切向射流力驅動迴轉式流體—機械能轉換裝置的製作方法

2023-06-30 16:55:56

專利名稱：切向射流力驅動迴轉式流體—機械能轉換裝置的製作方法
技術領域：
本發明為一種將流體壓力能轉換成機械能的裝置，特別是一種利用切向射流反作用力推動轉子及與之一體的輸出軸轉動的能量轉換轉置。
在現有流體能-機械能轉換裝置中，主要有靜壓式及動壓式兩大類。而在靜壓式能量轉換裝置中，較具有代表性的結構形式是齒輪式，葉片式及柱塞式。無論哪一種形式，或是因為各處的受力難以平衡，或是因為相對運動面及相對運動零件數較多，難以達到高效，價廉，可靠，功率密度大等要求，尤其是對於高壓，高溫，低粘度流體如水，蒸汽，內燃氣等的應用時，情況更是如此。
在動壓式流體能-機械能轉換裝置即所謂透平機械中，最具有代表性的是射流衝擊渦輪葉片式和反作用渦輪葉片式。這兩種透平機械的共同弱點在於結構複雜，製造成本高，體積大，洩漏損失大等，高壓時問題更為突出。
針對這種現狀，本發明的目的旨在提供一種結構簡單，適應壓力範圍寬，效率高，功率密度大，成本低，可靠性高，相對運動面少且受力完全平衡的流體能-機械能轉換裝置。
發明的意圖是這樣實現的，在一個園筒狀的轉子中部，開有將高壓流體導入的軸向通道，該通道連通兩個(當然也可以不是兩個，但兩個最好)沿徑向伸出但端部被堵死的徑向通道，在與各徑向通道軸線垂直或構成一定夾角的方向上，開有一個或一個以上的，直徑遠遠小於徑向通道的射流小孔，兩個徑向通道上的射流小孔的方向正好相反。這樣，當高壓流體沿軸向通道進入後，分別流入兩個徑向通道，再從相對於轉子本身來說為切向的兩個射流小孔反方向噴出，由這兩個射流小孔產生的射流反作用力構成一個推動轉子沿與射流方向相反方向旋轉的力偶矩，帶動轉子及輸出軸一起轉動。實現將流體的壓力能轉換成機械能這一能量轉換過程。
在流量一定的情況下，改變射流小孔的位置便可得到不同的轉速及力矩，通過控制射流小孔的大小及數目便可方便地控制系統壓力。此外，因轉子及輸出軸為一體且由靜壓軸承加螺旋槽動壓軸向軸承及徑向軸承支承，同時採用軸向間隙可自動補償式結構，從而可望獲得很高的機械效率及容積效率。
與傳統的靜壓式及渦輪葉片動壓式流體壓力能-機械能轉換裝置相比，依椐本發明所構成的裝置只有一個運動件及一個配流平面，故結構十分簡單，體積小，成本低，可靠行性高，效率高，壽命長。尤其對於低粘度流體如海水，淡水，蒸汽，內燃氣等壓力流體的應用，其技術效果及經濟效果是現有任何一種流體馬達或透平機械都無法比擬的。
本發明用於水力發電的實例，由附圖
一-附圖四給出。
附圖一為根據本發明所構成的切向射流力驅動式水力發電機系統的結構簡圖。
附圖二為A-A剖面的剖視圖。附圖三為B-B剖面的剖視圖。
下面結合附圖一-附圖四詳細說明依據本發明提出的切向射流力驅動式水力發電機系統的具體結構及工作原理等。
如圖一所示，轉子(3)與輸出軸(3a)連成一體，通過聯軸節(4)與發電機(14)的轉子軸(5)連接。兩根徑向流體通道(6)，(7)分置於轉體(3)的兩邊，兩個沿轉子切線方向射流的射流噴咀(8)和(9)則分別與徑向流體通道(6)，(7)接通，見圖二所示。
當來自大壩或其它地方的壓力水經入口(I)進入球面支座(2)及設有螺旋槽軸承的軸向承壓盤(1)以後，經配流面(C)分別進入轉子上的兩根徑向流體通道(6)，(7)，最後經兩個噴咀(8)，(9)沿相反的切線方向噴射而出。流體通道(6)，(7)，最後經兩個噴咀(8)，(9)沿相反的切線方向噴射而出。由射流引起的反作用力F8和F9構成一個推動轉子及輸出軸等沿圖示方向旋轉的力偶矩，與轉子(3)同步旋轉的輸出軸(3a)，通過聯軸節(4)帶動發電機轉子軸(5)不停地旋轉，完成將水的壓力能變成電能的轉換過程。
為了防止水中汙物進入配流面(C)(同時也是軸承面及密封面)，採用一臺增壓式或其他形式的水泵(10)將高壓水(其壓力P2高於入口處(I)的壓力P1)注入配流面上的環形槽(d)，高壓水沿環形縫隙噴入配流面中心，有效地防止任何汙物進入配流面(C)。
由增壓泵(10)提供的高壓水同時通過軸向間隙補償環(12)進入壓力腔(j)，保證軸向軸承(11)始終將轉子(3)壓緊在軸向承壓盤(1)上。軸向軸承(11)與轉子(3)之間，可採用與圖三所示形狀類似的螺旋槽軸承支承。
為使配流面上的螺旋槽軸承工作良好及保證球面支座(2)與軸向承壓盤(1)之間密封良好，環型槽(f)，(g)，(h)均通至環境壓力Pa。
另外，配流面(C)與轉子之間採用靜壓及動壓式軸承聯合支承。在正常情況下，轉子，電機轉子軸等零件的重量及壓力腔(j)的合力之矢量和正好與配流面(C)上的靜壓合力所平衡，而當軸向負荷改變或其他因素引起間隙變小進而可能產生固體接觸時，開設在配流面(C)上，如附圖三所示的螺旋槽動壓軸承的流體動壓力便會迅速升高即軸向承載能力迅速增加，迫使兩個平面分離開但保持在一個很小的間隙範圍內，有效地保證轉子與軸向承壓盤之間總是處於流體潤滑狀態同時洩漏又非常小。
因為徑向載荷全部平衡，故所有的徑向軸承(13)的設計都將變得十分容易。
顯然，這種新型發電機的另一優點在於，通過調整噴咀的位置及射流孔的幾何參數便可得到不同的力矩，轉速等。只要設計得當，整個系統便可以工作在幾乎沒有任何磨損及氣蝕的狀態。既使因為噴咀在長期運行後有所磨損需要更換，操作也十分簡單。
為防止系統壓力過高，可考慮在徑向流體通道上設置調壓閥(15)及輔助噴咀(16)，如圖二所示。
如果需要輸出軸反方向旋轉，只需要在轉體上設置另一軸向通道(S)及另外兩根徑向流體通道(17)，(18)及另一組噴咀(19)，(20)，如圖四所示。不過，此時噴咀(19)，(20)的噴射方向與圖二中的方向相反，參見圖四中所示的反向力偶矩F19及F20。
順便指出，本發明的基本原理也可用於許多其它產品如蒸汽發電機，內燃機，海水或淡水驅動的高速馬達，高速機械加工動力頭，無傳扭杆式石油及採礦工程用鑽頭，高速氣動工具，高速小型氣動牙科醫療鑽等等。
附圖符號說明1軸向承壓盤，2球面支座，3轉子，4聯軸節，5發電機轉子軸，6，7徑向流體通道，8，9射流噴咀，10增壓泵，11軸向軸承，12軸向間隙補償環，13徑向軸承，14發電機轉子，15調壓閥，16輔助噴嘴，17，18反向旋轉用徑向流體通道，19，20反向旋轉用噴嘴。
權利要求
切向射流力驅動迴轉式流體能--機械能轉換裝置，由一個轉子(3)，與轉子(3)同步旋轉的輸出軸(3a)，與轉子一起旋轉的，兩個(當然也可以不是兩個)沿切向高速射流的噴咀(8)和(9)等零件構成，其特徵在於a，與轉子(3)及輸出軸(3a)同步旋轉的至少一個沿切向或與切向構成一定夾角射流的噴咀，由此產生沿切向的射流反作用力形成一個力偶矩或力矩推動轉子及輸出軸等轉動。b，轉子(3)與軸向承壓盤(1)之間，存在著一個相互運動的配流面，該配流面同時又是軸向載荷支承面及密封面。
全文摘要
切向射流力驅動迴轉式流體能—機械能轉換裝置，為一種將流體的壓力能轉換成機械能或電能的裝置。本發明的主要特徵在於裝置由一根輸出軸，一個與輸出軸一體的轉子，兩個設置在轉子上的，沿切線方向射流的噴嘴等零件構成。壓力流體沿軸向通道，徑向通道，最後沿切向噴嘴反向高速噴出，高速射流的射流反作用力形成一個推動轉子及輸出軸一起轉動的力偶矩，驅動轉子及輸出軸轉動，完成將流體能轉換成機械能的能量轉換過程。
文檔編號F03B3/08GK1079535SQ92104160
公開日1993年12月15日 申請日期1992年6月2日 優先權日1992年6月2日
發明者杜長春 申請人:杜長春, 杜長路