CN105781871A - 一种喷气式叶轮废气流发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种喷气式叶轮废气流发电装置，包括进口腔、聚气罩、气动旋转接头、喷气式叶轮、一级传动轴、齿轮、二级传动轴和发电机组；进口腔末端连接聚气罩入口；聚气罩出口连接气动旋转接头外管；气动旋转接头的内管连接喷气式叶轮；喷气式叶轮中心固定一级传动轴，一级传动轴通过齿轮连接二级传动轴，二级传动轴连接发电机组；聚气罩为渐缩型喷管，出口内径小于进口内径；喷气式叶轮包括多个中空叶片，中空叶片为扭曲叶片，其入口端与轴线平行，出口端所在平面与一级传动轴相垂直；多个中空叶片的扭曲方向相同；中空叶片的中空流道为渐缩型流道，其出口内径小于进口内径。本装置将废气压能转换成电能，提高废气利用率，达到节能减排的效果。

Description

一种喷气式叶轮废气流发电装置
技术领域
本发明属于气体透平技术领域，尤其是涉及一种喷气式叶轮废气流发电装置。
背景技术
能源问题已成为当今世界备受关注的问题。伴随着经济的发展，我国面临着日益突出的能源挑战，而我国是能源生产和能源消费大国，已成为仅次于美国的世界第二大能源生产国和消费国。另一方面，我国的工业获得了快速的发展，同时能源消耗量和废气排放量也大幅度增加。中国的资源并不丰富且生态环境较为脆弱，传统的粗放型增长模式难以为继，中国的可持续增长难以回避能源和环境问题。如何节约能源和获得收益是中国重工企业面临的巨大挑战。因此，改变能源传统利用技术，提高能源利用率对我国经济发展和保护环境具有重要意义。在工业用能中，有近60％-65％的能源转化成为余压余热资源，若对其合理利用可大幅提高能源利用效率。目前余压余热利用最多的国家是美国，利用率达60％，欧洲的利用率是50％，我国只有30％。所以，我国在余热余能利用领域仍有很大的发展空间。我国余压余热利用主要以余热锅炉匹配汽轮机所组成的汽轮机发电系统为主。虽然这种技术已在钢铁、冶金等含有高温废气的行业得到了应用，但在中低温余压废气资源领域利用技术方面较为薄弱。因此，考虑到中低温余压废气利用空间巨大，有必要设计一种利用中低温余压废气进行发电的装置。
发明内容
针对现有技术中存在的中低温余压废气利用方式和利用率不足，本发明提供了一种喷气式叶轮废气流发电装置，通过本装置可以回收利用多种有压废气，将废气压能转换成电能，提高废气利用率，获得一定经济效益的同时达到节能的效果。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种喷气式叶轮废气流发电装置，包括进口腔、聚气罩、气动旋转接头、喷气式叶轮、一级传动轴、齿轮、二级传动轴和发电机组；所述进口腔末端连接聚气罩入口；所述聚气罩出口连接气动旋转接头的外管；所述气动旋转接头的内管连接喷气式叶轮；所述喷气式叶轮中心固定一级传动轴的一端，一级传动轴的另一端通过齿轮连接二级传动轴的一端；二级传动轴的另一端连接发电机组；齿轮位于齿轮变速箱内；所述聚气罩为渐缩型喷管，其出口内径小于进口内径；所述喷气式叶轮包括多个中空叶片，所述中空叶片为扭曲叶片，其入口端与轴线平行，出口端所在平面与一级传动轴相垂直；多个中空叶片的扭曲方向相同；所述中空叶片的中空流道为渐缩型流道，其出口内径小于进口内径。
进一步的，所述中空叶片的出口端切线方向与出口端圆周方向的半径相垂直。
进一步的，所述聚气罩从进口到出口的过渡为流线型，聚气罩的进口、出口面积之比为5:1～8:1。
进一步的，每个所述中空叶片的中空流道的进口、出口面积之比为1.2:1～3:1，且从进口到出口的过渡为流线型。
进一步的，所述中空流道的横截面为椭圆形，椭圆的长轴与短轴的比例为2:1，且长轴与翼弦重合，短轴位于翼型的最大厚度处。
进一步的，所述中空叶片的翼型采用无攻角的对称翼型。
进一步的，所述进口腔内设有除尘装置。
进一步的，所述除尘装置为百叶窗式惯性除尘器。
进一步的，所述进口腔底部设有集尘口。
本发明的有益效果：
(1)本发明的一种喷气式叶轮废气流发电装置，利用聚气罩、气动旋转接头、喷气式叶轮将废气回收集聚，并将气体压能转化为机械能通过一级传动轴、齿轮、二级传动轴传递至发电机组，转化为电能，提高废气利用率，在获得一定的经济效益的同时也达到了节能的效果。
(2)本发明装置改变传统透平的能量利用形式，在废气压强较小时可实现独立启动，高效区较宽，并且能够高效发电；本发明中废气由透平内部通过，有效降低噪声污染，避免了废气与发电设备的直接接触，延长了设备的使用寿命；本发明叶片翼型为对称翼型断面形状，省去了繁杂的翼型设计过程，同时减小了叶片在旋转过程中的阻力。
附图说明
图1为本发明所述喷气式叶轮废气流发电装置的结构示意图。
图2为喷气式叶轮立体图。
图3为喷气式叶轮结构示意图。
附图标记说明如下：
1-进口腔，2-除尘装置，3-集尘口，4-聚气罩，5-气动旋转接头，6-喷气式叶轮，7-叶片出口，8-一级传动轴，9-齿轮变速箱，10-齿轮，11-二级传动轴，12-发电机组。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种喷气式叶轮废气流发电装置，包括进口腔1、除尘装置2、集尘口3、聚气罩4、气动旋转接头5、喷气式叶轮6、叶片出口7、一级传动轴8、齿轮变速箱9、齿轮10、二级传动轴11和发电机组12。所述进口腔1内部上方设有除尘装置2，本实施例中选取百叶窗式惯性除尘器，用于阻挡废气中的粉尘；在进口腔1下方设置集尘口3，以方便清理粉尘。
所述聚气罩4为渐缩型喷管，其出口内径小于进口内径；从进口到出口的过渡为流线型，其进口、出口面积之比为5:1～8:1，使得废气压能转化成动能，达到在聚气罩4出口压力为当地大气压强的1.8倍左右；所述进口腔1末端连接聚气罩4的入口；所述聚气罩4的出口螺纹连接气动旋转接头5的外管；所述气动旋转接头5的内管螺纹连接喷气式叶轮6。
如图2和图3所示，所述喷气式叶轮6包括4个或6个中空叶片，中空叶片为扭曲叶片，其入口端与轴线平行，出口端所在平面与一级传动轴的轴面相垂直；多个中空叶片的扭曲方向相同；所述中空叶片的中空流道为渐缩型流道，其出口内径小于进口内径；以使得高压气体进入喷气式叶片内管道首先为轴向流动，然后由轴向流动转为径向流动，最后沿周向喷出，每个方向的过渡为平滑过渡；所述叶片出口7的切线方向与一级传动轴垂直且与周向半径垂直；所述每个中空叶片的中空流道为渐缩型流道，且从进口到出口的过渡为流线型，其进口内径大于出口内径，进口、出口面积之比为1.2:1～3:1，横截面为椭圆形，椭圆的长轴与短轴的比例为2:1，且长轴与翼弦重合，短轴位于翼型的最大厚度处，流道的管壁厚度的确定是根据废气压强和叶轮的大小进行设计和强度校核。由于动力源是由废气与叶片中空流道相互作用产生的作用力，而不是由翼型外部产生的压差力，所以翼型可以设计成无攻角的对称翼型，并对现有的翼型进行加厚改进，以确保中空流道足够大。这种气体内流的喷气式叶片改变了传统透平机气体绕流叶片的驱动方式，不仅提高了气流的利用率，保护发电机不被高温气体损伤，同时翼型的设计无需考虑升阻比的问题，只需使叶片所受的阻力最小。对称式翼型使边界层分离延后，增强了叶片的稳定性。根据废气的压强选择合适的流道锥度，使得在叶轮出口压力达到当地大气压强的1.2倍左右。所述喷气式叶轮6中心固定连接一级传动轴8的一端，一级传动轴8的另一端通过齿轮变速箱9中的齿轮10连接二级传动轴11的一端；二级传动轴11的另一端连接发电机组12。本发明通过聚气罩4、气动旋转接头5和喷气式叶轮6的组合，将废气压能转化为动能，并在叶片出口处达到最大值，进而通过一级传动轴8、齿轮变速箱9、齿轮10将扭矩传递至发电机组12，转换为电能，提高废气利用率，在获得一定的经济效益的同时也达到了节能减排的效果。
工作过程：
废气从进口腔1流入，经除尘装置将废气中粉尘去除，使气流净化；除尘后的气体从聚气罩4大口端进入，小口端流出，提高流速，该过程是气流的第一次加速；随后经气动旋转接头5后进入喷气式叶轮6，气流进入中空叶片内的管道首先为轴向流动，然后由轴向流动转为径向流动，最后沿周向喷出，每个方向的过渡为平滑过渡，在该渐缩型中空流道中，气体得到第二次加速，最后气体从叶片出口7喷出，驱动喷气式叶轮6转动，经过一级传动轴8带动齿轮10运转达到调节转速的目的，最终由二级传动轴11带动发电机组12发电。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种喷气式叶轮废气流发电装置，其特征在于，包括进口腔(1)、聚气罩(4)、气动旋转接头(5)、喷气式叶轮(6)、一级传动轴(8)、齿轮(10)、二级传动轴(11)和发电机组(12)；所述进口腔(1)末端连接聚气罩(4)入口；所述聚气罩(4)出口连接气动旋转接头(5)的外管；所述气动旋转接头(5)的内管连接喷气式叶轮(6)；所述喷气式叶轮(6)中心固定一级传动轴(8)的一端，一级传动轴(8)的另一端通过齿轮(10)连接二级传动轴(11)的一端；二级传动轴(11)的另一端连接发电机组(12)；齿轮(10)位于齿轮变速箱(9)内；所述聚气罩(4)为渐缩型喷管，其出口内径小于进口内径；所述喷气式叶轮(6)包括多个中空叶片，所述中空叶片为扭曲叶片，其入口端与轴线平行，出口端所在平面与一级传动轴相垂直；多个中空叶片的扭曲方向相同；所述中空叶片的中空流道为渐缩型流道，其出口内径小于进口内径。
2.根据权利要求1所述的一种喷气式叶轮废气流发电装置，其特征在于，所述中空叶片的出口端切线方向与出口端圆周方向的半径相垂直。
3.根据权利要求1或2所述的一种喷气式叶轮废气流发电装置，其特征在于，所述聚气罩(4)从进口到出口的过渡为流线型，聚气罩的进口、出口面积之比为5:1～8:1。
4.根据权利要求1或2所述的一种喷气式叶轮废气流发电装置，其特征在于，每个所述中空叶片的中空流道的进口、出口面积之比为1.2:1～3:1，且从进口到出口的过渡为流线型。
5.根据权利要求4所述的一种喷气式叶轮废气流发电装置，其特征在于，所述中空流道的横截面为椭圆形，椭圆的长轴与短轴的比例为1:2，且长轴与翼弦重合，短轴位于翼型的最大厚度处。
6.根据权利要求1或2所述的一种喷气式叶轮废气流发电装置，其特征在于，所述中空叶片的翼型采用无攻角的对称翼型。
7.根据权利要求1或2所述的一种喷气式叶轮废气流发电装置，其特征在于，所述进口腔(1)内设有除尘装置(2)。
8.根据权利要求7所述的一种喷气式叶轮废气流发电装置，其特征在于，所述除尘装置为百叶窗式惯性除尘器。
9.根据权利要求8所述的一种喷气式叶轮废气流发电装置，其特征在于，所述进口腔(1)底部设有集尘口(3)。
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