[实用新型]螺锥转子及螺锥膨胀机构

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种容积式流体机械、动力机械，具体涉及通过变化容积的工作空间将热能转换为机械能的机构。

背景技术

传统的汽轮机热功转化设备是利用高压、高温过热蒸汽推动汽轮机转换成轴功率，再带动同步发电机发电，从而实现热能到电能的转换，但是汽轮机必须消耗过热蒸汽这样的高品位热源，无法使用低品位热源。同时由于汽轮机在热功转换过程中产生很多乏汽，导致能源利用效率较低。

燃气轮机是常用的将高温气体工作介质转化成机械功的旋转式动力机械，主要包括压气机、燃烧室和燃气透平这三大部件。压气机将由外界大气吸入的空气压缩，压缩空气被压送到燃烧室与燃料混合燃烧生成高温高压的燃气，燃气进入燃气透平中膨胀做功，推动透平带动压气机和输出转子一同旋转。

首先，由于燃气轮机的热力循环一般为工作介质取自大气的开式循环，且其零件材料为高温合金，因此工作温度对其输出功率的影响很大。当工作温度升高时，燃气轮机不得不进行冷却，导致能源利用效率较低。

其次，现有的燃气轮机采用等压膨胀为主的布莱顿循环，空气的等压比热容CP=1.005kJ/(kgK)，等容比热容Cv=0.716kJ/(kgK)，等质量燃气升高至相同温度时，等压膨胀会比等容膨胀需要更多的能量，因此为了进一步降低能耗，减少等压膨胀过程并增加等容膨胀过程成为目前动力机械的设计趋势。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中能源利用效率低的问题，使用具有旋转式的螺锥曲面的螺锥转子作为膨胀机构，利用其特有的连续可变封闭空间的容积变化来释放高温高压工作介质热能，可以提高热能利用效率的螺锥膨胀机构。

本实用新型的技术方案如下：

一对螺锥转子，其特征在于：包括具有凸齿的凸形转子、具有凹槽的凹形转子和具有双内锥面的外壳；所述凸形转子和凹形转子相向旋转且存在交叠区域，均具有沿旋转轴逐渐收敛的锥形外廓；所述凸齿和凹槽在锥面上自小端向大端螺旋延展；所述凸齿的曲面、凹槽的曲面和外壳的内表面共同构成连续、容积随旋转方向变化、封闭的工作空间。

所述凸齿和凹槽的齿形曲线为分别变换到同一个基准球面上的一对平面共轭曲线，所述平面共轭曲线和外廓弧线在三条曲线的两个交汇处无泄漏三角形。

所述凸齿和凹槽的曲面生成方法包括：

1）分别将一对共轭曲线与外包络相交圆弧曲线由平面映射到一个基准半径的球面上，形成球面上的连续变化封闭区域；

2）将映射在所述基准半径的球面上的所述一对共轭曲线向球心方向衍生出两组有限的不同半径球面曲线簇，所述球面曲线簇各自按螺锥母线函数关系和距离球心半径的比例关系排列，并沿共同轴线旋转角度旋转，即分别得到所述凸齿和凹槽的共轭曲面；

3）将映射在所述基准半径的球面上的所述外包络相交圆弧曲线向球心方向衍生出一组有限的不同半径球面曲线簇，所述球面曲线簇按距离球心半径的比例关系排列，形成具有双内锥面的外壳。

所述凸齿和凹槽的螺锥母线函数关系相同，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为螺锥母线的坐标点

α为螺锥大端直径系数

θ为螺锥旋转角度值

β为螺锥长度系数

γ为螺旋升角幂指数

螺锥母线向x-y平面上的投影符合阿基米德螺线规律，z-θ展开为幂指数关系。

所述γ指数的值为1.2～3.0。

所述凸形转子的旋转轴与凹形转子的旋转轴交叉，夹角为25°～60°。

所述凸形转子和凹形转子之间及两者与外壳之间的偏差小于20微米。

所述凸形转子、凹形转子和外壳采用五轴联动数控加工中心制造。

所述凸形转子和凹形转子使用复合结构陶瓷材料制作。

使用所述一对螺锥转子的螺锥膨胀机构，其特征在于：所述螺锥转子的大端一侧设置同步齿轮箱。

本实用新型的技术效果如下：