CN103470316B - 一种结合冲动作用和边界层效应的混合微型层透平 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于火力发电设备零部件范围一种结合冲动作用和边界层效应的混合微型层透平。它主要包括装置定子外壳和转子。定子外壳分为正六边形前后端盖和主体三个部分，分别中间镗原型腔，六角分别用螺栓固定。后端盖中心周围平均开设有排气孔。透平轴通过轴承过盈配合安装在外壳上。透平轴上依次设置有轴肩和键槽，透平盘片通过键和间隙垫片平行布置于透平轴上，转子盘片组与透平轴间隙配合，末端用圆螺母锁紧。透平轴末端采用非连接式磁性联轴器，磁性联轴器圆周外围平均布置磁极交错形式圆形磁铁。轴旋转时，可以通过磁性联轴器带动电机旋转发电。本发明结构简单，制造成本低且易于小型化。可应用于如太阳能、地热能和工厂废热等低品位热能。

Description

一种结合冲动作用和边界层效应的混合微型层透平

技术领域

本发明属于火力发电设备的机械装置范围，特别涉及一种结合冲动作用和边界层效应的混合微型层透平。

背景技术

节能减排是当今全世界关注的热点。区别于传统的火力发电，许多诸如太阳能、地热能、工厂废气、火电厂废烟气、生物质等多种低品位热能开始受到人们的关注。如果这些低品位热能可以更好地被用来发电，可以缓解一部分传统能源的压力。

将低品位热能转化为电能，一般采用以低品位热能为热源，加热流体工质产生蒸汽推动叶轮机械旋转，从而带动发电机发电。目前，传统的燃气、蒸汽透平，无论是径向还是轴向式，都属于有叶透平，由工质通过膨胀带动透平叶片从而推动透平转动。基于这种原理的有叶透平，通常更适合应用于高参数的火力发电，而上述低品位热能由于本身热源温度较低，产生的工质蒸汽参数较低，使得传统有叶透平叶型设计复杂，成本高，效率低。而且一些低品位热能，比如工厂废气、废烟气和生物质等，由于来流中含有固体和液体颗粒，使得传统有叶透平叶片易受空穴腐蚀和固体颗粒的磨损，因此无法用于高粘度流体、低温水蒸气等气液两相流以及烟气、煤浆等固液两相流，限制了其工质的范围。同时，有叶透平随着尺寸的缩小，比表面积大大增加，从流体与叶片表面摩擦损失增加，透平效率降低，造成有叶透平难以小型化。在这种工况条件下，如果应用以边界层透平为原型，结合了冲动作用的新型混合式微型透平，有以下众多优势：1.做功部件简单，结构紧凑，呈薄圆盘形，制造成本低廉。2.适用功率范围广，大、小型皆宜。3.工质范围广，除常规工质(如蒸汽、燃气、有机工质、水等)外，可利用多相流、高粘度流体、含磨粒流体等工质，如湿蒸汽、泥浆、烟气等。

发明内容

本发明的目的是提供一种结合冲动作用和边界层效应的混合微型层透平，其特征在于，所述混合微型层透平主要包括定子外壳和转子；定子外壳分为正六边形前后端盖和主体三个部分，三个部分的中间分别镗圆形腔，前后端盖的六角分别用螺栓与主体固定；后端盖中心周围平均开设有排气孔。外壳中心位置开设有圆形轴孔，透平轴通过轴承过盈配合安装在外壳上；透平轴上依次设置有轴肩和键槽，透平盘片通过键和间隙垫片平行布置于透平轴上，透平轴上有透平盘片和间隙垫片依次交替排布，通过间隙垫片控制透平盘片间距组成转子盘片组，转子盘片组与透平轴间隙配合，末端用圆螺母锁紧；透平盘片中部靠近轴位置开设排气孔；透平盘片边缘切有若干冲击槽，以提高透平转矩和输出性能；主体上部开设有圆形进气口，外接喷嘴以进气；透平轴末端采用非连接式的磁性联轴器，磁性联轴器一端与轴采用顶紧螺栓锁死，磁性联轴器另一端设有圆盘结构，接近圆周外围平均布置磁极交错形式圆形磁铁；磁性联轴器成对使用，一半磁性联轴器固定在透平轴上，另一半磁性联轴器固定在电机轴上；透平轴旋转时，通过磁性力作用，一半磁性联轴器带动另一半磁性联轴器旋转，从而带动电机旋转发电。

所述透平轴上平行布置透平盘片，通过键和端盖螺母锁紧固定，透平盘片之间用圆形间隙垫片加以分隔，透平盘片与轴间隙配合。

所述透平盘片边缘切有若干仿叶片式波浪形冲击槽，入口气流进入透平空腔后先通过冲击透平盘片边缘冲击槽传递动能，流出后沿透平盘片表面螺旋前进从透平盘片中心附近排气口流出。

所述外壳采用六角形，边缘设置螺孔，壳体后端开设排气孔，单向出气。

所述主体上部开设有圆形进气口采用圆柱形大截面入口，增大进气量，单个进气口设置在透平盘片上部，使进气切向流入主体上部开设的圆形腔。

本发明的有益效果是一种混合型微型透平，为低品位热能利用提供一种有效地动力装置，适用于低品位热能利用，可以应用于以有机物为工质的ORC循环。本发明具有以下优点：

1、本发明采用边缘切口式盘片，圆盘边缘切有波浪式冲击槽。当气体从进口流入时，首先对冲击槽进行冲动作用，之后进入盘片间隙沿圆盘表面螺旋前进，最终从中心排气口流出。这种设计可以最大化利用来流气体的动能，在传统边界层透平的边界层效应的基础上引入冲动部分，不仅可以提高能量利用率，还可以提高透平输出转矩，更易于带动发电机发电。

2、本发明由于采用六边形外壳主体，是气流在腔体内部流动更均匀，减小损失，也更利于安装。进气口采用大截面圆柱式，可以提高进气量以提高透平输出功率，并减小渐缩式喷嘴造成的能量损失。设计加工简单。

3、本发明采用单向进气单向排气，工质流动更易于控制，运行更加稳定。

4、本发明采用非连接式磁性联轴器，可以极大地缓解这种混合式微型透平在与发电机轴连接时由于对心精度不高造成的传动机械损失。磁性联轴器还可以减少轴的径向受力，减小部件之间的磨损，提高混合式微型透平的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的整体结构剖视图；

图2是本发明整体侧视图；

图3是本发明的圆盘结构示意图；

图4是本发明的主轴结构示意图；

图5是本发明的间隙垫片结构示意图；

图6是本发明的磁性联轴器示意图；

图7是本发明压紧盘片用圆螺母示意图；

图8是本发明的后端盖结构示意图；

图9是本发明的前端盖结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种结合冲动作用和边界层效应的混合微型层透平。下面结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1、2整体结构剖面图和侧视图所示，透平轴5上有透平盘片11和间隙垫片10依次交替排布，通过间隙垫片控制透平盘片11间距，组成转子盘片组，转子盘片组通过键13与透平轴5间隙配合；整个转子盘片组在透平轴5上一端由轴肩3固定，另一端由圆螺母12固定；共有两个陶瓷轴承7分别安装在主体1和后端盖14上，通过卡簧6控制轴向距离，透平轴5与轴承7过盈配合与外壳固定；前端盖2和后端盖14分别由螺钉9锁紧安装到主体1上，并通过O型圈8密封；磁性联轴器4的一半通过顶丝16安装在透平轴5上，置于前端盖2内；磁性联轴器4的另一半安装在发电机轴上；工作时，透平轴5带动一半磁性联轴器4旋转，通过磁力作用带动安装在发电机轴上的另一半磁性联轴器4旋转，进而带动发电机发电；进气嘴17通过螺钉18固定在主体上。

如图3所示，透平盘片11采用边缘切口式盘片，圆盘边缘切有波浪式冲击槽19。来流首先对冲击槽进行冲动作用做功和扩压，之后进入盘片间隙沿圆盘表面螺旋前进，最终从中心排气口20流出。这种设计可以提高能量利用率，在冲击槽部分更好地利用来流的压力能，同时可以进一步扩压提高气体流速，更利于之后的边界层效应做功。

如图4所示，透平轴5的一端安装一半磁性联轴器4，另一端布设转子盘片组；中部偏右设置有较高的轴肩3，轴肩3的厚度需要根据透平盘片11的数量和重量进行强度的校核计算；靠透平轴5左侧车有螺纹以便安装圆螺母12；透平轴5两端为了安装在透平轴承上采用标准化设计，留有卡簧安装的位置。

如图5所示，所述间隙垫片上车有与轴键配合的槽口。

如图6所示，磁性联轴器沿圆周平均布置有圆形磁铁，通过磁力作用带动发电机做功发电；与传统接触式联轴器不同，非接触式磁性联轴器不仅可以降低透平与发电机安装时的对心难度，还可以减小透平轴与发电机轴的径向作用力，从而减小机械传动损失并提高机械的使用寿命。

如图8所示，后端盖靠近中心位置开设有排气孔，使得气体从透平后侧轴向流出；开孔尺寸需要根据盘片上排气孔与运行工况下气量确定。

如图9所示，前端盖不仅起到整体支撑和保护磁性联轴器的作用，在透平运行时起到辅助密封的作用，减少外界环境对轴承和磁性联轴器的影响。

Claims (5)

1.一种结合冲动作用和边界层效应的混合微型层透平，其特征在于，混合微型层透平主要包括定子外壳和转子；定子外壳分为正六边形前后端盖和主体三个部分，三个部分的中间分别镗圆形腔，前后端盖的六角分别用螺栓与主体固定；后端盖中心周围平均开设有排气孔；外壳中心位置开设有圆形轴孔，透平轴通过轴承过盈配合安装在外壳上；透平轴上依次设置有轴肩和键槽，透平盘片通过键和间隙垫片平行布置于透平轴上，并且透平轴上有透平盘片和间隙垫片依次交替排布，通过间隙垫片控制透平盘片间距组成转子盘片组；转子盘片组与透平轴间隙配合，末端用圆螺母锁紧；透平盘片中部靠近轴位置开设排气孔；透平盘片边缘切有若干冲击槽，以提高透平转矩和输出性能；主体上部开设有圆形进气口，外接喷嘴以进气；透平轴末端采用非连接式的磁性联轴器，磁性联轴器一端与轴采用顶紧螺栓锁死，磁性联轴器另一端设有圆盘结构，接近圆周外围平均布置磁极交错形式圆形磁铁；磁性联轴器成对使用，一半磁性联轴器固定在透平轴上，另一半磁性联轴器固定在电机轴上；透平轴旋转时，通过磁性力作用，一半磁性联轴器带动另一半磁性联轴器旋转，从而带动电机旋转发电。

2.根据权利要求1所述一种结合冲动作用和边界层效应的混合微型层透平，其特征在于，所述透平轴上平行布置透平盘片，通过键和端盖螺母锁紧固定，透平盘片之间用圆形间隙垫片加以分隔，透平盘片与轴间隙配合。

3.根据权利要求1所述一种结合冲动作用和边界层效应的混合微型层透平，其特征在于，所述透平盘片边缘切有若干仿叶片式波浪形冲击槽，入口气流进入透平空腔后先通过冲击透平盘片边缘冲击槽传递动能，流出后沿透平盘片表面螺旋前进从透平盘片中心附近排气口流出。

4.根据权利要求1所述一种结合冲动作用和边界层效应的混合微型层透平，其特征在于，所述外壳采用六角形，边缘设置螺孔，壳体后端盖开设排气孔，单向出气。

5.根据权利要求1所述一种结合冲动作用和边界层效应的混合微型层透平，其特征在于，所述主体上部开设有圆形进气口采用圆柱形大截面入口，增大进气量，单个进气口设置在透平盘片上部，使进气切向流入主体上部开设的圆形腔。