一种带冠多级涡轮空气马达

1.本发明涉及空气马达技术领域，特别是一种带冠多级涡轮空气马达。


背景技术：

2.现有技术中空气马达体积较大，功率较低，不易在小型气动设备中使用。目前国内使用的涡轮空气马达已经采用多级涡轮的驱动方式，代替传统的单涡轮驱动，相比单涡轮驱动方式，效率已经有较大提升。
3.现有技术中的多级涡轮叶片采用多级涡轮叶片整体加工方式，内部一旦出现较少部分叶片损坏，不易进行有针对性的更换某一级涡轮新的零件以便后续继续使用装置。
4.为此，我们提出一种高效带冠多级涡轮空气马达装置，来解决上述现有技术中的所存在的不易更换某一级涡轮的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种易更换某一级涡轮的多级涡轮空气马达。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种带冠多级涡轮空气马达，包括壳体、进气端盖、排气端盖、由所述进气端盖和排气端盖转动支撑的输出轴、交替排列在所述输出轴上的定子叶轮和转子叶轮；
8.所述定子叶轮的内表面与套在所述输出轴上的轴承连接，其外表面与所述壳体同步运动；
9.所述转子叶轮通过键与所述输出轴固定连接；
10.所述定子叶轮的两端通过所述输出轴的轴肩或者套在所述输出轴上的套筒进行轴向定位，使相邻的定子叶轮和转子叶轮之间间隔布置；
11.所述定子叶轮和所述转子叶轮分别与所述壳体密封连接；
12.所述壳体包括两个半圆的半圆壳，所述半圆壳的两端分别与所述进气端盖和排气端盖进行榫槽连接。
13.进一步的，所述壳体的两端分别设置有进气凹槽部和排气凹槽部；
14.所述进气端盖的端部设置有进气凸榫部，所述进气凸榫部包括一圈的进气凹槽和一圈的进气凸起，所述进气凹槽部与所述进气凸榫部的形状匹配以扣合在所述进气凸榫部的外部；
15.所述排气端盖的端部设置有排气凸榫部，所述排气凸榫部包括一圈的排气凹槽和一圈的排气凸起，所述排气凹槽部与所述排气凸榫部的形状匹配以扣合在所述排气凸榫部的外部。
16.进一步的，所述定子叶轮包括定子本体、多个定子叶片和圆环状的定子叶冠；
17.靠近所述进气端盖的第一个定子叶轮被设置为第一级定子叶轮，所述第一级定子叶轮的定子本体上固定有锥状的分流凸起，所述分流凸起将从所述进气端盖流入的气体沿所述壳体的内表面进入下一个转子叶轮；
18.所述第一级定子叶轮套接在所述进气端盖内，所述进气端盖设有限制所述第一级定子叶轮的定子叶冠移动的台阶面；
19.所述分流凸起开设有盲孔，所述盲孔套在所述输出轴的进气端；
20.所有定子叶冠的外表面固定有两个定位凸起，所述进气端盖或每个半圆壳的对应位置开设有所述定位凸起伸入的定位凹槽；
21.所述定子叶冠的外表面开设有容纳密封圈的定子密封凹槽使所述定子叶冠与位置对应的所述进气端盖或所述壳体的内表面密封连接。
22.进一步的，所述第一级定子叶轮以外的所述定子叶轮与所述壳体通过两个密封圈连接；
23.其余的所述定子叶轮的两个定位凸起设置在两个密封圈之间。
24.进一步的，所述转子叶轮包括转子本体、多个转子叶片和圆环状的转子叶冠；
25.所述壳体的内表面开设有三圈的壳体凸起，所述转子叶冠的外表面设置有两圈的密封凸起，每个密封凸起置于相邻的壳体凸起形成的凹槽中；
26.所述壳体凸起和所述密封凸起交替排列以形成封严篦齿结构实现所述转子叶轮与所述壳体密封连接。
27.进一步的，所述定子叶片与转子叶片交错排列；
28.按进气方向，所述定子叶轮和转子叶轮的叶片数量依次减少且叶片之间间距依次增加。
29.进一步的，所述定子叶片与转子叶片的根部的高度相同，所述转子叶片的顶部和所述定子叶片的顶部的高度按进气方向依次增加。
30.在上述技术方案中，本发明提供的一种带冠多级涡轮空气马达，具有以下有益效果：
31.阶梯结构的输出轴将多级涡轮全部分成独立个体结构安装在输出轴上，本发明将壳体做成分体结构，以便内部发生损坏，可以及时更换损坏部件，减少成本消耗。本发明改变了现有技术中定子叶轮和转子叶轮为一体的结构，配合分体结构的壳体，对于损坏的部分定子叶轮和转子叶轮可以方便及时更换使用，寿命长，不易振动。
附图说明
32.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1是本发明公开的多级涡轮空气马达的外观结构示意图；
34.图2是本发明公开的多级涡轮空气马达的剖视结构示意图；
35.图3是本发明公开的半圆壳的结构示意图；
36.图4是本发明公开的多级涡轮空气马达的内部结构示意图；
37.图5是本发明公开的进气端盖的结构示意图；
38.图6是本发明公开的输出轴的结构示意图；
39.图7是本发明公开的进气端盖和第一级定子叶轮的装配结构示意图；
40.图8是本发明公开的第一级定子叶轮的结构示意图；
41.图9是本发明公开的定子叶轮的结构示意图；
42.图10是本发明公开的转子叶轮的结构示意图；
43.图11是本发明公开的半圆壳的结构示意图。
44.附图标记：壳体1、定位凹槽101、壳体凸起102、螺栓凸台103、进气端盖2、台阶面21、进气凹槽201、进气凸起202、前端面2011、后端面2022、排气端盖3、排气凹槽301、排气凸起302、圆弧槽口32、输出轴4、套筒41、轴肩42、定子叶轮5、定子叶片51、定子叶冠52、定位凸起521、叶片间隙522、定子密封凹槽523、分流凸起53、轴承定位凸台531、转子叶轮6、转子叶片61、转子叶冠62、密封凸起621、滚动轴承7。
具体实施方式
45.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
46.参见图1-11所示的一种带冠多级涡轮空气马达，包括壳体1、进气端盖2、排气端盖3、由进气端盖2和排气端盖3转动支撑的输出轴4、交替排列在输出轴4上的定子叶轮5和转子叶轮6。交替是沿进气方向先定子叶轮5、再转子叶轮6、再定子叶轮5、再转子叶轮6的方式进行排序。
47.为介绍方便，本文示意性地将空气进入壳体的一端设置为前，将空气流出壳体的一端设置为后。
48.其中，壳体1是分体结构，壳体1纵向一分为二成两个截面是半圆的半圆壳，半圆壳的两端分别与进气端盖2和排气端盖3进行榫槽连接。半圆壳如图3所示，在半圆壳的外表面设置用来安装螺栓的螺栓凸台103，两个螺栓凸台103由螺栓穿过实现两个半圆壳品周向的紧固。更为优选的，如图11所示，将半圆壳的周向的端面设计为阶梯状，端面的形状有两次直角的转折。两个半圆壳的周向的端面可以拼接为一体，这样达到两个半圆壳密封连接的作用。两个半圆壳的连接方式可以参考密封连接领域，这里不做赘述。
49.其中，进气端盖2如图5所示，整体为圆环状。
50.其中，排气端盖3为圆板结构，厚度方向上贯通有3个圆弧槽口32用来排出膨胀后的气体。半圆壳的两端分别与进气端盖2和排气端盖3进行榫槽连接使壳体1和进气端盖2和排气端盖3接触位置组成密封连接。
51.其中，壳体1内部中心线处设置有轴向固定的，并且能相对壳体1转动的输出轴4。输出轴4做成阶梯轴以定位定子叶轮5。排气端盖3外套接轴承以转动支撑输出轴4。输出轴4穿过排气端盖3的一端为d型轴段，便于使用紧定螺钉与外部的齿轮进行连接。
52.其中，转子叶轮6通过键与输出轴4固定连接。
53.其中，定子叶轮5的内表面与输出轴4采用轴承连接，定子叶轮5的外表面与壳体1同步运动；相邻的定子叶轮5和转子叶轮6之间间隔布置。因转子叶轮6的轴向位置固定，可在输出轴4上套接有套筒41，套筒41被夹在转子叶轮6和定子叶轮5的一端之间，定子叶轮5的另一端又被轴肩定位，实现定子叶轮5和转子叶轮6之间有间隔的布置。优选的是由套接在定子叶轮5内的轴承的轴承内圈与套筒41接触。另外，也可在输出轴4上设计轴肩42，由轴肩42定位套接在定子叶轮5内的轴承的轴承内圈的位置。该多级涡轮空气马达内部设置有可以轴向旋转的输出轴，并将多级定子叶轮5和转子叶轮6全部分成独立个体结构安装在输
出轴上，配合分体结构的壳体。以便马达内部发生损坏，可以及时更换损坏部件，减少成本消耗。定子叶轮5的两端也可以都由套筒41或都由轴肩定位，但优选是由一个轴肩和一个套筒定位。套筒或轴肩主要为了将定子叶轮5和转子叶轮6分隔开再安装到输出轴上，而不是将定子叶轮5和转子叶轮6加工为一体。使用套筒或轴肩对零件在轴上进行定位是现有技术，这里不再赘述。
54.输出轴4与壳体1的内壁、内表面之间设置有多级涡轮叶片的定子叶轮5和转子叶轮6，它们在输出轴4上沿轴向间隔设置，不同级的涡轮叶片轴向定位使用输出轴的轴肩42和套筒41完成。定子叶轮5在输出轴的最前端，为靠近进气口一侧，转子叶轮6在后设置，从排气端盖进入的压缩气体经过定子叶轮5的叶片间隙522，气体为流入转子叶轮6的叶片间隙改变方向并且进行膨胀。排气端盖3的圆周面上均匀设置3个圆弧槽口32，用来排出膨胀后的气体。
55.具体的，半圆壳的两端分别与进气端盖2和排气端盖3进行榫槽连接的技术方案优选为：壳体1的两端分别设置有进气凹槽部和排气凹槽部；
56.进气端盖2的端部设置有进气凸榫部，进气凸榫部从前到后的顺序依次包括一圈的进气凹槽201和一圈的进气凸起202，进气凹槽部与进气凸榫部的形状匹配以扣合、套接在进气凸榫部的外部；进气凹槽部在半圆壳的内表面从前到后先依次设计了伸入进气凹槽201的一圈的凸起和容纳进气凸起202的一圈凹槽。进气凸榫部和排气凹槽部分别为向上翻折90
°
弯钩结构和向下翻折90
°
的弯钩结构，两者能在前后方向上互相勾接在一起。进气凹槽201的前端面2011与半圆壳的前端面即进气凹槽部的前端面接触，进气凸起202的后端面2022轴向上接触到半圆壳。实现轴向上进气凸榫部和进气凹槽部无缝拼接到一起，利于密封。
57.排气端盖3的端部设置有排气凸榫部，排气凸榫部从后往前依次包括一圈的排气凹槽301和一圈的排气凸起302，排气凹槽部与排气凸榫部的形状匹配以扣合、套接在排气凸榫部的外部。排气凹槽部和排气凸榫部的使用原理与进气凸榫部和进气凹槽部的一样。排气凹槽部是一个向下翻90
°
的弯钩结构，排气凸榫部上一个向上外翻90
°
的弯钩结构，两者能在前后方向上互相无缝勾接在一起。具体的排凹槽部在半圆壳的内表面从前到后先依次设计了容纳排气凸起302的一圈凹槽和伸入排气凹槽301的一圈凸起中。
58.优选的，定子叶轮5包括定子本体、多个定子叶片51和圆环状的定子叶冠52；
59.接近进气端盖2的第一个定子叶轮5被设置为第一级定子叶轮，第一级定子叶轮的定子本体的前端面上固定有锥状的分流凸起53，分流凸起53的前端细后端粗。分流凸起53使从进气端盖2流入的气体沿壳体1的内表面进入下一个转子叶轮6；
60.第一级定子叶轮套接在进气端盖2内，进气端盖2设有限制第一级定子叶轮向前移动的台阶面21；而分流凸起53的后端面开设有盲孔，盲孔套在输出轴4的进气端；这样第一级定子叶轮的轴向被台阶面21和输出轴4固定住。输出轴4和第一级定子叶轮的定子本体之间通过轴承连接。
61.第一级定子叶轮在靠近进气端盖一端设置有分流凸起53，改变气体流动方向，将压缩气体的流道更改为沿着壳体1的内壁方向进入第一级转子叶片。第一级定子叶轮的定子本体的内表面设置与滚动轴承7相连接，分流凸起53的后端面开设有第二盲孔用以放置滚动轴承7。其中轴承内圈与输出轴4装配，轴承外圈顶靠在第二盲孔的轴承定位凸台531
上，第一级定子叶轮的定子叶冠的外表面远离分流凸起53的方向上设置有两个轴向对称的定位凸起521，进气端盖2的内表面有两个定位凹槽101与之配合，便于进行装配定位和限制定子叶轮转动。定子叶冠的外表面靠近分流凸起53的方向上设置定子密封凹槽523，定子密封凹槽523为o型密封圈凹槽。
62.所有定子叶冠52的外表面固定有两个定位凸起521，进气端盖2或每个半圆壳的对应位置开设有供定位凸起521伸入的定位凹槽101；因壳体1是分体结构的，与一体的壳体相比，便于在每个半圆壳上设置一个定位凹槽101，实现定子叶轮5轴向被精确的定位，另外实现定子叶轮5与壳体1同步运动。
63.定子叶冠52的外表面开设有容纳密封圈的定子密封凹槽523使定子叶冠52与位置对应的进气端盖2或壳体1的内表面密封连接。
64.优选的，第一级定子叶轮以外的定子叶轮5与壳体1通过两个密封圈连接，两个定位凸起521设置在两个密封圈之间。图4的实施例从前往后的顺序依次包括第一级定子叶轮、第一级转子叶轮、第二级定子叶轮、第二级转子叶轮、第三级定子叶轮、第三级转子叶轮。第二级定子叶轮和第三级定子叶轮的定子叶冠52上都开设有两圈的定子密封凹槽523。实现定子叶轮和壳体1的密封。定位凸起521可以起到和壳体1快速安装定位和限制涡轮定子52旋转的效果，定位凸起521两侧设置有定子密封凹槽523，定子密封凹槽523内部放o型密封圈，使得压缩气体的流经通道只有定子叶轮5的叶片间隙522。
65.优选的，转子叶轮6包括转子本体、多个转子叶片61和圆环状的转子叶冠62；
66.壳体1的内表面开设有三圈的壳体凸起102，转子叶冠62的外表面设置有两圈的密封凸起621，每个密封凸起621置于相邻的壳体凸起102形成的凹槽中；要注意密封凸起621距离壳体的内表面的距离不易过小避免发生碰撞。
67.壳体凸起102和密封凸起621交替排列以形成封严篦齿结构实现转子叶轮6与壳体1密封连接。起到叶顶密封效果，减少空气马达在工作时的流动损失，大大提高涡轮马达的功率。现有技术中多级涡轮空气马达中的转子叶片顶部与空气马达外壳内壁之间存在间隙部分，压缩气体在流经转子叶片时会发生潜流损失以及漏气损失，没有完全经过转子叶片间隙，导致涡轮空气马达功率下降，产生流动损伤的气体原有的流动方向会改变，与流经转子叶片间隙的主流气体汇合后，还会使得主流气体的方向偏移，进一步导致涡轮空气马达功率下降，完全达不到理论下的要求。而本实施例的转子叶轮和壳体高效的密封连接解决了漏气的问题。本发明提供的多级涡轮空气马达利用透平机械原理，内部设置有多级带冠的涡轮叶片结构，转子叶冠外表面与壳体配合位置均设置有相互交错篦齿密封结构，减少了转子叶片的漏气损失和潜流损失，转子叶冠还可以提高结构刚性并且建立阻尼，可以起到减振作用。减少涡轮空气马达的流动损失，大大提升了多级涡轮空气马达功率。
68.优选的，定子叶片51与转子叶片61交错排列；
69.沿进气方向，定子叶轮5和转子叶轮6的叶片数量依次减少且叶片之间的间距依次增加。
70.优选的，定子叶片51与转子叶片61的根部的高度相同，转子叶片61的顶部和定子叶片51的顶部的高度沿进气方向依次增加。即叶片根部所在的定子本体和转子本体的外表面直径一样，但沿着进气方向，定子叶片51与转子叶片61的顶部所在的定子叶冠或转子叶冠的内表面直径依次增大。
71.分别来自第一级定子叶轮、第一级转子叶轮、第二级定子叶轮、第二级转子叶轮、第三级定子叶轮、第三级转子叶轮的叶片数量依次减少、间隙增加、高度依次增加。每一级的叶片高度从进气端盖2方向到排气端盖3方向依次增加，压缩气体从进气端盖进入，依次经过所有叶片，最终从排气端盖流出，叶片间隙依次增加，气体可以充分膨胀。定子叶片或转子叶片都呈现圆周方向均匀排列，定子叶片与转子叶片排布方向呈现交错排列，即轴向上两种叶片的位置不正好对应，而是错开的；气体从进气端盖到排气端盖流经各级叶片间隙的横截面积逐渐增大，压缩气体在通道中进行气体膨胀降压加速运动。
72.以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

技术特征：
1.一种带冠多级涡轮空气马达，包括壳体(1)、进气端盖(2)、排气端盖(3)、由所述进气端盖(2)和所述排气端盖(3)转动支撑的输出轴(4)、交替排列在所述输出轴(4)上的定子叶轮(5)和转子叶轮(6)；所述定子叶轮(5)的内表面与套在所述输出轴(4)上的轴承连接，其外表面与所述壳体(1)同步运动；所述转子叶轮(6)通过键与所述输出轴(4)固定连接；所述定子叶轮(5)的两端通过所述输出轴(4)的轴肩(42)或者套在所述输出轴(4)上的套筒(41)进行轴向定位，使相邻的定子叶轮(5)和转子叶轮(6)之间间隔布置；所述壳体(1)包括两个半圆的半圆壳，所述半圆壳的两端分别与所述进气端盖(2)和排气端盖(3)进行榫槽连接。2.根据权利要求1所述的一种带冠多级涡轮空气马达，其特征在于，所述壳体(1)的两端分别设置有进气凹槽部和排气凹槽部；所述进气端盖(2)的端部设置有进气凸榫部，所述进气凸榫部包括一圈的进气凹槽(201)和一圈的进气凸起(202)，所述进气凹槽部与所述进气凸榫部的形状匹配以扣合在所述进气凸榫部的外部；所述排气端盖(3)的端部设置有排气凸榫部，所述排气凸榫部包括一圈的排气凹槽(301)和一圈的排气凸起(302)，所述排气凹槽部与所述排气凸榫部的形状匹配以扣合在所述排气凸榫部的外部。3.根据权利要求1所述的一种带冠多级涡轮空气马达，其特征在于，所述定子叶轮(5)包括定子本体、多个定子叶片(51)和圆环状的定子叶冠(52)；靠近所述进气端盖(2)的第一个定子叶轮(5)被设置为第一级定子叶轮，所述第一级定子叶轮的定子本体上固定有锥状的分流凸起(53)，所述分流凸起(53)使从所述进气端盖(2)流入的气体沿所述壳体(1)的内表面进入下一个转子叶轮(6)；所述第一级定子叶轮套接在所述进气端盖(2)内，所述进气端盖(2)设有限制所述第一级定子叶轮向所述进气端盖(2)移动的台阶面(21)；所述分流凸起(53)开设有盲孔，所述盲孔套在所述输出轴(4)的进气端；所有定子叶冠(52)的外表面固定有两个定位凸起(521)，所述进气端盖(2)或每个半圆壳的对应位置开设有供所述定位凸起(521)伸入的定位凹槽(101)；所述定子叶冠(52)的外表面开设有容纳密封圈的定子密封凹槽(523)使所述定子叶冠(52)与位置对应的所述进气端盖(2)或所述壳体(1)的内表面密封连接。4.根据权利要求3所述的一种带冠多级涡轮空气马达，其特征在于，所述第一级定子叶轮以外的定子叶轮(5)与所述壳体(1)通过两个密封圈连接，两个定位凸起(521)设置在两个密封圈之间。5.根据权利要求3所述的一种带冠多级涡轮空气马达，其特征在于，所述转子叶轮(6)包括转子本体、多个转子叶片(61)和圆环状的转子叶冠(62)；所述壳体(1)的内表面开设有三圈的壳体凸起(102)，所述转子叶冠(62)的外表面设置有两圈的密封凸起(621)，每个密封凸起(621)置于相邻的壳体凸起(102)形成的凹槽中；所述壳体凸起(102)和所述密封凸起(621)交替排列以形成封严篦齿结构实现所述转子叶轮(6)与所述壳体(1)密封连接。
6.根据权利要求5所述的一种带冠多级涡轮空气马达，其特征在于，所述定子叶片(51)与所述转子叶片(61)交错排列；沿进气方向，所述定子叶轮(5)和所述转子叶轮(6)的叶片数量依次减少且叶片之间的间距依次增加。7.根据权利要求5所述的一种带冠多级涡轮空气马达，其特征在于，所述定子叶片(51)与所述转子叶片(61)的根部的高度相同，所述转子叶片(61)的顶部和所述定子叶片(51)的顶部的高度沿进气方向依次增加。

技术总结
一种带冠多级涡轮空气马达，包括壳体、进气端盖、排气端盖、由进气端盖和排气端盖转动支撑的输出轴、有间隔的交替排列在输出轴上的定子叶轮和转子叶轮；定子叶轮的内表面与套在输出轴上的轴承连接，其外表面与壳体同步运动；转子叶轮与输出轴固定连接；定子叶轮的两端通过输出轴的轴肩或者套在输出轴上的套筒进行轴向定位；壳体包括两个半圆的半圆壳，半圆壳的两端分别与进气端盖和排气端盖进行榫槽连接。本发明沿壳体的轴向一分为二，将其设计为分体结构，又将两个半圆壳通过榫槽连接与进气端盖、排气端盖实现连接。可以实现方便拆装定子叶轮和转子叶轮，又解决了分体壳体与进气端盖、排气端盖的密封问题。排气端盖的密封问题。排气端盖的密封问题。


技术研发人员：刘雨宣 王明海 郑耀辉 李正强
受保护的技术使用者：沈阳航空航天大学
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/6/28