一种气缸随转的滑片式膨胀机的制作方法

本发明涉及一种膨胀机，尤其是一种气缸随转的滑片式膨胀机。

背景技术：

在低品位能源利用的有机朗肯循环orc、卡林纳循环、co2工质动力循环和全流式汽水混合物工质发电循环等场合需要采用中小型膨胀机，在某些特殊场合，比如对现有电厂采用超临界水气化煤炭技术和燃气蒸汽混合工质循环技术进行co2全捕集的改造，还需要前置膨胀机来提高系统效率，其应用条件就是高参数、低压比，较小的容积流量。但是透平式膨胀机的结构较复杂，制造难度较大。现代透平采用三元流理论设计的叶片是机械制造业皇冠上的明珠，带来效率提升的同时成本非常昂贵，如果叶片需要采用冷却方式则价格更高。与压缩机相对应，传统的活塞式膨胀机由于是往复式，曲轴的不平衡质量影响了其平稳运行，噪音较大；螺杆式膨胀机结构也比较复杂；滑片式膨胀机由于存在滑片与转子气缸之间很大的机械摩擦，因此其效率比螺杆式和活塞式膨胀机都低，所以没有应用价值，虽然其结构较简单。以上型式的压缩机或膨胀机都需要油润滑。

同步回转式压缩机可以大大降低滑片与气缸的相对速度和摩擦损失，但其只有一个滑片，效能较低，脉动大；另一种气缸随转子转动的滑片式压缩机设置了多个滑片，脉动性有所改善。但上述两种压缩机的转盘与气缸相切结构的月牙形腔室容积较小，限制了其工作流量。

技术实现要素：

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种气缸随转的滑片式膨胀机，其特征在于，包括带底座的机壳1、动气缸2、转子3、轴承组4、机械密封5；所述机壳1包括筒体1-7、设置在筒体1-7左侧的左端盖板1-1、导流盘1-2和设置在筒体1-7右侧的右端盖板1-8，所述导流盘1-2设置在左端盖板1-1右侧的凹腔内；动气缸2设置在筒体1-7内，且与筒体1-7同轴设置；转子3设置在动气缸2内，且所述动气缸2与转子3之间偏心设置，转子3的转盘3-2的外壁与动气缸2的气缸2-1内壁不相切，两者之间保持一定距离，形成偏心环形腔室；在所述左端盖板1-1上设有进气口1-1-1和出气口1-1-2，并分别通过过渡腔室与导流盘1-2上的进口缺口1-2-1和出口缺口1-2-2相连通；所述转子3包括左端轴段3-1、转盘3-2和右端轴段3-3；以转子3的圆心为原点，以转子的圆心与气缸2-1和转盘3-2之间最小距离点的连线为x轴正方向建立平面直角坐标系，转子3逆时针转动；所述导流盘1-2的外径与动气缸2内径相同，进口缺口1-2-1和出口缺口1-2-2均分别包括始边、终边和圆弧底边；所述圆弧底边与转盘3-2外径重合，所述进口缺口1-2-1和出口缺口1-2-2均与气缸2-1和转盘3-2之间的腔室互相连通；所述进口缺口1-2-1在其右端面上的始边和终边分别位于方位角0°和30°之间的区域，所述出气口1-1-2在其右端面上的始边位于方位角210°左右，其终边位于240～270°之间的区域；在转盘3-2上均匀分布n条轴向矩形沟槽3-2-1，其中n为6～12的偶数；在各矩形沟槽3-2-1中分别嵌入与转盘3-2等长的1块宽滑片3-4和n-1块窄滑片3-5，且宽滑片3-4嵌入气缸2-1内壁的轴向等腰梯形槽2-1-1内，使转子通过嵌入气缸2-1的宽滑片3-4带动动气缸2同步转动，窄滑片3-5在压缩弹簧3-7及离心力的作用下与气缸2-1的内壁相抵触；在每对矩形沟槽3-2-1的内侧设有2个用于放置压缩弹簧3-7的径向通孔3-1-2；所述转子3的左端轴中心设有轴向圆孔3-1-3，其深度超过矩形沟槽3-2-1中最右侧的径向通孔3-1-2的位置，其孔径大于径向通孔3-1-2的孔径；各矩形沟槽3-2-1分别通过对应的径向通孔3-1-2与轴向圆孔3-1-3相连通；轴向圆孔3-1-3通过可转动密封接头与设置在左端盖板1-1上的轴承盖板1-5中心的冷却气体接口1-6相连通。

进一步地，在所述宽滑片3-4和窄滑片3-5的两侧表面上设有微小气槽，用于减小滑片与沟槽的摩擦阻力并冷却材料。

进一步地，所述左端盖板1-1连接至筒体1-7的左端法兰；所述右端盖板1-8连接至筒体1-7的右端法兰；所述导流盘1-2通过内六角头螺钉1-3和圆柱销1-4固定在左端盖板1-1右侧的凹腔内。

进一步地，所述动气缸2还包括气缸右端板2-2，气缸右端板2-2连接在气缸2-1的右端面上；所述动气缸2通过设置在气缸右端板2-2上的第一轴承4-1与机壳的右端盖板1-8相连接；所述转子3通过设置在左端轴段3-1的第三轴承4-3与机壳的左端盖板1-1相连接；所述转子3通过设置在右端轴段3-3上的第二轴承4-2与机壳的右端盖板1-8相连接；位于第二轴承的外侧，转子3的右端轴段3-3与机壳的右端盖板1-8之间还设置有机械密封5。

进一步地，在每组相对的矩形沟槽3-2-1内靠近转盘3-2两侧端面的对称位置分别设置有2个贯通的径向通孔3-1-2，该2个径向通孔3-1-2内设置有与其间隙配合的导销3-6，导销3-6的直径小于矩形沟槽3-2-1的宽度，且导销3-6固定在宽滑片3-4的内侧端面上，导销3-6用于引导滑片滑动和阻尼冷却气体从转盘端面泄漏。

进一步地，所述进口缺口1-2-1和出口缺口1-2-2的始边和终边均为引导气流由轴向过渡到斜切向的机翼型曲面。

进一步地，动气缸2的右端为封闭式结构，左端开放式结构。

进一步地，在每对矩形沟槽3-2-1的中间段均匀设置至少1个用于通气的径向通孔3-1-2。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

①转子的转盘与气缸内壁虽然偏心布置但不相切，保持一定距离；因为设置了6～12个滑片，可以不需要用相切点来分隔气缸腔室，在气缸不变而转盘直径减小后，气缸与转盘之间的容积就大大增加，但其膨胀压比则会降低，适合于较低压比的膨胀机。气缸内壁与转盘之间最小距离与偏心距的相对比值越大则容积增大越多而膨胀压比越低，但膨胀压比还可以通过增大出气口的终边方位角来提高；另外一个影响压比的因素是滑片数目，滑片数目越多，膨胀压比越小。

②在机壳左端板上设置导流盘的结构，通过对导流盘上加工出可以引导气流由轴向过渡到斜切向的机翼型曲面的进口缺口和出口缺口，简化机壳左端板的结构，且可实现更好的流动效果。

③在宽滑片和窄滑片两侧表面上设置了微小气槽，并在转子上设置了由轴向圆孔和矩形沟槽中的径向通孔组成的冷却通道，对滑片材料进行冷却，减小滑片与沟槽的摩擦阻力，提高效率，延长其使用寿命，并可实现无油润滑，避免工质污染。

④采用气缸随转子转动技术来解决气缸与滑片的摩擦损失和磨损问题，并以动气缸采用右端封闭左端开放的结构，来解决气缸随转后进出口布置的难题；由于进气的冲击力和排气的反作用力都使转子的受力指向右端，可以保证机壳左端板上的导流盘与转盘、滑片和动气缸之间有合适的间隙，而转盘、滑片与动气缸之间因为是同步转动相对速度很小，所以摩擦损失也很小，膨胀机效率较高，且使用寿命较长；滑片上受到的负荷作用力则不产生轴向推力。多组滑片的结构可以保证进出口都没有间断进气和排气的现象，使流体脉动现象得以缓和。

⑤气缸随转的滑片式膨胀机比透平膨胀机的结构更简单，成本较低；机械密封只需要1个，且因其所承受的压力为出口低压，所以对机械密封的要求不高。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图主剖面图；

图2是本发明实施例的结构示意图左剖面图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于设备本身而言，指向设备内部的方向为内，反之为外，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“左、右”的含义指的是阅读者正对附图时，阅读者的左边即为左，阅读者的右边即为右，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

本发明中所述的“顺时针”和“逆时针”的含义指的是附图中所显示的顺时针和逆时针的方向，是为了方便阅读者的阅读理解时的定义，而非对本发明的装置机构的特定限定。

如图1所示，本发明的气缸随转的滑片式膨胀机，其特征在于，包括带底座的机壳1、动气缸2、转子3、轴承组4、机械密封5；所述机壳1包括筒体1-7、设置在简体1-7左侧的左端盖板1-1、导流盘1-2和设置在筒体1-7右侧的右端盖板1-8，所述导流盘1-2设置在左端盖板1-1右侧的凹腔内；动气缸2设置在筒体1-7内，且与筒体1-7同轴设置；转子3设置在动气缸2内，且所述动气缸2与转子3之间偏心设置，转子3的转盘3-2的外壁与动气缸2的气缸2-1内壁不相切，两者之间保持一定距离，形成偏心环形腔室；在所述左端盖板1-1上设有进气口1-1-1和出气口1-1-2，并分别通过过渡腔室与导流盘1-2上的进口缺口1-2-1和出口缺口1-2-2相连通；所述转子3包括左端轴段3-1、转盘3-2和右端轴段3-3；以转子3的圆心为原点，以转子的圆心与气缸2-1和转盘3-2之间最小距离点的连线为x轴正方向建立平面直角坐标系，转子3逆时针转动；所述导流盘1-2的外径与动气缸2内径相同，进口缺口1-2-1和出口缺口1-2-2均分别包括始边、终边和圆弧底边；所述圆弧底边与转盘3-2外径重合，所述进口缺口1-2-1和出口缺口1-2-2均与气缸2-1和转盘3-2之间的腔室互相连通；所述进口缺口1-2-1在其右端面上的始边和终边分别位于方位角0°和30°之间的区域，所述出气口1-1-2在其右端面上的始边位于方位角210°左右，其终边位于240～270°之间的区域，膨胀压比较大的场合宜选取较大的终边方位角。

在转盘3-2上均匀分布n条轴向矩形沟槽3-2-1，其中n为6～12的偶数；在各矩形沟槽3-2-1中分别嵌入与转盘3-2等长的1块宽滑片3-4和n-1块窄滑片3-5，且宽滑片3-4嵌入气缸2-1内壁的轴向等腰梯形槽2-1-1内，使转子通过嵌入气缸2-1的宽滑片3-4带动动气缸2同步转动，窄滑片3-5在压缩弹簧3-7及离心力的作用下与气缸2-1的内壁相抵触；在每对矩形沟槽3-2-1的内侧设有2个用于放置压缩弹簧3-7的径向通孔3-1-2；所述转子3的左端轴中心设有轴向圆孔3-1-3，其深度超过矩形沟槽3-2-1中最右侧的径向通孔3-1-2的位置，其孔径大于径向通孔3-1-2的孔径；各矩形沟槽3-2-1分别通过对应的径向通孔3-1-2与轴向圆孔3-1-3相连通；轴向圆孔3-1-3通过可转动密封接头与设置在左端盖板1-1上的轴承盖板1-5中心的冷却气体接口1-6相连通。

在所述宽滑片3-4和窄滑片3-5的两侧表面上设有微小气槽，用于减小滑片与沟槽的摩擦阻力并冷却材料。

所述左端盖板1-1连接至筒体1-7的左端法兰；所述右端盖板1-8连接至筒体1-7的右端法兰；所述导流盘1-2通过内六角头螺钉1-3和圆柱销1-4固定在左端盖板1-1右侧的凹腔内。

所述动气缸2还包括气缸右端板2-2，气缸右端板2-2连接在气缸2-1的右端面上；所述动气缸2通过设置在气缸右端板2-2上的第一轴承4-1与机壳的右端盖板1-8相连接；所述转子3通过设置在左端轴段3-1的第三轴承4-3与机壳的左端盖板1-1相连接；所述转子3通过设置在右端轴段3-3上的第二轴承4-2与机壳的右端盖板1-8相连接；位于第二轴承的外侧，转子3的右端轴段3-3与机壳的右端盖板1-8之间还设置有机械密封5。

在每组相对的矩形沟槽3-2-1内靠近转盘3-2两侧端面的对称位置分别设置有2个贯通的径向通孔3-1-2，该2个径向通孔3-1-2内设置有与其间隙配合的导销3-6，导销3-6的直径小于矩形沟槽3-2-1的宽度，且导销3-6固定在宽滑片3-4的内侧端面上，导销3-6用于引导滑片滑动和阻尼冷却气体从转盘端面泄漏。

所述进口缺口1-2-1和出口缺口1-2-2的始边和终边均为引导气流由轴向过渡到斜切向的机翼型曲面。

动气缸2的右端为封闭式结构，左端开放式结构。

在每对矩形沟槽3-2-1的中间段均匀设置至少1个用于通气的径向通孔3-1-2。

如图2所示，转子3作逆时针转动，转盘3-2上的宽滑片3-4通过嵌入气缸的轴向等腰梯形槽2-1-1内带动动气缸组件转动；各窄滑片3-5在离心力作用下贴气缸表面滑动；各滑片将气缸内壁与偏心布置的转盘之间的偏心环形腔体分隔形成容积周期性变化的腔室；工质由机壳的左端盖板1-1上的进气口1-1-1通过导流盘1-2上的进口缺口1-2-1进入较小的容积腔室，随后开始膨胀过程，在腔室容积最大的位置结束膨胀过程，进入排气过程，排出的乏气工质通过导流盘上的出口缺口1-2-2排出机壳左端板上的出气口1-1-2；工质在膨胀过程通过对各滑片的作用力驱动转子旋转，从而驱动发电机发电或驱动其他动力设备。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。