一种磁悬浮超音速透平膨胀机的制作方法

本发明涉及膨胀机技术领域，尤其是一种磁悬浮超音速透平膨胀机。

背景技术：

透平膨胀机，是一种通过高压力气体膨胀实现能量转换的原动机，其主要原理是利用有一定压力的气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀对外做功而消耗气体本身的内能，从而在输出能量的同时还能使气体冷却，透平膨胀机广泛应用于低温制冷或能量回收领域，分为径流式和轴流式两种，其核心部件为喷嘴和叶轮。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种磁悬浮超音速透平膨胀机，具备体积小、能量密度大、损耗低、无油的特点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：

一种磁悬浮超音速透平膨胀机，按照气体从进到出的方向依次包括：进气口、整流栅、喷嘴、叶轮、发电机、出气口；

所述喷嘴采用超音速喷嘴，按照气体从进到出的方向依次包括：喷嘴进口、收敛段、喷嘴喉部、扩散段、喷嘴出口；

所述收敛段和所述喷嘴喉部相配合用于将气体从亚音速变为音速，所述收敛段与所述喷嘴喉部之间光滑过渡；所述喷嘴喉部和所述扩散段相配合用于将气体从音速变为超音速，所述扩散段与所述喷嘴喉部之间光滑过渡；

所述发电机的腔体内包括：发电机转轴；

所述叶轮安装在发电机转轴上朝向喷嘴一侧的端部；

所述喷嘴出口的超音速气体进入叶轮后，用于带动叶轮转动，所述叶轮用于同步带动发电机转轴的转动，实现发电机的发电；

气体从叶轮出来后通过膨胀机机壳到达出气口。

所述发电机的腔体内还包括：径向轴承、推力轴承；所述径向轴承用于将发电机转轴悬浮；所述推力轴承用于限制发电机转轴在旋转时的轴向窜动。

所述径向轴承和所述推力轴承均采用磁悬浮轴承；所述磁悬浮轴承通过位置传感器检测发电机转轴的轴偏差信号，并将轴偏差信号送入控制器，控制器通过功率放大器控制电磁铁中的电流，从而控制电磁力的大小，以使发电机转轴悬浮在规定的位置。

所述叶轮采用轴流式叶轮；所述叶轮上的任意相邻的两个叶片之间均构成圆弧型流道。

每个叶片的上表面均为呈月牙状的弧面，每个叶片的前缘部a的线型均依次分为以下几个部分：进口直线ef，进口上过渡弧fg，同心上圆弧gh，出口上过渡弧hi，出口直线ij；每个叶片的后缘部b的线型均依次分为以下几个部分：进口下过渡弧ab，同心下圆弧bc，出口下过渡弧cd；

其中，前缘部a的同心上圆弧gh和后缘部b的同心下圆弧bc之间为同心圆弧，且均沿叶片的中轴线对称，同心下圆弧bc的同心角度数大于同心上圆弧gh的同心角度数。

任意的相邻的两个叶片x、y之间，叶片y的前缘部a的同心上圆弧gh和叶片x的后缘部b的同心下圆弧bc之间即构成同心圆间流道。

超音速流体在相邻两叶片x、y之间的同心圆间流道内的流通方式为：叶片y的前缘部a的进口上过渡弧fg和叶片x的后缘部b的进口下过渡弧ab逐渐改变进气超音速均匀气流到涡流流动，叶片y的前缘部a的同心上圆弧gh和叶片x的后缘部b的同心下圆弧bc保持涡流流动，叶片y的前缘部a的出口上过渡弧hi和叶片x的后缘部b的出口下过渡弧cd转换涡流回到叶片出口均匀气流。

透平膨胀机的反动度为0.25。

在扩散段中，e1f1为中心线，a1c1段为过渡弧，b1d1段与a1c1段关于e1f1轴对称，c1g1段为直线，c1g1段与a1c1段相切。

所述喷嘴出口的角度α为中心线e1f1与水平线之间的夹角，所述水平线与喷嘴进气方向垂直，所述喷嘴出口的角度α设定为16°。

本发明的优点在于：

(1)透平膨胀机进入叶轮的速度越大，输出的功就越大。本发明的透平膨胀机设计反动度为0.25，采用超音速喷嘴，喷嘴的出口马赫数达到1.7以上，在喷嘴内即可实现超音速。

(2)本发明的透平膨胀机采用磁悬浮轴承支撑，磁悬浮轴承作为一种非接触式轴承，可以承载很高的转速，转速越高体积越小。磁悬浮轴承结构取消了减速箱部件，再加上发电机采用永磁发电机，能量密度高体积小，综合下来，本发明的透平膨胀机的整个体积非常小。磁悬浮轴承作为非接触式轴承，不需要油润滑，能保证膨胀机内完全不含油，杜绝了油污染，本发明的透平膨胀机可用于对油污染要求比较严格的行业。

(3)本发明的透平膨胀机的发电机转轴处于悬浮状态，没有摩擦损失，因此，相较于普通的膨胀机而言，本发明的机械损耗耕更低，效率更高。

(4)本发明的透平膨胀机的叶轮采用大角度的两个同心圆间流道，不仅可以实现超音速流体流动通过，而且不会引起局部冲击。

(5)本发明的膨胀机使用发电机作为能量输出部件，最终产生的是电能，电能可广泛应用于各个行业，因此本发明的膨胀机适用于多个场合。

(6)本发明的叶轮采用轴流式叶轮，每两个叶片之间采用两个同心圆间流道，两个同心圆间流道可以实现超音速流体流动通过而不会引起局部冲击。

(7)超音速流体流动在叶片流道内的流通方式为：进口过渡弧逐渐改变进气超音速均匀流到涡流流动，同心圆弧部分维护涡流流动，出口过渡弧转换涡流回到叶片出口均匀气流，能够实现超音速流体流动通过，且不会引起局部冲击。

附图说明

图1为本发明的一种磁悬浮超音速透平膨胀机的结构示意图。

图2为超音速喷嘴的示意图。

图3为超音速喷嘴的结构示意图。

图4为磁悬浮轴承原理图。

图5为叶轮的结构示意图。

图6为从z向观测的相邻两叶片之间的流道线型示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由图1所示，一种磁悬浮超音速透平膨胀机，按照气体从进到出的方向依次包括：进气口1、整流栅2、喷嘴3、叶轮4、发电机5、出气口6。

气体从进气口1进入膨胀机机壳内的整流栅2，整流栅2对气体进行整流保证气体的平稳后，气体进入喷嘴3。

由于本发明的透平膨胀机设计反动度为0.25，因此所述喷嘴3采用超音速喷嘴，喷嘴3的出口马赫数达到1.7以上，在喷嘴3内即可实现超音速。

由图2所示，喷嘴3按照气体从进到出的方向依次包括：喷嘴进口31、收敛段32、喷嘴喉部33、扩散段34、喷嘴出口35；所述喷嘴进口31为亚音速进气，气体先通过收敛段32进入喷嘴喉部33以达到音速，再通过扩散段34进行喷嘴出口35以达到超音速；最后，喷嘴出口35的超音速气体进入叶轮4。

对喷嘴进行设计时，喷嘴喉部的尺寸最为关键，根据喷嘴进口的压力、温度以及所要达到的喷嘴出口的压力、温度，按照等熵膨胀计算得到喷嘴进出口焓差，等熵膨胀计算参见现有技术，进一步计算得到喷嘴喉部的截面面积，喷嘴高度等，从而得到喷嘴喉部的尺寸。

由图3所示，a1b1段为喷嘴喉部33，喷嘴喉部的尺寸可根据上述方式进行计算取值。在扩散段34中，e1f1为中心线，a1c1段为过渡弧，b1d1段与a1c1段关于e1f1轴对称，c1g1段为直线，与a1c1段相切，同时，设定喷嘴出口的角度α，和喷嘴的弦长b1,喷嘴出口的角度α为中心线e1f1与水平线之间的夹角，所述水平线与喷嘴3进气方向垂直，喷嘴出口的角度α一般设定为16°左右，即可完成扩散段34的型线设计。

收敛段32的型线可以按照上述扩散段34的型线设计方法得到，也可以自己定义收敛段32的型线，只需保证收敛段32能够与喷嘴喉部33光滑过渡即可。单个喷嘴设计完成后，根据喷嘴数量圆周阵列，取中心轴为轴线，根据所设计的收敛段32和扩散段34的型线可以确定整个喷嘴环面上喷嘴的数量，然后围绕轴线进行圆周阵列，将多个喷嘴均匀分布在喷嘴环面上，即可形成整个喷嘴环。

所述发电机5的腔体内包括：发电机转轴51、径向轴承52、推力轴承53。

所述叶轮3安装在发电机转轴51的一端上，具体为朝向喷嘴一侧的端部。

所述喷嘴出口35的超音速气体进入叶轮4后，带动叶轮4转动，所述叶轮4同步带动发电机转轴51转动，实现发电机5的发电。

气体从叶轮4出来后通过膨胀机机壳达到出气口6。

所述径向轴承52和所述推力轴承53均采用磁悬浮轴承，所述径向轴承52利用电磁力将发电机转轴51悬浮；所述推力轴承53利用电磁力限制发电机转轴51在旋转时的轴向窜动。

由图4所示，所述磁悬浮轴承通过位置传感器检测发电机转轴51的轴偏差信号，并将轴偏差信号送入控制器，控制器通过功率放大器控制电磁铁中的电流，从而控制电磁力的大小，以使发电机转轴51悬浮在规定的位置。

由图5所示，所述叶轮4采用轴流式叶轮，所述轴流式叶轮是指透平膨胀机工作时气体沿着轴向流动的叶轮；且所述叶轮4为圆弧型叶轮，即叶轮4上任意相邻的两个叶片之间均构成圆弧型流道。

图6为从z向观测的相邻两叶片之间的流道线型示意图。

由图6所示，每个叶片的上表面均为呈月牙状的弧面。从图6中可以看出，每个叶片的前缘部a的线型依次分为以下几个部分：进口直线ef，进口上过渡弧fg，同心上圆弧gh，出口上过渡弧hi，出口直线ij；每个叶片的后缘部b的线型依次分为以下几个部分：进口下过渡弧ab，同心下圆弧bc，出口下过渡弧cd。其中，前缘部a的同心上圆弧gh和后缘部b的同心下圆弧bc之间为同心圆弧，且均沿叶片的中轴线对称，同心下圆弧bc的同心角度数大于同心上圆弧ghc的同心角度数，前缘部a的同心上圆弧gh的半径为r，后缘部b的同心下圆弧bc的半径为r。

由图6所示，任意的相邻的两个叶片x、y之间，叶片y的前缘部a的同心上圆弧gh和叶片x的后缘部b的同心下圆弧bc之间即构成同心圆间流道。

超音速流体在相邻两叶片x、y之间的同心圆间流道内的流通方式为：叶片y的前缘部a的进口上过渡弧fg和叶片x的后缘部b的进口下过渡弧ab逐渐改变进气超音速均匀流到涡流流动，叶片y的前缘部a的同心上圆弧gh和叶片x的后缘部b的同心下圆弧bc维护涡流流动，叶片y的前缘部a的出口上过渡弧hi和叶片x的后缘部b的出口下过渡弧cd转换涡流回到叶片出口均匀气流；从而能够实现超音速流体流动通过，且不会引起局部冲击。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。