一种多级特斯拉涡轮机及其装配方法

技术领域

本发明属涡轮机技术领域，具体涉及一种多级特斯拉涡轮机及其装配方法。

背景技术

特斯拉涡轮机是一种无叶片的，由流体剪切力驱动的涡轮机，它被称为无叶片涡轮。特斯拉涡轮机应用了边界层效应，流体受黏滞力影响，会在管壁或者其它物体边缘形成一层很薄的边界层，在边界层内，固定表面的流速为0，离表面越远速度越大。利用这个效应就可以让高速运动的流体带动一组转盘转动。特斯拉涡轮机的机械效率可达95％，比普通的叶片涡轮机高得多。

然而目前特斯拉涡轮的落压比很难突破2，即压气机将气体增压，高压气体对涡轮做功后会存在较大的压力损失，因此当其用于发电或发热等系统中时，热效率并不高，造成能源浪费。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种多级特斯拉涡轮机，可解决现有特斯拉涡轮落压比低，易造成压力损失、系统效率低的问题。

本发明的技术解决方案是：一种多级特斯拉涡轮机，包括至少两个特斯拉涡轮机单元；所述特斯拉涡轮机单元包括：转轴，至少两个径向轴承和设置于所述转轴和至少两个径向轴承上的壳体，所述壳体上设置有介质入口和介质出口；设置于所述壳体内的若干个转盘，所述若干个转盘固定连接于所述转轴上，所述若干个转盘中的每两个相邻转盘之间均设置有间隙，所述若干个转盘中的每个转盘上均绕中心均布设置排气孔；所述至少两个径向轴承设置于所述转轴上；上一级特斯拉涡轮机单元的介质出口与下一级特斯拉涡轮机单元的介质入口连通。

进一步的，每个特斯拉涡轮机单元包括电机，所述电机的转轴通过联轴器与所述转轴连接；或者，所述电机的转轴为所述转轴。

进一步的，所述电机为发电机或启发一体式电机。

进一步的，每个特斯拉涡轮机单元包括推力轴承。

进一步的，两个径向轴承分别位于两端转盘的外侧。

进一步的，至少两个径向轴承和/或推力轴承为非接触式轴承。

进一步的，所述介质入口设置有喷嘴。

进一步的，所述转盘两侧面设置螺旋式空气槽。

上述多级特斯拉涡轮机的装配方法，包括如下步骤：

S100)、装配特斯拉涡轮机单元：

S110)、装配特斯拉涡轮单元的一片转盘套入转轴固定，接着套入垫片；

S120)、重复步骤110)，依次套入预定数量的转盘，直至套入最后一片转盘；最后一片转盘端部通过弹性挡圈固定、限制所述转盘的轴向位移；

S130)、将壳体罩设于所述转盘上并密封；

S140)、转动当前级数的特斯拉涡轮机，检测转盘之间的同轴度，平行度的偏差及振动幅度；

S150)、如果步骤S140中，检测的转盘之间的同轴度，平行度的偏差及振动幅度超过预定值，则取下最后装配的转盘后重复步骤S140和步骤S150直至检测的转盘之间的同轴度，平行度的偏差及振动幅度在预定值范围内，完成单个特斯拉涡轮机单元的装配；

S200)、重复步骤S100，直至完成预定级数的特斯拉涡轮机的装配；

S300)、将上一级特斯拉涡轮机单元的介质出口与下一级特斯拉涡轮机单元的介质入口连通。

进一步的，所述特斯拉涡轮机单元包括电机，所述电机的转轴通过联轴器与所述转轴连接；或者，所述电机的转轴为所述转轴，所述步骤S100，装配特斯拉涡轮机单元包括步骤S101，

所述电机的转轴通过联轴器与所述转轴连接时，

步骤S101)、将转轴与电机通过联轴器连为一体，并将一个径向轴承装在电机端；

所述电机的转轴为所述转轴时，将一个径向轴承装在靠近所述电机的最后一个转盘的后端，将电机安装在所述转轴上，所述径向轴承位于最后一个转盘和所述电机之间；

同时，步骤S110中，装配特斯拉涡轮单元的一片转盘套入转轴固定，接着套入垫片，最先装配的一片转盘为靠近电机的转盘。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明的多级特斯拉涡轮机，落压比高，减少压降损失，系统整体效率高。

2、本发明的多级特斯拉涡轮机，压缩后的气体可以得到充分利用，可节约能源。

3、本发明的多级特斯拉涡轮机，每一级特斯拉涡轮机单元的介质入口设置喷嘴，增加了气体流速。

4、相对于串联式特斯拉涡轮机轴向间隙在微米级，装配困难，很难保证同轴度，装配操作复杂的情况，本发明的多级特斯拉涡轮机，易保证同轴度，避免误差积累，装配简单。

5、本发明的多级特斯拉涡轮机，尤其适用于小电机(如1KW)，尺寸精度较高；制作工作和装配工艺简单；可模块化生产，生产效率高。

6、本发明的多级特斯拉涡轮机，转盘两侧面设置螺旋式空气槽，实现转盘两侧空气的快速通流，既可传导气体，又可防止空气堵塞、聚积。

附图说明

图1是本发明的多级特斯拉涡轮机的结构示意图；

图2是本发明的多级特斯拉涡轮机中，单个特斯拉涡轮机单元的结构示意图；

图3是图1俯视方向的涡轮进气出气路线示意图；

图4是本发明的多级特斯拉涡轮机中，转盘上设置空气槽的示意图。

附图标记：

110-转轴，160-推力盘，120-壳体，170-介质入口，180-介质出口，191-转盘，192-排气孔，193-垫片，194-空气槽，195-弹性挡圈，196-套筒，130-径向轴承，103-电机,150-推力轴承。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-4所示，一种多级特斯拉涡轮机，包括至少两个特斯拉涡轮机单元；所述特斯拉涡轮机单元包括：转轴110，至少两个径向轴承130和设置于所述转轴110和至少两个径向轴承130上的壳体120，所述壳体120上设置有介质入口170和介质出口180；设置于所述壳体120内的若干个转盘191，所述若干个转盘191固定连接于所述转轴110上，所述若干个转盘191中的每两个相邻转盘191之间均设置有间隙，所述若干个转盘191中的每个转盘191上均绕中心均布设置排气孔192；所述至少两个径向轴承130设置于所述转轴110上；上一级特斯拉涡轮机单元的介质出口180与下一级特斯拉涡轮机单元的介质入口170连通。

本发明的多级特斯拉涡轮机的工作原理如下：高速流体介质通过第一级特斯拉涡轮机壳体120上设置的介质入口170进入壳体120内部后进入相邻转盘191之间的间隙。由于流体边界效应，流体介质驱动转盘191高速旋转进而带动转轴110旋转。流体介质依次穿过各转盘191的排气孔192，并最终通过壳体120上设置的介质出口180排出壳体120，经管道进入下一级特斯拉涡轮机单元的介质入口170……直至从最后一级特斯拉涡轮机单元的介质出口180排出。

优选的，上一级特斯拉涡轮机单元的介质出口180通过管道连接至下一级特斯拉涡轮机单元的介质入口170。

优选的，每一级特斯拉涡轮机单元的介质入口170设置有喷嘴，以增加气体流速。

优选的，所述转轴110与壳体120连接位置密封处理，防止工质泄露。

优选的，进一步地，所述转轴110通过至少一对径向轴承130支承于定子(图中未示出)内。

优选的，所述转盘191为圆盘。

优选的，每个特斯拉涡轮机单元设置有电机103，所述电机103的转轴通过联轴器与所述转轴110连接；或者，所述电机103的转轴为所述转轴110，即所述电机103的转轴与所述多级特斯拉涡轮机的转轴110共轴。本发明的多级特斯拉涡轮机可应用于微型燃气轮机。

优选的，所述电机103为发电机，转轴110旋转带动电机103的旋转轴旋转以实现电机发电。

进一步优选的，所述电机103为启发一体式电机，此时，所述特斯拉涡轮机单元初始启动时刻，可以将电机103以启动模式开启，以使所述特斯拉涡轮机单元的转轴110转动，当所述特斯拉涡轮机单元的转速提升至预设转速后，可以将电机103的工作模式切换到发电模式。

优选的，每个特斯拉涡轮机单元包括推力轴承150，所述推力轴承150包括推力盘160和定子，所述推力盘160设置在所述转轴110上；所述推力轴承150为用于限制转轴110在轴向方向上移动的轴承，径向轴承130为用于限制转轴在径向方向上移动的轴承。

进一步优选的，至少两个径向轴承130和/或推力轴承150为非接触式轴承，如空气轴承，磁轴承，气磁混合轴承等。

优选的，两个径向轴承130分别位于两端转盘的外侧。

优选的，每个转盘191上的排气孔192同轴设置。

优选的，所述转盘191通过键连接等固定方式固定于所述转轴110上。

优选的，相邻的两个转盘191之间设置有垫片193，所述垫片193用于调节相邻两转盘191之间的间隙大小。

优选的，所述转盘191采用钢或碳纤维材料或耐高温环氧树脂。

优选的，所述转盘191两侧面设置螺旋式空气槽194，以实现转盘191两侧空气的快速通流，既可传导气体，又可防止空气堵塞、聚积。

进一步优选的，所述空气槽194可以通过锻造、滚轧、刻蚀或冲压而形成。

上述多级特斯拉涡轮机的装配方法，包括如下步骤：

S100)、装配特斯拉涡轮机单元：

S110)、装配特斯拉涡轮单元的一片转盘191套入转轴110固定，接着套入垫片193；

S120)、重复步骤110)，依次套入预定数量的转盘191，直至套入最后一片转盘191；最后一片转盘191端部通过弹性挡圈195固定、限制所述转盘191的轴向位移；

S130)、将壳体120罩设于所述转盘191上并密封；

S140)、转动当前级数的特斯拉涡轮机，检测转盘191之间的同轴度，平行度的偏差及振动幅度；

S150)、如果步骤S140中，检测的转盘191之间的同轴度，平行度的偏差及振动幅度超过预定值，则取下最后装配的转盘191后重复步骤S140和步骤S150直至检测的转盘191之间的同轴度，平行度的偏差及振动幅度在预定值范围内，装配下一级特斯拉涡轮机单元；

S200)、重复步骤S100，直至完成预定级数的特斯拉涡轮机的装配。

S300)、将上一级特斯拉涡轮机单元的介质出口与下一级特斯拉涡轮机单元的介质入口连通。

优选的，所述多级特斯拉涡轮机包括电机103，所述电机103的转轴通过联轴器与所述转轴110连接；或者，所述电机103的转轴为所述转轴110，所述多级特斯拉涡轮机的装配方法包括步骤S101，

所述电机103的转轴通过联轴器与所述转轴110连接时，

步骤S101)、将转轴110与电机103通过联轴器连为一体，并将一个径向轴承130装在电机端；

所述电机103的转轴为所述转轴110时，将一个径向轴承130装在靠近所述电机103的最后一个转盘的后端，将电机103安装在所述转轴110上，所述径向轴承130位于最后一个转盘和所述电机103之间。

同时，步骤S110中，装配特斯拉涡轮单元的一片转盘191套入转轴110固定，接着套入垫片193，最先装配的一片转盘为靠近电机103的转盘。

优选的，步骤S300完成后还可在整机外部罩设保护罩，保护罩上留有预留口。所述预留口用于与外界的连接，如用于连接管路或线路。

优选的，步骤100中，转盘191与转轴110之间的固定方式可选择键连接，两端通过套筒196限位。具体可参见图1，对于每一级特斯拉涡轮机单元，最右端转盘191中部右侧设置一体成型的套筒196，套筒196右端与转轴110右侧轴肩相抵；最左端转盘191中部左侧设置一体成型的套筒196，套筒196左侧可设置弹性挡圈195进行轴向限位。

优选的，每一级特斯拉涡轮机单元内转盘191的数量可以均相等或个别相等或均不相等。

本发明的多级特斯拉涡轮机可通过增加转盘191的数量增加气流量，通过增加级数增大落压比。

假设工质入口气体压力为20倍大气压，每一级特斯拉涡轮机单元的可以使气压降2倍，则通过4-5级的特斯拉涡轮机单元就可以使排出压力接近于大气压，压降损失极小。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。