CN108223015B - 交错环流式流体动力齿轮及构成的流体机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了交错环流式流体动力齿轮及构成的流体机，动力齿轮包括圆柱体，沿圆柱体的周向在其外圆周壁上设有两个挡边，在每一个挡边的内侧壁上设有多个齿片，沿圆柱体的周向旋转任意一个挡边，使得分别位于两个挡边上的齿片交错分布后，在两个挡边之间形成一个环形流道；流体机包括动力齿轮以及壳体，在壳体内设有流体腔圆柱体固定在轴上，在壳体上设有开口，堵隔板将开口分隔成进口、出口。流体进入环形流道后，流入到流出的运动轨迹为一个波浪形的环形曲线，在流体依次交替冲击两排齿片后，流体冲击而形成的扭矩的方向相同，形成一个合转矩，当圆柱体上的每一个齿片均同时参与到能量转化的过程中后，以提高流体机的动力输出量。

Description

交错环流式流体动力齿轮及构成的流体机

技术领域

本发明涉及一种流体机，具体涉及交错环流式流体动力齿轮及构成的流体机。

背景技术

流体机，即交错环流齿轮式通用流体原动机，是能够将流体(液体和气体)的能量转化为旋转机械能的一种机械。风力机、水轮机和膨胀机可以直接或将能量转换为电能后带动从动机。水轮机、汽轮机和燃气轮机的工质分别为水、蒸汽和燃气。各种流体机械由于作用原理、结构形式和用途不同，所用工质的温度、流量和压力的差别也很大。根据工作原理，流体机械可分为容积式和动力式：容积式流体机械依靠运动元件改变工作容积来实现能量转化；动力式流体机械依靠高速旋转叶片与流体之间力的相互作用来转换能量，又称透平机械。

现有的动力式流体机械中，如图5和图6所示，特别是当有压流体进入到旋转齿轮中后，流体的活动区域被限定在相邻的两个齿条之间，即流体的活动空间被封闭，流体在该区域内四处流动，使得齿轮受到的合力相对较小，带动齿轮转动的速度较慢，因而转换形成的能量降低，进而导致流体机的动力输出量降低，无法有效实现能量转换。

发明内容

本发明目的在于提供交错环流式流体动力齿轮及构成的流体机，解决现有流体机能量转换率低的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

交错环流式流体动力齿轮，包括圆柱体，沿所述圆柱体的周向在其外圆周壁上设有两个挡边，在每一个所述挡边的内侧壁上设有多个齿片，沿所述圆柱体的周向旋转任意一个挡边，使得分别位于两个所述挡边上的齿片交错分布后，且在两个所述挡边之间形成一个环形流道。现有的流体机在使用时，一旦当有压流体进行到旋转齿轮中后，流体的活动区域被限定在相邻的两个齿条之间，即流体的活动空间被封闭，流体在该区域内四处流动，使得齿轮受到的合力相对较小，带动齿轮转动的速度较慢，因而转换形成的能量降低，进而导致流体机的动力输出量降低，无法实现能量转换；对此，申请人直接摒弃现有旋转齿轮的齿条分布方式，而是在圆柱体上设置A、B两排齿片，并且利用两个挡边对两排齿片的外侧进行遮挡，使得在圆柱体的外圆周壁上形成一个波浪形的环形流道，而两排齿片交错分布，使得流体进入环形流道后，流入到流出的运动轨迹为一个波浪形的环形曲线，在流体依次交替冲击两排齿片后，且在流体的运动方向上，因流体冲击而形成的扭矩的方向相同，即形成一个合转矩，当圆柱体上的每一个齿片均同时参与到能量转化的过程中后，圆柱体在单位时间内的转动速度加快，使得流体机最终的动力输出量大幅度提高，即克服了现有的流体机能量转化效率低的缺陷。进一步地，与现有转动齿轮相比，本技术方案中的流体在由入口进入到环形流道后，因受到A排的第一个齿片的阻挡作用后，会对圆柱体产生推动力，且因流体的流动性导致其容易变形，即在受到阻挡后容易改变运动方向，然后继续冲击B排的第一个齿片，在被阻挡后，再次折回至A排的第二个齿片上，如此循环往复，依次交替冲击A、B两排齿片；而沿环形流道中部移动的流体因受到两侧流体的反复干涉，同样会按照环形流道两侧流体的运动轨迹移动，直至环形流道内的所有流体在交替冲击所有的齿片后，再沿出口流出。

其中，流体在流动时产生能量包括动能和势能，两种能量均能推动圆柱体进行转动，以实现能量交换，一部分能量会在流动中因粘性阻力损失在过流部件上，而在本技术方案中流体沿环形轨迹进行环向流动，进而带动圆柱体转动，因此，除去沿机壳内壁流动的少部分流体阻力没对轮齿产生动力外，剩余流体的能量均转化在圆柱体上，继而使得流体能量交换的效率更加接近理论上的理想值。

所述齿片呈三角块状，且齿片的内侧壁与所述圆柱体外侧壁连接，齿片的底部与挡边的内侧壁连接。进一步地，齿片固定在圆柱体上，且其内侧壁与圆柱体外圆周壁完全贴合，而齿片的底部则与挡边的内侧壁连接，使得齿片、挡边与圆柱体形成一个整体，且在齿片与圆柱体之间无间隙，齿片呈锐角三角块状，使得流体在冲击齿片时，齿片上存在一个倾斜的且能够与流体直接接触的作用面，而两排齿片分别沿圆柱体的周向分布，使得所有的齿片形成两排交错分布且能够对流体进行导向的导流结构，以方便流体依次交替地冲击齿片，进而带动圆柱体进行能量转换。

在所述齿片正对流体运动方向的侧壁上设有齿面，在所述齿片背对流体运动方向的侧壁上设有齿背，且所述齿面投影至所述挡边内侧壁上的平面与齿面相交形成一个锐角，所述齿背投影至所述挡边内侧壁上的平面与齿背相交形成一个锐角。进一步地，齿片为三角块状，且在齿片正对流体运动方向的侧壁上设有齿面，齿片背对流体运动方向的侧壁上设有齿背，而齿面与挡边的内侧壁形成一个锐角，齿背所在的平面与挡边的内侧壁形成一个锐角，使得齿片背对流体运动的方向上形成一个斜坡，使得齿面作为流体的冲击面，作用在于转换流体的能量，而齿背的作用在于确保流体在出口处彻底脱离流道，而不会再次进入到环形流道中进行二次流动；具体地，由于在流体机出口处，流体机的机壳不再对流体进行束缚，大部分的流体在离心力的作用下由出口排出，而少部分的流体在会因其自身的粘黏性而附着在齿片或是圆柱体外壁上，因此将齿背设置成斜坡状，斜坡状的齿背能够对流体产生外推作用，即将流体朝外推送，以确保流道内的流体全部脱离流道，全部从出口排出，以防止已经做完功的部分流体夹杂至进口处影响流体机进口处的进量。

所述齿片的外侧壁与所述挡边的外圆周壁处于同一个圆柱面上。进一步地，圆柱体转动设置在流体机的机壳内，为提高能量转换效率，齿片的外侧壁以及挡边的外圆周壁与机壳内壁之间的间隙设置的相对较小，只需满足齿轮在转动时不与机壳内壁产生摩擦即可，因此，将齿片的外侧壁与挡边的外圆周壁设置在同一个圆柱面上，能够束缚有压流体，和轮齿一体形成可靠流道，以实现更多的流体作用至齿轮上，进而实现提高能量转换效率的目的。

流体机，包括基于权利要求1～4任意一项所述的交错环流式流体动力齿轮以及壳体，在所述壳体内设有流体腔，流体腔内转动设置有轴，圆柱体固定在所述轴上，在所述壳体外壁上设有与流体腔连通的开口，堵隔板固定在壳体上且将开口分隔成进口以及出口。通过采用与现有的旋转齿轮不同的齿片分布方式，流体机在使用时，有压流体经壳体上的进口进入环形流道内，而交错式分布齿形成的波浪式环形流道使流体反复冲击齿轮，在最大程度上实现流体与齿轮之间的能量转换，且由堵隔板将环形流道进行隔断，以防止流体向齿轮旋转的反方向流动，最终完成做功的流体则沿出口向外排出。

还包括底座，所述壳体固定在所述底座上。进一步地，将壳体固定在底座上，使得在齿轮高速运行的过程中保证流体机的整体稳定性，以实现流体与齿轮之间的能量转换稳定有效的进行。

所述堵隔板的一端端部朝壳体内部延伸至环形流道内，在堵隔板延伸段的上表面与下表面均设有突起，突起的厚度由堵隔板另一端端部朝靠近所述圆柱体的方向递增。进一步地，在不影响齿轮自由转动的前提下，堵隔板将环形流道分成两部分，且堵隔板延伸至环形流道内的端部呈与圆柱体的外壁相匹配的弧形，以确保流体在做完功后快速由出口外排，防止该部分流体影响壳体进口处的进量；并且在堵隔板的延伸段上下两个表面上分别设有厚度渐变的突起，两个突起与壳体的外壁相互配合，能够对进入或是外排的流体进行导向，以减小流体在进出时遇到的阻力。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明交错环流式流体动力齿轮及构成的流体机，两排齿片交错分布，使得流体进入环形流道后，流入到流出的运动轨迹为一个波浪形的环形曲线，在流体依次交替冲击两排齿片后，且在流体的运动方向上，因流体冲击而形成的扭矩的方向相同，即形成一个合转矩，当圆柱体上的每一个齿片均同时参与到能量转化的过程中后，圆柱体在单位时间内的转动速度加快，使得流体机最终的动力输出量大幅度提高，即克服了现有的流体机能量转化效率低的缺陷；

2、本发明交错环流式流体动力齿轮及构成的流体机，流体沿环形轨迹进行环向流动，进而带动圆柱体转动，因此，除去沿机壳内壁流动的少部分流体阻力没对轮齿产生动力外，剩余流体的能量均转化在圆柱体上，继而使得流体能量交换的效率更加接近理论上的理想值；

3、本发明交错环流式流体动力齿轮及构成的流体机，将齿片的外侧壁与挡边的外圆周壁设置在同一个圆柱面上，能够束缚有压流体，和轮齿一体形成可靠流道，以实现更多的流体作用至齿轮上，进而实现提高能量转换效率的目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为齿轮的结构示意图；

图2为齿轮的展开示意图；

图3为流体机的结构示意图；

图4为流体机的侧视图；

图5为现有流体机的剖视图；

图6为现有流体齿轮的展开图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-挡边、2-齿面、3-圆柱体、4-齿背、5-齿片、6-壳体、7-轴、8-堵隔板、9-进口、10-出口、11-底座。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1～4所示，本实施例包括圆柱体3，沿所述圆柱体3的周向在其外圆周壁上设有两个挡边1，在每一个所述挡边1的内侧壁上设有多个齿片5，沿所述圆柱体3的周向旋转任意一个挡边1，使得分别位于两个所述挡边1上的齿片5交错分布后，且在两个所述挡边1之间形成一个环形流道。本实施例摒弃现有旋转齿轮的齿条分布方式，而是在圆柱体3上设置A、B两排齿片5，并且利用两个挡边1对两排齿片5的外侧进行遮挡，使得在圆柱体3的外圆周壁上形成一个波浪形的环形流道，而两排齿片5交错分布，使得流体进入环形流道后，流入到流出的运动轨迹为一个波浪形的环形曲线，在流体依次交替冲击两排齿片5后，且在流体的运动方向上，因流体冲击而形成的扭矩的方向相同，即形成一个合转矩，当圆柱体3上的每一个齿片5均同时参与到能量转化的过程中后，圆柱体3在单位时间内的转动速度加快，使得流体机最终的动力输出量大幅度提高，即克服了现有的流体机能量转化效率低的缺陷。进一步地，与现有转动齿轮相比，本技术方案中的流体在由入口进入到环形流道后，因受到A排的第一个齿片5的阻挡作用后，会对圆柱体3产生推动力，且因流体的流动性导致其容易变形，即在受到阻挡后容易改变运动方向，然后继续冲击B排的第一个齿片5，在被阻挡后，再次折回至A排的第二个齿片5上，如此循环往复，依次交替冲击A、B两排齿片5；而沿环形流道中部移动的流体因受到两侧流体的反复干涉，同样会按照环形流道两侧流体的运动轨迹移动，直至环形流道内的所有流体在交替冲击所有的齿片5后，再沿出口10流出。

其中，流体在流动时产生能量包括动能和势能，两种能量均能推动圆柱体3进行转动，以实现能量交换，一部分能量会在流动中因粘性阻力损失在过流部件上，而在本技术方案中流体沿环形轨迹进行环向流动，进而带动圆柱体3转动，因此，除去沿机壳内壁流动的少部分流体阻力没对轮齿产生动力外，剩余流体的能量均转化在圆柱体3上，继而使得流体能量交换的效率更加接近理论上的理想值。

实施例2

如图1～4所示，本实施例在实施例1的基础之上，所述齿片5呈三角块状，且齿片5的内侧壁与所述圆柱体3外侧壁连接，齿片5的底部与挡边1的内侧壁连接。进一步地，齿片5固定在圆柱体3上，且其内侧壁与圆柱体3外圆周壁完全贴合，而齿片5的底部则与挡边1的内侧壁连接，使得齿片5、挡边1与圆柱体3形成一个整体，且在齿片5与圆柱体3之间无间隙，齿片5呈锐角三角块状，使得流体在冲击齿片5时，齿片5上存在一个倾斜的且能够与流体直接接触的作用面，而两排齿片5分别沿圆柱体3的周向分布，使得所有的齿片5形成两排交错分布且能够对流体进行导向的导流结构，以方便流体依次交替地冲击齿片5，进而带动圆柱体3进行能量转换。

实施例3

如图1～4所示，本实施例在实施例2的基础之上，在所述齿片5正对流体运动方向的侧壁上设有齿面2，在所述齿片5背对流体运动方向的侧壁上设有齿背4，且所述齿面2投影至所述挡边1内侧壁上的平面与齿面2相交形成一个锐角，所述齿背4投影至所述挡边1内侧壁上的平面与齿背4相交形成一个锐角。进一步地，齿片5为三角块状，且在齿片5正对流体运动方向的侧壁上设有齿面2，齿片5背对流体运动方向的侧壁上设有齿背4，而齿面2与挡边1内侧壁相交形成一个锐角，齿背4所在的平面与挡边1的内侧壁形成一个锐角，使得齿片5背对流体运动的方向上形成一个斜坡，使得齿面2作为流体的冲击面，作用在于转换流体的能量，而齿背4的作用在于确保流体在出口10处彻底脱离流道，而不会再次进入到环形流道中进行二次流动；具体地，由于在流体机出口10处，流体机的机壳不再对流体进行束缚，大部分的流体在离心力的作用下由出口10排出，而少部分的流体在会因其自身的粘黏性而附着在齿片5或是圆柱体3外壁上，因此将齿背4设置成斜坡状，斜坡状的齿背4能够对流体产生外推作用，即将流体朝外推送，以确保流道内的流体全部脱离流道，全部从出口10排出，以防止已经做完功的部分流体夹杂至进口9处影响流体机进口9处的进量。

进一步地，圆柱体3转动设置在流体机的机壳内，为提高能量转换效率，齿片5的外侧壁以及挡边1的外圆周壁与机壳内壁之间的间隙设置的相对较小，只需满足齿轮在转动时不与机壳内壁产生摩擦即可，因此，将齿片5的外侧壁与挡边1的外圆周壁设置在同一个圆柱面上，能够束缚有压流体，和轮齿一体形成可靠流道，以实现更多的流体作用至齿轮上，进而实现提高能量转换效率的目的。

实施例4

如图1～4所示，本实施例包括动力齿轮以及壳体6，在所述壳体6内设有流体腔，流体腔内转动设置有轴7，圆柱体3固定在所述轴7上，在所述壳体6外壁上设有与流体腔连通的开口，堵隔板8固定在壳体6上且将开口分隔成进口9以及出口10。通过采用与现有的旋转齿轮不同的齿片5分布方式，流体机在使用时，有压流体经壳体6上的进口9进入环形流道内，而错式分布齿形成的波浪式环形流道使流体反复冲击齿轮，在最大程度上实现流体与齿轮之间的能量转换，且由堵隔板8将环形流道进行隔断，以防止流体向齿轮旋转的反方向流动，最终完成做功的流体则沿出口10向外排出。

本实施例将壳体6固定在底座11上，使得在齿轮高速运行的过程中保证流体机的整体稳定性，以实现流体与齿轮之间的能量转换稳定有效的进行。

其中，所述堵隔板8的一端端部朝壳体6内部延伸且正对环形流道，在堵隔板8延伸段的上表面与下表面均设有突起，突起的厚度由堵隔板8另一端端部朝靠近所述圆柱体3的方向递增。进一步地，在不影响齿轮自由转动的前提下，堵隔板8将环形流道分成两部分，以确保流体在做完功后快速由出口10外排，防止该部分流体影响壳体6进口9处的进量；并且在堵隔板8的延伸段上下两个表面上分别设有厚度渐变的突起，两个突起与壳体6的外壁相互配合，能够对进入或是外排的流体进行导向，以减小流体在进出时遇到的阻力。

实施例5

如图1～4所示，本实施例在实施例4的基础之上，流体机在具体应用时针对流体类型不同，可构成气动机以及水动机；且当流体为压缩空气时，气动机包括流体机、高压气源、调节阀门、连接管道，壳体6的进口9通过连接管道与空压机或是高压气罐连接，调节阀门则设置在进口9内，以方便调节气体的流量，而壳体6的出口10通过连接管道与外部的气体收集设备连通，以实现对已经完成能量转换的气体进行收集，由于压缩气体通常采用空气，同样也可将该气体直接排空，工作时通过流体机内部的齿轮转动以带动轴7向外输出机械能，进而带动其他工作设备；

而当流体为液体时，水动机包括流体机、发电机、传动件、针阀、压力管道、吸出管，其中，由于水动机的流体为有压水，流体机壳体6上的进口9则通过压力管道与水源连通，针阀安装在进口9处，以控制有压水进入壳体6内部的流量，而流体机壳体6上的出口10则与吸出管连通，齿轮中部的轴7与位于壳体6外部的传动件联动，通过齿轮转动进而带动发电机工作，工作时同样地通过流体机内部的齿轮转动以带动轴7向外输出机械能，进而带动发电机运作。且不管流体机运用至水动机还是气动机，提高流体能量转换效率依然是齿片5的特殊分布方式，确保液体或是气体在波浪式的环形流道内运动，以实现液体或是气体对齿片5依次进行交替式的冲击，在最大程度上提高流体的能量转换效率。

需要进一步指出的是，采用本实施例中的流体齿轮所构成的水动机与现有的冲击式水轮机和混流式水轮机相比，具备以下优势：

1.单一从进口和出口的速度方向看，水流的速度方向在环形流道内恰好能够发生折返，为冲击式水轮机的水斗式内流场的细化和放大。

2.从环形流道来看，与混流式水轮机的蜗壳相似。

3.流体齿轮式水动机没有混流式水轮机复杂的导水机构，反而拥有冲击式水轮机简单可靠的流量调节机构——针阀。

4.流体齿轮式水动机具备吸出管，能够最大限度地吸收水能。

5.流体齿轮式水动机能保证齿片始终处于最佳冲击角度，因而理论上效率比冲击式水轮机高，并且几乎全部的齿片都同时参与转换，分摊了水流的冲击力，每个齿片承受的冲击力较小，材料强度要求低，消耗的材料少，安全系数大。

6.齿轮式水动机的动力齿轮是敞开式结构，制造难度低，突出的齿片还可采用梯形结构，根部比边缘部分厚实，强度有保证，安全系数大。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.交错环流式流体动力齿轮，包括圆柱体(3)，其特征在于：沿所述圆柱体(3)的周向在其外圆周壁上设有两个挡边(1)，在每一个所述挡边(1)的内侧壁上设有多个齿片(5)，沿所述圆柱体(3)的周向旋转任意一个挡边(1)，使得分别位于两个所述挡边(1)上的齿片(5)交错分布后，且在两个所述挡边(1)之间形成一个环形流道；

所述齿片(5)呈三角块状，且齿片(5)的内侧壁与所述圆柱体(3)外侧壁连接，齿片(5)的底部与挡边(1)的内侧壁连接；

在所述齿片(5)正对流体运动方向的侧壁上设有齿面(2)，在所述齿片(5)背对流体运动方向的侧壁上设有齿背(4)，且所述齿面(2)投影至所述挡边(1)内侧壁上的平面与齿面(2)相交形成一个锐角，所述齿背(4)投影至所述挡边(1)内侧壁上的平面与齿背相交形成一个锐角；

所述齿片(5)的外侧壁与所述挡边(1)的外圆周壁处于同一个圆柱面上。

2.流体机，其特征在于：包括基于权利要求1所述的交错环流式流体动力齿轮以及壳体(6)，在所述壳体(6)内设有流体腔，流体腔内转动设置有轴(7)，圆柱体(3)固定在所述轴(7)上，在所述壳体(6)外壁上设有与流体腔连通的开口，堵隔板(8)固定在壳体(6)上且将开口分隔成进口(9)以及出口(10)。

3.根据权利要求2所述的流体机，其特征在于：还包括底座(11)，所述壳体(6)固定在所述底座(11)上。

4.根据权利要求2所述的流体机，其特征在于：所述堵隔板(8)的一端端部朝壳体(6)内部延伸至环形流道内，在堵隔板(8)延伸段的上表面与下表面均设有突起，突起的厚度由堵隔板(8)的另一端端部朝靠近所述圆柱体(3)的方向递增。