CN103726883B - 螺锥转子及螺锥膨胀机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及螺锥转子及螺锥膨胀机构，其中螺锥转子基于一种能够形成连续可变区域的平面共轭曲线，并由此曲线延展为具有三维空间曲面的凸形转子、凹形转子和具有双内锥面的外壳，通过凸形转子和凹形转子的相向转动产生螺旋连续、变化容积、封闭的工作空间。高压气态工作介质进入上述工作空间中，通过容积膨胀来释放压力，推动凸形转子和凹形转子进行连续的相向旋转，工作介质内能转化为机械能对外做功。相比现有技术，凸形转子、凹形转子和外壳之间的接点严密，不存在“泄露三角形”的问题；且由于在凸形转子和凹形转子连续的相向转动过程中，高压气态工作介质连续完成进气、膨胀作功、排气过程。本发明没有单独的换气机构，实现机械损失最小化。

Description

螺锥转子及螺锥膨胀机构

技术领域

本发明涉及一种容积式流体机械、动力机械，具体涉及通过变化容积的工作空间将热能转换为机械能的机构。

背景技术

传统的汽轮机热功转化设备是利用高压、高温过热蒸汽推动汽轮机转换成轴功率，再带动同步发电机发电，从而实现热能到电能的转换，但是汽轮机必须消耗过热蒸汽这样的高品位热源，无法使用低品位热源。同时由于汽轮机在热功转换过程中产生很多乏汽，导致能源利用效率较低。

燃气轮机是常用的将高温气体工作介质转化成机械功的旋转式动力机械，主要包括压气机、燃烧室和燃气透平这三大部件。压气机将由外界大气吸入的空气压缩，压缩空气被压送到燃烧室与燃料混合燃烧生成高温高压的燃气，燃气进入燃气透平中膨胀做功，推动透平带动压气机和输出转子一同旋转。

首先，由于燃气轮机的热力循环一般为工作介质取自大气的开式循环，且其零件材料为高温合金，因此工作温度对其输出功率的影响很大。当工作温度升高时，燃气轮机不得不进行冷却，导致能源利用效率较低。

其次，现有的燃气轮机采用等压膨胀为主的布莱顿循环，空气的等压比热容C_P=1.005kJ/(kgK)，等容比热容Cv=0.716kJ/(kgK)，等质量燃气升高至相同温度时，等压膨胀会比等容膨胀需要更多的能量，因此为了进一步降低能耗，减少等压膨胀过程并增加等容膨胀过程成为目前动力机械的设计趋势。

发明内容

本发明针对现有技术中能源利用效率低的问题，使用具有旋转式的螺锥曲面的螺锥转子作为膨胀机构，利用其特有的连续可变封闭空间的容积变化来释放高温高压工作介质热能，可以提高热能利用效率的螺锥膨胀机构。

本发明的技术方案如下：

一对螺锥转子，其特征在于：包括具有凸齿的凸形转子、具有凹槽的凹形转子和具有双内锥面的外壳；所述凸形转子和凹形转子相向旋转且存在交叠区域，均具有沿旋转轴逐渐收敛的锥形外廓；所述凸齿和凹槽在锥面上自小端向大端螺旋延展；所述凸齿的曲面、凹槽的曲面和外壳的内表面共同构成连续、容积随旋转方向变化、封闭的工作空间。

所述凸齿和凹槽的齿形曲线为分别变换到同一个基准球面上的一对平面共轭曲线，所述平面共轭曲线和外廓弧线在三条曲线的两个交汇处无泄漏三角形。

所述凸齿和凹槽的曲面生成方法包括：

1）分别将一对共轭曲线与外包络相交圆弧曲线由平面映射到一个基准半径的球面上，形成球面上的连续变化封闭区域；

2）将映射在所述基准半径的球面上的所述一对共轭曲线向球心方向衍生出两组有限的不同半径球面曲线簇，所述球面曲线簇各自按螺锥母线函数关系和距离球心半径的比例关系排列，并沿共同轴线旋转角度旋转，即分别得到所述凸齿和凹槽的共轭曲面；

3）将映射在所述基准半径的球面上的所述外包络相交圆弧曲线向球心方向衍生出一组有限的不同半径球面曲线簇，所述球面曲线簇按距离球心半径的比例关系排列，形成具有双内锥面的外壳。

所述凸齿和凹槽的螺锥母线函数关系相同，如方程（1）所示：

x=α×θ×cos(θ)

y=α×θ×sin(θ) （1）

z=β×θ^γ

式中：

x、y、z为螺锥母线的坐标点

α为螺锥大端直径系数

θ为螺锥旋转角度值

β为螺锥长度系数

γ为螺旋升角幂指数

螺锥母线向x-y平面上的投影符合阿基米德螺线规律，z-θ展开为幂指数关系。

所述γ指数的值为1.2～3.0。

所述凸形转子的旋转轴与凹形转子的旋转轴交叉，夹角为25°～60°。

所述凸形转子和凹形转子之间及两者与外壳之间的偏差小于20微米。

所述凸形转子、凹形转子和外壳采用五轴联动数控加工中心制造。

所述凸形转子和凹形转子使用复合结构陶瓷材料制作。

使用所述一对螺锥转子的螺锥膨胀机构，其特征在于：所述螺锥转子的大端一侧设置同步齿轮箱。

本发明的技术效果如下：

本发明的螺锥转子基于一对能够形成连续可变空间的平面共轭曲线，并由此共轭曲线及外包络相交圆弧曲线分别延展为三维空间曲面的凸形转子、凹形转子及外壳，通过凸形转子和凹形转子的相向转动，在凸形转子、凹形转子及外壳之间形成连续变化容积的封闭工作空间。以热能形式存在的压缩空气、高温蒸汽、高压燃气等工作介质，在曲面的螺锥转子所形成的连续变化容积的封闭工作空间中通过容积增加来释放压力推动凸形转子、凹形转子相向转动，完成膨胀做功。

由上述的一对共轭曲线与外包络相交圆弧曲线构成了在平面上的连续变化封闭空间，且在三条曲线的两个交汇点处是严密的，不存在螺杆类变容机械齿形曲线所固有的“泄漏三角形”问题。因此在凸形转子、凹形转子及外壳之间形成的工作空间具有周向封闭的特点，可防止工作介质的泄露，使得热能利用效率进一步提高。

相比现有技术，由于在螺锥转子的凸形转子和凹形转子连续的转动过程中，工作介质直接完成进气、膨胀、排气过程，因此本发明没有单独的换气机构，也就避免了相应的机械损失。而且由于凸形转子和凹形转子在旋转中不存在强烈的机械冲击，因此可以使用复合结构陶瓷等耐热但抗冲击性差的材料，避免了为冷却零件工作温度所产生的热能损失。

附图说明

图1是本发明的一对共轭曲线与外包络相交圆弧曲线示意图

图2是螺锥膨胀机构的总成示意图

图3是本发明的螺锥转子总成立体图

图4是本发明的外壳的俯视立体图

图5是本发明的凸形转子和凹形转子在工作时的相对位置关系示意图

图6是本发明的凹形转子立体图，可以显示螺旋母线及变化的螺距

其中，1-凸形转子，11-凸齿，2-凹形转子，21-凹槽，3-外壳，31-进气口，32-出气口，4-工作空间，5-同步齿轮箱，51-主动螺旋锥齿轮，52-传动轴，53-被动螺旋锥齿轮，54-输出轴，6-隔热瓦。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

如图2、图3所示，本发明的螺锥转子包括相向旋转且存在交叠区域的凸形转子1和凹形转子2，以及将两者包裹在一起的外壳3。凸形转子1和凹形转子2为具有沿旋转轴逐渐收敛的锥形外廓的螺锥转子，与之相适应，如图4所示的外壳3具有双内锥面。凸形转子1和凹形转子2的旋转轴线交叉，两轴线的夹角为30°～60°角。如图5所示，凸形转子1的锥面上自大端向小端设置螺旋形延展的凸齿11，凹形转子2以同样的方式设置凹槽21，凸齿11的曲面、凹槽21的曲面与外壳3的内表面共同构成螺旋连续、容积随旋转方向变化、周向封闭的工作空间4。

如图1所示，凸齿11与凹槽21为分别变换到同一个基准球面上的一对平面共轭曲线，两共轭曲线与外包络相交圆弧曲线构成了在平面上的连续变化封闭区域，且在三条曲线的两个交汇点处是严密的，不存在螺杆类变容机械齿形曲线所固有的“泄漏三角形”问题。由此共轭曲线及其外包络相交圆弧曲线延展形成的凸齿11的曲面、凹槽21的曲面与外壳3的内表面共同构成的工作空间4具有周向封闭的特点，可防止工作介质的泄露，使得热能利用效率进一步提高。凸齿11和凹槽21曲面的生成方法包括：

1）分别将一对共轭曲线与外包络相交圆弧曲线由平面映射到一个基准半径的球面上，形成球面上的连续变化封闭区域；

2）将基准半径的球面上的一对共轭曲线向球心方向衍生出两组有限的不同半径球面曲线簇，球面曲线簇按螺锥母线函数关系和距离球心半径的比例关系排列，并沿共同轴线旋转角度，即分别得到凸齿11和凹槽21的共轭曲面。

3）将映射在基准半径的球面上的外包络相交圆弧曲线向球心方向衍生出一组有限的不同半径球面曲线簇，球面曲线簇按距离球心半径的比例关系排列，形成具有双内锥面的外壳3。

凸齿11和凹槽21的螺锥母线形成的方法相同，其中一条螺锥母线的图形如图6所示，母线函数关系式如方程（1）所示。

外壳3的小端设置与工作空间4小端连通的进气口31，大端设置与工作空间4大端连通的出气口32。当进气口31打开时，高温高压的工作介质从容积较小的小端进入工作空间4，之后封闭进气口31，将工作介质封闭在工作空间4中。高压工作介质具有膨胀的趋势，对凸形转子1和凹形转子2同时施加转矩推动两者连续相向旋转。当工作气体移到容积较大的大端时，膨胀过程结束，打开出气口32后低温低压的工作介质随之排出。当进气、膨胀、排气的过程循环重复，凸形转子1和凹形转子2也实现连续的相向旋转，内能不断转化为机械能对外做功。

由于凸形转子1和凹形转子2的曲面特征决定其不能传递动力，故需要同步齿轮箱5中的一对螺旋锥齿轮强制约束其相互运动精度。如图2所示，同步齿轮箱5中的主动螺旋锥齿轮51套接在由凹形转子2的锥形大端伸出的、与凹形转子2的旋转轴同轴的传动轴52上，被动螺旋锥齿轮53套接在由凸形转子1的锥形大端伸出的、与凸形转子1的旋转轴同轴的输出轴54上。凹形转子2产生的力矩通过第一传动轴52由主动螺旋锥齿轮51经被动螺旋锥齿轮53汇集到输出轴54上，而凸形转子1产生的转矩直接由输出轴54与凹形转子2产生的转矩汇集后一并输出。

本实施例中，主动螺旋锥齿轮51和被动螺旋锥齿轮53均优选格里森齿轮，凸形转子1、凹形转子2和外壳3与同步齿轮箱5通过隔热瓦6隔离，阻止高温传导对同步齿轮箱5的影响。凸形转子1和凹形转子2和外壳3的材料需要承受高温工作环境，对于高温蒸汽工作介质，可采用1Cr18Ni9Ti耐热钢材料；对于高压燃气工作介质，则采用氧化物与氮化物复合结构陶瓷材料。对于耐热钢材料，采用硬质合金刀具高速切削，对于复合陶瓷材料，则采用超声波振动加工技术。

凸形转子1和凹形转子2这两个螺锥曲面零件在建模时需要如CAD、CAM等三维设计软件支持，但由于凸形转子1和凹形转子2之间及其与外壳3之间有配合精度要求，偏差不超过20微米，而市场上的商品软件中的曲面成型模块尚未能满足这个级别的精度要求，所以需要自行编制专用工具软件，其产生的数据为数控机床能够识别的程序，使加工精度能够满足工艺条件要求。外壳3的毛坯采用失蜡法精密铸造为宜。凸形转子1、凹形转子2和外壳3采用五轴联动数控加工中心制造。

主动螺旋锥齿轮51和被动螺旋锥齿轮53的格里森齿轮需要使用专用齿轮机床制造，锻件毛坯采用低合金调质结构钢，调质热处理，完成精加工的齿轮付配对研磨，故齿轮不具备互换性。主动螺旋锥齿轮51和被动螺旋锥齿轮53的齿面采用高频表面淬火或者激光淬火工艺。同步齿轮箱5的箱体采用球墨铸铁材料或者铸造铝合金材料，同步齿轮箱5与凸形转子1、凹形转子2和外壳3之间的隔热瓦6采用硼酚醛树脂复合材料。

由于对于数字化设计和制造的曲面零件，无法采用传统的量具检测，因此对外壳3和同步齿轮箱5的曲面偏差测量可采用三坐标测量仪，而对凸形转子1和凹形转子2曲面的测量，则要采用非接触测量技术。

装配和调试时，首先组装传动轴52和输出轴54这两个轴组件，两个轴组件调整同步角度后装入同步齿轮箱5中，合箱后紧固穿钉螺栓，然后注入齿轮油润滑剂。调试采用压缩空气作为动力，由进气口51接压缩机输出管路，并连接压力表指示气压数据，输出轴54接转矩转速传感器检测输出力矩参数，并使用声强仪和振动传感器检测排放的噪声和振动。

以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (9)

1.一对螺锥转子，其特征在于：包括具有凸齿的凸形转子、具有凹槽的凹形转子和具有双内锥面的外壳；所述凸形转子和凹形转子相向旋转且存在交叠区域，均具有沿旋转轴逐渐收敛的锥形外廓；所述凸齿和凹槽在锥面上自小端向大端螺旋延展；所述凸齿的曲面、凹槽的曲面和外壳的内表面共同构成连续、容积随旋转方向变化且封闭的工作空间；

所述凸齿和凹槽的曲面生成方法包括：

1)分别将一对共轭曲线与外包络相交圆弧曲线由平面映射到一个基准半径的球面上，形成球面上的连续变化封闭区域；

2)将映射在所述基准半径的球面上的所述一对共轭曲线向球心方向衍生出两组有限的不同半径球面曲线簇，所述两组有限的不同半径球面曲线簇各自按螺锥母线函数关系和距离球心半径的比例关系排列，并沿共同轴线旋转角度旋转，即分别得到所述凸齿和凹槽的共轭曲面；

3)将映射在所述基准半径的球面上的所述外包络相交圆弧曲线向球心方向衍生出一组有限的不同半径球面曲线簇，所述一组有限的不同半径球面曲线簇按距离球心半径的比例关系排列，形成具有双内锥面的外壳。

2.如权利要求1所述的一对螺锥转子，其特征在于：所述凸齿和凹槽的齿形曲线为分别变换到同一个基准球面上的一对平面共轭曲线，所述平面共轭曲线和外廓弧线在三条曲线的两个交汇处无泄漏三角形。

3.如权利要求1所述的一对螺锥转子，其特征在于：所述凸齿和凹槽的螺锥母线函数关系相同，包括：

x＝α×θ×cos(θ)

y＝α×θ×sin(θ)

z＝β×θ^γ

式中：

x、y、z为螺锥母线的坐标点

α为螺锥大端直径系数

θ为螺锥旋转角度值

β为螺锥长度系数

γ为螺旋升角幂指数

螺锥母线向x-y平面上的投影符合阿基米德螺线规律，z-θ展开为幂指数关系。

4.如权利要求3所述的一对螺锥转子，其特征在于：所述γ指数的值为1.2～3.0。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一对螺锥转子，其特征在于：所述凸形转子的旋转轴与凹形转子的旋转轴交叉，夹角为25°～60°。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一对螺锥转子，其特征在于：所述凸形转子和凹形转子之间及两者与外壳之间的配合精度的偏差小于20微米。

7.如权利要求6所述的一对螺锥转子，其特征在于：所述凸形转子、凹形转子和外壳采用五轴联动数控加工中心制造。

8.如权利要求1或2或3或4所述的一对螺锥转子，其特征在于：所述凸形转子和凹形转子使用复合结构陶瓷材料制作。

9.使用如权利要求1～6之一所述的一对螺锥转子的螺锥膨胀机构，其特征在于：所述螺锥转子的大端一侧设置同步齿轮箱。