连通，其中第一下油腔(24)作为伸缩缸(12)的工作油腔；所述伸缩缸(12)的底部设置有轴向运动的导向柱，导向柱伸入开设在下部轮毂(6)中心的导向孔内；所述伸缩缸(12)的外壁设置有下摆动缸，对应第二下油腔(25)在伸缩缸(12)的外壁开设有第一径向孔(30)与第二下油腔(25)连通；所述下摆动缸的下缸体(13)和上缸体(14)之间沿周向均匀设置具有转轴的锥齿轮(17)，锥齿轮(17)的转轴沿下摆动缸的径向伸出并依次通过万向联轴节(15)、滑动副(39)、球铰(18)连接对应的动叶片(8)，锥齿轮(17)的锥齿伸出下摆动缸的上缸体(14)的上表面；所述下摆动缸的上缸体(14)的外壁设置有上摆动缸，对应第三下油腔(26)在伸缩缸(12)的外壁开设有过渡油槽(32)，上摆动缸的工作油腔依次通过开设在下摆动缸的上缸体(14)的第三径向孔(37)、开设在过渡油槽底部的第二径向孔(33)与第三下油腔连通(26)；所述上摆动缸的下缸体(15)的下表面的周向设置有与锥齿轮(17)啮合的锥齿；

所述上部轮毂(5)和下部轮毂(6)的周向均匀设置有支撑所述球铰(8)的球铰窝(20)。

2.根据权利要求1所述的一种流体机械中动叶片的三自由度调节装置，其特征在于，所述下摆动缸的动叶(35)固定在其内壁上，其静叶(31)固定在伸缩缸(12)的外壁上。

3.根据权利要求1所述的一种流体机械中动叶片的三自由度调节装置，其特征在于，所述上摆动缸的动叶固定在其内壁上，其静叶固定在下摆动缸的外壁上。

4.根据权利要求1所述的一种流体机械中动叶片的三自由度调节装置，其特征在于，所述滑动副(39)由套筒和伸入套筒的滑动杆组成。

5.根据权利要求1所述的一种流体机械中动叶片的三自由度调节装置，其特征在于，所述上、下摆动缸的工作油腔的两侧分别设置有密封环。

6.根据权利要求1所述的一种流体机械中动叶片的三自由度调节装置，其特征在于，所述第一、第二、第三上油腔(9、10、11)的两侧分别设置有密封环。

7.根据权利要求1所述的一种流体机械中动叶片的三自由度调节装置，其特征在于，所述第一、第二、第三滑动环(21、22、23)上分别设置有密封环。

8.根据权利要求1所述的一种流体机械中动叶片的三自由度调节装置，其特征在于，所述过渡油槽(32)的两侧分别设置有密封环。

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