CN114962299A - 一种长寿命、低噪音涡轮风机及其工作方法 - Google Patents

一种长寿命、低噪音涡轮风机及其工作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114962299A
CN114962299A CN202210624330.2A CN202210624330A CN114962299A CN 114962299 A CN114962299 A CN 114962299A CN 202210624330 A CN202210624330 A CN 202210624330A CN 114962299 A CN114962299 A CN 114962299A
Authority
CN
China
Prior art keywords
bearing
dynamic pressure
groove
assembly
pressure bearing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210624330.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114962299B (zh
Inventor
郝开元
龚杰峰
尹泉
张春雷
邓亮
侯留凯
冷洪飞
黄宁
卢伟
吴玉珍
叶志明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Aerospace Propulsion Institute
Beijing Aerospace Petrochemical Technology and Equipment Engineering Corp Ltd
Original Assignee
Beijing Aerospace Propulsion Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Aerospace Propulsion Institute filed Critical Beijing Aerospace Propulsion Institute
Priority to CN202210624330.2A priority Critical patent/CN114962299B/zh
Publication of CN114962299A publication Critical patent/CN114962299A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114962299B publication Critical patent/CN114962299B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/08—Units comprising pumps and their driving means the working fluid being air, e.g. for ventilation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/056—Bearings
    • F04D29/057—Bearings hydrostatic; hydrodynamic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/281—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for fans or blowers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/30—Vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
    • F04D29/661—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/666—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps by means of rotor construction or layout, e.g. unequal distribution of blades or vanes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Abstract

本发明公开了一种长寿命、低噪音涡轮风机。涡轮风机启动前使外部高压气体通过静压轴承进入动压轴承和静压轴承的间隙处形成高压气膜将转子先悬浮起来；涡轮高速电机系统开始启动时，转子组件高速旋转，空气经过高速叶轮旋转增压后，大部分通过涡轮气体出口供气，小部分通过叶轮后部，依次通过前动压轴承悬浮动压槽增压然后再通过后动压轴承最后通过转轴中心孔回到叶轮气体入口，此时由于转子高速旋转带动动压轴承的悬浮动压槽作用形成自主的动压效应，可以实现转子悬浮。本发明可彻底解决现有技术方案无法实现长寿命和噪音设计的难题。

Description

一种长寿命、低噪音涡轮风机及其工作方法
技术领域
本发明属于医用呼吸机用涡轮风机技术领域，具体涉及一种长寿命、低噪音涡轮风机。
背景技术
呼吸机是常用的医疗设备之一,广泛用于急救,治疗等方面。呼吸机涡轮作为呼吸机唯一的供气部件，其主要功能是通过涡轮高速旋转对空气做功，驱动空气在系统内循环流动，给患者提供供气支持。其性能好坏直影响呼吸机整机性能。
目前，高速离心风机由于体积小、重量轻便与集成等优势，已经成为医用涡轮风机主要技术方案。其主要原理是利用高速电机带动离心叶轮高速旋转对做功。
现有的医用呼吸涡轮存采用滚动轴承的高速涡轮风机方案此种方案使用的滚动轴承在运行中由于高速旋转存在摩擦和磨损，普遍的使用寿命在20000小时左右，运行噪音普遍高于60dBA需要进行外部隔离和降噪才能满足使用要求。
随着医用呼吸机对寿命要求和噪音要求的不断提高，寿命要求已经提高至40000小时，由于呼吸机需要满足ICU使用要求，噪音要求低于40dBA。而现有的滚动轴承方案已经无法实现此技术目标，成为制约呼吸机涡轮发展的主要技术难题。
气体悬浮轴承技术是依靠转子高速旋转后产生的气体动压效应，形成气膜从而使转子悬浮，此种方案运行过程动、静转子不接触，因此理论寿命可以做到无限，同时运行无接触，因此会大大减低摩擦噪音。此种方案可以解决高速运行过程的寿命和噪音问题。但是动压气浮轴承特点是必须转速达到一定值才能形成气膜，这就使得在涡轮启动和停机过程必然存在摩擦和磨损。此种磨损产生的多余物质在呼吸系统是无法接受的。因此单独的气浮动压轴承方案也无法彻底解决医用涡轮寿命和噪音的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种新型适用于医用呼吸机涡轮风机。本发明涡轮风机采用动静压一体式气动悬浮轴承技术方案，涡轮风机启动前使外部高压气体通过静压轴承进入动压轴承和静压轴承的间隙处形成高压气膜将转子先悬浮起来；涡轮高速电机系统开始启动时，转子组件高速旋转，空气经过高速叶轮旋转增压后，大部分通过涡轮气体出口供气，小部分通过叶轮后部，依次通过前动压轴承悬浮动压槽增压然后再通过后动压轴承最后通过转轴中心孔回到叶轮气体入口，此时由于转子高速旋转带动动压轴承的悬浮动压槽作用形成自主的动压效应，可以实现转子悬浮。本发明可彻底解决现有技术方案无法实现长寿命和噪音设计的难题。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种长寿命、低噪音涡轮风机，包括泵壳，叶轮组件，定子组件，电机壳体组件，转子组件，供气管路，静压轴承组件和动压轴承组件；
电机壳体组件包括电机壳体和电机套筒，定子组件固定安装于电机壳体内部，转子组件设于定子组件内部，定子组件与转子组件之间采用电机套筒进行屏蔽，转子组件包括转轴和设于转轴外部的磁体，转轴设有沿轴线的中心孔；
叶轮组件安装于转子组件的转轴前端；泵壳设于叶轮组件外部，泵壳与电机壳体固定连接，泵壳前端设有气体入口，泵壳还设有气体出口；
静压轴承组件包括前静压轴承和后静压轴承，动压轴承组件包括前动压轴承和后动压轴承；前动压轴承和后动压轴承外表面设有用于对气体增压的悬浮动压槽，前动压轴承和后动压轴承分别套于转子组件的转轴上，且分别与转子组件中磁体的前端面和后端面配合，前静压轴承和后静压轴承分别安装于前动压轴承和后动压轴承外部，前静压轴承内表面与前动压轴承外表面之间、以及后静压轴承与后动压轴承之间的间隙用于形成悬浮气膜；
供气管路连通外部供气设备和静压轴承组件。
进一步的，叶轮组件包括叶片，轮盖，轮盘和转接件；
叶轮组件中的叶片为14～18片；所述每片叶片的盖侧端面与轮盖固定连接，盘侧端面与轮盘固定连接；转接件为与轮盖和轮盘同轴的圆筒形结构，叶轮组件通过转接件以过盈配合的方式安装于转子组件的转轴前端，转子组件带动叶轮组件旋转。
进一步的，所述叶片盖侧端面的型线包括盖侧压力面曲线和盖侧吸力面曲线；
所述叶片盘侧端面的型线包括盘侧压力面曲线和盘侧吸力面曲线；
将叶轮组件投影于垂直于叶轮组件轴线的投影平面上，盖侧压力面曲线、盖侧吸力面曲线、盘侧压力面曲线和盘侧吸力面曲线在所述投影平面中的方程分别为：
Figure BDA0003676167420000031
a1＝1.8～2.2，b1＝0.38～0.48，c1＝0.29～0.35；
Figure BDA0003676167420000032
a2＝1.3～1.6，b2＝1.1～1.7，c2＝0.29～0.38；
Figure BDA0003676167420000033
a3＝1.95～2.38，b3＝1.95～2.38，c3＝1.95～2.38；
Figure BDA0003676167420000034
a4＝1.25～1.48，b4＝1.22～1.43，c4＝0.03～0.1；
其中，r为所述曲线中的各点到叶轮组件中心A的距离；记所述曲线与叶轮组件中心A距离最近的点为B，θ为叶轮组件中心A与所述曲线中各点的连线与BA连线的夹角，θ＝50～70°。
进一步的，将叶轮组件投影于垂直于叶轮组件轴线的投影平面上，盖侧压力面曲线、盖侧吸力面曲线、盘侧压力面曲线和盘侧吸力面曲线在所述投影平面中的方程分别为：
Figure BDA0003676167420000035
a1＝2.07，b1＝0.46，c1＝0.32，θ＝64°；
Figure BDA0003676167420000036
a2＝1.49，b2＝1.31，c2＝0.36，θ＝65°；
Figure BDA0003676167420000041
a3＝2.07，b3＝0.22，c3＝0.52，θ＝64°；
Figure BDA0003676167420000042
a4＝1.41，b4＝1.32，c4＝0.07，θ＝65°。
进一步的，供气管路上设有电磁截止阀；
供气管路内部安装用于控制供气管路进口压力的节流孔板。
进一步的，前静压轴承为与电机壳体组件固定连接的中空圆柱结构；
前静压轴承的外圆柱面设有环形的第一前静压密封槽、第二前静压密封槽、以及位于第一前静压密封槽和第二前静压密封槽之间的前空气槽；
前静压轴承的外圆柱面与电机壳体组件内表面配合，第一前静压密封槽和第二前静压密封槽内分别安装前静压O型圈，实现前空气槽两侧、前静压轴承的外圆柱面与电机壳体组件内表面之间的密封；
后静压轴承为与电机壳体组件固定连接的中空圆柱结构；
后静压轴承的外圆柱面设有环形的第一后静压密封槽、第二后静压密封槽、以及位于第一后静压密封槽和第二后静压密封槽之间的后空气槽；
后静压轴承的外圆柱面与电机壳体组件内表面配合，第一后静压密封槽和第二后静压密封槽内分别安装后静压O型圈，实现后空气槽两侧、后静压轴承的外圆柱面与电机壳体组件内表面之间的密封；
供气管路分别连通外部供气设备和前空气槽，以及外部供气设备和后空气槽，外部气体分别通过前空气槽和后空气槽进入以多孔介质为材料的前静压轴承和后静压轴承，前静压轴承内表面与前动压轴承外表面之间、以及后静压轴承与后动压轴承之间形成悬浮气膜。
进一步的，前静压轴承内表面与前动压轴承外表面之间、以及后静压轴承与后动压轴承之间的间隙为3～8um；
前静压轴承的中空圆柱结构一端沿径向向外延伸，形成用于与电机壳体固定连接的环形结构；
后静压轴承一端设有沿轴向凹陷的安装凹槽，电机套筒设有沿轴向突出的配合销，所述安装凹槽与配合销配合，实现后静压轴承与电机套筒固定连接；安装凹槽的截面为矩形。
进一步的，前动压轴承和后动压轴承的结构相同，均为带有中心孔的T型圆柱结构，包括圆柱部分和与圆柱部分第一端连接的圆盘部分，圆柱部分的外圆柱面刻有第一悬浮动压槽，圆盘部分与圆柱部分第一端连接的端面刻有第二悬浮动压槽；
前动压轴承和后动压轴承采用镜像安装的方式过盈配合于转子组件的转轴上；转子组件旋转时，由泵壳前端气体入口进入的气体利用前动压轴承的第一悬浮动压槽和第二悬浮动压槽增压后，通过转子组件与电机套筒的间隙，利用后动压轴承的第一悬浮动压槽和第二悬浮动压槽增压后，通过转子组件的中心孔返回所述气体入口，在前静压轴承内表面与前动压轴承外表面之间、以及后静压轴承与后动压轴承之间形成悬浮气膜。
进一步的，以圆柱部分第二端的中心为原点O，圆柱部分轴线方向为z轴，圆柱部分第二端的端面为xy平面建立坐标系Oxyz，第一悬浮动压槽中各点的坐标表示为：
Figure BDA0003676167420000051
其中，r′为圆柱部分外圆柱面的半径，L为圆柱部分的轴向长度，t为以x轴为起点，第一悬浮动压槽中各点沿周向的角度，单位为弧度；
坐标系Oxyz中，第二悬浮动压槽中各点的坐标表示为：
z＝L；
Figure BDA0003676167420000052
其中，A＝-7.8～-9.5，t＝1.5～1.8，y0＝10～12；
第一悬浮动压槽尾部与第二悬浮动压槽连接。
上述一种长寿命、低噪音涡轮风机的工作方法，其特征在于，包括：
涡轮风机启动前，打开供气管路，外部供气设备提供的气体分别通过前静压轴承和后静压轴承进入前静压轴承内表面与前动压轴承外表面之间、以及后静压轴承与后动压轴承之间的间隙形成悬浮气膜；
涡轮风机启动阶段，转子组件旋转，外部空气由泵壳前端所设气体入口进入叶轮组件进行增压后，一部分通过气体出口供气，另一部分依次经过前动压轴承和后动压轴承外表面的悬浮动压槽由转子组件转轴的中心孔返回气体入口；
涡轮风机稳定运行阶段，关闭供气管路，前静压轴承内表面与前动压轴承外表面之间、以及后静压轴承与后动压轴承之间的间隙形成的悬浮气膜稳定存在。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明创新性的提出一种动静压一体式轴承涡轮风机，附带静压供气系统，涡轮风机启动低速阶段通过供气管路和静压轴承完成悬浮，转速提高后自动切断供气即可采用自身动压承载，此方案结动静压轴承全部优点，可以彻底解决现有涡轮风机滚动轴承方案无法实现的长寿命和低噪音技术难题，从根本上做到长寿命和低噪音。
(2)发明采用静压轴承采用多孔介质材料，因此静压轴承内部无需开任何通气孔，避免了开孔后影响动压轴承悬浮效应；
(3)本发明动压轴承采用正反贯穿悬浮槽设计，通过动静压的结合可以有效的实现转子的悬浮；此种正反贯穿式悬浮槽方程式设计的槽型相对传动设计可以即实现转子悬浮产生动压效应又可以有效解决轴承内部气体循环性问题，可以避免在静压模块单独开通气孔，从而影响静压承载能力；
(4)发明气动部件采用指数型叶型设计，该设计区别于传统的单圆弧叶片，更符合流体动力学规律，此种叶型可以有效的提高叶轮内部流动效率，较少流动损失从而起到减低气动噪声的目的。
附图说明
图1为本发明一种优选实施方式中的涡轮风机整体结构图；
图2为本发明一种优选实施方式中的叶轮组件示意图；其中(a)为俯视图，(b)为正视图；
图3为本发明一种优选实施方式中的叶片结构示意图；
图4为本发明一种优选实施方式中的前静压轴承结构图；
图5为本发明一种优选实施方式中的后静压轴承结构图；
图6为本发明一种优选实施方式中的前动压轴承结构图；
图7为本发明一种优选实施方式中的后动压轴承结构图；
图中：1-泵壳，2-叶轮组件，3-定子组件，4-转子组件，5-供气管路，6-节流孔板，7-电磁截止阀，8-前静压轴承，9-后静压轴承，10-前动压轴承，11-后动压轴承，12-配合销，13-静压O型圈，14-前静压O型圈，15-密封圈；
2.1-轮盖，2.2-轮盘，2.3-转接件，2.4-盖侧压力面曲线，2.5-盖侧吸力面曲线，2.6-盘侧压力面曲线，2.7-盘侧吸力面曲线；
8.1-第一前静压密封槽，8.2-前空气槽，8.3-第二前静压密封槽；
9.1-第一后静压密封槽，9.2-后空气槽，9.3-第二后静压密封槽，9.4-安装凹槽；
10.1-前动压轴承第一悬浮动压槽，10.2-前动压轴承第二悬浮动压槽；
11.1-后动压轴承第一悬浮动压槽，11.2-后动压轴承第二悬浮动压槽。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明提供一种即可实现长寿命又能控制噪音的医用涡轮风机。该涡轮风机采用一种新型的动静压一体式气动悬浮轴承，结合高效新型降噪气动涡轮，可以实现医用涡轮长寿命和低噪音的功能。
本发明长寿命、低噪音医用涡轮风机主要包括低噪音高效气动系统、高速电机系统和动静压气浮轴承系统。
低噪音高效气动系统，包括叶轮组件、泵壳。叶轮组件通过高速旋转带动介质高速流动同时提高介质动能和压力能。具体的，本方案采用空间指数型叶片型线设计，叶片型线方程形式为指数型方程，可以提高气体介质流动效率降低涡轮损失，从而达到降低气动噪声的目的。
具体的，泵壳采用单螺旋线设计，进一步降低介质流速，进一步提高介质压力能。叶轮组件和涡轮采用匹配性设计，尽量降低动静干涉引起的气动噪音。
高速电机系统包括定子组件和转子组件，高速电机系统主要功能是定子组件通过外部供电通过线圈产生电磁效应，定子线圈产生的旋转变化的磁场带动转子内部永磁体从而产生旋转力矩。
动静压一体式气浮轴承系统，包括静压供气模块、静压轴承组件、动压轴承组件。空气涡轮在启动和停机过程转速较低(＜1000转/min)，动压轴承气膜无法形成，此时空气涡轮通过供气管路引入外部高压气体(0.1MPa～0.3MPa)进入内部指定位置通过静压效应使涡轮转子完成悬浮避免前期的摩擦磨损，等到涡轮转速提高到1000转/min以上后，此时涡轮可以依靠动压轴承组件内部的悬浮动压槽结构旋转后形成的动压效应实现自身悬浮，此时可以关闭静压供气模块，涡轮实现自主运行。
具体的，静压供气模块包括供气管路、节流孔板、电磁截止阀。
静压轴承组件分前后两个。前静压轴承采用内圆中空的T型圆柱设计，T型端面采用螺钉与电机壳体安装固定。外圆柱面两端带O型圈沟槽，即第一前静压密封槽和第二前静压密封槽，两沟槽之间设有长条形凹形槽，此处用于为高压供气预留空间。后静压轴承整体为中空圆柱形，圆柱一端面设置3个方形凹槽，装配时将此凹槽插入电机套筒后部设置的凸形配合销完成固定。后静压轴承外圆面两端设置O型圈沟槽，即第一后静压密封槽和第二后静压密封槽，两沟槽之间设有长条形凹形槽，此处用于为高压供气预留空间。
前后静压轴承采用多孔介质材料，此种材料具有良好的透气性能，可以将长条形凹形槽位置高压气体引入前后静压轴承内圆和前后动压轴承之间形成高压悬浮气膜。
动压轴承组件包括前后动压轴承两部分，前动压轴承为带有中心孔的T型圆柱体，内圆与转子组件转轴外圆过盈配合。动压轴承组件外圆表面刻有正螺旋贯穿式悬浮槽，即第一悬浮动压槽，第一悬浮动压槽尾部与T形结构圆盘部分内端面第二悬浮动压槽连接。第一悬浮动压槽方程：
Figure BDA0003676167420000091
第二悬浮动压槽方程：
Figure BDA0003676167420000092
前动压轴承正向螺旋槽随电机轴高速旋转形成动压效应可以将轴系悬浮起来，同时正向的螺旋槽可以起到正向的增压作用，促进气体顺利进入前动压轴承与前静压轴承间隙，增压后即进入后动压轴承与后静压轴承间隙。区别传统间断式设计，此种从径向直接贯穿至轴向的悬浮槽设计，在完成转子悬浮功能的同时，还可以驱动工质快速通过前轴承从而顺利进入后轴承形成循环流动，这样可以避免常规设计的在静压轴承模块单独开设通气孔从而破坏多孔介质材料影响静压浮动效应。
后动压轴承带有中心孔的T型圆柱体内圆与转子组件转轴外圆过盈配合，安装方向与前动压轴承呈对称镜像布置，后动压轴承圆柱部分外圆柱面和圆盘部分端面螺旋槽方程形式与前动压轴承相同。
后动压轴承与前动压轴承对称布置，因此表面采用反向贯穿式螺旋槽，此种螺旋槽可以保证介质随旋转顺利进入泵形成动压效应。
本发明涡轮风机的工作过程气体流动过程如下：涡轮风机启动前开启供气管路将外部高压气体通过节流孔板降压后进入静压轴承外圆柱面所设空气槽处，高压气体通过静压轴承多孔介质进入动压轴承和静压轴承的间隙处形成高压气膜将转子先悬浮起来。此时涡轮高速电机系统开始启动，带动转子组件高速旋转，空气经过高速叶轮旋转增压后，大部分通过涡轮气体出口供气，小部分通过叶轮后部，依次通过前动压轴承悬浮动压槽增压然后再通过后动压轴承最后通过转轴中心孔回到叶轮气体入口。此时由于转子高速旋转带动动压轴承的悬浮动压槽作用形成自主的动压效应，可以实现转子悬浮。因此转速提高到1000转/min以上，进入稳定运行阶段涡轮可关闭外部供气阀，无需长期外部供气。
实施例1：
一种长寿命、低噪音涡轮风机，包括低噪音高效气动系统、高速电机系统和动静压气浮轴承系统；低噪音高效的气动系统，主要作用是通过叶轮的高速旋转将外部空气吸入，然后对其做功后驱动空气在系统内部流动；高速电机系统通过高速旋转带动叶轮和轴上的动压轴承组件旋转，旋转后使动压轴承组件产生动压效应；动静压气浮轴承系统，主要包括静压轴承组件和动压轴承组件，风机开启前通过静压轴承组件引入外部供气使轴系悬浮，待电机开启后电机轴上动压轴承组件随轴高速旋转，依靠动压螺旋槽形成动压效应和驱动效应，顺利使气动系统流出的空气通过前轴承和后轴承。
如图1～7，低噪音高效气动系统包括泵壳1和叶轮组件2。泵壳1安装在叶轮2的外部，通过螺钉与电机壳体固定连接，并通过密封圈15实现可靠密封。具体的，如图2和3，叶轮组件2包括轮盖2.1和轮盘2.2以及转接件2.3，轮盖2.1和轮盘2.2之间设有14～18片指数型叶片，优选16片指数型叶片，叶片型线由盖侧压力面曲线2.4、盖侧吸力面曲线2.5、盘侧压力面曲线2.6、盘侧吸力面曲线2.7四条曲线方程定义。
其中盖侧压力面曲线2.4：
Figure BDA0003676167420000101
其中，a1＝1.8～2.2，b1＝0.38～0.48，c1＝0.29～0.35，θ＝50～70°；
优选的是a1＝2.07，b1＝0.46，c1＝0.32，θ＝64°；
盖侧吸力面曲线2.5：
Figure BDA0003676167420000102
其中，a2＝1.3～1.6，b2＝1.1～1.7，c2＝0.29～0.38，θ＝50～70°；
优选的是a2＝1.49，b2＝1.31，c2＝0.36，θ＝65°；
盘侧压力面曲线2.6：
Figure BDA0003676167420000111
其中，a3＝1.95～2.38，b3＝0.15～0.25，c3＝0.49～0.56，θ＝50～70°；
优选的是a3＝2.07，b3＝0.22，c3＝0.52，θ＝64°；
盘侧吸力面曲线2.7:
Figure BDA0003676167420000112
θ＝50～70°；
其中a4＝1.25～1.48，b4＝1.22～1.43，c4＝0.03～0.1，θ＝50～70°；
优选的是a4＝1.41，b4＝1.32，c4＝0.07，θ＝65°；
将叶轮组件在垂直轴线平面上进行投影，对上述投影建立二维的极坐标系，上述极坐标系中，极点为叶轮组件圆心，极轴为叶轮组件圆心与该曲线起点的连线，上述方程中，r为该曲线上某一点与极点的距离，即叶轮径向坐标，θ为该曲线上某一点和极点的连线与极轴的夹角，表示圆周方向的角度坐标，叶片进口边起点，叶片出口边为终点。
此种指数型曲线具有效率高、气动噪音低等特点。叶轮组件2通过转接件23过盈的方式安装在电机转子组件4轴端的外部保证叶轮组件2和电机转子组件4一起旋转。
高速电机系统包括定子组件3和转子组件4，转子组件4插入到定子组件3内部，定子组件3通过外部供电产生电磁感应后带动转子系统4高速旋转。
动静压气浮轴承系统包括供气管路5、静压轴承组件和动压轴承组件。外部高压气体通过供气管路5和电磁截止阀7进入静压模块，供气管路5内部安装节流孔板6，其作用控制进口压力。
如图4和5，前静压轴承8为带中心孔的圆柱体，外圆柱面带有凹形第一前静压密封槽8.1、第二前静压密封槽8.3和位于二者中间的前空气槽8.2。外圆柱面与电机壳体及电机套筒内圆配合，通过前静压O型圈14密封。前静压轴承8内表面与前动压轴承10外表面配合间隙约5um。
后静压轴承9为一边端面带安装凹槽9.4的中空圆柱体。通过安装凹槽9.4与凸形配合销12配合，起到定位和防转作用。后静压轴承9外圆柱面设有第一后静压密封槽9.1和第二后静压密封槽9.3，第一后静压密封槽9.1和第二后静压密封槽9.3之间设有后空气槽9.2。其中第一后静压密封槽9.1和第二后静压密封槽9.3安装后静压O型圈13完成密封。静压轴承材料为多孔介质。外部高压气体通过空气槽进入多孔介质后在静压轴承内圆与动压轴承之间形成悬浮气膜。
如图6和7前动压轴承10为带有中心孔的T型圆柱体，其外圆面刻有前动压轴承第一悬浮动压槽10.1，其方程为：
Figure BDA0003676167420000121
其中r′为圆柱部分的半径，具体尺寸根据涡轮的整体尺寸布置。L为圆柱部分的轴向长度，具体尺寸根据涡轮的整体尺寸布置，t为周向的角度，单位为弧度。
圆盘部分端面刻有前动压轴承第二悬浮动压槽10.2，其方程为：
Figure BDA0003676167420000122
其中，A＝-7.8～-9.5，t＝1.5～1.8，y0＝10～12；
优选的A＝-8.38，t＝1.66，y0＝11.8
前动压轴承10通过过盈方式与转子组件4右侧第二轴肩安装，前动压轴承10开口向右侧安装。
后动压轴承11为带有中心孔的T型圆柱体，T形其外圆柱面刻有后动压轴承第一悬浮动压槽11.1，其方程与前动压轴承第一悬浮动压槽10.1相同，圆盘部分端面刻有后动压轴承第二悬浮动压槽11.2，其方程为与前动压轴承第二悬浮动压槽10.2相同。后动压轴承11通过过盈方式与电机转子4左侧第一轴肩安装，后动压轴承11开口向左侧安装。
前后动压轴承悬浮动压槽方程相同，采用镜像方式安装。前动压轴承10、后动压轴承11与电机一个方向旋转，由于安装方式不同刚好形成正反两个旋转方向的悬浮槽。此种布置方式有利的优势是即可形成悬浮动压槽又可以促进气体循环流动。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种长寿命、低噪音涡轮风机，其特征在于，包括泵壳(1)，叶轮组件(2)，定子组件(3)，电机壳体组件，转子组件(4)，供气管路(5)，静压轴承组件和动压轴承组件；
电机壳体组件包括电机壳体和电机套筒，定子组件(3)固定安装于电机壳体内部，转子组件(4)设于定子组件(3)内部，定子组件(3)与转子组件(4)之间采用电机套筒进行屏蔽，转子组件(4)包括转轴和设于转轴外部的磁体，转轴设有沿轴线的中心孔；
叶轮组件(2)安装于转子组件(4)的转轴前端；泵壳(1)设于叶轮组件(2)外部，泵壳(1)与电机壳体固定连接，泵壳(1)前端设有气体入口，泵壳(1)还设有气体出口；
静压轴承组件包括前静压轴承(8)和后静压轴承(9)，动压轴承组件包括前动压轴承(10)和后动压轴承(11)；前动压轴承(10)和后动压轴承(11)外表面设有用于对气体增压的悬浮动压槽，前动压轴承(10)和后动压轴承(11)分别套于转子组件(4)的转轴上，且分别与转子组件(4)中磁体的前端面和后端面配合，前静压轴承(8)和后静压轴承(9)分别安装于前动压轴承(10)和后动压轴承(11)外部，前静压轴承(8)内表面与前动压轴承(10)外表面之间、以及后静压轴承(9)与后动压轴承(11)之间的间隙用于形成悬浮气膜；
供气管路(5)连通外部供气设备和静压轴承组件。
2.根据权利要求1所述的一种长寿命、低噪音涡轮风机，其特征在于，叶轮组件(2)包括叶片，轮盖(2.1)，轮盘(2.2)和转接件(2.3)；
叶轮组件(2)中的叶片为14～18片；所述每片叶片的盖侧端面与轮盖(2.1)固定连接，盘侧端面与轮盘(2.2)固定连接；转接件(2.3)为与轮盖(2.1)和轮盘(2.2)同轴的圆筒形结构，叶轮组件(2)通过转接件(2.3)以过盈配合的方式安装于转子组件(4)的转轴前端，转子组件(4)带动叶轮组件(2)旋转。
3.根据权利要求2所述的一种长寿命、低噪音涡轮风机，其特征在于，所述叶片盖侧端面的型线包括盖侧压力面曲线(2.4)和盖侧吸力面曲线(2.5)；
所述叶片盘侧端面的型线包括盘侧压力面曲线(2.6)和盘侧吸力面曲线(2.7)；
将叶轮组件(2)投影于垂直于叶轮组件(2)轴线的投影平面上，盖侧压力面曲线(2.4)、盖侧吸力面曲线(2.5)、盘侧压力面曲线(2.6)和盘侧吸力面曲线(2.7)在所述投影平面中的方程分别为：
Figure FDA0003676167410000021
a1＝1.8～2.2，b1＝0.38～0.48，c1＝0.29～0.35；
Figure FDA0003676167410000022
a2＝1.3～1.6，b2＝1.1～1.7，c2＝0.29～0.38；
Figure FDA0003676167410000023
a3＝1.95～2.38，b3＝1.95～2.38，c3＝1.95～2.38；
Figure FDA0003676167410000024
a4＝1.25～1.48，b4＝1.22～1.43，c4＝0.03～0.1；
其中，r为所述曲线中的各点到叶轮组件(2)中心A的距离；记所述曲线与叶轮组件(2)中心A距离最近的点为B，θ为叶轮组件(2)中心A与所述曲线中各点的连线与BA连线的夹角，θ＝50～70°。
4.根据权利要求3所述的一种长寿命、低噪音涡轮风机，其特征在于，将叶轮组件(2)投影于垂直于叶轮组件(2)轴线的投影平面上，盖侧压力面曲线(2.4)、盖侧吸力面曲线(2.5)、盘侧压力面曲线(2.6)和盘侧吸力面曲线(2.7)在所述投影平面中的方程分别为：
Figure FDA0003676167410000025
a1＝2.07，b1＝0.46，c1＝0.32，θ＝64°；
Figure FDA0003676167410000026
a2＝1.49，b2＝1.31，c2＝0.36，θ＝65°；
Figure FDA0003676167410000027
a3＝2.07，b3＝0.22，c3＝0.52，θ＝64°；
Figure FDA0003676167410000028
a4＝1.41，b4＝1.32，c4＝0.07，θ＝65°。
5.根据权利要求1所述的一种长寿命、低噪音涡轮风机，其特征在于，供气管路(5)上设有电磁截止阀(7)；
供气管路(5)内部安装用于控制供气管路(5)进口压力的节流孔板(6)。
6.根据权利要求1所述的一种长寿命、低噪音涡轮风机，其特征在于，前静压轴承(8)为与电机壳体组件固定连接的中空圆柱结构；
前静压轴承(8)的外圆柱面设有环形的第一前静压密封槽(8.1)、第二前静压密封槽(8.3)、以及位于第一前静压密封槽(8.1)和第二前静压密封槽(8.3)之间的前空气槽(8.2)；
前静压轴承(8)的外圆柱面与电机壳体组件内表面配合，第一前静压密封槽(8.1)和第二前静压密封槽(8.3)内分别安装前静压O型圈(14)，实现前空气槽(8.2)两侧、前静压轴承(8)的外圆柱面与电机壳体组件内表面之间的密封；
后静压轴承(9)为与电机壳体组件固定连接的中空圆柱结构；
后静压轴承(9)的外圆柱面设有环形的第一后静压密封槽(9.1)、第二后静压密封槽(9.3)、以及位于第一后静压密封槽(9.1)和第二后静压密封槽(9.3)之间的后空气槽(9.2)；
后静压轴承(9)的外圆柱面与电机壳体组件内表面配合，第一后静压密封槽(9.1)和第二后静压密封槽(9.3)内分别安装后静压O型圈(13)，实现后空气槽(9.2)两侧、后静压轴承(9)的外圆柱面与电机壳体组件内表面之间的密封；
供气管路(5)分别连通外部供气设备和前空气槽(8.2)，以及外部供气设备和后空气槽(9.2)，外部气体分别通过前空气槽(8.2)和后空气槽(9.2)进入以多孔介质为材料的前静压轴承(8)和后静压轴承(9)，前静压轴承(8)内表面与前动压轴承(10)外表面之间、以及后静压轴承(9)与后动压轴承(11)之间形成悬浮气膜。
7.根据权利要求6所述的一种长寿命、低噪音涡轮风机，其特征在于，前静压轴承(8)内表面与前动压轴承(10)外表面之间、以及后静压轴承(9)与后动压轴承(11)之间的间隙为3～8um；
前静压轴承(8)的中空圆柱结构一端沿径向向外延伸，形成用于与电机壳体固定连接的环形结构；
后静压轴承(9)一端设有沿轴向凹陷的安装凹槽(9.4)，电机套筒设有沿轴向突出的配合销(12)，所述安装凹槽(9.4)与配合销(12)配合，实现后静压轴承(9)与电机套筒固定连接；安装凹槽(9.4)的截面为矩形。
8.根据权利要求1所述的一种长寿命、低噪音涡轮风机，其特征在于，前动压轴承(10)和后动压轴承(11)的结构相同，均为带有中心孔的T型圆柱结构，包括圆柱部分和与圆柱部分第一端连接的圆盘部分，圆柱部分的外圆柱面刻有第一悬浮动压槽，圆盘部分与圆柱部分第一端连接的端面刻有第二悬浮动压槽；
前动压轴承(10)和后动压轴承(11)采用镜像安装的方式过盈配合于转子组件(4)的转轴上；转子组件(4)旋转时，由泵壳(1)前端气体入口进入的气体利用前动压轴承(10)的第一悬浮动压槽和第二悬浮动压槽增压后，通过转子组件(4)与电机套筒的间隙，利用后动压轴承(11)的第一悬浮动压槽和第二悬浮动压槽增压后，通过转子组件(4)的中心孔返回所述气体入口，在前静压轴承(8)内表面与前动压轴承(10)外表面之间、以及后静压轴承(9)与后动压轴承(11)之间形成悬浮气膜。
9.根据权利要求8所述的一种长寿命、低噪音涡轮风机，其特征在于，以圆柱部分第二端的中心为原点O，圆柱部分轴线方向为z轴，圆柱部分第二端的端面为xy平面建立坐标系Oxyz，第一悬浮动压槽中各点的坐标表示为：
Figure FDA0003676167410000041
其中，r′为圆柱部分外圆柱面的半径，L为圆柱部分的轴向长度，t为以x轴为起点，第一悬浮动压槽中各点沿周向的角度，单位为弧度；
坐标系Oxyz中，第二悬浮动压槽中各点的坐标表示为：
z＝L；
Figure FDA0003676167410000051
其中，A＝-7.8～-9.5，t＝1.5～1.8，y0＝10～12；
第一悬浮动压槽尾部与第二悬浮动压槽连接。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种长寿命、低噪音涡轮风机的工作方法，其特征在于，包括：
涡轮风机启动前，打开供气管路(5)，外部供气设备提供的气体分别通过前静压轴承(8)和后静压轴承(9)进入前静压轴承(8)内表面与前动压轴承(10)外表面之间、以及后静压轴承(9)与后动压轴承(11)之间的间隙形成悬浮气膜；
涡轮风机启动阶段，转子组件(4)旋转，外部空气由泵壳(1)前端所设气体入口进入叶轮组件(2)进行增压后，一部分通过气体出口供气，另一部分依次经过过前动压轴承(10)和后动压轴承(11)外表面的悬浮动压槽由转子组件(4)转轴的中心孔返回气体入口；
涡轮风机稳定运行阶段，关闭供气管路(5)，前静压轴承(8)内表面与前动压轴承(10)外表面之间、以及后静压轴承(9)与后动压轴承(11)之间的间隙形成的悬浮气膜稳定存在。
CN202210624330.2A 2022-06-02 2022-06-02 一种长寿命、低噪音涡轮风机及其工作方法 Active CN114962299B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210624330.2A CN114962299B (zh) 2022-06-02 2022-06-02 一种长寿命、低噪音涡轮风机及其工作方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210624330.2A CN114962299B (zh) 2022-06-02 2022-06-02 一种长寿命、低噪音涡轮风机及其工作方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114962299A true CN114962299A (zh) 2022-08-30
CN114962299B CN114962299B (zh) 2023-11-10

Family

ID=82971896

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210624330.2A Active CN114962299B (zh) 2022-06-02 2022-06-02 一种长寿命、低噪音涡轮风机及其工作方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114962299B (zh)

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01121501A (ja) * 1987-10-31 1989-05-15 Shimadzu Corp 航空機の空気調和装置
US20030039415A1 (en) * 2001-08-21 2003-02-27 Ching-Hsing Huang Hydrodynamic and hydrostatic hybrid bearing and its manufacturing method
JP2005083506A (ja) * 2003-09-09 2005-03-31 Canon Inc 空気軸受装置
CN101413541A (zh) * 2007-10-15 2009-04-22 中国科学院工程热物理研究所 内槽道自润滑动静压耦合气浮轴承
CN201396194Y (zh) * 2009-05-11 2010-02-03 马惠秋 增压流道槽自润滑动静压气浮轴承支承的涡轮增压器
CN102200136A (zh) * 2011-05-25 2011-09-28 北京虎渡能源科技有限公司 一种空气悬浮供气可调高速电机直驱鼓风机
CN208702734U (zh) * 2018-05-17 2019-04-05 北京艾尔航空科技有限责任公司 一种全屏蔽式高速离心氢气循环泵
CN113719469A (zh) * 2021-09-03 2021-11-30 中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司 一种短排距泥泵叶轮叶片设计方法
CN113864341A (zh) * 2021-09-24 2021-12-31 浙江翰翔科技有限公司 一种静动混合气浮轴承转子系统及操作方法
CN113883165A (zh) * 2021-09-28 2022-01-04 永旭腾风新能源动力科技（北京）有限公司 用于微型燃气轮机转子系统的气路系统及微型燃气轮机

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01121501A (ja) * 1987-10-31 1989-05-15 Shimadzu Corp 航空機の空気調和装置
US20030039415A1 (en) * 2001-08-21 2003-02-27 Ching-Hsing Huang Hydrodynamic and hydrostatic hybrid bearing and its manufacturing method
JP2005083506A (ja) * 2003-09-09 2005-03-31 Canon Inc 空気軸受装置
CN101413541A (zh) * 2007-10-15 2009-04-22 中国科学院工程热物理研究所 内槽道自润滑动静压耦合气浮轴承
CN201396194Y (zh) * 2009-05-11 2010-02-03 马惠秋 增压流道槽自润滑动静压气浮轴承支承的涡轮增压器
CN102200136A (zh) * 2011-05-25 2011-09-28 北京虎渡能源科技有限公司 一种空气悬浮供气可调高速电机直驱鼓风机
CN208702734U (zh) * 2018-05-17 2019-04-05 北京艾尔航空科技有限责任公司 一种全屏蔽式高速离心氢气循环泵
CN113719469A (zh) * 2021-09-03 2021-11-30 中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司 一种短排距泥泵叶轮叶片设计方法
CN113864341A (zh) * 2021-09-24 2021-12-31 浙江翰翔科技有限公司 一种静动混合气浮轴承转子系统及操作方法
CN113883165A (zh) * 2021-09-28 2022-01-04 永旭腾风新能源动力科技（北京）有限公司 用于微型燃气轮机转子系统的气路系统及微型燃气轮机

Also Published As

Publication number Publication date
CN114962299B (zh) 2023-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN205858730U (zh) 一种超高速鼓风机
WO2016184405A1 (zh) 一种小微型鼓风机
CN201262164Y (zh) 一种进气导叶装置
CN112228361A (zh) 一种空气悬浮离心鼓风机
CN114962299A (zh) 一种长寿命、低噪音涡轮风机及其工作方法
CN109707637A (zh) 一种双气悬浮支撑的小微型离心压缩机
CN211370773U (zh) 气悬浮压缩机
CN209340195U (zh) 推力盘两侧设置推力轴承的转子装配组件、压缩机及空调
CN109660057B (zh) 一种单向旋转永磁高速电机及其双向空气轴承
CN208955767U (zh) 一种外转子无刷电机
CN213981244U (zh) 一种空气悬浮离心鼓风机
CN109899303A (zh) 一种无径向轴承的小微型离心压缩机
CN216134322U (zh) 风冷结构、盘式电机及飞行器
WO2022127026A1 (zh) 一种小型高速风机
CN112253508B (zh) 一种环保低噪声减震交流离心风机
CN113107877A (zh) 气悬浮压缩机
CN113107876A (zh) 气悬浮压缩机
CN109707638A (zh) 一种轴承和密封一体化的小微型离心压缩机
CN219477746U (zh) 一种自通风冷却式超高速电机
CN115337534B (zh) 一种用于血泵的磁悬浮增压装置
CN215949875U (zh) 磁悬浮泵、制冷设备和空调室外机
CN112039262B (zh) 一种电机以及应用该电机的空气悬浮离心风机
CN218611714U (zh) 一种精密空气动力主轴
CN220857731U (zh) 高速电机和空压机
CN208831263U (zh) 一种风冷型离心泵

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20231225

Address after: 100076 No. 1 South Dahongmen Road, Beijing, Fengtai District

Patentee after: BEIJING AEROSPACE PROPULSION INSTITUTE

Patentee after: BEIJING AEROSPACE PETROCHEMICAL TECHNOLOGY & EQUIPMENT ENGINEERING Corp.,Ltd.

Address before: 100076 No.1, nandahongmen Road, Fengtai District, Beijing (box 11, Beijing 9200)

Patentee before: BEIJING AEROSPACE PROPULSION INSTITUTE

TR01 Transfer of patent right