CN209494592U - 一种三叶扭叶罗茨式动力机发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种三叶扭叶罗茨式动力机发电装置，为容积式旋转机械，包括转子和机壳；所述转子采用一对啮合的三叶扭叶转子，所述三叶扭叶转子采用新型型线，转子在其单个齿上的型线的一半为圆弧AB‑直线BC‑渐开线CD‑直线DE‑圆弧EF‑对滚圆弧FG型线。该发电装置依靠低品质余热做功推动啮合转子膨胀做功，将蒸汽热能转化为机械能，转子带动输出轴转动做功将机械能进一步转化为电能，易加工、面积利用系数高、啮合重合度更高，运行更加平稳。

Description

一种三叶扭叶罗茨式动力机发电装置

技术领域

本实用新型设计一种新型工业余热回收发电装置，具体是一种三叶扭叶罗茨式动力机发电装置。

背景技术

目前，能源问题亟待解决，工业余热仍是工业生产中应用潜力大的一种可回收能源，其中存在大量低压饱和蒸汽可进行二次开发利用。研究发现使用小型罗茨式动力机发电装置可实现低品质余热蒸汽回收利用，其中转子是核心部件，在现有技术中，小型蒸汽发电机组主要采用两叶直叶转子和三叶直叶转子。当一个密闭的直叶转子的基圆容积从进气口移动至出气口，间隙打开的瞬间，基圆容积内的压力蒸汽瞬间与外界大气压连通，蒸汽的压力骤然释放，造成剧烈的冲击和振动。直叶转子在转动过程中低压区域反复产生和消失，故其振动和噪声特性均较差，有待进一步的提高。同时，罗茨转子的型线对发电性能和噪声特性也有较大影响。摆线型转子的面积利用系数太低，圆弧形转子啮合瞬时突变较严重，目前使用广泛的是渐开线型转子，一方面其过渡瞬间气流脉动仍较大，噪声的流量脉动和冲击噪声较大，另一方面渐开线型转子为保证转子不发生干涉，在一定程度上牺牲了面积利用系数，对应的发电效率较低，有待进一步的提高。

现有技术存在以下缺点：

1.直叶转子转动过程中，低压区域反复产生和消失，流量脉动大，造成的流量脉动和冲击噪声较大；

2.直叶转子啮合重合度较低，转子啮合平稳度较差，蒸汽流量脉动较明显；

3.应用广泛的渐开线型转子加工较复杂，且为防止干涉现象的发生，牺牲了部分面积利用系数，即牺牲了部分发电效率。

“一种三叶分段圆弧型罗茨转子及其型线设计方法”(专利号：201810762964.8)，其罗茨转子叶峰采用3段圆弧式组合使转子具有高的面积利用率和设计灵活性，同时便于加工，但圆弧形转子啮合瞬时的突变较为严重，同时易产生较严重的噪声污染。

基于现有技术的不足，针对罗茨式动力机发电装置进行进一步的优化改进很有必要。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种三叶扭叶罗茨式动力机发电装置。该发电装置易加工、面积利用系数高、啮合重合度更高，运行更加平稳。

本实用新型解决所述技术问题的技术方案是，提供一种罗茨式动力机发电装置，为容积式旋转机械，依靠低品质余热做功推动啮合转子膨胀做功，将蒸汽热能转化为机械能，转子带动输出轴转动做功将机械能进一步转化为电能；包括转子和机壳；

所述转子采用一对啮合的三叶扭叶转子，所述三叶扭叶转子采用新型型线，转子在其单个齿上的型线的一半为圆弧AB-直线BC-渐开线CD-直线DE-圆弧EF-对滚圆弧FG型线，以三叶扭叶转子轴心为原点，单个齿上型线的一半为Y轴，且Y轴正方向朝上，垂直于Y轴方向为X轴，且水平向右为正方向，建立xy坐标系；则

圆弧AB的参数方程为：

其中，t为参数，0≤t≤θ₁，一般θ₁＝2°～4°，

直线BC为连接渐开线CD和圆弧AB的过渡段直线，参数方程为：

其中，(x_b,y_b),(x_c,y_c)分别为B点和C点的坐标；

渐开线CD的参数方程为：

渐开线的计算方法与传统型渐开线转子的计算方法相同。

其中，t_e≤t≤t_b,r₀是渐开线基圆的半径，η的值一般为0.85～0.95，此处取值0.9；

Z是罗茨转子的叶数，D是罗茨转子的最大外直径，A是两转子之间的中心距；

t_b是渐开线起点D的参数，t_b＝invα_b+α_b,t_e是渐开线终点C的参数，

t_e＝invα_e+α_e，

直线DE为连接渐开线CD与圆弧EF的过渡段直线，并且直线DE与圆弧EF相切，参数方程为：

其中，

(x_E,y_E)，(x_p,y_p)，(x_D,y_D)分别为点E和点P、点D的坐标，θ₃在设计中作为已知参数给出，r₁是渐开线的起始圆半径；

圆弧EF同时与圆弧FG与直线DE相切，参数方程为：

其中，

对滚圆弧FG的参数方程为：

此时，θ₃≤t≤0，

所述三叶扭叶转子，其材料经过热处理并涂一层防蒸汽漆用以承受饱和蒸汽。

所述罗茨式动力机的进出气口由矩形口改良为菱形口，罗茨式动力机的开启过程更加平缓，噪声也相对较小。

与现有技术相比，本实用新型有益效果在于：

1.该发电装置为三叶扭叶罗茨式动力机，作为小型动力机回收低品质余热，较之中大型机械，结构简单，响应快，成本低廉，能源的利用率也较高，同时易于维修和更换，适用于中小型企业；

2.该装置中三叶扭叶转子的啮合线更长，重合度是表征转子型线啮合状况好坏的指标，啮合重合度越高，转子啮合更平稳，越能适应蒸汽流量的变化，更适用于低品位蒸汽工况吓得稳定发电，本实用新型应用的三叶扭叶转子的啮合重合度包括端面重合度和法向重合度，故而啮合重合度更高，发电装置运行更加平稳；

3.该装置采用的三叶扭叶转子，其转动过程中也会产生高低压变化，但与直叶转子不同，其基圆容积区域的形成与释放过程，是逐渐发生的，故其噪声和振动特性均优于直叶转子；相较之两叶直叶转子和三叶直叶转子，可以进一步扩大基圆容积，其旋转角为60°，则理论流量为定值，不匀度为零，同时扭叶结构可以延缓回流过程，降低气流脉动；

4.该装置的罗茨转子采用一种新型设计型线，即圆弧-直线-渐开线-直线-圆弧-对滚圆弧型线，缩短的齿顶圆弧长度有利于面积利用系数的提高，从而提高发电装置的发电效率；过渡连接区域为直线有利于减少渐开线长度，在数控加工时，降低了转子的加工难度，同时减少了齿顶圆弧的长度，有效避免干涉现象的发生；渐开线段的保留有利于良好啮合特性的保留，并有利于机械加工；啮合渐开线的设计，保留了渐开线的良好啮合性能；新型转子的面积利用系数较之传统渐开线型转子，即销齿圆弧与渐开线的三段式组合型线，提高了11.74％，啮合重合度提高了28.9％，工作性能有效提高，发电性能随之提高；

5.罗茨式动力机的进出气口改良为菱形口，使罗茨式动力机的开启过程更加平缓，气流脉动降低，仿真数值模拟中产生的涡流更小，试验测试噪声也随之降低。

本实用新型应用于罗茨式动力机发电装置具有重要意义。

附图说明

图1是本实用新型实用新型罗茨式动力机发电装置的简易装配示意图；

图2是本实用新型罗茨式动力机发电装置的转子新型设计型线的六分之一型线的坐标图；

图3是本实用新型罗茨式动力机发电装置的转子型线啮合图；图中虚线分别为渐开线的基圆、起始圆和终点圆。

图4是本罗茨式动力机发电装置的三叶扭叶转子的立体结构示意图；

图中：1、转子；2、输出轴；3、机壳；3.1、进气口；3.2、排气口。

具体实施方式

下面给出本实用新型的具体实施例。具体实施例仅用于进步一语详细说明本实用新型，不限制本申请的保护范围。

本实用新型罗茨式动力机发电装置，为容积式旋转机械，依靠低品质余热做功推动啮合转子膨胀做功，将蒸汽热能转化为机械能，转子带动输出轴转动做功将机械能进一步转化为电能；其核心部件为转子1和机壳3；所述转子采用一对啮合的三叶扭叶转子1，饱和蒸汽进入容腔内，压力差推动转子1膨胀做功；所述机壳结构3较复杂，其中机壳的进气口3.1 和出气口3.2的形状对工作过程的噪声问题影响尤为严重；

三叶扭叶转子1相较之两叶直叶转子和三叶直叶转子，可以进一步扩大基圆容积，其旋转角为60°，则理论流量为定值，不匀度为零，同时扭叶结构可以延缓回流过程，降低气流脉动；

转子采用新型型线，为圆弧-直线-渐开线-直线-圆弧-对滚圆弧型线，齿顶圆弧AB的啮合长度的缩短，有利于增加面积利用系数，提高发电性能；新型型线的过渡连接区域BC和 DE为直线，降低了加工复杂难度；啮合渐开线CD的设计，保留了渐开线的良好啮合性能；新型转子的面积利用系数较之传统渐开线型转子提高了11.74％，啮合重合度提高了28.9％，工作性能有效提高，发电性能随之提高；其设计内容如下：

(1)AB段：AB段为圆弧形，用以保证转子啮合的气密性，参数方程为：

其中，t为参数，0≤t≤θ₁，一般θ₁＝2°～4°，此处取θ₁＝2°

(2)BC段：BC段为渐开线CD和圆弧AB过渡段的直线段，参数方程为：

其中，(x_b,y_b),(x_c,y_c)分别为B点和C点的坐标；

(3)CD段：CD段是渐开线：

渐开线的计算方法与传统型渐开线转子的计算方法相同。

其中，r₀是渐开线基圆的半径，η的值一般为0.85～0.95，此处取值0.9；

Z是罗茨转子的叶数，D是罗茨转子的最大外直径，A是两转子之间的中心距；

t_b是渐开线起点D的参数，t_b＝invα_b+α_b,

t_e是渐开线终点C的参数，

t_e＝invα_e+α_e

此处α_b，α_e为渐开线的压力角，为渐开线方程的默认值；

(4)DE段：DE段为渐开线CD与圆弧EF连接的直线段，并且DE与EF相切，参数方程为：

其中，

(x_E,y_E)，(x_P,y_P)为点E和点P的坐标，θ₃在设计中作为已知参数给出，r₁是渐开线的起始圆半径；

(5)EF段：EF是跟圆弧FG与直线段DE相切的圆弧，参数方程为：

其中，

(6)FG段：FG段是对滚圆弧：

此时，θ₃≤t≤0

所述三叶扭叶转子1，其材料经过特殊热处理用以承受饱和蒸汽；

所述罗茨式动力机的进气口3.1由矩形口改良为菱形口，罗茨式动力机的开启过程更加平缓，仿真数值模拟中产生的涡流更小，试验测试噪声也相对较小。

实际工况中，当罗茨式动力机的转子轴向长度为355mm，两转子中心距为213mm，转子轴直径为65mm，在0.2MPa，200℃左右的饱和蒸汽的动力源的推动下，罗茨式动力机的转速可达1500rpm，容积效率可达92.9％，输出功率可达3e5kW，而改进之前的转速仅有1200rpm，容积效率仅有85％，输出功率也大打折扣。

本实用新型发电机组其工作原理是：低品质余热蒸汽经进气口3.1进入罗茨式动力机容腔内，蒸汽压力推动三叶扭叶转子1膨胀做功，转子1与机壳3形成的基圆容积由进气口3.1 向出气口3.2移动，间隙打开的瞬间，基圆容积内的压力蒸汽与外界大气压连通，蒸汽逐渐释放压力，如此反复循环，转子1啮合旋转过程中带动输出轴2旋转做功，将蒸汽热能转化为机械能，再经由输出轴2和发电机连接转化为电能输出。

本实用新型针对罗茨式动力机发电装置的结构进行优化，并不用来作为权利要求的限制，凡在本实用新型的基础上进行简单的模仿、改造均在本实用新型的保护范围之内。

本实用新型未述及之处适用于现有的技术。

Claims (3)

1.一种三叶扭叶罗茨式动力机发电装置，为容积式旋转机械，包括转子和机壳；其特征在于：

所述转子采用一对啮合的三叶扭叶转子，所述三叶扭叶转子采用新型型线，转子在其单个齿上的型线的一半为圆弧AB-直线BC-渐开线CD-直线DE-圆弧EF-对滚圆弧FG型线，直线BC为连接渐开线CD和圆弧AB的过渡段直线，直线DE为连接渐开线CD与圆弧EF的过渡段直线，并且直线DE与圆弧EF相切，圆弧EF同时与圆弧FG与直线DE相切。

2.根据权利要求1所述的三叶扭叶罗茨式动力机发电装置，其特征在于，以三叶扭叶转子轴心为原点，单个齿上型线的一半为Y轴，且Y轴正方向朝上，垂直于Y轴方向为X轴，且水平向右为正方向，建立xy坐标系；则

圆弧EF的参数方程为：

其中，t_E≤t≤t_F；Z是罗茨转子的叶数，r₁是渐开线的起始圆半径，θ₃为已知参数；D是罗茨转子的最大外直径，A是两三叶扭叶转子之间的中心距；

对滚圆弧FG的参数方程为：

此时，θ₃≤t≤0。

3.根据权利要求1所述的三叶扭叶罗茨式动力机发电装置，其特征在于，所述罗茨式动力机的进出气口为菱形口。