CN1123693C - 切向射流力驱动回转式流体－机械能转换装置 - Google Patents

Abstract

切向射流力驱动回转式流体能-机械能转换装置，为一种将流体的压力能转换成机械能或电能的装置。本发明的主要特征在于；装置由一根输出轴，一个与输出轴一体的转动体，两个设置在转子上的，沿切线方向射流的喷嘴等零件构成。压力流体沿轴向通道，径向通道，最后从切向喷嘴高速喷出，高速射流的射流反作用力形成一个推动转子及输出轴一起转动的力偶矩，驱动转体及输出轴转动，完成将流体能转换成机械能的能量转换过程。由于只有一个运动件且处处受力平衡，故本发明结构简单，体积小，成本低，效率高，可靠性高，寿命长，尤其适应于高压低粘度流体的场合。

Description

切向射流力驱动回转式流体—机械能转换装置

本发明为一种将流体压力能转换成机械能的装置，特别是一种利用切向射流反作用力推动转子及与之一体的输出轴转动的能量转换装置。

在现有流体能—机械能转换装置中，主要有静压式及动压式两大类。而在静压式能量转换装置中，较具有代表性的结构形式是齿轮式，叶片式及柱塞式。无论哪一种形式，或是因为各处的受力难以平衡，或是因为相对运动面及相对运动零件数较多，难以达到高效、价廉、可靠、功率密度大等要求，尤其是对于高压、高温、低粘度流体如水、蒸汽、内燃气等的应用时，情况更是如此。

在动压式流体能——机械能转换装置即所谓透平机械中，最具有代表性的是射流冲击涡轮叶片式和反作用涡轮叶片式。这两种透平机械的共同弱点在于结构复杂，制造成本高，体积大，泄漏损失大等，高压时问题更为突出。

经检索有关流体能——机械能转换装置方面的专利和文献，有以下8篇相近专利文献：

1.喷射式自旋水轮汽轮机/CN1040852A，中国发明专利数据库。

2.切向射流旋转喷嘴/CN2288780Y，中国实用新型数据库。

3.高效流水能转换装置/公告号852007，中国实用新型数据库。

4.流体压强自动转换式发电机/CN2140971Y，中国发明专利数据库。

5.流体动力发动机/CN3218422Y，中国实用新型数据库。

6.用物态转换的方式引导水能发电的装置/CN1221071A，中国发明专利数据库。

7.动力转换装置/公开号86100619，中国发明专利数据库。

8.流水能量转换装置/公开号87102885，中国发明专利数据库。

虽然这些专利或文献所提出的换能装置与本专利有某些类似，但在换能原理和装置结构上均存在三个共同的问题，一是换能效率低；二是结构复杂；三是轴线铅垂布置的转子的轴向支承结构和性能均不理想。

针对这种现状，本发明的目的旨在提供一种结构简单，适应压力范围宽，效率高，功率密度大，成本低，可靠性高，相对运动面少且受力完全平衡的流体能——机械能转换装置。

发明的意图是这样实现的，在一个园筒状的转子中部，开有将高压流体导入的轴向通道，该通道连通两个(当然也可以是多个，但两个最好)沿径向伸出但端部被堵死的径向通道，在与各径向通道轴线垂直或构成一定夹角的方向上，开有一个或多个直径远远小于径向通道的射流小孔，两个径向通道上的射流小孔的方向正好相反。这样，当高压流体沿轴向通道进入后，分别流入两个径向通道，再从相对于转子本身来说为切向的两个射流小孔反方向喷出，由这两个射流小孔产生的射流反作用力，构成一个推动转子沿与射流方向相反方向旋转的力偶矩，带动转子及输出轴一起转动。实现将流体的压力能转换成机械能这一能量转换过程。

在流量一定的情况下，改变射流小孔的位置便可得到不同的转速及力矩，通过控制射流小孔的大小及数目便可方便地控制***压力。此外，因转子及输出轴为一体且由静压轴承加螺旋槽动压轴向轴承及径向轴承支承，同时采用轴向间隙可自动补偿式结构，从而可望获得很高的机械效率及容积效率。

在轴向承压盘的上端面设置了配流面，在配流面上开有一组螺旋槽，该螺旋槽在转子和承压盘发生相对转动，并在泵送液充满两转动摩擦面间隙的条件下，将产生一定的动压力。因此配流面实质上是一种动静压平面轴承，有三个作用：

1.使两旋转摩擦付的摩擦面始终分开，不会直接接触。

2.摩擦面间液层的动静压力自动平衡了转子与轴向承压盘问的轴向压力。

3.两摩擦面间液层的动静压力形成压力阻隔，相对于配流面的内外部空间起到密

  封作用。

与传统的静压式或涡轮叶片动压式流体压力能——机械能转换装置相比，依据本发明所构成的装置只有一个运动件及一个配流平面，故结构十分简单，体积小，成本低，可靠性高，效率高，寿命长。尤其对于低粘度流体如海水、淡水、蒸汽、内燃气等压力流体的应用，其技术效果及经济效果是现有任何一种流体马达或透平机械都无法比拟的。

本发明用于水力发电的实施例，由图1-图4给出。

图1为根据本发明所构成的切向射流力驱动式水力发电机***的结构简图。

图2为图1中A-A剖面的剖视图。

图3为图1中B-B剖面的剖视图。

图4为具有正反转结构的水力发电机转子剖面图。

图1-图4中符号说明：

  1：轴向承压盘；2：球面支座；3：转子；4：联轴节；5：发电机转子轴；6、

7：径向流体通道；8、9：射流喷嘴；10：增压泵；11：轴向轴承；12：轴向间隙

补偿环；13：径向轴承；14：发电机转子；15：调压阀；16：辅助喷嘴；17、18：

反向旋转用径向流体通道；19、20：反向旋转用喷嘴。

下面结合图1-图4详细说明依据本发明提出的切向射流力驱动式水力发电机***的具体结构及工作原理。

如图1所示，转子3与输出轴3a连成一体，通过联轴节4与发电机14的转子轴5连接。两条径向流体通道6、7分置于转子3的两边，两个沿转子切线方向射流的射流喷嘴8和9则分别与径向流体通道6、7接通，如图2所示。

当来自大坝或其它地方的压力水经入口I进入球面支座2及设有螺旋槽轴承的轴向承压盘1以后，经配流面C分别进入转子上的两条径向流体通道6、7，最后经两个喷嘴8、9沿相反的切线方向喷射而出。

由射流引起的反作用力F8和F9构成一个推动转子及输出轴等沿图示方向旋转的力偶矩，与转子3同步旋转的输出轴3a，通过联轴节4带动发电机转子轴5不停地旋转，完成将水的压力能变成电能的转换过程。

为了防止水中污物进入配流面C和提供平面轴承的静压力，采用一台增压式或其他形式的水泵10将高压水(其压力P2高于入口处I的压力P1)注入配流面上的环形槽d，高压水沿环形缝隙喷入配流面中心，有效地防止任何污物进入配流面C。

由增压泵10提供的高压水同时通过轴向间隙补偿环12进入压力腔j，保证轴向轴承11始终将转子3压紧在轴向承压盘1上。轴向轴承11与转子3之间，可采用与图3所示形状类似的螺旋槽轴承支承。

如图3所示为使配流面C上的螺旋槽轴承工作良好及保证球面支座2与轴向承压盘1之间密封良好，在配流面C及转子3和间隙补偿环12上开设的环型槽f、g、h均通至环境压力Pa。

另外，配流面C与转子之间采用静压及动压式轴承联合支承。在正常情况下，转子、电机转子轴等零件的重量及压力腔j的合力之矢量和正好与配流面C上的静动压合力所平衡，而当轴向负荷改变或其他因素引起间隙变小进而可能产生摩擦面接触时，开设在配流面C上，如图3所示的螺旋槽动压轴承的流体动压力便会迅速升高即轴向承载能力迅速增加，迫使两上平面分离开但保持在一个很小的间隙范围内，有效地保证转子与轴向承压盘之间总是处于流体润滑状态同时泄漏又非常小。

因为径向载荷全部平衡，故所有的径向轴承13的设计都将变得十分容易。

显然，这种新型发电机的另一优点在于，通过调整喷嘴的位置及射流孔的几何参数便可得到不同的力矩，转速等。只要设计得当，整个***便可以工作在几乎没有任何磨损及气蚀的状态。即使因为喷嘴在长期运行后有所磨损需要更换，操作也十分简单。

为防止***压力过高，可考虑在径向流体通道上设置调压阀15及辅助喷嘴16，如图2所示。

如果需要输出轴反方向旋转，只需要在转子上设置另一轴向通道S及另外两条径向流体通道17、18及另一组喷嘴19、20，如图4所示。不过，此时喷嘴19、20的喷射方向与图2中的方向相反，参见图4中所示的反向力偶矩F19及F20。

顺便指出，本发明的基本原理也可用于许多其它产品如蒸汽发电机、内燃机，海水或淡水驱动的高速马达，高速机械加工动力头，无传扭杆式石油及采矿工程用钻头，高速气动工具，高速小型气动牙科医疗钻等等。

Claims (3)

1.一种切向射流力驱动回转式流体能——机械能转换装置，其特征在于：由一个转子(3)，与转子(3)一同旋转的输出轴(3a)，与转子(3)一同旋转的两个或多个沿切向产生高速射流的喷嘴(8)和(9)构成。

2.根据权利要求1所述的切向射流力驱动回转式流体能——机械能转换装置，其特征在于：与转子(3)及输出轴(3a)，一同旋转的一个或多个沿切向或与切向形成一定夹角的喷嘴产生的高速射流所构成的反作用力，形成一力偶矩，该力偶矩推动转子及输出轴作与射流方向相反的转动。

3.根据权利要求1所述的切向射流力驱动回转式流体能——机械能转换装置，其特征在于：转子(3)与轴向承压盘(1)之间，设置了一个相互运动的配流面，该配流面同时又是轴向载荷支承面和密封面。

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