线速压缩机和高压自吸泵 |
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| 申请号 | CN202310053451.0 | 申请日 | 2023-02-03 | 公开(公告)号 | CN117869331A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
| 申请人 | 吴官举; | 发明人 | 吴官举; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种 泵 和 压缩机 通用 流体 机械方案，流体周向进出 叶轮 及其腔室，叶轮为大倾 角 叶片 封闭空心轮，配合特殊流道，使得射流扩张、分道及回流和喷出都可以周向定向运动，实现了多级线速 增压 ，同时改善了空间各向拓展性能。本发明空间拓展性优势在于，增加轴向尺寸可以增加流量而不影响效率，周向增加腔室数量或线速度能直接提高出口压 力 和压缩比，且叶轮边缘才是有效作用部位，叶轮可以中空，直接填装 电机 或其他动力部件,把动密封变为静密封，防止泄露。本发明叶轮是唯一运动部件，结构简单牢固，不用调谐，所以压缩机或泵可以高速运行，全域范围都能获得较高效率，既适合微型化，也适合巨型化，安装和使用有极大的自由和便利。 | ||||||
| 权利要求 | 1.本发明方案公开一种用于泵或压缩机的新型流体机械结构设计方案，主要结构包括封闭叶轮和其腔室壁上的耳室结构：叶轮是径向大倾角叶片镶嵌在轮毂上，两端封闭，整体上就是侧面刻蚀深槽的柱体；叶片可以前倾或后倾但倾角不得为零，数量至少为15个，且周向均匀分布，即叶片间张角相等且不大于24°，此空间尺寸记为本发明基本度量单位；叶轮腔壁上的耳室结构包括外壳折弯腔壁和三个导流柱，周向占据叶轮腔室壁3.5个单位，轴截面形似骨架蒙皮的机翼，故可称为翼腔；折弯腔壁呈钝角，折弯处约在第1.5单位处，两边近似平行叶轮切面，称折弯腔内壁面为翼腔的外翼面，内翼面即叶轮外缘面；翼腔内三导流柱分别称为扩压板、分流板和尾塞，扩压板和分流板宽度都与叶片厚度相当，尾塞呈楔形，前尖后阔；扩压板在第1单位处，是前倾叶片的自然延伸，从内翼面延伸到约翼腔宽度的一半，周向占据约0.5个单位；分流板在扩压板远轴端和外翼面之间，大体上分割分压板与外翼面形成的钝角，长度不超过1个单位周向投影；尾塞在翼腔尾部占据1个多单位，楔尖头约在 |
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| 说明书全文 | 线速压缩机和高压自吸泵技术领域背景技术[0002] 叶轮是泵和压缩机常见的机械结构，利用高速运动与流体进行能量交换，有效动能方向通常来自轴向和径向，分别有代表轴流泵和离心泵，或者两方向混合，如混流泵等。这些速度型机械，流量大、转速高、连续稳定、效率高，综合性能优良，给工业生产生活带了来极大便利。 [0003] 可是很容易发现这些机械，轴向占用空间很大，须要安装流体入口或者传动轴承等，在径向尺寸也不得节省，动力尺寸的缩减不仅会损失输出压力，还会损失自吸能力。这些叶轮或透平一般只能实现单维度方向的结构紧凑，空间结构受到了限制，既不利于微型化，也不利于巨型化，既不能塞进笔记本当散热器，也不能把多级旋转结构合并成一级的大功率结构，收敛末级。另外，这些机械效率很大成度是靠叶片叶型调节保证的，很多大功率装置里，得随时调节叶片，微结构变得格外复杂，流体机械也不再简单可靠与紧凑。 发明内容[0004] 本发明公开一种泵和压缩机通用流体机械方案，综合利用空心封闭叶轮与特殊流道配合，实现了扩张与减速增压和射流吸附，实现了流体周向多级线速增压，同时能改善了空间各向拓展性能。具体思路是利用叶间的射流扩张增压，设法绕过腔壁叶轮最近点和后续射流，直接涌向下一级。简单地来说，每一级的第一片叶间射流不停扩张向前，后续叶间射流被屏蔽、阻挡和回流。 [0005] 本发明的叶轮是叶片镶嵌在轮毂上，轴向两端封闭，整体上类似侧面刻蚀深槽的柱体。这样的结构是为了解决叶间流况不同，减少互相干扰。当第一叶片间射流被离心甩出后，进入扩压通道，而叶片继续运动，叶片将在第二叶间位置形成低压区域，有吸附回流的需要，被增压的射流就得部分回流补充，那么可以在第一叶间射流扩张区域末端分腔分流，一是继续扩大了扩压区域，二是给回流搭建通路。总体上，保证第一叶间射流全速全方向流动，阻挡第二叶间射流，留下第三叶间回流补充。经过测算和实验，这样一级的腔室结构为叶轮间距的3.5倍为佳，即可以把叶片间张角记为本发明基本度量单位，代表其径向延伸空间角所占用区域。 [0006] 采用大角度倾斜叶片，可以使得叶间射流尽量贴近叶轮切线喷出，第一叶间射流直通扩张区域可以放大到1.5单位处，然后在此处分室，增加了出口。无论哪个出口腔室区域都有所扩张，不同的是，近轴的区域会受到第二叶间射流冲撞，形成回流区域，而远轴区域的层流会沿着腔壁，继续朝着下一级腔室行进。被分割的腔室最好不再交汇，但第三叶片前即约第2.5单位处是叶轮和腔壁的最近点，叶尖回流吐纳会形成湍流，形成周期性振荡压力，空开有助于湍流及时改道和回流补压。所以，每一级腔室都应有扩压腔、俩分流室和分割腔级的密封塞，即有三个导流柱：扩压板在第1单位处，分流板位于第二三叶片间，尾塞占据腔室最后1个单位，既栓塞上下级腔室，又与第三叶片形成叶间吸附腔室。 [0008] 图1中，叶轮外缘这个3.5单位的耳室叫翼腔，不仅仅是因为轴截面形似骨架蒙皮的机翼，还因为需要像翼型一样做腔型设计。折弯腔壁呈钝角，折弯处约在第1.5单位处，两边近似平行叶轮切面，称折弯腔内壁面为翼腔的外翼面，内翼面即叶轮外缘面。图中有三分流柱，扩压板和分流板宽度都与叶片厚度相当，尾塞呈楔形，前尖后阔。扩压板在第1单位处，是前倾叶片的自然延伸，从内翼面延伸到约翼腔宽度的一半，周向占据约0.5个单位，即第一叶间直通扩压腔到约1.5单位处。分流板在扩压板远轴端和外翼面之间，大体上分割分压板与外翼面形成的钝角，长度不超过1个单位周向投影。分流板近轴边与扩压板和叶轮之间形成回流腔，分流板远轴边和腔壁形成扩压通道。尾塞在翼腔尾部占据1个多单位，楔尖头约在2.5处，尾截面在3.5单位处，近轴面有弧度，紧抵内翼面，远轴面与翼腔外翼面之间有流道。这个流道的出口事实上是个喷口，尽管接触腔壁的流体会因为碰撞和摩擦而大大减速，但流道口有第一叶片直接射入腔室的高速流体，内部压力较小，会对流道形成吸附效应，同时还因为翼腔中间对流挤压，压力最大，会对流道内液体有推动作用。自然尾塞的尾截面要过第一叶片起始位前倾线，截的尾塞流道口棱角为锐角，与外翼面折边呈锐角。 [0009] 所有翼腔都应首尾相连，一个翼腔的尾截面就是下一个翼腔的起始面，折弯腔壁顺次首尾相连，上一个翼腔的流道对准下一个翼腔的折弯。值得注意的是，翼腔相连的机体外壳形似正多面体，但显然不是，它只是边长相等结构绕轴顺次拼接而已，边中线并不垂直于边。机体的吸入口选在第一个尾塞尖头之前，机体的出口选在最后一个尾塞截面之后，出入口之间至少相间隔1个单位。翼腔结构轴向与叶片轴向必须同步保持笔直或相同倾斜角度，且长度等值，两端也必须封闭。单个翼腔尺寸受到基本单位限制，但是翼腔数量可以按需配置，叶轮腔室壁上非机体出入口和翼腔位置均为实体填充，以保证叶轮腔室的密封性。反过来，叶轮也是有一定约束的，就是至少15个叶片，且周向均匀分布，因为一个圆周四腔室是不可能的，叶间射流动能将完全损失，所以至少得按5腔设计，叶轮得配套，腔室不用全数实装，留下点其他结构空间。 [0010] 附图2是叶轮局部刨开结构示意图，就是个圆柱体侧面开深槽，可以中空。叶轮采用大倾角叶片的原因是，减小叶间射流撞击腔壁角度，避免损失太多能量。 [0011] 附图3是本发明方案多腔级联轴截面示意图，图中出口做了防逆流设计。显然，腔室数量是可以随叶片数量增加而增加的。 [0012] 很显然，翼腔结构拓扑形态对机体能效和流量关系巨大，结构参数及形状位置应视具体环境优化设计，不同部位棱边处理有所不同，与叶轮约束关系也可以稍微调整。本发明可以通过不断增加翼腔数量和叶轮线速度提高出口压力或压缩比，但翼腔数量过多，会造成腔壁越来越平行叶轮周线，与叶片倾角的夹角就变得很大，那么此时可以择翼腔一角边再小幅内折弯一次。翼腔数量过多还会带来流道过短的问题，弱化了腔级间压力隔离，此时需要叶轮和腔室联动优化，如加大叶片倾角、加宽翼腔、优化扩压板和分流板长度和角度、延长流道和调整喷口角度等。翼腔设计时可以以前倾叶轮为基准，实际使用后倾叶轮，这样可以快速确定扩压板和分流板位置。另外，可以通过增加叶轮和翼腔的轴向尺寸加大流量，这点与能效无关，不会带来任何额外问题。 [0013] 本发明方案中的流体，从叶轮边缘进出叶轮，在翼腔内切向加压与流动，基本保持与叶轮周线基本平行，可以通过不断地增加腔室提高机体能力，周向线性拓展优秀。事实上，一个翼腔就是一级增压，本发明方案显然是周向多级线速增压，所以是线速压缩机，自然属性是增加线速度就能增加排出压力和压缩比。而且自吸能力良好，所以又是线速高压自吸泵。 [0014] 本发明的轴向拓展性更为优越，除了增加轴向尺寸能增加流量外，更重要的是，机体可以中空，叶轮可以是空心的。叶轮中间可以安装转轴、以安装电机部件或其他动力结构，把动密封变成静密封，杜绝流体泄露。因为本发明方案运动部件仅为旋转叶轮，而且叶轮还是封闭的，本身强度高，静密封的机械可以得到很长的维护周期。另外的轴向优越性在于，本发明方案可以在壳体及尾塞内打轴向通孔，流通冷却液。这对高速高压工况极为适用，极大增强了散热性能。还可以在叶轮及翼腔轴截面内添加分层间隔，以帮助导热和增加结构强度，因为轴向的不做功拓展对机体效率毫无影响。 [0015] 本发明的优良空间拓展性在于，轴向、周向拓展性强，而径向要求又不高，所以给安装和使用能带来极大的自由和便利。比如，可以得到一个超薄压缩机塞进笔记本电脑当散热器，向特定方向排出热风或冷却液；可以得到一个高压自吸泵，两端都可以接上管道，增加扬程和安全操作距离；可以得到一个多级压缩机，足够多的的叶片、足够多的翼腔能输出足够高的压力，既节省空间又不增加维护复杂度，可以用在巨型工业机器中，尤其可以用在能源转换领域，可以把本发明用于蓄水储能和压缩空气储能，把不稳定能源变成稳定可控的。其他替代性工业应用就不列举了。 [0016] 附图3为本人样机底稿，树脂打印了直径约80mm，叶轮高40mm的样机，线速泵腔室宽约6.5mm，叶片槽深约11mm，叶轮中部空孔直径40mm，5级腔室，22叶片，2mm流道，采用12V的370微电机带动，可以泵出96ml/s的水流5cm远。这已经超越了绝大多数小微压缩机了。 [0017] 最后需要指出的是，本发明方案工作时，所有叶片都是从出口运动到入口，又从入口运动到出口的，流体在出入口之间始终是有两条循环路线的，只不过是放大了一条线路功用，在极限条件下，另一线路副作用也会增大。如，本发明方案不可能直接获得高真空度，一定高速度下继续增加转速会不可避免地效率会下降，尽管能力还是会有所提升。尤其是排出口堵塞，不仅成效率下降，吸入能力也会下降，因为流体可以从出口又返回入口了，会造成恶性循环。所以，本发明方案可以适当改造，在叶轮腔室外直接搭建出入口循环通路，叶轮腔填装工质可以抽取其他种类流体，能获得高真空度，当然这是建立在工质和被抽物质容易分离基础上的。至于防止堵塞或倒流，除了机体本身出入口隔开的足够远和出口防倒流设计外，还可以在出口加装特斯拉阀或其他单向阀门。 |
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