CN102159829B - 配有叶轮的涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种配有叶轮的涡轮机，其包含：壳体(2)；被壳体(1)可旋转地容纳的叶轮(4)；至少两个可旋转地设置的、沿着叶轮(4)的一条圆周线均匀地分布的并且利用平行于叶轮的轴线的轴加以支承的叶片；位于叶片(4)的每个轴和在叶轮的轴(14)上可旋转的顶尖套筒(12)之间的传递机构(7，8，9，10)。根据本发明，为第一叶轮(4)配置第二叶轮(20)，该第二叶轮被第一叶轮(4)可旋转地容纳，第二叶轮(20)包含至少两个可旋转地设置的叶片(22)，所述叶片沿着叶轮(20)的圆周线均匀地分布并且利用平行于叶轮的轴加以支承；传递机构(24，25，26，27，28)在叶片(22)的每个轴和顶尖套筒(12)之间，所述顶尖套筒在叶轮的轴(14)上是可旋转的。

Description

配有叶轮的涡轮机

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1的前序部分中所述的配有叶轮的涡轮机。

背景技术

这种涡轮机是已知的，特别是根据意大利专利1345097号所介绍的那种涡轮机，该专利是在2003年9月15日提出申请的。

在该专利中介绍了一种机械，其中流体垂直于一个叶轮的轴而被各叶片所收集，这些叶片随时可以利用一种合适的调定手段实现定位。因此，含在流体中例如水中的动能可以被收集，而且可以由叶片以叶片本身的全面积按照一个垂直于流体流的位置加以收集，从而没有叶片处于一种固定的位置中；处于其围绕叶轮轴的旋转中的叶片一旦它们不实现转矩或者只实现负转矩时，便对流体流具有最小阻力。因此，可以根据流体的密度与物理-化学性质和根据所要求获得的能量，有目的地对叶片和叶轮进行测量。

利用这样一种机械，本专利申请的申请人已发现：这一机械在不同方面都是可改进的，借以获得更佳的结果。

发明内容

本发明的任务在于提供一种涡轮机，在该涡轮机上可以充分地和以最高收益地利用流体中的动能。

根据本发明，上述任务是通过具有各权利要求中所述特征的涡轮机加以解决的。

根据本发明，提出一种涡轮机，该涡轮机可与那些按“横流方式”缓慢地运行的喷气涡轮机类似，具有一个垂直于流体流动方向的轴线，利用两个(或更多)共轴的和同心的叶轮进行工作。

涡轮机是如此设计的，借以收集流体流(水，空气)中的动能，涡轮机在该流体中工作。每个叶轮都包含一个圆形的旋转体，并具有若干叶片(两个或更多个)，这些叶片被布置在一个虚拟的圆上并且通常有相等的间距，该圆的直径可认为分度圆直径。

在每个叶轮上，叶片都是相同的和对称的，而每个叶片可以围绕固有的、平行于涡轮机中轴线的旋转轴线以一个360°的运动在所有的两个方向上进行旋转。

叶片围绕其各自的轴的旋转可以通过机械的一种几何结构(在极不同的条件下和通过一种机械几何构形加以布置的)予以确定，这种几何结构可以保证任一个叶片相对于其它叶片、承载这些叶片的叶轮和流体的流动方向的精确的角位置。

运动的机械连接可根据设计需要自由地加以选择，仅仅务必确保叶轮和叶片之间的运动的比例关系。一切都得依从同一个为最佳收集流体的动能和根据随时认定的叶轮旋转中的位置所设计的最佳定位。运动是和谐的，没有波动或振动，因为运动总是在同一个方向和以与叶轮的旋转成正比的速度加以执行的，即使控制盘的控制或者从手控出发的控制不干预调节亦是如此。

叶片的旋转是如此设计的，借以实现围绕自身的轴线和沿与自身的叶轮的同时旋转方向相反的方向旋转180°，该叶轮在同一时间间隔内实现围绕中轴的360°的一次完全旋转。这一点同时实用于叶轮本身的节圆上全部有关的叶片。

两个叶轮上下按相反方向回转，相应的叶片的运动也是如此。这有助于消除造成使机组相对于承载它的基础而旋转的扭转，以及有助于补偿机械性摩擦，这些机械性摩擦会影响控制盘的灵敏度。在使用唯一的一个叶轮情况下就有可能发生这种事件。

具有较大直径的叶轮的角速度通常慢于具有较小直径的叶轮的角速度，而且是与通流的流体的速度成比例的。每一个单个的叶轮的角速度可以(在机械上)是自由的，而且只能通过流体对叶片的唯一的冲击冲程加以控制，或者利用叶轮之间的一种精确比例加以约束和加以处置。视情况而定，两种力输出的自由耦合的机械性选择可以受差速器约束或受比例约束地加以采取。

两个叶轮的反向转动可通过流体对叶片的推力来获得，这些叶片各按其安装时所预定的倾斜位置而收集流体中的动能，将之转变为转矩，并将冲击它们的流体加以转向，以改善的协合效力将流体引导到居于一个和另一个叶轮之间同样相继的叶片上，直到该系统完全地被通流。若要求的话，也可在安装时为沿着叶轮的唯一的一个方向的旋转创造必要的条件。

叶片的形状，即使它们相对于自身的轴线必须是对称的，也不必具有一种传统的空气液压动力学轮廓，这是因为在相应的叶轮的每次旋转时这种作用的交换所用的入口棱边和出口棱边必须相同。这一点也意味着叶片的比例的设计有极大的变换性，就是：短的和宽的叶片；长的和窄的叶片，以及各种中间可行性，只要有一个基本点，就是在自身的叶轮上的叶片都是相同的和对称的。涡轮机和叶轮的尺寸，以及叶片的尺寸、形状和数目，都与预定的功率和流体的物理性质以及涡轮机所处的环境有关。涡轮机的材料因此也与事先的设计条件有关。

涡轮机通常为一种工作方式配有垂直的轴线，不过，它也可根据工作方式配备任一种布置和角度，其条件是：该轴线是垂直于流体方向的。涡轮机本身可以配置一个操纵盘或其它操纵装置，该装置感觉流体方向，并作用于涡轮机的入口控制，特别是为下述目的而配置的，即为了同时调节两个叶轮的叶片。经过入口处的一个差速机构，也可连接一个手控装置。与别的涡轮机相比，本涡轮机的优点在于：可以容易地只对那些叶轮加以定向，即使涡轮机处于全负荷运行和动力输出状态中，而不须对整个机组进行定向。此外，还有可能进行干预，借以对具有同一效率的叶轮进行减速、制动，甚至按逆向旋转，即使在流体的全负荷下而且不需要操作任何制动器。该机器系统是可逆的，因此即使作为驱动装置也是有效的。如果为了取代在出口的能量输出而使用一个电动机之类的装置的话，则可相反地使用该机器系统，借以给其所浸入的液体一种推力。在对转速作用的情况下，该力便可加以确定，而针对叶片的调定，推力可以均匀地按任一方向以360°加以定向。这特别是在航海领域具有可靠的机动性优点，具有从轴而来的中心力推力，是连续的而且没有由于浮动的叶片而造成的振动。不过，由于一个叶轮是相当缓慢的，所以难以产生空化现象。其尺寸和比例，在总是保持同一个操作概念的情况下，根据用途进行细心设计，这里指的就是从动机的用途。

附图说明

其它特征和变体见各权利要求和下面对附图中所示的几个实施形式的说明中所述。附图表示：

图1本发明提出的涡轮机的第一个实施形式的示意轴向截面图，其包含叶轮，这些叶轮具有受机械限制的运动；

图2图1的放大的局部轴向截面；

图3本发明提出的涡轮机的第二个实施形式的示意轴向截面图，其具有叶轮，这些叶轮具有相关联的输出运动和差速器；

图4图3的放大的局部轴向截面图；

图5本发明提出的涡轮机的第三个实施形式的示意轴向截面图，其配有具有独立力输出的一些叶轮；以及

图6图3的放大的局部轴向截面图。

具体实施方式

在各附图中，均以附图标记1表示本发明提出的一种涡轮机。该涡轮机具有一个基础壳体2，在此基础壳体中通常经由轴承3而容纳第一叶轮4。沿着叶轮4的一条圆周线，至少两个叶片5经过轴6可旋转地支承而且是等距离地布置的，所述轴的轴线是垂直于叶轮4的。每个轴6都固定地支承着相应的叶片5并且配有一个锥齿轮7，该锥齿轮与一个相应的锥齿轮8(该锥齿轮以不能相对旋转的方式支承在一个连杆9上)相啮合，该连杆垂直于轴6的轴线，并被叶轮4可旋转地支承着。连杆9在其另一端上带有一个以不能相对旋转的方式支承的锥齿轮10，该锥齿轮与一个由一顶尖套筒12固定地支承的锥齿轮11相啮合，该顶尖套筒由轴承13支承在一个由壳体1可旋转地支承的轴14上。叶轮4此外还在其居中孔口的范围内带有一个锥形的齿环15，一个小齿轮16与该齿环相啮合，该小齿轮固定在一个由壳体1可旋转地支承的轴17上并且具有一个与齿环15的轴线相垂直的轴线。轴17此外还带有一个第二小齿轮18，该小齿轮与一个嵌置在轴14上的圆盘19的端侧的锥形齿部相啮合。

根据本发明，为第一叶轮4配置一个第二叶轮20，该第二叶轮由第一叶轮4的一个轴承21可旋转地支承，并且带有至少两个沿着其圆周均匀分布的叶片22，这些叶片由轴23支承，该轴由叶轮20支承，该叶轮具有垂直于该轴的轴线。如同第一叶轮4那样，在这种情况下，轴23也支承一个固定在其上的锥齿轮24，并与一个锥齿轮25相啮合，该锥齿轮由具有一个垂直于轴23的轴线的叶轮20的一个连杆26可旋转地支承，而在其另一端上支承一个锥齿轮27，该锥齿轮与一个由顶尖套筒12固定地支承的锥齿轮28相啮合。此外，叶轮20经过一个法兰59与轴14以不能相对旋转的方式相连。

顶尖套筒12支承与之固定的一个链轮57，该链轮经过一个链条58而与一个链轮29相连，其被嵌置在一个被壳体1可旋转地支承的轴30上。这样，随着轴30的旋转，在叶轮4的任一针对流体流的位置上，顶尖套筒12的位置和因此叶片5的角度位置发生改变。图3和图4中最后示出第二实施形式，其中第一叶轮和第二叶轮的两种运动经过一个差速器加以补偿，该差速器整体上以附图标记31表示。

差速器31是由一个双齿环32所形成的，该双齿环被轴14可旋转地支承，并且一方面经过小齿轮16与第一叶轮4相啮合，另一方面与行星齿轮33和34相啮合，行星齿轮本身又与一个齿环35相啮合，该齿环被嵌置在轴14上，第二叶轮20与该轴固定地相连。行星齿轮33和34是经过螺栓36由一个罩体37的壁可旋转地支承的，该罩体可围绕轴14旋转的并且刚性地支承一个输出轴38。很明显的，该输出轴可作为用作负载的从动端。

这样，经过行星齿轮33、34，第二叶轮20的运动可以最佳地利用由第一叶轮4所传递的运动加以补偿。

其它特征如下：

由此获得一个固定的基体2，该基体形成整体涡轮机的结构，并支承处于运行中的叶轮。涡轮机的整体可以根据工作条件使用应用到一个固定的或可移动的结构上。

第一叶轮4或者那个较大的或居外的叶轮容纳轴-叶片和相应运动机构。第二叶轮20或者那个较小的或居内的叶轮容纳轴-叶片和相应的运动机构。在叶轮处于垂直位置的情况下，轴承3形成一个在基体和较大的叶轮或居外的叶轮之间的连接板。

在叶轮处于垂直位置的情况下，轴承21形成一个在较大的叶轮和较小的或居内的叶轮之间的连接板。

调节机构的输入轴30通常是静止的并且直接由操纵盘或类似装置或用手工加以控制。在调节机构的输入轴30和调节机构的顶尖套筒之间的连接可以不由链条58，而是由齿带、齿轮或其它机构来执行，只是传递比例必须是固定的且不得有打滑现象发生。

调节机构的居中的顶尖套筒12通常是静止的，只能基于调节机构的输入轴30的操作而旋转。它固定地支承小齿轮的两个啮合齿环11和28，以便既调节居外的叶轮的叶片，又调节居内的叶轮的叶片。它的操作导致较大叶轮和较小叶轮的所有第一小齿轮的同时运动。

用于调节轴的控制的轮以不能相对旋转的方式与顶尖套筒接合的。

较大的叶轮的第二叶片-小齿轮8(为每个叶片配置一个)的齿数正好是相应的第一叶片-小齿轮的齿数的一半。

较小的叶轮的第二叶片-小齿轮25(为每个叶片配置一个)的齿数正好是相应的第一叶片-小齿轮的齿数的一半。

叶片环是利用较大的叶轮的叶片轴固定的。它可以通过相应的第二叶片-小齿轮加以操作且因而被该小齿轮带动。它具有的齿数正好等于相应的第一叶片-小齿轮的上部的啮合齿环的齿数。固定在较小的叶轮的叶片轴上的叶片环24被相应的第二叶片-小齿轮移动且因而被该小齿轮带动。它具有的齿数正好等于相应的第一叶片-小齿轮的下部的啮合齿环的齿数。

较大的叶轮的叶片轴可以具有一个用于叶片的连接系统，该连接系统可以不同于已知的机构。

较小的叶轮的叶片轴可以具有一个用于叶片的连接系统，该连接系统可以不同于已知的机构。

较大的叶轮的叶片型式在左边平放地(附图标记5)示出，在右边竖放地示出。较小的叶轮的叶片型式则在左边竖放地示出并且在右边平放地(附图标记22)示出。

处于较小的叶轮和输出力的居中轴的第一部分之间的居中连接法兰59(图2)传递整个的由较小叶轮产生的力矩。

所述居中轴14的第一部分几乎传递由机器所产生的功率的大约一半。两个行星齿轮16和18此外以不能相对旋转的方式彼此相连。

居中的齿环19刚性地和按比例地将在较大叶轮和较小叶轮之间的运动直接连接到力轴的第二部分上，其中，较大的叶轮的转矩相加到较小的叶轮的转矩中。在居中齿环和以较大的叶轮固定的齿环之间的齿的比例是与在较小的叶轮和较大的叶轮之间的运动相适配的。利用如图中所示的布置，也可以实现来自较大的叶轮的运动的逆转，从而它的方向与较小的叶轮的运动相一致。

在输出口配有差速器的变体

双齿环具有一个部分19，但不与力轴相连，而是与另一个齿环相连，其中较大的叶轮的力矩和较小的叶轮的方向被传递给所述另一个齿环。

相啮合的和被第一齿环与第二齿环所啮合并携带的、在旋转方向相一致的行星齿轮带动着差速器壳体、即罩体旋转。

具有自由运动的变体

可以经过一个与力轴共轴的顶尖套筒将双齿环与一个外部负载直接地连接起来。因此也可以将居中力轴与另一负载连接起来。

在一个在图5和6中所示的实施形式中，一个第一运动学的牵引机构40是由一个双罩体41所形成的，该双罩体由一个轴承42承载在轴14上，该轴承一方面具有与小齿轮16相啮合的端齿43，另一方面具有一个嵌置在一个在固定结构2上旋转的轴46上的齿轮45，而且适合于用作为第一个力分接点。此外，还形成了另一个运动学的牵引47，由一个嵌置在一轴14上的罩体48和以端齿49与一个嵌置在一个可在基础壳体2中旋转的轴51上的齿轮50相啮合地适合于用作第二个力分接点。这样，对每个叶轮4、20来说都为不同用户配置了一个分开的输出端。

Claims (12)

1.配有叶轮的涡轮机，其包含：壳体（2）；被壳体（2）可旋转地容纳的第一叶轮（4）；至少两个可旋转地设置的、沿着第一叶轮（4）的一条圆周线均匀地分布的并且利用平行于叶轮的轴线的轴加以支承的第一叶片；位于第一叶片（5）的每个轴和在叶轮的轴（14）上可旋转的顶尖套筒（12）之间的第一传递机构（7，8，9，10），其特征在于： 

为第一叶轮（4）配置第二叶轮（20），该第二叶轮被第一叶轮（4）可旋转地容纳，第二叶轮（20）包含至少两个可旋转地设置的第二叶片（22），所述第二叶片沿着第二叶轮（20）的圆周线均匀地分布并且利用平行于叶轮的轴线的轴加以支承；第二传递机构（24，25，26，27，28）在第二叶片（22）的每个轴和顶尖套筒（12）之间，所述顶尖套筒在叶轮的轴（14）上是可旋转的。 

2.按权利要求1所述的涡轮机，其特征在于： 

第二传递机构（24，25，26，27，28）由固定在每个第二叶片的轴上的第一锥齿轮（24）、由与该第一锥齿轮相啮合的第二锥齿轮（25）、由承载第二锥齿轮的且被第二叶轮（20）可旋转地支承的连杆（26）、由被该连杆固定地支承的第三锥齿轮（27）以及由被该顶尖套筒（12）以不能相对旋转的方式支承的第四锥齿轮（28）构成。 

3.按权利要求1所述的涡轮机，其特征在于： 

顶尖套筒（12）能够围绕其自身的轴线可旋转地进行调节。 

4.按权利要求1所述的涡轮机，其特征在于： 

顶尖套筒（12）与一个轮（29）通过运动学的方式相连接，该轮由壳体可旋转地容纳并且是可利用操纵盘进行控制的或通过手控进行调控。 

5.按权利要求1所述的涡轮机，其特征在于： 

第一叶轮（4）具有第一齿环（15），该第一齿环与第一小齿轮（16）相啮合，该第一小齿轮由壳体（2）以一个与叶轮的轴（14）的轴线相 垂直的轴可旋转地支承并且与第二小齿轮（17）相连，该第二小齿轮本身又与设置在叶轮的轴（14）上的第二齿环（19）相啮合。 

6.按权利要求1所述的涡轮机，其特征在于： 

第二叶轮（20）如第一叶轮（4）安置在同一个轴上。 

7.按权利要求1所述的涡轮机，其特征在于： 

第一叶轮（4）和第二叶轮（20）经过差速器（31）与输出轴（38）连接。 

8.按权利要求7所述的涡轮机，其特征在于： 

差速器（31）由双齿环（32）所形成，该双齿环被叶轮的轴（14）可旋转地支承并且一方面与第一叶轮（4）相啮合，另一方面又与行星齿轮（33，34）相啮合，所述行星齿轮与一个齿环（35）相啮合，该齿环设置在叶轮的轴（14）上，第二叶轮（20）与该叶轮的轴固定地相连，行星齿轮（33,34）通过罩体（37）被可旋转地支承，该罩体能够围绕叶轮的轴（14）旋转并且刚性地支承输出轴（38）。 

9.按权利要求1所述的涡轮机，其特征在于： 

其相应的叶轮的运动也彼此分开地加以利用。 

10.按权利要求1所述的涡轮机，其特征在于： 

它能够是可逆的并且因此能够用于在流体中产生推力，涡轮机在这种流体中运行。 

11.按权利要求1所述的涡轮机，其特征在于： 

它能够在其整体上利用彼此对置的各叶轮壳体进行工作，同时保持共轴的和同心的叶片的总体。 

12.按权利要求1所述的涡轮机，其特征在于： 

它能够在其整体上也是被包裹的或者利用被导引的流体进行工作。 

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