CN203614428U - 一种具有螺旋叶片的轴流流体压力机及涡轮 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有螺旋叶片的轴流流体压力机及涡轮，其前端是一具有螺旋叶片的压气机，其后端为一具有螺旋叶片的涡轮，螺旋体是由可依自身轴线回转的轴体和至少一条螺旋叶片构成，螺旋叶片是由高度大于厚度的片状物体，与轴体连接固定并沿轴体盘绕而呈螺旋状的叶片，其盘绕的轴向距离至少大于螺距，外壳是一个包容并支承螺旋体，使螺旋体具有回转自由度的壳体，外壳内表面与两个相邻的螺旋叶片或螺旋叶片在轴体上盘绕大于一周而相邻的部分及轴体外表面之间所构成的空间即为流体的流道，该流体流道的截面积沿流体流线方向是递减或递增的。其最为突出的特点就是结构极其简单，尤其是极易实现微型化，同时加工工艺性好，对材料的要求较低，因此具有良好的经济性。

Description

一种具有螺旋叶片的轴流流体压力机及涡轮

技术领域：

本实用新型涉及一种具有螺旋叶片的轴流流体压力机及涡轮。属于轴流压气机，风机，泵及涡轮机械设备技术领域。是用于将旋转机械能转变成流体压力能——风机，压气机，轴流泵，或将流体压力能转变成旋转机械能——涡轮，水轮机，马达的可逆性的能量转换装置。

背景技术：

现有技术中，叶片式轴流风机或泵是常见通用设备，但一般都作为低压大流量风机或泵使用，为提高风机或泵的出口压力需要极高转速和设置多级叶片。轴流叶片式马达或涡轮因其流量耗损大而产生的扭矩较低，一般少用，为提高其能量转换效率也需设置多级叶片和在极高转速状态下运行。二者在燃气轮机中都得以充分应用。

现有技术中，螺杆泵及马达也是常用通用设备，但双螺杆，三螺杆泵应用更为普遍，事实上单螺杆与双螺杆和多螺杆泵在运行机理上是有极大差异的，双螺杆和多螺杆泵是属于容积式能量转换装置。单螺杆泵及马达在现有技术中应用较少，且多在为特定流体介质加压中使用，然其作用原理更接近于叶片式轴流泵及马达。截取螺杆泵及马达的一段，它就可以看作是一个叶片式轴流泵或马达，因此对单螺杆泵及马达我们可以视之为特殊形态的叶片式轴流泵或马达。然这项技术乞今未得到挖掘，发展。单螺杆具有结构简单，构件少，加工工艺及装配要求低，运行安全，无径向作用力，适应高速运转等诸多优势。因此，改进单螺杆泵及马达的结构和提高其工作效率，将其应用到更宽泛的技术领域，是科技发展的必然指向。

实用新型内容：

针对单螺杆泵及马达的结构特征，可以令其象叶片式轴流泵或马达一样高速高效率运转，从而获得更好的技术指标。首先对于单螺杆的形态要变化为具有适当曲面的较薄的螺旋形叶片，为达到平衡的目的，可设计成多头螺旋，从而获得更好的技术指标。叶片式轴流泵或马达为提高其能量转换效率需设置多级叶片，而此处螺旋叶片则可以视之为多级叶片的连续形态。为使螺旋叶片充分产生连续多级叶片的技术效果，则必需令容腔内流体流道的截面积发生变化以形成压力梯度，建立起了容腔内部的压力梯度场，就能大大提高其能量转换效率。至此我们建立起了一个既不同于多级叶片轴流泵及马达，也不等同于螺杆泵等容积式泵及马达的全新的能量转换的方法。依据这个新的能量转换的原理及方法，提出本发明---具有螺旋叶片的轴流流体压力机及涡轮，同时由此也引出了其必要技术条件和结构特征：

本实用新型涉及一种具有螺旋叶片的轴流流体压力机及涡轮，主要组分由螺旋体和外壳所组成，其特征在于：所述螺旋体是由可依自身轴线回转的轴体和至少一条螺旋叶片构成，所述螺旋叶片是由高度大于厚度的片状物体，与所述轴体连接固定并沿所述轴体盘绕而呈螺旋状的叶片，其盘绕的轴向距离至少大于螺距，所述外壳是一个包容并支承所述螺旋体，使所述螺旋体具有回转自由度的壳体，所述外壳内表面与两个相邻的所述螺旋叶片或所述螺旋叶片在所述轴体上盘绕大于一周而相邻的部分及所述轴体外表面之间所构成的空间即为流体的流道，该流体流道的截面积沿流体流线方向是递减或递增的，当流体流道的截面积沿流体流线方向递减时，其内部压力梯度递增，此时是工作在轴流压气机或泵的状态，而当流体流道的截面积沿流体流线方向递增时，其内部压力梯度递减，此时则是工作在涡轮的状态。需要稍加说明的是：对于压气机或涡轮而言，将旋转的螺旋叶片看作是静止的，则流体与螺旋叶片之间的相对运动明显地存在前述流体流道和流体流线。为获得更好的能量转换技术指标，所述螺旋体的所述螺旋叶片的一端或两端有不同于中间部分螺旋曲面的延伸曲面及边缘曲线。

为获得前述流体流道的截面积沿流体流线方向是递减或递增的技术效果，只需令影响前述流体流道截面积的参数递变即可，可采用下列四种方案：所列各方案可以独立使用，也可综合并用。

1.如前所述的具有螺旋叶片的轴流流体压力机及涡轮，其特征在于：所述外壳的内径相对流体进口而言，沿轴向作为流体压力机时是递减和作为涡轮时是递增，所述螺旋叶片的外径相应随外壳的内径沿轴向递减和递增。如图1所示：当作为流体压力机时，轴体(102)在机械力驱动下旋转，带动螺旋叶片(103)，使流体不断从外壳(101)的大端进入，由于外壳(101)的直径沿轴向逐渐收缩，而使外壳(101)的内表面与螺旋叶片(103)盘绕而相邻的部分及所述轴体(102)外表面之间所构成的空间即流体流道的截面积沿流体流线方向递减，流体被压缩或压力增加，形成连续递增的压力梯度场，在外壳(101)的小端获得较大的流速和出口压力。与之相反，作为涡轮时，压力流体由外壳(101)的小端进入，而从大端排出时压力降低，其压降通过螺旋叶片(103)转化为旋转机械能由轴体(102)输出。

2.如前所述的具有螺旋叶片的轴流流体压力机及涡轮，其特征在于：所述螺旋体的所述轴体的直径相对流体进口而言，沿轴向作为流体压力机时是递增和作为涡轮时则递减，如图2所示。

3.如前所述的具有螺旋叶片的轴流流体压力机及涡轮，其特征在于：所述螺旋体的所述螺旋叶片的螺距相对流体进口而言，沿轴向作为流体压力机时是递减和作为涡轮时则递增。如图3所示。

4.如前所述的具有螺旋叶片的轴流流体压力机及涡轮，其特征在于：所述螺旋体的所述螺旋叶片的厚度相对流体进口而言，沿轴向作为流体压力机时是递增和作为涡轮时则递减，如图4所示。

本实用新型所提供的具有螺旋叶片的轴流流体压力机及涡轮，既非容积式也非叶片式能量转换装置，而兼有二者的特征及技术优势，当然也需要兼顾其技术条件，尤其是容积式机械对于密封的要求。因此本实用新型同时提供一种用于具有螺旋叶片的轴流流体压力机及涡轮的螺旋形密封件，其材料可以为金属，非金属或复合材料。其形状为螺旋形与螺旋叶片相适配，其断面呈深槽U形，可套置在螺旋叶片的边沿，该密封件应称为螺旋形密封件，在旋转运动中起到密封作用，阻挡和减少由於压力梯度的存在而由前述外壳与螺旋叶片外沿之间的间隙产生的回流。如图5所示，该密封件外形呈螺旋形，其断面呈深槽U形，可套置在所述螺旋叶片的边沿，对所述外壳与所述螺旋叶片外沿之间的间隙起到密封作用，其上有定位孔用于定位。图中标识说明：图中e是U形槽，套置在螺旋叶片的边沿，n是紧贴于螺旋叶片一侧的密封面，c是紧贴于外壳的密封线，f1示意密封件在该点的外径略大于该点处外壳的内径，在弹性张力作用下紧贴于外壳的力，f2示意在旋转运动中产生的离心力，f3示意密封件螺旋形的螺距略小于螺旋叶片螺距的弹性恢复力，这一弹性恢复力将使n面紧贴于螺旋叶片一侧，f4是流体的压力，由于螺旋叶片两侧存在压差，也使n面紧贴于螺旋叶片一侧达到密封的目的。q是定位孔，当机械运行时，密封线c上的每个点与外壳的接触都会产生摩擦力f7，其方向为该点所在园周的切线方向，f7可分解为f5和f6，f5垂直于螺旋叶片的密封面，有利密封，f6将使密封件沿螺旋叶片作螺旋形滑移，因此设置定位孔q，卡在螺旋叶片相应位置的突起点上，以实现定位。除在螺旋形密封件一端定位外，可在适当部位设置多个定位孔，定位孔应为径向尺寸略长的长形孔，令密封件可沿螺旋叶片作径向滑移紧贴于外壳起到密封作用。

附图说明：

图1是具有螺旋叶片的轴流流体压力机及涡轮的基本结构简图，其中：101是外壳，102是轴体，103是螺旋叶片，d表示轴体直径，D1表示外壳一端大径，D2表示外壳另一端小径，p表示螺旋叶片的螺距。

图2是具有螺旋叶片的轴流流体压力机及涡轮的另一种结构简图，其中：201是外壳，202是轴体，203是螺旋叶片，d1表示轴体一端小径，d2表示轴体另一端大径，D表示外壳直径，p表示螺旋叶片的螺距。

图3是具有螺旋叶片的轴流流体压力机及涡轮的又一种结构简图，其中：301是外壳，302是轴体，303是螺旋叶片，d表示轴体直径，D表示外壳直径，p1，p2表示螺旋叶片不同的螺距。

图4是具有螺旋叶片的轴流流体压力机及涡轮的又一种结构简图，其中：401是外壳，402是轴体，403是螺旋叶片，d表示轴体直径，D表示外壳直径，b1，b2表示螺旋叶片不同的厚度。

图5是一种用于螺旋叶片的密封件，其中e是U形槽，n是紧贴于螺旋叶片一侧的密封面，c是紧贴于外壳的密封线，q是定位孔，

图6是本实用新型的最佳实施例，是一个由本实用新型所提供的压气机和涡轮组合而成的燃气轮机或喷气发动机。其中：1是进气口，2是压气机的螺旋叶片，3是压气机轴体，4是燃料喷管，5表示火焰，6是压气机所产生的压缩空气进入燃烧室的孔，7是高压燃气进入涡轮的通道，8是涡轮的轴体，9是涡轮的螺旋叶片，10是排气口，11是燃料供给装置，12是轴承，13是压气机外壳，14是压气机与涡轮之间的隔栅，15是轴承，16是涡轮的外壳

具体实施方式：

本实用新型的最佳实施例即如图6所示，是一结构简单的燃气轮机或喷气发动机，其前端是压气机，压气机轴体3内部空间作为燃烧室，其后端为涡轮，二者的轴体3和8紧固连为一体，压气机外壳13与涡轮外壳16亦紧固连为一体，通过轴承12和15支承连接轴体。燃料供给装置11通过旋转连接将燃料经燃料喷管4喷入燃烧室，并点燃，燃气澎胀经高压燃气进入涡轮的通道7，进入涡轮，涡轮旋转并带动压气机轴体3旋转，吸入空气并加压，高压空气由孔6进入燃烧室助燃且被加热形成高压燃气，驱动涡轮，完成工作循环，高压废气从尾部喷出可使之用作推进器，亦可通过轴输出机械能。本实用新型的最佳实施例对比现有技术显示其最为突出的特点就是结构极其简单，尤其是极易实现小型化，微型化，使之具有重要用途前景。同时加工工艺性好，对材料的要求较低，因此具有良好的经济性。

Claims (3)

1.一种具有螺旋叶片的轴流流体压力机及涡轮，主要由螺旋体和外壳所组成，其特征在于：所述螺旋体是由可依自身轴线回转的轴体和至少一条螺旋叶片构成，所述螺旋叶片是由高度大于厚度的片状物体，与所述轴体连接固定并沿所述轴体盘绕而呈螺旋状的叶片，其盘绕的轴向距离至少大于螺距，所述外壳是一个包容并支承所述螺旋体，使所述螺旋体具有回转自由度的壳体，所述外壳内表面与两个相邻的所述螺旋叶片或所述螺旋叶片在所述轴体上盘绕大于一周而相邻的部分及所述轴体外表面之间所构成的空间即为流体的流道，该流体流道的截面积沿流体流线方向是递减或递增的，当流体流道的截面积沿流体流线方向递减时，其内部压力梯度递增，此时是工作在轴流压气机或泵的状态，而当流体流道的截面积沿流体流线方向递增时，其内部压力梯度递减，此时则是工作在涡轮的状态，所述螺旋体的所述螺旋叶片的一端或两端有不同于中间部分螺旋曲面的延伸曲面及边缘曲线。 

2.根据权利要求1所述的具有螺旋叶片的轴流流体压力机及涡轮，其特征是：所述外壳的内径相对流体进口而言，沿轴向作为流体压力机时是递减和作为涡轮时是递增，所述螺旋叶片的外径相应随外壳的内径沿轴向递减和递增，所述螺旋体的所述轴体的直径相对流体进口而言，沿轴向作为流体压力机时是递增和作为涡轮时则递减；所述螺旋体的所述螺旋叶片的螺距相对流体进口而言，沿轴向作为流体压力机时是递减和作为涡轮时则递增；所述螺旋体的所述螺旋叶片的厚度相对流体进口而言，沿轴向作为流体压力机时是递增和作为涡轮时则递减。 

3.根据权利要求1所述的具有螺旋叶片的轴流流体压力机及涡轮，其特征是：所述螺旋叶片配置有螺旋形密封件，该密封件外形呈螺旋形，其断面呈深槽U 形，可套置在所述螺旋叶片的边沿，对所述外壳与所述螺旋叶片外沿之间的间隙起到密封作用，其上有定位孔用于定位。 

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