CN106930786A - 一种多级径流式对转涡轮结构 - Google Patents

一种多级径流式对转涡轮结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多级径流式对转涡轮结构，包括主叶轮、副叶轮、行星架、外齿圈和太阳齿轮；主叶轮的内侧设有若干列沿径向排列的主叶轮叶片；副叶轮的内侧上设有若干列沿径向排列的副叶轮叶片；主叶轮和副叶轮平行且相向布置，若干列主叶轮叶片和若干列副叶轮叶片沿径向错位排布；主叶轮轴向中心通过辐带与轴固定连接，轴穿过副叶轮的中心孔与太阳齿轮固定连接；主叶轮、轴和太阳齿轮同轴设置；副叶轮和外齿圈共轴且固定连接；太阳齿轮和行星架设置于外齿圈内；外齿圈通过行星架上的若干行星轮与太阳齿轮啮合。采用这种多级径流式对转涡轮结构，增大了涡轮做功能力，缩小了涡轮体积；行星齿轮的动力输出结构能够调整，从而提高涡轮的轮周效率。

Description

一种多级径流式对转涡轮结构
技术领域
本发明涉及径流式透平技术领域，特别涉及一种提高涡轮性能的多级径流式对转涡轮结构。
背景技术
径流式涡轮通过将沿径向流动工质的能量转换为旋转动能，广泛应用于小型能量转化的场合，如船舶或车辆用动力源、工业辅助用汽轮机等。相比于轴流式的涡轮，径流式涡轮具有流量小、效率高，结构简单可靠、易于制造等优点；并且其功率密度较轴流式要高出15％-50％。
传统的径流式涡轮往往采用向心涡轮的结构，并且由于流动方向的原因，使得多级径流式涡轮结构布置较为复杂、结构体积较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多级径流式对转涡轮结构，以提高涡轮单位质量的做功能力，减小涡轮的体积。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多级径流式对转涡轮结构，包括主叶轮、副叶轮、行星架、外齿圈和太阳齿轮；主叶轮的叶盘内侧设有若干列沿径向排列的主叶轮叶片；副叶轮的叶盘内侧上设有若干列沿径向排列的副叶轮叶片；主叶轮和副叶轮平行且相向布置，若干列主叶轮叶片和若干列副叶轮叶片沿径向错位排布；主叶轮轴向中心通过辐带与轴固定连接，轴穿过副叶轮的中心孔与太阳齿轮固定连接；主叶轮、轴和太阳齿轮同轴设置；副叶轮和外齿圈共轴且固定连接；太阳齿轮和行星架设置于外齿圈内；外齿圈通过行星架上的若干行星轮与太阳齿轮啮合。
进一步的，每级主叶轮叶片和对应的副叶轮叶片的安装角相反且沿径向错位布置。
进一步的，所述一种多级径流式对转涡轮结构工质从四周进气、轴心排气，主叶轮和副叶轮的叶盘之间的轴向距离从轴心向外沿径向逐渐减小。
进一步的，所述一种多级径流式对转涡轮结构工质从轴心进气、四周排气，主叶轮和副叶轮的叶盘之间的轴向距离从轴心向外沿径向逐渐增大。
进一步的，主叶轮和副叶轮的转速和行星齿轮的齿数相匹配：其中n1为副叶轮的转速，n2为主叶轮的转速，z1为外齿圈的齿数，z3为太阳齿轮的齿数。
进一步的，高温工质从工质进气口进入涡轮内部后，沿着径向依次经过第一级主叶轮叶片、第一级副叶轮叶片、第二级主叶轮叶片、第二级副叶轮叶片……末级主叶轮叶片以及末级副叶轮叶片，最终通过排气口流出；这一过程中，高温工质作用于主叶轮叶片和副叶轮叶片，推动主叶轮和副叶轮沿着相反的方向转动，形成对转；主叶轮带动太阳齿轮进行旋转，副叶轮带动外齿圈进行旋转，外齿圈作用于行星架的行星轮，从而通过行星轮又作用于太阳齿轮，现了动力的合成，并通过主叶轮的轴进行输出。
进一步的，主叶轮和副叶轮内侧均设有若干列沿径向排列的叶片，相互组合从而形成燃气通道。
进一步的，每列的叶片高度与通流面积相匹配，使得流动的工质能连续膨胀以对外做功。
进一步的，为了兼顾齿轮系统的安装和工质的流动，主叶轮通过若干数量的辐带与轴进行连接。
进一步的，通过将副叶轮套装在主叶轮上，从而使得当高温工质流进涡轮时，能推动主叶轮和副叶轮旋转，并通过行星齿轮将两股动力合成后输出。
进一步的，副叶轮和外齿圈装配在一根轴上，主叶轮和太阳齿轮装配在一根轴上，合成动力通过主叶轮的轴进行输出。
相对于现有技术，本发明具有以下效果：
增加了新的动力部件(主叶轮)，从而使得当高温工质流经涡轮时，通过作用各级安装角相反的主叶轮叶片和副叶轮叶片，推动主副叶轮旋转，通过行星齿轮将主叶轮和副叶轮的两股动力合成后对外输出功，增大了涡轮单级焓降，提高了涡轮做功能力，使得涡轮体积缩小；行星齿轮调节的动力输出结构能够有效地调整以匹配涡轮各级的最佳速比，从而提高涡轮的轮周效率。
附图说明
图1为本发明一种多级径流式对转涡轮结构的爆炸斜视图；
图2为本发明一种多级径流式对转涡轮结构的爆炸主视图；
图3为本发明一种多级径流式对转涡轮结构的剖面示意图(四周进气、轴心排气布置)；
图4为本发明一种多级径流式对转涡轮结构的剖面示意图(轴心进气、四周排气布置)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1至图2所述，本发明为一种多级径流式对转涡轮结构，包括：主叶轮1、副叶轮2、行星架3、外齿圈4和太阳齿轮5；主叶轮1的内侧设有若干列沿径向排列的动叶叶片B(主叶轮叶片)，主叶轮1轴向中心通过辐带A与轴D固定连接；副叶轮2的内侧上设有若干列沿径向排列的动叶叶片C(副叶轮叶片)。
主叶轮1和副叶轮2构成了涡轮的动力生成系统，行星架3、外齿圈4和太阳齿轮5构成了涡轮的动力合成系统。主叶轮1和太阳齿轮5同轴设置且固定连接；副叶轮2和外齿圈4共轴且固定连接；太阳齿轮5和行星架3设置于外齿圈内；外齿圈4通过行星架3上的若干行星轮与太阳齿轮5啮合。
多级径流式对转涡轮结构的剖面示意图如图3和图4所示，给出了两种进出气布置。其中图3工质从四周进气、轴心排气，该进出气布置使得出口工质更容易集中利用；图4工质从轴心进气，四周排气，该进出气布置利用了“圆结构外扇区比内扇区面积大”的特点，使得叶片高度增长幅度小于图3的增长幅度，从而拥有更小的体积。两种进出气布置均能使每列的叶片高度与通流面积相匹配，从而满足工质连续膨胀条件。
每级主叶轮叶片B和副叶轮叶片C都有相反的安装角。当高温工质从工质入口进入涡轮内部后，会沿着径向依次经过第一级主叶轮叶片、第一级副叶轮叶片、第二级主叶轮叶片、第二级副叶轮叶片……末级主叶轮叶片以及末级副叶轮叶片，最终通过排气口流出；这一过程中，高温工质会作用于主叶轮叶片B和副叶轮叶片C，从而推动主叶轮1和副叶轮2沿着相反的方向转动，形成对转。
主叶轮1带动太阳齿轮5进行旋转，副叶轮2带动外齿圈4进行旋转，外齿圈4作用于行星架3的行星轮，从而通过行星轮又作用于太阳齿轮5。在合成的过程中，由行星齿轮机构的性质可知，主叶轮和副叶轮的转速必须和行星齿轮的齿数相匹配，即其中n1为副叶轮2的转速，n2为主叶轮1的转速，z1为外齿圈4的齿数，z3为太阳齿轮5的齿数。从而实现了动力的合成，并通过主叶轮1的轴D进行输出。
采用这种新型多级径流式对转涡轮结构，增加了新的动力部件(主叶轮)，通过行星齿轮主叶轮和副叶轮形成的两股动力合成后对外输出功，增大了涡轮焓降，提高了涡轮做功能力，使得涡轮体积大幅缩小；行星齿轮调节的动力输出结构能够有效地调整以匹配涡轮各级的最佳速比，从而提高涡轮的轮周效率。

Claims (8)

1.一种多级径流式对转涡轮结构，其特征在于，包括主叶轮(1)、副叶轮(2)、行星架(3)、外齿圈(4)和太阳齿轮(5)；
主叶轮(1)的叶盘内侧设有若干列沿径向排列的主叶轮叶片；副叶轮(2)的叶盘内侧上设有若干列沿径向排列的副叶轮叶片；主叶轮(1)和副叶轮(2)平行且相向布置，若干列主叶轮叶片和若干列副叶轮叶片沿径向错位排布；
主叶轮(1)轴向中心通过辐带(A)与轴(D)固定连接，轴(D)穿过副叶轮(2)的中心孔与太阳齿轮(5)固定连接；主叶轮(1)、轴(D)和太阳齿轮(5)同轴设置；副叶轮(2)和外齿圈(4)共轴且固定连接；太阳齿轮(5)和行星架(3)设置于外齿圈内；外齿圈(4)通过行星架(3)上的若干行星轮与太阳齿轮(5)啮合。
2.根据权利要求1所述的一种多级径流式对转涡轮结构，其特征在于，每级主叶轮叶片和对应的副叶轮叶片的安装角相反且沿径向错位布置。
3.根据权利要求1所述的一种多级径流式对转涡轮结构，其特征在于，所述一种多级径流式对转涡轮结构工质从四周进气、轴心排气，主叶轮(1)和副叶轮(2)的叶盘之间的轴向距离从轴心向外沿径向逐渐减小。
4.根据权利要求1所述的一种多级径流式对转涡轮结构，其特征在于，所述一种多级径流式对转涡轮结构工质从轴心进气、四周排气，主叶轮(1)和副叶轮(2)的叶盘之间的轴向距离从轴心向外沿径向逐渐增大。
5.根据权利要求1所述的一种多级径流式对转涡轮结构，其特征在于，主叶轮和副叶轮的转速和行星齿轮的齿数相匹配：其中n1为副叶轮的转速，n2为主叶轮的转速，z1为外齿圈的齿数，z3为太阳齿轮的齿数。
6.根据权利要求1所述的一种多级径流式对转涡轮结构，其特征在于，若干列主叶轮叶片和若干列副叶轮叶片相互组合而形成工质通道。
7.根据权利要求3或4所述的一种多级径流式对转涡轮结构，其特征在于，每列的叶片高度与通流面积相匹配，使得流动的工质能够连续膨胀以对外做功。
8.根据权利要求3或4所述的一种多级径流式对转涡轮结构，其特征在于，高温工质从工质进气口进入涡轮内部后，沿着径向依次经过第一级主叶轮叶片、第一级副叶轮叶片、第二级主叶轮叶片、第二级副叶轮叶片……末级主叶轮叶片以及末级副叶轮叶片，最终通过排气口流出；这一过程中，高温工质作用于主叶轮叶片和副叶轮叶片，推动主叶轮和副叶轮沿着相反的方向转动，形成对转；主叶轮带动太阳齿轮进行旋转，副叶轮带动外齿圈进行旋转，外齿圈作用于行星架的行星轮，从而通过行星轮又作用于太阳齿轮，现了动力的合成，并通过主叶轮的轴(D)进行输出。
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