專利名稱：一種以真空吸入為動(dòng)力的徑向空氣渦輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以真空吸入為動(dòng)力的徑向空氣渦輪機(jī)，是一種發(fā)電設(shè)備，是一種用于真空吸入空氣流的動(dòng)力帶動(dòng)空氣渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)電的設(shè)備。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的氣輪機(jī)，不論是蒸汽輪機(jī)還是燃?xì)廨啓C(jī)，都是工作在高溫高壓的條件下，利用氣流的噴射產(chǎn)生動(dòng)力。而在一些特殊的場合，需要一種吸入式的渦輪機(jī)，即利用真空吸入的氣流產(chǎn)生動(dòng)力。與一般蒸汽或燃?xì)鉁u輪機(jī)不同的是吸入式的渦輪機(jī)所用的動(dòng)力氣流流量很小，壓力較低(渦輪出口壓力與海拔I萬米以上的高空)，渦輪出口氣流的密度只有平常三分之一，同時(shí)氣流速度也不高(大約130m/s)，從吸入空氣的氣流中獲取動(dòng)力無法使用傳統(tǒng)渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)形式，需要設(shè)計(jì)一種全新的空氣渦輪機(jī)。發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種以真空吸入為動(dòng)力的徑向空氣渦輪機(jī)。所述的渦輪機(jī)根據(jù)真空吸入的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種用向心吸入空氣的方式產(chǎn)生動(dòng)力，空氣流動(dòng)的方向是由渦輪轉(zhuǎn)子的外緣流向轉(zhuǎn)子的中心。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種以真空吸入為動(dòng)力的徑向空氣渦輪機(jī)，包括:一端與空氣吸入口直徑相同并連接的、另一端邊緣呈90度圓滑過渡彎曲的渦輪外罩，所述的渦輪外罩的彎曲邊緣與靜子機(jī)匣連接，所述的靜子機(jī)匣包括兩個(gè)由多片靜子葉片連接的盤形靜子片，所述的盤形靜子片上連接主軸組件，所述的主軸組件中的主軸上安裝有外廓形狀與渦輪外罩形狀相配合的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子，所述的主軸組件連接減速器。
本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明用盤形靜子和渦輪外罩的形狀引導(dǎo)周圍的空氣向空氣吸入口集中，使空氣由盤形靜子的邊緣流向盤形靜子的中心，并在盤形靜子中設(shè)置靜子葉片進(jìn)行氣流導(dǎo)向，使周圍的空氣向真空吸入口集中的同時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，這股渦輪外罩內(nèi)的旋轉(zhuǎn)氣流在渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的葉片上產(chǎn)生作用力，推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種徑向渦輪，也叫向心渦輪，對于“尺寸效應(yīng)”不是那么敏感，在小流量范圍內(nèi)與軸流式渦輪相比較效率更高。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1是本發(fā)明的實(shí)施例一所述徑向空氣渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的實(shí)施例二所述靜子葉片結(jié)構(gòu)示意圖，是圖1中A-A的剖視圖； 圖3是本發(fā)明的實(shí)施例三所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的外形示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一: 本實(shí)施例是一種以真空吸入為動(dòng)力的徑向空氣渦輪機(jī)，如圖1、2所示。本實(shí)施例包括:一端與空氣吸入口 I直徑相同并連接的、另一端邊緣呈90度圓滑過渡彎曲的渦輪外罩10，所述的渦輪外罩的彎曲邊緣與靜子機(jī)匣9連接，所述的靜子機(jī)匣包括兩個(gè)由多片靜子葉片902連接的盤形靜子片901，所述的盤形靜子片上連接主軸組件8，所述的主軸組件中的主軸上安裝有外廓形狀與渦輪外罩形狀相配合的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子2，所述的主軸組件連接減速器7。
本實(shí)施例所述的渦輪氣流的流動(dòng)方式為由徑向改軸向，這種類型渦輪叫做徑向渦輪(也可以稱為向心渦輪)。使用徑向渦輪設(shè)計(jì)的原因是，在小流量范圍內(nèi)相對于軸流式渦輪機(jī)，徑向渦輪機(jī)的效率更高。這是因?yàn)闅饬髁髁吭叫?，渦輪葉片高度越小，渦輪葉片與外罩之間的間隙的相對高度也越大(因?yàn)殚g隙不可能同比縮小)，通過間隙從高壓面流向低壓面的二次流的流量也越大，因此效率也就越低。在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，這種現(xiàn)象被稱為“尺寸效應(yīng)”。相比于軸流渦輪，徑向渦輪對于“尺寸效應(yīng)”不是那么敏感。
其具體原理是:根據(jù)渦輪機(jī)單位功率的公式:W=(CW1*U「CW2*U2)其中W為單位功率，CW1、Cw2分別是氣流相對于葉輪的進(jìn)口和出口的相對切向速度。
因?yàn)閺较驕u輪的進(jìn)口切向旋轉(zhuǎn)速度U1比出口速度U2大很多，而軸流渦輪進(jìn)出口的切向速度基本相等，因此做同樣的單位功率W，徑向渦輪Cw差值比軸流渦輪小，可見二次流導(dǎo)致Cw差值的減小對輸出功率的影響小。由于本實(shí)施例所述的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作在流量非常小狀態(tài)下，空氣流量只有0.17kg/s左右，因此選擇了徑向渦輪的氣動(dòng)形式。
本實(shí)施例所述的渦輪機(jī)最主要的特點(diǎn)是針對負(fù)壓流動(dòng)的氣流，即氣流壓力低于大氣壓，而且氣流溫度低于零下幾十度，因此，與普通的針對高壓高溫的渦輪的設(shè)計(jì)方面存在很大的不同。首先，必須要考慮氣流壓力降低帶來的影響。例如，本實(shí)施例所述設(shè)定的渦輪出口的絕對壓力只有36000Pa，相當(dāng)于海拔I萬米以上的高空，氣流的密度只有平常三分之一，同時(shí)氣流速度也不高(大約130m/s)，這里的雷諾數(shù)已經(jīng)低于自模區(qū)，因此，葉片上部分區(qū)域?yàn)閷恿髁鲃?dòng)，而層流比湍流更容易分離。如果設(shè)計(jì)不好，將產(chǎn)生大尺度的分離渦，使得渦輪的效率大幅度下降。其次，由于氣流溫度很低，空氣中的過冷水滴很可能黏附在葉片上，從而降低效率甚至完全堵死整個(gè)流道。因此，防冰的問題也是一個(gè)難題。本實(shí)施例可以采用通用的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對渦輪做了針對性的優(yōu)化，特別是通過仔細(xì)調(diào)整葉輪通道面積及葉片形狀，同時(shí)采用三維數(shù)值模擬手段進(jìn)行分析，避免了大尺度氣流的分離，從而提高了渦輪的效率。至于防冰，本實(shí)施例針對重點(diǎn)部位，采用電熱絲加熱的方法，可解決結(jié)冰的問題。
本實(shí)施例的渦輪機(jī)的具體方案是:在空氣吸入口設(shè)置一個(gè)喇叭形的渦輪外罩，喇叭形的渦輪外罩的擴(kuò)大邊緣與吸入口回轉(zhuǎn)中心軸線成90度，在邊緣上設(shè)置一個(gè)由兩個(gè)盤形零件組成的靜子機(jī)匣，盤形靜子機(jī)匣的盤形平面與吸入口回轉(zhuǎn)中心軸線垂直。喇叭形擴(kuò)大口由與吸入口回轉(zhuǎn)中心軸線平行的方向到垂直方向的過渡曲線可以是圓形過渡曲線，也可以是橢圓形過渡曲線，或者其他形的過渡曲線。靜子機(jī)匣的兩個(gè)盤形零件的外緣也制作為喇叭形，將發(fā)散的空氣聚 集，使聚集的空氣進(jìn)入兩個(gè)盤片之間的狹縫，在狹縫中設(shè)置靜子葉片。所述的靜子葉片在盤片上按圓周360度均布，并形成促使空氣螺旋旋轉(zhuǎn)的通道。當(dāng)空氣吸入口出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，吸引靜子機(jī)匣圓盤周圍的空氣進(jìn)入靜子機(jī)匣，靜子機(jī)匣與渦輪外罩促使流向空氣吸入口的空氣沿渦輪外罩和靜子機(jī)匣形成有規(guī)則的向心聚集流動(dòng)，并且在靜子葉片形成的螺旋通道中促使向心聚集流動(dòng)的氣流產(chǎn)生向心聚集螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)。在渦輪外罩中設(shè)置渦輪，所述的渦輪的外廓形狀與渦輪外罩的內(nèi)廓形狀相吻合，類似于喇叭形狀的塞子。向心聚集螺旋流動(dòng)的空氣流作用在渦輪葉片上，推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過減速器減速后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。
為使主軸與渦輪機(jī)之間空間分開，可以在主軸與渦輪機(jī)匣之間設(shè)置密封裝置。
為使主軸能夠較好的產(chǎn)生動(dòng)力，并平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)，可在主軸組件上設(shè)置徑向和軸向的彈性支撐。
實(shí)施例二: 本實(shí)施例是實(shí)施例一的改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于盤形靜子的細(xì)化。本實(shí)施例所述的盤形靜子片邊緣彎曲卷起，兩片盤形靜子片之間的靜子葉片環(huán)繞中心360度均布，如圖2所示，形成螺旋空氣通道。
所述的兩個(gè)盤形靜子邊緣彎曲卷起的形狀，在通過盤片回轉(zhuǎn)中心軸線的平面內(nèi)可以形成類似于喇叭形狀，這是為了聚集空氣而設(shè)置的。
靜子葉片的彎曲，形成空氣流動(dòng)的螺旋通道。所述的靜子葉片的橫截面形狀為彎曲的流線型，見圖2。
實(shí)施例三: 本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的細(xì)化。本實(shí)施例所述的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的葉片按大小間隔設(shè)置，小葉片203的長度為大葉片202的三分之二至三分之一，所述的大葉片和小葉片沿徑向和軸線呈空間螺旋形彎曲，如圖3所示。
本實(shí)施例所述的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的芯軸201通過回轉(zhuǎn)中心的縱切面是一個(gè)類似于中間凹陷的腰形圓臺(tái)，外圓周面的曲面形狀由圓柱形彎曲、擴(kuò)展為垂直于回轉(zhuǎn)中心線的盤形平面，彎曲擴(kuò)展的曲面可以是圓形曲線、橢圓形曲線、雙曲線等各種曲線的回轉(zhuǎn)面。在外緣曲面上設(shè)有渦輪葉片，采用了大小葉片的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)，即所述的渦輪葉片分為大小兩種，間隔設(shè)置。
實(shí)施例四: 本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于主軸組件的細(xì)化。本實(shí)施例所述的主軸組件在接近渦輪機(jī)定子的一端設(shè)有蓖齒封嚴(yán)組件4，見圖1。
本實(shí)施例所述的蓖齒封嚴(yán)組件的作用是控制靜子出口的氣流進(jìn)入主軸機(jī)匣內(nèi)部，即只允許2%左右的空氣進(jìn)入主軸機(jī)匣內(nèi)部，同時(shí)還防止滑油從主軸處泄露。
實(shí)施例五: 本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于主軸組件的細(xì)化。本實(shí)施例所述的主軸組件上安裝有徑向彈性支撐5和軸向彈性支撐6。
本實(shí)施例所述的徑向彈性支撐是鼠龍形結(jié)構(gòu)，即兩個(gè)圓環(huán)之間用均布與圓周上的長桿件連接，利用長桿件的彈性形成徑向彈性。所述的徑向彈性支撐可以調(diào)節(jié)支撐剛度，以調(diào)整渦輪轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速，結(jié)合油膜減振技術(shù)，可以有效降低渦輪轉(zhuǎn)子的振動(dòng)。
所述的軸向彈性支撐是圓環(huán)的兩個(gè)端面上交叉分布突起，利用兩個(gè)突起支撐點(diǎn)之間的環(huán)體的彈性形成軸向彈性支撐。所述的軸向彈性支撐給兩個(gè)角接觸球軸承(支撐主軸的深溝軸承)產(chǎn)生一個(gè)預(yù)加載載荷，防止軸承輕載打滑。
實(shí)施例六: 本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于靜子機(jī)匣的細(xì)化。本實(shí)施例所述的靜子機(jī)匣設(shè)有加熱兀件3。
由于吸入式渦輪機(jī)空氣進(jìn)入過程中會(huì)快速降溫，氣流溫度低至零下50多度，如果不采取特別措施，渦輪很快會(huì)因?yàn)榭諝庵械乃谓Y(jié)冰并黏附在渦輪上而導(dǎo)致效率下降，嚴(yán)重時(shí)甚至將渦輪完全堵死而不能輸出功率。本實(shí)施例為這一問題，提高能量轉(zhuǎn)換效率，采用了高效防冰措施，即在靜子機(jī)匣上設(shè)置加熱元件，可以防止冰在渦輪關(guān)鍵部位的堆積。所述的電加熱元件可以是電阻絲或其他加熱元器件。
最后應(yīng)說明的是，以上僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳布置方案對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案(比如渦輪機(jī)外廓、葉片的形狀、吸入口的形狀等)進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種以真空吸入為動(dòng)力的徑向空氣渦輪機(jī)，其特征在于，包括:一端與空氣吸入口直徑相同并連接的、另一端邊緣呈90度圓滑過渡彎曲的渦輪外罩，所述的渦輪外罩的彎曲邊緣與靜子機(jī)匣連接，所述的靜子機(jī)匣包括兩個(gè)由多片靜子葉片連接的盤形靜子片，所述的盤形靜子片上連接主軸組件，所述的主軸組件中的主軸上安裝有外廓形狀與渦輪外罩形狀相配合的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子，所述的主軸組件連接減速器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的徑向空氣渦輪機(jī)，其特征在于，所述的盤形靜子片邊緣彎曲卷起，兩片盤形靜子片之間的靜子葉片環(huán)繞中心360度均布，形成螺旋空氣通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的徑向空氣渦輪機(jī)，其特征在于，所述的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的葉片按大小間隔設(shè)置，小葉片的長度為大葉片的三分之二至三分之一，所述的大葉片和小葉片沿徑向和軸線呈空間螺旋形彎曲。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的徑向空氣渦輪機(jī)，其特征在于，所述的主軸組件在接近渦輪機(jī)定子的一端設(shè)有蓖齒封嚴(yán)組件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的徑向空氣渦輪機(jī)，其特征在于，所述的主軸組件上安裝有徑向彈性支撐和軸向彈性支撐。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的徑向空氣渦輪機(jī)，其特征在于，所述的靜子機(jī)匣設(shè)有加熱元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以真空吸入為動(dòng)力的徑向空氣渦輪機(jī)，包括渦輪外罩，渦輪外罩的彎曲邊緣與靜子機(jī)匣連接，靜子機(jī)匣包括兩個(gè)由多片靜子葉片連接的盤形靜子片，盤形靜子片上連接主軸組件，主軸組件中的主軸上安裝有外廓形狀與渦輪外罩形狀相配合的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子，主軸組件連接減速器。本發(fā)明用盤形靜子和渦輪外罩的形狀引導(dǎo)周圍的空氣向空氣吸入口集中，使空氣由盤形靜子的邊緣流向盤形靜子的中心，并在盤形靜子中設(shè)置靜子葉片進(jìn)行氣流導(dǎo)向，使周圍的空氣向真空吸入口集中的同時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)氣流推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。徑向渦輪對于“尺寸效應(yīng)”不是那么敏感，在小流量范圍內(nèi)與軸流式渦輪相比較效率更高。
文檔編號(hào)F01D25/24GK103195512SQ20131014463
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月24日
發(fā)明者楊開林, 謝買祥 申請人:楊開林