专利名称：一种具有新型压气做功调速装置的涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及涡轮机，特别是一种具有新型压气、做功、调速装置的涡轮机。
背景技术：
目前涡轮机的压气是采用单独离心式的或单独透平式的或者离心透平叠加式的结构，离心式存在的主要缺点有转速高，紊流内耗高，中低转速压比小。透平式的主要缺点有喘振带宽，单级压缩比率小，低转速时压比小，制造工艺难。离心、透平叠加式由于只是单独形式的简单串接，所以单独式所具有的缺点叠加式都具有。现有涡轮机的做功，以透平式为主要形式，其主要缺点有由于做功气体是轴流式的，所以气体的流动方向与叶轮的旋转方向垂直，涡轮的扭矩是由气体在叶片上产生的压力的一个分力产生的，能量利用率低，轴向压力大，做功气体低排量时产生的扭矩极小；做功时透平轮需要气体流量大，做功距离短，所以大量的能量没有实现有效的扩张做功，就随气体以热的形式排出，因此能量利用率进一步降低；同时由于结构复杂，加工精度高，制造成本高。现有涡轮机的调速，主要是通过改变做功段透平定轮的叶片夹角来实现低排量调速，其结构极为复杂，制造加工精度高，制造成本高，使用维护难。
发明内容
本发明的目的是为克服现有涡轮机中压气、做功和调速装置的不足，而公开一种具有离心透平压气、切流蜗流扩张做功和通道截流调速装置的新型涡轮机。
本发明涡轮机，包括压气装置、做功装置和调速装置，其特征在于所述的压气装置为离心透平压气装置，主要由压气外壳、压气外壳端盖、离心透平转动叶轮和固定叶轮四部分组成。离心透平转动叶轮是由中心带花键孔的辐式转轮和对称均匀分布在转轮两侧圆周上的多个弧形叶片间隔排列组成，弧形叶片的弧形在转轮的轮体上的投影近似于渐开线的一段弧线，弧线的切线与过切点的直径的夹角在30°--90°范围内，做与弧线的切线垂直的叶片横截面，叶片横截面的形状是由腰的夹角很大的等腰多边形构成的等强度梁，梁的直边构成了叶片的压气曲面，腰边在转轮两侧对称分布并且与转轮相接处用大圆弧过渡；固定叶轮由圆形轮体、固定环体和夹在两者之间的与轮体面相垂直的沿圆周均匀间隔排列分布的多个弧形固定叶片组成，弧形固定叶片的弧形在定轮轮体上的投影近似于渐开线的一段弧线，弧线的切线与过切点的直径的夹角在15°--75°范围内，间隔一定的距离的固定叶片和圆形轮体共同构成了栅格形的圆柱桶的形状。固定叶轮用螺钉固定在压气外壳端盖上，离心透平转动叶轮设置在固定叶轮的腔体内，用套筒定位在轮轴上并实现在腔体内与固定叶轮无接触的高速旋转。由于离心透平转动叶轮叶片的压气曲面与转轮直径有30°--90°的夹角，当辐式转轮轮体带动叶片以一定转速旋转时，叶片的压气曲面对其表面的气体同时产生沿径向方向向外和沿切向与旋转方向相同的两个速度，其中气体径向向外的速度是由叶片的透平作用产生的，而气体切线方向的速度使气体自身产生离心作用，因此转动叶轮对气体同时产生离心和透平作用。当离心透平转动叶轮以一定转速不断旋转时，叶片不断对叶轮内部的气体产生离心和透平作用，使气体不断的从叶轮内部沿径向方向向外流出，在气体流经叶片划过的区域时，气体被叶片以离心和透平共同作用的方式压缩。在转动叶轮的作用下，被压缩了的气体以一定的速度和角度冲向固定叶轮的叶片，并在固定叶片的作用下实现减速和再次增压。
根据气体流量的需要，在同一压缩级中可以设置1个以上的离心透平转动叶轮，如果一级压气装置产生的气压达不到要求，可以在壳体上串联1个以上的压缩级，直到压力达到要求为止。
所述的做功装置为切流蜗流扩张做功装置，其主要由做功外壳、做功叶轮、蜗流扩张导气通道和做功外壳端盖四部分组成。做功叶轮由带有花键孔的轮体和生成一体的均匀分布在轮体圆周上的多个叶片构成，叶片正面是矩形，与轮体同宽，侧面是梯形，叶片正面与轮体相交处用大圆弧过渡。
蜗流扩张导气通道是一个进气口小而出气口大在空间位置上象蜗牛壳形状的螺旋形导气通道。做功叶轮设置在做功外壳的叶轮腔内，做功叶轮用套筒定位在花键轴上，做功叶轮可在叶轮腔内与做功外壳无接触的高速旋转。做功外壳的叶轮腔、叶轮轮体和做功外壳端盖构成一个横截面为矩形的环形通道，分布在做功叶轮上的叶片将环形通道分割成多段，切向进气口、切向出气口和环形通道的横截面积相同，切向进气口、切向出气口和夹在进气口与出气口之间的一段环形通道构成了一组气流做功通道，当做功气体从气流做功通道连续流过时，气体对夹在进气口与出气口之间的那段环形通道中的叶片不断的产生一个沿着叶轮轮体切向方向的推力，这个推动力使叶片带动叶轮沿气流方向做高速旋转；做功外壳的切向出气口与蜗流扩张导气通道的进气口相连接，蜗流扩张导气通道的出气口与下一级的做功外壳的切向进气口相连接，当做功气体从做功外壳的出气口流出，进入蜗流扩张导气通道后，在通道内气体膨胀部分体积、降低部分压力，然后从蜗流扩张导气通道的出气口进入下一级的做功外壳的进气口，如没有下一级时，气体外排；同一侧的蜗流扩张导气通道可组成一个蜗流扩张导气通道总成。
所述的调速装置为通道截流调速装置，主要由与做功外壳端盖做成一体的辅做功前端导气通道、交叉通道和截流阀三部分组成；辅做功前端导气通道由通道进气口、截流阀壳体、截流阀端盖、通道出气口四部分构成，截流阀壳体在通道进气口和出气口之间；截流阀主要由阀体、转轴和耐高温防泄漏轴套三部分组成，阀体和转轴固定为一体，耐高温防泄漏轴套固定在截流阀端盖上。
本发明的优点在于(1)压气是通过转动叶轮对气体同时产生离心和透平两种作用，从而极大限度的提升了转动叶轮在中低转速时的压缩比，减小了气体的紊流内耗。由于叶片到叶轮轮体的垂直距离短，从而使叶片的喘振带变窄或消除。叶轮采用以铸造工艺为主的加工工艺，结构简单，制造成本低。(2)做功气流是通过由切向进气口、切向出气口和夹在进气口与出气口之间的一段环形通道构成的气流做功通道，使气体对叶片产生一个沿着叶轮轮体切向方向的推力，并且这个推力全部变为叶轮的对外输出的扭矩，而轴向方向分力为零。同时气流做功通道可以使气体在较高的压力和较小的流量下对叶轮产生大的扭矩，气流做功通道延长了气体扩张做功距离，不需要大的气体排量，从而极大的提高了能量的利用率。做功段采用以铸造工艺为主的加工工艺，结构简单，易加工制造，原材料用量少，制造成本低，使用可靠，维护方便。做功外壳的切向出气口与蜗流扩张导气通道的进气口相连接，蜗流扩张导气通道的出气口与下一级的做功外壳的切向进气口相连接，当做功气体从做功外壳的切向出气口流出，进入蜗流扩张导气通道后，在通道内气体膨胀部分体积、降低部分压力，然后从蜗流扩张导气通道的出气口进入下一级的做功外壳的切向进气口，为能源的充分利用和多级做功创造了条件。(3)调速是将截流阀设置在辅做功前端导气通道上，通过改变阀体在通道中的开口的大小来调速，当做气体流量减小时，通过旋转转轴来调节阀体，使通道中的开口变小以减少辅做功前端导气通道中的气体流量，保证主做功通道中的气体流量的不变或部分增加，调速简单可靠，而且通道截流调速结构加工制造简单，原材料使用量少，维护方便。
图1为本发明的结构剖示图；图2为本发明的离心透平压气装置结构示意图；图3为本发明切流蜗流扩张做功装置结构示意图；图4为本发明通道截流调速装置结构示意图。
(五)具体实施例所述的离心透平压气装置离心透平转动叶轮(2)是由转轮轮体(2a)、中心花键孔(2d)、轮辐(2b)和对称分布在转轮两侧且均匀分布在转轮圆周上的6个以上的弧形叶片(2c)构成，叶片(2c)相互间隔等距离排列，弧形叶片(2c)弧形在转轮轮体(2a)上的投影近似于渐开线的一段弧线，弧线的切线与过切点的直径的夹角在30°--90°范围内，做与弧线的切线垂直的叶片(2c)的横截面，叶片(2c)横截面的形状是由腰的夹角很大的等腰多边形构成的等强度梁，梁的直边构成了叶片(2c)的压气曲面，腰边在转轮轮体(2a)两侧对称分布并且与转轮(2a)相接处用大圆弧过渡。其中弧形叶片(2c)、轮辐(2b)和转轮轮体(2a)是一次性铸造成一体的，整体材料可用合金铸铝或铸钢，在多级串接的压气段前几级，在温度允许的条件下转动叶轮也可采用高强度尼龙模铸而成。固定叶轮(1)是由圆形轮体(1a)、固定环体(1c)和固定叶片(1b)构成，制造时可用薄型钢板冲压成固定叶片(1b)的形状，再将固定叶片(1b)与圆形轮体(1a)和固定环体(1c)焊接成型，也可真接用铸造的方法将固定叶片(1b)、圆形轮体(1a)和固定环体(1c)制造成一体，整体材料可用合金铸铝或铸钢。固定叶片(1b)的弧形在圆形轮体(1a)上的投影近似于渐开线的一段弧线，弧线的切线与过切点的直径的夹角在15°--75°范围内，间相隔一定的距离的固定叶片(1b)和圆形轮体(1a)以及固定环体(1c)共同构成了栅格形的圆柱桶的形状。
根据气体流量的需要，可以将至少1个以上的离心透平转动叶轮(2)并用在同一压缩级上，也可以通过外壳串联1个以上压缩级。固定叶轮(1)用螺栓固定在压气外壳端盖(5)上，离心透平转动叶轮(2)的位置在固定叶轮(1)的腔体内，用套筒(4)定位在花键轴(3)上并实现在腔体内与固定叶轮(1)无接触的高速旋转。
所述的切流蜗流做功装置做功叶轮(10)是由带有花键孔(10b)的轮体(10a)和生成一体的均匀分布在轮体圆周上的多个叶片(10c)构成，轮体(10a)和叶片(10c)一次性铸造成一体的，整体材料可用合金铸铝或铸钢。一个切向进气口(6c)和相对着的一个切向出气口(6a)以及夹在进气口与出气口之间的一段环形通道构成一组气流做功通道，根据需要每个做功级可以采用1--4组这样的做功通道组，通常采用2组。切向进气口(6c)和相对着的切向出气口(6a)可在一条直线上也可形成一定的夹角。在单级压气和单级做功的涡轮装置中，为实现结构的简单，将压气外壳(6e)、做功外壳(6b)、切向进气口(6c)、切向出气口(6a)以及阻气环(6d)一次性铸造成外壳(6)，整体材料可用铸铝或铸铁。
蜗流扩张导气通道(11b)是一个进气口小而出气口大在空间位置上象蜗牛壳形状的螺旋形导气通道，该通道是由蜗流扩张导气通道总成(11)一次性铸造成的，整体材料可用铸铝或铸铁。
做功叶轮(10)的位置在做功外壳(6b)的叶轮腔内，做功叶轮(10)用套筒(4)定位在花键轴(3)上，做功叶轮(10)可在叶轮腔内与做功外壳(6b)和做功外壳端盖(9d)无接触的高速旋转。蜗流扩张导气通道总成(11)用螺栓固定在切向出气口(6a)的端面上，使切向出气口(6a)和蜗流扩张导气通道(11b)的进气口相对接。
所述的通道截流调速装置辅做功前端导气通道由通道进气口(9b)、截流阀壳体(8)、截流阀端盖(7)、通道出气口(9a)四部分组成，截流阀壳体(8)在通道进气口(9b)和出气口(9a)之间。为实现结构的简易，将做功外壳端盖(9d)、阻气环(9c)辅做功前端导气通道的通道进气口(9b)、截流阀壳体(8)、通道出气口(9a)以及主做功通道的排气通道(9e)一次性铸造成调速导气端盖(9)，整体材料可用铸铝或铸铁。
截流阀主要由阀体(8c)、转轴(8a)和耐高温防泄漏轴套(8b)三部分组成。阀体(8c)是呈扇形的圆柱体的一部分，阀体(8c)和转轴(8a)固定为一体，耐高温防泄漏轴套(8b)固定在截流阀端盖(7)上；在截流阀壳体(8)内，转轴(8a)可带动阀体(8c)在一定范围内自由旋转，从而改变阀体(8c)在通道中所截的开口的大小。当做功气体流量减小时，通过旋转转轴(8a)来调节阀体(8c)，使通道中的截流开口变小以减少辅做功前端导气通道中的气体流量，保证主做功通道中的气体流量的不变或部分增加，从而实现了调速的功能。
为实现结构的简易，在单级做功的蜗流扩张导气通道总成(11)中，将交叉通道(11a)和蜗流扩张导气通道(11b)设计在一起，共同构成蜗流扩张导气通道总成(11)，整体材料可用铸铝或铸铁。蜗流扩张导气通道总成(11)固定在由切向出气口(6a)和通道出气口(9a)共同组成的平面上，蜗流扩张导气通道(11b)与切向出气口(6a)相接通，交叉通道(11a)与通道出气口(9a)相接通。
权利要求
1.一种具有新型压气做功调速装置的涡轮机，包括压气装置、做功装置和调速装置，其特征在于所述的压气装置为离心透平压气装置，主要由离心透平转动叶轮(2)、固定叶轮(1)、压气外壳端盖(5)和压气外壳(6e)四部分组成，固定叶轮(1)用螺栓固定在压气外壳端盖(5)上，离心透平转动叶轮(2)设置在固定叶轮(1)的腔体内，用套筒(4)定位在花键轴(3)上；所述的做功装置为切流蜗流做功装置，主要由做功外壳(6b)、做功叶轮(10)、蜗流扩张导气通道(11b)和做功外壳端盖(9d)四部分组成，做功叶轮(10)设置在做功外壳(6b)的叶轮腔内，用套筒(4)定位在花键轴(3)上，做功外壳(6b)上设有切向进气口(6c)、切向出气口(6a)，一个切向进气口(6c)和相对着的一个切向出气口(6a)组成一组，做功外壳(6b)的叶轮腔、做功叶轮(10)和做功外壳端盖(9d)构成一个横截面为矩形的环形通道，在叶轮腔的内壁上设有一个阻气环(6d)，切向出气口(6a)与蜗流扩张导气通道(11b)的进气口相连接，蜗流扩张导气通道(11b)的出气口与下一级的做功外壳的进气口相接，没有下一级时接外排通道(9e)，蜗流扩张导气通道(11b)是一个进气口小而出气口大在空间位置上像蜗牛壳形状的螺旋形导气通道，同一侧的蜗流扩张导气通道可组成一个蜗流扩张导气通道总成(11)；所述的调速装置为通道截流调速装置，主要由与做功外壳端盖(9d)做成一体的辅做功前端导气通道，交叉通道(11a)和截流阀(8)三部分组成，截流阀壳体(8)在辅做功前端导气通道的进气口(9b)和出气口(9a)之间，阀体(8c)是呈扇形的圆柱体的一部分，将交叉通道(11a)和蜗流扩张导气通道(11b)设计在一起，共同构成蜗流扩张导气通道总成(11)，蜗流扩张导气通道总成(11)固定在由切向出气口(6a)和通道出气口(9a)共同组成的平面上，蜗流扩张导气通道(11b)与切向出气口(6a)相接通，交叉通道(11a)与通道出气口(9a)相接通。
2.根据权利要求1所述的一种具有新型压气做功调速装置的涡轮机，其特征是离心透平转动叶轮(2)是由转轮轮体(2a)、中心花键孔(2d)、轮辐(2b)和对称分布在转轮两侧且均匀分布在转轮圆周上的6个以上的弧形叶片(2c)构成，弧形叶片(2c)间隔排列，弧形叶片(2c)弧形在转轮轮体(2a)上的投影近似于渐开线的一段弧线，弧线的切线与过切点的直径的夹角在30-90°范围内，叶片(2c)横截面的形状是由等腰多边形构成的等强度梁，梁的直边构成了叶片的压气曲面，腰边在转轮轮体(2a)两侧对称分布并且与转轮轮体(2a)相接处用大圆弧过渡，离心透平固定叶轮(1)由圆形轮体(1a)、固定环体(1c)和夹在两者之间的与轮体面相垂直的沿圆周均匀分布的6个以上的弧形固定叶片(1b)三部分组成，固定叶片(1b)的弧形在轮体(1a)上的投影近似于渐开线的一段弧线，弧线的切线与过切点的直径的夹角在15-75°范围内等距离间隔排列的固定叶片(1b)和轮体(1a)共同构成了栅格形的圆柱桶的形状。
3.根据权利要求1所述的一种具有新型压气做功调速装置的涡轮机，其特征在于在同一压缩级上可设置1个以上的离心透平转叶轮(2)，也可以通过外壳串联1个以上的压缩级。
4.根据权利要求1所述的一种具有新型压气做功调速装置的涡轮机，其特征在于做功叶轮(10)是由带有花键孔(10b)的轮体(10a)和生成一体的均匀分布在轮体(10a)圆周上的6个以上的叶片(10c)构成，叶片(10c)正面是矩形，与轮体(10a)同宽，侧面是梯形，叶片(10c)正面与轮体(10a)相交处用大圆弧过渡。
5.根据权利要求1所述的一种具有新型压气做功调速装置的涡轮机，其特征在于做功外壳(6b)上的切向进气口(6c)、切向出气口(6a)和叶轮腔、叶轮轮体(10a)、做功外壳端盖(9d)构成的横截面为矩形的环形通道的横截面积相同并且和环形通道相切，切向进气口(6c)和相对着的切向出气口(6a)可在一条直线上也可形成一定的夹角。
6.根据权利要求1所述的一种具有新型压气做功调速装置的涡轮机，其特征在于辅做功前端导气通道由通道进气口(9b)、截流阀壳体(8)、截流阀端盖(7)、通道出气口(9a)四部分构成，截流阀壳体(8)在通道进气口(9b)和出气口(9a)之间，截流阀主要由阀体(8c)、转轴(8a)和耐高温防泄漏轴套(8b)三部分组成，阀体(8c)和转轴(8a)固定为一体，耐高温防泄漏轴套(8b)固定在截流阀端盖(7)上。
全文摘要
一种具有新型压气、做功、调速装置的涡轮机，其特征在于压气装置为离心透平压气装置，做功装置为切流蜗流扩张做功装置，调速装置为通道截流阀装置，离心透平压气装置能大大提高中低转速时的压缩比，减少紊乱内耗和喘振；切流涡流做功装置，使气流对涡轮叶片的推力全部变为扭距，涡流扩张延长了气体扩张做功距离，从而大大提高了能源利用率；通道截流调速装置将截流阀设置在辅做功前端导气通道上，调节阀的开口大小，即能保证主做功通道中的气体不变或部分增加，调速简单、可靠，三种装置的设置使涡轮机产生了革命性变化。
文档编号F01D17/00GK1869413SQ200510021010
公开日2006年11月29日 申请日期2005年5月27日 优先权日2005年5月27日
发明者姜志凌, 孙金荣 申请人:姜志凌