CN100429385C - 双用途的径向涡轮机 - Google Patents

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Abstract

一种叶轮，其优选地变型以便作为后倾式、径向式、或前倾式来使用，分别用于对于离心式压缩机和涡轮机转子应用的较低、中等、和较高的差程。

Description

双用途的径向涡轮机
技术领域
本发明总体上有机兰金循环系统，尤其涉及用于该有机兰金循环系统的经济且实用的方法和设备。
背景技术
已知的封闭式兰金循环包括：用于动力流体的蒸发的沸腾器或蒸发器；具有从该沸腾器供应的蒸气以便驱动发电机或其它负载的涡轮机；用于使得来自该涡轮机的排出蒸气冷凝的冷凝器；以及用于使得冷凝的流体再循环到该沸腾器的装置，例如泵。美国专利3393515披露了这种系统。
这种兰金循环系统通常用于发电，发出的电力可供应给配电系统或电网，以便国内的民用和商用。在这种系统内所使用的动力流体通常是水，其中涡轮机由蒸气来驱动。供应给沸腾器的热源可以是任何形式的化石燃料，例如油、天然气、或核能。在这种系统中涡轮机设计成便于在较高的压力和温度下工作，并且其制造和使用成本较高。
当出现能源危机时，以及需要节约能源和需要高效地使用可利用的能源时，可使用兰金循环系统来收集“废热”，否则这些废热将排放到大气中，由于发电需要更多的燃料，因此这将间接地破坏环境。
在垃圾填埋应用中可获得一种常规的热源，其中发散出导致全球温室效应的甲烷气体。为了防止甲烷气体进入环境中且加剧全球温室效应，已经提出了借助所谓的“骤燃”使得该气体燃烧。尽管甲烷燃烧的产物(CO2和H2O)不破坏环境，但是浪费了可以利用的大量能源。
另一种有效地使用甲烷气体的方式是在柴油机或较小的燃气涡轮机或微型涡轮机中燃烧甲烷气体，以便驱动发电机，随后电力直接供应给使用电力的设备或返回到电网。在使用柴油机或微型涡轮机时，必需首先通过过滤器等来净化甲烷气体；并且如果使用柴油机，这还必需涉及大量的维护工作。另外，在这些方式的任一种中，都存在着由废气将大量的能量排放到大气中的情况。
现今将废热排放到环境中的其它可能的废热源是：地热和来自其它类型的发动机例如燃气涡轮机的热量，其将大量的热量释放到废气中，以及往复式发动机，其将热量释放到废气以及冷却水中。
就使用兰金循环系统以便解决废热所涉及的问题的这方面来说，其使用的可行性取决于能够以合理的经济方式组装各个部件。由于部件的结构必需随不同的应用场合而变化，从而使得这个需求复杂化。例如，由于各种废热源处于明显不同的温度，因此利用这种废热源的兰金循环系统的单一结构肯定不能确保这些废热源的有效且经济的使用。
因此本发明的目的在于提供一种可有效地使用废热的新的改进的封闭式兰金循环发电装置。
本发明的另一目的在于提供一种在制造和使用上经济且有效的兰金循环涡轮机。
本发明的又一目的在于更有效地使用二次废热源。
本发明的再一目的在于提供一种在较低的温度和压力下工作的兰金循环系统。
本发明的另一目的在于提供一种在使用中经济且实用的兰金循环系统。
通过参照附图并且结合以下的描述，可更好地理解本发明的这些目的和其它的特征和优点。
发明内容
简言之，依据本发明的一个方面，设计成用于空调用途的压缩制冷剂的离心式压缩机以逆流关系来使用，由此在封闭式有机兰金循环系统中用作涡轮机。以这种方式，可使用相对便宜的现有的硬件系统，以便有效地满足用于有效使用废热的有机兰金循环涡轮机的要求。
依据本发明的另一方面，具有带叶片的散流器的离心式压缩机可有效地用作以逆流方式使用的带有直流喷嘴的发电涡轮机。
依据本发明的再一方面，具有管式散流器的离心式压缩机可用作以逆流关系工作的涡轮机，其中独立的管开口用作喷嘴。
依据本发明的又一方面，压缩机/涡轮机使用作为动力流体的有机制冷剂，该制冷剂选择成使得其工作压力在该压缩机/涡轮机用作压缩机时的工作压力范围内。
依据本发明的又一方面，用于压缩机/涡轮机的叶轮的结构适应于不同的应用场合，以便更有效地使用可用的能源。
参照以下的附图来描述优选实施例；然而，在不脱离本发明的精神和范围内可作出其它的变型和替代的结构。
附图说明
图1是依据现有技术的蒸气压缩循环的示意图；
图2是依据现有技术的兰金循环系统的示意图；
图3是依据现有技术的离心式压缩机的截面图；
图4是依据本发明的优选实施例的压缩机/涡轮机的截面图；
图5是依据现有技术的的散流器结构的立体图；
图6是依据本发明的优选实施例的喷嘴结构的立体图；
图7A和7B是分别对于现有技术和本发明的涡轮机喷嘴结构的R2/R1(外径/内径)半径比率的示意图；
图8是在本发明的优选实施例的压缩机/涡轮机中使用的亮光动力流体的温度和压力之间的关系的图表；和
图9是依据本发明的优选实施例的兰金循环及其各个部件的立体图；
图10是本发明的压缩机/涡轮机部分的转子的一个实施例轴向视图；
图11是其另一实施例的视图；和
图12是其另一实施例的视图。
具体实施方式
现参照图1，其中示出了典型的蒸气压缩循环，其在流程上串联地包括压缩机11、冷凝器12、节流阀13、和蒸发器/冷却器14。在该循环中，例如R-11、R-12、或R134a制冷剂受迫以逆时针方向如箭头所示地流经该系统。
由马达16驱动的压缩机11接收来自蒸发器/冷却器14的制冷剂蒸气并且将其压缩到高温和高压，其中较热的蒸气随后流向冷凝器12，在冷凝器中借助与冷却介质例如空气或水的热交换关系，蒸气被冷却并冷凝成液态。液体制冷剂随后从冷凝器流向节流阀，其中制冷剂膨胀成低温的两相的液体/蒸气状态，同时制冷剂流向蒸发器/冷却器14。蒸发器中的液体向流经蒸发器/冷却器的空气或水提供冷却效果。低压的蒸气随后流向压缩机11，在压缩机中重新开始循环。
依据空调系统的尺寸，压缩机可以是用于小型系统的回转式、螺杆式、或往复式的压缩机，或者是用于大型系统的螺杆式压缩机或离心式压缩机。典型的离心式压缩机包括：用于使得制冷剂蒸气加速到高速的叶轮；用于使得制冷剂减速到低速同时将动能转换成压能的散流器；以及形式为蜗壳或收集器的排出增压室，以便收集排出的蒸气从而随后流向冷凝器。驱动马达16通常是电动马达，其气密地密封在压缩机11的另一端，并且借助传动装置26在操作上使得高速轴旋转。
如图2所示的典型的兰金循环系统还包括蒸发器/冷却器17和冷凝器18，它们以与上述的蒸气压缩的相同方式分别地吸收和释放热量。然而，如以下所述，流体在该系统中流动的方向与蒸气压缩循环相比是颠倒的，并且压缩机11由涡轮机19来代替，涡轮机不由马达16来驱动，而是由该系统中的动力流体来驱动的并且其还驱动发电机21以便产生电力。
在操作中，通常作为具有大量热量输入的蒸发器使得动力流体蒸发，该动力流体通常是水，但是也可以是制冷剂，其中蒸气随后流向有动力供应的涡轮机。当离开涡轮机，低压蒸气流向冷凝器18，其中蒸气借助与冷却介质的热交换关系从而被冷凝。冷凝后的液体随后借助如图所示的泵22循环到蒸发器/沸腾器以便完成该循环。
现参照图3，所示的典型的离心式压缩机包括电动马达24，其在操作上与传动装置26连接以便驱动叶轮27。油泵28用于使得油循环经过传动装置26。当叶轮27高速旋转时，迫使制冷剂经入口引导叶片31流入入口29，以便经叶轮27、散流器32、进入收集器33，在其中收集排出的蒸气以便如上所述地流向冷凝器。
在图4中，如图3所示的相同设备作为径向流入式涡轮机而不是作为离心式压缩机来工作。因而，动力流体被引入到入口增压室34，其以前被设计成作为收集器33。动力流体随后径向向内地流经喷嘴36，该喷嘴的结构与在离心式压缩机中用作散流器的结构相同。动力流体随后撞击叶轮27，由此使得其旋转运动。叶轮随后借助传动装置26以便驱动发电机24，该发电机的结构与在离心式压缩机中用做马达的结构相同。在流经叶轮27之后，低压气体流经入口引导叶片31以便流向出口开口37。在这种工作模式中，入口引导叶片31优选为可移动到完全打开位置或者移动整个地从该设备上移去。
在如上所述的离心式压缩机应用中，散流器32可以各种类型中的任何一种，其中包括叶片式散流器或无叶片的散流器。一种已知类型的叶片式散流器是在美国专利5145317中披露的已知的管式散流器，该专利转让给本发明的受让人。这种散流器在图5中由附图标记38表示，其周向地围绕叶轮27。在此，后倾式叶轮27沿如图所示的顺时针旋转，高压制冷剂径向向外地沿箭头流经散流器38。该散流器38具有多个周向间隔开的渐缩部分或楔形部分39，渐缩通道41形成在其间。经压缩的制冷剂随后径向向外地流经如图所示的渐缩通道41。
在离心式压缩机作为如图6所示的涡轮机工作的应用中，叶轮27沿如图所示的逆时针方向旋转，其中叶轮27由动力流体来驱动，该动力流体如图所示地沿箭头径向向内流经渐缩通道41。
因此，与在离心式压缩机中用做散流器38相同的结构可在涡轮机应用中用做喷嘴或喷嘴的收集部分。另外，这种喷嘴结构提供了优于现有技术的喷嘴结构的优点，对于特定的工作条件，可改进其性能，这将在以下详细描述。为了描述高于现有技术的喷嘴结构的区别和优点，现参照图7A和7B。
参照图7A，所示的现有技术的喷嘴结构参照居中设置的叶轮42来描述，该叶轮接收来自多个周向设置的喷嘴元件43的动力流体。该喷嘴43的径向范围如图所示地由内径R1和外径R2来限定。可以看出，单独的喷嘴元件43较短，从外径R2到内径R1立刻缩小截面面积。另外，喷嘴元件在其受压侧44和负压侧46上是明显弯曲的，由此导致如图所示沿箭头流经喷嘴元件的气体明显转弯变向。
以上的喷嘴的结构的优点在于，设备整体尺寸较小。由于这个原因，绝大多数的(几乎所有的)用于涡轮机应用的喷嘴结构属于这种结构。然而在这种结构中具有一些缺点。例如，喷嘴转向损失以及射出流的不均匀性导致喷嘴效率下降。这些损失被认为是较小的，并且通常认为为了获得较小尺寸的设备的优点，这些损失是值得的。当然应当理解，这种类型的喷嘴不能相对于流动方向逆向地用作散流器，这是由于高的转向率和快速减速，因此流动将出现分离。
参照图7B，在所示的本发明的喷嘴结构中，叶轮42由多个喷嘴元件47周向地围绕。可以看出，喷嘴元件大体上是长的、窄的、和直的。受压侧48和负压侧49是线形的，由此提供了相对较长且较缓的渐扩通道51。在渐扩通道51的边界内，受压侧48和负压侧49所夹的角度是圆锥角α，其优选为小于9度，并且可以看出，在图中由虚线表示的这些圆锥的中心线是直的。由于喷嘴元件47是较长的，R2/R1的比率大于1.25并且优选的范围为1.4。
由于R2/R1的比率较大，因此设备的总体尺寸相对于图7A所示的常规喷嘴结构具有适度的增加(即范围为15％)。另外，由于通道51较长，因此摩擦损失大于图7A所示的常规喷嘴的摩擦损失。然而，这种喷嘴结构具有性能上的优点。例如，由于不存在转向损失或者不存在射出流的不均匀性，因此喷嘴效率相对于常规喷嘴结构而言明显增大，即使在考虑上述的摩擦损失的情况下也是如此。该效率的提高的范围为2％。另外，由于这种结构基于散流器结构，因此其可以如上所述地用于涡轮机和压缩机这两种应用，以下将更详细地进行描述。
如果用于有机兰金循环涡轮机应用和用于离心式压缩机应用的设备是相同的，则本申请的申请人认识到必须使用不同的制冷剂。也就是说，如果已知的离心式压缩机的制冷剂R-134a用于有机兰金循环涡轮机的应用场合，则压力将过大。即，在使用R-134a作为制冷剂的离心式压缩机中，压力范围在50-180psi之间，并且如果相同的制冷剂用于本发明所述的涡轮机应用，则压力将升高到大约500psi，这大于压缩机的最大设计压力。因此，对于申请人而言必须获得另一种可用于涡轮机应用场合的制冷剂。因此，申请人找到了制冷剂R-245fa，当该制冷剂应用于涡轮机应用场合时，其在40-180psi的压力范围内工作，如图8所示的图表。该压力范围对于设计成用于离心式压缩机应用场合的硬件而言是可接受的。另外，对于使用R-245f a的这种涡轮机系统的温度范围在100-200°F的范围内，这对于设计成用于离心式压缩机应用场合的硬件而言是可接受的，在离心式压缩机中工作温度在40-110°F的范围内。因此在图8中可以看出，设计用于R-134a的空调系统在使用R-245fa的情况下可以用于有机兰金循环的发电应用场合。另外，已经发现，由于现有的压缩机具有额外的安全裕度，相同的设备可安全地且有效地在较高温度和压力范围中使用(例如如图8中的虚线所示的270°和300psia)。
在已经描述了本发明的涡轮机部分的情况下，以下将考虑将与涡轮机一起使用的相关系统部件。参照图9，如上所述的涡轮机在图中由附图标记52来表示，其作为ORC(有机兰金循环)涡轮机/发电机，作为Carrier 19XR2离心式压缩机而言可在市场上获得，其可如上所述地逆向工作。该系统的沸腾器或蒸发器部分在图中由附图标记53来表示，其用于将较高压力的高温R-245fa制冷剂蒸气供应给涡轮机/发电机52。依据本发明的一个实施例，对于这种沸腾器/蒸发器的需要可由在市场上获得的Carrier Limited Korea的蒸气发生器来实现，其商品名称为16JB。
用于沸腾器/蒸发器53的能源在图中由附图标记54来表示，并且可以是通常排放到大气中的任何形式的废热。例如，对于小型燃气涡轮机例如Capstone C60通常称为微型涡轮机而言，热量可以从微型涡轮机的废气中获得。其还可以是例如Pratt&Whitney FT8固定燃气涡轮机的大型燃气涡轮机。另一种实用的废热是来自内燃机例如大型往复式柴油机，其用于驱动大型发电机并且在工作中通过排出废气以及通过液体冷却剂在散热器和/或润滑系统中的循环从而产生大量的热量。另外，能量可以从用于涡轮增压器中间冷却器的热交换器中获得，其中流入的经压缩的燃烧空气被冷却以便实现更高的效率和更高的性能。
最后，用于沸腾器的热能可以从地热或垃圾填埋骤燃废气中获得。在这些情况下，燃烧气体可直接应用于沸腾器以便产生制冷剂蒸气，或通过首先利用这些源气体驱动发动机，再使得发动机放出可如上所述地被利用的热量从而间接地应用。
在制冷剂蒸气经过涡轮机52之后，其经过冷凝器56以便使得蒸气冷凝回到液体，该液体随后由泵57泵送到沸腾器/蒸发器53。冷凝器56可以是已知类型中的任何一种。发现适用于该应用场合的一种类型是在市场上从Carrier Corporation可获得的型号为09DK094的空气冷却的冷凝器。适当的泵57是在市场上获得的Sundyne P2CZS。
考虑到如上所述的设备可最有效地应用以便利用从废热中可获得的能量的程度，可以理解最通常的废热源的温度范围是非常不同的。例如，骤燃的温度最可能在1100°F的范围内，然而在往复式发动机中循环的流体的温度为300°F，并且往复式发动机的废气温度是700°F。在燃气涡轮机中，废气温度依据结构而在400-750°F的范围内变化。如果对于这些应用场合中的每一种，使用相同兰金循环系统，则其效果是效率变差。因此，所希望的是，改变其设计以便适应特殊的应用场合。
现参照以下的表1，其列出了用于离心式压缩机和用于有机兰金循环涡轮机的各种应用。这些应用依据压力比来最佳表述，其中对于压缩机应用，压力比PR等于Pcondenser/Pevaporator，对于涡轮机应用，压力比PR等于Pevsporaror/Pcondenser。因此，申请人已经发现，例如对于在温和环境条件下工作的离心式压缩机，压力比2∶1是所希望的。如果在低差程的应用中在有机兰金循环涡轮机中使用相同的设备，则压力比应当是4∶1，并且当在相对低温条件下例如Tgas＜300°F或Tsteam＜225°F使用时，这是最有效且最高效的。在这些应用场合中的每一种中，转子或叶轮如图10所示具有后倾式叶片。因此，带有这种后倾式叶轮的单个压缩机/涡轮机在这两个应用中可有效地互换，由此有效且高效地加热其需求。
表1
  压缩机   涡轮机
  P<sub>R</sub>＝2∶1温和温度(T<sub>cond，sat</sub>-T<sub>evap，sat</sub>)＝55°F   P<sub>R</sub>＝4∶1。低等级废热(T<sub>gas</sub>＜300°F或T<sub>steam</sub>＜225°F，导致制冷剂沸腾温度Trefr，沸腾＜200°F)
  P<sub>R</sub>＝3∶1热带气候(T<sub>cond，sat</sub>-T<sub>evap，sat</sub>)＝70°F   P<sub>R</sub>＝6∶1。中等级废热(300°F＜T<sub>gas</sub>，＜500°F或225°F＜T<sub>steam/water</sub>＜300°F，导致200°F＜制冷剂沸腾温度Trefr，沸腾＜275°F)
  P<sub>R</sub>＝4.5∶1蓄冰/高差程(T<sub>cond，sat</sub>-T<sub>evap，sat</sub>)＝80°F   P<sub>R</sub>＝10∶1。高等级废热(T<sub>gas</sub>＞500°F或T<sub>steam</sub>＞300°F，导致制冷剂沸腾温度Trefr，沸腾＞250°F)
通常，离心式压缩机制冷机的热带气候应用和/或涡轮机的中等级的废热应用而言，申请人发现具有如图11所示的径向对准的叶片的叶轮在这些应用中是最有效且最经济的。
最后，对于用于蓄冰/高差程的离心式压缩机以及高等级废热的涡轮机应用，如图12所示前倾式涡轮机是优选的，其中压缩机的压力比为4.5∶1并且涡轮机压力比为10∶1。
其它的因素可改变上述的应用。例如，如果热量释放(的冷凝器)是水冷的而不是风冷的，对于涡轮机可获得的差程/压力比可增大，(水冷使得获得到更低的冷凝饱和温度，因此可获得更低的冷凝饱和压力，由此增加沸腾压力/冷凝压力的压力比)。因此，中等级废热可能需要前倾式叶轮。

Claims (17)

1.一种构造用于兰金循环系统的涡轮机的方法，该系统以串联流程的关系包括泵、沸腾器、涡轮机、和冷凝器，该方法包括以下步骤：
提供蜗壳以便接收来自蒸发器的蒸气介质并径向向内地引导该蒸气介质；
提供周向间隔开并且围绕该蜗壳的内周设置的多个喷嘴，以便接收来自其的蒸气流并且径向向内地引导该蒸气流，所述喷嘴具有分别由半径R1和R2限定的径向内边界和径向外边界，并且R2/R1＞1.25；以及
提供径向设置在该喷嘴内的叶轮，以便使得从该喷嘴径向流入的蒸气撞击在该叶轮上的多个周向间隔开的叶片，从而使得该叶轮旋转；其中，该叶轮叶片的角度依据所需应用的差程来选择，以便对于较低差程的应用，该叶轮叶片是后倾设置的；对于中等差程的应用，该叶片是径向设置的；并且对于较高差程的应用，该叶轮叶片是前倾设置的。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述散流器是带叶片的散流器。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述散流器是管式散流器。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蒸气是有机制冷剂。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该制冷剂是R-245fa。
6.一种有机兰金循环系统，其以串联流程的关系包括泵、蒸发器、涡轮机、和冷凝器，该涡轮机包括：
弧形地设置的蜗壳，以便接收来自该蒸发器的有机制冷剂蒸气介质并且径向向内地引导该蒸气流；
周向间隔开并且围绕该蜗壳的内周设置的多个喷嘴，以便接收来自其的蒸气流并且径向向内地引导该蒸气流，所述喷嘴具有分别由半径R1和R2限定的径向内边界和径向外边界，并且R2/R1＞1.25；
径向设置在该喷嘴内的叶轮，以便使得从该喷嘴径向流入的蒸气撞击在该叶轮上的多个周向间隔开的叶片，从而使得该叶轮旋转；以及
用于将该蒸气流从该涡轮机引导到该冷凝器的排出流装置；
其中，该叶轮叶片是后倾的或前倾的。
7.如权利要求6所述的有机兰金循环系统，其特征在于，该应用是较低差程的应用，并且该叶轮叶片是后倾的。
8.如权利要求6所述的有机兰金循环系统，其特征在于，该应用是较高差程的应用，并且该叶轮叶片是前倾的。
9.如权利要求6所述的有机兰金循环系统，其特征在于，所述多个喷嘴是带叶片的形式。
10.如权利要求9所述的有机兰金循环系统，其特征在于，每一所述喷嘴包括截头圆锥形通道。
11.如权利要求6所述的有机兰金循环系统，其特征在于，进入该蜗壳的该蒸气的压力在180-330psia的范围内。
12.如权利要求6所述的有机兰金循环系统，其特征在于，进入该蜗壳的该蒸气的饱和温度在210-270°F的范围内。
13.如权利要求6所述的有机兰金循环系统，其特征在于，该蒸发器接收来自内燃机的热量。
14.如权利要求13所述的有机兰金循环系统，其特征在于，从该内燃机获取的热量是从内燃机的排气中获取的。
15.如权利要求14所述的有机兰金循环系统，其特征在于，从该内燃机获取的热量是从在该内燃机内循环的液体冷却剂中获取的。
16.如权利要求6所述的有机兰金循环系统，其特征在于，该冷凝器是水冷式的。
17.如权利要求6所述的有机兰金循环系统，其特征在于，该制冷剂是R-245fa。
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