一种涡轮机
技术领域
本发明涉及涡轮机的
技术领域
，特别是涉及一种涡轮机。背景技术
由于现有的各类涡轮机都是以加速流体的直接冲击以驱动叶轮，该驱动方式的主要缺点是需要流体的流动速度远远大于叶轮的转速才能对叶轮产生有效驱动。当叶轮的转速逐步接近于流体的流动速度时，流体的驱动对叶轮的驱动效率也逐步下降，尤其再轻载或空载时，流体的驱动能量被大量的无作攻浪费掉，这是各类涡轮机的一大通病，位了解决这一不合理的输出缺点，现有的涡轮机往往需要在固定的转速下运转以及需要复杂的节流装置辅助才能达到较为理想的效益，如此系统性操控显得被复杂化，若在负载变化复杂的环境中工作更是难以达到理想的效益，这主要因为它的驱动方式使得叶轮再任何的转速及负载下也只是单纯的利用流体的动能作为驱动，而流体的位能、压能始终并未灵活的运用起来，故而他的工作效率自然就低，位了提高涡轮机的效率往往需要多级叶轮或多机连接使用的方式，这无疑让其体积显得庞大笨重，反应迟钝，这在实施小型化方面是难有实用价值，这些缺点表明现有的驱动技术并不适合高速运转，同时在低速运转受环境要求诸多限制。
发明内容
本发明的目的是：一种传动效率损耗低且用途适用范围广的涡轮机。
为了实现上述目的，本发明提供了一种涡轮机，包括座体和减速器，所述减速器包括一级传动部、二级传动部和三级传动部，所述一级传动部与所述二级传动部传动连接，所述二级传动部与所述三级传动部传动连接，所述三级传动部安装于所述座体，所述座体内旋转设置有外叶轮，所述外叶轮包括外轮体和空心轴，所述外轮体通过空心轴与所述二级传动部连接，所述外轮体包括上轮板和下轮板，沿所述外轮体的周向边缘间隔设置有多个外轮片，所述外轮片的两端分别与所述上轮板和所述下轮板连接，所述上轮板、所述下轮板和所述外轮片连接形成流体腔，所述流体腔内设置有内叶轮，所述内叶轮包括内轮体和内转轴，所述内转轴与所述空心轴同轴安装，所述内轮体通过所述内转轴与所述一级传动部连接，所述内轮体包括内轮板，沿所述内轮板的周向间隔设置多个内轮片，所述下轮板开设有排放口，所述排放口位于所述内轮体的对应下方，所述外叶轮设有环形喷嘴，所述环形喷嘴位于所述外轮片与所述内轮片之间，所述环形喷嘴包括流体入口和流体出口，所述流体入口朝向所述外轮片，所述流体出口朝向所述内轮片。
作为优选方案，所述减速器为行星减速器，所述行星减速器安装于所述座体的顶部，所述一级传动部为太阳轮，所述内转轴与所述太阳轮同轴安装，所述二级传动部包括行星架和至少两个行星轮，所述行星轮旋转安装于所述行星架，所述空心轴与所述行星架连接，所述太阳轮与所述行星轮啮合传动，所述三级传动部为内齿环，所述内齿环的中部开设有行星通孔，所述二级传动部安装于所述行星通孔内，所述行星轮与所述内齿环啮合安装，所述内齿环固定于所述座体。
作为优选方案，所述座体包括座壳和轴承基座，所述座壳的顶部开设有基座安装口，所述轴承基座通过基座安装口安装于所述座壳，所述轴承基座的上端周向突出形成有基座固定部，所述基座固定部固定于所述座壳的顶部，所述轴承基座的上端开设有行星安装腔，所述行星架安装于所述行星安装腔，所述轴承基座向下延伸形成通轴部，所述通轴部开设有通轴通孔，所述通轴通孔与所述行星安装腔连通，所述空心轴通过所述通轴通孔与所述行星架连接，所述内齿环套装于所述行星安装腔的外侧，所述内齿环固定于所述轴承基座。
作为优选方案，所述内轮片朝向所述外轮片的一端为外端，所述内轮片朝向所述内转轴的一端为内端，相邻所述内轮片所述外端之间的间隔大于所述内端之间的间隔。
作为优选方案，所述环形喷嘴环绕所述内轮体的外周设置，所述流体入口大于所述流体出口。
作为优选方案，所述流体入口的纵向截面积至少比所述流体出口的纵向截面积大一倍。
作为优选方案，所述环形喷嘴的内周面积至少比所述排放口的面积大一倍。
作为优选方案，所述环形喷嘴的外径与所述内轮体的直径比1.5－3。
作为优选方案，所述外轮片之间的间隔距离与所述外轮片沿所述外轮体径向方向的长度相等，所述外轮片沿所述外轮体径向方向的长度为所述外轮体直径的5％－20％。
作为优选方案，所述排放口的横截面积占所述内轮体的横截面积的50％－60％。
本发明实施例一种涡轮机与现有技术相比，其有益效果在于：通过流体驱动外叶轮旋转，外叶轮旋转时，通过外轮片推动流体进入流体腔做向心运动形成旋转流体，随旋转流体的增加在流体腔内的压力增大，旋转流体通过环形喷嘴时，环形喷嘴对旋转流体形成进一步挤压以提升旋转流体进入内叶轮的流动速度，通过旋转流体驱动内叶轮旋转，通过内叶轮旋转带动内转轴驱动一级传动部，一级传动部驱动二级传动部，二级传动部带动外叶轮旋转，从外叶轮边缘进入的流体再次重复上述过程进一步推动内叶轮旋转。最终，流体从排放口流出。内叶轮和外叶轮通过减速器相连接形成了相互循环驱动的结构，降低外叶轮与内叶轮在能量传递过程中的能量损耗，提高了流体的能量利用率。通过环形喷嘴将向心运动的旋转流体转换成切向驱动内叶轮的推动力，从而实现以动能转换成内叶轮转动机械能的目的。内叶轮的不同转速产生不同的离心势能，从而可根据负载情况实现自动节流的目的。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图。
图2是本发明实施例的内部结构示意图。
图3是本发明实施例的外叶轮结构示意图。
图4是本发明实施例的内叶轮结构示意图。
图5是本发明实施例的轴承基座结构示意图。
图中：
10、座体；11、座壳；12、轴承基座；13、基座固定部；14、行星安装腔；15、通轴部；16、通轴通孔；
20、减速器；21、太阳轮；22、行星架；23、行星轮；24、内齿环；
30、外叶轮；31、外轮体；32、空心轴；33、上轮板；34、下轮板；35、外轮片；36、流体腔；37、排放口；
40、内叶轮；41、内轮体；42、内转轴；43、内轮板；44、内轮片；
50、环形喷嘴；51、流体入口；52、流体出口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是焊接连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图5所示，本发明实施例优选实施例的一种涡轮机，包括座体10和减速器20，减速器20包括一级传动部、二级传动部和三级传动部，一级传动部与二级传动部传动连接，二级传动部与三级传动部传动连接，三级传动部安装于座体10，
座体10内旋转设置有外叶轮30，外叶轮30包括外轮体31和空心轴32，外轮体31通过空心轴32与二级传动部连接，外轮体31包括上轮板33和下轮板34，沿外轮体31的周向边缘间隔设置有多个外轮片35，外轮片35的两端分别与上轮板33和下轮板34连接，上轮板33、下轮板34和外轮片连接形成流体腔36，流体腔36内设置有内叶轮40，内叶轮40包括内轮体41和内转轴42，内转轴42与空心轴32同轴安装，内轮体41通过内转轴42与一级传动部连接，内轮体41包括内轮板43，沿内轮板43的周向间隔设置多个内轮片44，下轮板34开设有排放口37，排放口37位于内轮体41的对应下方，
外叶轮30设有环形喷嘴50，环形喷嘴50位于外轮片35与内轮片44之间，环形喷嘴50包括流体入口51和流体出口52，流体入口51朝向外轮片35，流体出口52朝向内轮片44。
在本发明的涡轮机，通过流体驱动外叶轮30旋转，外叶轮30旋转时，通过外轮片35推动流体进入流体腔36做向心运动形成旋转流体，随旋转流体的增加在流体腔36内的压力增大，旋转流体通过环形喷嘴50时，环形喷嘴50对旋转流体形成进一步挤压以提升旋转流体进入内叶轮40的流动速度，通过旋转流体驱动内叶轮40旋转，通过内叶轮40旋转带动内转轴42驱动一级传动部，一级传动部驱动二级传动部，二级传动部带动外叶轮30旋转，从外叶轮30边缘进入的流体再次重复上述过程进一步推动内叶轮40旋转。最终，流体从排放口37流出。内叶轮40和外叶轮30通过减速器20相连接形成了相互循环驱动的结构，降低外叶轮30与内叶轮40在能量传递过程中的能量损耗，提高了流体的能量利用率。通过环形喷嘴50将向心运动的旋转流体转换成切向驱动内叶轮40的推动力，从而实现以动能转换成内叶轮40转动机械能的目的。内叶轮40的不同转速产生不同的离心势能，从而可根据负载情况实现自动节流的目的。
以水为流体介质为例，内叶轮40直径为2.5cm，工作水压为0.3mpa，减速器20的速比为1：3，在0.3mpa压力的水头射速为24.2m/s的情况下进行测试，内叶轮40的转速达到291转/秒，即内叶轮40以22.8米/秒的速度旋转，这说明环形喷嘴50内流体的切向速度需达到22.8米/秒以上才能维持内叶轮40的转速在291转/秒，内叶轮40的转速几乎接近于水头射速，实现流体的能量转化率高，流体在传动过程中的损耗小，故而本发明的涡轮机在高速低转矩时具有运转效率高的特点。
内叶轮40直径为3cm，在上述相同的环境条件下测试内叶轮40的转速达到235转/秒，即内叶轮40周向以22.1米/秒的速度旋转，比上述例子略低，但均能平衡内压，故而功率不变，因此内叶轮40的直径尺寸决定其转速。
在排放口37的直径与内叶轮40的直径相同的情况下，排水口处的水流速度仅有0.8米/秒，只是流体水头射速的4％，故而本发明的涡轮机具有在空载时流量极小的特点。
在稳压环境条件下，从空载到满载时，排放口37的流量随着负载的增大而增大，内叶轮40的转速略有下降，但转矩随之增大，表明了环形喷嘴50内旋转流体的切向速度不受内叶轮40转速的影响，始终保持着接近恒速的状态，故而本发明的涡轮机具有接近于恒速的负载特性以及低转速时高转矩的特点。
当对本发明的涡轮机施于频率性负载时，排放口37处的流体水头跳动频率灵敏无迟滞现象，表面了水流的反应速度极快，涡轮机的机动性强。
在对本发明的涡轮机施于重负载时，流体腔36的内压下降至70％时，转矩开始逐步下降，将内叶轮40的内轮片44改为前弯式和流体喷射入口改为周向喷口时进行测试，转矩并无明显提升，这表明了流体的推动内轮片44的切向角度需始终垂直于内轮片44的径向角度为有效转矩，而稳压的环境条件下决定了转矩的有效范围。
将减速器20的速比增至1：5时，涡轮机空载时其表现得平衡内压能力有所下降，排放口37的流量有所增大，转矩有所增强，表明了内叶轮40和外叶轮30得速比对流量具有可操控性，是决定转子使用性质得关键参数，突出了转子对各环境具有宽泛得适用性。
空心轴32和内转轴42皆可作为输出轴，流量充沛时直接以内转轴42作为涡轮机的输出轴，流量匮乏时应以空心轴32作为输出轴，必要时可另配减速器20辅助，其目的是为了确保外叶轮30或内叶轮40在稳压环境中高效工作，一般使用流量不低于压强实际流量的10％。
如图1至图2所示，进一步的，减速器20为行星减速器20，行星减速器20安装于座体10的顶部，一级传动部为太阳轮21，内转轴42与太阳轮21同轴安装，二级传动部包括行星架22和至少两个行星轮23，行星轮23旋转安装于行星架22，空心轴32与行星架22连接，太阳轮21与行星轮23啮合传动，三级传动部为内齿环24，内齿环24的中部开设有行星通孔，二级传动部安装于行星通孔内，行星轮23与内齿环24啮合安装，内齿环24固定于座体10。具体的，内转轴42与太阳轮21同轴安装，进而带动太阳轮21旋转，空心轴32与行星架22同轴安装，由于行星轮23分别与太阳轮21和内齿环24啮合安装，太阳轮21旋转进而通过行星轮23带动空心轴32旋转，进而空心轴32带动外叶轮30旋转，进而实现内叶轮40与外叶轮30通过减速器20形成相互循环驱动的结构，提高流体驱动力的转化，降低流体驱动力在传动过程中的损耗。
进一步的，如图5所示，座体10包括座壳11和轴承基座12，座壳11的顶部开设有基座安装口，轴承基座12通过基座安装口安装于座壳11，轴承基座12的上端周向突出形成有基座固定部13，基座固定部13固定于座壳11的顶部，轴承基座12的上端开设有行星安装腔14，行星架22安装于行星安装腔14，轴承基座12向下延伸形成通轴部15，通轴部15开设有通轴通孔16，通轴通孔16与行星安装腔14连通，空心轴32通过通轴通孔16与行星架22连接，内齿环24套装于行星安装腔14的外侧，内齿环24固定于轴承基座12。通过轴承基座12实现内叶轮40和外叶轮30在座壳11上的安装。
进一步的，如图4所示，内轮片44朝向外轮片35的一端为外端，内轮片44朝向内转轴42的一端为内端，相邻内轮片44外端之间的间隔大于内端之间的间隔，以增大旋转流体对内轮片44外端的冲击面积，提高旋转流体对内轮片44的传动效率。内轮片44为前开式径向结构，即可为主动轮也可以作为启动轮，内轮片44的安装方向与环形喷嘴50喷出的旋转流体流动方向不在同一直线上即可。作为优选的，环形喷嘴50喷出的旋转流体方向垂直于外轮片35外端侧面，推动效率高。
进一步的，如图1所示，环形喷嘴50环绕内轮体41的外周设置，流体入口51大于流体出口52。具体的，环形喷嘴50包绕内轮体41设置，以增大环形喷嘴50喷出的旋转流体对内叶轮40的驱动作用入口面积。流体入口51大于流体出口52，以使从外叶轮30进入的流体在环形喷嘴50中得到进一步的挤压，以增大旋转流体进入内叶轮40的流动速度，进而提高旋转流体对内叶轮40的驱动速度，提高旋转流体对内叶轮40的驱动效率。
进一步的，如图1至图2所示，环形喷嘴50的流体入口51的纵向截面积至少比流体出口52的纵向截面积大一倍，流体入口51的纵向面积比流体出口52的径向面积大越多，随流体的流入的累积，环形喷嘴内的流体压力越大，旋转流体经环形喷嘴50流出的速度越快，旋转流体对内叶轮40的驱动效率越高。
进一步的，环形喷嘴50的内周面积至少比排放口37面积大一倍，以延长旋转流体内叶轮40中的作用时间，提升旋转流体中的驱动力对内叶轮40的传动作用，降低旋转流体在动力传输过程的损耗。
进一步的，环形喷嘴50的外径与内轮体41的直径比为1.5－3，环形喷嘴50的外径与内轮体41的直径比大于1.5，保证环形喷嘴50对内轮体41的推动，环形喷嘴50的外径越大，能储存的流体量越多，进而形成对内轮体41的推动力就越大。作为优选的，环形喷嘴50外径与内轮体41的直径比为1.5，环形喷嘴50的外径与内轮体41的直径过大有可能会造成流体能量的浪费，环形喷嘴50的外径与内轮体41的直径过小，环形喷嘴50对内轮体41的推动力不足，推动效率低，环形喷嘴50外径与内轮体41的直径比设置在1.5，在既保证推动效率的同时也不会造成资源浪费。
进一步的，如图3所示，外轮片35之间的间隔距离与外轮片35沿外轮体31径向方向的的长度相等，外轮片35的沿外轮体31径向方向的长度为外轮体31直径的5％－20％。外轮片35的长度设置较短，以使外侧流入的流体尽早流入环形喷嘴50，缩短流体流动至内叶轮40的作用时间，提高流体对内叶轮40的作用效率。内叶轮40和外叶轮30本身并无自动启动能力，需靠外力相助启动，但一旦被启动，内叶轮40和外叶轮30同时也产生启动转矩，故而启动容易，启动转矩只需克服内叶轮40和外叶轮30自身的惯性力即可。在以各种外力提供启动转矩时，如蜗壳，故而外叶轮30具有与现有技术驱动技术兼容的特点。
进一步的，排放口37的横向截面积占内轮体41的横截面积的50％－60％，以保证流体的排放，保证内轮体41的正常运行。
本发明的工作过程为：通过流体驱动外叶轮30旋转，外叶轮30在旋转启动后，通过外轮片35推动流体进入流体腔36做向心运动形成旋转流体，随旋转流体的增加在流体腔36内的压力增大，旋转流体通过环形喷嘴50时，环形喷嘴50对旋转流体形成进一步挤压以提升旋转流体进入内叶轮40的流动速度，通过旋转流体驱动内叶轮40旋转，通过内叶轮40旋转带动内转轴42驱动一级传动部，一级传动部驱动二级传动部，二级传动部带动外叶轮30旋转，从外叶轮30边缘进入的流体再次重复上述过程进一步推动内叶轮40旋转。最终，流体从排放口37流出。
综上，本发明实施例提供一种涡轮机，在空载时流量极小，具有高速低转矩时运转效率高的特点，可在高压低流量环境条件中使用。极易实现转速超过10000r/min的高速旋转，在稳压环境条件下具有接近恒速的负载特性，以及低转速时具有高转矩的特点，能满足大多数动力系统的使用要求。具有根据负载情况自动节流的特点，反应速度快，机动性强，在负载变化复杂的环境中工作有着很可观的经济效益，以及控制装置的简单化。单组叶轮就具有极高的转换效率，无需多组叶轮连接使用或其他辅助装置，故而体积小易实施极小型化。启动阶段自身能产生启动转矩，具有独立运行的特点，可与现有的驱动技术兼容，如蜗壳装置，可轻易实现无级变速以及非刚性传动。适合多种流体为工作介质，并对所提供的环境条件要求较低，无论高压低流量还是低压高流量皆可适用，因此用途广泛。可长时间处于高速待机状态，损耗极小，适用方便。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
