CN104863642A - 一种小流量涡轮膨胀机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有机工质的小流量涡轮膨胀机。至少包括壳体、和壳体具有的有机工质入口和出口，涡轮膨胀机由两级涡轮结构串联构成，第一级涡轮是由向心涡轮构成，第二级涡轮由离心涡轮构成。本发明涡轮膨胀机，其核心能量转换部件为第一级向心涡轮喷嘴和转轮，主要转换80％左右的能量，另一个能量转换部件为第二级离心涡轮，主要完成20％左右的能量转换，涡轮叶片采用厚度极厚设计，流道分别采用加速流道和减速流道设计，第二级涡轮出口采用扩压器结构，本发明结合径流式涡轮型式，针对小热流流量条件提出了一种新型形线的涡轮叶片，并结合该涡轮叶片形状，设计了一种新型的小流量高效率涡轮膨胀机。

Description

一种小流量涡轮膨胀机

技术领域

本发明属于动力机械设计技术领域，尤其属于一种低温余热回收机械设计技术，特别涉及一种小流量涡轮膨胀机。

背景技术

在工业生产中，余热能源普遍存在。冶金行业的高炉煤气，炼铁厂高炉汽化冷却水，平炉汽化冷却水，石化行业炼油装置的催化、裂化、焦化冷却水，化工行业硫酸生产中的焙烧、焚硫工序等都存在大量余热。

这些余热能源通常分为高温、中温、低温三类，温度高于650℃的为高温余热，230℃～650℃之间的为中温余热，低于230℃以下的为低温余热。对于中高温余热的回收再利用，方式很多且技术成熟，例如，可以采用余热锅炉回收余热产生高温高压的水蒸汽，水蒸汽进入汽轮机组做功驱动发电机发电输出电能。而对于以烟气、蒸汽、高温冷却水等形式存在的低温余热，由于其品位不高，回收效率则低得多，甚至无法回收。如何高效、经济地将这些总量巨大的低品位热能转化为高品质的电能，是目前国内外相关领域科研人员研究的热点。

目前，对于低温余热能源的回收主要采用有机工质朗肯循环(ORC)发电系统，通过该系统可以将低品质热源的热能转化为电能。有机朗肯循环是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，主要由蒸发器、涡轮膨胀机、冷凝器和工质泵四大部件组成，有机工质在蒸发器中从余热热源中吸收热量，由液态变为具一定压力和温度的气态，气态工质进入涡轮膨胀机中膨胀做功，从而带动发电机或拖动其它动力机械旋转。经过涡轮膨胀机降温降压后排出的气态工质在冷凝器中向冷却水放热，工质凝结成液态，最后液态工质借助工质泵重新流入蒸发器中，不断地循环工作。而涡轮膨胀机则是有机工质循环发电系统中的能量转换核心部件。

有机工质朗肯循环(ORC)发电系统中使用的涡轮膨胀机与常规水蒸汽汽轮机在原理上无本质上的区别，其基本原理仍是利用喷嘴和叶轮将高温高压气体转化为高速流体，然后将高速流体的动能转化为旋转机械的轴功输出。但因为有机工质与水蒸气不同，在进行有机工质涡轮膨胀机设计时必须进行特殊设计。

目前国外有机工质涡轮膨胀机已由以前的轴流式汽轮机向径流式向心涡轮机发展，径流式向心涡轮机具有损失小、效率高、转速高、体积小等特点，是有机工质涡轮膨胀机发展的方向。

径流式向心涡轮膨胀机用于低温余热的回收，目前技术已经比较成熟，等熵效率可达80％以上。但是，要求有较大的热源流量。对于一些分散的、小流量的低温余热回收，径流式向心涡轮膨胀机回收效率较低，或者无法回收。

发明内容

本发明根据现有技术的不足公开了一种有机工质的小流量涡轮膨胀机。本发明要解决的问题是为进一步提高小流量低温余热能源的回收，提出了一种更优结构的有机工质涡轮膨胀机。

本发明通过以下技术方案实现：

一种小流量涡轮膨胀机，至少包括壳体、和壳体具有的有机工质入口和出口，其特征在于：涡轮膨胀机由两级涡轮结构串联构成，第一级涡轮是由向心涡轮构成，第二级涡轮由离心涡轮构成。

所述第一级涡轮包括有机工质入口连接的第一级环形流道、第一级环形流道内侧的第一级导叶和向心涡轮；向心涡轮包括对称设置的多个向心叶片，每个向心叶片工作面和尾缘为圆弧线，叶片背面是由样条曲线连接而成的弧线，叶片头部为圆弧倒角；相邻向心叶片之间形成的工作流道宽度由入口至出口段均匀减小。

所述第一级导叶形成的多个喷嘴入口宽度大于出口宽度。

所述第二级涡轮包括设置于第一级涡轮出口中心的第二级导叶、第二级导叶外侧的离心涡轮、离心涡轮外周的扩压流道和与有机工质出口连接的第二级环形流道；离心涡轮包括对称设置的多个离心叶片，每个离心叶片工作面、背面和尾缘均为圆弧线，离心叶片头部为圆弧倒角；相邻离心叶片之间形成的工作流道宽度由入口段至出口段先减小后增大，且入口宽度大于出口宽度。

所述扩压流道是有叶扩压流道或无叶扩压流道；有叶扩压流道由均匀设置的直片绕环形扩压流道布置，每个直片沿扩压流道径向倾斜设置。

所述向心叶片和离心叶片均为空心结构或实心结构。

所述向心叶片采用厚度极厚设计，叶片最厚处达到40mm。

所述离心叶片采用厚度极厚设计，叶片最厚处达到35mm。

所述向心叶片和离心叶片高度在叶高方向的变化规律为直线。

所述两级涡轮是同轴结构或分离的两轴结构；同轴结构的两级涡轮驱动同一转轴转动；分离的两轴结构是向心涡轮驱动一转轴转动，离心涡轮驱动另一转轴反向转动。

本发明涡轮膨胀机主要用于有机朗肯循环发电，内部流动介质为有机工质。有机朗肯循环是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，主要由蒸发器、涡轮膨胀机、冷凝器和工质泵四大部件组成，有机工质在蒸发器中从余热热源中吸收热量，由液态变为具一定压力和温度的气态，气态工质进入涡轮膨胀机中膨胀做功，从而带动发电机或拖动其它动力机械旋转。从涡轮膨胀机中排出的气态工质在冷凝器中向冷却水放热，工质凝结成液态，最后液态工质借助工质泵重新流入蒸发器中，不断地循环工作。

本发明内部流动介质为有机工质，优选工质为R245fa，其它有机工质(如R23等)或者二氧化碳也可使用。

对于低温热源的回收，目前国际上广泛采用有机工质朗肯循环系统，涡轮膨胀机作为该系统能量转换的核心部件，国外已经有部分公司做出了不少产品。但在小输入流量小输出功率的限制条件下，目前公开的专利或文献较少。

涡轮膨胀机输入热流流量越小，则可供转换的能量就越少，输出功率就越小，整个装置体积就越小，流道就越窄，流动损失就越大；但有利的一面是，受到热源热量大小的限制就越小，使用的范围就越广泛。本发明参考现有径流式涡轮型式，主要针对小热流流量条件提出了一种新型形线的涡轮叶片，并结合该涡轮叶片形状，设计了一种新型的小流量高效率涡轮膨胀机。

一般的涡轮流量均比本发明设计中的流量大很多。如果按传统方法，要将涡轮膨胀机的质量流量设计为0.6kg/s，则涡轮膨胀机的结构则必须做到非常小，因此不利于加工和制造，且流道损失较大。如果采用其他形式的涡轮，比如螺杆式涡轮，虽然满足了流量小的要求，但是能量回收效率很低，且螺杆的加工成本较高。

本发明涡轮膨胀机，其核心能量转换部件为第一级向心涡轮喷嘴和转轮，主要转换80％左右的能量，该级涡轮流道为加速流道，最大流速未达到当地音速，属于亚音速流道。主要回收压力能。

该级涡轮转轮叶片采用厚度极厚设计，其设计类似部分流道转轮，但又有其明显特征。叶片形状类似花瓣，尾缘和工作面为圆弧线，叶片背面则由数条样条曲线连接而成，叶片头部为圆弧倒角。

转轮最佳由8个叶片组成，转轮从外侧进口到内侧出口，流道宽度均匀减小，由于叶片高度数值较小，仅为10毫米左右，为了加工方便，叶高方向采用直线堆叠规律。叶片个数可以根据流量不同选取其他数值，叶高方向也可采用圆弧等其他堆叠规律，另外，由于叶片厚度很厚，为了减小转轮的转动惯量，也可将叶片内部掏空，仅保留5-10mm的均匀或者非均匀壁厚。

本发明涡轮膨胀机另一个能量转换部件为第二级离心涡轮，主要完成20％左右的能量转换。该级涡轮为减速流道，也为亚音速流道，主要回收速度能和小部分压力能。

该级涡轮转轮叶片同样采用厚度极厚设计，但和第一级向心叶片有明显区别。叶片工作面、背面和尾缘均为圆弧线。叶片头部为倒圆角，但该倒圆角半径比第一级涡轮要大。

第二级转轮最佳由9个叶片组成，流动介质从转轮内侧进口流到外侧出口，流道宽度增大，为了加工方便，叶高方向采用直线堆叠规律。

本级涡轮中的叶片个数可以根据流量不同选取其他数值，叶高方向也可采用圆弧等其他堆叠规律。另外，由于叶片厚度很厚，为了减小转轮的转动惯量，也可将叶片内部掏空，仅保留5-10mm的均匀或者非均匀壁厚。

另外，第二级涡轮出口有扩压器，扩压器采用的有叶扩压器或无叶扩压，有叶扩压器叶片为直叶片，倾斜布置，叶片数最佳为46个。

采用有叶扩压器时，流动损失小，能量转换效率更高。

附图说明

图1是本发明涡轮膨胀机一种结构横截面示意图；

图2是本发明涡轮膨胀机结构爆炸示意图；

图3是本发明涡轮膨胀机第一级导叶和向心涡轮结构立体示意图；

图4是本发明涡轮膨胀机第一级导叶和向心涡轮结构平面示意图；

图5是本发明涡轮膨胀机第一级导叶立体示意图；

图6是本发明涡轮膨胀机向心涡轮结构立体示意图；

图7是本发明涡轮膨胀机向心叶片结构示意图；

图8是本发明涡轮膨胀机离心涡轮和有直片扩压流道结构立体示意图；

图9是本发明涡轮膨胀机离心涡轮和有直片扩压流道结构平面示意图；

图10是本发明涡轮膨胀机有直片扩压流道结构立体示意图；

图11是本发明涡轮膨胀机离心涡轮结构立体示意图；

图12是本发明涡轮膨胀机离心涡轮和无直片扩压流道结构平面示意图；

图13是本发明涡轮膨胀机离心叶片结构示意图；

图14是本发明涡轮膨胀机第二级导叶结构示意图；

图15是本发明涡轮膨胀机壳体；

图16是本发明涡轮膨胀机向心叶片横截面空心结构示意图；

图17是本发明涡轮膨胀机离心叶片横截面空心结构示意图；

图18是本发明涡轮膨胀机分离转轴结构横截面示意图。

图中，1是壳体，11是工质入口，12是工质出口，13是第一级环形流道，14是第二级环形流道，2是第一级导叶，2a是导叶喷嘴，3是向心涡轮，3a是向心涡轮工作流道，31是向心叶片头部，32是向心叶片工作面，33是向心叶片尾缘，34是向心叶片背面，4是转轴，5是定位块，5a是第二级导叶，6是离心涡轮，6a是离心涡轮工作流道，61是离心叶片头部，62是离心叶片工作面，63是离心叶片尾缘，64是离心叶片背面，7是扩压流道，7a是直片，8是基座，9是第二转轴。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，实施例只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据上述本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整也属于本发明保护的范围。

结合图1至图9。

一种小流量涡轮膨胀机，至少包括壳体1、和壳体1具有的有机工质入口11和出口12，涡轮膨胀机由两级涡轮结构串联构成，第一级涡轮是由向心涡轮3构成，第二级涡轮由离心涡轮6构成。

第一级涡轮包括有机工质入口11连接的第一级环形流道13、第一级环形流道13内侧的第一级导叶2和向心涡轮3；向心涡轮3包括对称设置的多个向心叶片，每个向心叶片工作面32和尾缘33为圆弧线，叶片背面34是由样条曲线连接而成的弧线，叶片头部31为圆弧倒角；相邻向心叶片之间形成的向心涡轮工作流道3a宽度由入口至出口段均匀减小。

第一级导叶2形成的多个导叶喷嘴2a入口宽度大于出口宽度。

第二级涡轮包括设置于第一级涡轮出口中心的第二级导叶5a、第二级导叶5a外侧的离心涡轮6、离心涡轮6外周的扩压流道7和与有机工质出口连接的第二级环形流道14；离心涡轮6包括对称设置的多个离心叶片，每个离心叶片工作面62、背面64和尾缘63均为圆弧线，叶片头部61为圆弧倒角；相邻离心叶片之间形成的离心涡轮工作流道6a宽度由入口段至出口段先减小后增大，且入口宽度大于出口宽度。

扩压流道7是有叶扩压流道或无叶扩压流道；有叶扩压流道由均匀设置的直片7a绕环形扩压流道7布置，每个直片7a沿扩压流道径向倾斜设置。

如图1所示，图1是本发明涡轮膨胀机结构横截面示意图，图中表示了采用本发明结构的涡轮膨胀机各构件组合结构状态。

图2至图15是采用本发明结构的涡轮膨胀机各构件分拆状态结构示意图。

图16和图17是本发明向心叶片和离心叶片剖视图，各图均表示了本发明叶片的中空结构。

利用本发明结构涡轮膨胀机提供了如下实施例：

实施例1

吸入蜗壳进口总压1.12MPa，总温370K，质量流量0.6kg/s，比焓474KJ/kg；排出蜗壳出口总压0.34MPa，总温364.7K；工质为R245fa；叶轮转速8000r/min。该涡轮膨胀机等熵效率约为77％，有效轴功率2.6kW。两级涡轮转速大小和方向相同，可通过同一根轴驱动同一台发电机。

实施例2

结合图18，如图所示，吸入蜗壳进口总压1.12MPa，总温370K，质量流量0.6kg/s，比焓474KJ/kg；排出蜗壳出口总压0.34MPa，总温364.7K；工质为R245fa；两级叶轮转速均为8000r/min。该涡轮膨胀机为对转涡轮。由于本例的中间导叶和实施例1中不同,为无叶片设计，该处流动转折角比实施例1小，流动损失较小；同时，由于转向相反，次级离心涡轮叶片安放方向和实施例1相反，由于流动损失减小，等熵效率更高，约为85％，有效轴功率2.9kW。但两级涡轮不同轴，旋转方向相反，分别驱动各自的发电机。

Claims (10)

1.一种小流量涡轮膨胀机，至少包括壳体、和壳体具有的有机工质入口和出口，其特征在于：涡轮膨胀机由两级涡轮结构串联构成，第一级涡轮是由向心涡轮构成，第二级涡轮由离心涡轮构成。

2.根据权利要求1所述的小流量涡轮膨胀机，其特征在于：所述第一级涡轮包括有机工质入口连接的第一级环形流道、第一级环形流道内侧的第一级导叶和向心叶轮；向心叶轮包括对称设置的多个向心叶片，每个向心叶片工作面和尾缘为圆弧线，叶片背面是由样条曲线连接而成的弧线，叶片头部为圆弧倒角；相邻向心叶片之间形成的向心涡轮工作流道宽度由入口至出口段均匀减小。

3.根据权利要求2所述的小流量涡轮膨胀机，其特征在于：所述第一级导叶形成的多个喷嘴入口宽度大于出口宽度。

4.根据权利要求1或2或3所述的小流量涡轮膨胀机，其特征在于：所述第二级涡轮包括设置于第一级涡轮出口中心的第二级导叶、第二级导叶外侧的离心涡轮、离心涡轮外周的扩压流道和与有机工质出口连接的第二级环形流道；离心涡轮包括对称设置的多个离心叶片，每个离心叶片工作面、背面和尾缘均为圆弧线，离心叶片头部为圆弧倒角；相邻离心叶片之间形成的离心涡轮工作流道宽度由入口段至出口段先减小后增大，且入口宽度大于出口宽度。

5.根据权利要求4所述的小流量涡轮膨胀机，其特征在于：所述扩压流道是有叶扩压流道或无叶扩压流道；有叶扩压流道由均匀设置的直片绕环形扩压流道布置，每个直片沿扩压流道径向倾斜设置。

6.根据权利要求5所述的小流量涡轮膨胀机，其特征在于：所述向心涡轮叶片和离心涡轮叶片均为空心结构或实心结构。

7.根据权利要求5所述的小流量涡轮膨胀机，其特征在于：所述向心叶片采用厚度极厚设计，叶片最厚处达到40mm。

8.根据权利要求5所述的小流量涡轮膨胀机，其特征在于：所述离心叶片采用厚度极厚设计，叶片最厚处达到35mm。

9.根据权利要求5所述的小流量涡轮膨胀机，其特征在于：所述向心叶片和离心叶片高度在叶高方向的变化规律为直线。

10.根据权利要求5所述的小流量涡轮膨胀机，其特征在于：所述两级涡轮是同轴结构或分离的两轴结构。