CN105089705B - 静涡盘及涡旋膨胀机及发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静涡盘及采用该静涡盘的涡旋膨胀机及采用该涡旋膨胀机的发电机组，发电机组包括封闭壳体和设于其内的涡旋膨胀机及发电机，涡旋膨胀机包括相啮合形成膨胀腔的静涡盘和动涡盘，静涡盘的进气口处设有套装在一起的粗进气管和细进气管，在粗进气管和细进气管上分别设置有控制阀；机组运行时，根据实际工况，控制相应控制阀的开启与关闭即可选择由粗进气管或者由细进气管进气，通过选择不同进气通道，实现膨胀机构部进气容积可变，调节涡旋膨胀机的内容积比，使膨胀机的内容积比与实际运行工况相适应，防止出现过膨胀或欠膨胀现象，提高了涡旋膨胀机的变工况适应性，确保了有机朗肯循环发电机组的稳定运行。

Description

静涡盘及涡旋膨胀机及发电机组

技术领域

本发明涉及发电机领域和热电转换领域，具体涉及一种涡旋膨胀机及其静涡盘部件以及采用该涡旋膨胀机的发电机组，应用于有机朗肯循环系统，实现热能到电能的转换。

背景技术

活塞式膨胀机、转子膨胀机、涡旋膨胀机、螺杆膨胀机等结构形式的膨胀机常用于小型有机朗肯循环发电机组，其中涡旋膨胀机因其结构紧凑、体积小、效率高、气流脉动小、噪音低、寿命长等优点而得到广泛的研究与应用。涡旋膨胀机通常按照设计工况设计，膨胀机的内容积比是固定值，其内膨胀比(内膨胀比＝内容积比的K次方，K为工质气体常数)不可以调节，变工况性能较差。但是膨胀机运行中，实际工况多数是偏离设计工况的，也就是运行膨胀比不等于设计膨胀比，易出现过膨胀或者欠膨胀状态。一般情况下过膨胀都是暂时的，膨胀机膨胀机构部出口压力会自动升至排气压力，但是欠膨胀会一直存在，不能有效利用热源回收动力，膨胀机输出轴功大幅降低，不利于有机朗肯循环发电机组整体运行。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是：提供一种静涡盘及采用该静涡盘的涡旋膨胀机以及采用该涡旋膨胀机的发电机组，静涡盘结构使膨胀机内容积比可调节，达到防止过膨胀或欠膨胀的目的，提高涡旋膨胀机的变工况适应性，确保发电机组稳定运行。

为解决上述关于静涡盘的技术问题，本发明提供如下技术方案：

静涡盘，包括：静涡盘盘体，所述静涡盘盘体一侧设有涡旋状的静涡盘侧壁，所述静涡盘盘体的中部设有进气口，其特征在于，所述进气口处设置有进气管，所述进气管包括套装在一起的粗进气管和细进气管，所述粗进气管和细进气管之间留有间隙。

其中，所述粗进气管和细进气管上分别设置有控制阀。

进一步地，所述细进气管设有弯折部，所述弯折部穿出所述粗进气管的管壁，所述细进气管上的控制阀设在所述弯折部上。

为解决上述关于涡旋膨胀机的技术问题，本发明提供如下技术方案：

涡旋膨胀机，包括膨胀机构部，所述膨胀机构部包括静涡盘和动涡盘，所述静涡盘包括静涡盘盘体，所述静涡盘盘体一侧设有涡旋状的静涡盘侧壁，所述静涡盘盘体的中部设有进气口，所述进气口处设置有进气管，所述进气管包括套装在一起的粗进气管和细进气管，所述粗进气管和细进气管之间留有间隙，所述粗进气管和细进气管上分别设置有控制阀；所述动涡盘包括动涡盘盘体，所述动涡盘盘体一侧设有涡旋状的动涡盘侧壁，所述动涡盘侧壁与所述静涡盘侧壁啮合并形成膨胀腔。

其中，所述细进气管设有弯折部，所述弯折部穿出所述粗进气管的管壁，所述细进气管上的控制阀设在所述弯折部上。

进一步地，所述动涡盘和静涡盘之间设置有防止所述动涡盘自转的防转机构。

优选地，所述防转机构包括套设在所述动涡盘外的圆环体，所述圆环体的一个端面上沿直径方向设有两个第一凸块，所述圆环体的另一个端面上沿直径方向设有两个第二凸块，两个所述第一凸块的连线垂直于两个所述第二凸块的连线；所述静涡盘盘体上设置有与所述第一凸块滑动配合的静涡盘滑槽；所述动涡盘盘体上设置有与所述第二凸块滑动配合的动涡盘滑槽。

进一步优选地，所述动涡盘盘体的外周上对应于每一个所述动涡盘滑槽处分别设有两个向外延伸的限位部，两个所述限位部之间形成所述动涡盘滑槽。

为解决上述关于涡旋膨胀发电机组的技术问题，本发明提供如下技术方案：

涡旋膨胀发电机组，包括：封闭壳体和设置于所述封闭壳体内的涡旋膨胀机以及由所述涡旋膨胀机驱动的发电机，所述封闭壳体的一端设有吸气口，所述封闭壳体的另一端设有排气口，所述涡旋膨胀机靠近所述吸气口，所述发电机靠近所述排气口；所述涡旋膨胀机为上述任一项所述的涡旋膨胀机。

其中，所述发电机包括发电机定子和发电机转子，所述发电机转子的转轴第一端与所述动涡盘连接，所述转轴的内部设有润滑油通道，所述润滑油通道包括沿轴向贯通的轴向润滑油通道以及与所述轴向润滑油通道连通的径向润滑油通道，所述径向润滑油通道的位置与所述转轴上的轴承安装位置相对应；所述转轴的第二端内部设置有由所述转轴驱动的用于向所述轴向润滑油通道供油的供油件；所述供油件大致呈人字形结构，包括与所述转轴的内壁固定安装的安装部和固设于所述安装部上的两个叶片，两个所述的叶片分别倾斜设于所述安装部的两侧，且倾斜方向相反。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的静涡盘，由于在其进气口处设置有套装在一起的粗进气管和细进气管，细进气管与涡旋膨胀机膨胀机构部入口的连通容积小，粗进气管与膨胀机构部入口的连通容积大，涡旋膨胀发电机组运行时，根据实际工况，通过控制相应控制阀的开启与关闭即可选择由粗进气管进气或者由细进气管进气，由于膨胀终了容积固定，因此，通过选择不同进气通道，即可实现膨胀机构部进气容积可变，从而调节涡旋膨胀机的内容积比，使膨胀机的内容积比与实际运行工况相适应，防止出现过膨胀或欠膨胀现象，提高了涡旋膨胀机的变工况适应性，确保了有机朗肯循环发电机组的稳定运行，提高了有机朗肯循环系统的运行效率。

附图说明

图1是本发明实施例的涡旋膨胀发电机组结构剖视示意图；

图2是图1中的静涡盘立体结构示意图；

图3是图2沿轴向的剖视结构示意图；

图4是图1中的防转机构立体结构示意图；

图5是图1中的动涡盘立体结构示意图；

图6是图1中的动涡盘与静涡盘啮合示意图；

图7是图1中的转轴剖视结构示意图；

图8是图1中的供油件放大结构示意图；

图9是图8的左视示意图；

图10是图8的俯视示意图；

图中：1-封闭壳体；1a-上壳体；1b-中壳体；1c-下壳体；2-高低压分隔板；3-静涡盘；31-静涡盘侧壁；32-静涡盘滑槽；34-膨胀腔；3a-细进气管；3a1-弯折部；3b-粗进气管；4-动涡盘；41-动涡盘侧壁；42-动涡盘滑槽；421-限位部；5-上轴承；6-上平衡块；7-主轴承；8-转轴；8a-供油件安装孔；8b-下平衡块固定螺纹孔；8c-轴向润滑油通道；8d-主轴承径向润滑油通道；8e-上平衡块安装槽；8f-上轴承径向润滑油通道；9-发电机定子；10-发电机转子；11-供油件；11a-安装部；11b-叶片；11c-叶片；12-下轴承；13-下平衡块；14-排气口；15-防转机构；151-圆环体；15a-第一凸块；15b-第二凸块；16-吸气口；17a-细管控制阀；17b-粗管控制阀；A-高压腔。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种静涡盘及采用该静涡盘的涡旋膨胀机以及采用该涡旋膨胀机的发电机组，静涡盘结构使膨胀机内容积比可调节，达到防止过膨胀或欠膨胀的目的，提高涡旋膨胀机的变工况适应性，确保发电机组稳定运行。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图和具体实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本文中述及的“上、下”等表示方位的用语是基于附图的位置关系，不应将其理解为对保护范围的绝对限定；同理，“第一、第二”等用语仅是为了便于描述，以区分具有相同名称的不同组成部件，并不表示先后或主次关系。

如图1所示，以发电机组立式设置为例，本实施例的涡旋膨胀发电机组包括：封闭壳体1和设置于封闭壳体1内的涡旋膨胀机以及由涡旋膨胀机驱动的发电机；为便于涡旋膨胀机和发电机的安装与维护，封闭壳体1采用组件结构，包括依次密封连接的上壳体1a、中壳体1b和下壳体1c，在上壳体1a上设有吸气口16，在下壳体1c上设有排气口14；其中，涡旋膨胀机靠近吸气口16，涡旋膨胀机与吸气口16之间设有高低压分隔板2，高低压分隔板2与上壳体1a围出的空间为高压腔A，发电机靠近排气口14。

如图1、图2、图3、图5和图6共同所示，其中，涡旋膨胀机包括：膨胀机构部，该膨胀机构部包括互为共轭曲线的静涡盘3和动涡盘4。其中，静涡盘3包括静涡盘盘体，在静涡盘盘体的下侧设有涡旋状的静涡盘侧壁31，在静涡盘盘体的中部设有进气口，在进气口处固定设置有进气管，所述进气管包括套装在一起的细进气管3a和粗进气管3b，粗进气管3b和细进气管3a之间留有间隙，在粗进气管3b上设有粗管控制阀17b,在细进气管3a上设置有细管控制阀17a，两个控制阀优选采用电磁阀，受控于发电机组的电控单元；其中，细进气管3a设有弯折部3a1，该弯折部3a1穿出粗进气管3b的管壁，细管控制阀17a设在弯折部3a1上；细进气管3a和粗进气管3b的上端位于高压腔A中。其中，动涡盘4包括动涡盘盘体，在动涡盘盘体上侧设有涡旋状的动涡盘侧壁41，动涡盘侧壁41与静涡盘侧壁31啮合并形成多个膨胀腔34。

上述结构的静涡盘3，由于在其进气口处设置有套装在一起的细进气管3a和粗进气管3b，细进气管3a与涡旋膨胀机膨胀机构部入口的连通容积小，粗进气管3b与膨胀机构部入口的连通容积大，涡旋膨胀发电机组运行时，根据实际工况，通过控制细管控制阀17a或粗管控制阀17b的开启与关闭即可选择由粗进气管3b进气或者由细进气管3a进气，由于膨胀终了容积固定，因此，通过选择不同进气通道，即可实现膨胀机构部进气容积可变，从而调节涡旋膨胀机的内容积比，使膨胀机的内容积比与实际运行工况相适应，防止出现过膨胀或欠膨胀现象，提高了涡旋膨胀机的变工况适应性，确保了有机朗肯循环发电机组的稳定运行，提高了有机朗肯循环系统的运行效率。

如图1、图2、图4和图5共同所示，其中，为防止动涡盘4在气体推动下运动过程中发生自转，在动涡盘4和静涡盘3之间设置有防止动涡盘4自转的防转机构15。本实施例中，防转机构15优化设计为：采用套设在动涡盘4外的一圆环体151，该圆环体151的上端面上沿直径方向设有两个第一凸块15a，圆环体151的下端面上沿直径方向设有两个第二凸块15b，其中，两个第一凸块15a的连线与两个第二凸块15b的连线垂直，整个防转机构15呈十字滑环状；相应地，在静涡盘盘体上设置有与第一凸块15a滑动配合的静涡盘滑槽32，在动涡盘盘体上设置有与第二凸块15b滑动配合的动涡盘滑槽42，其中，动涡盘滑槽42的优选形成方式为：在动涡盘盘体的外周上对应于每一个动涡盘滑槽42处分别设有两个向外延伸的限位部421，两个限位部421之间即形成所述的动涡盘滑槽42。

发电机组运行过程中，高温高压的气体工质进入膨胀腔34膨胀做功时，借助于动涡盘滑槽42与圆环体151上两个第二凸块15b的滑动配合，确保动涡盘4仅沿X方向运动；借助于静涡盘滑槽32与圆环体151上两个第一凸块15a的滑动配合，确保圆环体151带动动涡盘4沿Y方向运动，从而实现动涡盘4在平面内沿X、Y方向运动即平动；限位部421的设置防止了动涡盘4平动过程中发生自转，确保动涡盘4平动带动转轴8转动实现发电目的。

如图1和图7共同所示，发电机包括发电机定子9和发电机转子10，发电机定子9与下壳体1c固定，其中，发电机转子10的转轴8的上端通过安装于动涡盘4下部安装孔内的上轴承5实现与动涡盘4的连接，转轴8的下端通过下轴承21转动支撑，在转轴8的位于膨胀机与发电机之间的轴段上安装有主轴承7，主轴承7安装于与中壳体1b固设的主轴承支撑件上；转轴8为偏心轴，在转轴8上设置有平衡结构，其中，平衡结构包括安装于上平衡块安装槽8e处的上平衡块6和安装于下平衡块固定螺纹孔8b处的下平衡块13；在转轴8的内部设有润滑油通道，其中，润滑油通道包括沿轴向贯通的轴向润滑油通道8c以及与轴向润滑油通道8c连通的径向润滑油通道，径向润滑油通道包括与主轴承7的位置相对应的主轴承径向润滑油通道8d和与上轴承5的位置相对应的上轴承径向润滑油通道8f；转轴8下端的轴向润滑油通道8c设有扩孔部，该扩孔部用作供油件安装孔8a，在供油件安装孔8a内设置有由转轴8转动而驱动的用于向轴向润滑油通道8c供油的供油件11。

如图8、图9和图10共同所示，其中，供油件11大致呈人字形结构，其包括与转轴8的内壁固定安装的安装部11a和固设于安装部11a下部的的叶片11b与叶片11c，叶片11b与叶片11c分别倾斜设于安装部11a的两侧，且倾斜方向相反。转轴8转动时，一方面使发电机转子10切割磁力线产生感应电动势，由发电机定子9对外输出电能；另一方面，带动结构简单的人字形的供油件11转动，由倾斜方向相反的两个叶片11b与11c对润滑油加压并向润滑油通道供油，对相对运动的机件进行润滑，润滑油的供给无需额外的动力。

本实施例的涡旋膨胀发电机组工作原理如下：

预先在封闭壳体内的下部注入润滑油，形成油池，润滑油液位达到供油件11处；发电机组运行过程中，高温高压的气体工质自吸气口16进入涡旋膨胀机的膨胀腔34，根据运行工况，需求膨胀比大时(即蒸发压力与冷凝压力比值变大)，细管控制阀17a闭合，粗管控制阀17b断开，工质通过细进气管3a进入静涡盘3与动涡盘4啮合形成的膨胀腔34入口，细进气管3a与膨胀机构部的连通容积小；需求膨胀比小时(蒸发压力与冷凝压力比值减小)，细管控制阀17a断开，粗管控制阀17b闭合，工质通过粗进气管3b进入静涡盘3与动涡盘4啮合形成的膨胀腔34入口，粗进气管3b与膨胀机构部的连通容积大；膨胀终了容积固定，从而调整了涡旋膨胀机的内容积比；进入膨胀腔34的气体推动动涡盘4平动，动涡盘4与静涡盘3啮合构成的空间逐渐增大，气体压力、温度随之逐渐降低，最后将气体从膨胀机构部排出；动涡盘4带动发电机转子9转动切割磁力线产生感应电动势，由发电机定子10对外输出电能，膨胀做功后的低温低压气体工质自封闭壳体上的排气口14排出；发电机转子9转动过程中，设于其转轴第二端内部的供油件11随转轴的转动不断将润滑油加压并供入润滑油通道内，一部分润滑油自主轴承径向润滑油通道8d、上轴承径向润滑油通道8f流出，分别对安装于转轴8上的主轴承7、上轴承5进行润滑，另一部分润滑油自轴向润滑油通道8c的端部流出，对动涡盘4与转轴8的配合端面进行润滑，润滑后的润滑油经膨胀后的气体工质冷却，在重力作用下流回封闭壳体下部，本发明发电机组中的润滑系统结构简单，润滑部位全面，所有相对运动的机件皆能得到良好润滑；由于大部分的润滑油流回封闭壳体，只有极少量的润滑油随工质流体自排气口14排出进入有机朗肯循环系统，因此润滑油对工质膨胀做功的影响非常小，工质膨胀效率高；同时，由于涡旋膨胀机及由其驱动的发电机设在封闭壳体内，涡旋膨胀机靠近封闭壳体上的吸气口16，发电机靠近封闭壳体上的排气口14，发电机组运行过程中，涡旋膨胀机出口的低温低压气体工质可对发电机进行有效冷却，发电机无需另设冷却机构，提高了发电机的发电效率，简化了机组结构；而且，由于涡旋膨胀机出口为低压环境，因而降低了对发电机定子和发电机转子的承载要求；涡旋膨胀机和发电机设在封闭壳体内，整个机组密封性好，避免了工质泄漏。

以上所述为本发明较佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域技术人员所熟知，本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换皆在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.静涡盘，包括：静涡盘盘体，所述静涡盘盘体一侧设有涡旋状的静涡盘侧壁，所述静涡盘盘体的中部设有进气口，其特征在于，所述进气口处设置有进气管，所述进气管包括套装在一起的粗进气管和细进气管，所述粗进气管和细进气管之间留有间隙；所述粗进气管和细进气管上分别设置有控制阀。

2.如权利要求1所述的静涡盘，其特征在于，所述细进气管设有弯折部，所述弯折部穿出所述粗进气管的管壁，所述细进气管上的控制阀设在所述弯折部上。

3.涡旋膨胀机，包括膨胀机构部，所述膨胀机构部包括静涡盘和动涡盘，其特征在于，

所述静涡盘包括静涡盘盘体，所述静涡盘盘体一侧设有涡旋状的静涡盘侧壁，所述静涡盘盘体的中部设有进气口，所述进气口处设置有进气管，所述进气管包括套装在一起的粗进气管和细进气管，所述粗进气管和细进气管之间留有间隙，所述粗进气管和细进气管上分别设置有控制阀；

所述动涡盘包括动涡盘盘体，所述动涡盘盘体一侧设有涡旋状的动涡盘侧壁，所述动涡盘侧壁与所述静涡盘侧壁啮合并形成膨胀腔。

4.如权利要求3所述的涡旋膨胀机，其特征在于，所述细进气管设有弯折部，所述弯折部穿出所述粗进气管的管壁，所述细进气管上的控制阀设在所述弯折部上。

5.如权利要求3或4所述的涡旋膨胀机，其特征在于，所述动涡盘和静涡盘之间设置有防止所述动涡盘自转的防转机构。

6.如权利要求5所述的涡旋膨胀机，其特征在于，所述防转机构包括套设在所述动涡盘外的圆环体，所述圆环体的一个端面上沿直径方向设有两个第一凸块，所述圆环体的另一个端面上沿直径方向设有两个第二凸块，两个所述第一凸块的连线垂直于两个所述第二凸块的连线；所述静涡盘盘体上设置有与所述第一凸块滑动配合的静涡盘滑槽；所述动涡盘盘体上设置有与所述第二凸块滑动配合的动涡盘滑槽。

7.如权利要求6所述的涡旋膨胀机，其特征在于，所述动涡盘盘体的外周上对应于每一个所述动涡盘滑槽处分别设有两个向外延伸的限位部，两个所述限位部之间形成所述动涡盘滑槽。

8.涡旋膨胀发电机组，包括：封闭壳体和设置于所述封闭壳体内的涡旋膨胀机以及由所述涡旋膨胀机驱动的发电机，所述封闭壳体的一端设有吸气口，所述封闭壳体的另一端设有排气口，所述涡旋膨胀机靠近所述吸气口，所述发电机靠近所述排气口；其特征在于，所述涡旋膨胀机为权利要求3-7任一项所述的涡旋膨胀机。

9.如权利要求8所述的涡旋膨胀发电机组，其特征在于，所述发电机包括发电机定子和发电机转子，所述发电机转子的转轴第一端与所述动涡盘连接，所述转轴的内部设有润滑油通道，所述润滑油通道包括沿轴向贯通的轴向润滑油通道以及与所述轴向润滑油通道连通的径向润滑油通道，所述径向润滑油通道的位置与所述转轴上的轴承安装位置相对应；所述转轴的第二端内部设置有由所述转轴驱动的用于向所述轴向润滑油通道供油的供油件；所述供油件大致呈人字形结构，包括与所述转轴的内壁固定安装的安装部和固设于所述安装部上的两个叶片，两个所述的叶片分别倾斜设于所述安装部的两侧，且倾斜方向相反。