CN104863640B - 转子膨胀机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转子膨胀机，涉及旋转活塞式机器或发动机技术领域。包括缸体、缸体内部的一个阴转子和至少一个阳转子，凸起状叶片上设有两个竖直凹槽，竖直凹槽向缸体的内壁方向延伸，两竖直凹槽内设有弹簧和长方体气封，弹簧的一端与竖直凹槽固定连接，弹簧的另一端与竖直凹槽内的长方体气封连接；两个竖直凹槽的中间设有平行于主轴的机油通道以及与机油通道相联通的倒“T”形机油出口，所述倒“T”形机油出口内设有与其相适配的倒“T”形油环，倒“T”形油环向缸体的内壁延伸。所述膨胀机具有机械效率高，容易加工，无磨损件，使用寿命长，运行、维护保养费用低的特点。

Description

转子膨胀机

技术领域

本发明涉及旋转活塞式机器或发动机技术领域，尤其涉及一种机械效率高，容易加工，无磨损件，使用寿命长，运行、维护保养费用低的转子膨胀机。

背景技术

近几年来，随着温室效应越来越严重，空气质量每况愈下，节能减排成为举国上下为之奋斗的目标。为提高制冷与热泵系统的效率，近年来，人们在循环原理、高效压缩、节流机构、换热器的设计上作了不少文章，唯独膨胀机还是个薄弱环节。透平膨胀机和活塞膨胀机是获取低温的关键设备。随着膨胀机应用范围的不断扩展和人们对其应用要求的不断提高，这两种形式的膨胀机已经不能满足人们对其更高的要求，因此开发新型结构的膨胀机就成为重要的研究课题。

“开发与节约并举，节约优先”是应对我国能源问题的根本出路。在水泥、玻璃、钢铁、热电等重工业企业中，存在着大量的伴随生产过程所产生的余热，这些余热由于含有一定品位的能量而具有较大的利用价值。在这种大趋势下，我国工业领域中的大量中低温、小规模热资源急待回收。螺杆膨胀动力机成为冶金、水泥等行业中低热、余热余压资源的回收设备中重要的动力设备。但螺杆膨胀动力机的阴阳转子的齿面与转轴有夹角，气体膨胀产生的力必将分解为径向和轴向两个方向，轴向的力白白浪费了，不仅降低以效率而且对轴承密封件有不小损耗，时间长了易产生疲劳损伤。所以螺杆膨胀只有径向的这部分力用于趋动螺杆转动，效率受到影响。而本发明设计叶片与转轴为平行，膨胀的力不用分解，膨胀力完全用于推动气体做功，所以相同情况下，本发明效率更高！

螺杆压缩机的技术难点：螺杆压缩机的性能很大程度上取决于转子啮合 时的密封间隙。在转子间、转子与机壳间存在多条泄漏通道，流体通过间隙的泄漏直接影响容积效率和总效率。在实际运转过程中，转子在热、力边界条件的作用下发生热、力弹性变形，这就使得实际运行间隙与设计间隙差别较大。间隙过大会造成泄漏增加，容积效率下降；间隙过小又容易发生烧伤咬死事故。所以现螺杆压缩机有干式、喷水式和喷油式来实现密封，干式密封性差、易发热、抱死等问题，喷油式存在油气分离不完全，压出气体不纯等问题。本发明成功解决了密封、润滑等问题，不仅效率更高且生产成本、使用成本更低。特别值得一提的是，相同情况下本发明阳转子转一周所压缩气体比螺杆机更多。不仅如此，本发明结构可灵活组织，如一个阴转子与四个阳转子组合后可制成大型高效压缩机，一阴一阳或一阴二阳可制成小巧、坚固耐用的车用空调压缩机。

现有的叶片式压缩机、叶片式气动马达通过弹簧叶片来保持气缸封闭以做功。而叶片和缸体在弹簧的作用下保持紧密接触，转子转动过程中叶片与缸体间存在滑动摩擦，接触紧密压缩机效率较低，压缩松又易泄漏。而且叶片在叶片槽间伸缩运动也会产生大量摩擦，这些摩擦都将大大降低做功效率，严重的磨损也缩短了叶片使用年限，无形间增加了使用成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种转子膨胀机，所述膨胀机具有机械效率高，容易加工，无磨损件，使用寿命长，运行、维护保养费用低的特点。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种转子膨胀机，包括缸体、缸体内部的一个阴转子和至少一个阳转子，所述阳转子和阴转子为外径相切且直径相同的圆柱体，缸体外设有带动所述阳转子和阴转子同步反向旋转的同步齿轮，所述阳转子上设有从其外圆周径向向外延伸的凸起状叶片，所述阴转子上设有与所述阳转子上的凸起状叶片配合的凹槽，阳转子 和阴转子反向同步旋转至啮合位时凸起状叶片嵌合入凹槽内，缸体内部设有环形气体通道，缸体表面设有进气口和出气口，所述气体通道从进气口进入基元容积，经膨胀后环绕至出气口排出，其特征在于：所述阳转子的上、下两端面各设有一个密封头，密封头的直径与气缸内径相适配，密封头上设有用于安装端部气环的环形凹槽，环形凹槽内装有端部气环。

进一步的技术方案在于：所述凸起状叶片上设有两个竖直凹槽，竖直凹槽向缸体的内壁方向延伸，两竖直凹槽内设有弹簧和长方体气封，弹簧的一端与竖直凹槽固定连接，弹簧的另一端与竖直凹槽内的长方体气封连接；两个竖直凹槽的中间设有平行于主轴的机油通道以及与机油通道相联通的倒“T”形机油出口，所述倒“T”形机油出口内设有与其相适配的倒“T”形油环，倒“T”形油环向缸体的内壁延伸。

进一步的技术方案在于：在缸体外的阳转子中轴上设有中空圆环形的机油盒，机油盒上设有与机油通道相连通的油管，油泵工作后将机油泵入机油通道，带走部分热量并保持缸壁润滑，最后流入同步齿轮一侧，在离心力作用下溅至缸体内壁从缸体下部机油口流入油底壳内。

进一步的技术方案在于：所述阳转子设有两个，两个阳转子对称的设置于所述阴转子的两侧，所述阴转子上共设有两个与所述阳转子上的凸起状叶片对应的凹槽。

进一步的技术方案在于：所述阳转子为四个，四个所述阳转子沿阴转子的周向均布设置，所述阴转子上共设有四个与所述阳转子上的凸起状叶片对应的凹槽。

进一步的技术方案在于：所述阳转子的凸起状叶片与缸体内壁的间隙小于0.05mm。

进一步的技术方案在于：所述阴转子的圆柱体外表面与缸体内壁的间隙小于0.05mm。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1)结构合理，机械内效率高。本发明成功克服了螺杆膨胀动力机的这一不足，叶片与转子轴为平行，不需要将力进行分解，气体膨胀的力完全用于推动主轴做功，除机械泄漏外，无其它能量损失，机组内效率高达70％～80％，即使蒸汽参数或流量波动仍能维持较高的内效率。而螺杆膨胀动力机的阴阳转子的齿面与转轴有夹角，气体膨胀产生的力必将分解为径向和轴向两个方向，轴向的力白白浪费了，不仅降低以效率而且对轴承密封件有不小损耗，时间长了易产生疲劳损伤。因为螺杆膨胀只有径向的这部分力用于趋动螺杆转动，效率受到影响。所以相同情况下，本发明效率比螺杆机更高效。

2)润滑系统、密封系统设计合理，既能密封工质，提高效率，又能提高本发明的可靠性。本发明成功解决了密封、润滑等问题，大幅提高容积效率和总效率。不仅效率更高且生产成本、使用成本更低。螺杆机的性能很大程度上取决于转子啮合时的密封间隙。在实际运转过程中，间隙过大会造成泄漏增加,容积效率下降；间隙过小又容易发生烧伤咬死事故。所以现螺杆压缩机有干式、喷水式和喷油式来实现密封，干式密封性差、易发热、抱死等问题，喷油式存在油气分离不完全，压出气体不纯等问题。

3)结构可多种多样。本膨胀机可以采取一至六个阳转子共同拖动一个阴转子的多种结构形式，采取多级串连或并联非常方便且结构紧凑体积小，效率高。缸体、阳转子、阴转子构成封闭的齿间容积，而且阴阳转子在同步齿轮的带动下同步反向转动，从而巧妙地将转子间的动摩擦转变为静摩擦，避免了能量损失，提高了机械效率，增加了机械的使用寿命，可靠性和运行维护的便携性。

4)阴、阳转子可做得粗大结实，无磨损件，使用寿命长，维护保养费用低。

5)结构简单，运动部件少，安全可靠；配气机构简单，做压缩机时不 用配气机构。主要零部件为柱形，容易加工，易实现整机系列化，重量轻，成本低。

6)因为阳转子与阴转子、转子与机壳的相对运行能限制污垢的生长，具有自清洁能力，为此机组对蒸汽的品质要求不高。

7)与往复式活塞气动机不同，本膨胀机没有曲柄连杆机构，因此不会发生机构运转过程中的三角函数转换关系，具有更高的机械效率。

8)工作过程连续平稳，噪音低，易于控制，配气机构简单。

综上，本发明可利用蒸汽、高温热水、汽液两相流体等介质为动力，将热能转换为动力并驱动发电机、风机、水泵、球磨机等机械设备，在热能发电方面能替代汽轮机、螺杆膨胀机和活塞膨胀机；本发明的阴转子与动力设备相连，就可制成高效压缩机；最后若在气体进气口处通入高压气体，则可作为一种高效气动马达，应用范围广。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为实施例一中一个阴转子和一个阳转子未啮合状态的示意图。

图2是凸起状叶片部位的剖视结构示意图；

图3为实施例一中一个阴转子和一个阳转子在啮合状态的示意图。

图4为实施例二中一个阴转子和两个阳转子未啮合状态的示意图。

图5为实施例二中一个阴转子和两个阳转子在啮合状态的示意图。

图6为实施例三中一个阴转子和四个阳转子未啮合状态的示意图。

图7为实施例三中一个阴转子和四个阳转子在啮合状态的示意图。

其中：1、缸体2、阴转子3、阳转子4、凸起状叶片5、凹槽6、环形气体通道7、进气口8、出气口9、竖直凹槽10、弹簧11、长方体气封12、机油通道13、倒“T”形机油出口14、倒“T”形油环。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

如图1和图3所示，本发明公开了一种转子膨胀机，包括缸体1、缸体1内部的一个阴转子2和一个阳转子3。所述阳转子3和阴转子2为外径相切且直径相同的圆柱体，缸体1外设有带动所述阳转子3和阴转子2同步反向旋转的同步齿轮，同步齿轮为现有技术中的常见结构，在此不再赘述。所述阳转子3上设有从其外圆周径向向外延伸的凸起状叶片4，所述阴转子2上设有与所述阳转子3上的凸起状叶片4配合的凹槽5，阳转子3和阴转子2反向同步旋转至啮合位时凸起状叶片4嵌合入凹槽5内。缸体1内部设有环形气体通道6，缸体表面设有进气口7和出气口8，所述气体通道6从进气口7进入基元容积，经膨胀后环绕至出气口8排出。所述阳转子3的上、下两端面各设有一个密封头，密封头的直径与气缸内径相适配，密封头上设有用于安装端部气环的环形凹槽，环形凹槽内装有端部气环，密封进入的工作介质，防止轴向泄漏。

所述阳转子的凸起状叶片4与缸体1内壁的间隙小于0.05mm，所述阴转子2的圆柱体外表面与缸体1内壁的间隙小于0.05mm，这样可提高做功的效率。

缸体内壁、阳转子叶片、啮合阴阳转子、阳转子两端密封头共同构成环绕阳转子的密封基元容积，当阳转子叶片转动时基元容积内气压降低，高温 高压的工作介质进入基元容积后，吸气结束。工质在基元容积中膨胀推动阳转子转动输出功率。当另一叶片绕过阴转子转至进气口后，膨胀结束。阳转子继续转动，环形气缸内的工质转到出气口后排出。在阳转子转动同时，阴转子在同步齿轮的带动下反向同步旋转。至每个啮合位时叶片与凹槽啮合，阳转子叶子就巧妙地绕过阴转子。然后阴阳转子又形成一个啮合点，阳转子转动360度，吸气、膨胀两次、排气一次，如此往复。

如图2所示，所述凸起状叶片4上设有两个竖直凹槽9，竖直凹槽9向缸体1的内壁方向延伸，两竖直凹槽9内设有弹簧10和长方体气封11，弹簧10的一端与竖直凹槽9固定连接，弹簧10的另一端与竖直凹槽9内的长方体气封11连接；两个竖直凹槽9的中间设有平行于主轴的机油通道12以及与机油通道12相联通的倒“T”形机油出口13，所述倒“T”形机油出口13内设有与其相适配的倒“T”形油环14，倒“T”形油环14向缸体1的内壁延伸。阳转子转动时，弹簧使长方体气封与缸壁接触，防止膨胀机内高压气出现径向泄漏。当长方体气封与阴转子接触时气环能缩回到竖直凹槽内，过后又伸出与缸体的内壁接触。

在缸体1外的阳转子中轴上设有中空圆环形的机油盒，机油盒上设有与机油通道12相连通的油管，油泵工作后将机油泵入机油通道，带走部分热量并保持缸壁润滑，最后流入同步齿轮一侧，在离心力作用下溅至缸体内壁从缸体下部机油口流入油底壳内，这样既能将机油涂在缸壁上，又能防止阳转子不接触缸壁时机油泄漏。

实施例二

如图4和图5所示，本实施例和实施例一的原理和结构基本相同，区别在于所述阳转子为两个，两个阳转子对称设置于所述阴转子的两侧，所述阴转子上共设有两个与所述阳转子对应的凹槽。所述气体通道从进气口依次环绕各阳转子的外表面后至出气口。

实施例三

如图6和图7，本实施例和实施例一的原理和结构基本相同，区别在于所述阳转子为四个，四个所述阳转子沿阴转子的周向均布设置，所述阴转子上共设有四个与所述阳转子对应的凹槽。四个阳转子为串联结构时，气体通道从进气口依次环绕各阳转子的外表面后至出气口。四个阳转子还可是并联结构，原理是相同的。

除此之外，还可以设计成6个阳转子和一个阴转子的结构，6个阳转子沿阴转子的周向均布，阴转子上均布6个与各阳转子的叶片配合的凹槽。叶片和凹槽也可为长方形等其他形状。

本发明没有活塞式机械那样的气阀、活塞等滑动部件，因而可进行高速运转，本发明阴阳转子形成的基元容积可根据需要做得比较大，气流速度比普通容积式机械大得多，为本发明适应大量化奠定了基础。本发明不但具有的转速高、工艺性良好和无磨损、无不平衡的质量力等特点，而且可应用现有的螺杆压缩机螺杆膨胀机的生产技术来进行生产，只不过本发明的转子加工要容易许多，成本也很低，为本发明的大面积推广使用创造条件。

本发明的机械效率高，容易加工，无磨损件，使用寿命长，运行、维护保养费用低，用途广泛：①作为一种高效的膨胀机可利用蒸汽、高温热水、汽液两相流体等介质为动力，将一些工厂的以前不能用低品味余热、尾气中的热能转换为工质内能，并驱动发电机、风机、水泵、球磨机等机械设备,从而实现节能减排、环保节能；②本发明的阴转子与电机等原动机械设备相连接后可制成一种高效回转容积式压缩机。将各种原动机械能转化为气体压力的工作机。特别值得一提的是，本发明结构可灵活组织，如可以一个阴转子与四个阳转子组合后可制成大型高效压缩机，也可一阴一阳或一阴二阳可制成小巧、坚固耐用的车用空调压缩机；③若输入高压气体时，还可制成高效气动马达、零污染的气动发动机、各种气动工具等。

Claims (6)

1.一种转子膨胀机，包括缸体(1)、缸体(1)内部的一个阴转子(2)和至少一个阳转子(3)，所述阳转子(3)和阴转子(2)为外径相切且直径相同的圆柱体，缸体(1)外设有带动所述阳转子(3)和阴转子(2)同步反向旋转的同步齿轮，所述阳转子(3)上设有从其外圆周径向向外延伸的凸起状叶片(4)，所述阴转子(2)上设有与所述阳转子(3)上的凸起状叶片(4)配合的凹槽(5)，阳转子(3)和阴转子(2)反向同步旋转至啮合位时凸起状叶片(4)嵌合入凹槽(5)内，缸体(1)内部设有环形气体通道(6)，缸体表面设有进气口(7)和出气口(8)，所述气体通道(6)从进气口(7)进入基元容积，经膨胀后环绕至出气口(8)排出，其特征在于：所述阳转子(3)的上、下两端面各设有一个密封头，密封头的直径与气缸内径相适配，密封头上设有用于安装端部气环的环形凹槽，环形凹槽内装有端部气环；所述凸起状叶片(4)上设有两个竖直凹槽(9)，竖直凹槽(9)向缸体(1)的内壁方向延伸，两竖直凹槽(9)内设有弹簧(10)和长方体气封(11)，弹簧(10)的一端与竖直凹槽(9)固定连接，弹簧(10)的另一端与竖直凹槽(9)内的长方体气封(11)连接；两个竖直凹槽(9)的中间设有平行于主轴的机油通道(12)以及与机油通道(12)相联通的倒“T”形机油出口(13)，所述倒“T”形机油出口(13)内设有与其相适配的倒“T”形油环(14)，倒“T”形油环(14)向缸体(1)的内壁延伸。

2.根据权利要求1所述的转子膨胀机，其特征在于：在缸体(1)外的阳转子中轴上设有中空圆环形的机油盒，机油盒上设有与机油通道(12)相连通的油管，油泵工作后将机油泵入机油通道，带走部分热量并保持缸壁润滑，最后流入同步齿轮一侧，在离心力作用下溅至缸体内壁从缸体下部机油口流入油底壳内。

3.根据权利要求1所述的转子膨胀机，其特征在于：所述阳转子(3)设有两个，两个阳转子(3)对称的设置于所述阴转子(2)的两侧，所述阴转子(2)上共设有两个与所述阳转子上的凸起状叶片(4)对应的凹槽(5)。

4.根据权利要求1所述的转子膨胀机，其特征在于：所述阳转子(3)为四个，四个所述阳转子(3)沿阴转子(2)的周向均布设置，所述阴转子(2)上共设有四个与所述阳转子上的凸起状叶片(4)对应的凹槽(5)。

5.根据权利要求1所述的转子膨胀机，其特征在于：所述阳转子的凸起状叶片(4)与缸体(1)内壁的间隙小于0.05mm。

6.根据权利要求1所述的转子膨胀机，其特征在于：所述阴转子(2)的圆柱体外表面与缸体(1)内壁的间隙小于0.05mm。