螺錐轉子及螺錐膨脹機構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及螺錐轉子及螺錐膨脹機構，其中螺錐轉子基于一種能夠形成連續(xù)可變區(qū)域的平面共軛曲線，并由此曲線延展為具有三維空間曲面的凸形轉子、凹形轉子和具有雙內(nèi)錐面的外殼，通過凸形轉子和凹形轉子的相向轉動產(chǎn)生螺旋連續(xù)、變化容積、封閉的工作空間。高壓氣態(tài)工作介質進入上述工作空間中，通過容積膨脹來釋放壓力，推動凸形轉子和凹形轉子進行連續(xù)的相向旋轉，工作介質內(nèi)能轉化為機械能對外做功。相比現(xiàn)有技術，凸形轉子、凹形轉子和外殼之間的接點嚴密，不存在“泄露三角形”的問題；且由于在凸形轉子和凹形轉子連續(xù)的相向轉動過程中，高壓氣態(tài)工作介質連續(xù)完成進氣、膨脹作功、排氣過程。本發(fā)明沒有單獨的換氣機構，實現(xiàn)機械損失最小化。
【專利說明】螺錐轉子及螺錐膨脹機構
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種容積式流體機械、動力機械，具體涉及通過變化容積的工作空間將熱能轉換為機械能的機構。
【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)的汽輪機熱功轉化設備是利用高壓、高溫過熱蒸汽推動汽輪機轉換成軸功率，再帶動同步發(fā)電機發(fā)電，從而實現(xiàn)熱能到電能的轉換，但是汽輪機必須消耗過熱蒸汽這樣的高品位熱源，無法使用低品位熱源。同時由于汽輪機在熱功轉換過程中產(chǎn)生很多乏汽，導致能源利用效率較低。
[0003]燃氣輪機是常用的將高溫氣體工作介質轉化成機械功的旋轉式動力機械，主要包括壓氣機、燃燒室和燃氣透平這三大部件。壓氣機將由外界大氣吸入的空氣壓縮，壓縮空氣被壓送到燃燒室與燃料混合燃燒生成高溫高壓的燃氣，燃氣進入燃氣透平中膨脹做功，推動透平帶動壓氣機和輸出轉子一同旋轉。
[0004]首先，由于燃氣輪機的熱力循環(huán)一般為工作介質取自大氣的開式循環(huán)，且其零件材料為高溫合金，因此工作溫度對其輸出功率的影響很大。當工作溫度升高時，燃氣輪機不得不進行冷卻，導致能源利用效率較低。
[0005]其次，現(xiàn)有的燃氣輪機采用等壓膨脹為主的布萊頓循環(huán)，空氣的等壓比熱容Cp=L 005kJ/ (kgK)，等容比熱容Cv=0.lim/ (kgK)，等質量燃氣升高至相同溫度時，等壓膨脹會比等容膨脹需要更多的能量，因此為了進一步降低能耗，減少等壓膨脹過程并增加等容膨脹過程成為目前動力機械的設計趨勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中能源利用效率低的問題，使用具有旋轉式的螺錐曲面的螺錐轉子作為膨脹機構，利用其特有的連續(xù)可變封閉空間的容積變化來釋放高溫高壓工作介質熱能，可以提高熱能利用效率的螺錐膨脹機構。
[0007]本發(fā)明的技術方案如下:
[0008]一對螺錐轉子，其特征在于:包括具有凸齒的凸形轉子、具有凹槽的凹形轉子和具有雙內(nèi)錐面的外殼；所述凸形轉子和凹形轉子相向旋轉且存在交疊區(qū)域，均具有沿旋轉軸逐漸收斂的錐形外廓；所述凸齒和凹槽在錐面上自小端向大端螺旋延展；所述凸齒的曲面、凹槽的曲面和外殼的內(nèi)表面共同構成連續(xù)、容積隨旋轉方向變化、封閉的工作空間。
[0009]所述凸齒和凹槽的齒形曲線為分別變換到同一個基準球面上的一對平面共軛曲線，所述平面共軛曲線和外廓弧線在三條曲線的兩個交匯處無泄漏三角形。
[0010]所述凸齒和凹槽的曲面生成方法包括:
[0011]I)分別將一對共軛曲線與外包絡相交圓弧曲線由平面映射到一個基準半徑的球面上，形成球面上的連續(xù)變化封閉區(qū)域；
[0012]2)將映射在所述基準半徑的球面上的所述一對共軛曲線向球心方向衍生出兩組有限的不同半徑球面曲線簇，所述球面曲線簇各自按螺錐母線函數(shù)關系和距離球心半徑的比例關系排列，并沿共同軸線旋轉角度旋轉，即分別得到所述凸齒和凹槽的共軛曲面；
[0013]3)將映射在所述基準半徑的球面上的所述外包絡相交圓弧曲線向球心方向衍生出一組有限的不同半徑球面曲線簇，所述球面曲線簇按距離球心半徑的比例關系排列，形成具有雙內(nèi)錐面的外殼。
[0014]所述凸齒和凹槽的螺錐母線函數(shù)關系相同，如方程(I)所示:
[0015]χ=α X Θ Xcos( Θ )
[0016]y= α X θ X sin ( θ ) (I)
[0017]ζ=β X θ y[0018]式中:
[0019]χ、y、ζ為螺錐母線的坐標點
[0020]α為螺錐大端直徑系數(shù)
[0021]Θ為螺錐旋轉角度值
[0022]β為螺錐長度系數(shù)
[0023]Y為螺旋升角冪指數(shù)
[0024]螺錐母線向x-y平面上的投影符合阿基米德螺線規(guī)律，ζ- Θ展開為冪指數(shù)關系。
[0025]所述Y指數(shù)的值為1.2~3.0。
[0026]所述凸形轉子的旋轉軸與凹形轉子的旋轉軸交叉，夾角為25°~60°。
[0027]所述凸形轉子和凹形轉子之間及兩者與外殼之間的偏差小于20微米。
[0028]所述凸形轉子、凹形轉子和外殼采用五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心制造。
[0029]所述凸形轉子和凹形轉子使用復合結構陶瓷材料制作。
[0030]使用所述一對螺錐轉子的螺錐膨脹機構，其特征在于:所述螺錐轉子的大端一側設置同步齒輪箱。
[0031]本發(fā)明的技術效果如下:
[0032]本發(fā)明的螺錐轉子基于一對能夠形成連續(xù)可變空間的平面共軛曲線，并由此共軛曲線及外包絡相交圓弧曲線分別延展為三維空間曲面的凸形轉子、凹形轉子及外殼，通過凸形轉子和凹形轉子的相向轉動，在凸形轉子、凹形轉子及外殼之間形成連續(xù)變化容積的封閉工作空間。以熱能形式存在的壓縮空氣、高溫蒸汽、高壓燃氣等工作介質，在曲面的螺錐轉子所形成的連續(xù)變化容積的封閉工作空間中通過容積增加來釋放壓力推動凸形轉子、凹形轉子相向轉動，完成膨脹做功。
[0033]由上述的一對共軛曲線與外包絡相交圓弧曲線構成了在平面上的連續(xù)變化封閉空間，且在三條曲線的兩個交匯點處是嚴密的，不存在螺桿類變?nèi)輽C械齒形曲線所固有的“泄漏三角形”問題。因此在凸形轉子、凹形轉子及外殼之間形成的工作空間具有周向封閉的特點，可防止工作介質的泄露，使得熱能利用效率進一步提高。
[0034]相比現(xiàn)有技術，由于在螺錐轉子的凸形轉子和凹形轉子連續(xù)的轉動過程中，工作介質直接完成進氣、膨脹、排氣過程，因此本發(fā)明沒有單獨的換氣機構，也就避免了相應的機械損失。而且由于凸形轉子和凹形轉子在旋轉中不存在強烈的機械沖擊，因此可以使用復合結構陶瓷等耐熱但抗沖擊性差的材料，避免了為冷卻零件工作溫度所產(chǎn)生的熱能損失?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0035]圖1是本發(fā)明的一對共軛曲線與外包絡相交圓弧曲線示意圖
[0036]圖2是螺錐膨脹機構的總成示意圖
[0037]圖3是本發(fā)明的螺錐轉子總成立體圖
[0038]圖4是本發(fā)明的外殼的俯視立體圖
[0039]圖5是本發(fā)明的凸形轉子和凹形轉子在工作時的相對位置關系示意圖
[0040]圖6是本發(fā)明的凹形轉子立體圖，可以顯示螺旋母線及變化的螺距
[0041]其中，1-凸形轉子，11-凸齒，2-凹形轉子，21-凹槽，3-外殼，31-進氣口，32-出氣口，4-工作空間，5-同步齒輪箱，51-主動螺旋錐齒輪，52-傳動軸，53-被動螺旋錐齒輪，54-輸出軸,6-隔熱瓦。
【具體實施方式】
[0042]下面結合附圖對本發(fā)明進行說明。
[0043]如圖2、圖3所示，本發(fā)明的螺錐轉子包括相向旋轉且存在交疊區(qū)域的凸形轉子I和凹形轉子2，以及將兩者包裹在一起的外殼3。凸形轉子I和凹形轉子2為具有沿旋轉軸逐漸收斂的錐形外廓的螺錐轉子，與之相適應，如圖4所示的外殼3具有雙內(nèi)錐面。凸形轉子I和凹形轉子2的旋轉軸線交叉，兩軸線的夾角為30°?60°角。如圖5所示，凸形轉子I的錐面上自大端向小端設置螺旋形延展的凸齒11，凹形轉子2以同樣的方式設置凹槽21，凸齒11的曲面、凹槽21的曲面與外殼3的內(nèi)表面共同構成螺旋連續(xù)、容積隨旋轉方向變化、周向封閉的工作空間4。
[0044]如圖1所示，凸齒11與凹槽21為分別變換到同一個基準球面上的一對平面共軛曲線，兩共軛曲線與外包絡相交圓弧曲線構成了在平面上的連續(xù)變化封閉區(qū)域，且在三條曲線的兩個交匯點處是嚴密的，不存在螺桿類變?nèi)輽C械齒形曲線所固有的“泄漏三角形”問題。由此共軛曲線及其外包絡相交圓弧曲線延展形成的凸齒11的曲面、凹槽21的曲面與外殼3的內(nèi)表面共同構成的工作空間4具有周向封閉的特點，可防止工作介質的泄露，使得熱能利用效率進一步提高。凸齒11和凹槽21曲面的生成方法包括:
[0045]I)分別將一對共軛曲線與外包絡相交圓弧曲線由平面映射到一個基準半徑的球面上，形成球面上的連續(xù)變化封閉區(qū)域；
[0046]2)將基準半徑的球面上的一對共軛曲線向球心方向衍生出兩組有限的不同半徑球面曲線簇，球面曲線簇按螺錐母線函數(shù)關系和距離球心半徑的比例關系排列，并沿共同軸線旋轉角度，即分別得到凸齒11和凹槽21的共軛曲面。
[0047]3)將映射在基準半徑的球面上的外包絡相交圓弧曲線向球心方向衍生出一組有限的不同半徑球面曲線簇，球面曲線簇按距離球心半徑的比例關系排列，形成具有雙內(nèi)錐面的外殼3。
[0048]凸齒11和凹槽21的螺錐母線形成的方法相同，其中一條螺錐母線的圖形如圖6所示，母線函數(shù)關系式如方程(I)所示。
[0049]外殼3的小端設置與工作空間4小端連通的進氣口 31，大端設置與工作空間4大端連通的出氣口 32。當進氣口 31打開時，高溫高壓的工作介質從容積較小的小端進入工作空間4，之后封閉進氣口 31，將工作介質封閉在工作空間4中。高壓工作介質具有膨脹的趨勢，對凸形轉子I和凹形轉子2同時施加轉矩推動兩者連續(xù)相向旋轉。當工作氣體移到容積較大的大端時，膨脹過程結束，打開出氣口 32后低溫低壓的工作介質隨之排出。當進氣、膨脹、排氣的過程循環(huán)重復，凸形轉子I和凹形轉子2也實現(xiàn)連續(xù)的相向旋轉，內(nèi)能不斷轉化為機械能對外做功。
[0050]由于凸形轉子I和凹形轉子2的曲面特征決定其不能傳遞動力，故需要同步齒輪箱5中的一對螺旋錐齒輪強制約束其相互運動精度。如圖2所示，同步齒輪箱5中的主動螺旋錐齒輪51套接在由凹形轉子2的錐形大端伸出的、與凹形轉子2的旋轉軸同軸的傳動軸52上，被動螺旋錐齒輪53套接在由凸形轉子I的錐形大端伸出的、與凸形轉子I的旋轉軸同軸的輸出軸54上。凹形轉子2產(chǎn)生的力矩通過第一傳動軸52由主動螺旋錐齒輪51經(jīng)被動螺旋錐齒輪53匯集到輸出軸54上，而凸形轉子I產(chǎn)生的轉矩直接由輸出軸54與凹形轉子2產(chǎn)生的轉矩匯集后一并輸出。
[0051 ] 本實施例中，主動螺旋錐齒輪51和被動螺旋錐齒輪53均優(yōu)選格里森齒輪，凸形轉子1、凹形轉子2和外殼3與同步齒輪箱5通過隔熱瓦6隔離，阻止高溫傳導對同步齒輪箱5的影響。凸形轉子I和凹形轉子2和外殼3的材料需要承受高溫工作環(huán)境，對于高溫蒸汽工作介質，可采用lCrl8Ni9Ti耐熱鋼材料；對于高壓燃氣工作介質，則采用氧化物與氮化物復合結構陶瓷材料。對于耐熱鋼材料，采用硬質合金刀具高速切削，對于復合陶瓷材料，則采用超聲波振動加工技術。
[0052]凸形轉子I和凹形轉子2這兩個螺錐曲面零件在建模時需要如CAD、CAM等三維設計軟件支持，但由于凸形轉子I和凹形轉子2之間及其與外殼3之間有配合精度要求，偏差不超過20微米，而市場上的商品軟件中的曲面成型模塊尚未能滿足這個級別的精度要求，所以需要自行編制專用工具軟件，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為數(shù)控機床能夠識別的程序，使加工精度能夠滿足工藝條件要求。外殼3的毛坯采用失蠟法精密鑄造為宜。凸形轉子1、凹形轉子2和外殼3采用五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心制造。
[0053]主動螺旋錐齒輪51和被動螺旋錐齒輪53的格里森齒輪需要使用專用齒輪機床制造，鍛件毛坯采用低合金調(diào)質結構鋼，調(diào)質熱處理，完成精加工的齒輪付配對研磨，故齒輪不具備互換性。主動螺旋錐齒輪51和被動螺旋錐齒輪53的齒面采用高頻表面淬火或者激光淬火工藝。同步齒輪箱5的箱體采用球墨鑄鐵材料或者鑄造鋁合金材料，同步齒輪箱5與凸形轉子1、凹形轉子2和外殼3之間的隔熱瓦6采用硼酚醛樹脂復合材料。
[0054]由于對于數(shù)字化設計和制造的曲面零件，無法采用傳統(tǒng)的量具檢測，因此對外殼3和同步齒輪箱5的曲面偏差測量可采用三坐標測量儀，而對凸形轉子I和凹形轉子2曲面的測量，則要采用非接觸測量技術。
[0055]裝配和調(diào)試時，首先組裝傳動軸52和輸出軸54這兩個軸組件，兩個軸組件調(diào)整同步角度后裝入同步齒輪箱5中，合箱后緊固穿釘螺栓，然后注入齒輪油潤滑劑。調(diào)試采用壓縮空氣作為動力，由進氣口 51接壓縮機輸出管路，并連接壓力表指示氣壓數(shù)據(jù)，輸出軸54接轉矩轉速傳感器檢測輸出力矩參數(shù)，并使用聲強儀和振動傳感器檢測排放的噪聲和振動。
[0056]以上所述【具體實施方式】可以使本領域的技術人員更全面地理解本發(fā)明創(chuàng)造，但不以任何方式限制本發(fā)明創(chuàng)造。因此，盡管本說明書參照附圖和實施例對本發(fā)明創(chuàng)造已進行了詳細的說明，但是，本領域技術人員應當理解，仍然可以對本發(fā)明創(chuàng)造進行修改或者等同替換，總之，一切不脫離本發(fā)明創(chuàng)造的精神和范圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發(fā)明創(chuàng)造專利的保護范圍當中。
【權利要求】
1.一對螺錐轉子，其特征在于:包括具有凸齒的凸形轉子、具有凹槽的凹形轉子和具有雙內(nèi)錐面的外殼；所述凸形轉子和凹形轉子相向旋轉且存在交疊區(qū)域，均具有沿旋轉軸逐漸收斂的錐形外廓；所述凸齒和凹槽在錐面上自小端向大端螺旋延展；所述凸齒的曲面、凹槽的曲面和外殼的內(nèi)表面共同構成連續(xù)、容積隨旋轉方向變化、封閉的工作空間。
2.如權利要求1所述的一對螺錐轉子，其特征在于:所述凸齒和凹槽的齒形曲線為分別變換到同一個基準球面上的一對平面共軛曲線，所述平面共軛曲線和外廓弧線在三條曲線的兩個交匯處無泄漏三角形。
3.如權利要求1或2所述的一對螺錐轉子，其特征在于:所述凸齒和凹槽的曲面生成方法包括: 1)分別將一對共軛曲線與外包絡相交圓弧曲線由平面映射到一個基準半徑的球面上，形成球面上的連續(xù)變化封閉區(qū)域； 2)將映射在所述基準半徑的球面上的所述一對共軛曲線向球心方向衍生出兩組有限的不同半徑球面曲線簇，所述球面曲線簇各自按螺錐母線函數(shù)關系和距離球心半徑的比例關系排列，并沿共同軸線旋轉角度旋轉，即分別得到所述凸齒和凹槽的共軛曲面； 3)將映射在所述基準半徑的球面上的所述外包絡相交圓弧曲線向球心方向衍生出一組有限的不同半徑球面曲線簇，所述球面曲線簇按距離球心半徑的比例關系排列，形成具有雙內(nèi)錐面的外殼。
4.如權利要求3所述的一對螺錐轉子，其特征在于:所述凸齒和凹槽的螺錐母線函數(shù)關系相同，包括:
χ=α X Θ Xcos( Θ )
y= α X θ X sin ( θ )
Z=β X θ gamma 式中: x、y、ζ為螺錐母線的坐標點 α為螺錐大端直徑系數(shù) Θ為螺錐旋轉角度值 β為螺錐長度系數(shù) Y為螺旋升角冪指數(shù) 螺錐母線向χ-y平面上的投影符合阿基米德螺線規(guī)律，Z- θ展開為冪指數(shù)關系。
5.如權利要求4所述的一對螺錐轉子，其特征在于:所述Y指數(shù)的值為1.2~3.0。
6.如權利要求1或2或4或5所述的一對螺錐轉子，其特征在于:所述凸形轉子的旋轉軸與凹形轉子的旋轉軸交叉，夾角為25°~60°。
7.如權利要求1或2或4或5所述的一對螺錐轉子，其特征在于:所述凸形轉子和凹形轉子之間及兩者與外殼之間的偏差小于20微米。
8.如權利要求7所述的一對螺錐轉子，其特征在于:所述凸形轉子、凹形轉子和外殼采用五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心制造。
9.如權利要求1或2或4或5所述的一對螺錐轉子，其特征在于:所述凸形轉子和凹形轉子使用復合結構陶瓷材料制作。
10.使用如權利要求1~7之一所述的一對螺錐轉子的螺錐膨脹機構，其特征在于:所述螺錐轉子的大端一側設置同步齒輪箱。
【文檔編號】F01C21/08GK103726883SQ201410010298
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月9日 優(yōu)先權日:2014年1月9日
【發(fā)明者】黃友鋼 申請人:北京發(fā)源動力機械設計研究有限公司