CN111188651A - 一种双转子膨胀机及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双转子膨胀机，包括缸体，缸体内部有两个带有凸起叶片及凹槽的转子，两转子外圆周面相切，两转子的叶片和凹槽依次相互啮合，两转子和缸体形成膨胀腔，高压流体从入口进入膨胀腔后推动两转子叶片沿各自转轴以固定转速比反方向转动，输出扭矩对外做功。本发明提供了一种结构简单，容易加工，机械效率高，有效容积率高，无磨损，使用寿命长，维护简单的双转子式膨胀机。

Description

一种双转子膨胀机及其使用方法

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。申请号为201510195251.4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和表面粗糙度，曲面精加工一直是加工的难点；为了密封，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及气缸壁有摩擦，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；并且，缸体内只有阳转子对外做功，阴转子只有密封作用，有效容积率低。

申请号为201811031829.2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。

申请号为201580008208.0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。

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，缸体内有两个圆形转子腔，两个圆形转子腔部分相交，转子腔内部的两个转子，两个转子是两个外圆周面相切的圆柱，两个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，两转子的过齿槽可以容纳对方转子凸起的密封齿转过；两转子和圆形转子腔形成沿着转子周围的环形气体通道，缸体上带有进口和出口；两个转子的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；气体从进口进入膨胀腔并推动转子旋转对外做功；当进口不再进入气体，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。

进一步的技术方案在于：转子上的过齿槽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，省去进气控制装置。

进一步的技术方案在于：多套缸体、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：在一个转子两侧平面加装圆形密封板，并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。

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；本发明转子、缸体形状简单，容易加工，没有复杂的精加工曲面；本发明转子密封齿与转子过齿槽不需要啮合和密封，转子密封齿与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，降低了成本，同时增加了运行可靠性；本发明转子均为动力转子对外做功，有效容积率相比文献一中的阴阳转子膨胀机提高一倍，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、有效容积率高、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。

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过齿槽不接触，密封齿和过齿槽不需要精加工，密封齿也没有复杂的弹簧气封，容易加工且零部件少，无磨损件，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。上述技术方案通过进气控制装置或调整缸体进口和转子上进气通道，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开始。

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为实施例二中取消进气控制装置改为通过第二转子过齿槽进气，一个工作周期中的进气阶段示意图。

图6为实施例二中取消进气控制装置改为通过第二转子过齿槽进气，一个工作周期中的膨胀阶段示意图。

图7为实施例三中取消进气控制装置改为通过第二转子过齿槽和第一转子副进气通道进气，一个工作周期中的进气阶段示意图。

图8为实施例三中取消进气控制装置改为通过第二转子过齿槽和第一转子副进气通道进气，一个工作周期中的膨胀阶段示意图。

图9为实施例四中在第一转子两平面加装圆形密封板并在密封板上开进气开口示意图。

图10为实施例四中在第一转子两平面加装圆形密封板并在密封板上开进气开口，一个工作周期中进气阶段示意图。

图11为实施例四中在第一转子两平面加装圆形密封板并在密封板上开进气开口，一个工作周期中膨胀阶段示意图。

图12为实施例五中在第二转子两平面加装圆形密封板并在密封板上开进气开口示意图。

图13为实施例五中在第二转子两平面加装圆形密封板并在密封板上开进气开口，一个工作周期中进气阶段示意图。

图14为实施例五中在第二转子两平面加装圆形密封板并在密封板上开进气开口，一个工作周期中膨胀阶段示意图。

图15为实施例六中第一转子和第二转子各有2个密封齿和2个过齿槽示意图。

其中：1、缸体，2、第一转子，3、第二转子，4、第一转子密封齿，5、第一转子过齿槽，6、第二转子密封齿，7、第二转子过齿槽，8、环形气体通道，9、膨胀腔，10、进口，11、出口，12、第一转子槽，13、第二转子槽，14进气控制装置，15、圆形密封板，16、副进口，17、第一转子圆形密封板槽，18、第一转子圆形密封板进气开口，19、第二转子圆形密封板进气开口，20、第二转子圆形密封板槽，21、副进气通道。

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

如图1、图2、图3、图4所示，本实施例为一种转子膨胀机、流体马达、泵或压缩机，包括缸体1，缸体1内部有两个圆形并部分重叠的转子槽12和转子槽13，转子槽12和转子槽13中分别有第一转子和第二转子，缸体外有带动第一转子和第二转子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。第一转子和第二转子主体为等厚的圆柱，外圆周面相切，第一转子上带有从其外圆周径向向外延伸的凸起密封齿4和径向向内凹陷的过齿槽5，第二转子上带有从其外圆周径向向外延伸的凸起密封齿6和径向向内凹陷的过齿槽7。第一转子和第二转子在反向以固定转速比旋转至转子槽12和转子槽13相交的位置时，第一转子上的过齿槽5允许第二转子上的密封齿6转过而不发生干涉，第二转子上的过齿槽7允许第一转子上的密封齿4转过而不发生干涉。转子槽12和转子槽13除去第一转子和第二转子的部分为环形气体通道8，缸体1设有进口10和出口11。第一转子上的凸起密封齿4、第二转子上的凸起密封齿6顶部与环形气体通道8的内侧圆柱面之间相切以达到密封的作用，第一转子和第二转子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，第一转子和第二转子外圆周相切以达到密封作用。第一转子上的密封齿4和第二转子上的密封齿6将环形气体通道8截断，不和出口11相通的一段为膨胀腔9。进口10处有进气控制装置14。

图1为一个工作周期的进气阶段示意图。当第一转子上的密封齿4，第二转子上的密封齿6转过进口后，形成膨胀腔9，此时进气控制装置14允许气体进入膨胀腔9，高压气体推动密封齿4和密封齿6沿着各自转轴旋转，对外做功。

图2为一个工作周期的膨胀阶段示意图。当进气控制装置14不允许气体进入膨胀腔9，密闭在膨胀腔9中的高压气体继续推动密封齿4和密封齿6沿着各自转轴旋转，高压气体降温降压，并对外做功。

图3为一个工作周期的膨胀阶段结束示意图。当密封齿4和密封齿6转到出口后，膨胀腔9中高压气体完成降温降压。当密封齿4和密封齿6转过出口后，膨胀腔9与出口11连通，已完成降温降压的气体被下一工作周期的密封齿4和密封齿6推到出口11排出机体。

图4为一个工作周期的过齿阶段，此阶段进气控制装置14不允许气体进入，第一转子上的过齿槽5允许第二转子上的密封齿6转过而不发生干涉，第二转子上的过齿槽7允许第一转子上的密封齿4转过而不发生干涉。

第一转子和第二转子的转速比公式：第一转子角速度/第二转子角速度=第二转子密封齿6数量/第一转子过齿槽5数量=第二转子过齿槽7数量/第一转子密封齿4数量。

实施例二

如图5、图6所示，本实施例和实施例一的原理和结构基本相同，区别在于本实施例取消进气控制装置14，将进口10设置在第二转子侧面，当第一转子和第二转子转到图5所示位置时，进口10和第二转子上的过齿槽7连通，高压气体通过进口10和过齿槽7进入膨胀腔9，当进口10完全被第二转子侧面挡住时，高压气体不再进入膨胀腔9，完成进气过程。如图6所示膨胀阶段，高压气体在膨胀腔9降温降压并对外做功。进口10和过齿槽7配合控制进入膨胀腔9的气体的量，并取代进气控制装置14，通过调整进口10的开口长度调整膨胀比。图5为进气阶段示意图，图6为膨胀阶段示意图。每个工作周期，只有进气阶段进口10和过齿槽7连通，其余阶段进口10都被第二转子侧面挡住。

实施例三

如图7、图8所示，本实施例和实施例一的原理和结构基本相同，区别在于本实施例取消进气控制装置14，在第一转子上开副进气通道21，并在转子槽12侧面开副进口16，将进口10设置在第二转子侧面，当第一转子和第二转子转到图7所示位置时，进口10和第二转子上的过齿槽7连通，副进气通道21与副进口16连通，高压气体通过进口10、副进口16进入膨胀腔9，当进口10完全被第二转子侧面挡住且副进口16完全被第一转子侧面挡住时，高压气体不再进入膨胀腔9，完成进气过程。如图8所示膨胀阶段，高压气体在膨胀腔9降温降压并对外做功。进口10和过齿槽7配合、副进气通道21和副进口16配合控制进入膨胀腔9的气体的量，并取代进气控制装置14，通过调整进口10、副进口16的开口长度调整膨胀比。图7为进气阶段示意图，图8为膨胀阶段示意图。每个工作周期，只有进气阶段进口10、副进口16和膨胀腔9连通，其余阶段进口10、副进口16都被第二转子、第一转子侧面挡住。

实施例四

如图9、图10、图11所示，本实施例和实施例一的原理和结构基本相同，区别在于本实施例第一转子上两侧面安装圆形密封板15，圆形密封板15上开进气开口18，并在转子槽12两侧平面开恰好容纳圆形密封板15的圆形密封板槽17，圆形密封板槽17上开副进口16，进口10开在转子槽13侧面。进气阶段，气体通过进口10、过齿槽7进入膨胀腔9，并通过副进口16、进气开口18进入膨胀腔9，这样进气更通畅，当进口10完全被第二转子侧面挡住，副进口16完全被圆形密封板15挡住，则完成进气过程。图9为第一转子上两侧面安装圆形密封板15以及进气开口18示意图，图10为进气阶段示意图，图11为膨胀阶段示意图。

实施例五

如图12、图13、图14所示，本实施例和实施例一的原理和结构基本相同，区别在于本实施例第二转子上两侧面安装圆形密封板15，圆形密封板15上开进气开口19，并在转子槽13两侧平面开恰好容纳圆形密封板15的圆形密封板槽20，并将进口10扩大。当转子转到如图13位置时，进口10通过进气开口19与膨胀腔9连通，气体进入膨胀腔9，当进口10完全被圆形密封板15挡住后，完成进气过程。由于进口10相比实施例一大很多，进气更顺畅。图12为第二转子上两侧面安装圆形密封板15以及进气开口19示意图，图13为进气阶段示意图，图14为膨胀阶段示意图

实施例六

如图15所示，本实施例和实施例一的原理和结构基本相同，区别在于本实施例第一转子有2个密封齿4和过齿槽5，第二转子有2个密封齿6和过齿槽7，转子每旋转360度完成两次工作周期。

实施例七

本实施例和实施例一的原理和结构基本相同，区别在于本实施例将多组缸体1、第一转子、第二转子轴向叠加串联，所有的第一转子轴都串联在一起，所有第二转子轴都串联在一起，并使用一组同步齿轮，这样增大了扭矩，将各组第一转子、第二转子所处的旋转位置错开，则增加了扭矩输出的平稳性并改善启动性能。

Claims (9)

1.一种双转子膨胀机，其特征在于：包括缸体（1），缸体（1）设有进口（10）和出口（11），缸体（1）内部有两个圆形并部分重叠的第一转子槽（12）和第二转子槽（13），第一转子槽（12）和第二转子槽（13）中分别有第一转子（2）和第二转子（3），第一转子（2）和第二转子（3）的主体是两个外圆周面相切的等厚圆柱，第一转子（2）和第二转子（3）上设有从其外圆周径向向外延伸的凸起密封齿和径向向内凹陷的过齿槽；

缸体外设有带动第一转子（2）和第二转子（3）以固定转速比反向旋转的齿轮；

第一转子槽（12）和第二转子槽（13）除去第一转子（2）和第二转子（3）的部分为环形气体通道（8）；

转子（2）上的凸起密封齿（4）、转子（3）上的凸起密封齿（6）齿顶与环形气体通道（8）的内侧圆柱面之间相切以达到密封的作用，转子（2）和转子（3）的两侧面与转子槽（12）和转子槽（13）的两侧面保持微小间隙以达到密封的作用，第一转子（2）和第二转子（3）外圆周相切以达到密封作用；

第一转子（2）和第二转子（3）在反向以固定转速比旋转至转子槽（12）和转子槽（13）相交的位置时，第一转子（2）上的过齿槽（5）允许第二转子（3）上的密封齿（6）转过而不发生干涉，第二转子（3）上的过齿槽（7）允许第一转子（2）上的密封齿（4）转过而不发生干涉，第一转子（2）上的密封齿（4）和第二转子（3）上的密封齿（6）将环形气体通道（8）截断，不和出口（11）相通的一段为膨胀腔（9），高压气体从进口（10）进入膨胀腔（9），推动密封齿（4）和密封齿（6）沿着各自转轴旋转对外做功，当高压气体不再进入膨胀腔（9），膨胀腔（9）内密闭的高压气体继续推动密封齿（4）和密封齿（6）沿着各自转轴旋转并对外做功直到密封齿（4）和密封齿（6）转到出口（11），高压气体完成降温降压；密封齿（4）和密封齿（6）旋转时将上一工作周期的膨胀后气体推出环形气体通道（8）进入出口（11）。

2.根据权利要求1所述的双转子膨胀机，其特征在于：所述进口（10）设在缸体上，能够同时与第一转子槽和第二转子槽相连通，所述进口（10）上设有进气控制装置，能够自动进气和关闭进气。

3.根据权利要求1所述的双转子膨胀机，其特征在于：所述进口（10）设在第二转子（3）侧面，当第二转子（2）和第三转子（3）转到进气位置时，进口（10）和第二转子（3）上的过齿槽（7）连通，高压气体通过进口（10）和过齿槽（7）进入膨胀腔（9），当进口（10）完全被第二转子（3）侧面挡住时，高压气体不再进入膨胀腔（9），完成进气过程；进口（10）和过齿槽（7）配合控制进入膨胀腔（9）的气体的量，通过调整进口（10）的开口长度调整膨胀比。

4.根据权利要求1所述的双转子膨胀机，其特征在于：所述进口（10）设在第二转子（3）侧面，在第一转子（2）上开副进气通道（21），并在第一转子槽（12）侧面设副进口（16）；当第一转子（2）和第二转子（3）转到进气位置时，进口（10）和第二转子（3）上的过齿槽（7）连通，副进口（16）和副进气通道（21）连通，高压气体通过过齿槽（7）、副进气通道（21）进入膨胀腔（9）；当进口（10）、副进口（16）完全被第二转子（3）、第一转子（2）侧面挡住时，高压气体不再进入膨胀腔（9），完成进气过程；进口（10）和过齿槽（7）配合、副进气通道（21）和副进口（16）配合控制进入膨胀腔（9）的气体的量，通过调整进口（10）、副进口（16）的开口长度调整膨胀比。

5.根据权利要求1所述的双转子膨胀机，其特征在于：所述第一转子（2）上两侧面安装圆形密封板（15），圆形密封板（15）上开进气开口（18），并在第一转子槽（12）两侧平面设有能容纳圆形密封板（15）的圆形密封板槽（17），圆形密封板槽（17）上设有副进口（16），进口（10）设在第二转子槽（13）侧面；进气阶段，气体通过进口（10）、过齿槽（7）进入膨胀腔（9），并通过副进口（16）、进气开口（18）进入膨胀腔（9），这样进气更通畅，当进口（10）完全被转子（3）侧面挡住，副进口（16）完全被圆形密封板（15）挡住，则完成进气过程。

6.根据权利要求1所述的双转子膨胀机，其特征在于：所述第二转子（3）上两侧面安装圆形密封板（15），圆形密封板（15）上设有进气开口（19），并在第二转子槽（13）两侧平面设有能容纳圆形密封板（15）的圆形密封板槽（20），并将进口（10）扩大；当第二转子（3）转到进气位置时，进口（10）通过进气开口（19）与膨胀腔（9）连通，气体进入膨胀腔（9），当进口（10）完全被圆形密封板（15）挡住后，完成进气过程；由于进口（10）更大，进气更顺畅。

7.根据权利要求1所述的双转子膨胀机，其特征在于：所述第一转子（2）有2个密封齿（4）和2个过齿槽（5），所述第二转子（3）有2个密封齿（6）和2个过齿槽（7），转子每旋转360度完成两次工作周期。

8.根据权利要求1所述的双转子膨胀机，其特征在于：第一转子（2）角速度/第二转子（3）角速度=第二转子（3）密封齿（6）数量/第一转子（2）过齿槽（5）数量=第二转子（3）过齿槽（7）数量/第一转子（2）密封齿（4）数量。

9.一种根据权利要求1~7所述的双转子膨胀机的使用方法，其特征在于：多组缸体（1）、转子（2）、转子（3）轴向叠加串联，所有的转子（2）轴都串联在一起，所有转子（3）轴都串联在一起，并使用一组同步齿轮，这样增大了扭矩，将各组转子（2）、转子（3）所处的旋转位置错开，则增加了扭矩输出的平稳性并改善启动性能。

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