[實用新型]螺錐轉子及螺錐膨脹機構

有效

• 申請號: 201420013089.0
• 申請日: 2014-01-09
• 公開（公告）號: CN203702262U
• 公開（公告）日: 2014-07-09
• 發明（設計）人: 黃友鋼
• 申請（專利權）人: 北京發源動力機械設計研究有限公司
• 主分類號: F01C21/08
• 分類號: F01C21/08;F01C1/16
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產權代理有限公司 11129
• 代理人: 李翀

技術領域

本實用新型涉及一種容積式流體機械、動力機械，具體涉及通過變化容積的工作空間將熱能轉換為機械能的機構。

背景技術

傳統的汽輪機熱功轉化設備是利用高壓、高溫過熱蒸汽推動汽輪機轉換成軸功率，再帶動同步發電機發電，從而實現熱能到電能的轉換，但是汽輪機必須消耗過熱蒸汽這樣的高品位熱源，無法使用低品位熱源。同時由于汽輪機在熱功轉換過程中產生很多乏汽，導致能源利用效率較低。

燃氣輪機是常用的將高溫氣體工作介質轉化成機械功的旋轉式動力機械，主要包括壓氣機、燃燒室和燃氣透平這三大部件。壓氣機將由外界大氣吸入的空氣壓縮，壓縮空氣被壓送到燃燒室與燃料混合燃燒生成高溫高壓的燃氣，燃氣進入燃氣透平中膨脹做功，推動透平帶動壓氣機和輸出轉子一同旋轉。

首先，由于燃氣輪機的熱力循環一般為工作介質取自大氣的開式循環，且其零件材料為高溫合金，因此工作溫度對其輸出功率的影響很大。當工作溫度升高時，燃氣輪機不得不進行冷卻，導致能源利用效率較低。

其次，現有的燃氣輪機采用等壓膨脹為主的布萊頓循環，空氣的等壓比熱容CP=1.005kJ/(kgK)，等容比熱容Cv=0.716kJ/(kgK)，等質量燃氣升高至相同溫度時，等壓膨脹會比等容膨脹需要更多的能量，因此為了進一步降低能耗，減少等壓膨脹過程并增加等容膨脹過程成為目前動力機械的設計趨勢。

實用新型內容

本實用新型針對現有技術中能源利用效率低的問題，使用具有旋轉式的螺錐曲面的螺錐轉子作為膨脹機構，利用其特有的連續可變封閉空間的容積變化來釋放高溫高壓工作介質熱能，可以提高熱能利用效率的螺錐膨脹機構。

本實用新型的技術方案如下：

一對螺錐轉子，其特征在于：包括具有凸齒的凸形轉子、具有凹槽的凹形轉子和具有雙內錐面的外殼；所述凸形轉子和凹形轉子相向旋轉且存在交疊區域，均具有沿旋轉軸逐漸收斂的錐形外廓；所述凸齒和凹槽在錐面上自小端向大端螺旋延展；所述凸齒的曲面、凹槽的曲面和外殼的內表面共同構成連續、容積隨旋轉方向變化、封閉的工作空間。

所述凸齒和凹槽的齒形曲線為分別變換到同一個基準球面上的一對平面共軛曲線，所述平面共軛曲線和外廓弧線在三條曲線的兩個交匯處無泄漏三角形。

所述凸齒和凹槽的曲面生成方法包括：

1）分別將一對共軛曲線與外包絡相交圓弧曲線由平面映射到一個基準半徑的球面上，形成球面上的連續變化封閉區域；

2）將映射在所述基準半徑的球面上的所述一對共軛曲線向球心方向衍生出兩組有限的不同半徑球面曲線簇，所述球面曲線簇各自按螺錐母線函數關系和距離球心半徑的比例關系排列，并沿共同軸線旋轉角度旋轉，即分別得到所述凸齒和凹槽的共軛曲面；

3）將映射在所述基準半徑的球面上的所述外包絡相交圓弧曲線向球心方向衍生出一組有限的不同半徑球面曲線簇，所述球面曲線簇按距離球心半徑的比例關系排列，形成具有雙內錐面的外殼。

所述凸齒和凹槽的螺錐母線函數關系相同，如方程（1）所示：

x=α×θ×cos(θ)

y=α×θ×sin(θ)????（1）

z=β×θγ

式中：

x、y、z為螺錐母線的坐標點

α為螺錐大端直徑系數

θ為螺錐旋轉角度值

β為螺錐長度系數

γ為螺旋升角冪指數

螺錐母線向x-y平面上的投影符合阿基米德螺線規律，z-θ展開為冪指數關系。

所述γ指數的值為1.2～3.0。

所述凸形轉子的旋轉軸與凹形轉子的旋轉軸交叉，夾角為25°～60°。

所述凸形轉子和凹形轉子之間及兩者與外殼之間的偏差小于20微米。

所述凸形轉子、凹形轉子和外殼采用五軸聯動數控加工中心制造。

所述凸形轉子和凹形轉子使用復合結構陶瓷材料制作。

使用所述一對螺錐轉子的螺錐膨脹機構，其特征在于：所述螺錐轉子的大端一側設置同步齒輪箱。

本實用新型的技術效果如下：