CN106121730B - 一种叶片气动机 - Google Patents

Abstract

本发明为了实现上述的发明目的而提供的一种叶片气动机，所述的一种叶片气动机，包括进气通道、排气通道及设置在壳体内的定子，在该定子内偏心的安装有环形转子，在该环形转子的内圆周内设置有与其同圆心的固定在壳体上的径向压力平衡轴，且在径向压力平衡轴与环形转子内圆周之间设有压力平衡槽，在环形转子上设有连通通道，连通通道的一端与压力平衡槽相通，连通通道的另一端与工作容腔相通，在环形转子的外圆周及内圆周均设有可径向滑动的叶片及容纳该叶片的叶片槽，在环形转子的一端固定有转子连接盘，在转子连接盘上设有与环形转子同轴心的并与转子连接盘一同旋转的转子轴。

Description

一种叶片气动机

技术领域

本发明涉及液压机械、气动机械、汽轮机、发动机技术领域。

背景技术

汽轮机是利用蒸汽做功的一种旋转式动力机械，它可将蒸汽的热能转换为汽轮机轴的回转机械能，在汽轮机中,蒸汽在喷嘴中发生膨胀，因而汽压，汽温降低，速度增加，蒸汽的热能转变为动能。然后蒸汽流从喷嘴流出，以高速度喷射到叶片上，高速汽流流经动叶片组时，由于汽流方向改变，产生了对叶片的冲动力，推动叶轮旋转作功，叶轮带动汽轮机轴转动，从而完成了蒸汽的热能到轴旋转的机械能的转变，具有效率高、功率大、寿命长、运转安全可靠等优点，在火力发电、大型船舶动力等方面得到了广泛的应用，但因叶片组大量叶片的复杂加工使其制造成本高昂、体积庞大，且在蒸汽压力较低时工作效率低下，特别是在余热回收领域的低气压条件下，无法良好应用。

而在航空领域对相同功率的发动机的重量要求更加苛刻，其核心机原理是：通过与汽轮机工作原理相似的逆应用来进行空气压缩并输送至燃烧室，然后向在燃烧室内的压缩空气喷入可燃材料，通过燃烧产生高温高压气体来推动类似于汽轮机的多级叶片来完成旋转做功的，而为了提高工作效率采用的多级涡轮来压缩空气及多级涡轮做功的结构，尽管采用了特殊材料，其功率重量比仍无法令人满意。

而螺杆膨胀机的结构与双螺杆压缩机基本相同，并按气体压缩的逆原理工作，主要由一对互相啮合的螺杆转子和机壳组成，转子与转子、转子与机壳之间以间隙密封，形成容积可连续变化的工作腔，含有热量的气态工质进入工作腔绝热膨胀，驱动转子旋转做功，膨胀做功的同时，工质的压力和温度降低，以此实现热功转换，可广泛应用于工业余热回收、地热发电、生物质发电等领域，可直接驱动发电机，也可直接拖动泵、风机等机械设备，但因过大的气体压力会直接导致转子的径向力及轴向力超过转子刚度、轴承寿命等的限制，所以螺杆膨胀机只能适用于中、低压范围，限制了其在高压范围的广泛应用，使其无法实现在高气压下工作来达到高功率输出的目的。

发明内容

为解决上述汽轮机、发动机及螺杆膨胀机存在的不足，本发明的目的在于提供一种可大幅度平衡转子径向压力，降低转子轴和轴承的径向载荷、工作压力高、制造成本低、重量低，既可应用在火力发电及大型船舶动力、发动机又可应用在工业余热回收、地热发电、等领域的一种叶片气动机。

本发明为了实现上述的发明目的而提供的一种叶片气动机，所述的一种叶片气动机，包括进气通道、排气通道及设置在壳体内的定子，在该定子内偏心的安装有环形转子，在该环形转子的内圆周内设置有与其同圆心的固定在壳体上的径向压力平衡轴，且在径向压力平衡轴与环形转子内圆周之间设有压力平衡槽，在环形转子上设有连通通道，连通通道的一端与压力平衡槽相通，连通通道的另一端与工作容腔相通，在环形转子的外圆周及内圆周均设有可径向滑动的叶片及容纳该叶片的叶片槽，在环形转子的一端固定有转子连接盘，在转子连接盘上设有与环形转子同轴心的并与转子连接盘一同旋转的转子轴。

需要说明的是，环形转子的径向载荷等于压力气体对环形转子外圆周从外部向圆心方向施加的压力减去压力气体对环形转子内圆周从圆心方向向外部施加的压力，具体地说:在本发明中，在环形转子上设有连通通道，连通通道的一端与压力平衡槽相通，连通通道的另一端与工作容腔相通，使得压力平衡槽与工作容腔内的压强相等，通过压力气体对环形转子内圆周从圆心方向向外部施加的压力来平衡抵消压力气体对环形转子外圆周从外部向圆心方向施加的压力，从而降低了转子轴和轴承的径向载荷，提高了工作压力及轴承的寿命，不仅适用于气动传动，通过工作介质的改变也同样适用于液压传动，极大的拓展了其应用空间。

根据本发明所提供的一种叶片气动机，为了更好的平衡环形转子径向压力，保证内圆周叶片良好的密封旋转，在环形转子上设有连通通道，连通通道的一端与压力平衡槽相通，连通通道的另一端与可浮动的油气隔离块的一端相通，油气隔离块的另一端与工作容腔相通。当在连通通道及压力平衡槽内充满油后，工作容腔的气体压强会通过浮动的油气隔离块传导至连通通道内，使得压力平衡槽内的压强与工作容腔的压强一致，其中浮动的油气隔离块与连通通道相通的一端与环形转子之间设有复位弹簧，油气隔离块的设定防止了连通通道内压力油向工作容腔泄露的同时也避免了高压气体进入压力平衡槽内影响到零件的润滑及环形转子径向压力的平衡。

根据本发明所提供的一种叶片气动机，为了保证油气隔离块隔离油气的作用，简化零件加工其油气隔离块为圆柱形活塞，在环形转子上设有与设为圆柱形活塞的油气隔离块相配合的缸套。

根据本发明所提供的一种叶片气动机，为了更好的平衡转子径向压力，降低转子轴和轴承的径向载荷，环形转子的轴向横截面为上窄下宽的凸字型结构，其凸字型的顶部为环形转子的外圆周，其凸字型的底部为环形转子的内圆周，在确定气动机的工作流量后可通过设定凸字型的环形转子底部轴向的厚度使得内圆周的面积与外圆周面积相等，由于其内圆与外圆所受压力相等且方向相反，从而使得环形转子径向压力为零，转子轴和轴承的径向载荷为零。

根据本发明所提供的一种叶片气动机，为了更好的平衡转子径向压力，降低转子轴和轴承的径向载荷，环形转子的外圆周叶片与内圆周叶片的数量相同且在沿圆周径向分布的角度位置一致。

根据本发明所提供的一种叶片气动机，为了避免因压力平衡槽内压力油泄露而影响环形转子径向压力的平衡，在定子的轴向端面上设有与压力平衡槽相通的补油通道，在环形转子每一圈的旋转过程中，各段被环形转子内圆周叶片分割的压力平衡槽都会与补油通道连通一次进行补油，为了不影响环形转子径向压力的平衡及减小高压气体对补油的影响，补油通道设置在转子转向低压工作容腔时与压力平衡油道相通。

根据本发明所提供的一种叶片气动机，为了保证叶片在叶片槽中正常滑动减少磨损，在定子的轴向端面上设有与外圆周叶片底部相通的润滑油槽，当环形转子逆时针旋转工作时，在高压容腔区的外圆周叶片底部与叶片槽底部转子的距离由小变大，其容积也自然由小变大，此时润滑油槽通过进油口吸油。当环形转子逆时针旋转工作时，在低压容腔区的外圆周叶片底部与叶片槽底部转子的距离由大变小，其容积也自然由大变小，此时润滑油槽通过排油口强制排油。

根据本发明所提供的一种叶片气动机，为了避免润滑油在转子运转的过程中进入工作容腔，叶片槽径向末端两边的环形转子上设有与外圆周叶片轴向接触的刮油片，在刮油片与环形转子之间的圆周方向设有弹片。

根据本发明所提供的一种叶片气动机，为了避免润滑油在转子运转的过程中从定子的轴向端面进入工作容腔，在定子的轴向端面上设有环形回油槽，环形回油槽通过油道与润滑油箱相通。

根据本发明所提供的一种叶片气动机，为了提高工作效率，减小排气阻力，排气通道与工作容腔在工作容腔旋转至容积最大时开始连通。

需要说明的是，通过以上对本发明的整体构思的阐述可以看出，当设定油气隔离块后，连通通道通过油气隔离块与工作容腔相通，在压力平衡槽与连通通道工作容腔均注满油的情况下，工作容腔内的压力气体压强通过油气隔离块导入压力平衡槽，使得环形转子内圆周与外圆周的压强一致，使得环形转子获得径向力的平衡，同时保证了内圆周叶片与压力平衡轴的接触密封及润滑。具体地说:在本发明中，在环形转子上设有连通通道，连通通道的一端与压力平衡槽相通，连通通道的另一端与可浮动的油气隔离块的一端相通，油气隔离块的另一端与工作容腔相通，使得压力平衡槽与工作容腔内的压强相等，通过压力油对环形转子内圆周从圆心方向向外部施加的压力来平衡抵消压力气体对环形转子外圆周从外部向圆心方向施加的压力，从而降低了转子轴和轴承的径向载荷，提高了工作压力及轴承的寿命，极大的拓展了其应用空间，不仅适用于气动传动，通过工作介质的改变也同样适用于液压传动。

通过改变输入方式使叶片气动机和叶片气压机互换，也就是说叶片气动机和叶片气压机的功能相反，但结构基本相同。因此，虽然上面主要描述叶片气动机的技术特征，但不言自明的是，本发明关于叶片气动机的描述同样适用于叶片气压机。

同时由于本发明一种叶片气动机具有实现空压机的功能，通过空压机将空气压缩后输入气动机使得燃料燃烧，形成高温高压气体驱动气动机旋转即可实现发动机的功能，在此不再详述。

本发明的一种叶片气动机的优点在于结构简单，由于压力平衡槽与工作容腔内的压强相等的设定而产生的压力油对环形转子内圆周从圆心方向向外施加的压力，极大的平衡了环形转子的径向压力，降低了转子轴和轴承的径向载荷，提高了工作压力及轴承的寿命，极大的拓展了其应用空间。

附图说明

通过下面结合附图对实施例的进一步描述来详细阐述本发明的构思及应用。

图1是本发明一种叶片气动机实施方式的示意性的剖视图。

图2是沿图1的A-A线剖开的示意性的剖视图。

图3是沿图1的B-B线剖开的示意性的剖视图。

图4是沿图1的C-C线剖开的示意性的剖视图。

图5是沿图1的D-D线剖开的示意性的剖视图。

图6是图4的A部分局部放大图。

图7是图5的B部分局部放大图。

具体实施方式

现在，将详细描述根据本发明的实施方式，其示例在附图中被示出。以下，将参照附图描述实施例，以解释本发明的总体构思。

如图1至图4所示，所述的一种叶片气动机，包括进气通道29、排气通道27及设置在壳体15内的定子21，在该定子21内偏心的安装有环形转子11，在该环形转子11的内圆周内设置有与其同圆心的固定在壳体15上的径向压力平衡轴3，且在径向压力平衡轴3与环形转子11内圆周之间设有径向压力平衡槽7，在环形转子11上设有连通通道2，连通通道2的一端与压力平衡槽7相通，连通通道2的另一端与可浮动的油气隔离块22的一端相通，油气隔离块22的另一端与工作容腔相通，在环形转子11外圆周及内圆周均在径向设有轴向通槽16、19，在轴向通槽16、19内设有可径向滑动及与环形转子11转子轴向长度相当的叶片18、20，在环形转子11轴向的一端的壳体15上设有进气通道29及排气通道27，在环形转子11的另一端通过螺丝R固定有转子连接盘6，在转子连接盘6上设有与环形转子11同轴心的并与转子连接盘6一同旋转的转子轴4，在转子连接盘6的外侧设有端盖1。

其中油气隔离块22的设定，防止了连通通道2内压力油向工作容腔泄露的同时也避免了高压气体进入压力平衡槽7内影响零件的润滑及环形转子11径向压力的平衡。

需要说明的是，环形转子11的径向合力＝压力气体对环形转子11的外圆周从外部向圆心方向施加的压力－压力油对环形转子11的内圆周从圆心方向向外部施加的压力。

具体地说:在本发明中，当压力平衡槽7及连通通道2内充满油时，转子轴4带动与转子连接盘6固定连接的偏心设置在定子21内的环形转子11轴旋，外圆周叶片18在弹簧力的作用下，尖部紧贴在定子21的内表面上，这样两个外圆周叶片18与环形转子11外表面和定子21内表面构成了工作容腔，当高压气体从进气口29进入高压容腔G后的膨胀压力作用在两个相邻叶片18上，因环形转子11的偏心安装，使得叶片18滑出叶片槽16的长度不同而产生旋转力矩，从而带动环形转子11旋转，随着环形转子11的旋转，当工作容腔与排气通道26相通时，膨胀后的气体通过排气口27排出，由此完成气动机的工作过程。

在气动机的工作过程中，高压容腔G里的压力气体对环形转子11外圆周产生由外圆周向圆心方向的径向力F1，其径向力F1＝容腔内气体压强(P)×受压面积(S1)，为了减小环形转子11的径向压力F1，在环形转子11上设有连通通道2，连通通道2的一端与压力平衡槽7相通，连通通道2的另一端与可浮动的油气隔离块22的一端相通，油气隔离块22的另一端与工作容腔相通，当压力平衡槽7及连通通道2内充满油时，高压容腔G内的气体压强到入到环形转子11的内圆周与径向压力平衡轴3之间的压力平衡槽7内，使得压力平衡槽7内的油压压强与高压容腔G的气体压强保持一致，此时压力平衡槽7里的压力油对环形转子11内圆周产生由圆心向外圆周方向的径向力F2，其径向力F2＝压力平衡槽7内的压力油压强(P)×受压面积(S2)，使得环形转子11径向压力的合力F＝F1-F2，由此可见，压力平衡槽7内的油压对环形转子11内圆周从圆心方向向外部施加的压力抵消了一部分高压容腔G里的压力气体对环形转子11外圆周从外部向圆心方向施加的压力，降低了转子轴4和轴承5的径向载荷。

通过以上对本发明的整体构思的阐述可以看出，当设定油气隔离块后，连通通道通过油气隔离块与工作容腔相通，在压力平衡槽与连通通道工作容腔均注满油的情况下，压力气体压强通过油气隔离块导入压力平衡槽，使得环形转子内圆周与外圆周的压强一致，能够使得环形转子获得径向力的平衡，同时保证了内圆周叶片与压力平衡轴的接触密封润滑。

如图1所示，为了更好的平衡环形转子11径向压力，降低转子轴4和轴承5的径向载荷，环形转子11的轴向截面为上窄下宽的凸字型结构，其凸字型的顶部为环形转子11的外圆周，其凸字型的底部为环形转子11的内圆周，在确定气动机的工作排量后可通过设定凸字型环形转子11的底部轴向的厚度使得内圆周的面积与外圆周面积相等，如上所述，其径向压力为F＝压力平衡槽7内的压力油压强(P)×受压面积(S)，由于环形转子11内圆与外圆所受压力相等且方向相反，使得环形转子11径向压力的合力为零，转子轴4和轴承5的径向载荷为零，从而极大的降低了转子轴4和轴承5的径向载荷，提高了工作压力及轴承5的寿命，拓展了其应用空间。

如图3所示，由于环形转子11的外圆周叶片18与内圆周叶片20的数量相同且在沿圆周径向分布的角度位置一致，使得在环形转子在旋转过程中，由两个外圆周叶片18与环形转子11外圆周和定子21内表面所构成的工作容腔内的气体压强与由环形转子11的两个内圆周叶片20与环形转子11内圆周和径向压力平衡轴3外表面所构成的压力平衡槽7内的油压压强始终保持一致。保证了平衡环形转子11无论旋转到任何角度其径向压力均为零，从而极大的降低转子轴4和轴承5的径向载荷。

如图4所示，为了保证油气隔离块隔离油气的作用，简化零件加工，其油气隔离块22为圆柱形活塞，在环形转子11上设有与设为圆柱形活塞的油气隔离块22相配合的缸套。

如图4所示，为了避免因压力平衡槽7内的油泄露而影响环形转子11径向压力的平衡，在定子21的轴向端面上设有与压力平衡槽7相通的补油通道28，其中补油通道28与在壳体外的补油油路连通(图中未示出)，在环形转子11每一圈的旋转过程中，各段被环形转子11内圆周叶片20分割的压力平衡槽7都会与补油通道28连通一次进行补油，为了不影响环形转子11径向压力的平衡及减小高压气体对补油的影响，补油通道28设置在环形转子11转向低压工作容腔D时与压力平衡槽7相通。

如图3、5所示，为了保证外圆周叶片18在叶片槽16中减少磨损正常滑动，在定子21的轴向端面上设有与外圆周叶片18底部相通的润滑油槽12、10，当环形转子11逆时针旋转工作时，在高压容腔G区的外圆周叶片18底部与叶片槽16底部转子的距离由小变大，其容积也自然由小变大，此时润滑油槽12通过进油口13吸油，当环形转子11逆时针旋转工作时，在低压容腔区D的外圆周叶片18底部与叶片槽16底部转子的距离由大变小，其容积也自然由大变小，此时润滑油槽10通过排油口9向外强制排油，由于进油、排油具有强制性，如果在排油口9与进油口13之间设置有散热器则润滑油在环形转子11内流通吸收的热量可通过散热器散发热量，以此来降低环形转子的工作温度(图中未示出)。

如图1所示，为了避免润滑油在环形转子11运转的过程中进入工作容腔，在外圆周叶片槽16径向末端两边的环形转子11上设有与外圆周叶片18轴向接触的刮油片24，在刮油片24与环形转子11之间的圆周方向设有弹片23来保证刮油片24与外圆周叶片18的紧密接触，在加强密封的同时又避免了润滑油进入工作容腔。

如图3所示，为了避免润滑油在环形转子11运转的过程中从轴向端面进入工作容腔，在定子21的轴向端面上设有环形回油槽14，环形回油槽14通过油道8与润滑油箱相通(图中未示出)。

如图4所示，为了提高工作效率，减小排气阻力，排气通道26与工作容腔在工作容腔旋转至容积最大时开始连通。

如图3所示，为了抵消内圆周叶片20在旋转时的离心力，保证内圆周叶片20与径向压力平衡轴3之间的接触密封，在内圆周叶片20底部与内圆周叶片槽19之间设有弹簧17。

通过本实施例对本发明一种叶片气动机的详细阐述，可以看出，转子轴径向载荷的大为减小，使得工作压力大幅提高，同排量下传递的功率、扭矩大为增加，在同等功率、扭矩的情况下，其体积、重量大为减少，可广泛应用于航空、火力发电、大型运输机械、工业余热回收、地热发电、等领域。

Claims (9)

1.一种叶片气动机，包括进气通道、排气通道及设置在壳体内的定子，在该定子内偏心的安装有环形转子，在该环形转子的内圆周内设置有与其同圆心的固定在壳体上的径向压力平衡轴，且在径向压力平衡轴与环形转子内圆周之间设有压力平衡槽，在环形转子的外圆周及内圆周均设有可径向滑动的叶片及容纳该叶片的叶片槽，在环形转子的一端固定有转子连接盘，在转子连接盘上设有与环形转子同轴心的并与转子连接盘一同旋转的转子轴，其特征在于：在环形转子上设有连通通道，连通通道的一端与压力平衡槽相通，连通通道的另一端与工作容腔相通。

2.如权利要求1所述的一种叶片气动机，其特征在于：还包括可浮动的油气隔离块，连通通道的另一端通过所述油气隔离块与工作容腔相通。

3.如权利要求1或2所述的一种叶片气动机，其特征在于：外圆周的叶片槽径向末端两边的环形转子上设有与外圆周叶片轴向接触的刮油片，在刮油片与环形转子之间的圆周方向设有弹片。

4.如权利要求1或2所述的一种叶片气动机，其特征在于：所述的定子的轴向端面上设有环形回油槽。

5.如权利要求2所述的一种叶片气动机，其特征在于：所述的定子轴向端面上设有与压力平衡槽相通的补油通道。

6.如权利要求5所述的一种叶片气动机，其特征在于：所述的补油通道设置在转子转向低压工作容腔时与压力平衡槽相通。

7.如权利要求1或2所述的一种叶片气动机，其特征在于：所述的定子轴向端面上设有与外圆周叶片底部相通的润滑油槽。

8.如权利要求1或2所述的一种叶片气动机，其特征在于：所述的排气通道与工作容腔在工作容腔旋转至容积最大时开始连通。

9.如权利要求2所述的一种叶片气动机，其特征在于：所述的油气隔离块为圆柱形活塞，在环形转子上设有与设为圆柱形活塞的油气隔离块相配合的缸套。