CN104011375B - 具有一个或多个带有被强制引导的可运动的叶片的叶轮的流体动力机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种流体动力机，包括一个壳体(2)、至少两个由壳体(2)可转动地容纳的叶轮(3、4)、至少两个可转动地设置的叶片(6)，所述叶片沿所述至少两个叶轮(3、4)的圆均匀分布并通过与相应叶轮的轴平行的轴支承。根据本发明，每个叶片轴(6)与一个调节件(22、23)相连接，所述调节件通过四连杆机构能相对于第二叶轮(4)的轴移动，所述四连杆机构位于垂直于叶片轴的平面中并且主要由固定在叶片的轴上的四连杆机构臂组成，其中一个四连杆机构臂铰接在叶轮的底部上，而另一个端部经由连接轴与第一四连杆机构臂的端部连接，其中铰接在叶轮的底部上的臂被强制引导地铰接在一个滑块上，所述滑块在固定在调节件上的导向件中可移动，其中与叶轮的转动相结合的滑块‑导向件系统允许以按一曲线进行的协调的进程对相应的叶片进行控制，所述曲线能够类似于正弦曲线地以与叶轮的分度圆重合的轴线变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有至少一个带被强制引导的叶片的叶轮的流体动力机。
背景技术
在2008年07月30日公开的意大利的专利申请BZ 2008 000 030中说明了这种流体动力机。在该申请中，每个叶片轴经由传递器件与在叶轮轴上可转动的套筒相连接。同样在该申请中，该传递器件通过固定在每个叶片的轴上的锥齿轮、通过与该锥齿轮啮合的锥齿轮、通过承载后一个锥齿轮并且被叶轮可旋转地支承的杆件、通过被杆件固定承载的叶轮和固定地由套筒承载的锥齿轮形成。以这种方式和方法，叶片可这样地定向，即所述叶片在工作轮绕其轴的转动中由流体以高效率绕流。现在已经发现，在流体内部的单个叶片的定向可以是多样化的，以便从流体或在流体中获得与转速无关的推力。
发明内容
因此，本发明的目的是找到各叶片协调定向的其他方案并且同时将流体动力机的结构设计得更为紧凑和尽可能简单。
该目的通过具有权利要求1的特征的、被强制引导的叶轮的流体动力机来实现。
定向运动通过使每个叶片轴由杠杆和杆件构成的四连杆机构单独地与一个相对于叶轮轴可运动的构件相连接来实现，所述四连杆机构位于垂直于叶片轴的平面中；其中，四连杆机构的一个臂对于叶片轴是固定的，四连杆机构的另一个臂在一个端部铰接在叶轮的一个平面上，而该臂在另一个端部与叶片的臂通过连接杆相连接；其中铰接在叶轮的平面上的臂经由一对被强制引导地铰接在调节件的整体上和可运动的滑块导向件发生运动。显然，对于每个叶片，除了调节件，重复使用相同类型的包括杆件和杠杆的四连杆机构和滑块导向件。安装在相应的、属于调节件的支承环上的导向件的同时发生的带动转动以与相对于相应叶轮的运动的重合的运动通过杠杆和杆件的几何结构确保，所述几何结构保障其沿所有方向的自由的偏心运动。此外，显然，同样的机构和铰接对于每个叶轮相互协调地重复使用。
在第一实施例中，调节件由一种打孔的钟形件组成，所述钟形件经由球体容纳部支承并铰接在机器的壳体上，所述球体容纳部允许钟形体沿所有方向摆动。其中(两个或更多个)驱动器件本身既铰接在机体上也铰接在钟形体上，并且设定成，利用摆动运动调节同一个驱动器件，所述摆动运动具有位于机器的中心轴上的假想的转动中心，并且设计成，所述运动可以通过精确和确定的运动偏心地(单独地)定向。
在钟形件上滑动地设置双支承环，所述双支承环将摆动运动转换到径向方向，该径向方向位于一个垂直于机器的中心轴的平面上。双支承环本身向外承载用于每个叶轮的径向支承件，在所述支承件上固定地安装有四连杆机构的每个叶片的相应的所有导向件滑块。
在第二实施例中，没有上述钟形件，支承环不是双重的，而是单一的，并且虽然所述支承环可以维持在平行于机器的中心轴的轴上，该支承环可以受到在垂直于机器轴的平面上的可控制的离中调节或偏心的运动。所述支承环朝其内部的方向用环形板补足，所述环形板具有四个直的、相互垂直的并且正交于支承环的中心的且间距相等的长孔；滑块在这些长孔中运动，所述滑块设计成用于支撑支承环自身并使其运动；每个滑块另一方面在其中心通过一个小轴支撑和运动，所述小轴与平行于的支承环的轴的轴铰接。该小轴固定在一杠杆上，同时能进行弧形的、平行于支承环的调节平面的运动，所述杠杆通过一个轴安装和运动，所述轴具有平行于机器的中心轴的轴线；该轴旋转并通过固定在机器的结构上的容纳部支撑，在轴的上部中固定第二杠杆，所述第二杠杆又通过铰接在机器的结构上的驱动装置运动。显然，该杠杆和轴系统重复用于每个长孔。为了优化地设计支承环的调节，设置四个协调运动的驱动装置。支承环在外侧部分上承载形式和功能与在调节件的第一实施例中相同的径向的支承件。
在定向的第三种可能的控制方式中，可以在调节件的上部中设置两个相互垂直的长孔，所述长孔通过两个铰接在机器壳体上的驱动装置沿两个平行于支承环的调节运动的平面与调节件夹紧滑动被引导地运动。两个长孔的组合的运动合成所期望的偏心运动。调节件通过长孔系统本身支撑。
所述流体动力机在其整体上可与带有垂直于流体的流向的轴并且以通常两个(也可以是一个或多个)同轴的叶轮(同心地或相对置地)工作的慢速涡轮相似。
所述流体动力机被制造成用于产生推力或为了在其作用的流体(通常为水)中获取最大量的动能；该特征在于能够与方向无关地(然而可控制地)并且与转速无关地将施加的功率从零到最大量进行定量调整。
每个叶轮包括一个圆形的旋转体并且具有一定数量的(两个或更多个)叶片，所述叶片设置在设想的圆上并且彼此间隔开，该圆的直径被当作叶轮的分度圆直径。
在每个叶轮上，叶片设置成具有最佳的流体动力的横截面，并且每个叶片在其自身的平行于流体动力机的中心轴的转轴上以平滑和交替的运动沿所有两个方向可定向并且通过(技术上已知的各种不同的)机构的几何结构控制，所述几何结构被设置和制造用于同时确定每个叶片相对于其他叶轮所承载的叶片的精确的角度位置，并根据流体的流向确定。所有机构涉及一个单一的中心的支承环，所述支承环适宜地定向地允许实现同时的相应的角度定向，并且与叶轮的单独的转动运动无关。
运动的机械连接可以根据适宜的设计要求选择，唯一的前提是，所述运动的定向角度根据所承担的推力或流体中动能的获取和在不同时刻相对于本身的叶轮的转动占据的位置来保持。每个叶片的运动是与流体的角旋转协调的并且没有突然的重新定向，因为所述运动是通过遵循假想的曲线(正弦曲线的)而实现的，所述曲线可以与一个凸轮的曲线同步，所述凸轮的形状根据尺寸和对控制的调节而变化，并且按用于对所承担的或者在流体中吸收的能量进行比例分配的定向进行。附图示意性并且示例性地示出机械传动装置。
对每个叶片的定向进行组织编排，以使它们绕自己的轴线沿两个方向转动一定角度并且与其本身的叶轮的转动相协调地转动。这同时适用于相应的叶轮的分度圆上的所有相关的叶片。
两个叶轮分别相互反向地转动。这有助于实现不同的优点：有效地避免对于流体反作用的扭转合力，所述扭转合力倾向于易于将整个流体动力机也相对于承载该流体动力机的基座转动；将叶片的不同的拉力的合力集中在转轴的区域内，其中使得以用一个单一的流体动力机，而不是两个相对放置的且反向转动的流体动力机；不产生偏离加载方向的侧移效应；允许使用较短的叶片以及因此有限的结构负载。
具有较大直径的叶轮的转动角速度通常比直径较小的叶轮慢，以获得叶轮之间的基本上相同的圆周速度，所述圆周速度与相关的流体的动力成比例。每个单独的叶轮的角速度可以是独立的或与两个叶轮之间的精确比例相协调的。因此，根据具体情况，可以由此以差动的或按比例关联的关系进行两个力输出/输入的自由配设关系的机械式的选择。
两个叶轮的反向旋转有助于实现在叶片上的成斜角的动态力，该力根据其位置和斜度、并且在相关的流体部分转向的情况下，以协同的、改进的效应将流体引到一个叶轮和另一个叶轮之间相邻和相继的叶片上，直至完全地穿过系统。(叶片)形状是流体动力学的轮廓，具有在两个叶片组之间对于每个叶轮可以改变的尺寸。流体动力机的尺寸、叶轮的尺寸，以及叶片的尺寸、形状和数目，取决于预设的功率、流体的物理特征和工作环境。因此根据合适的和目标设定的设计选择机器的结构材料。
所述流体动力机通常设定为用于带竖直轴的运行方式，但它可以结合任意的设置方式和角度位置使用，唯一前提是，轴正交于流体方向。因此相对于其它机器，其优点是，方便地即使对于以全部功能和全力运行的机器也只对叶片进行定向，而无需总体定向，对操作、尺寸以及结构具有速度动力学的显著优点。
如果对叶片进行的调整和定向有作用，则流体动态的力可以设为任意大小，可以独立地沿360度任意方向设置。即使当马达转数恒定时，效能也总是在轴中心上能连续地从零到最大值调整，并且由于在叶轮的转动的运行中，叶片始终规律和和谐地振动(不会返回剧烈的新角度定向)，而不存在振荡。运动的和谐与流动性可以允许相对于其他系统提高可能的转速。
附图说明
其他特征和细节可由权利要求和由附图得知。图中
图1示意性地示出在第一实施例中在轴向横截面中的根据本发明的流体动力机，
图2示出一横截面，即垂直于图1中的轴轴线的截面，
图3示意性地示出在第二实施例中在轴向截面中的根据本发明的流体动力机，
图4示出图3的横截面，
图5和6示出在内叶轮的和外叶轮的两个不同的工作位置中的根据本发明的流体动力机的示意性的端面视图，
图7示出图5的细节的示意性的视图，
图8和9示意性地示出的带有滑块的控制连杆机构的、外或内叶轮的局部端面视图，
图10示意性地在视图中示出图4中的细节X，以及
图11示意性地、视图式地示出用于带动滑块之导向件支承环与相应的叶轮的转动一致的叶轮的连杆机构。
具体实施方式
如图中所示，根据本发明的流体动力机整体以附图标记1示出。在该流体动力机中，叶轮3和4在运行中受到支撑。流体动力机自身又可以根据工作的分配用在固定的或活动的结构上。
流体动力机1具有壳体2，该壳体延长的部分包含机械的力输入装置，叶轮的旋转装置和叶片定向的中央协调装置。
在壳体2中容纳外工作轮3和内工作轮4，所述外工作轮和内工作轮彼此同心。所述外工作轮和内工作轮彼此也可以被相对置地设置。各叶轮具有承载叶片6的轴圆环5。外叶片3适宜地可转动地通过设置在壳体2中的轴承支承。内叶轮4相反可转动地由轴承8承载，所述轴承在较大的叶轮上设置成，使得较小的叶轮4能在较大的叶轮4上转动。外叶轮3经由锥齿轮副9上与外界连接。(传动)比例根据预设的角速度并且与内叶轮4相关地设计。内叶轮4由轴14移动并且可转动地经由锥齿轮副10与外界相连。传动比例根据预设的角速度并且与外叶轮3相关地设计。
锥齿轮副9与外叶轮3的力和转动输入小齿轮11连接，而锥齿轮副10与内叶轮4的力和转动输入小齿轮12连接。驱动轴的齿轮13与小齿轮11和12啮合。与各叶轮的输入小齿轮的比例根据预设的角速度地设计。对于相应的叶轮的转动方向，有针对性的配合是重要的。可以预设每个叶轮单独的驱动输入或差动配合。
内叶轮4固定在中心的连接轴14上，所述连接轴固定地承载锥齿轮副10的锥齿圈。
在定向和运动钟形件17上设置球关节支承环15。所述球关节支承环通过壳体2支撑并且使钟形件17的摆动能够沿所有方向进行。它不允许钟形件在自转，而是允许其绕控制钟形件17的定向旋转点16的摆动。
铰接在15上的运动钟形件经由铰接的118通过驱动装置35控制，所述驱动装置通过它们组合的运动确定精确的、良好地控制的振动。
球关节支承环19在钟形件17的基座上承载相应的环20和21，在它们之间设置的支承件220固定在支承环19的外侧上。在为外叶轮3预设的环20上，分别固定有导向件22，杠杆机构25的杠杆在所述导向件中滑动，所述杠杆机构与外叶轮3的每个叶片6连接。
在环21上分别固定用于内叶轮9的导向件23，杠杆机构26的杠杆在所述导向件中工作，所述杠杆机构与内叶轮4的每个叶片6相连接。
外叶轮3的导向件22(每个叶片一个导向件)使得叶片的杠杆24能够受控制沿两个方向进行运动，而不与在叶轮的平面上的其他方向干涉。
内叶轮4的导向件23(每个叶片一个导向件)使得杠杆27能够受控制地沿两个方向进行运动，而不与在叶轮的平面上的其他方向干涉。
用于使外叶轮3的叶片运动的杠杆机构24(每个叶片一个杠杆机构)通过相应的导向件22操作，其中在叶轮的各旋转分量中控制叶片的角度。所述杠杆机构在相应的叶轮上固定在旋转点中。
用于带动支承环20的杠杆机构25固定在旋转点中并且本身由外叶轮3带动。
用于带动支承环21的杠杆机构26固定在旋转点中并且本身由内叶轮4带动。
用于使内叶轮4的叶片运动的杠杆机构27(每个叶片一个杠杆机构)通过相应的滑移旋转点29操作，所述滑动旋转点在叶轮的各旋转部分中控制叶片的角度。所述杠杆机构在相应的叶轮上固定在旋转点中。
中心的支承环28通过在相应的长孔34中滑动的滑移旋转点29支撑和运动，并且承载叶轮3和4的相应的环20和21。
四个滑移旋转点29用于支撑和移动中央支承环28，并且由相应的下部的杠杆30控制。
滑移旋转点29的四个下部的运动杠杆30，除了移动所述滑移旋转点外，还支撑中心的支承环28。它们由一个相应的轴31控制并悬挂。
下部的杠杆30的四个控制和支撑轴31通过上部杠杆32转动控制并且分别铰接在支架33中。
轴31的四个上部的运动杠杆33通过驱动系统35控制。
杠杆和轴的整体30)31)32)的四个支持和铰接承载装置固定在上部机体的延长的部分上。
滑移枢转点29的四个长孔34是中心的运动支承环28的部分。
四个驱动装置从上看错开90度地设置。它们铰接在到机器主体2上。它们的通过作用到杠杆32上实现协调的运动允许中心的支承环28的非常精确和受控制的运动。
在图7中示例性地示出杠杆机构，该杠杆机构形成既用于内叶轮4之叶片6又用于外叶轮3的四连杆机构24、27。在每个叶片轴225上铰接臂226的一个端部，所述臂的另一个端部铰接在连接杆227的一个端部上，所述连接杆的另一个端部铰接在杠杆228的一个端部上，所述杠杆铰接在相应叶轮3、4的底部上的铰接位置229中。杠杆228等臂杆式地铰接在滑块230上，所述滑块在导向件231中滑动，所述导向件固定在支承件220上的可转动的支承环上。
在图10中示出驱动系统35，在所述驱动系统中，各驱动装置351具有一个活塞杆，所述活塞杆的自由端部铰接臂352的一个端部，所述臂的另一个端部铰接在凸缘354中可转动的销353上，所述凸缘固定在机器的壳体上。销353的一个端部铰接在臂354的一个端部上，所述臂的另一个端部铰接在销355上，所述销铰接在固定在支承环28上的容纳部356中。
图11中是支承环-长孔-滑块的整体与相应的叶轮匹配的优选的带动方式。
在此，在各叶轮3、4上，第一肘形杠杆400的一个端部铰接在所述叶轮的底部上，在所述肘形杠杆的另一个端部上铰接第一杆件401，所述第一杆件又铰接在接片402上，所述接片还铰接在固定在环232上的凸起403上。在接片402上还铰接第一定向杠杆404，所述定向杠杆铰接在叶轮3、4的底部上的铰接位置405中。在接片402上还铰接第二杆件404，所述第二杆件又铰接在第二肘形杠杆407上，在所述第二肘形杠杆上铰接第三杆件408的一个端部，所述第三杆件的另一个端部铰接在第三肘形杠杆409上，在所述第三肘形杠杆上铰接第四杆件410，所述第四杆件铰接在第二接片411上，在所述第二接片上还铰接第二定向杠杆412并且所述第二接片铰接在固定在环件232上的凸起413上并且在所述第二接片上铰接第五杆件414，所述第五杆件又铰接在第四肘形杠杆415上，所述第四肘形杠杆还铰接在前述第一肘形杠杆400上。
Claims (8)
1.一种流体动力机，包括一个壳体(2)、至少两个由壳体(2)容纳的可转动的同轴的叶轮(3、4)，所述叶轮分别具有至少两个可转动地设置的叶片(6)，所述叶片沿所述至少两个叶轮(3、4)的圆均匀分布并通过与相应叶轮的轴平行的轴支承，其中第一叶轮(4)的轴与运动传递器件(10)连接，而第二叶轮(3)在其与第一叶轮(4)的轴的底部同心的底部上具有运动传递器件，其中第一叶轮的和第二叶轮的运动传递器件在一个使两个运动传递器件叠加的共同的从动轴(13)中相结合，其特征在于，每个叶片轴与一个调节件(22、23)相连接，所述调节件通过四连杆机构能相对于第二叶轮(4)的轴移动，所述四连杆机构位于垂直于叶片轴的平面中并且主要由固定在叶片的轴上的四连杆机构臂组成，其中一个四连杆机构臂铰接在相应叶轮的底部上，而另一个端部经由连接轴与第一四连杆机构臂的端部连接，其中铰接在叶轮的底部上的臂被强制引导地铰接在一个滑块上，所述滑块在固定在调节件上的导向件中可移动，其中与叶轮的转动相结合的滑块-导向件副允许以按一曲线进行的协调的进程对相应的叶片进行控制，所述曲线能够类似于轴线与叶轮的分度圆重合的正弦曲线地变化。
2.根据权利要求1所述的流体动力机，其特征在于，调节件由一个受支承和铰接的钟形件组成，在钟形件的基座上设置支承环，每个相应的叶轮的支承环的重合的运动通过杠杆系统和杆件实现，在所述支承环上安装有用于控制叶片的四连杆机构的铰接的滑块-导向件副和叶轮自身，所述杠杆系统和杆件的连接及铰接几何结构允许支承环与相应叶轮之间的角度同步，但使支承环本身是自由的，即同时能沿所有在各定向的平面中设置的方向运动。
3.根据权利要求2所述的流体动力机，其特征在于，调节件由一个受支承和铰接的钟形件组成，所述钟形件设有容纳在机器壳体的相应的容纳部中的球面；设有驱动系统，以使钟形件以位于流体动力机的中心轴上的旋转中心处的旋转点这样转动，即钟形件能够偏心地摆动；在钟形件上沿一个处于垂直于叶轮轴的平面中的方向滑动地设置有一个支承环，其中所述支承环本身沿相对于叶轮轴的径向方向分别为每个叶轮容纳一个支承件，其中，通过所述连接轴经由滑块-导向件副使叶片的杠杆的相应四连杆机构运动，其中除了滑块-导向件-支承环的偏心作用的效果之外，所述钟形件的假想的摆动旋转点与驱动系统的铰接部在定位上可互换。
4.根据权利要求1所述的流体动力机，其特征在于，设有位于中心的支承环，所述支承环可通过由滑块组成的系统移动，这些滑块可在特别为其设置的长孔中滑动，并且适宜地被容纳在支承环的几何结构中，其中每个滑块都在中心与一个小轴铰接，所述小轴沿径向且平行于机器的中心轴地铰接，其中，所述中心轴固定在一个杠杆上，并在一个平行于叶轮的平面的平面上进行弧形的运动，它又通过一个具有平行于中心轴的轴线的轴固定和运动，所述具有平行于中心轴的轴线的轴铰接在机器结构的容纳部上并设有臂，所述臂通过铰接在机器结构上的驱动装置运动。
5.根据权利要求1所述的流体动力机，其特征在于，所述流体动力机包括多个反向旋转的叶轮，这些叶轮在流体中具有叶片的协同特性，这与适宜的角速度相结合地将反作用、扭曲作用和偏离加载方向的漂移作用置于最低程度，以及使任意大小的推力在转轴上发生重合。
6.根据权利要求2所述的流体动力机，其特征在于：杠杆系统由既用于内部的第一叶轮(4)的叶片(6)又用于外部的第二叶轮(3)的叶片的四连杆机构(24、27)组成，其中在每个叶片轴(225)上铰接臂(226)的一个端部，所述臂的另一个端部铰接在一连接杆(227)的一个端部上，所述连接杆的另一个端部铰接在一个杠杆(228)的一个端部上，所述杠杆铰接在相应叶轮(3、4)的底部上的铰接位置(229)中，其中杠杆(228)等臂杆式地铰接在一个滑块(230)上，该滑块在导向件(231)中可移动，所述导向件在支承环(232)上在支承件(220)中可移动。
7.根据权利要求3所述的流体动力机，其特征在于，驱动系统(35)包括驱动装置(351)，各驱动装置具有活塞杆，在所述活塞杆的自由端部上铰接一个臂的一个端部，该臂的另一个端部铰接在固定在机器壳体上的凸缘中的转动销(353)上，其中转动销(353)的一个端部铰接在一个臂的一个端部上，该臂的另一个端部铰接在一个容纳在固定在钟形件(17)上的容纳部(356)中的销(355)上。
8.根据前述权利要求之一所述的流体动力机，其特征在于，在每个叶轮(3、4)上，第一肘形杠杆(400)的一个端部铰接在所述叶轮的底部上，在所述肘形杠杆的另一个端部上铰接第一杆件(401)，所述第一杆件又铰接在接片(402)上，所述接片还铰接在固定在环(232)上的凸起(403)上，其中在接片(402)上还铰接第一定向杠杆，所述第一定向杠杆铰接在叶轮(3、4)之底部上的铰接位置中，其中在接片(402)上还铰接第二杆件，所述第二杆件本身又铰接在第二肘形杠杆(407)上，在所述第二肘形杠杆上铰接第三杆件(408)的一个端部，所述第三杆件的另一个端部铰接在第三肘形杠杆(409)上，在所述第三肘形杠杆上铰接第四杆件，所述第四杆件又铰接在第二接片上，在所述第二接片上还铰接第二定向杠杆并且所述第二接片铰接在固定在环(232)上的第二凸起(413)上，并且在所述第二定向杠杆中铰接第四杆件，所述第四杆件又铰接在第四肘形杠杆(415)上，所述第四肘形杠杆还铰接在前述第一肘形杠杆(400)上。
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