渦輪、氣體壓縮方法及裝置、渦輪氣動靜壓高速馬達與流程
2023-06-11 05:22:36 1
本發明屬於軸承製造技術領域，具體涉及一種渦輪、氣體壓縮裝置及氣動靜壓高速馬達。
背景技術：
「馬達」在機械行和製造業不可缺少的主要部件之一涉及所有行業，種類分為電驅動(電動馬達「電動機」)和氣動馬達、液壓馬達三大類。
目前市場所見到的所有馬達旋轉軸(轉子)軸都要有軸承作為支撐，馬達的穩定性和振動、轉速等視軸承的優劣就判斷馬達質量。尤其是精密磨削加工軸承行業對馬達的要求更高，由於該行業常用的是超高速馬達軸承，在超高速旋轉作用下，由於離心力較大，軸承很容易損壞，壽命低，需要常頻繁更換和維修等，需要常頻繁更換和維修等，增加額維修費用。
此外，傳統的氣體壓縮方式是將氣流衝擊渦輪上，利用葉片切削氣流產生動力而使得其旋轉，其能量利用率較低，損耗很大。
技術實現要素：
為解決上述問題，本發明公開一種渦輪、及利用該渦輪進行氣體壓縮的方法及裝置，以及具有該裝置的氣動類渦輪氣動靜壓高速馬達(磨頭)，該馬達是加工行業備必不可少主要磨銷頭，通過氣體先壓縮後膨脹的方式產生巨大能量後再作功，大大提高能量利用率。進一步的，該馬達的旋轉軸(轉子)不需要有軸承支撐，通過壓縮空氣帶動渦輪使轉子高速旋轉，排出的餘氣再經壓縮後，在轉子周圍產生一層氣膜(即隔離膜浮與馬達中心)從而支撐轉子高速旋轉。
具體技術方案是：
本發明公開了一種渦輪，包括渦輪本體、渦輪本體的外周具有等間隔均勻分布的輪齧、與渦輪本體和輪齧一側壁相切並一體形成的渦輪壁；通過渦輪外周及另一側壁的圍合可形成多個相互獨立的壓縮腔室。
本發明還公開了一種上述渦輪的氣體壓縮方法，其步驟是，通過渦輪外周及另一側壁的圍合形成多個相互獨立且相對封閉的壓縮腔室；氣體進入具有多個氣體壓縮腔的氣室後，經氣體壓縮腔進行壓縮，然後通過渦輪的旋轉，各氣體壓縮腔依次與氣體流通通道對合，被壓縮的氣體在流通通道處膨脹並釋放，產生的能量推動渦輪高速旋轉。
本發明還公開了一種氣體壓縮裝置，包括進氣口，主軸，套設於主軸上的第一渦輪和第二渦輪，以及內置第一渦輪的第一氣室和內置第二渦輪的第二氣室；第一氣室渦輪採用上述的渦輪結構，具有多個相互獨立且相對封閉的氣體壓縮腔；第一氣室和第二氣室之間設有至少一個氣體流通通道；氣體從進氣口進入第一氣室後，經第一氣室內多個相互獨立且相對封閉的氣體壓縮腔進行壓縮，通過第一渦輪的旋轉，各氣體壓縮腔依次與氣體流通通道對合時，被壓縮的氣體在流通通道處膨脹並釋放，繼而推動第一渦輪旋轉，被膨脹釋放的部分氣體經流通通道進入第二氣室進行二次作功。
進一步的，氣體壓縮裝置還包括渦輪固定塊、壓氣輪、前端蓋、導流板、渦輪殼、導氣結構、定圈；其中，渦輪固定塊和壓氣輪自馬達前端依次套設於主軸上，第一渦輪和第二渦輪分別套設在渦輪固定塊的兩端並通過套設於渦輪固定塊上的渦輪殼和導氣結構間隔開，渦輪固定塊、第一渦輪和第二渦輪、壓氣輪與主軸共同形成馬達的轉子整體；導流板和前端蓋依次固定於第一渦輪的另一側，第一渦輪採用具有上述特徵的渦輪結構，第一渦輪與前端蓋、導流板、渦輪固定塊、渦輪殼導流板共同形成第一氣室，第一氣室內具有通過第一渦輪與導流板、渦輪殼的圍合而形成的多個相互獨立的氣體壓縮腔；導氣結構徑向固定於渦輪殼與第二渦輪之間，第二渦輪、導氣結構與定圈共同形成第二氣室；導流板上設有分流孔，從進氣口進入的氣體經分流孔到達第一氣室；渦輪殼上設有釋放口，導氣結構上設有與釋放口相連通的噴射口，釋放口與噴射口的數量相等，共同形成氣體流通通道；定圈具有緊鄰第二氣室並套設於部分壓氣輪上的縱向壁和位於縱向壁後端並套設於壓氣輪的橫向壁，縱向壁和橫向壁一體形成，在縱向壁上設有多個餘氣出口，在橫向壁上設有多個吸氣口。
進一步的，導氣結構包括套設於渦輪固定塊的導氣板和固定於導氣板外周的導氣圈，導氣板與導氣圈上構成一個整體或一體成形。
進一步的，導流板上的分流孔為三至六個，且周向均勻分布。
進一步的，渦輪殼上釋放口和導氣板上噴射口的數量為三至六個，且周向均勻分布。
進一步的，定圈上的餘氣出口為三至六個，且周向均勻分布。
本發明還公開一種渦輪氣動靜壓高速馬達，包括具有上述任意一項所述特徵的氣體壓縮裝置，以及至少一個壓氣輪，壓氣輪上具有多個導氣腔，從第二氣室排出的餘氣被吸入壓氣輪的導氣腔內，經壓氣輪的運轉壓縮形成用於支撐主軸懸浮在馬達中心的氣膜。
進一步的，渦輪氣動靜壓高速馬達還包括套設於主軸並位於第一氣室前端的壓氣輪，套設於前端壓氣輪上的壓氣輪套，壓氣輪套開有多個吸氣口，部分從進氣口進入的氣體可通過吸氣口被吸入至前端的壓氣輪內。
本發明具有以下有益效果：
(1)傳統的氣體壓縮方式是將氣流噴射到渦輪葉片上利用葉片切削氣流產生動力使得其旋轉，能量利用率僅為30％左右；而基於本發明所設計的渦輪結構及對應的氣體壓縮裝置和氣體壓縮方式，將氣體封閉在多個獨立且相對封閉的小空腔內，並壓縮至幾十個大氣壓，然後通過渦輪旋轉到氣體釋放通道後，由於氣體壓縮腔內與釋放通道間形成了很大的壓力差，被壓縮的氣體膨脹幾十倍(類似於氣體爆炸)後釋放，以此產生巨大的能量推動渦輪高速旋轉，且部分能量還能推動次級渦輪做功，大大提高了能量的利用率，輸出扭距較傳統馬達更高。
(2)經氣體釋放通道流入氣室的氣體還能再次推動次級渦輪旋轉，進行二次作功，進一步提升了能量利用率。
(3)本發明所公開的渦輪及基於該渦輪的氣體壓縮裝置結構簡單且免維護；相應的馬達的整體結構及工藝設計也十分合理，且馬達運行時，高速平穩且無振動、耗氣量小、噪音小於55db。
(4)馬達在運轉時不需要有軸承作為支撐，通過壓氣輪作用在轉子周圍形成的氣膜剛性好、穩定性高，能使轉子懸浮與馬達中心，並支撐轉子高速旋轉；且氣膜支撐相對於油膜支撐等傳統方式，更清潔環保，且造價非常低，對壓縮空氣要求也無特別的要求。
(5)本發明所公開的渦輪和氣體壓縮裝置可用於各個行業的自動化設備中，如可以用於金屬加工中高速切削工藝等。
附圖說明
圖1是渦輪氣動靜壓高速馬達的結構示意圖；
圖2渦輪a6的結構示意圖
圖3渦輪轉子的結構示意圖
圖4(a)是進出氣道平面示意圖，圖4(b)是進出氣道的三維圖，圖4(c)是圖4(b)的局部放大圖；
圖5(a)和圖5(b)均是氣體壓縮過程示意圖
圖6是餘氣的出口位置示意圖
圖7(a)是圖1的aa部面圖，圖7(b)是圖7(a)的局部放大圖；
圖8(a)是導氣板9的二維示意圖，圖8(b)是導氣板9的三維示意圖
圖9(a)、圖9(b)、圖9(c)均是渦輪氣動靜壓高速馬達的性能曲線圖
具體實施方式
結合圖1至圖9，對本發明做進一步的說明。
如圖1所示，實施例中公開一種渦輪氣動靜壓高速馬達(磨頭)的結構示意圖，包括：主軸1(轉子)、壓氣輪2、壓氣套3、前端蓋4、導流板5、渦輪a6、渦輪固定塊7、渦輪殼8、導氣板9、導氣圈10、渦輪b11、發蘭盤12、定圈13(定子圈)、壓氣輪14、消音器15、壓氣輪16、後端蓋17、馬達罩24、進氣口21等。
如圖2所示，實施例2中公開了本發明設計的一種新型的渦輪結構，即渦輪a6的結構，具體包括渦輪本體a6.1、渦輪本體a6.1的外周具有等間隔均勻分布的輪齧a6.2、與渦輪本體a6.1和輪齧a6.2一側壁相切並一體形成的渦輪壁a6.3；渦輪本體a6.1、兩兩相鄰的輪齧a6.2、渦輪壁a6.3通過與另一側壁帖合的導流板5、與渦輪a6外周相切的渦輪殼8的圍合，形成一個個相互獨立封閉的氣體壓縮腔a6.4。每一個氣體壓縮腔a6.4獨立，經氣體壓縮腔壓縮後的氣體被釋放後相當於大爆炸，其產生的作用力非常大。而傳統的結構方式是將氣流噴射到渦輪葉片上利用葉片切削氣流產生動力，其缺陷是氣體損耗大、功率小(約40％的損耗)，而本發明通過這種先壓縮後膨脹釋放的方式產生動力，推動渦輪高速旋轉，具有氣體損耗很小、功率大、扭距大等優點。
如圖3所示，渦輪固定塊7套設於主軸1上，渦輪a6和渦輪b11分別固定於渦輪固定塊7兩端，壓氣輪14和壓氣輪16套設於主軸1上且位於渦輪固定塊7的後端，壓氣輪2套設於主軸1上且位於渦輪固定塊7的前端；壓氣輪14、壓氣輪16、壓氣輪2、渦輪b11、渦輪固定塊7、渦輪a6與主軸1同步旋轉，共同組成轉子整體，具有相同的轉速。
如圖4(a)～(c)所示，渦輪殼8與導氣板9和導氣圈10一體形成的導氣結構套設於渦輪固定塊7外周中間位置，並將渦輪a6和渦輪b11隔開，形成左右兩個氣室，即第一氣室和第二氣室。具體的，第一氣室由前端蓋4、導流板5、渦輪a6、渦輪固定塊7和渦輪殼8組成；第二氣室由渦輪b11、導氣板9、導氣圈10及定圈13組成，其中，導氣板9固定在導氣圈10上且一體形成。
其中，導流板5上設有三個分流孔20(也可以更多，優選三至六個)用於將從進氣口21進入的氣體分流到渦輪a6的氣體壓縮腔內，實施例中分流孔20可對合於渦輪a6的氣體壓縮腔a6.4內的中心位置。在渦輪殼8上開有三個等分的釋放口18(即氣體釋放通道)，導氣板9上也開有三個等分的噴射口19，三個釋放口18和三個噴射口19相互連通，形成一氣體流通通道；渦輪a6在旋轉時，各獨立的氣體壓縮腔a6.4通過旋轉依次與各釋放口18對合，對合時該氣體壓縮腔a6.4內被壓縮的氣體在釋放口18膨脹釋放。由此可見，第一氣室和第二氣室通過相鄰的渦輪殼8與導氣板9連通，即渦輪殼8的三個釋放口18(即氣體釋放通道)與導氣板9上的的噴射口19互通。
如圖6和7所示的定圈結構，從圖1中aa剖面圖及其局部放大圖中可以看出，定圈13具有緊鄰第二氣室並套設於壓氣輪14一部分上的縱向壁和位於縱向壁後端並套設於後端壓氣輪的橫向壁，縱向壁和橫向壁可為一體式結構，可一體式形成，在縱向壁上設有多個餘氣出口(優選為三至六個)，即實施例所示的三個等分餘氣出口23，在橫向壁上設有多個吸氣口。
值得注意的是，第一氣室的結構也就是本發明所公開的氣體壓縮裝置的一種實施例。另外，從圖3可以看出，第二氣室中的渦輪b11採用普通的渦輪結構即可，第二氣室中不需要像第一氣室一樣需要形成多個獨立的氣體壓縮腔。並且，根據馬達結構的尺寸及設計需要，本發明還可在第二氣室後端設計與第二氣室類似的第三、第四氣室等結構，或者對第一氣室和第二氣室交替設計等結構。而導流板5上的導氣孔20、渦輪殼8上的釋放口18、導氣板9上的噴射口19以及定圈13上的餘氣出口23中，並非只能設計成三等分形式，但為保證足夠的功率大小，優選為等分的三至六個，除釋放口18和噴射口19需要數目相等且能對合連通外，導氣孔20和餘氣出口23也並不限制於數目相同。
結合圖5(a)和(b)所示，壓縮氣體由壓縮空氣進氣口21經導流板5上的三個分流孔20進入渦輪a6中的各氣體壓縮腔a6.4後，被壓縮至幾十個大氣壓，渦輪a6每旋轉一定角度，就有三個氣體壓縮腔a6.4被旋轉到渦輪殼8上的三個釋放口18處對合，由於渦輪旋轉時氣體壓縮腔內與氣體釋放口形成了很大的壓力差，氣體壓縮腔在轉到氣體釋放口時，被壓縮的氣體會膨脹幾十倍(類似於氣體爆炸)，產生巨大的動力，從而推動渦輪a6向旋轉方向繼續高速旋轉。旋轉的同時緊接下一個氣體壓縮腔a6.4又繼而被旋轉到釋放口18處膨脹釋放，以此類推，連續進行，從而以推動渦輪高速旋轉。在此過程中，由於渦輪殼8的三個釋放口18(即氣體釋放通道)與第二氣室相連，即與導氣板9上的的噴射口19連通，渦輪殼8上的釋放口18釋放出來的氣體還有一部分被引導到第二氣室中導氣板9的三個噴射口19後，經噴射口19噴射到第二個氣室的渦輪b11上，進行第二次作功，即對第二級渦輪b11加速和增加功率。經二次作功後的餘氣由定圈13上的餘氣出口23排出。
如圖3和圖6所示，主軸1的後端套設有壓氣輪14和壓氣輪16，前端還套設有壓氣輪2，其中，壓氣輪2套設有壓氣輪套3，壓氣輪套3上也開有多個吸氣口。在相鄰的兩壓氣輪14和壓氣輪16之間還可以設置一墊圈用於緩衝。
根據流體力學原理，在高速旋轉時形成真空，遇到孔洞或縫隙時氣體被吸入，高速旋轉的同時再其壓縮成氣膜。如圖7所示，實施例中的壓氣輪14、壓氣輪16和壓氣輪2上均具有多個導氣腔25，在高速旋轉時導氣腔25內為真空形式，定圈13的橫向壁上開有吸氣口22將從定圈13的餘氣口23排出的餘氣吸入至旋轉中的壓氣輪14和壓氣輪16的導氣腔25內，被壓縮後形成氣膜，以支撐主軸1和壓氣輪共同懸浮在定圈13中央。同理，壓氣輪套3上開有的多個吸氣口，氣體通過吸氣口被吸入至壓氣輪2的導氣腔25內，被壓縮後形成氣膜，以支撐主軸1和壓氣輪能更平衡更穩定地懸浮在定圈13中央。
綜合以上所述，進一步說明本實施例所示的氣體壓縮裝置及馬達(磨頭)的工作原理：
該馬達工作時，壓縮空氣由進氣口21進入導流板5後，經導流板5上的分流孔20進入第一氣室內的渦輪a6(第一級渦輪)上的氣體壓縮腔a6.4內，由於渦輪a6的高速旋轉，氣體壓縮腔a6.4內的壓縮氣體被旋轉到渦輪殼8上的釋放口18後，膨脹釋放並推動渦輪a6高速旋轉；同時，部分壓縮氣體經釋放口18經導氣板9上的噴射口19進入第二氣室內的渦輪b11(第二級渦輪)作功，推動其加速。經二次作功後產生的餘氣由定圈13上的餘氣出口23排出後，由於氣壓差的作用，又經定圈13上的吸氣口22進入壓氣輪14和壓氣輪16，被壓氣輪壓縮後生成支撐氣膜以支撐主軸1(轉子)高速旋轉，將主軸1懸浮在定圈13中。與此同時，主軸1另一端的壓氣輪2，也通過壓氣輪套3上開有的吸氣口將部分空氣吸入壓氣輪2內，壓縮形成氣膜，從而支撐主軸1(轉子)高速平移地旋轉。
由此可見，實施例所公開的氣體壓縮裝置的能量利用率更高，馬達在正常運行過程中，無需軸承即可正常工作，且工作時由於氣膜的支持，無摩擦產生。並且，相對於油膜等方式，更清潔，成本也更低。
結合圖9所示的實研性能曲線圖，可以看出相對於傳統馬達本發明所公開的馬達能量利用率更高；並且馬達的轉速越高，氣膜的剛性越好、穩定性越高。
具體的，圖9(a)中可以看出轉速到3.5萬轉時徑向負載(扭距)就達3.5nm，而傳統的氣動馬達也達不到這樣高的轉速也無法相比。
圖9(b)所示，主軸軸向穿動曲線圖轉速達到1萬轉時主軸軸向穿動0.007mm近此等於零，而傳統的氣動馬達旋轉是通過軸承作支撐，因此也無法相比。
圖9(c)是氣動馬達耗氣量曲線圖，從曲線圖上可以看出與筆式打磨機相同，但在同等耗氣量時筆式打磨機輸出的扭距約1.15nm，本發明實施例中馬達(磨頭)輸出的扭距可達到3.2nm，可見馬達的利用率更高。
並且，傳統的氣動馬達和高速磨頭的主軸都是用角軸承或深溝高速軸承(筆式打磨機)，電動馬達(磨頭)的主軸的支撐都是用角軸承。由於高速旋轉帶來的超強離心力，軸承內的球體磨損3-6個月就要維修和更換軸承。而目前，氣膜的生成結構相關技術在國內外大部分還處於研發階段；在國外雖有同類產品，但氣膜的生成和渦輪的結構與本發明並不相同，且其結構圖十分複雜，對壓縮空氣的純度要求高(需要一整套過慮設備)，造價非常貴，初步估算，成品價8-15萬。相比之下，本發明所公開的氣膜的生成結構造價約5千，結構簡單且免維護，對壓縮空氣要求也無特別的要求。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。