CN105201557A - 一种旋片机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋片机，具体涉及一种叶片转动的膨胀机和/或压缩机。它包括有定子和旋片式转子，旋片式转子轴心偏离定子内缸的轴心装在定子内缸内，旋片式转子包括有转子体、旋转叶片和调节块，所述转子体的圆周面沿轴向开有均布的叶片槽口，对应于叶片槽口底端的两侧面沿径向开有调节块凹槽；所述旋转叶片底端两侧开有弧形缺口，弧形缺口中心设有叶片转轴；所述调节块顶部为与旋转叶片的弧形缺口配合的半圆形，半圆形中心有轴孔，调节块上开有螺钉过孔；旋转叶片通过叶片转轴与调节块的轴孔配合装在转子体的叶片槽口内，调节块通过螺钉过孔固定在转子体的调节块凹槽内。本发明具有如下的优点：结构简单，减小了能量损耗，提高了能量转化效率。

Description

一种旋片机

技术领域

本发明属于一种利用流体介质实现能量转换的机械装置，具体涉及一种叶片转动的膨胀机或压缩机。

背景技术

膨胀机与压缩机是依据使用条件或功能不同来命名的，压缩机的使用条件是由动力驱动，其功能是将低压气体压缩为高压气体；膨胀机的使用条件是通入高压气体，从出口获得低压气体，并推动转子转动，其功能是向外输出动力。

膨胀机按运行工作模式一般分为两类：一种是以气体速度能对外做功的膨胀机（如：透平膨胀机），另一种是以气体在设备可变容积中膨胀对外做功的膨胀机（如：活塞式膨胀机、螺杆式膨胀机、滑片式膨胀机等）。

其中，滑片机包括滑片压缩机和滑片膨胀机，现有滑片式膨胀机的结构如图1所示，包括带内缸的定子1，定子内缸安装有滑片转子2，滑片转子2的轴心偏离定子内缸的轴心，滑片转子2外圆周上开有多个轴向的转子槽21，转子槽21内放置有沿径向滑动的滑片22。由于滑片转子在定子内缸中偏心配置，定子内缸与滑片转子外圆表面所构成的空间容积不对称，其中有一弧段的空间容积狭窄而相对另一弧段空间容积宽大。滑片转子旋转过程中，滑片受离心力作用，滑片从转子槽内伸出紧贴在定子内缸，将不对称空间分隔成多个小室，位于狭窄空间的小室容积较小，而位于宽大空间的小室的容积较大。由于滑片转子转动，滑片所处的位置在不断变化，各小室的容积也在不断改变，小室内气体的压力随着容积变化而改变，所以，外加动力驱动滑片转子实现气压增加，此时完成气体压缩功能，或通入高压气体驱动滑片转子实现气体压力降低，此时完成气体膨胀功能。

由于滑片膨胀机依靠滑片将定子内缸分隔为若干小室，而滑片转子在定子内缸中是偏心的，滑片转子每转动一周，各滑片在转子槽内上下滑动一次；滑片转子连续转动，带动滑片在转子槽内不停地上下滑动。该滑片机长期存在的难以克服的问题是：

（a）、滑片与定子内缸之间,在转子1500--5000转/min的转速下，滑片受巨大离心力作用与定子内缸之间产生很大的摩擦力，导致滑片机摩擦损耗很大，摩擦损耗功率占总能量的30%—50%（摩擦功与材料质量、转速成正比），能量转化效率极低，且部件磨损量也很大，导致零部件的寿命缩短，故障率增大。

（b）、如果通过降低转速或者采用轻质材料滑片，可以减少巨大离心力作用下滑片与定子内缸的摩擦力阻力，但同时会因为滑片对定子内缸壁的正压力不足，造成气体介质的大量泄漏，泄漏量要损失掉总能量的20%—40%（介质泄漏量与转速、材料质量成反比），在各种容积式流体机械中，滑片压缩机/膨胀机高转速时摩擦损耗大、低转速时泄漏的能量损失大，且介质的工作压力一般不能超过1MPa,已成为学术界和制造业的公认。

（c）、由于摩擦损耗和介质泄漏量在转速、材料质量方面存在的矛盾对立关系，现有滑片式压缩机/膨胀机为解决这一矛盾，同时考虑设备的可靠性，一般会选择使滑片式压缩机/膨胀机能达到一个可接受的折中能效比，并采用油浸式或者辅助循环油泵的方法运行，一方面依靠润滑油来减少摩擦，另一方面依靠润滑油的粘度密封效应来降低介质的泄漏。但油润滑存在的问题有：由于润滑油的注入，一方面占据了容积式流体机械的有效容积，从而减小了压缩比/膨胀比，进而减少了机械效率；另一方面，滑片压缩机/膨胀机需另外增加润滑油冷却循环泵，这不仅增加了附属设备的成本，而且增大了附属设备运转所需能耗。

为了减低滑片造成的摩擦力并实现无油润滑运行，英国MIEE Driver科技公司曾经开发了一种铰链式膨胀机，其铰链转子的结构原理如图2所示，它包括铰链转子体3和铰链叶片31，铰链转子体3外圆周上开有适合铰链叶片31转动的凹形槽32，凹形槽32的形状是：当铰链叶片31完全落入凹形槽32时，铰链叶片31与铰链转子体3构成一个圆柱体。铰链叶片31底端穿有铰链转轴33，铰链转子体3转动时，铰链叶片31在铰链转子的凹形槽32中受离心力作用围绕铰链转轴33翻转，铰链叶片31的顶端抵住定子内缸壁，将定子内缸不对称空间分隔成多个小室。

铰链转子体3两侧配有两块盖板34，盖板与铰链转子同向转动。盖板34具有两个作用：第一、固定铰链叶片31的铰链转轴33；第二、盖板外圆周与定子内缸微间隙配合，尽量减少气体泄漏。盖板34随铰链转子体3转动，因为铰链转子体3偏心装在定子内缸内，所以转子轴3a与盖板几何轴心35位置不一致，要使盖板34和铰链转子体3转动，在盖板34上的铰链转轴33端头与轴承座之间装有连杆机构36，依靠连杆机构36实现盖板34和铰链转子体3的同步转动。在凹形槽32中，铰链叶片31绕铰链转轴33转动，比原来滑片在转子槽中上下滑动的摩擦力小得多，另一方面铰链叶片31底端受铰链转轴33的拉力，大大降低了铰链叶片31顶端在定子内缸上的正压力，比原来滑片与定子内缸之间的摩擦力大大减小。该铰链式膨胀机可实现低摩擦、全无油的长期工作。

但是，这种铰链式膨胀机存在以下问题：铰链转子的实际结构如图3所示，在盖板34外侧，每一个铰链转轴33与轴承座之间都配有一个连杆机构36（图3所示共有六个连杆机构，铰链转轴加连杆连接轴有十二根转轴）。该结构复杂，铰链转子转动后，带动所有连杆机构36运动，机械能消耗很大，由于铰链转子配有盖板34，盖板转动在定子内缸壁上也产生巨大摩擦，进一步加大了铰链式膨胀机的机械能损耗；

另外，该铰链式膨胀机的密封性较差，主要表现在：1、气体进入凹形槽32中，通过铰链叶片底端缝隙泄漏；2、气体通过盖板上的铰链转轴（图3中共六根转轴）的轴承缝隙向转子的盖板外侧泄漏，3、气体通过盖板顶沿与定子内缸壁之间的缝隙向盖板外侧泄漏。这些介质泄露造成了泄露功耗。所以该铰链式膨胀机的能量转化效率仍然很低，其能量转化效率有待提高。

发明内容

针对现有的滑片式膨胀机、铰链式膨胀机存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种旋片机，它既能减小摩擦损耗、又能降低气体泄漏量，增强密封性能，提高能量转化效率，实现长时间无油、高速运行。

本发明所述的旋片机包括旋转叶片式膨胀机和旋转叶片式压缩机。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括有定子和旋片式转子，旋片式转子轴心偏离定子内缸的轴心装在定子内缸内，旋片式转子包括有转子体、旋转叶片和调节块，所述转子体的圆周面沿轴向开有均布的叶片槽口，对应于叶片槽口底端的两侧面沿径向开有调节块凹槽；所述旋转叶片底端两侧开有弧形缺口，弧形缺口中心设有叶片转轴；所述调节块顶部为与旋转叶片的弧形缺口配合的半圆形，半圆形中心有轴孔，调节块上开有螺钉过孔；旋转叶片通过叶片转轴与调节块的轴孔配合装在转子体的叶片槽口内，调节块通过螺钉过孔固定在转子体的调节块凹槽内。

本发明的工作过程是：以气体膨胀过程为例，由于旋片式转子转动，在离心力作用下旋转叶片绕叶片转轴翻转，旋转叶片的顶端与定子内缸接触，将定子内缸空间分隔成多个小室。高压气体从定子进气口通入滑过的旋转叶片构成的小室里，在气体压力作用下，推动旋转叶片向膨胀空间转动，气体压力逐渐减小，当旋转叶片滑过定子出气口时，气体从定子出气口流出。在后续旋转叶片的不断推动下，旋片式转子保持连续转动，并通过转子轴输出转矩，实现气体膨胀过程的能量转化。

本发明利用调节块支撑叶片转轴，替代了铰链式膨胀机的盖板对铰链转轴的支撑，由于调节块固定在转子体上，调节块与转子体构成一体，避免了盖板几何轴心与转子轴不同心的问题，由此取消了铰链式膨胀机的多套连杆机构。本发明的结构简单，克服了连杆机构运动所消耗的能量，还避免了盖板与定子内缸壁上的摩擦以及缝隙泄漏，另外，由于叶片转轴通过调节块与定子侧盖内壁接触，参照滑片机转子与定子侧盖的密封技术，能实现叶片转轴的气体良好密封，避免了盖板上的铰链转轴的轴承缝隙造成的气体泄露。所以本发明具有如下的优点：结构简单，既减小了机械能损耗，又降低了气体泄漏量，提高了能量转化效率。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为现有滑片机的结构示意图；

图2为现有铰链式滑片机的原理结构图；

图3为现有的铰链转子实物结构图；

图4为本发明的结构示意图；

图5为本发明的转子体结构图；

图6为本发明的转子体截面图；

图7为本发明的旋转叶片主视图；

图8为本发明的转叶片左视图；

图9为本发明的调节块主视图；

图10为本发明带副滑片的旋转叶片图；

图11为本发明与滑片机摩擦功耗对比图；

图12为本发明与滑片机净输出功率和泄露损失功率对比图。

图中：1.定子；2.滑片转子；21.转子槽；22.滑片；

3.铰链转子体；31.铰链叶片；32.凹形槽；33.铰链转轴；34.盖板；35.盖板几何轴心；3a.转子轴；36.连杆机构；

4.旋片式转子；41.转子体；41a.叶片槽口；41b.调节块凹槽；41c.弹簧安装孔；41d.密封槽；42.旋转叶片；42a.叶片弧面；42b.叶片底平面；42c.弧形缺口；42d.叶片转轴；42e.密封槽口；43.调节块；43a.轴孔；43b.横向滑孔；43c.纵向滑孔；5.副滑片；6.微型槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图4所示，本发明包括有定子1和旋片式转子4，旋片式转子4轴心偏离定子内缸的轴心装在定子内缸内，旋片式转子4包括有转子体41、旋转叶片42和调节块43；

如图5和图6所示，所述转子体41的圆周面沿轴向开有均布的叶片槽口41a，对应于叶片槽口41a底端的两侧面沿径向开有调节块凹槽41b；

如图7和图8所示，所述旋转叶片42底端两侧开有弧形缺口42c，弧形缺口42c中心设有叶片转轴42d；

如图9所示，所述调节块43顶部为与旋转叶片的弧形缺口42c配合的半圆形，半圆形中心有轴孔43a，调节块43上开有螺钉过孔；

如图4所示，旋转叶片42通过叶片转轴42d与调节块的轴孔43a配合装在转子体的叶片槽口41a内，调节块43通过螺钉过孔固定在转子体的调节块凹槽41b内。

在转子体41、旋转叶片42和调节块43组装成旋片式转子4之后，在调节块43与调节块凹槽41b之间的空隙中填充柔性渍自润滑材料，再将旋片式转子4的两侧面整体加工成标准平面，旋片式转子4的侧面与定子1端盖内侧面贴合，端盖内侧面有自润滑材料等离子喷涂层，实现气体在旋片式转子侧面的密封。本发明克服了铰链式膨胀机存在的气体通过盖板顶沿缝隙的侧面泄漏和铰链转轴轴承缝隙的侧面泄漏问题，密封性能有所提高。

为避免气体通过旋转叶片42底端与叶片槽口41a之间的缝隙漏气，如图5和图6所示，转子体41的叶片槽口41a底端开有沿轴向的密封槽41d，密封槽41d内嵌有密封条，该密封条伸出密封槽与旋转叶片42底端接触密封。密封条选用包括浸渍柔性石墨条在内的柔性浸渍自润滑材料，浸渍石墨条既能具有耐磨性，又具有很低的摩擦系数，能减小旋转叶片42转动阻力，且长期使用无需更换。因此，用密封条进一步解决了气体通过旋转叶片底端缝隙的泄漏问题。

在安装旋转叶片42时，单一密封条顶住旋转叶片42，造成旋转叶片42在叶片槽口41a内偏斜而增加转动的阻力。为此，在叶片槽口41a底端开有两个密封槽41d，两个密封槽41d内嵌各有一根密封条，依靠两根密封条与旋转叶片转轴共同支撑（形成三点一面的稳定性）旋转叶片42底端，易于稳定旋转叶片42的位置，避免了旋转叶片42偏斜，便于安装固定并方便地调节旋转叶片42的密封性和摩擦阻力之间的度。

如图7所示，旋转叶片42的背面为叶片弧面42a，旋转叶片42的正面为叶片底平面42b，叶片底平面42b与转子体的叶片槽口41a底面贴合，叶片弧面42a与转子体41外圆弧相合，以保持旋片式转子的圆周度，实现旋片式转子在定子内缸正常运转并维持气体密封。

在与调节块43配合的旋转叶片42弧形缺口42c顶面上开有密封槽口42e,密封槽口42e内嵌有密封块，该密封块选用柔性浸渍自润滑材料，以防止气体介质的泄漏。

如图9所示，调节块43的螺钉过孔有横向滑孔43b和纵向滑孔43c，以实现旋转叶片42安装在叶片槽口41a内能上下方向和左右方向的调整，保证旋转叶片42灵活转动和密封性。

旋片机作为膨胀机起动时，旋片式转子4没有初始转速，旋转叶片42没有离心力作用，旋片式转子上部的旋转叶片在重力作用下落入转子叶片槽口41a内，导致气缸内部空间相通，膨胀机不能正常起动。为了使旋片膨胀机能够起动，如图5和图6所示，在转子体41的叶片槽口41a底面中部开有弹簧安装孔41c，弹簧一端固定在弹簧安装孔41c内，弹簧自由端伸出弹簧安装孔与旋转叶片的叶片底平面42b接触，弹簧的作用力将旋转叶片的顶端提升，在定子进气口的气体冲击作用下，旋转叶片的顶端与定子内缸接触，定子内缸具有了隔离的小室，旋片膨胀机能够正常起动。

如图10所示，在旋转叶片42的顶端开有微型槽6，微型槽内装有能上下滑动的副滑片5。当旋转叶片42随转子体41转动后，旋转叶片42受离心力的作用，旋转叶片42绕叶片转轴42d翻转，旋转叶片42的顶端紧贴定子内缸壁滑动，副滑片5在旋转的离心力作用下，从微型槽6滑出，副滑片5的顶端也贴紧定子内缸壁，由此，在每一个旋转叶片与定子内缸之间形成双线密封，从而减少了高压气体从旋转叶片顶端与定子内缸壁之间的泄漏，增加了各膨胀室的密封性。

上述密封条或密封块均使用柔性浸渍自润滑材料，根据设备和工作介质的实际情况，可选择如：柔性石墨盘根、柔性碳素盘根、柔性芳纶聚四氟乙烯盘根、柔性石棉盘根等，浸渍材料可选择具备润滑功能的固体或液体材料，如：油浸石墨盘根、浸四氟石墨盘根（由工业级膨胀石墨经浸渍PTFE混合物和惰性润滑剂精制而成）、石棉浸油浆（硅油+二硫化钼浆体）盘根、芳纶石墨混编盘根等。

能量转化效率的对比测试

对本发明的膨胀机与传统的滑片膨胀机，应用“发动机测功机平台”和“电机反拖实验装置”进行实测。

样机测试条件：相同定子、转子半径及其结构尺寸，相同偏心距，采用相同材质，相同膨胀比，相同设计功率。

1、摩擦功耗对比

该对比测试是在不同转速下，测量摩擦损耗。

图11所示的曲线是采用电机反拖实验装置（扭矩测定仪）测试的曲线，曲线a为滑片膨胀机的摩擦功耗，曲线b为本发明的膨胀机的摩擦功耗。

由图11看出：转速从1000r/min升高到3000r/min，本发明的旋片机摩擦功耗与滑片机摩擦功耗都不断上升，在相同转速下，本发明的旋片机摩擦功耗明显低于滑片机摩擦功耗；特别是在转速超过1500r/min后，滑片机摩擦功耗曲线斜率不断升高，且滑片机摩擦损失与本发明的旋片机摩擦损失差值不断增大。图11表明：在相同转速下，本发明的旋片机能够大幅度降低摩擦损失，且转速越高，摩擦损失下降相对越显著。

2、净输出功率和泄露损失对比

用“湖南湘仪动力测试仪器有限公司”160KW交流发动机测功机平台，以0.6MPa空气做为动力源，对比测试是在不同转速下，取相同进口流量、相同进口压力条件下，获得的净输出功率和泄露损失。由此对比分析本发明的旋片机与传统的滑片机运行时能量转换效率的差异。

如图12所示，曲线c为本发明的旋片机净输出功率，曲线d为滑片机净输出功率，曲线e为滑片机泄露损失功率，曲线f为本发明的旋片机泄露损失功率。

由图12中曲线c和曲线d看出：当气体流量一定的条件下，随着转速增加，本发明的旋片机与滑片机净输出功率都不断增加，而本发明旋片机净输出功率始终大于相同转速下的滑片机净输出功率，且随着转速的增加，两者的差值呈现出不断增大的趋势。

由图12中曲线f和曲线e看出：当气体流量一定的条件下，随着转速增加，本发明的旋片机与滑片机因气体泄漏所引起的泄露损失功率都呈现下降的趋势，而本发明的旋片机泄露损失功率远低于同转速下的滑片机泄露功率损失。这是由于滑片膨胀机的滑片与转子槽之间、滑片与定子缸壁之间缝隙有大量气体泄漏，而本发明的旋片机由于采用了柔性㓎渍自润滑密封条，从而封堵了旋转叶片底端缝隙的气体泄漏，同时，通过旋转叶片和副滑片的共同作用，在定子缸壁上实现了双线密封，使旋转叶片与定子缸壁之间的泄漏大幅度降低。

综上得出，在相同的流量、相同膨胀比、相同的进口压力和相同转子定子尺寸的条件下，本发明的旋片机在运行过程中，无论是在摩擦功率的损失，还是泄露损失功率都远低于滑片机。从图12中曲线c和曲线d看出：与现有滑片膨胀机相比，在不同的转速情况下，本发明的旋片式膨胀机净输出功率平均提高了20%左右。

Claims (8)

1.一种旋片机，包括有定子（1）和旋片式转子（4），旋片式转子（4）轴心偏离定子内缸的轴心装在定子内缸内，其特征是：旋片式转子（4）包括有转子体（41）、旋转叶片（42）和调节块（43），所述转子体（41）的圆周面沿轴向开有均布的叶片槽口（41a），对应于叶片槽口（41a）底端的两侧面沿径向开有调节块凹槽（41b）；所述旋转叶片（42）底端两侧开有弧形缺口（42c），弧形缺口（42c）中心设有叶片转轴（42d）；所述调节块（43）顶部为与旋转叶片的弧形缺口（42c）配合的半圆形，半圆形中心有轴孔（43a），调节块（43）上开有螺钉过孔；旋转叶片（42）通过叶片转轴（42d）与调节块的轴孔（43a）配合装在转子体的叶片槽口（41a）内，调节块（43）通过螺钉过孔固定在转子体的调节块凹槽（41b）内。

2.根据权利要求1所述的旋片机，其特征是：所述转子体的叶片槽口（41a）底端开有沿轴向的密封槽（41d），密封槽（41d）内嵌有密封条，该密封条伸出密封槽与旋转叶片（42）底端接触密封。

3.根据权利要求2所述的旋片机，其特征是：所述叶片槽口（41a）底端开有两个密封槽（41d），两个密封槽（41d）内嵌各有一根密封条，依靠两根密封条支撑旋转叶片（42）底端。

4.根据权利要求1、2或3所述的旋片机，其特征是：所述旋转叶片（42）的背面为叶片弧面（42a），旋转叶片（42）的正面为叶片底平面（42b），叶片底平面（42b）与转子体的叶片槽口（41a）底面贴合，叶片弧面（42a）与转子体（41）外圆弧相合，以保持旋片式转子的圆周度。

5.根据权利要求4所述的旋片机，其特征是：在与调节块43配合的旋转叶片（42）弧形缺口（42c）顶面上开有密封槽口（42e）,密封槽口（42e）内嵌有密封块。

6.根据权利要求5所述的旋片机，其特征是：所述调节块（43）的螺钉过孔有横向滑孔（43b）和纵向滑孔（43c）。

7.根据权利要求6所述的旋片机，其特征是：在所述转子体（41）的叶片槽口（41a）底面中部开有弹簧安装孔（41c），弹簧一端固定在弹簧安装孔（41c）内，弹簧自由端伸出弹簧安装孔与旋转叶片的叶片底平面（42b）接触。

8.根据权利要求7所述的旋片机，其特征是：在旋转叶片（42）的顶端开有微型槽（6），微型槽内装有能上下滑动的副滑片（5）。