CN109736896A - 转子膨胀机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转子式流体机械装置，涉及流体机械领域，尤其涉及一种转子式膨胀机、流体马达或泵技术领域，提供了一种结构简单，容易加工，膨胀效率高，无磨损，使用寿命长，维护简单的转子式膨胀机、流体马达、泵。结构包括缸体，缸体内部的动力转子、密封转子，动力转子和密封转子是两个外圆周面相切的圆柱，动力转子的外圆周上带有从外圆周径向向外凸起的密封齿和径向向内凹陷的进气通道，密封转子外圆周上带有径向向内凹陷的过齿槽；缸体外侧设有带动两转子以固定转速比反向旋转的齿轮，两转子以固定转速比反向旋转时，密封转子的过齿槽可以容纳动力转子凸起的密封齿转过；两转子、密封齿、和缸体形成密闭的膨胀腔，气体在膨胀腔内做功；缸体上带有进口和出口，动力转子上的进气通道和缸体上的进口配合调整进入膨胀腔的气体体积，进而调整膨胀比。

Description

转子膨胀机

技术领域

本发明公开了一种转子式流体机械装置，涉及流体机械领域，尤其涉及一种膨胀效率高，有效容积率高，容易加工，无磨损件，使用寿命长，维护费用低的膨胀机，流体马达或泵。

背景技术

近几年，随着我国工业和国民生活水平的发展，使用石油煤炭等能源越来越多，温室效应越来越严重，空气质量每况愈下，节能减排成为国家重点工作之一。在天然气输送管道、城市天然气管网等存在着大量压差能量，在化工、钢铁、热电、水泥等重工业企业中，存在着大量伴随生产过程而生的低品位余热，这些余压余热有很大利用价值，急待回收。工业余压、余热回收作为分布式新能源的一种，得到很多企业、高校、科研院所的重视，前景广阔。透平式、轴流式、螺杆式膨胀机都有其固有的缺点而不能满足人们对其更高的要求，因此开发新型结构的膨胀机就成为一个重要的研究课题。

目前此类余压余热回收主要使用透平式膨胀机、轴流式膨胀机、螺杆膨胀机。透平式、轴流式膨胀机适合于大流量工况，具有非常高的转速，轴承支持使用轴瓦，需要配套液压站、减速箱且对密封件要求严格，并且透平式、轴流式叶片都是复杂的曲面，加工需要极高的加工精度和多轴联动，难以加工，且成本较高。螺杆膨胀机适合于多种工况，但螺杆膨胀机的螺杆有复杂的螺旋曲面，螺杆曲面与螺杆轴线有夹角，高压气体作用于曲面上产生旋转扭矩的同时产生轴向力，轴向力不参与做功，降低了效率，且较大的轴向力会降低轴承和密封件寿命；并且由于螺杆机两侧轴承位置较远，螺杆本身承受径向力较大，螺杆易发生径向变形，增加内泄漏。

针对透平式、轴流式、螺杆式膨胀机存在的问题，近年来一些新结构的膨胀机出现。公开号为CN201510195251.4名为“转子膨胀机”的专利文献中（以下简称文献一），介绍了一种阴阳转子啮合的膨胀机，该机具有结构简单，无轴向力等优点，但是该机阳转子凸起叶片和阴转子凹槽需要啮合和密封，这要求叶片和凹槽曲面具有很高的加工精度，曲面精加工一直是加工的难点；且阳转子凸起叶片顶端要安装弹簧气封，细小精密的气封难以加工且运行时气封顶端与阴转子凹槽有摩擦，容易损坏；其膨胀腔并没有密闭的体积膨胀过程，不能调整膨胀比，气体内能利用率低，效率较低。

公开号为CN201811031829.2名为“球形滚珠膨胀机”的专利文献中（以下简称文献二），介绍了一种内外球体膨胀机，高压气体推动滚珠运动进而推动球体旋转；此种膨胀机球体加工困难，且气体膨胀内能先推动滚珠，滚珠推动球体，能量传递过程存在较大损失。

公开号为CN201580008208.0名为“涡旋膨胀机”的专利文献中（以下简称文献三），介绍了一种涡旋膨胀机，此种膨胀机同样面临涡旋曲面加工困难。

本发明动力转子凸起密封齿作用面与转轴平行，气体压力对转子作用力均为径向力，没有轴向力，力直接转化为扭矩，轴承受力更小，且两侧轴承距离近，转轴可以做的又短又粗，径向变形量非常小，气体内泄漏小；本发明动力转子密封齿与密封转子过齿槽不需要啮合和密封，动力转子密封齿与密封转子过齿槽之间保持间隙，过齿槽和密封齿曲面加工精度要求不高，且密封齿不需要安装弹簧气封，大大简化了加工过程，增加了运行可靠性；并且本发明可以通过改变缸体进口开口角度来调整膨胀比，膨胀效率高，适应多种工况。总之，本发明提供了一种膨胀效率高、容易加工、无磨损件、维护费用低、使用寿命长的膨胀机、流体马达或泵。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种转子膨胀机、流体马达或泵，所述膨胀机、流体马达、泵具有膨胀效率高、有效容积率高、容易加工、无磨损件、维护费用低、使用寿命长等特点。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方式是：一种转子式膨胀机、流体马达或泵。结构包括缸体、缸体内部的动力转子、密封转子，动力转子和密封转子是两个外圆周面相切的圆柱，动力转子的外圆周上带有从外圆周径向向外凸起的密封齿和径向向内凹陷的进气通道，密封转子外圆周上带有径向向内凹陷的过齿槽；缸体外侧设有带动两转子以固定转速比反向旋转的齿轮，两转子以固定转速比反向旋转时，密封转子的过齿槽可以容纳动力转子凸起的密封齿转过；两转子和缸体形成沿着动力转子周围的环形气体通道，缸体上带有进口和出口；密封齿将环形气体通道截断，不与出口相通的一段为膨胀腔；气体从进口通过动力转子上的进气通道进入膨胀腔并推动动力转子旋转对外做功；当进口被动力转子完全挡住后，膨胀腔内气体做降压膨胀；当密封齿转过出口后，膨胀腔与出口相通，膨胀后气体被下一工作周期的密封齿推出环形气体通道进入出口；动力转子上的进气通道和缸体上的进口配合调整进入膨胀腔的气体体积，进而调整膨胀比。

进一步的技术方案在于：两个或多个动力转子围绕密封转子布置，共用一个密封转子，输出扭矩更大且更加平顺。

进一步的技术方案在于：多套缸体、动力转子、密封转子轴向串联，改善膨胀机启动性能并使得输出扭矩更加平顺。

进一步的技术方案在于：两个密封转子对称布置在动力转子两侧，动力转子上带有两个密封齿和两个进气通道，并形成两侧旋转对称膨胀腔；工作时两侧膨胀腔对动力转子的径向力过轴线的分力相互抵消，只产生扭矩，适合高压工况。

进一步的技术方案在于：动力转子两侧平面加装圆形密封板，动力转子上的进气通道取消改为在圆形密封板上开进气开口，使得进气阻力更小，进气口更容易布置。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1）结构简单，安全可靠、容易加工。透平膨胀机、轴流膨胀机、螺杆膨胀机、文献二中球形滚珠膨胀机、文献三中的涡旋膨胀机都有复杂曲面需要精加工，上述技术方案没有复杂的曲面，且曲面不需要精加工，容易加工；文献一中的阴阳转子膨胀机，密封叶片和凹槽需要啮合，要求叶片和凹槽精加工，且密封叶片顶部有复杂精密的弹簧气封，上述技术方案密封齿和凹槽不接触，密封齿和凹槽不需要精加工，密封齿也没有复杂的弹簧气封，容易加工且零部件少，可靠性高。

2）结构合理，受力小，变形小，效率高。螺杆机由于气体作用面与转子轴成一定角度，工作时产生较大轴向力和径向力，轴向力增加轴承载荷缩短轴承寿命，径向力由于两端轴承距离较远产生较大径向变形。上述方案客服了螺杆膨胀机轴向力大和径向变形大的不足，气体压力直接转化为主轴扭矩，不存在无用的轴向力，且轴两端轴承距离近，轴又粗又短，径向变形很小，并能延长轴承寿命。

3）膨胀效率高。文献一中的阴阳转子膨胀机，工作时没有膨胀腔密闭并体积膨胀过程，对气体内能利用率低，且不能调整膨胀比。上述技术方案通过调整缸体进口和动力转子上进气通道，可以调整每次膨胀过程进入膨胀腔气体的体积，从而调整膨胀比，气体内能利用率高。

4）文献一中的阴阳转子膨胀机阳转子密封叶片顶端带有弹簧气封，并需要通油润滑，由于泄漏的存在，润滑油会进入膨胀腔混入工作介质；上述技术方案转子密封齿顶端没有复杂的弹簧气封，且气缸壁不需要润滑油润滑，油不会进入到膨胀腔。

5）结构多种多样，可以多套转子多种样式组合以增加扭矩和平顺性。

6）内部传动少，内部传动造成的机械损失少，增加了有效轴功率。

综上，本发明作为流体马达，可以利用气体或液体压力差做功；作为膨胀机，可以利用工业余压余热驱动其他设备做功；与其他动力设备相连，可以作为压缩机或泵。适用工况多，应用范围广。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为实施例一中一个工作周期中进气阶段。

图2为实施例一中一个工作周期中膨胀阶段。

图3为实施例一中一个工作周期中膨胀阶段结束。

图4为实施例一中一个工作周期中过齿阶段。

图5为实施例二中两个动力转子沿密封转子旋转均匀布置示意图。

图6为实施例三中3个动力转子沿密封转子旋转均匀布置示意图。

图7为实施例四中取消动力转子进气通道并加装进气控制机构示意图。

图8为实施例五中动力转子有两个密封齿和两个进气通道，两个密封转子沿动力转子旋转均匀布置示意图。

图9为实施例六中动力转子两侧平面安装圆形密封板和密封板上开进气开口示意图。

图10为实施例六中动力转子两侧平面安装圆形密封板后一个工作周期中进气阶段。

其中：1、缸体，2、动力转子，3、密封转子，4、密封齿，5、进气通道，6、过齿槽，7、进口，8、环形气体通道，9、膨胀腔，10、出口，11、动力转子轴，12、密封转子轴，22、圆形密封板，23、进气开口，24、进气控制机构。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

本实施例为一种转子膨胀机、流体马达或泵，包括缸体1，缸体1内部的动力转子2、密封转子3，动力转子2、密封转子3为外圆周面相切的两个圆，动力转子2上带有从其外圆周径向向外延伸的凸起密封齿4和径向向内凹陷的进气通道5，密封转子3上带有从其外圆周径向向内凹陷的过齿槽6；缸体外有带动动力转子2、密封转子3以固定转速比反向旋转的齿轮，齿轮为现有技术中的常见结构，在此不再赘述；动力转子2和密封转子3在反向以固定转速比旋转时，密封转子3上的过齿槽6容纳动力转子2上的密封齿4转过而不发生干涉。动力转子2、密封转子3和缸体形成沿着动力转子周围的环形气体通道8，缸体1设有进口7和出口10。动力转子2上的密封齿4齿顶曲面与气体通道8圆柱面相切并保持微小间隙；动力转子2、密封转子3、密封齿4的两侧平面与气体通道8的两侧平面保持微小间隙以达到密封的作用；动力转子2和密封转子3外圆周相切以达到密封作用。密封齿4将环形气体通道8截断，不与出口相通的一段为膨胀腔9。膨胀机动力转子2和密封转子3每旋转360度为一个工作周期，每一个工作周期包括进气阶段、膨胀阶段、过齿阶段，每一个阶段密封齿4都将上一工作周期的膨胀后气体推出环形气体通道8并进入出口10。

图1为一个工作周期中进气阶段，此时动力转子2、密封转子3、密封齿4、环形气体通道8共同形成了膨胀腔9，动力转子2上的进气通道5转到进口7处，工作介质从进口7通过进气通道5进入膨胀腔9；随着动力转子2、密封转子3的旋转，膨胀腔9体积变大，进入膨胀腔9的气体量变多。

图2为一个工作周期中膨胀阶段，随着动力转子2、密封转子3的旋转，进气通道5完全转过进口7，此时进口7被动力转子2两侧平面完全挡住，膨胀腔9为密闭的空间，内部气体不再增多，膨胀腔9的体积随着动力转子2、密封转子3的旋转逐渐变大，内部气体完成降温降压过程并推动密封齿4沿其轴线旋转并对外做功。

图3为一个工作周期中膨胀阶段结束，随着动力转子2上密封齿4转到出口10，膨胀腔9将不再密闭而与出口10相通，此时膨胀腔9中气体已完成膨胀过程。

图4为一个工作周期中过齿阶段，此时密封转子3上的过齿槽6允许动力转子2上密封齿4转过密封转子3而不会发生干涉。

实施例二

如图5所示，本实施例和实施例一的原理和结构基本相同，区别在于本实施例动力转子2有2个，同时进口7、环形气体通道8、出口10也有2个；动力转子2、进口7、环形气体通道8、出口10沿着密封转子3圆周均匀布置，本实施例相比实施例一扭矩增加一倍。

实施例三

如图6所示，本实施例和实施例一的原理和结构基本相同，区别在于本实施例动力转子2有3个，同时进口7、环形气体通道8、出口10也有3个；动力转子2、进口7、环形气体通道8、出口10沿着密封转子3圆周均匀布置，本实施例相比实施例一扭矩增加2倍。

实施例四

如图7所示，本实施例和实施例一的原理和结构基本相同，区别在于本实施例动力转子2取消进气通道5，改为使用位于进口7的进气控制机构24来控制是否进气和进入膨胀腔9的气体的量，这样进气控制更灵活，可以根据工况实时调整膨胀比。

实施例五

如图8所示，本实施例和实施例一的原理和结构基本相同，区别在于本实施例动力转子2上有2个密封齿4和2个进气通道5并沿动力转子2轴线圆周均匀布置，缸体1上有2个进口7、出口10，有2个密封转子3，密封转子3、进口7、出口10沿着动力转子2圆周均匀布置，形成两侧旋转对称膨胀腔9；动力转子2每旋转180度为一个工作周期，两侧膨胀腔9中气体对动力转子2的压力穿过动力转子2轴线的分力相互抵消，只产生扭矩，适用于高压工况。

实施例六

如图9、图10所示，本实施例和实施例一的原理和结构基本相同，区别在于本实施例动力转子2两侧平面加装圆形密封板22，取消动力转子2上的进气通道5，改为在两侧圆形密封板22上开进气开口23；在缸体1两侧平面上开出容纳圆形密封板22的圆形槽，并调整缸体1上进口7位置；动力转子2、密封转子3、密封齿4、气体通道8、圆形密封板22共同形成了膨胀腔9，圆形密封板22上的进气开口23和缸体1上的进口7配合调整进气时机和进气量；本实施例减少了进气阻力，简化了动力转子2的加工难度，已上实施例的实施方式同样适用于本实施例。

实施例七

上述实例一~六的缸体1、动力转子2、密封转子3均为一套动力单元，将多套动力单元轴向串联，动力单元动力转子轴11、密封转子轴12分别轴向串联并保持同步旋转，动力转子2的密封齿4圆周均匀布置，增加扭矩并改善扭矩平顺性。

Claims (7)

1.一种转子膨胀机或流体马达，包括缸体（1）、缸体（1）内部有动力转子（2）和密封转子（3），动力转子（2）和密封转子（3）为两个外圆周相切的圆柱体；缸体（1）内带有容纳动力转子（2）的圆形动力转子槽，槽深和动力转子（2）厚度相适应；缸体（1）内带有容纳密封转子（3）的圆形密封转子槽，密封转子槽恰好容纳密封转子（3）在其中旋转；动力转子槽容纳动力转子（2）后剩余的空间为环形气体通道（8），缸体（1）上设有进口（7）和出口（10）；缸体（1）外侧设有带动动力转子（2）和密封转子（3）以固定转速比反向转动的齿轮；动力转子（2）外圆周上有径向向外延伸的密封齿（4）；密封齿（4）的齿顶曲面与环形气体通道（8）圆弧面相切；其特征在于：密封齿（4）将环形气体通道（8）截断，与出口（10）不相通的一段环形气体通道（8）为膨胀腔（9），动力转子（2）外圆周上有径向向内凹陷的进气通道（5），进气通道（5）转到进口（7）和膨胀腔（9）相通时，介质通过进口（7）和进气通道（5）进入膨胀腔（9），进气通道（5）完全转过进口（7）后，介质不再进入膨胀腔（9），随着动力转子（2）旋转，膨胀腔（9）容积扩大，内部介质完成膨胀做功过程，当密封齿（4）转到出口（10）后，膨胀腔（9）和出口（10）连通，介质完成膨胀过程，并被下一工作周期的密封齿（4）推出环形气体通道（8）进入出口（10），密封转子（3）外圆周上有径向向内凹陷的过齿槽（6），动力转子（2）和密封转子（3）在以固定转速比旋转时，密封转子（3）上的过齿槽（6）容纳动力转子（2）上的密封齿（4）旋转过而不会发生干涉，动力转子（2）角速度/密封转子（3）角速度=密封转子（3）上过齿槽（6）数量/动力转子（2）上密封齿（4）数量。

2.根据权利要求1所述的膨胀机，其特征在于：动力转子（2）有2个，同时进口（7）、环形气体通道（8）、出口（10）也有2个；动力转子（2）、进口（7）、环形气体通道（8）、出口（10）沿着密封转子（3）圆周均匀布置，形成2个膨胀腔（9），扭矩增大1倍。

3.根据权利要求1所述的膨胀机，其特征在于：动力转子（2）有3个，同时进口（7）、环形气体通道（8）、出口（10）也有3个；动力转子（2）、进口（7）、环形气体通道（8）、出口（10）沿着密封转子（3）圆周均匀布置，形成3个膨胀腔（9），扭矩增大2倍。

4.根据权利要求1所述的膨胀机，其特征在于：动力转子（2）取消进气通道（5），改为使用位于进口（7）的进气控制机构（24）来控制是否进气和进入膨胀腔（9）的气体的量，这样进气控制更灵活，可以根据工况实时调整膨胀比。

5.根据权利要求1所述的膨胀机，其特征在于：动力转子（2）上有2个密封齿（4）和2个进气通道（5）并沿动力转子（2）轴线圆周均匀布置，缸体（1）上有2个密封转子槽、进口（7）、出口（10），有2个密封转子（3），密封转子（3）、密封转子槽、进口（7）、出口（10）沿着动力转子（2）圆周均匀布置，形成2个两侧旋转对称膨胀腔（9）；动力转子（2）每旋转180度为一个工作周期，两侧膨胀腔（9）中气体对动力转子（2）的压力穿过动力转子（2）轴线的分力相互抵消，只产生扭矩。

6.根据权利要求1所述的膨胀机，其特征在于：动力转子（2）两侧平面加装圆形密封板（22），取消动力转子（2）上的进气通道（5），改为在两侧圆形密封板（22）上开进气开口（23）；在缸体（1）动力转子槽两侧平面上开出容纳圆形密封板（22）的圆形槽，并调整缸体（1）上进口（7）位置与进气开口（23）位置相适应；动力转子（2）、密封转子（3）、密封齿（4）、气体通道（8）、圆形密封板（22）共同形成了膨胀腔（9），圆形密封板（22）上的进气开口（23）和缸体（1）上的进口（7）配合调整进气时机和进气量。

7.根据权利要求1所述的膨胀机，其特征在于：缸体（1）、动力转子（2）、密封转子（3）为一套动力单元，将多套动力单元轴向串联，动力单元动力转子轴（11）、密封转子轴（12）分别轴向串联并保持同步旋转，动力转子（2）的密封齿（4）圆周均匀布置，增加扭矩并改善扭矩平顺性。