一种单级透平真空机及应用其抽取真空的方法

摘要

本发明公开了一种单级透平真空机及应用其抽取真空的方法，该透平真空机的泵体安装在透平加速齿轮箱的一侧，其入口壳体镶嵌在蜗壳内，其内壁形成吸入口和叶轮静环，吸入口采用圆锥形结构，位于吸入口后端的入口壳体在与叶轮配合位置采用圆弧形，形成叶轮静环，在叶轮出口处，叶轮静环后部的入口壳体与蜗壳之间的环形腔体形成扩压器，扩压导流叶片安装在扩压器内。抽取真空的方法是叶轮通过透平加速齿轮箱带动，使气体从吸入口吸入，经过叶轮、扩压导流叶片，从蜗壳排出口排出；在吸入口处形成-20KPa至-60KPa的真空度，实现真空的抽取，该抽取真空方法效率高，可达到80%以上，与常规的真空系统比较，可降低能耗50%。

权利要求

1.一种单级透平真空机，其特征在于：包括透平加速齿轮箱、泵体和叶 轮组件；所述透平加速齿轮箱内的大齿轮与小齿轮啮合，大齿轮上的轴与原动 机联接，小齿轮轴的输出端与叶轮联接；所述泵体安装在透平加速齿轮箱的一 侧，包括入口壳体、蜗壳、扩压导流叶片和叶片角度调节机构；所述入口壳体 镶嵌在蜗壳内，其内壁形成吸入口和叶轮静环，吸入口采用圆锥形结构，位于 吸入口后端的入口壳体在与叶轮配合位置采用圆弧形，形成叶轮静环，叶轮与 叶轮静环采用间隙配合，蜗壳的内壁形状采用圆弧形截面，其直径沿着气流旋 转方向逐渐增大，在叶轮出口处，叶轮静环后部的入口壳体与蜗壳之间的环形 腔体形成扩压器，扩压导流叶片安装在扩压器内；叶片角度调节机构安装在扩 压导流叶片的后面，包括叶片连接块、块固定销、圆环、杆固定销、连接杆、 吊耳、气动薄膜执行器，每个扩压导流叶片通过与其对应的一个叶片连接块和 块固定销与圆环连接，气动薄膜执行器通过依次相连的吊耳、连接杆和杆固定 销与圆环连接；所述叶轮组件包括叶轮、小齿轮轴，叶轮安装在透平加速齿轮 箱的小齿轮轴的端部，位于吸入口内的空腔内。

2.根据权利要求1所述的单级透平真空机，其特征在于：所述的叶轮为 半开式离心三元流结构，叶轮直径为400mm至800mm。

3.根据权利要求1所述的单级透平真空机，其特征在于：所述的扩压导 流叶片个数为24至30个，圆周均匀分布。

4.根据权利要求3所述的单级透平真空机，其特征在于：所述的扩压导 流叶片角度可调，角度调节范围8度至30度。

5.根据权利要求1-4任一项所述的单级透平真空机，其特征在于：所述 的透平加速齿轮箱的大齿轮和小齿轮采用左右旋的双斜齿轮。

6.根据权利要求1-4任一项所述的单级透平真空机，其特征在于：所述 的泵体还包括气轴封，气轴封安装在蜗壳与小齿轮轴之间。

7.根据权利要求1-4任一项所述的单级透平真空机，其特征在于：所述 的单级透平真空机还包括供油组件，供油组件安装在透平加速齿轮箱上，包括 油泵传动齿轮副、机械润滑油泵，油泵传动齿轮副的一个齿轮安装在机械润滑 油泵的轴上，另外一个齿轮安装在大齿轮的轴上，大齿轮的轴驱动油泵传动齿 轮副运转，带动机械润滑油泵运行。

8.应用权利要求1所述单级透平真空机抽取真空的方法，其特征在于： 叶轮通过透平加速齿轮箱带动，以4000r/min至12000r/min的转速旋转，使 气体从吸入口吸入，经过叶轮、扩压导流叶片，从蜗壳排出口排出；吸入气体 的流量为500m3/min至1500m3/min，在吸入口处形成-20KPa至-60KPa的真空 度，实现真空的抽取。

9.根据权利要求8所述的应用单级透平真空机抽取真空的方法，其特征 在于：从蜗壳的排出口排出的气体温度为100℃至180℃，通过热交换器实现 热能回收。

说明书

技术领域

本发明涉及透平机械技术与真空设备领域，特别是涉及一种单级透平真空 机及应用其抽取真空的方法。

背景技术

需要大抽气量的真空系统广泛应用于石油、化工、矿山、机械、轻工、食 品、医药、电子、冶金、航天等部门，目前，应用较广的真空系统，主要是水 环式真空泵和罗茨真空泵。
水环式真空泵属于变容式真空泵，在工作时在泵体中需要有一定量的水作 为工作液，真空泵叶轮带动水旋转产生泵腔容积的变化，实现吸气、压缩和排 气工作过程，由于工作液的存在，泵的转速低，工作效率也低，一般在40％左 右。水环式真空泵受到结构上和工作液饱和蒸气压的限制，由于水的饱和蒸汽 压高，使得水环真空泵的吸入压力也高，产生的真空度也会降低。
罗茨真空泵是一种旋转式变容真空泵，它是由罗茨鼓风机演变而来的。罗 茨真空泵在较低的入口压力时具有较高的抽气速率，具有驱动功率小、结构紧 凑、占地面积小和运转维护费用低等特点，但罗茨真空泵是一种无内压缩的真 空泵，通常压缩比很低，所以应用在高、中真空系统时，必须与前级真空泵 配套使用，只有当抽气系统中的入口压力被前级真空泵抽取到罗茨真空泵允 许的入口压力时，罗茨真空泵才能开始工作，并且在一般情况下，罗茨真空泵 不允许高压差工作，否则将会过载和过热而损坏。
在目前使用水环式真空泵和罗茨真空泵系统中，普遍存在工作效率低的缺 点，特别在需要大抽气量的真空场合，所需配置的真空泵数量多、体积大、能 耗高、噪声大。

发明内容

为了克服现有大抽气量真空系统能耗大、水耗大等缺点，本发明提供一种 单级透平真空机。
本发明的另一目的是提供应用所述的单级透平真空机抽取真空的方法。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种单级透平真空机，包括透平加速齿轮箱、泵体和叶轮组件；所述透平 加速齿轮箱内的大齿轮与小齿轮啮合，大齿轮上的轴与原动机联接，小齿轮轴 的输出端与叶轮联接；所述泵体安装在透平加速齿轮箱的一侧，包括入口壳体、 蜗壳、扩压导流叶片和叶片角度调节机构；所述入口壳体镶嵌在蜗壳内，其内 壁形成吸入口和叶轮静环，吸入口采用圆锥形结构，位于吸入口后端的入口壳 体在与叶轮配合位置采用圆弧形，形成叶轮静环，叶轮与叶轮静环采用间隙配 合，蜗壳的内壁形状采用圆弧形截面，其直径沿着气流旋转方向逐渐增大，在 叶轮出口处，叶轮静环后部的入口壳体与蜗壳之间的环形腔体形成扩压器，扩 压导流叶片安装在扩压器内；叶片角度调节机构安装在扩压导流叶片的后面， 包括叶片连接块、块固定销、圆环、杆固定销、连接杆、吊耳、气动薄膜执行 器，每个扩压导流叶片通过与其对应的一个叶片连接块和块固定销与圆环连 接，气动薄膜执行器通过依次相连的吊耳、连接杆和杆固定销与圆环连接；所 述叶轮组件包括叶轮、小齿轮轴，叶轮安装在透平加速齿轮箱的小齿轮轴的端 部，位于吸入口内的空腔内。
进一步地，所述的叶轮为半开式离心三元流结构，叶轮直径优选为400mm 至800mm。
所述的扩压导流叶片个数优选为24至30个，圆周均匀分布。
所述的扩压导流叶片角度可调，角度调节范围8度至30度。
所述的透平加速齿轮箱的大齿轮和小齿轮采用左右旋的双斜齿轮。
所述的泵体还包括气轴封，气轴封安装在蜗壳与小齿轮轴之间。
所述的单级透平真空机还包括供油组件，供油组件安装在透平加速齿轮箱 上，包括油泵传动齿轮副、机械润滑油泵，油泵传动齿轮副的一个齿轮安装在 机械润滑油泵的轴上，另外一个齿轮安装在大齿轮的轴上，大齿轮的轴驱动油 泵传动齿轮副运转，带动机械润滑油泵运行。
应用单级透平真空机抽取真空的方法：叶轮通过透平加速齿轮箱带动，以 4000r/min至12000r/min的转速旋转，使气体从吸入口吸入，经过叶轮、扩 压导流叶片，从蜗壳排出口排出；吸入气体的流量为500m3/min至1500m3/min， 在吸入口处形成-20KPa至-60KPa的真空度，实现真空的抽取。
进一步地，从蜗壳的排出口排出的气体温度为100℃至180℃，通过热交 换器实现热能回收。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明利用单级透平机叶轮的高速旋转实现气体的大流量抽吸来产生真 空，可形成-20KPa至-60KPa真空度，效率高，一般可达到80％以上，与常规 的真空系统比较，可降低能耗50％，而且扩压导流叶片角度可根据系统的真空 状态自动调整，耗电量也随着系统真空的变化而改变，使真空透平机在最大效 率下工作；由于气体在透平真空机内被压缩，排气温度达到100-180℃，可通 过热交换器实现热能回收；透平真空机在工作时不用密封水，可节约大量用水； 由于透平真空机结构紧凑，真空能力大，与常规的真空系统比较，需要的真空 机数量减少，缩小设备占用空间；透平真空机通过机械润滑油泵进行润滑，为 透平真空机提供了最大的操作安全。

附图说明

图1是本发明单级透平真空机的结构示意图。
图2是图1的A处局部放大图。
图3是图1的B-B剖面图。
图中示出，1.吸入口  2.叶轮  3.叶轮静环  4.入口壳体  5.蜗壳  6. 排出口  7.扩压导流叶片  8.气轴封  9.透平加速齿轮箱  10.小齿轮轴  11. 小齿轮  12.油泵传动齿轮副  13.机械润滑油泵  14.原动机  15.大齿轮 16.叶片连接块  17.块固定销  18.圆环  19.杆固定销  20.连接杆  21.吊 耳  22.气动薄膜执行器

具体实施方式

为进一步理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步描述，需要说明的 是，具体实施方式并不对本发明要求保护的范围构成限制。
实施例1：
如附图1所示，单级透平真空机包括透平加速齿轮箱9、泵体、叶轮组件、 供油组件；透平加速齿轮箱9内设有相互啮合的大齿轮15和小齿轮11，大齿 轮15上的轴与原动机14联接，小齿轮轴10的输出端与叶轮2联接，由大齿 轮15驱动小齿轮11，实现增速。透平加速齿轮箱的大齿轮15和小齿轮11优 选采用左右旋的双斜齿轮结构，利用双斜齿轮的特点可抵消叶轮2产生的轴向 推力。泵体安装在透平加速齿轮箱9的一侧，包括入口壳体4、蜗壳5、扩压 导流叶片7、叶片角度调节机构和气轴封8；入口壳体4镶嵌在蜗壳5内，其 内壁采用一体加工形成吸入口1和叶轮静环3，吸入口1为圆锥形结构，吸入 口1内靠近透平加速齿轮箱9侧的入口壳体4在与叶轮2配合位置为圆弧形， 形成叶轮静环3，这样的圆锥形结合圆弧形的进气结构，所形成的进气涡流区 最小；叶轮2与叶轮静环3采用间隙配合；蜗壳5的内壁形状采用圆弧形截面， 其直径沿着气流旋转方向逐渐增大；在叶轮2的出口处，入口壳体4的叶轮静 环3后部与蜗壳5之间的环形腔体形成扩压器，扩压导流叶片7安装在扩压器 内。图2示出了叶片角度调节机构，图3示出了叶片角度调节机构及扩压导流 叶片分布情况。叶片角度调节机构安装在扩压导流叶片7的后面，如图2和图 3所示，包括叶片连接块16、块固定销17、圆环18、杆固定销19、连接杆20、 吊耳21、气动薄膜执行器22；每个扩压导流叶片7通过与其对应的一个叶片 连接块16和块固定销17与圆环18连接，气动薄膜执行器22通过依次相连的 吊耳21、连接杆20和杆固定销19与圆环18连接，气动薄膜执行器22上下 运动，带动圆环18做圆弧运动，从而带动扩压导流叶片7运动，实现扩压导 流叶片7的角度调节，扩压导流叶片7个数优选为24至30，沿圆周均匀分布， 角度调节范围8度至30度，通过改变扩压导流叶片7的角度，就可调节透平 真空机的抽气量，从而可调节真空度。气轴封8安装在蜗壳5与小齿轮轴10 之间。叶轮组件包括叶轮2、小齿轮轴10，叶轮2安装在透平加速齿箱9的小 齿轮轴10的端部，叶轮2采用半开式离心三元流结构，以提高叶轮的抽气能 力，叶轮直径优选为400mm至800mm。供油组件安装在透平加速齿轮箱9上， 包括油泵传动齿轮副12、机械润滑油泵13，机械润滑油泵13通过法兰安装在 透平加速齿轮箱9的侧面，油泵传动齿轮副12的一个齿轮安装在机械润滑油 泵13的轴上，另外一个齿轮安装在大齿轮15的轴上，大齿轮15的轴驱动油 泵传动齿轮副12运转，带动机械润滑油泵13运行。透平加速齿轮箱9的轴承、 齿轮为稀油润滑。在开机时首先由一个电动的辅助润滑油泵为透平加速齿轮箱 9提供润滑，等到透平加速齿轮箱9正常运行后，透平加速齿轮箱9同时带动 机械润滑油泵13也正常运行，为透平加速齿轮箱9提供润滑，电动的辅助润 滑油泵停止工作，在正常操作下，润滑油主要由机械润滑油泵13提供。在停 机时，由于透平加速齿轮箱9开始减速，机械润滑油泵13供油能力不够，电 动的辅助润滑油泵开始工作。通过机械润滑油泵13和电动辅助润滑油泵的结 合，为透平真空机提供最大的操作安全。
单级透平真空机抽取真空的方法：叶轮2通过透平加速齿轮箱9的小齿轮 轴10带动，以4000r/min的转速高速旋转，使气体从吸入口1吸入，进入叶 轮2的气体被叶轮2的叶片带着高速旋转，增加了动能和静压头，然后出叶轮 2进入扩压器内，在扩压器中气体的动能转变为势能，其压力、温度迅速升高， 最后进入蜗壳5，从蜗壳5的排出口6排出，排出的气体温度为100℃。在透 平真空机的吸入口1处，吸入气体的流量为500m3/min，形成-20KPa的真空度， 实现真空的抽取。
实施例2：
单级透平真空机抽取真空的方法：叶轮2通过透平加速齿轮箱9的小齿轮 轴10带动，以12000r/min的转速高速旋转，使气体从吸入口1吸入，进入叶 轮2的气体被叶轮2的叶片带着高速旋转，增加了动能和静压头，然后出叶轮 2进入扩压器内，在扩压器中气体的动能转变为势能，其压力、温度迅速升高， 最后进入蜗壳5，从蜗壳5的排出口6排出，排出的气体温度为180℃。在透 平真空机的吸入口1处，吸入气体的流量为1500m3/min，形成-60KPa的真空 度，实现真空的抽取。
如果齿轮轴及大小齿轮的强度、加工精度许可，本发明的单级透平机抽真 空系统也可实现一透平加速齿轮箱对称的带动两台泵体及叶轮组件，或四台泵 体及叶轮组件。