CN105526038A

CN105526038A - 一种水马达

Info

Publication number: CN105526038A
Application number: CN201610087942.7A
Authority: CN
Inventors: 张志峰
Original assignee: Huizhou Laihui Cleaning Equipment Co Ltd
Current assignee: Huizhou Laihui Cleaning Equipment Co Ltd
Priority date: 2016-02-17
Filing date: 2016-02-17
Publication date: 2016-04-27

Abstract

本发明公开了一种小型水力马达，以清水驱动涡轮工作，属于流体力学和涡轮叶片式机械的领域，包括涡轮定子、涡轮转子、主轴、支撑轴承、密封件及壳体、端盖。工作介质可以循环使用。此马达内含使用工作压力小于700kPa的清水的定、转子涡轮副。其额定转速1250r/min，额定功率60w，压降约100kPa，动力输出流畅平滑，其低速扭矩大、运转稳定。作为通用动力源，本发明填补了能使用低压水驱动的水力马达应用的空白。本马达结构上采用油水分离方式，故寿命长，成本较低，结构可靠。本马达使用市政自来水即可驱动，作为动力源，在一些特殊领域如太阳能电池板清洗、化工、食品、医药、水下清洗等行业将有广泛应用。

Description

一种水马达

技术领域

本发明涉及一种液压马达，尤其是一种采用清洁自然水（含海水和淡水）作为液压介质驱动涡轮进行工作的马达，它属于流体力学和涡轮叶片式机械的技术领域。

背景技术

把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械即流体机械中的透平机械，具有悠久的历史，如反击式水轮发电机，应用非常广泛，其水能利用效率一般都超过90%以上，其利用水能的理论及经验公式完整丰富，参见CN1636111A文献一。但将其作为除发电以外的通用动力源、尤其是小型化的动力源，应用则不多见，例如在文献“CN104179625A直管式超微型水轮机参见文献二”中，提出了一种用来发电的微型透平机械，按此文献中“具体实施方式”中记载

“用水泵给水轮机提供一定的有压水流，通过阀门来控制通过水轮机的流量，通过水轮机的水流总体积为0.015m³，测量0.015m³的水流通过水轮机所需时间，并测量水轮机的转速

……实施例3，设转轮直径D1为22mm，水轮机进口水头为3m，水轮机进水孔给定流量为4.10×10^-4m³/s，转轮实测转速为4000r/min，水轮机效率为78.96％”

依此数据,按水能公式

Pm=9.8QHη[Q流量(立方米每秒），H水头（米）,η效率）]

计算得到此装置的输出功率最大不超过9.5w，扭矩不大于0.02Nm，功率偏小，性能难以满足作为动力装置的使用要求。且此装置定、转子为单边悬臂固定，可靠性、稳定性差。

检索可见水力驱动透平机械作为通用动力源使用，应用不广泛。水压柱塞马达、水压叶片马达等在国外虽较成熟，但结构复杂，转动接触部分采用水做摩擦介质故对材料有特殊要求，而且一般体积大、成本高。参见CN102434382A文献三。

水马达可以参考的另一种应用是石油钻探等行业使用的涡轮钻具，国内外有较成熟的应用；涡轮钻具有扭矩大、转速高、耐高温等特点，但其结构复杂，体积大、寿命低，尤其是其轴承摩擦副润滑介质一般是钻井泥浆，几十至几百小时就需要检修；还有，涡轮钻具一般多级串联使用，工作介质一般为10000kPa以上高压泥浆，不适合采用低压液体，参见文献四、CN2339741Y文献五。

可见，所述装置均不合适，需要在此基础上找出更合适的结构构造、翼型尺寸装配方法。

发明内容

本发明要解决的问题：提供一种能使用700kPa以下的低压清水、额定转速1000～1500r/min，寿命长，输出功率60w～80w的小型水力马达。

本发明的技术方案是：

一种水马达，其至少包括进水端盖、定子、马达壳体、主轴、转子、出水端盖、键、弹性挡圈、密封件、轴承、轴承盖、螺钉一、螺钉二、进水口、出水口。

马达壳体开有一个进水口，至少一个出水口，优选的，马达壳体对称开有两个出水口。

进水端盖固定安装在马达壳体一端；出水端盖固定安装在另一端，定子通过过盈配合固定安装在进水端盖上；转子通过连接件安装在轴上，优选的，通过键连接固定安装在主轴上；主轴通过进水端盖、出水端盖内安装的轴承装配在马达壳体内，轴承被轴承盖固定；在进水端盖和出水端盖内安装隔水密封件，实现轴承密封。进水端盖、出水端盖和马达壳体之间，也有密封件。

装配完成后，马达壳体和进水端盖、定子、转子、出水端盖之间的空腔形成流道，带有压力的液体工作介质从进水口进入流道，经过定子导流后以合适角度流过转子，驱动转子带动主轴转动，输出能量，液体最后从出水口流出。

依据材料和加工工艺的不同，出水端盖和定子这两个零件可以制造成一个零件。

工况参数范围：经计算，当工作介质压力小700kPa时，也就是用70m以下的水头工作时，要获得60w～80w输出功率，马达流量在5×10^-4m³/s～1.5×10^-3m³/s之间、流道内流速在0.5m/s～1.5m/s之间可以满足要求。

流道基本尺寸：

依据流体力学原理计算得到流道的截面尺寸为：

流道外径尺寸在55mm～95mm之间，优选的，为78mm

流道内径尺寸在45mm～85mm之间，优选的，为68mm

即定子和转子外径尺寸相同，其优选尺寸，为78mm

定子和转子的根径也相同，其优选尺寸，为68mm。

定子、转子的翼型：

定子、转子的翼型形状由平滑曲线构成，其翼型尺寸、形状设计是本发明的核心，微小的尺寸变化即可影响水马达性能；在流道截面积一定的情况下，定、转子涡轮副的叶片数目越多，意味着可以捕获更多的能量，但过密的叶栅本身会形成阻力影响流体流动。故水马达需要设置合适的叶片数目；叶片的进、出口结构角决定定子、转子涡轮副运行工况，影响水能利用效率；在流速一定情况下，转子的出口结构角越小，流体流向改变就越大，获取流体能量的能力越强，即水马达的输出功率越大；但经过仿真计算此值接近4^o左右时转子出水口末端已经开始出现明显涡流和脱流，显示性能开始降低。为获得综合性能较好的翼型参数，采用了计算流体力学和计算机仿真技术，并通过实验，得到参数如下：

叶片数量：

定子叶片数量和转子叶片数量之比为2：1，定子的叶片数量10～14片，优选的，定子叶片12片，转子叶片6片。

定子叶片高度H=30mm，进口结构角a_2k=90^o，出口结构角a_1k=10^o。

定子前缘半径r₁=0.4mm,后缘半径r₂=0.2mm

转子叶片高度H=20mm,进口结构角β_1k=95^o，出口结构角β_2k=5^o

转子前缘半径r₁=2mm,后缘半径r₂=0.45mm

叶片前后缘的距离称为弦长，

定子弦长=52.3mm，转子弦长=23.1mm

动力输出：

主轴两端均可以输出负载，当仅需要一端输出动力时，主轴另一端可不伸出马达壳体。

材料：

上述零件可以由任何合适材料制成，优选的，马达壳体的材料是铝合金；优选的，定子和转子材料是铜合金或者工程塑料。

有益效果

由于尚未查询到使用低压水、与本发明结构及尺寸相近或类似的水马达的文献或应用，故本发明首次提供了一种能使用类似市政自来水的低压水、扭矩输出平滑，低速扭矩大不易卡死、高速稳定、噪音低，结构可靠、寿命长的小型水马达。

附图说明

图1是本发明的结构剖面示意图。

图2是本发明的流道示意图。

图3是本发明的装配分解图。

图4是定子结构示意图。

图5是转子结构示意图。

图6是定、转子叶片翼型参数图，定子结构角用a_1k、a_2k表示，转子结构角用β_1k、

β_2k，前后缘半径用r表示，叶片高度为H，叶栅间距为T。

图7是仿真计算得到的流道压力分布云图，其颜色由深到浅表示压力由高到低。

图8是仿真计算得到的流道速度矢量图，箭头表示流体运动方向，其颜色由深到浅表示速度由低到高。

图9是实验台架框图。

图10是本马达输出参数对比表，预测功率、实测功率、预测扭矩、实测扭矩分别用不同标记绘出。

图中附图标记：

进水端盖、定子、马达壳体、主轴、转子、出水端盖、键、弹性挡圈、密封件、轴承、轴承盖、螺钉一、螺钉二、进水口、出水口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

参见图1、图2、图3装配的水马达，包括进水端盖、定子、马达壳体、主轴、转子、出水端盖、键、弹性挡圈、密封件、轴承、轴承盖、螺钉一、螺钉二、进水口、出水口。

其定、转子具有如图4、图5所示结构。其组成的涡轮副具有如图6所示的参数。

工况：常温，工作介质：清水，流量1.0×10^-3m³/s，进水口水压300kPa

在此工况下，首先用计算流体力学仿真软件得到了水马达的预测运行参数：

图7流道压力分布云图显示：流道内压力分布基本合理、压差均匀，压力面内形成稳定连续的较大面积均匀压力区，显示定子导流角度基本合适、转子受力合理，符合设计要求。

图8流道流体速度矢量分布图显示：速度方向符合设计要求、速度变化平滑，基本没有涡流，脱流也较少，且脱流区域不靠近转子表面。表明流道的能量损失小，涡轮转动平稳。

为了实施本发明，进行了实物台架实验：

图9台架实验示意图显示了水马达运转性能试装置，其主要由水马达、水泵、流量计、压力传感器、扭矩仪、飞轮、联轴器、进出水管路及阀门、循环水箱等组成。

通水运行，运转良好。

图10给出了经过台架实验得到的马达实际输出与仿真预测参数对比：

分析其结果可见输出扭矩与转速呈明显的线性关系，扭矩随着转速变大，而逐渐变小;功率随着转速增大，先增大后减小，与涡轮运动的理论特性曲线相符。最大功率可达75w，空转转速可达4000r/min，其额定转速是1250r/min。此时输出功率为60w。压降为96kPa,水能利用效率63.7%。

可见本马达设计参数合理，实测结果符合预期。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

参考文献：

一、巴里·V.水力涡轮发电机中国CN1636111A2005

二、周大庆.直管式超微型水轮机中国CN2014103755412014

三、高殿荣等、径向活塞滚球式端面配流低速大扭矩水压马达中国CN102434382A2012.05

四、符达良.长寿命无橡胶元件的新型涡轮钻具中国CN2339741Y1999

五、许福东等著.带同步减速器涡轮钻具工作力学与性能仿真.中国地质大学出版社2004.12。

Claims

1.一种水马达，其包括进水端盖、定子、马达壳体、主轴、转子、出水端盖、键、弹性挡圈、密封件、轴承、轴承盖、螺钉一、螺钉二、进水口、出水口，其特征在于：使用清水（包括淡水、海水）作为工作介质，其工作压力低于700kPa；定、转子外径尺寸均在55mm～95mm之间，马达壳体开有进水口和出水口，进水端盖固定安装在马达壳体一端；出水端盖固定安装马达壳体另一端，定子固定安装在进水端盖上；转子固定安装在主轴上；主轴通过进水端盖、出水端盖内安装的轴承装配在马达壳体内，轴承被轴承盖固定；在进水端盖和出水端盖内安装隔水密封件，主轴两端均可以输出负载。

2.根据权利要求1所述水马达，其特征在于：马达壳体有一个进水口，两个出水口。

3.根据权利要求1所述水马达，其特征在于：定子、转子叶片根径、外径相等，

其值为：

定、转子外径尺寸在73mm～83mm之间

定、转子根径尺寸在63mm～73mm之间。

4.根据权利要求3所述水马达，其特征在于：

定、转子叶片外径=78mm

定、转子叶片根径=68mm。

5.根据权利要求1所述水马达，其特征在于，工作介质压力低于300kPa。

6.根据权利要求1所述水马达，其特征在于：

压降在70kPa～120kPa之间，流量在5×10^-4m³/s～1.5×10^-3m³/s之间，转速在900r/min-1400r/min之间时，水能利用效率为50-70％，输出功率为40～70w。

7.根据权利要求1所述水马达，其特征在于：

涡轮定子和转子叶片数比例为2：1，定子叶片数12片，转子叶片数6片。

8.根据权利要求1所述水马达，其特征在于：

定子叶片高度H=30mm，进口结构角a_2k=90^o，出口结构角a_1k=10^o

定子前缘半径r₁=0.4mm,后缘半径r₂=0.2mm

转子叶片高度H=20mm,进口结构角β_1k=95^o，出口结构角β_2k=5^o

转子前缘半径r₁=2mm,后缘半径r₂=0.45mm。

9.根据权利要求1所述水马达，其特征在于：

定子弦长=52.3mm，转子弦长=23.1mm。