CN103306736B - 一种动力涡轮及其动力机 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种动力涡轮及其动力机，属于流体热力动力机械领域；动力涡轮包括动力叶轮、安装在动力叶轮中心的转轴构成，动力叶轮由侧壁、位于侧壁内圆环沿圆周辐射均布的导流翅、位于动力叶轮侧壁外圆环沿圆周均布的动力叶片构成，转轴为空心轴转，能流在该动力涡轮中的流动方向是沿轴-径向离心辐射或径向离心辐射流动，流动方向与叶轮对能流质点产生的离心力方向大致一致，在上述动力涡轮的外部安装有外壳的动力机可作为膨胀动力机使用，在上述动力涡轮的外部安装有外壳体并带有喷流孔隙的空心翼片的动力机是混合动力机，动力涡轮及其动力机的结构简单，能量转换效率高。

Description

一种动力涡轮及其动力机

技术领域

本发明涉及流体和热力机械，尤其是涉及一种将输入能流转换成机械能输出的动力涡轮及其动力机械。

背景技术

 现有动力叶轮即动力涡轮，可分为轴流式叶轮、径流式叶轮、混流式叶轮，如燃气轮机、蒸汽轮机和喷气发动机所用动力叶轮是轴流式叶轮，蜗壳式膨胀动力机、特斯拉动力机等所用动力叶轮是径流式或混流式叶轮，它们都是将能流所含的动能、压力能和热能转化成机械能的装置。各种动力机基本上都是内转子结构，沿径-轴向流动的径流式或混流式叶轮内的能流流动方向是向心流动或大致向心流动，这种流动与叶轮旋转时对流体质点产生的离心力的方向是相反的，运行过程中会损失一部分能量，另外，采用向心流动或大致向心流动的叶轮及其动力机的出流方式不能适应一些需要沿径向辐射向外排流的特种需要。申请号为201110346786.9的本人申请的一种外转子流体动力机可以实现能流在叶轮内的流动方向与叶轮对能流质点产生的离心力方向基本一致，也能适合沿径向辐射向外排流的特种需要，但其结构相对复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题：一是提供一种动力涡轮及其动力机，能流在该动力涡轮及其动力机中的流动方向是沿轴-径向离心辐射或径向离心辐射流动的；二是这种动力涡轮及其动力机结构简单、加工容易，既可独立作为膨胀动力机使用，又可适合沿径向辐射向外排流的特种混合动力机的需要。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案。

一种动力涡轮，包括动力叶轮、安装在动力叶轮中心的转轴构成，其特征在于，所述动力叶轮由侧壁、位于侧壁内圆环沿圆周辐射均布的导流翅、位于动力叶轮侧壁外圆环沿圆周均布的动力叶片构成，动力叶轮的进流口设在导流翅的内圆圈周围，动力叶轮的排流口设在动力叶片的外圆圈周围，各导流翅之间留有沿径向辐射的流道，各动力叶片之间留有流道，导流翅的中心线与导流翅尾缘前方的动力叶片的弦线之间的夹角为5～45度,所述导流翅尾缘前方的动力叶片是指导流翅的外圆处对应于旋转方向的前侧的动力叶片；所述转轴为空心轴转，其一端部与外部的进流管旋转密封连通，另一端部通过动力叶轮侧壁固定并与动力叶轮的进流口相连通。外部输入能流流入空心转轴，经空心转轴的出流口流入导流翅之间的流道，继而进入动力叶片之间的流道内，同时能流对动力叶片产生旋转驱动力，其乏流经动力涡轮的排流口排出，外部输入能流对动力叶片的作用力为外力作用，能流在该动力涡轮中的流动方向是沿轴-径向离心辐射或径向离心辐射流动，流动方向与叶轮对能流质点产生的离心力方向基本一致。在动力叶片与动力叶轮侧壁之间可以安装调角机构，以达到在不同能流流速下动力涡轮都有较高的转换效率。所述动力叶轮及其动力叶片和导流翅还可以是混流结构。所称能流是指具有一定压力、流速、热力的气体或液体或两相流体。

上述的一种动力涡轮，可供选择的技术方案是，转轴为空心轴转，其一端部与外部的进流管旋转密封连通，所述空心转轴另一端部通过动力叶轮侧壁固定并与动力叶轮的进流口相连通，是指空心转轴的另一端部通过动力叶轮的一侧壁固定，其另一端部的端口与动力叶轮的进流口相连通。此技术方案属于动力涡轮的单臂支撑方式，可作为水力喷洒头等使用。能流从固定的进流管内流入空心轴转内，再从空心转轴上的出流口流入动力叶轮的进流口并进入导流翅之间的流道内整流加速，继而进入动力叶片之间的流道内，对动力叶片产生旋转驱动力，其乏流经动力涡轮的排流口排出。

上述的一种动力涡轮，可供选择的技术方案是，转轴为空心轴转，其一端部与外部的进流管旋转密封连通，所述空心转轴另一端部通过动力叶轮侧壁固定并与动力叶轮的进流口相连通，是指空心转轴的另一端部的端口封闭并穿过动力叶轮两侧壁伸出并密封固定，在对应于动力叶轮的进流口处的空心转轴上开有出流口，空心转轴上所开出流口与动力叶轮的进流口相连通。所述转轴还可以由一空心轴和一半轴组成，所述空心轴的一端为进流口，进流口与外部进流管旋转密封连通，空心轴的另一端为出流口，在动力叶轮中心的一侧壁上开有进流口并与空心轴的出流口相固定连通，在动力叶轮中心的另一侧壁上装有与空心轴同轴线的半轴。这两种技术方案都属于动力涡轮的双臂支撑方式。

上述的一种动力涡轮，可供选择的技术方案是，在所述动力叶轮的每两个动力叶片之间的流道出口处设有辅助动力叶片，辅助动力叶片的弦线与动力叶片的弦线之间的夹角为0～45度。此技术方案可用于动力叶轮直径较大时，辅助动力叶轮可减轻流体分离，改善能流在两个动力叶片之间的流道出口处的流动质量，增加动力涡轮输出。

上述的一种动力涡轮，可供选择的技术方案是，所述动力叶轮由两个以上相同的动力叶轮单体同轴叠置而成。此技术方案可用于输出功率较大的动力涡轮。

上述的一种动力涡轮，改进的技术方案是，所述动力叶轮的两侧壁之间的距离，沿半径由里向外逐渐缩短。此技术方案可实现能流沿半径由里向外流动的流道截面积逐渐缩小，达到能流流速沿径向逐渐增大。所述动力叶轮的两侧壁之间的距离，也可以是沿半径由里向外先逐渐缩短，再保持相同或逐渐扩大，达到能流流速沿径向先逐渐增大，再逐渐减小，使乏流膨胀扩压输出。

采用上述动力涡轮的一种动力机，包括动力涡轮、动力涡轮外壳体构成，其特征在于，所述动力涡轮由动力叶轮、安装在动力叶轮中心的转轴构成，动力叶轮由侧壁、位于侧壁内圆环沿圆周辐射均布的导流翅、位于侧壁外圆环沿圆周均布的动力叶片构成，动力叶轮的进流口设在导流翅的内圆圈周围，动力叶轮的排流口设在动力叶片的外圆圈周围，各导流翅之间留有沿径向辐射的流道，各动力叶片之间留有流道，导流翅的中心线与导流翅尾缘前方的动力叶片的弦线之间的夹角为5～45度；所述转轴为空心轴转，其一端部与外部的进流管旋转密封连通，另一端部通过动力叶轮侧壁固定并与动力叶轮的进流口相连通；所述动力涡轮外壳体为蜗壳形，蜗壳内腔截面为沿流动方向逐渐扩大的蜗形通道，蜗壳上的出流口位于蜗壳内腔截面面积最大处，动力涡轮外壳体套装在动力叶轮的外部，动力涡轮外壳体的侧壁与动力叶轮的侧壁外表面保留有间隙，动力涡轮外壳体的侧壁的内径处通过轴承安装在转轴上。所述动力叶轮还可以是：在动力叶轮的每两个动力叶片之间的流道出口处设有辅助动力叶片，辅助动力叶片的弦线与动力叶片的弦线之间的夹角为0～45度；所述动力叶轮还可以是：动力叶轮由两个以上相同的动力叶轮单体同轴心叠置而成；所述动力叶轮还可以是：动力叶轮的两侧壁之间的距离，沿半径由里向外逐渐缩短。这几种技术方案可作为膨胀动力机独立使用。

采用上述动力涡轮的一种动力机，是一种混合动力机，所述混合动力机是一种可输入多种能流的发动机，这种动力机，包括动力涡轮、动力涡轮外壳体、安装于动力涡轮外壳体周围的空心翼片构成，动力涡轮由动力叶轮、安装在动力叶轮中心的转轴构成，动力叶轮由侧壁、位于侧壁内圆环沿圆周辐射均布的导流翅、位于侧壁外圆环沿圆周均布的动力叶片构成，动力叶轮的进流口设在导流翅的内圆圈周围，动力叶轮的排流口设在动力叶片的外圆圈周围，各导流翅之间留有沿径向辐射的流道，各动力叶片之间留有流道，导流翅的中心线与导流翅尾缘前方的动力叶片的弦线之间的夹角为5～45度；所述转轴为空心轴转，其一端部与外部的进流管旋转密封连通，另一端部通过动力叶轮侧壁固定并与动力叶轮的进流口相连通；所述动力涡轮外壳体为内环圈开放、外环圈上开有通孔、两侧带有端盖、内腔半径截面为U形的空心壳体，动力涡轮外壳体套装在动力叶轮的外部，动力涡轮外壳体与动力叶轮侧壁外表面保留有间隙，动力涡轮外壳体的端盖的内径处通过轴承安装在转轴上；在所述动力涡轮外壳体的外环圈上的通孔处安装有升力型空心翼片，空心翼片的内腔与动力涡轮外壳体内腔连通，升力型空心翼片的尾缘部开有喷流孔隙。所述动力叶轮还可以是：在所述动力叶轮的每两个动力叶片之间的流道出口处设有辅助动力叶片，辅助动力叶片的弦线与动力叶片的弦线之间的夹角为0～45度；所述动力叶轮还可以是：动力叶轮由两个以上相同的动力叶轮单体同轴心叠置而成；所述动力叶轮还可以是：动力叶轮的两侧壁之间的距离，沿半径由里向外逐渐缩短。在这几种技术方案中，人为输入能流驱动动力叶轮旋转，外部自然来流驱动空心翼片旋转，空心翼片旋转时对输入动力叶轮内的能流产生抽吸作用并实现输入能流与外部自然来流的耦联传递，输入能流与外部自然来流的耦联传递，也可以是通过固定空心翼片的动力涡轮外壳体的端盖上安装外空心输出轴与动力涡轮的空心转轴共同耦联输出动力，此处所称耦联是指外空心输出轴与动力涡轮的空心转轴之间的直接连接，或指通过各种离合器、联轴器、变速器、同步器、耦合器等所进行的连接。所称连通是指两种通流件之间接连而又相通，所称旋转连通是指两种通流件之间既旋转接连而又相通。这几种技术方案可作为混合动力机使用。动力涡轮与空心翼片的旋转方向可以是逆向，也可以是同向。

采用上述动力涡轮的一种动力机，是一种混合动力机，改进的技术方案是，在所述动力涡轮外壳体的外环圈的内环面圆周上与动力叶轮外环面之间的空间内，安装有至少一片刮流板，刮流板是一弧形板体，其凹面朝向空心翼片的旋转方向，空心翼片、动力涡轮外壳体与刮流板为一体安装，其旋转方向与动力涡轮的旋转方向相反，空心翼片带动刮流板旋转时会对动力涡轮所排出的乏流进行刮吸。

有益效果：与现有技术相比，本发明的各种技术方案，结构简单，可实现轴-径向或径向流动，使能流流向与能流质点所受到的离心力基本相同，减少能量损失；采用上述动力涡轮技术的动力机既可作为独立膨胀动力机使用，也可以与空心翼片组合形成一种混合动力机，混合动力机在利用常规能源、工业余压、余热的同时，还可以同时利用风能或水力能等。

附图说明。

图1是一种动力涡轮的结构示意图。

图2是图1的A--A剖切结构示意图。

图3是一种采用动力涡轮的膨胀动力机的结构示意图。

图4是一种采用动力涡轮的混合动力机的结构示意图。

具体实施方式。

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1、图2所示的一种动力涡轮，包括动力叶轮1、安装在动力叶轮1中心的转轴2构成，所述动力叶轮1由侧壁11a、11b、位于侧壁11a、11b内圆环沿圆周辐射均布的导流翅12、位于侧壁11a、11b外圆环沿圆周均布的动力叶片13、位于每两个动力叶片13之间的流道出口处的辅助动力叶片14构成，动力叶轮1的进流口15设在导流翅12的内圆圈周围，动力叶轮1的排流口16设在动力叶片的外圆圈周围，各导流翅12之间留有沿径向辐射的流道17，各动力叶片13及辅助动力叶片14之间留有流道18，导流翅12的中心线与导流翅尾缘前方的动力叶片13的弦线之间的夹角α1为20度；辅助动力叶片14的弦线与动力叶片13的弦线之间的夹角α2为30度，所述转轴2为空心轴转，其一端部与外部的进流管3通过旋转密封件8连通，另一端部通过动力叶轮1侧壁11a固定并与动力叶轮1的进流口15相连通，空心转轴2通过旋转支撑件9支撑。外部输入能流Vi通过输流管3进入空心转轴2，继而经动力叶轮的进流口15进入各导流翅12之间的流道17，能流经整流加速后喷向动力叶片13、辅助动力叶片14，并产生升力驱动动力涡轮旋转，做功后的乏流经动力叶轮1的排流口16排出。

如图3所示的一种采用动力涡轮的膨胀动力机，由动力涡轮6、动力涡轮外壳体5构成，动力涡轮外壳体5为蜗壳形，蜗壳内腔截面为沿流动方向逐渐扩大的蜗形通道，蜗壳上的出流口7位于蜗壳内腔截面面积最大处；能流经轴向进入，沿径向膨胀做功，所作之功通过空心转轴输出。

如图4所示，是一种采用动力涡轮的混合动力机，用于驱动一台逆向旋转的双转子发电机工作，混合动力机包括动力叶轮1、空心转轴2、动力涡轮外壳体5、空心翼片21a、21b，进流管3；进流管3与空心转轴2的进流端密封旋转连通，动力涡轮外壳体5套装在动力叶轮1外围，空心翼片21a、21b对称安装在动力涡轮外壳体5外圆周围，动力涡轮外壳体5的内圆圈周围沿径向安装有刮流板31a、31b，空心翼片21a、21b的内腔分别安装有衬翼组41a、41b，在靠近空心翼片21a、21b叶尖的尾缘部开有喷流孔隙51a、51b，空心翼片21a、21b与带有刮流板31a、31b的动力涡轮外壳体5安装成一体，空心翼片21a、21b的旋转方向与动力叶轮1的旋转方向相反；逆向旋转的双转子发电机包括固定在空心转轴2上的内转子61、套装在内转子61外圆周围的外转子62、套装在外转子62外圆周围的电机壳体63，电机壳体63与空心转轴2之间安装有逆止器64，电机壳体63与外转子62之间安装有逆止器65，外转子62与内转子61旋转方向相反，电机壳体63与外部基座66静止固定；动力叶轮1通过空心转轴2与发电机的内转子61相耦联，动力涡轮的壳体5通过外空心转轴67与外转子62相耦联；动力涡轮的壳体5与空心转轴2之间相对旋转；外转子62通过其端盖一侧与空心转轴2之间相对旋转，另一侧与外空心转轴67之间相对旋转；电机壳体63通过其端盖一侧与空心转轴2之间相对旋转，另一侧与外空心转轴67之间相对旋转。能流Vi经输流管3流入空心转轴2，继而流入动力叶轮1，其做功后的乏流流入动力涡轮壳体5的内腔，再分别流经空心翼片21a、21b内腔，分别从VO1、VO2喷出；动力叶轮1所做功通过空心转轴2传递给发电机内转子61同步旋转；外部自然来流V2驱动空心翼片21a、21b相对动力叶轮1逆向旋转做功，空心翼片21a、21b所做之功通过外空心转轴67传递给发电机外转子62同步旋转，从而实现内转子与外转子逆向旋转；空心翼片21a、21b旋转时，流经空心翼片21a、21b内腔的乏流会被离心加速，在流经衬翼组41a、41b时会产生旋转驱动力，乏流VO1、VO2分别经喷流孔隙51a、51b喷出时会产生反推力。逆止器64可防止无能流或能流Vi较小时，动力叶轮1无旋转力矩或旋转力矩较小而使内转子61跟随外转子62旋转。逆止器65可防止无外部来流或外部来流V2较小时，空心翼片21a、21b无旋转力矩或旋转力矩较小而使外转子62跟随内转子61旋转。调节输入能流Vi的大小与空心翼片21a、21b的转速相匹配，可达到调节发电机内转子与外转子之间的相对旋转速度恒定，达到输出电压和频率恒定的目的，上述衬翼组的结构及作用与本人申请的专利：“一种动力翼片”，专利号为201210113470X相同，此不赘述。

尽管已经结合优选实施方式描述了本发明的装置和用途，但是本发明不限于本文所述的具体形式，相反，其目的在于覆盖理所当然会落入所述权利要求书限定的本发明的思路和范围内的各种替代方式、改型、各种特征要素的再组合而衍生的新组合和等同体。

Claims (9)

1.一种动力涡轮，包括动力叶轮、安装在动力叶轮中心的转轴，其特征在于，所述动力叶轮由侧壁、位于侧壁内圆环沿圆周辐射均布的导流翅、位于侧壁外圆环沿圆周均布的动力叶片构成，动力叶轮的进流口设在导流翅的内圆圈周围，动力叶轮的排流口设在动力叶片的外圆圈周围，各导流翅之间留有沿径向辐射的流道，各动力叶片之间留有流道，导流翅的中心线与导流翅尾缘前方的动力叶片的弦线之间的夹角为5～45度；所述转轴为空心轴转，其一端部与外部的进流管旋转密封连通，另一端部通过动力叶轮侧壁固定并与动力叶轮的进流口相连通。

2.根据权利要求1所述的一种动力涡轮，转轴为空心轴转，空心转轴的另一端部通过动力叶轮的一侧壁固定，另一端部的端口与动力叶轮的进流口相连通。

3.根据权利要求1所述的一种动力涡轮，转轴为空心轴转，空心转轴的另一端部的端口封闭并穿过动力叶轮两侧壁伸出并密封固定，在对应于动力叶轮的进流口处的空心转轴上开有出流口，空心转轴上所开出流口与动力叶轮的进流口相连通。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种动力涡轮，其特征在于，在所述动力叶轮的每两个动力叶片之间的流道出口处设有辅助动力叶片，辅助动力叶片的弦线与动力叶片的弦线之间的夹角为0～45度。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种动力涡轮，其特征在于，所述动力叶轮由两个以上相同的动力叶轮单体同轴叠置而成。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种动力涡轮，其特征在于，所述动力叶轮的两侧壁之间的距离，沿半径由里向外逐渐缩短。

7.一种动力机，包括动力涡轮、动力涡轮外壳体构成，其特征在于，所述动力涡轮，由动力叶轮、安装在动力叶轮中心的转轴构成，动力叶轮由侧壁、位于侧壁内圆环沿圆周辐射均布的导流翅、位于侧壁外圆环沿圆周均布的动力叶片构成，动力叶轮的进流口设在导流翅的内圆圈周围，动力叶轮的排流口设在动力叶片的外圆圈周围，各导流翅之间留有沿径向辐射的流道，各动力叶片之间留有流道，导流翅的中心线与导流翅尾缘前方的动力叶片的弦线之间的夹角为5～45度；所述转轴为空心轴转，其一端部与外部的进流管旋转密封连通，另一端部穿过动力叶轮两侧壁伸出并密封固定，在对应于动力叶轮的进流口处的空心转轴上开有出流口，空心转轴上所开出流口与动力叶轮的进流口相连通，其另一端部的端口封闭；所述动力涡轮外壳体为蜗壳形，蜗壳内腔截面为沿流动方向逐渐扩大的蜗形通道，蜗壳上的出流口位于蜗壳内腔截面面积最大处，动力涡轮外壳体套装在动力叶轮的外部，动力涡轮外壳体的侧壁与动力叶轮的侧壁外表面保留有间隙，动力涡轮外壳体的侧壁的内径处通过轴承安装在转轴上。

8.一种动力机，包括动力涡轮、动力涡轮外壳体、安装于动力涡轮外壳体周围的空心翼片，其特征在于，所述动力涡轮由动力叶轮、安装在动力叶轮中心的转轴构成，动力叶轮由侧壁、位于侧壁内圆环沿圆周辐射均布的导流翅、位于侧壁外圆环沿圆周均布的动力叶片构成，动力叶轮的进流口设在导流翅的内圆圈周围，动力叶轮的排流口设在动力叶片的外圆圈周围，各导流翅之间留有沿径向辐射的流道，各动力叶片之间留有流道，导流翅的中心线与导流翅尾缘前方的动力叶片的弦线之间的夹角为5～45度；所述转轴为空心轴转，其一端部与外部的进流管旋转密封连通，另一端部通过动力叶轮侧壁固定并与动力叶轮的进流口相连通；所述动力涡轮外壳体为内环圈开放、外环圈上开有通孔、两侧带有端盖、内腔半径截面为U形的空心壳体，动力涡轮外壳体套装在动力叶轮的外部，动力涡轮外壳体与动力叶轮侧壁外表面保留有间隙，动力涡轮外壳体的端盖的内径处通过轴承安装在空心转轴上；在所述动力涡轮外壳体的外环圈上的通孔处安装有升力型空心翼片，空心翼片的内腔与动力涡轮外壳体内腔连通，升力型空心翼片的尾缘部开有喷流孔隙。

9.根据权利要求8所述的一种动力机，其特征在于，在所述动力涡轮外壳体的外环圈的内环面圆周上与动力叶轮外环面之间的空间内，安装有至少一片刮流板，刮流板是一弧形板体，其凹面朝向空心翼片的旋转方向，空心翼片与带有刮流板的动力涡轮外壳体安装为一体，动力涡轮的旋转方向与空心翼片的旋转方向相反。