一种膨胀比可调活塞式膨胀机的制作方法

本发明涉及膨胀机领域，特别是涉及一种膨胀比可调活塞式膨胀机。

背景技术：

膨胀机是一种利用具有一定压力的汽体膨胀对外输出机械功的机械，主要用于低品位能源的回收，膨胀机的对外输出机械功可以驱动发电机发电，也可以直接驱动机械设备。膨胀机与压缩机是依据使用条件或功能不同来命名的，压缩机的使用条件是由动力驱动，其功能是将低压汽体压缩为高压汽体；膨胀机的使用条件是通入高压汽体，从出口获得低压汽体，并推动转子转动，其功能是向外输出动力。

膨胀机按运行工作模式一般分为两类：一种是以汽体速度能对外做功的膨胀机（如：透平膨胀机），另一种是以汽体在设备可变容积中膨胀对外做功的膨胀机（如：活塞式膨胀机、螺杆式膨胀机、旋片式膨胀机等）。

其中活塞式膨胀机的原理是通过通入高温高压的汽体是使活塞进行轴向移动，活塞的轴向移动再作用在曲轴驱动曲轴进行转动，实现动力的输出。

现有大部分膨胀机的膨胀比根据理想的工况设计，在膨胀机运行中，因有些能源供给有波动，当膨胀机入口汽体工况(包括压力和温度)发生变化或出口汽体工况(包括压力和温度)，与原有膨胀比不匹配，就会造成过膨胀和欠膨胀情况的发生。膨胀机入口汽体压力高于设计压力或出口汽体压力低于设计压力时，会发生欠膨胀；膨胀机入口汽体压力低于设计压力或膨胀机出口压力高于设计压力时，会发生过膨胀。以上两种情况都会导致膨胀机效率降低。

所以，需要设计一种新的膨胀机，以便克服现有膨胀机存在的上述缺陷。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种膨胀比可调活塞式膨胀机，通过联动机构来调节活塞与汽缸盖距离，从而调节进汽容积，起到调节膨胀机膨胀比的效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种膨胀比可调活塞式膨胀机，包括机壳和设置在机壳一端的汽缸盖，所述的机壳的内部同轴转动设置有与汽缸盖相靠的旋转汽缸，所述的旋转汽缸上绕圆周轴向均匀设置有若干个活塞孔，所述的活塞孔内设置有可自由移动的活塞，所述的汽缸盖上设置有可依次与任意一个活塞孔相连通的进汽管和排汽管，所述的旋转汽缸的一端居中穿过汽缸盖设置有旋转汽缸轴，所述的机壳的内部还设置有可轴向移动的可调斜盘，所述的可调斜盘的一端斜面与活塞一端的活塞滑蹄的斜面配合接触，所述的可调斜盘的另一端设置有驱动可调斜盘进行轴向移动的调节机构。

本发明的主要的原理是进汽管与配汽槽将高温高压工质汽引入旋转汽缸内配置的活塞孔中，其中进汽位置的活塞孔与活塞及汽缸盖配合形成进汽容积腔，高温高压工质汽进入到活塞孔中使对应的活塞产生推力，活塞的轴向推力通过活塞滑蹄的光滑斜面作用在可调斜盘的光滑斜面上，所述两个相互作用的斜面布有润滑油且光滑，所以活塞滑蹄作用在可调斜盘上的力发生了分解，分解产生了一部分沿可调斜盘斜面由厚至薄方向的侧滑力，侧滑力反作用到旋转汽缸上形成了旋转力矩，推动旋转汽缸与旋转汽缸轴旋转，向外接的磁力联轴器输出机械能。

进汽管持续进汽做功，当旋转汽缸的活塞孔运行至汽缸盖的排汽槽位置时，在旋转力矩作用下可调斜盘的斜面通过活塞滑蹄推动活塞向汽缸盖方向移动，将做功后的泛汽（低温低压工质汽）通过排汽槽，向排汽管排出，这样旋转汽缸得以持续地转动形成工作循环。旋转至即将与排汽槽连通的活塞孔与活塞及汽缸盖配合形成泛汽容积腔，泛汽容积腔与进汽容积腔之间的体积比就是膨胀比。

而膨胀比的调节原理为：当泛汽容积腔的压力低于排汽管的压力且超过所需范围时工质汽过膨胀，调节机构驱动可调斜盘与活塞同步向远离汽缸盖的方向轴向移动，这时进汽容积腔变大一定量，进汽量变大，虽然泛汽容积腔也同步变大一定量，但分析可得出泛汽容积腔变大的比例远小于进汽容积腔变大的比例，此时泛汽容积腔压力升高与排汽管的压力恢复到所需范围内，工质汽过膨胀现象消失。

同理，当泛汽容积腔的压力高于排汽管的压力且超过所需范围时工质汽欠膨胀，调节机构驱动可调斜盘与活塞同步朝汽缸盖的方向轴向移动，这时进汽容积腔变小一定量，进汽量变小，虽然做功后的泛汽容积腔也同步变小一定量，但分析可得出泛汽容积腔变小的比例远小于进汽容积腔变小的比例，此时泛汽容积腔压力降低与排汽管的压力恢复到所需范围内，工质汽欠膨胀现象消失。

通过以上调节，避免了活塞式膨胀机内工质汽的过膨胀或欠膨胀情况发生，保证活塞式膨胀机的热效率。

作为优选，所述的调节机构包括设置在可调斜盘另一端的丝杆螺纹轴，所述的丝杆螺纹轴的外侧螺纹套接有调节蜗轮，所述的调节蜗轮的外侧啮合有调节蜗杆，所述的调节蜗杆可以由伺服电机驱动，带动调节蜗轮转动，而调节蜗轮只会沿膨胀机轴心原地自转，所以带动丝杆螺纹轴和可调斜盘9进行轴向移动。

实际上调节机构的结构有很多中，也可以通过其他方式来驱动套接在丝杆螺纹轴外侧的驱动轮，如齿轮、链条、皮带等等，当然，蜗轮蜗杆机构的精确度比较高。

作为优选，所述的进汽管的一端与活塞孔相对应的位置配汽槽，配汽槽呈径向布置的长条形以提高进汽的速度，配汽槽朝旋转方向偏离活塞上止点一定角度，方便膨胀机的启动。所述的汽缸盖的内壁上设置有可依次与若干个活塞孔相连通的排汽槽，整个排汽行程旋转汽缸与活塞须旋转将近175°进入到排汽槽中的泛汽速度相对较低，所以排汽槽沿汽缸盖圆周方向呈弧形布置约160°（型号不同弧度不同）可多个活塞孔一起排汽，所述的排汽槽与排汽管相连通，实现排汽。

作为优选，所述的机壳的另一端内部设置有外侧圆周面通过螺纹与机壳的内侧壁相啮合的支撑盘，所述的支撑盘的一端居中轴向设置有旋转汽缸轴向支撑轴，所述的旋转汽缸轴向支撑轴的一端通过旋转汽缸支撑轴承与旋转汽缸轴承孔将旋转汽缸在机壳内轴向定位，并将旋转汽缸轻压在汽缸盖上，与润滑油配合在保证一定汽密性润滑性条件下旋转汽缸还可以自由旋转，而且能保证同心度，而且支撑盘与调节蜗轮之间设置有调节机构支撑轴承，对调节蜗轮进行轴向的限位。

作为优选，所述的汽缸盖内部靠近排汽槽的位置安装有测压孔，测压孔内可以检测泛汽容积腔内压力与排汽管内压力进行对比，作为调节膨胀比的依据，测压工作由外接压力变送器完成，一般意义上的压力变送器主要由测压元件传感器（也称作压力传感器）、测量电路和过程连接件三部分组成。它能将测压元件传感器感受到的汽体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号（如4~20madc等），以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。

作为优选，所述的活塞孔靠近可调斜盘的一端内部设置有活塞润滑配油槽，所述的旋转汽缸的侧壁上设置有与每个活塞孔相对应的活塞上部润滑配油孔。所述的机壳的内侧壁上设置有与活塞上部润滑配油孔相对应的密封润滑油槽，活塞孔高速旋转，活塞高速往复运动也相对活塞孔高速自转，所以润滑很重要。在旋转汽缸转动时，从封盖处通过润滑油进油孔用细长管注入的润滑油在润滑完旋转汽缸支撑轴承后在离心力的作用会进入到活塞润滑配油槽中，在活塞润滑配油槽聚集，并在活塞往复的过程中进行润滑。另有润滑油通过密封润滑油槽导入到活塞上部润滑配油孔的位置，并进入到活塞孔中，在活塞往复的过程中对活塞的上部进行润滑密封，密封润滑油槽还须保证密封旋转汽缸与机壳的一定汽密性与润滑性。另外，旋转汽缸与汽缸盖配合设有迷宫密封润滑油槽，可以进一步地对旋转汽缸与汽缸盖之间的间隙进行密封与润滑。

作为优选，所述的机壳、汽缸盖、封盖以及旋转汽缸轴向支撑轴上均设置有润滑油进油孔，所述的机壳侧壁上还设置有润滑油出油孔，具有多个润滑油进油孔，通过这些润滑油进油孔可以保证润滑油的持续均匀地加入，而且多余的润滑油可以从润滑油出油孔排出，并形成循环。

作为优选，所述的可调斜盘的斜面居中设置有一圈带有折边的活塞限位台，所述的活塞滑蹄嵌入到活塞限位台一侧的凹槽中并沿着活塞限位台进行移动，活塞滑蹄的角度是不会变得，只会沿着可调斜盘的斜面滑动，通过活塞限位台的导向以提高其滑动的规律性。

作为优选，所述的可调斜盘的侧壁轴向设置有突出滑块，所述的突出滑块嵌入到机壳内侧壁上的滑槽内，允许可调斜盘轴向一定范围内滑动，而阻止其圆周旋转。

作为优选，所述的支撑盘的另一端居中径向嵌入设置有锁止横铁，所述的锁止横铁的两端面为凸齿面，该凸齿面与机壳另一端内侧壁上的一圈轴向凸齿面相啮合，所述的机壳的另一端通过封盖进行密封。支撑盘是可以旋转调节的，膨胀机内部机件调节好后通过锁止横铁两端与轴向凸齿面相啮合防止支撑盘转动，实现锁止定位整个膨胀机内部机件。

有益效果：本发明涉及一种膨胀比可调的活塞式膨胀机，采用了一种与现有技术构思完全不同的结构，结构紧凑合理，具有以下优点：（1）通过测压孔检测泛汽容积腔内压力与排汽管内压力对比，作为调节膨胀比的依据，需调节时，通过驱动可调斜盘来调节活塞与汽缸盖距离，从而调节进汽容积与泛汽容积之比，起到调节膨胀机膨胀比的效果，工况变化时保证活塞式膨胀机的热效率；（2）具有多个润滑油进口保证旋转汽缸与机壳配合设有润滑密封配油槽，旋转汽缸与汽缸盖配合设有迷宫密封润滑油槽，保证整个机体润滑性汽密性良好，同时保证各轴承，活塞及滑蹄与可调斜盘润滑良好；（3）配汽槽朝旋转方向偏离活塞最高点一定角度，保证活塞在做功行程位置时进汽，有利于膨胀机启动并防止因过早进汽使进汽容积腔形成反压缩；（4）支撑盘与机壳给与旋转汽缸合适预压力，与润滑油配合保证旋转汽缸与汽缸盖配合的汽密性，锁止横铁与机壳端盖配合锁止支撑座位置；（5）旋转汽缸内圆周均匀分布若干活塞孔与活塞，旋转汽缸旋转形成：进汽—膨胀做功—排汽，依次连续循环，使机械能输出平稳。

附图说明

图1是本发明的整体剖视立体结构图；

图2是本发明膨胀比较大时的示意图；

图3是本发明膨胀比较小时的示意图；

图4是本发明旋转汽缸与汽缸盖的配汽图；

图5是本发明旋转汽缸的结构简图；

图6是本发明旋转汽缸的结构简图；

图7是本发明调节斜体和调节机构的分解立体示意图；

图8是本发明活塞、可调斜盘和调节机构组合示意图；

图9是本发明的旋转汽缸的轴向支撑组合简图；

图10是本发明机壳旋转汽缸区润滑油槽结构简图；

图11是本发明活塞结构简图。

附图标记：1.旋转汽缸，2.活塞，3.汽缸盖，4.机壳，5.进汽管，6.旋转汽缸轴，7.压力传感器，8.排汽管，9.可调斜盘，10.调节机构，11.支撑盘，12.封盖，13.润滑油进油孔，14.润滑油出油管，15.丝杆螺纹轴，16.突出滑块，17.活塞限位台，18.活塞润滑配油槽，19.活塞上部润滑配油孔，20.迷宫密封润滑油槽，21.旋转汽缸轴承孔，22.旋转汽缸轴向支撑轴，23.配汽槽，24.排汽槽，25.密封润滑油槽，26.锁止横铁，27.活塞滑蹄，28.滑槽，29.活塞孔，30.进汽容积腔，31.泛汽容积腔，32.调节机构支撑轴承，33.旋转汽缸支撑轴承，34、调节蜗轮；35、调节蜗杆。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1-11所示，本发明的实施方式涉及一种膨胀比可调活塞式膨胀机，包括机壳4和设置在机壳4一端的汽缸盖3，其特征在于，所述的机壳4的内部同轴转动设置有与汽缸盖3相靠的旋转汽缸1，所述的旋转汽缸1上绕圆周轴向均匀设置有若干个活塞孔29，所述的活塞孔29内设置有可自由移动的活塞2，所述的汽缸盖3上设置有可依次与任意一个活塞孔29相连通的进汽管5和排汽管8，所述的旋转汽缸1的一端居中穿过汽缸盖3设置有旋转汽缸轴6，所述的机壳4的内部还设置有可轴向移动的可调斜盘9，所述的可调斜盘9的一端斜面与活塞2一端的活塞滑蹄27的斜面配合接触，所述的可调斜盘9的另一端设置有驱动可调斜盘9进行轴向移动的调节机构10。

作为发明的一种实施例，进汽管5与配汽槽23将高温高压工质汽引入旋转汽缸1内配置的活塞孔29中，其中进汽位置的活塞孔29与活塞2及汽缸盖3配合形成进汽容积腔30，高温高压工质汽进入到活塞孔29中使对应的活塞2产生推力，活塞2的轴向推力通过活塞滑蹄27的光滑斜面作用在可调斜盘9的光滑斜面上，所述两个相互作用的斜面布有润滑油且光滑，所以活塞滑蹄27作用在可调斜盘上的力发生了分解，分解产生了一部分沿可调斜盘斜面由厚至薄方向的侧滑力，侧滑力反作用到旋转汽缸1上形成了旋转力矩，推动旋转汽缸1与旋转汽缸轴6旋转，向外接的磁力联轴器输出机械能。

进汽管5持续进汽做功，当旋转汽缸1的活塞孔29运行至汽缸盖3的排汽槽24位置时，在旋转力矩作用下可调斜盘9的斜面通过活塞滑蹄27推动活塞向汽缸盖3方向移动，将做功后的泛汽（低温低压工质汽）通过排汽槽24，沿着排汽管8排出，这样旋转汽缸1得以持续地转动形成工作循环。旋转至即将与排汽槽24连通的活塞孔29与活塞2及汽缸盖3配合形成泛汽容积腔31，泛汽容积腔31与进汽容积30之间的体积比就是膨胀比。

所述的进汽管5的一端与活塞孔29相对应的位置配汽槽23，配汽槽23呈径向布置的长条形，提高了进汽速度，配汽槽23朝旋转方向偏离活塞2上止点一定角度，方便膨胀机的启动。所述的汽缸盖3的内壁上设置有可依次与若干个活塞孔29相连通的排汽槽24，整个排汽行程旋转汽缸1与活塞2须旋转将近175°且进入到排汽槽24中的泛汽速度比较低，所以排汽槽24沿汽缸盖3圆周方向呈弧形布置约160°（型号不同弧度不同），可多个活塞孔29一起排汽，所述的排汽槽24与排汽管8相连通，实现排汽。

其中，所述的汽缸盖3内部靠近排汽槽24的位置安装有测压孔7，测压孔7可检测泛汽容积腔31内压力与排汽管8内压力进行对比，作为调节膨胀比的依据，测压工作由外接压力变送器完成，一般意义上的压力变送器主要由测压元件传感器也称作压力传感器、测量电路和过程连接件三部分组成。它能将测压元件传感器感受到的汽体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号如4~20madc等，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。

作为本发明的一种优选结构，所述的调节机构10包括设置在可调斜盘9另一端的丝杆螺纹轴15，所述的丝杆螺纹轴15的外侧螺纹套接有调节蜗轮34，所述的调节蜗轮34的外侧啮合有调节蜗杆35，所述的调节蜗杆35可以由伺服电机驱动，带动调节蜗轮34转动，而调节蜗轮34只会沿膨胀机轴心原地自转，所以带动丝杆螺纹轴15和可调斜盘9进行轴向移动。

实际上调节机构10的结构有很多中，也可以通过其他方式来驱动套接在丝杆螺纹轴15外侧的驱动轮，如齿轮、链条、皮带等等，当然，蜗轮蜗杆机构的精确度比较高。

当外接压力变送器通过测压孔7测得汽体膨胀后泛汽容积腔31的压力低于排汽管8的压力且超过所需范围时工质汽过膨胀，plc启动伺服电机驱动调节蜗轮34反转，驱动可调斜盘9与活塞2同步向远离汽缸盖3的方向轴向移动，这时进汽容积腔30变大一定量，进汽量变大，虽然泛汽容积腔31也同步变大一定量，但分析可得出泛汽容积腔31变大的比例远小于进汽容积腔30变大的比例，此时泛汽容积腔31压力升高与排汽管8的压力恢复到所需范围内，工质汽过膨胀现象消失。

同理，当外接压力变送器通过测压孔7测得泛汽容积腔31的压力高于排汽管8的压力且超过所需范围时工质汽欠膨胀，plc启动伺服电机驱动调节蜗轮34正转，驱动可调斜盘9与活塞2同步朝汽缸盖3的方向轴向移动，这时进汽容积腔30变小一定量，进汽量变小，虽然泛汽容积腔31也同步变小一定量，但分析可得出泛汽容积腔31变小的比例远小于进汽容积腔30变小的比例，此时泛汽容积腔31压力降低与排汽管8的压力恢复到所需范围内，工质汽欠膨胀现象消失。

通过以上调节，避免了活塞式膨胀机内工质汽的过膨胀或欠膨胀情况发生，保证活塞式膨胀机的热效率。

所述膨胀机启动期间，不动作以上调节，启动完成后方可进入调节模式，所述膨胀机停机后，plc控制进汽容积腔30在最小膨胀比80%位置，便于下次启动。

本发明实施例中的所谓“高温高压”与“低温低压”是工质汽在膨胀机进口与出口的比较，并非绝对高与低。

作为优选，所述的机壳4的另一端内部设置有外侧圆周面通过螺纹与机壳4的内侧壁相啮合的支撑盘11，所述的支撑盘11的一端居中轴向设置有旋转汽缸轴向支撑轴22，所述的旋转汽缸轴向支撑轴22的一端通过旋转汽缸支撑轴承33与旋转汽缸轴承孔21将旋转汽缸1在机壳4内轴向定位，并将旋转汽缸1轻压在汽缸盖3上，与润滑油配合在保证一定汽密性润滑性条件下，旋转汽缸1还可自由旋转，而且能保证同心度，而且支撑盘11与调节蜗轮34之间设置有调节机构支撑轴承32，对调节蜗轮34进行轴向的限位。

为了能更好地进行润滑，减少运行的阻力，所述的活塞孔29靠近可调斜盘9的一端内部设置有活塞润滑配油槽18，所述的旋转汽缸1的侧壁上设置有与每个活塞孔29相对应的活塞上部润滑配油孔19。所述的机壳4的内侧壁上设置有与活塞上部润滑配油孔19相对应的密封润滑油槽25，活塞孔29高速旋转，活塞2高速往复运动也相对活塞孔29高速自转，所以润滑很重要。在旋转汽缸1转动的时，从封盖12处通过润滑油进油孔13用细长管注入的润滑油在润滑完旋转汽缸支撑轴承33后在离心力的作用会进入活塞润滑配油槽18中，在活塞润滑配油槽18聚集，并在活塞2往复的过程中进行润滑。另有润滑油通过密封润滑油槽25导入到活塞上部润滑配油孔19的位置，并进入到活塞孔29中，在活塞2往复的过程中对活塞2的上部进行润滑。密封润滑油槽25还须保证密封旋转汽缸1与机壳4的一定汽密性与润滑性。另外，旋转汽缸1与汽缸盖3配合设有迷宫密封润滑油槽20，可以进一步地对旋转汽缸1与汽缸盖3之间的间隙进行密封与润滑。

为了保障润滑油的补充，所述的机壳4、汽缸盖3、封盖12、以及旋转汽缸轴向支撑轴22上均设置有润滑油进油孔13，所述的机壳4侧壁上还设置有润滑油出油孔14，具有多个润滑油进油孔13，通过这些润滑油进油孔13可以保证润滑油的持续均匀地加入，而且多余的润滑油可以从润滑油出油孔14排出，并形成循环。

为了更好约束活塞滑蹄27在可调斜盘9上的滑动轨迹，所述的可调斜盘9的斜面居中设置有一圈带有折边的活塞限位台17，所述的活塞滑蹄27嵌入到活塞限位台17一侧的凹槽中并沿着活塞限位台17进行移动，活塞滑蹄27的角度是不会变的，只会沿着可调斜盘9的斜面滑动，通过活塞限位台17的导向以提高其滑动的规律性。

其中，所述的可调斜盘9的侧壁轴向设置有突出滑块16，所述的突出滑块16嵌入到机壳4内侧壁上的滑槽28内，允许可调斜盘9轴向一定范围内滑动，而阻止其圆周旋转。

另外，所述的支撑盘11的另一端居中径向嵌入设置有锁止横铁26，所述的锁止横铁26的两端面为凸齿面，该凸齿面与机壳4另一端内侧壁上的一圈轴向凸齿面相啮合，所述的机壳4的另一端通过封盖12进行密封。支撑盘11是旋转调节的，膨胀机内部机件调节好后通过锁止横铁26两端与轴向凸齿面相啮合可以防止支撑盘11转动，实现锁止定位整个膨胀机内部机件。

不难发现，本发明的技术方案通过联动机构来调节活塞与汽缸盖距离，从而调节进汽容积，起到调节膨胀机膨胀比的效果。