轮毂驱动式流体机械

1.本发明属于流体机械技术领域，具体涉及一种轮毂驱动式流体机械。


背景技术：

2.传统形式的叶片式流体机械动力驱动方式有两类，一类是利用外接电机通过联轴器与中心主轴连接以传递动力，另一类是通过将电机和旋转装置集成为一体周向旋转以传递动力，也称无轴式流体机械。目前已有的无轴式流体机械为轮缘驱动形式，即采用轮缘电机和旋转机械的轮缘部位相联合，在推进器领域已有实际应用。在各类叶片式流体机械中，大轮毂比形式的旋转机械(如涡轮机，轴流泵等)因轮毂尺寸过大，采用轮缘驱动方式一方面叶轮轮毂位置中空易引起出口高压向进口低压的泄漏和回流，另一方面，轮毂直径过大，但未加以利用，造成泵体空间资源的浪费，而电机集成在轮缘位置，又加大的机械自身的径向厚度，如果是船舶机械，则在运行时因径向尺寸的增加阻力系数也成倍增大。同时，由于轴承设置在轮缘，其摩擦损失也较大，导致效率降低。综上所述，研究新型的动力驱动方式在具有实用的工程价值。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种轮毂驱动式流体机械，相比轮缘驱动形式减小了摩擦损失。
4.本发明所采用的技术方案是：轮毂驱动式流体机械，包括环形的机壳，机壳内同轴设置有轴体，轴体外沿轴向同轴固定套设有轴承和电机定子，轴承外沿径向依次固定套设有旋转环和叶轮，旋转环的内壁上同轴内嵌有与电机定子相配合的电机转子，轴体外还同轴固定套设有外缘连接至机壳内壁的后置导叶。
5.本发明的特点还在于，
6.轴体由依次前后固定连接的入口段、叶轮段和出口段构成，轴承和电机定子均内嵌于叶轮段上，后置导叶同轴固定套设于出口段外。
7.旋转环的外壁两端与入口段外壁及出口段外壁齐平。
8.轴承为径向推力式轴承且设置有两个，两个轴承分别对称安装在叶轮段两端。
9.电机定子的电路依次经叶轮段、出口段、后置导叶和机壳向外连接。
10.本发明的有益效果是：本发明的轮毂驱动式流体机械，合理利用了叶轮机械大轮毂比尺度下的中心轴所占有的空间结构，将驱动式电机及轴承布置在轮毂处，意味着该结构形式沿用了传统叶轮机械的外部形状及体积大小，但无需外置电机连轴驱动，且轴承在工作时具有较小的线速度，相比轮缘驱动形式减小了摩擦损失；同时，机壳与后置导叶固定连接，其结构形式更为简单。
附图说明
11.图1是本发明的轮毂驱动式流体机械沿轴向三维剖视图；
12.图2是本发明的轮毂驱动式流体机械沿轴向二维正剖视图；
13.图3是本发明的轮毂驱动式流体机械沿叶轮段径向正剖视图。
14.图中，1.轴承，2.入口段，3.叶轮段，4.旋转环，5.叶轮，6.电机转子，7.电机定子，8.后置导叶，9.出口段，10.机壳。
具体实施方式
15.下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。
16.本发明提供了一种轮毂驱动式流体机械，如图1至图3所示，包括环形的机壳10，机壳10沿用传统叶片式流体机械的结构形式，相比现有无轴驱动式叶片式流体机械的机壳其径向尺寸更薄，内壁面沿轴系线性分布，因此降低了流动阻力、损失和设计难度。机壳10内同轴设置有入口段2、叶轮段3和出口段9，叶轮段3外同轴固定套设有径向推力式轴承1，轴承1外依次同轴固定套设有旋转环4和叶轮5，叶轮段3外壁上同轴内嵌电机定子7，旋转环4的内壁上同轴内嵌有与电机定子7相配合的电机转子6，出口段9外同轴固定套设有外缘连接至机壳10内壁的后置导叶8，用以支撑整体轴系结构的重量。
17.其中，入口段2、叶轮段3和出口段9依次前后固定连接为整体轴系，轴承1内嵌于叶轮段3上，后置导叶8同轴固定套设于出口段9外。为方便装配，轴承1设置有两个且分别对称安装在叶轮段3两端。
18.工作时，驱动电机集成于旋转叶轮内部，即电机定子7镶嵌在叶轮段3外侧面，与叶轮段3集成为一体，其电机转子6镶嵌在旋转环4内侧面，与叶轮5集成为一体，该布置形式减小了驱动电机、叶轮3外缘和机壳10的径向尺寸，降低了工作时旋转线速度，有效提高了运行效率，并且电机定子7产生的热量可以被泵内的流体带走，该结构形式与传统的电机形式所不同的是转子布置在定子外侧。
19.因叶片式流体机械存在部分轮毂比过大的情况，导致轴心处过水通道面积过大，在工作时易引起叶轮出口高压侧向低压侧泄漏的情况，造成不必要的流动损失，故入口段2、叶轮段3和出口段9三段轴体以改善较大轮毂比引发的液流损失，该轴体在工作时不随叶轮旋转，不消耗功率，与后置导叶8轮毂处固定连接传递径向力及轴向力，后置导叶8轮缘处与机壳10固定连接，将入口段2、叶轮段3、出口段9、叶轮5、轴承1及旋转环4的重量传递到机壳10。轴承1对称布置在叶轮段3两端，叶轮段3和旋转环4对轴承1径向定位，入口段2和出口段9对轴承1轴向定位，用于将叶轮5工作时产生的轴向力及径向力传递给出口段9，该布置方式相比于常规的无轴驱动装置将轴承集成在叶轮外缘处，理利用了叶轮机械大轮毂比尺度下的中心轴所占有的空间结构，同时将轴承布置在轮毂处，意味着较小的直径，在工作时具有较小的线速度，减小了摩擦损失。
20.通过上述方式，本发明的轮毂驱动式流体机械与现有的无轴驱动叶轮机械及传统叶轮机械技术相比，有益之处在于：
21.1.本发明通过研究同步电机的理论及设计方法和叶片式流体机械的结构特点，将驱动电机集成在叶轮轮毂位置，电机定子7安放在轴系内侧，电机转子6安放在定子外侧，结合叶片式机械的结构特点，形成轮毂驱动式叶片机械，以丰富叶片式流体机械动力传递的设计方法，提高叶片式流体机械电机传动的设计水平。
22.2.本发明利用叶片式流体机械叶轮5大的轮毂比和所设计的内侧三段轴体，将轴
承1安放在叶轮5轮毂内侧，与轮缘驱动装置相比，轴承1的径向尺寸大为缩减，工作时的轴承1的线速度随之减小，水力摩擦损失继而减小。
23.3.本发明的电机转子6内嵌在旋转环4内侧面，与叶轮5集成为一体，随电机定子7产生的旋转磁场在叶片式机械流道内同步旋转，与常规无轴驱动装置相比，机壳10内侧仅与后置导叶8轮缘侧固定连接，其结构形式更为简单，缩小了机壳10的径向厚度，减小了机械自身的体积及重量；同时，其电机转子6带动叶轮5的轮毂同步旋转相比电机转子带动叶轮的轮缘同步旋转所消耗的功率大幅降低，提升了机组的运行效率。


技术特征：
1.轮毂驱动式流体机械，其特征在于，包括环形的机壳(10)，机壳(10)内同轴设置有轴体，轴体外沿轴向同轴固定套设有轴承(1)和电机定子(7)，轴承(1)外沿径向依次固定套设有旋转环(4)和叶轮(5)，旋转环(4)的内壁上同轴内嵌有与电机定子(7)相配合的电机转子(6)，轴体外还同轴固定套设有外缘连接至机壳(10)内壁的后置导叶(8)。2.如权利要求1所述的轮毂驱动式流体机械，其特征在于，所述轴体由依次前后固定连接的入口段(2)、叶轮段(3)和出口段(9)构成，轴承(1)和电机定子(7)均内嵌于叶轮段(3)上，后置导叶(8)同轴固定套设于出口段(9)外。3.如权利要求2所述的轮毂驱动式流体机械，其特征在于，所述旋转环(4)的外壁两端与入口段(2)外壁及出口段(9)外壁齐平。4.如权利要求2所述的轮毂驱动式流体机械，其特征在于，所述轴承(1)为径向推力式轴承且设置有两个，两个轴承(1)分别对称安装在叶轮段(3)两端。5.如权利要求2所述的轮毂驱动式流体机械，其特征在于，所述电机定子(7)的电路依次经叶轮段(3)、出口段(9)、后置导叶(8)和机壳(10)向外连接。

技术总结
本发明公开的轮毂驱动式流体机械，包括环形的机壳，机壳内同轴设置有轴体，轴体外沿轴向同轴固定套设有轴承和电机定子，轴承外沿径向依次固定套设有旋转环和叶轮，旋转环的内壁上同轴内嵌有与电机定子相配合的电机转子，轴体外还同轴固定套设有外缘连接至机壳内壁的后置导叶。本发明的轮毂驱动式流体机械，合理利用了叶轮机械大轮毂比尺度下的中心轴所占有的空间结构，将驱动式电机及轴承布置在轮毂处，意味着该结构形式沿用了传统叶轮机械的外部形状及体积大小，但无需外置电机连轴驱动，且轴承在工作时具有较小的线速度，相比轮缘驱动形式减小了摩擦损失；同时，机壳与后置导叶固定连接，其结构形式更为简单。其结构形式更为简单。其结构形式更为简单。


技术研发人员：孙帅辉 张祯 郭鹏程
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：2022.01.14
技术公布日：2022/5/25