CN1038686A - 可作为泵、压缩机、推进器、发动机或涡轮机用的非变容式旋转机构 - Google Patents

Abstract

一种可作为泵、压缩机、推进器、发动机或涡轮机用的非变容式旋转机构，它至少包括一个盘绕成中空螺旋形的轮叶和至少一个绕其旋转轴线配置的叶片，半在从外部围住转子的圆形外壳内，叶片外缘前部安装所述轮叶，叶片和轮叶以不同的俯仰角但同时沿径向和纵向从旋转轴线延伸，圆形外壳设置在转子的上游，有压缩流体的构件，使流体先由转子的轮叶驱动，强迫进入圆形外壳所包容和压缩的环流，然后由转子的叶片导向成中心流动。

Description

本发明涉及旋转机械，特别是可作为泵、压缩机、推进器、发动机或涡轮机用的非变容式旋转机械，它利用流体的动能和离心力作功，或作相反的能量转换。

已知的如螺旋推进器、离心式或螺旋离心式涡轮机，在达到极限工况时，即转速显著增加的情况下会遇到众所周知的技术难题。所要求的净正吸入水头NPSH等于吸入口的最低绝对压力，它形成了泵的使用的限制条件，这清楚地说明了所遇到的这种障碍。采用其直径渐增的螺旋输送器，自从伦纳德·维希（Leonardo    da    Vinci）以来，已广为人知，借用这种螺旋状结构是人们熟知的防止液体汽蚀或气体在入口处过分膨胀的措施。

本发明涉及的旋转机械通过下列措施能减少上述的不足之处：

通过具有直径渐增的转子的螺旋输送器内部直接输送流体;

反作用的圆形外壳的强制作用，导向并压缩流体进入转子;

最后，通过新型的流体通道使输送和导向构件的前缘具有较好的空气动力性能。

这种类型的旋转机械至少有一个盘绕成中空螺旋形的轮叶和至少一个绕其旋转轴线配置的叶片。轮叶和叶片都安装在从外部围住转子的一个圆形外壳内，以形成流体入口并防止其漏泄。从第一个特征看，所述旋转机械包括一个转子，它至少有一个绕其旋转轴线配置的叶片，在该叶片外缘前部至少装有一个盘绕成中空螺旋形的轮叶，轮叶和叶片以不同俯仰角同时沿旋转轴线径向和纵向延伸。所述旋转式机械还包括一个圆形外壳，它配置在转子上游，具有压缩流体构件，以形成流体的入口，防止流体漏泄并使流体受到压缩。所述的流体一方面由转子的轮叶驱动成圆周流动，另一方面由转子的叶片导向成中心流动。

从本发明的其它特征看：

轮叶前缘的旋转面在对称轴线两侧的外廓形状，由在转子后部一段明显与轴线平行的直线段或略呈锥形的线段，和之后在转子前部延伸的一段收敛线段形成。

每个叶片在最靠近轴线的起点处和轮叶相交，然后二者一起移动一段距离。

轮叶的俯仰角随着其离开轴线而减小。

叶片的外缘是沿转子的旋转方向弯曲的，而轮叶一方面其外前缘朝转子后部弯曲成尖端状，以提高流体圆周向流动的穿透性，另一方面轮叶的内缘也朝转子后部弯曲成尖端状，以有助于使圆周向流动转变成中心流动。

转子的叶片限定在轮叶之间的空间中，其前缘径向延伸且在轮叶的根部和顶部间的一部分圆周上，以将流体的圆周向流动导向后部。

轮叶的径向部分可在叶片的延伸部分前部位置减小或消失，接着重新增大或重新出现，然后连接到下一个叶片上。

叶片内侧可连接在转子的轴上，其直径沿其轴线扩大，以形成一种封闭式或半开式涡轮。

按照一种最佳的实施方法，叶片是伸出转子的后部的，轮叶具有较大的直径，以形成一种离心式涡轮，而叶片的端部侧向朝外，且在涡轮出口位置处具有相对旋转轴线倾斜的后表面。

根据该旋转机械的第一个实施例，从外面围住转子的圆形外壳是固定的，且形成一个流体进入转子的轴向入口，其内部至少固定有一个导叶，使流体沿圆周方向流动。该轴向入口与例如输送流体的构件通过法兰连接。

根据第二个实施例，圆形外壳是用例如贯穿转子的轴驱动旋转的，从外面围住转子，形成一个螺旋形入口。入口处设有至少一个扭曲导叶，利用输入流体的动能和所述内导叶向后倾斜的形状，迫使流体产生环流，与转子的圆周向流动相衔接。

根据第三个实施例，圆形外壳除了固定的轴向入口外，还包括一个由例如贯穿转子的轴驱动的旋转叶轮，该旋转叶轮设有支承盘绕成螺旋形的轮叶的叶片，其内部具有与转子轮叶前缘旋转面形状严格相符的形状，该叶片被限定在轮叶之间的空间中，其前缘径向延伸且在所述轮叶的根部和顶部间的一部分圆周上，使流体的圆周向流动导向后部。从总体上说，轴向入口的导叶使流体沿圆周方向流动，然后所述的叶轮压缩流体，迫使流体进入其轮叶之间，同时其叶片使流体增压进入转子。

从其他特征看，圆形外壳在转子轮叶最大直径的区域最好具有圆形构件，例如圆筒，锥环，孔腔等。

转子的叶片和外壳的导叶的数量可以是不相同的，以避免因谐振流体流动而可能产生的谐波噪声。

这种旋转机械可以在转子的后部设置扩压器，以改变流体的流动方向，使反作用力达最佳状态。

设置了一个固定的腔室，它在圆形外壳外延伸，超过其前部，然后再朝圆形外壳内部弯曲，以形成喷射器。喷射器可以用（也可以不用）一个包围整个机械的外罩构成，其两端伸出该旋转机械的前部和后部，然后朝内部弯曲，遮盖住整个机械，在前部形成第二个喷射器，在后部形成一个抽取流体的构件，将流体输送给第二个喷射器，以在流体流入的位置施加一个诱导作用。

圆形外壳的导叶在前部中央位置与转子轮叶前缘的旋转面离开，甚至在这个部位没有导叶，以形成一个中央开口，特别是没有轴的情况下更应如此。

转子轮叶前缘的旋转面外廓线的平直段，圆形外壳的圆形构件，在转子后部至少是半封闭的离心涡轮前盖板前部的公知密封环（也可不设）和固定腔室的后孔腔（也可不设）相互叠置在一起，且具有调整间隙。

这种旋转机械能用作推进器或发动机。这时离心涡轮的通道配置有与流体源连接的喷射器和/或供电电极。

最好设置由通过缩径孔口与压力流相通的槽构成的液压轴承。在旋转的圆形外壳的情况下，它配置在转子后部至少为半封闭的离心涡轮前部公知的密封环的孔腔中;或者在带旋转叶轮的固定圆形外壳的情况下，它设置在位于固定轴向入口后部的孔腔中，用以分别调节旋转外壳的后部或旋转叶轮（140）的后部。

下面参考附图和实施例对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制。为了易于理解极复杂的形状，用简化了的基本几何构件叙述这种旋转机械。实际上，构件的形状是经过圆滑过渡和侧圆的，以使流体易于流动。

参照下列附图：

图1是本发明的旋转机械的底视图;

图2是转子的垂直截面图和图1所示旋转机械圆形外壳的截面图，并示出了平板形扩压器出口;

图3是该旋转机械的顶视图;

图4示出了一个叶片的实施例和几个相应的截面;

图5表示一种在后部具有平直段的转子外廓形状;

图6是轮叶的正视图和底视图，并示出几种相应的截面;该正视图示出俯仰角随直径增加而增加的变化情况;

图7是具有限定于轮叶之间空间中的叶片的转子视图;

图8和图15以一个截面和底视图表示具有螺旋形入口和扭曲导叶的外壳;

图9为一种旋转推进器的垂直截面图;

图10是变换成离心式涡轮机的一种转子，其叶片具有朝后部并相对旋转轴倾斜的端部，以底视和垂直截面图示出。

为了易于理解下列附图，前面已详细叙述过的构件，以所覆盖的旋转体的截面予以表示。

图11是一种具有固定圆形外壳的旋转机械，导叶与转子离开，且从中央消失;

图12是一种具有旋转圆形外壳由贯穿转子的轴驱动的旋转机械，还能看到电极、喷射器、腔室和具有喷射器、带调整间隙的密封件及液压轴承的固定外壳;

图13示出了一种其圆形外壳有固定轴向入口和由贯穿转子的轴驱动的旋转叶轮的旋转机械，也示出了带调整间隙的密封件和液压轴承;

图14示出转子上径向轮叶（12）的消失和重新出现。

参照这些附图，说明这种旋转机械的构成：

螺旋形状的叶片11和在叶轮前部成螺旋形盘绕的轮叶12构成转子10。叶片11和轮叶12在转子10前部30处汇合，这样，只有最少量的边缘能扰动到达转子（10）中央的流体流动。

遮盖叶片11的轮叶12的前缘，其直径沿箭头指向同时径向和纵向逐渐增大，进入并堵塞间隙不使流体向外漏泄。

围住转子10的起反作用的圆形外壳14不使流体漏泄，且对流体进行压缩。为此，配置了压缩构件。要注意的是，叶片11和轮叶12分离之后，流体在转子10内有二条漏泄通路：或者通过直径立即增大的轮叶12内侧的空间，直接通过转子10;或者在轮叶12间流动漏泄。如果转子10的后部至少局部被堵塞，那么唯一的漏泄就在外部，但由于圆形外壳14阻止向后径向膨胀，所以存在局部过压，迫使流体进入转子10内的趋势。上述构件在图1、2和3中示出。

由于叶片11和轮叶12的翼缘具有尖的形状，从流体流动的意义上说，更有助于流体进入间隙。叶片11的前缘50在轮叶12之间延伸，后部或者向后倾斜到流体中或者加宽与一个互补的构件相连接，例如与一个颊板相连接。轮叶12的外前缘51的尖锐程度是综合考虑接受和排斥流体的程度来决定的，其内缘52是使外部流体引入内部和内部流体导向的构件。轮叶12的叶体在外缘51和内缘52之间的形状最好在后部为凸形，在前部为凹形，以推动流体，辅助所述外缘51和内缘52起作用。图4和图6说明了上述的情况。

轮叶12的前缘的回转面的外廓形状有一段平直段20，它位于转子10的后部，明显与轴线平行，通过位于其对面的密封环保证密封。所述回转面的外廓形状然后朝前部21收缩，最好是半球形，但根据欲要解决的技术问题的不同参数，也可选择圆锥形、卵形，甚至局部与转动轴线垂直的各种形状。图5是其外廓形状的一种实例。

在一种具体的构件中，转子10的叶片11只装在轮叶间的空间60中，它们在一部分圆周范围内在轮叶间径向延伸，将轮叶12机械地固定在一起，促使流体流入转子10内部，或将流体带推回到圆形外壳的压缩构件中。图7是这种类型的结构。

当叶片11超出轮叶12的后部和最大直径部分时，流体受到附加的离心力的作用，则转子10成为离心涡轮90，叶片11的端部将流体甩到外部。在一种最佳方案中，叶片的端部向后部91取向，这种涡轮可以是封闭式也可以是开式，它装在一个机体内，流体排至其后部。为了使流体受离心涡轮旋转的附加作用，各叶片11的端部最好相对回转轴线具有相同的斜度92。图10是上述情况的一个实例。

因为离心叶轮入口的流体速度，中心部分比外壳14的圆周部分更大，轮叶12的倾斜度是该速度的函数，所以轮叶12的俯仰角随着远离轴线而减小。

根据图14对应于敞开的画阴影线部分，轮叶12的径向部分在叶片11延伸部分的前部71减小或消失，然后再重新增长或重新延伸，连接到下一个叶片11上，以便使叶片11背面获得较好的填充。

叶片11的内部或后部可以与轴固定，其直径加大并形成类似盖板的颊板，这样就形成开式或半开式离心涡轮。为避免谐振流体流动产生的谐波噪音，叶片11和导叶101的数目可以不同。为了使流体定向流动和其反作用力最佳，在该回转机械的后部配置有扩压器130。这种回转机械如没有反作用的圆形外壳是不可能有效率的。

固定的外壳有一个前轴向入口100，最好装有导叶101，它形成内通道，并沿转子的转动方向逐渐倾斜。一种有意义的方案是，使转子10的导叶101后部170离开甚至去掉中分部分，以形成一个开口171。流体通过管道输送到中心，一般来说是不大受扰动的。导叶101在最靠近轴线处，由于所要求的材料的制造精度而产生的缺点超过本希望在该中心部分较好导入流体的优点。这种利用导叶101和转子10之间较大的空间使流体具有的自由度，能够在导叶101间形成的通道中变换流体的流向，尽管效率较低，但较灵活。固定的圆形外壳14通常通过例如法兰102用与流体供给构件固定的衬垫和/或本体封闭起来。图11为这种方案的实例。

在图12所示的方案中，圆形外壳是回转的，它的螺旋形入口121是由扭曲的导叶122构成的，它可以通过例如贯穿转子10的一个轴120驱动。如果是通过外部而不是通过中心轴驱动的话，则回转的圆形外壳14的导叶122将在中部开孔，以易于使流体优先流入这个区域。在转子10轮叶12的后部170使回转的圆形外壳14的导叶122离开，也是一种可行的提高系统“水力”灵活性的方案。

这种圆形外壳14的第三种形式在图13中示出，其构成从前部开始有：

如前所述，固定的圆形外壳14有一个轴向入口100;

旋转叶轮140由最好能贯穿转子10的轴141驱动，并从外部罩住所述转子;

叶轮140的构成如下：

盘绕成螺旋形的轮叶143具有前述轮叶12共同的特征，在轮叶间配置有叶片11。

流体通过轴向入口100进入，并由固定的圆形外壳14的导叶101偏流，使流体按叶轮143转向相同的方向朝圆周区域流动，这样，流体被压缩，并在轮叶之间空间的叶片142的帮助下进入叶轮的轮叶143之间。在叶轮140的作用下，流体以所希望的过压状态送到转子10。图7、9、11和13示出了实施该方案的实例。

特别补充两点：

靠近转子10的轮叶12的顶部，有一个平直段20，圆形外壳14还可能有一些变型方案。我们能够看出，叠置的环形表面151，孔，环等，都能借助调整间隙181保证密封。

离心涡轮90前盖板上公知的密封环180，叶轮140的后部和围住圆形外壳14的固定腔室160的孔也与之有关。

尽管如此，这种在圆形表面之间以细小间隙进行的密封决不是完全的密封，尽管设置了迷宫密封，仍会有漏泄。固定的腔室160在喷射器161的帮助下再次能使这些漏泄的流体重新返回圆形外壳14的前部，并加以利用。喷射器161在圆形外壳14前部是弯曲的;吸出的流体利用了喷射器161产生的诱导作用，有助于诱导所述流体。

盖住整个回转机械的固定外壳162具有辅助作用，因为它能作为第二个喷射器163。后者在离心涡轮90出口处借助抽取装置164获得其驱动流体。抽取装置164可以说是一个反向喷射器。图11、12和13示出了这种布置的实例。

这种回转机械通过利用前后表面之间的压差所产生的力，可用作一种推进器。例如借助离心涡轮通道中的喷射器190和电极191喷入和点燃燃料可使输出速度大为增加。这些喷射器190和电极191能起其他作用，例如混合液体，改变局部带电条件等。这些元件已在图12中示出。

最后，配置在离心涡轮90前盖板前部的公知密封环180，或装有叶轮140的固定轴向入口100后部的孔腔，最好设置通过校准孔201提供压力流体的由槽200构成的液压轴承，其目的在于使该密封环呈现相对的机械稳定，因为圆形外壳14在转动时，无论有螺旋入口121，还是作为一种叶轮140，都会在远离圆形外壳14后部位置找到其与轴的固定点。

因此，这种机械从整体上得到较好的稳定。相对的调整还能避免有害的摩擦。这些不同的构件已在图12和13中示出了。

不管用何种方式，本发明并不限于已叙述和涉及到的几种可能实施的方案，相反，还包括了其构思范围内能实现的有关变型。特别是增加一些冷却装置能降低循环流体的温度。而所有用于实现离心泵和压缩机的公知方案对本发明都是有帮助的和可以应用的。附加的有助于获得较好的内部流动的空气动力性能的间隙可以大大改善这种回转机械结构的刚性。因此，必须承认，在保留回转机械上述基本部分总的特征的同时，从流体流动常规的和固有的规律引出的形状变型，也将是本发明的一部分。

根据本发明的回转机械、泵、涡轮机和推进器等，可以采用模铸或失蜡铸造工艺。将分开的构件例如冲压薄钢板件装配而成的方案也是适当的。金属、复合材料、塑料及其混合材料均可使用。

本发明的回转机械的应用涉及到所有气体、液体或粘性流体的输送，特别是涉及真空泵、空气压缩机、蒸汽的再压缩。一般说来，所有处于绝对低压或饱和蒸汽压的流体都是适用的。因为是通过吸入和输出面之间的压差和速度差将能量转换为力，所以凡是要应用力的地方都能采用这种回转机械，如伺服控制、压力的产生、物流的输送等。附加的喷射器和电极能实现有关成份（流体、燃料、燃烧剂、电等）间的相互反应，并能将该回转机械用作推进器或发动机。

Claims (20)

1、一种可作为泵、压缩机、推进器、发动机或涡轮机用的非变容式旋转机械，它至少有一个成中空螺旋形盘绕的轮叶和至少一个围绕该机械旋转轴线配置的叶片，轮叶和叶片都在从外部围住转子的圆形外壳内，以形成流体的入口和防止流体泄漏，其中，一方面，在所述叶片(11)外缘的前部装有所述轮叶(12)，两者都以不同的俯仰角同时从旋转轴线沿径向(15)和纵向(13)延伸，另一方面，设置在转子(10)上游的圆形外壳(14)具有压缩流体的构件，向后缩小流体可流通的相对空间，这样，所述流体首先由转子(10)的轮叶(12)驱动，强迫进入圆形外壳(14)包容和压缩的环流，然后由转子(10)的叶片(11)导向成中心流。

2、根据权利要求1所述的非变容式旋转机械，其中轮叶（12）前缘的旋转面的外廓形状，在其对称轴的两边，由在转子（10）后部的一段明显与轴线平行的平直段，和之后在转子（10）的前部延伸的一段收缩段组成。

3、根据上述权利要求中任一项权利要求所述的非变容式旋转机械，其中每个叶片（11）在其最靠近轴线的起始位置和轮叶（12）相交，然后二者一起移动一段距离。

4、根据上述权利要求中任一项权利要求所述的非变容式旋转机械，其中轮叶（12）的俯仰角随着其离开轴线而减小。

5、根据上述权利要求中任一项权利要求所述的非变容式旋转机械，其中叶片（11）具有在轮叶（12）之间延伸，并沿转子（10）的旋转方向弯曲的周边（50），而其中的轮叶（12），一方面其外前缘（51）朝转子（10）的后部倾斜成尖端状，以改善流体圆周向流动的穿透性，另一方面其内缘（52）也朝转子（10）的后部弯成尖端状，以易于使圆周向流动转变成中心流动。

6、根据权利要求5所述的非变容式旋转机械，其中转子（10）具有限定于轮叶间空间（60）中的叶片（11），其前缘径向延伸，并在轮叶顶部和根部之间的空间中的一部分圆周上，以便将流体的圆周向流动导向后部。

7、根据权利要求5和6所述的非变容式旋转机械，其中轮叶（12）的径向部分在叶片（11）延长部分的前部位置（71）处减小或消失，然后再重新增大或重新延伸（71），并连接到下一个叶片（11）上。

8、根据权利要求5或7所述的非变容式旋转机械，其中叶片（11）的内侧固定在转子（10）的轴（81）上，其直径沿其轴线加大，以形成封闭式或半开式涡轮。

9、根据权利要求1至5以及7和8之一所述的非变容式旋转机械，其中叶片（11）伸出转子（10）的后部和轮叶（12）的最大直径处，以形成一种离心式涡轮（90），其中所述叶片（11）的端部侧向朝外，并在涡轮机出口处有向后的且相对旋转轴线倾斜的端面。

10、根据权利要求1所述的非变容式旋转机械，它包括一个固定的圆形外壳，从外部围住转子（10），并形成流体进入转子（10）的轴向入口（100），其中所述外壳的流体压缩构件是通过将导叶装置（101）固定在圆形外壳内部构成的，该导叶（101）具有凹状后部圆形形状，至少部分围住轮叶（12）或叶片（11）的凸状旋转面，然后使流体沿圆周定向流动，所述的轴向入口（100）用法兰（102）连接在例如供给流体的构件上。

11、根据权利要求10所述的非变容式旋转机械，其中叶片（11）和导叶（101）的数量不同，以避免由谐振流体流动产生的谐波。

12、根据权利要求1所述的非变容式旋转机械，其中圆形外壳（14）是旋转的，并由例如贯穿转子（10）的轴（120）加以驱动，从外部围住转子（10），形成螺旋形入口（121），该入口（121）有流体压缩构件，其内至少有一个扭曲的导叶（122），它通过输入的动能和所述内导叶（122）向后倾斜的形状，迫使产生压缩的环形的圆周向流动同转子（10）的圆周向流动相衔接。

13、根据上述权利要求之一所述的非变容式旋转机械，其中在该机械的后部配置有扩压器，使流体定向流动，并使反作用力达到最佳状态。

14、根据权利要求1、10和11所述的非变容式旋转机械，其中圆形外壳（14）除了固定的轴向入口（100）之外，在轴向入口（100）和转子（10）之间配置有由例如贯穿转子（10）的轴（141）驱动的旋转叶轮（140），其叶片（142）支承成螺旋形盘绕的轮叶（143），其内部形状与转子（10）的轮叶（12）前缘的旋转面形状严格相符，该叶片（142）限定在轮叶（143）之间的空间中，其前缘径向延伸且在所述轮叶的根部和顶部之间的空间中所述轮叶（143）之间的一部分圆周上，使流体的圆周向流动导向后部，这样，轴向入口（100）的流体压缩构件的导叶（101）能使流体沿圆周向定向流动，于是，所述叶轮（140）压缩流体，迫使其进入其轮叶（143）之间，而叶片（142）使流体增压进入转子（10）。

15、根据权利要求1、10、12和14中任一权利要求所述的非变容式旋转机械，其中位于转子（10）的轮叶（12）最大直径区域的固定外壳（14）最好由例如圆筒形、锥形环，孔腔之类的圆形构件构成。

16、根据权利要求1和10至15中任一权利要求所述的非变容式旋转机械，其中固定的腔室（160）围住圆形外壳（14），并延伸出它的前部，再朝它的内部弯曲，以形成喷射器（161），该喷射器可用（也可不用）一个封住整机的固定壳体（162）构成，其两端边缘伸出该机械的前部和后部，并向里弯曲盖住整机，朝前部形成第二个喷射器（163），以便在流体入流处增加诱导作用。

17、根据权利要求10至15中任一权利要求所述的非变容式旋转机械，其中在前部中央位置处，圆形外壳（14）的导叶（或叶片）（101）、（142）与转子（10）的轮叶（12）的旋转面离开，甚至不设导叶（或叶片），以形成一个中央开口（171）。

18、根据权利要求1、2、9、14和15所述的非变容式旋转机械，其中转子（10）的轮叶（12）前缘的旋转面的外廓线的平直段（20）、圆形外壳（14）的圆形构件（151）、配置在转子（10）后部至少为半封闭式离心涡轮（90）的前盖板前部的公知密封环（180）（也可不设）和固定腔室（160）的后孔腔（也可不设）是彼此叠置在一起的，且有调整间隙（181）。

19、根据权利要求1和9所述的非变容式旋转机械，它可用作推进器，其中离心涡转的通道装有与流体源相连接的喷射器（190）和/或送电电极（191）。

20、根据权利要求9和18以及权利要求12或14中之一所述的非变容式旋转机械，其中设有一个通过缩小截面的孔（201）与压力流相通的槽结构（200）液压轴承，它或者在配置于转子（10）后部至少为半封闭的离心涡轮前部的公知密封环（180）的孔中，或者在位于固定轴向入口（100）后部的孔中，用以分别调节旋转圆形外壳（121）的后部或叶轮（140）的后部。

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