CN114857173A - 一种涡轮增压式新型气体静压节流器结构参数优化设计方法 - Google Patents

一种涡轮增压式新型气体静压节流器结构参数优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种涡轮增压式气体静压节流器结构参数优化设计方法，该气体静压节流器外形可呈圆柱型或长方型，所述气体静压节流器主要包括节流器壳体、支撑体、电机、整流板、涡轮风扇以及节流板；本发明以所述涡轮增压式节流器的整流板、涡轮风扇和节流板为目标对象，依据通过所述整流板和节流板的压强大小及分布、所述涡轮风扇的流量和效率，优化设计涡轮增压式气体静压节流器重要结构参数(整流板孔和节流板孔数量、尺寸及分布，涡轮风扇扇叶数量、轮毂比、安装角及扇叶宽度)，可大大提高涡轮增压式节流器的承载性能，利用本发明方法可为带有涡轮增压功能的气体静压节流器结构参数设计与优化提供一种新途径。

Description

一种涡轮增压式新型气体静压节流器结构参数优化设计方法
技术领域：
本发明涉及精密、超精密机构领域，尤其涉及用于中等以上负载设备中气体静压支撑用的一种涡轮增压式气体静压节流器结构参数优化设计方法。
背景技术：
气体静压润滑技术具有转速适用性高、运行寿命长、精度高、磨损低、污染小等诸多优点，在制造业得到了广泛的应用，尤其在精密、超精密加工及超精密机构领域，具有良好的应用前景。但气体静压系统具有承载力小的缺点，已经成为其发展的阻力。
当下，对于气体静压轴承领域研究的重点和热点之一就是如何提高气体静压系统的承载能力。传统的气体静压节流器采用被动的方式，气源压力的问题会使节流孔出口具有过高流速，形成的射流在出口处产生湍流和微漩涡，从而难以提高气体静压节流器系统的承载力。涡轮增压式气体静压节流器可有效提高系统的承载能力，但由于涡轮增压式节流器结构参数复杂，对其承载性能至关重要。因此，本发明提出一种涡轮增压式气体静压节流器结构参数优化设计方法，旨在设计出涡轮增压式气体静压节流器最佳结构参数，从而高效提升气体静压节流器的承载力。
发明内容：
本发明针对涡轮增压式气体静压节流器结构参数优化设计复杂的问题，提供了一种涡轮增压式气体静压节流器结构参数优化设计方法。本发明采用的技术方案是：
该节流器外形可呈圆柱型或长方型，本发明以圆柱型节流器为例对技术方案进行讲解。所述节流器结构设计主要包括支撑体、圆柱型节流器壳体、涡轮风扇、电机、整流板以及节流板。所述节流器圆柱型壳体下底面开有凹槽，上表面开设有圆形凹槽、平键槽以及通孔，所述圆柱型壳体上表面平键槽与所述支撑体上的平键进行装配；所述支撑体的上表面也开设有圆形凹槽和球形槽；所述支撑体上表面圆形凹槽和球形槽是节流器工作时放置顶针来减缓节流器的振动。所述圆柱型节流器壳体上表面圆形凹槽与电机的凸台装配，所述电机的转子穿过所述圆柱型壳体上表面圆形凹槽的通孔；所述圆柱型壳体下底面凹槽设置有所述涡轮风扇，所述涡轮风扇上的平键槽与所述电机的转子装配。所述电机和所述涡轮风扇之间设有一整流板，所述整流板上应设计有均压孔，所述均压孔与气体先接触面孔的直径大于与气体后接触面孔的直径，这样设计的目的是为了让气体在大直径孔(即均压大孔)有缓冲，在经小直径孔(即均压小孔)均匀射入所述涡轮风扇所在的下底面凹槽；所述整流板与所述圆柱型节流器壳体之间形成气室，所述圆柱型节流器壳体开设有进气孔和出气孔，所述进气孔和出气孔的气流流经所述的气室，所述圆柱型节流器壳体的下底面开口处应设计有节流板，所述节流板上应设计开有节流小孔。
当优化设计带有涡轮增压式气体静压节流器的结构参数时：
优选地，所述涡轮增压式节流器结构设计应主要包括支撑体、节流器壳体、涡轮风扇、电机、整流板以及节流板。
优选地，所述涡轮风扇的流量随着扇叶数量的减小先增大后趋于稳定、效率也随着扇叶数量的减小先增大后趋于稳定，所述涡轮风扇结构的扇叶数量设计应尽量少，但扇叶数量不少于3个，且所述涡轮风扇扇叶数量设计时为奇数。
优选地，所述涡轮风扇的流量随着轮毂比的减小而增大，所述涡轮风扇的效率随着轮毂比的增大而增大，但效率变化不大，所述涡轮风扇的轮毂比设计越小越好。
优选地，所述涡轮风扇的流量随着扇叶安装角度的增大而增大，但所述涡轮风扇的效率随着扇叶安装角度的增大先增大后减小，所述涡轮风扇扇叶安装角度最佳设计应为45°左右。
优选地，所述涡轮风扇的流量和效率都随着扇叶宽度的增加先增大后减小，所述涡轮风扇扇叶宽度最佳设计应在5mm左右。
优选地，所述整流板结构设计应开设有均压孔，且均压孔可分为均压大孔和均压小孔，所述均压大孔和均压小孔相通，且所述均压大孔设计尺寸应大于所述均压小孔的尺寸，所述均压孔均匀分布。
优选地，所述节流板结构设计应开设有节流小孔，所述节流小孔的设计分布为外侧和内侧，所述外侧分布的节流小孔设计尺寸应小于所述内侧分布的节流小孔尺寸；所述外侧分布的节流小孔设计尺寸最佳约为0.2mm、设计数量在80-120个，所述内侧分布的节流小孔设计数量在40-80个。
本发明具有以下有益效果：
1、为涡轮增压式气体静压节流器的主要结构设计提供一种新的方法。
2、为带有涡轮增压功能的气体静压节流器整流板结构优化设计提供参考。
3、为带有涡轮增压功能的气体静压节流器涡扇结构的扇叶数量、轮毂比、安装角以及扇叶宽度优化设计提供一种途径.
4、为带有涡轮增压功能的气体静压节流器节流板结构的节流孔径、数量及分布优化设计提供借鉴意义。
由本发明提供的优化设计方法所形成的带有涡轮增压功能气体静压节流器与现有被动式节流器相比，其承载能力可提高约两倍。
附图说明：
为更清楚说明本发明现有技术中的技术方案，下面对本发明和现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。
图1为本发明提供的一种涡轮增压式气体静压节流器的结构示意图。
图2为涡轮增压式气体静压节流器的正视图。
图3为圆柱型节流器壳体的结构示意图。
图4为支撑体结构示意图。
图5为涡轮风扇结构示意图。
图6为电机结构示意图。
图7为整流板结构示意图。
图8为整流板局部均压孔放大图。
图9为节流板的结构示意图。
图10为涡轮风扇流量、效率随扇叶数量变化的关系曲线图。
图11为涡轮风扇流量、效率随轮毂比变化的关系曲线图。
图12为涡轮风扇流量、效率随安装角度变化的关系曲线图。
图13为涡轮风扇流量、效率随扇叶宽度变化的关系曲线图。
附图标记说明：
1、支撑体；2、圆柱型节流器壳体；3、涡轮风扇；4、电机；5、整流板；6、节流板；7、进气孔；8、出气孔；9、气室；10、节流板螺钉；11、整流板螺钉；12、下底面凹槽； 13、支撑体上表面圆形凹槽；14、球形槽；15、电机螺钉；16、电机螺钉螺纹孔；17和18、支撑体平键槽；19、节流器壳体上表面圆形凹槽；20、通孔；21、整流板螺钉孔；22、节流板螺钉螺纹孔；23和24、平键；25、平键槽；26、电机转子；27、电机螺钉通孔；28、引出线； 29、整流板螺钉通孔；30、均压孔；31、均压大孔；32、均压小孔；33、节流板螺钉通孔； 34、节流小孔；35、圆形凸台。
具体实施方式：
本发明涉及一种涡轮增压式气体静压节流器结构参数优化设计方法，下面将结合本发明中的附图，对本发明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，并不是全部的实施例。
请参阅图1-13本发明提供一种技术方案，带有涡轮增压功能的气体静压节流器外形可呈圆柱型或长方型，所述涡轮增压式气体静压节流器主要包括支撑体(1)、圆柱型节流器壳体(2)、涡轮风扇(3)、电机(4)、整流板(5)以及节流板(6)。
所述圆柱型节流器壳体(2)下底面开有凹槽(12)，上表面开设有圆形凹槽(19)、平键槽(17)和(18)以及通孔(20)，所述圆柱型节流器壳体(2)上表面平键槽(17)、(18) 与所述支撑体(1)上的平键(23)、(24)进行装配；所述支撑体(1)的上表面也开设有圆形凹槽(13)和球形槽(14)；所述支撑体(1)上表面圆形凹槽(13)和球形槽(14)是节流器工作时放置顶针来减缓节流器的振动。所述圆柱型节流器壳体(2)上表面圆形凹槽(19)与电机的凸台(35)装配，所述电机(4)的转子(26)穿过所述圆柱型壳体上表面圆形凹槽(19) 的通孔(20)，所述电机(4)通过电机螺钉(15)穿过电机螺钉通孔(27)与圆柱型节流器壳体(2)上的电机螺钉螺纹孔(16)拧紧装配；所述圆柱型节流器壳体下底面凹槽(12)设置有所述涡轮风扇(3)，所述涡轮风扇(3)上的平键槽(25)与所述电机(4)的转子(26)装配。
所述涡轮风扇(3)的流量一般指单位时间内流过所述涡轮风扇(3)流道某一截面的气体容积，所述涡轮风扇(3)的效率为静压有效功率与涡扇的轴功率之比。所述涡轮风扇(3)的轮毂比为涡轮风扇(3)的轮毂直径(流量盲区直径)与涡轮风扇(3)的直径之比，所述涡轮风扇(3)的流量随着轮毂比的减小而增大，所述涡轮风扇(3)的效率随着轮毂比的增大而增大，但效率变化不大，所述涡轮风扇(3)的轮毂比设计应越小越好；所述涡轮风扇(3)的流量随着扇叶数量的减小先增大后趋于稳定、效率也随着扇叶数量的减小先增大后趋于稳定，所述涡轮风扇(3)结构的扇叶数量设计应尽量少，但扇叶数量不少于3个，且所述涡轮风扇扇叶数量设计时为奇数，这是由于若采用偶数片扇叶，涡轮风扇(3)在工作时会产生共振现象，从而降低涡轮风扇(3)的气动性能；所述涡轮风扇(3)的流量随着扇叶安装角度的增大而增大，但所述涡轮风扇(3)的效率随着扇叶安装角度的增大先增大后减小，所述涡轮风扇(3)扇叶安装角度最佳设计应为45°左右；所述涡轮风扇(3)的流量和效率都随着扇叶宽度的增加先增大后减小，所述涡轮风扇(3)扇叶宽度最佳设计应在5mm左右。
所述电机(4)和所述涡轮风扇(3)之间应设计有整流板(5)，所述整流板(5)上开设有均压孔(30)，所述均压孔(30)上开设有均压大孔(31)和均压小孔(32)，所述均压大孔(31)与所述均压小孔(32)相通，所述均压大孔(31)的设计尺寸应大于所述均压小孔 (32)的尺寸；所述整流板(5)通过整流板螺钉(11)穿过整流板螺钉孔(21)与圆柱型节流器壳体(2)上的整流板螺钉通孔(29)拧紧装配；所述整流板(5)与所述圆柱型节流器壳体(2)之间形成气室(9)，所述圆柱型节流器壳体(2)开设有进气孔(7)和出气孔(8)，所述进气(7)孔和出气孔(8)的气流流经所述的气室(9)。
所述圆柱型节流器壳体(2)的下底面开口处应设计有节流板(6)，所述节流板(6)结构设计应开设有节流小孔(34)，所述节流小孔(34)的设计分布分为外侧和内侧，所述外侧分布的节流小孔(34)尺寸设计应小于等于所述内侧分布的节流小孔(34)尺寸；所述外侧分布的节流小孔(34)尺寸设计最佳约为0.2mm、数量设计在80-120个，所述内侧分布的节流小孔(34)数量设计在40-80个；所述节流板(6)通过节流板螺钉(10)穿过节流板螺钉通孔(33)与圆柱型节流器壳体(2)上的节流板螺钉螺纹孔(22)拧紧装配。
工作原理：当涡轮增压式气体静压节流器工作时，电机(4)由引线(28)通电后，所述电机(4)上的电机转子(26)带动涡轮风扇(3)旋转，气体从进气口(7)流入整流板 (5)与圆柱型节流器壳体(2)的气室(9)，气流经整流板(5)上均压大孔(31)缓存后经均压小孔(32)的均化流入涡轮风扇(3)所在的下底面圆形凹槽(12)，气流在经通电后涡轮风扇(3)的旋转增压，从节流板(6)上的节流小孔(34)射出，气体能量增加，在下表面和工作面之间形成均匀稳定的气膜，从而提供承载力。
由本发明提供的带有涡轮增压功能的气体静压节流器结构优化设计方法所形成的节流器，可有效提高节流器承载力约两倍。
此外，应当理解虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个步骤方式仅包含一种技术方法，因此，此说明书的实施步骤仅仅是本人的设计思路，相关技术人员可以理解其他的实施方式。凡在本发明的思想和原则之内，所做的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种涡轮增压式气体静压节流器结构参数优化设计方法，其特征在于，以提高气体静压节流器承载性能为目标，节流器外形设计可呈圆柱型或长方型，所述涡轮增压式气体静压节流器结构设计主要包括支撑体(1)、圆柱型节流器壳体(2)、涡轮风扇(3)、电机(4)、整流板(5)以及节流板(6)。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮增压式气体静压节流器结构参数优化设计方法，其特征是：所述涡轮风扇(3)的流量随着扇叶数量的减小先增大后趋于稳定、效率也随着扇叶数量的减小先增大后趋于稳定，所述涡轮风扇(3)的扇叶数量设计应尽量少，但扇叶数量不少于3个，且所述涡轮风扇(3)扇叶数量设计时为奇数；所述涡轮风扇(3)的流量随着轮毂比的减小而增大，所述涡轮风扇(3)的效率随着轮毂比的增大而增大，但变化不大，所述涡轮风扇(3)的轮毂比设计应越小越好；所述涡轮风扇(3)的流量随着扇叶安装角度的增大而增大，但所述涡轮风扇(3)的效率随着扇叶安装角度的增大先增大后减小，所述涡轮风扇(3)扇叶安装角度最佳设计应为45°左右；所述涡轮风扇(3)的流量和效率都随着扇叶宽度的增加先增大后减小，所述涡轮风扇(3)扇叶宽度最佳设计应在5mm左右。
3.根据权利要求1所述的一种涡轮增压式气体静压节流器结构参数优化设计方法，其特征是：所述整流板(5)的结构设计应开设有均压孔(30)，且均压孔(30)可设计成均压大孔(31)和均压小孔(32)，所述均压大孔(31)和均压小孔(32)相通，且所述均压大孔(31)设计尺寸应大于所述均压小孔(32)的尺寸，所述均压孔(30)均匀分布。
4.根据权利要求1所述的一种涡轮增压式气体静压节流器结构参数优化设计方法，其特征是：所述节流板(6)的结构设计应开设有节流小孔(34)，所述节流小孔(34)的分布可设计成外侧和内侧，所述外侧分布的节流小孔(34)设计尺寸应小于等于所述内侧分布的节流小孔(34)尺寸；所述外侧分布的节流小孔(34)最佳设计尺寸约为0.2mm、数量设计在80-120个，所述内侧分布的节流小孔(34)数量设计在40-80个。
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