CN106996307B - 涡轮、气体压缩方法及装置、涡轮气动静压高速马达 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种涡轮，包括涡轮本体、等间隔均匀分布的轮啮、一体形成的涡轮壁，通过涡轮外周及另一侧壁的围合可形成多个相互独立的压缩腔室；还公开了一种气体压缩方式、装置及涡轮气动静压高速马达，马达包括进气口、主轴、第一涡轮、第二涡轮、压气轮、以及第一气室和第二气室，两气室间具有气体流通通道；气体经在第一气室被压缩后，通过第一涡轮的旋转在气体流通通道处膨胀释放，推动第一涡轮旋转，部分气体进入第二气室进行二次作功，排出后的余气被吸入压气轮内被压缩并形成用于支撑主轴悬浮在马达中心的气膜。通过本发明所公开的涡轮、气体压缩装置及马达实现的气体压缩方式，大大提高了能量的利用率，且结构简单，成本低。

Description

涡轮、气体压缩方法及装置、涡轮气动静压高速马达

技术领域

本发明属于轴承制造技术领域，具体涉及一种涡轮、气体压缩装置及气动静压高速马达。

背景技术

“马达”在机械行和制造业不可缺少的主要部件之一涉及所有行业，种类分为电驱动(电动马达“电动机”)和气动马达、液压马达三大类。

目前市场所见到的所有马达旋转轴(转子)轴都要有轴承作为支撑，马达的稳定性和振动、转速等视轴承的优劣就判断马达质量。尤其是精密磨削加工轴承行业对马达的要求更高，由于该行业常用的是超高速马达轴承，在超高速旋转作用下，由于离心力较大，轴承很容易损坏，寿命低，需要常频繁更换和维修等，需要常频繁更换和维修等，增加额维修费用。

此外，传统的气体压缩方式是将气流冲击涡轮上，利用叶片切削气流产生动力而使得其旋转，其能量利用率较低，损耗很大。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开一种涡轮、及利用该涡轮进行气体压缩的方法及装置，以及具有该装置的气动类涡轮气动静压高速马达(磨头)，该马达是加工行业备必不可少主要磨销头，通过气体先压缩后膨胀的方式产生巨大能量后再作功，大大提高能量利用率。进一步的，该马达的旋转轴(转子)不需要有轴承支撑，通过压缩空气带动涡轮使转子高速旋转，排出的余气再经压缩后，在转子周围产生一层气膜(即隔离膜浮与马达中心)从而支撑转子高速旋转。

具体技术方案是：

本发明公开了一种涡轮，包括涡轮本体、涡轮本体的外周具有等间隔均匀分布的轮啮、与涡轮本体和轮啮一侧壁相切并一体形成的涡轮壁；通过涡轮外周及另一侧壁的围合可形成多个相互独立的压缩腔室。

本发明还公开了一种上述涡轮的气体压缩方法，其步骤是，通过涡轮外周及另一侧壁的围合形成多个相互独立且相对封闭的压缩腔室；气体进入具有多个气体压缩腔的气室后，经气体压缩腔进行压缩，然后通过涡轮的旋转，各气体压缩腔依次与气体流通通道对合，被压缩的气体在流通通道处膨胀并释放，产生的能量推动涡轮高速旋转。

本发明还公开了一种气体压缩装置，包括进气口，主轴，套设于主轴上的第一涡轮和第二涡轮，以及内置第一涡轮的第一气室和内置第二涡轮的第二气室；第一气室涡轮采用上述的涡轮结构，具有多个相互独立且相对封闭的气体压缩腔；第一气室和第二气室之间设有至少一个气体流通通道；气体从进气口进入第一气室后，经第一气室内多个相互独立且相对封闭的气体压缩腔进行压缩，通过第一涡轮的旋转，各气体压缩腔依次与气体流通通道对合时，被压缩的气体在流通通道处膨胀并释放，继而推动第一涡轮旋转，被膨胀释放的部分气体经流通通道进入第二气室进行二次作功。

进一步的，气体压缩装置还包括涡轮固定块、压气轮、前端盖、导流板、涡轮壳、导气结构、定圈；其中，涡轮固定块和压气轮自马达前端依次套设于主轴上，第一涡轮和第二涡轮分别套设在涡轮固定块的两端并通过套设于涡轮固定块上的涡轮壳和导气结构间隔开，涡轮固定块、第一涡轮和第二涡轮、压气轮与主轴共同形成马达的转子整体；导流板和前端盖依次固定于第一涡轮的另一侧，第一涡轮采用具有上述特征的涡轮结构，第一涡轮与前端盖、导流板、涡轮固定块、涡轮壳导流板共同形成第一气室，第一气室内具有通过第一涡轮与导流板、涡轮壳的围合而形成的多个相互独立的气体压缩腔；导气结构径向固定于涡轮壳与第二涡轮之间，第二涡轮、导气结构与定圈共同形成第二气室；导流板上设有分流孔，从进气口进入的气体经分流孔到达第一气室；涡轮壳上设有释放口，导气结构上设有与释放口相连通的喷射口，释放口与喷射口的数量相等，共同形成气体流通通道；定圈具有紧邻第二气室并套设于部分压气轮上的纵向壁和位于纵向壁后端并套设于压气轮的横向壁，纵向壁和横向壁一体形成，在纵向壁上设有多个余气出口，在横向壁上设有多个吸气口。

进一步的，导气结构包括套设于涡轮固定块的导气板和固定于导气板外周的导气圈，导气板与导气圈上构成一个整体或一体成形。

进一步的，导流板上的分流孔为三至六个，且周向均匀分布。

进一步的，涡轮壳上释放口和导气板上喷射口的数量为三至六个，且周向均匀分布。

进一步的，定圈上的余气出口为三至六个，且周向均匀分布。

本发明还公开一种涡轮气动静压高速马达，包括具有上述任意一项所述特征的气体压缩装置，以及至少一个压气轮，压气轮上具有多个导气腔，从第二气室排出的余气被吸入压气轮的导气腔内，经压气轮的运转压缩形成用于支撑主轴悬浮在马达中心的气膜。

进一步的，涡轮气动静压高速马达还包括套设于主轴并位于第一气室前端的压气轮，套设于前端压气轮上的压气轮套，压气轮套开有多个吸气口，部分从进气口进入的气体可通过吸气口被吸入至前端的压气轮内。

本发明具有以下有益效果：

(1)传统的气体压缩方式是将气流喷射到涡轮叶片上利用叶片切削气流产生动力使得其旋转，能量利用率仅为30％左右；而基于本发明所设计的涡轮结构及对应的气体压缩装置和气体压缩方式，将气体封闭在多个独立且相对封闭的小空腔内，并压缩至几十个大气压，然后通过涡轮旋转到气体释放通道后，由于气体压缩腔内与释放通道间形成了很大的压力差，被压缩的气体膨胀几十倍(类似于气体爆炸)后释放，以此产生巨大的能量推动涡轮高速旋转，且部分能量还能推动次级涡轮做功，大大提高了能量的利用率，输出扭距较传统马达更高。

(2)经气体释放通道流入气室的气体还能再次推动次级涡轮旋转，进行二次作功，进一步提升了能量利用率。

(3)本发明所公开的涡轮及基于该涡轮的气体压缩装置结构简单且免维护；相应的马达的整体结构及工艺设计也十分合理，且马达运行时，高速平稳且无振动、耗气量小、噪音小于55db。

(4)马达在运转时不需要有轴承作为支撑，通过压气轮作用在转子周围形成的气膜刚性好、稳定性高，能使转子悬浮与马达中心，并支撑转子高速旋转；且气膜支撑相对于油膜支撑等传统方式，更清洁环保，且造价非常低，对压缩空气要求也无特别的要求。

(5)本发明所公开的涡轮和气体压缩装置可用于各个行业的自动化设备中，如可以用于金属加工中高速切削工艺等。

附图说明

图1是涡轮气动静压高速马达的结构示意图；

图2涡轮a6的结构示意图

图3涡轮转子的结构示意图

图4(a)是进出气道平面示意图，图4(b)是进出气道的三维图，图4(c)是图4(b)的局部放大图；

图5(a)和图5(b)均是气体压缩过程示意图

图6是余气的出口位置示意图

图7(a)是图1的AA部面图，图7(b)是图7(a)的局部放大图；

图8(a)是导气板9的二维示意图，图8(b)是导气板9的三维示意图

图9(a)、图9(b)、图9(c)均是涡轮气动静压高速马达的性能曲线图

具体实施方式

结合图1至图9，对本发明做进一步的说明。

如图1所示，实施例中公开一种涡轮气动静压高速马达(磨头)的结构示意图，包括：主轴1(转子)、压气轮2、压气套3、前端盖4、导流板5、涡轮a6、涡轮固定块7、涡轮壳8、导气板9、导气圈10、涡轮b11、发兰盘12、定圈13(定子圈)、压气轮14、消音器15、压气轮16、后端盖17、马达罩24、进气口21等。

如图2所示，实施例2中公开了本发明设计的一种新型的涡轮结构，即涡轮a6的结构，具体包括涡轮本体a6.1、涡轮本体a6.1的外周具有等间隔均匀分布的轮啮a6.2、与涡轮本体a6.1和轮啮a6.2一侧壁相切并一体形成的涡轮壁a6.3；涡轮本体a6.1、两两相邻的轮啮a6.2、涡轮壁a6.3通过与另一侧壁帖合的导流板5、与涡轮a6外周相切的涡轮壳8的围合，形成一个个相互独立封闭的气体压缩腔a6.4。每一个气体压缩腔a6.4独立，经气体压缩腔压缩后的气体被释放后相当于大爆炸，其产生的作用力非常大。而传统的结构方式是将气流喷射到涡轮叶片上利用叶片切削气流产生动力，其缺陷是气体损耗大、功率小(约40％的损耗)，而本发明通过这种先压缩后膨胀释放的方式产生动力，推动涡轮高速旋转，具有气体损耗很小、功率大、扭距大等优点。

如图3所示，涡轮固定块7套设于主轴1上，涡轮a6和涡轮b11分别固定于涡轮固定块7两端，压气轮14和压气轮16套设于主轴1上且位于涡轮固定块7的后端，压气轮2套设于主轴1上且位于涡轮固定块7的前端；压气轮14、压气轮16、压气轮2、涡轮b11、涡轮固定块7、涡轮a6与主轴1同步旋转，共同组成转子整体，具有相同的转速。

如图4(a)～(c)所示，涡轮壳8与导气板9和导气圈10一体形成的导气结构套设于涡轮固定块7外周中间位置，并将涡轮a6和涡轮b11隔开，形成左右两个气室，即第一气室和第二气室。具体的，第一气室由前端盖4、导流板5、涡轮a6、涡轮固定块7和涡轮壳8组成；第二气室由涡轮b11、导气板9、导气圈10及定圈13组成，其中，导气板9固定在导气圈10上且一体形成。

其中，导流板5上设有三个分流孔20(也可以更多，优选三至六个)用于将从进气口21进入的气体分流到涡轮a6的气体压缩腔内，实施例中分流孔20可对合于涡轮a6的气体压缩腔a6.4内的中心位置。在涡轮壳8上开有三个等分的释放口18(即气体释放通道)，导气板9上也开有三个等分的喷射口19，三个释放口18和三个喷射口19相互连通，形成一气体流通通道；涡轮a6在旋转时，各独立的气体压缩腔a6.4通过旋转依次与各释放口18对合，对合时该气体压缩腔a6.4内被压缩的气体在释放口18膨胀释放。由此可见，第一气室和第二气室通过相邻的涡轮壳8与导气板9连通，即涡轮壳8的三个释放口18(即气体释放通道)与导气板9上的的喷射口19互通。

如图6和图7(a)～(b)所示的定圈结构，从图1中AA剖面图及其局部放大图中可以看出，定圈13具有紧邻第二气室并套设于压气轮14一部分上的纵向壁和位于纵向壁后端并套设于后端压气轮的横向壁，纵向壁和横向壁可为一体式结构，可一体式形成，在纵向壁上设有多个余气出口(优选为三至六个)，即实施例所示的三个等分余气出口23，在横向壁上设有多个吸气口。

值得注意的是，第一气室的结构也就是本发明所公开的气体压缩装置的一种实施例。另外，从图3可以看出，第二气室中的涡轮b11采用普通的涡轮结构即可，第二气室中不需要像第一气室一样需要形成多个独立的气体压缩腔。并且，根据马达结构的尺寸及设计需要，本发明还可在第二气室后端设计与第二气室类似的第三、第四气室等结构，或者对第一气室和第二气室交替设计等结构。而导流板5上的导气孔20、涡轮壳8上的释放口18、导气板9上的喷射口19以及定圈13上的余气出口23中，并非只能设计成三等分形式，但为保证足够的功率大小，优选为等分的三至六个，除释放口18和喷射口19需要数目相等且能对合连通外，导气孔20和余气出口23也并不限制于数目相同。

结合图5(a)和(b)所示，压缩气体由压缩空气进气口21经导流板5上的三个分流孔20进入涡轮a6中的各气体压缩腔a6.4后，被压缩至几十个大气压，涡轮a6每旋转一定角度，就有三个气体压缩腔a6.4被旋转到涡轮壳8上的三个释放口18处对合，由于涡轮旋转时气体压缩腔内与气体释放口形成了很大的压力差，气体压缩腔在转到气体释放口时，被压缩的气体会膨胀几十倍(类似于气体爆炸)，产生巨大的动力，从而推动涡轮a6向旋转方向继续高速旋转。旋转的同时紧接下一个气体压缩腔a6.4又继而被旋转到释放口18处膨胀释放，以此类推，连续进行，从而以推动涡轮高速旋转。在此过程中，由于涡轮壳8的三个释放口18(即气体释放通道)与第二气室相连，即与导气板9上的的喷射口19连通，涡轮壳8上的释放口18释放出来的气体还有一部分被引导到第二气室中导气板9的三个喷射口19后，经喷射口19喷射到第二个气室的涡轮b11上，进行第二次作功，即对第二级涡轮b11加速和增加功率。经二次作功后的余气由定圈13上的余气出口23排出。

如图3和图6所示，主轴1的后端套设有压气轮14和压气轮16，前端还套设有压气轮2，其中，压气轮2套设有压气轮套3，压气轮套3上也开有多个吸气口。在相邻的两压气轮14和压气轮16之间还可以设置一垫圈用于缓冲。

根据流体力学原理，在高速旋转时形成真空，遇到孔洞或缝隙时气体被吸入，高速旋转的同时再其压缩成气膜。如图7所示，实施例中的压气轮14、压气轮16和压气轮2上均具有多个导气腔25，在高速旋转时导气腔25内为真空形式，定圈13的横向壁上开有吸气口22将从定圈13的余气口23排出的余气吸入至旋转中的压气轮14和压气轮16的导气腔25内，被压缩后形成气膜，以支撑主轴1和压气轮共同悬浮在定圈13中央。同理，压气轮套3上开有的多个吸气口，气体通过吸气口被吸入至压气轮2的导气腔25内，被压缩后形成气膜，以支撑主轴1和压气轮能更平衡更稳定地悬浮在定圈13中央。

综合以上所述，进一步说明本实施例所示的气体压缩装置及马达(磨头)的工作原理：

该马达工作时，压缩空气由进气口21进入导流板5后，经导流板5上的分流孔20进入第一气室内的涡轮a6(第一级涡轮)上的气体压缩腔a6.4内，由于涡轮a6的高速旋转，气体压缩腔a6.4内的压缩气体被旋转到涡轮壳8上的释放口18后，膨胀释放并推动涡轮a6高速旋转；同时，部分压缩气体经释放口18经导气板9上的喷射口19进入第二气室内的涡轮b11(第二级涡轮)作功，推动其加速。经二次作功后产生的余气由定圈13上的余气出口23排出后，由于气压差的作用，又经定圈13上的吸气口22进入压气轮14和压气轮16，被压气轮压缩后生成支撑气膜以支撑主轴1(转子)高速旋转，将主轴1悬浮在定圈13中。与此同时，主轴1另一端的压气轮2，也通过压气轮套3上开有的吸气口将部分空气吸入压气轮2内，压缩形成气膜，从而支撑主轴1(转子)高速平移地旋转。

由此可见，实施例所公开的气体压缩装置的能量利用率更高，马达在正常运行过程中，无需轴承即可正常工作，且工作时由于气膜的支持，无摩擦产生。并且，相对于油膜等方式，更清洁，成本也更低。

结合图9(a)～(c)所示的实研性能曲线图，可以看出相对于传统马达本发明所公开的马达能量利用率更高；并且马达的转速越高，气膜的刚性越好、稳定性越高。

具体的，图9(a)中可以看出转速到3.5万转时径向负载(扭距)就达3.5NM，而传统的气动马达也达不到这样高的转速也无法相比。

图9(b)所示，主轴轴向穿动曲线图转速达到1万转时主轴轴向穿动0.007mm近此等于零，而传统的气动马达旋转是通过轴承作支撑，因此也无法相比。

图9(c)是气动马达耗气量曲线图，从曲线图上可以看出与笔式打磨机相同，但在同等耗气量时笔式打磨机输出的扭距约1.15NM，本发明实施例中马达(磨头)输出的扭距可达到3.2NM，可见马达的利用率更高。

并且，传统的气动马达和高速磨头的主轴都是用角轴承或深沟高速轴承(笔式打磨机)，电动马达(磨头)的主轴的支撑都是用角轴承。由于高速旋转带来的超强离心力，轴承内的球体磨损3-6个月就要维修和更换轴承。而目前，气膜的生成结构相关技术在国内外大部分还处于研发阶段；在国外虽有同类产品，但气膜的生成和涡轮的结构与本发明并不相同，且其结构图十分复杂，对压缩空气的纯度要求高(需要一整套过虑设备)，造价非常贵，初步估算，成品价8-15万。相比之下，本发明所公开的气膜的生成结构造价约5千，结构简单且免维护，对压缩空气要求也无特别的要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种涡轮，其特征在于：包括涡轮本体、涡轮本体的外周具有等间隔均匀分布的轮啮、与涡轮本体和轮啮一侧壁相切并一体形成的涡轮壁；通过涡轮外周及另一侧壁的围合形成多个相互独立且相对封闭的气体压缩腔；所述涡轮在高速旋转的过程中，气体在进入形成的气体压缩腔后被压缩，并在所述气体压缩腔与外部气体流通通道对合时，气体压缩腔内被压缩的气体在气体流通通道处膨胀并释放，产生的能量继续推动涡轮高速旋转。

2.一种气体压缩装置，其特征在于，包括进气口，主轴，套设于主轴上的第一涡轮和第二涡轮，以及内置第一涡轮的第一气室和内置第二涡轮的第二气室；第一涡轮为如权利要求1所述的涡轮，具有多个相互独立且相对封闭的气体压缩腔；第一气室和第二气室之间设有至少一个气体流通通道；气体从进气口进入第一气室后，经第一气室内多个相互独立且相对封闭的气体压缩腔进行压缩，通过第一涡轮的旋转，各气体压缩腔依次与气体流通通道对合时，被压缩的气体在流通通道处膨胀并释放，继而推动第一涡轮旋转，被膨胀释放的部分气体经流通通道进入第二气室进行二次作功。

3.如权利要求2所述的气体压缩装置，其特征在于，还包括涡轮固定块、压气轮、前端盖、导流板、涡轮壳、导气结构、定圈；其中，涡轮固定块和压气轮自马达前端依次套设于主轴上，第一涡轮和第二涡轮分别套设在涡轮固定块的两端并通过套设于涡轮固定块上的涡轮壳和导气结构间隔开，涡轮固定块、第一涡轮和第二涡轮、压气轮与主轴共同形成马达的转子整体；

第一涡轮的前端固定有导流板，导流板的前端固定有前端盖，第一涡轮为如权利要求1所述的涡轮，第一涡轮与前端盖、导流板、涡轮固定块、涡轮壳共同形成第一气室，第一气室内具有通过第一涡轮与导流板、涡轮壳的围合而形成的多个相互独立的气体压缩腔；导气结构径向固定于涡轮壳与第二涡轮之间，第二涡轮、导气结构与定圈共同形成第二气室；导流板上设有分流孔，从进气口进入的气体经分流孔到达第一气室；

涡轮壳上设有释放口，导气结构上设有与释放口相连通的喷射口，释放口与喷射口的数量相等，共同形成气体流通通道；

定圈具有紧邻第二气室并套设于部分压气轮上的纵向壁和位于纵向壁后端并套设于压气轮的横向壁，纵向壁和横向壁一体形成，在纵向壁上设有多个余气出口，在横向壁上设有多个吸气口。

4.如权利要求3所述的气体压缩装置，其特征在于，导气结构包括套设于涡轮固定块的导气板和固定于导气板外周的导气圈，导气板与导气圈上构成一个整体或一体成形。

5.如权利要求3所述的气体压缩装置，其特征在于，导流板上的分流孔为三至六个，且周向均匀分布。

6.如权利要求3所述的气体压缩装置，其特征在于，涡轮壳上释放口和导气结构上喷射口的数量为三至六个，且周向均匀分布。

7.如权利要求3所述的气体压缩装置，其特征在于，定圈上的余气出口为三至六个，且周向均匀分布。

8.一种涡轮气动静压高速马达，其特征在于，包括采用权利要求2至7任意一项所述的气体压缩装置，还包括至少一个压气轮，压气轮上具有多个导气腔，从第二气室排出的余气被吸入压气轮的导气腔内，经压气轮的运转压缩后形成用于支撑主轴悬浮在马达中心的气膜。

9.如权利要求8所述的涡轮气动静压高速马达，其特征在于，还包括套设于主轴并位于第一气室前端的压气轮，套设于前端压气轮上的压气轮套，压气轮套开有多个吸气口，部分从进气口进入的气体可通过吸气口被吸入至前端的压气轮内。