CN103195512B - 一种以真空吸入为动力的径向空气涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以真空吸入为动力的径向空气涡轮机，包括：涡轮外罩，涡轮外罩的弯曲边缘与静子机匣连接，静子机匣包括两个由多片静子叶片连接的盘形静子片，盘形静子片上连接主轴组件，主轴组件中的主轴上安装有外廓形状与涡轮外罩形状相配合的涡轮机转子，主轴组件连接减速器。本发明用盘形静子和涡轮外罩的形状引导周围的空气向空气吸入口集中，使空气由盘形静子的边缘流向盘形静子的中心，并在盘形静子中设置静子叶片进行气流导向，使周围的空气向真空吸入口集中的同时产生旋转，旋转气流推动转子旋转。径向涡轮对于“尺寸效应”不是那么敏感，在小流量范围内与轴流式涡轮相比较效率更高。

Description

一种以真空吸入为动力的径向空气涡轮机

技术领域

本发明涉及一种以真空吸入为动力的径向空气涡轮机，是一种发电设备，是一种用于真空吸入空气流的动力带动空气涡轮机转动而发电的设备。

背景技术

传统的气轮机，不论是蒸汽轮机还是燃气轮机，都是工作在高温高压的条件下，利用气流的喷射产生动力。而在一些特殊的场合，需要一种吸入式的涡轮机，即利用真空吸入的气流产生动力。与一般蒸汽或燃气涡轮机不同的是吸入式的涡轮机所用的动力气流流量很小，压力较低（涡轮出口压力与海拔１万米以上的高空），涡轮出口气流的密度只有平常三分之一，同时气流速度也不高（大约130m/s），从吸入空气的气流中获取动力无法使用传统涡轮机的设计形式，需要设计一种全新的空气涡轮机。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种以真空吸入为动力的径向空气涡轮机。所述的涡轮机根据真空吸入的特点，设计了一种用向心吸入空气的方式产生动力，空气流动的方向是由涡轮转子的外缘流向转子的中心。

本发明的目的是这样实现的：一种以真空吸入为动力的径向空气涡轮机，包括：一端与空气吸入口直径相同并连接的、另一端边缘呈90度圆滑过渡弯曲的涡轮外罩，所述的涡轮外罩的弯曲边缘与静子机匣连接，所述的静子机匣包括两个由多片静子叶片连接的盘形静子片，所述的盘形静子片上连接主轴组件，所述的主轴组件中的主轴上安装有外廓形状与涡轮外罩形状相配合的涡轮机转子，所述的主轴组件连接减速器。

本发明产生的有益效果是：本发明用盘形静子和涡轮外罩的形状引导周围的空气向空气吸入口集中，使空气由盘形静子的边缘流向盘形静子的中心，并在盘形静子中设置静子叶片进行气流导向，使周围的空气向真空吸入口集中的同时产生旋转，这股涡轮外罩内的旋转气流在涡轮机转子的叶片上产生作用力，推动转子旋转。这种径向涡轮，也叫向心涡轮，对于“尺寸效应”不是那么敏感，在小流量范围内与轴流式涡轮相比较效率更高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述径向空气涡轮机的结构示意图；

图2是本发明的实施例二所述静子叶片结构示意图，是图1中A-A的剖视图；

图3是本发明的实施例三所述涡轮机转子的外形示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种以真空吸入为动力的径向空气涡轮机，如图1、2所示。本实施例包括：一端与空气吸入口1直径相同并连接的、另一端边缘呈90度圆滑过渡弯曲的涡轮外罩10，所述的涡轮外罩的弯曲边缘与静子机匣9连接，所述的静子机匣包括两个由多片静子叶片902连接的盘形静子片901，所述的盘形静子片上连接主轴组件8，所述的主轴组件中的主轴上安装有外廓形状与涡轮外罩形状相配合的涡轮机转子2，所述的主轴组件连接减速器7。

本实施例所述的涡轮气流的流动方式为由径向改轴向，这种类型涡轮叫做径向涡轮（也可以称为向心涡轮）。使用径向涡轮设计的原因是，在小流量范围内相对于轴流式涡轮机，径向涡轮机的效率更高。这是因为气流流量越小，涡轮叶片高度越小，涡轮叶片与外罩之间的间隙的相对高度也越大（因为间隙不可能同比缩小），通过间隙从高压面流向低压面的二次流的流量也越大，因此效率也就越低。在涡轮发动机领域，这种现象被称为“尺寸效应”。相比于轴流涡轮，径向涡轮对于“尺寸效应”不是那么敏感。

其具体原理是：根据涡轮机单位功率的公式：

          W=(C_W1*U₁-C_W2*U₂)

其中W为单位功率，C_W1、C_W2分别是气流相对于叶轮的进口和出口的相对切向速度。

因为径向涡轮的进口切向旋转速度U₁比出口速度U₂大很多，而轴流涡轮进出口的切向速度基本相等，因此做同样的单位功率W，径向涡轮C_W差值比轴流涡轮小，可见二次流导致C_W差值的减小对输出功率的影响小。由于本实施例所述的涡轮发动机工作在流量非常小状态下，空气流量只有0.17kg/s左右，因此选择了径向涡轮的气动形式。

本实施例所述的涡轮机最主要的特点是针对负压流动的气流，即气流压力低于大气压，而且气流温度低于零下几十度，因此，与普通的针对高压高温的涡轮的设计方面存在很大的不同。首先，必须要考虑气流压力降低带来的影响。例如，本实施例所述设定的涡轮出口的绝对压力只有36000Pa，相当于海拔１万米以上的高空，气流的密度只有平常三分之一，同时气流速度也不高（大约130m/s），这里的雷诺数已经低于自模区，因此，叶片上部分区域为层流流动，而层流比湍流更容易分离。如果设计不好，将产生大尺度的分离涡，使得涡轮的效率大幅度下降。其次，由于气流温度很低，空气中的过冷水滴很可能黏附在叶片上，从而降低效率甚至完全堵死整个流道。因此，防冰的问题也是一个难题。本实施例可以采用通用的优化设计方法对涡轮做了针对性的优化，特别是通过仔细调整叶轮通道面积及叶片形状，同时采用三维数值模拟手段进行分析，避免了大尺度气流的分离，从而提高了涡轮的效率。至于防冰，本实施例针对重点部位，采用电热丝加热的方法，可解决结冰的问题。

本实施例的涡轮机的具体方案是：在空气吸入口设置一个喇叭形的涡轮外罩，喇叭形的涡轮外罩的扩大边缘与吸入口回转中心轴线成90度，在边缘上设置一个由两个盘形零件组成的静子机匣，盘形静子机匣的盘形平面与吸入口回转中心轴线垂直。喇叭形扩大口由与吸入口回转中心轴线平行的方向到垂直方向的过渡曲线可以是圆形过渡曲线，也可以是椭圆形过渡曲线，或者其他形的过渡曲线。静子机匣的两个盘形零件的外缘也制作为喇叭形，将发散的空气聚集，使聚集的空气进入两个盘片之间的狭缝，在狭缝中设置静子叶片。所述的静子叶片在盘片上按圆周360度均布，并形成促使空气螺旋旋转的通道。当空气吸入口出现负压时，吸引静子机匣圆盘周围的空气进入静子机匣，静子机匣与涡轮外罩促使流向空气吸入口的空气沿涡轮外罩和静子机匣形成有规则的向心聚集流动，并且在静子叶片形成的螺旋通道中促使向心聚集流动的气流产生向心聚集螺旋转动。在涡轮外罩中设置涡轮，所述的涡轮的外廓形状与涡轮外罩的内廓形状相吻合，类似于喇叭形状的塞子。向心聚集螺旋流动的空气流作用在涡轮叶片上，推动涡轮转动，涡轮带动主轴转动，并通过减速器减速后带动发电机发电。

为使主轴与涡轮机之间空间分开，可以在主轴与涡轮机匣之间设置密封装置。

为使主轴能够较好的产生动力，并平稳的旋转，可在主轴组件上设置径向和轴向的弹性支撑。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于盘形静子的细化。本实施例所述的盘形静子片边缘弯曲卷起，两片盘形静子片之间的静子叶片环绕中心360度均布，如图2所示，形成螺旋空气通道。

所述的两个盘形静子边缘弯曲卷起的形状，在通过盘片回转中心轴线的平面内可以形成类似于喇叭形状，这是为了聚集空气而设置的。

静子叶片的弯曲，形成空气流动的螺旋通道。所述的静子叶片的横截面形状为弯曲的流线型，见图2。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于涡轮机转子的细化。本实施例所述的涡轮机转子的叶片按大小间隔设置，小叶片203的长度为大叶片202的三分之二至三分之一，所述的大叶片和小叶片沿径向和轴线呈空间螺旋形弯曲，如图3所示。

本实施例所述的涡轮机转子的芯轴201通过回转中心的纵切面是一个类似于中间凹陷的腰形圆台，外圆周面的曲面形状由圆柱形弯曲、扩展为垂直于回转中心线的盘形平面，弯曲扩展的曲面可以是圆形曲线、椭圆形曲线、双曲线等各种曲线的回转面。在外缘曲面上设有涡轮叶片，采用了大小叶片的气动结构，即所述的涡轮叶片分为大小两种，间隔设置。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于主轴组件的细化。本实施例所述的主轴组件在接近涡轮机定子的一端设有蓖齿封严组件4，见图1。

本实施例所述的蓖齿封严组件的作用是控制静子出口的气流进入主轴机匣内部，即只允许2%左右的空气进入主轴机匣内部，同时还防止滑油从主轴处泄露。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于主轴组件的细化。本实施例所述的主轴组件上安装有径向弹性支撑5和轴向弹性支撑6。

本实施例所述的径向弹性支撑是鼠龙形结构，即两个圆环之间用均布与圆周上的长杆件连接，利用长杆件的弹性形成径向弹性。所述的径向弹性支撑可以调节支撑刚度，以调整涡轮转子临界转速，结合油膜减振技术，可以有效降低涡轮转子的振动。

所述的轴向弹性支撑是圆环的两个端面上交叉分布突起，利用两个突起支撑点之间的环体的弹性形成轴向弹性支撑。所述的轴向弹性支撑给两个角接触球轴承（支撑主轴的深沟轴承）产生一个预加载载荷，防止轴承轻载打滑。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于静子机匣的细化。本实施例所述的静子机匣设有加热元件3。

由于吸入式涡轮机空气进入过程中会快速降温，气流温度低至零下50多度，如果不采取特别措施，涡轮很快会因为空气中的水滴结冰并黏附在涡轮上而导致效率下降，严重时甚至将涡轮完全堵死而不能输出功率。本实施例为这一问题，提高能量转换效率，采用了高效防冰措施，即在静子机匣上设置加热元件，可以防止冰在涡轮关键部位的堆积。所述的电加热元件可以是电阻丝或其他加热元器件。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如涡轮机外廓、叶片的形状、吸入口的形状等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种以真空吸入为动力的径向空气涡轮机，其特征在于，包括：一端与空气吸入口直径相同并连接的、另一端边缘呈90度圆滑过渡弯曲的涡轮外罩，所述的涡轮外罩的弯曲边缘与静子机匣连接，所述的静子机匣包括两个由多片静子叶片连接的盘形静子片，所述的盘形静子片上连接主轴组件，所述的主轴组件中的主轴上安装有外廓形状与涡轮外罩形状相配合的涡轮机转子，所述的主轴组件连接减速器。

2.根据权利要求1所述的径向空气涡轮机，其特征在于，所述的盘形静子片边缘弯曲卷起，两片盘形静子片之间的静子叶片环绕中心360度均布，形成螺旋空气通道。

3.根据权利要求1或2所述的径向空气涡轮机，其特征在于，所述的涡轮机转子的叶片按大小间隔设置，小叶片的长度为大叶片的三分之二至三分之一，所述的大叶片和小叶片沿径向和轴线呈空间螺旋形弯曲。

4.根据权利要求1或2所述的径向空气涡轮机，其特征在于，所述的主轴组件在接近涡轮机定子的一端设有蓖齿封严组件。

5.根据权利要求4所述的径向空气涡轮机，其特征在于，所述的主轴组件上安装有径向弹性支撑和轴向弹性支撑。

6.根据权利要求1或2所述的径向空气涡轮机，其特征在于，所述的静子机匣设有加热元件。