CN105952640B - 单螺杆膨胀机螺槽排气余速利用系统 - Google Patents

单螺杆膨胀机螺槽排气余速利用系统 Download PDF

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单螺杆膨胀机螺槽排气余速利用系统，属于动力机械领域。单螺杆膨胀机螺槽排气余速利用系统，包括单螺杆膨胀机的螺杆、与螺杆匹配的星轮、螺杆外部的机壳以及与螺杆连接的主轴，其特征在于，在螺杆尾部螺旋槽出口端设有与螺旋槽出口相通的排气孔，在运行过程中排气孔通过机壳端面设的孔与外界连接。每个排气孔是每个螺旋槽对应一个排气孔，且排气孔是螺槽内气体排出的唯一通道。减小了单螺杆膨胀机在大膨胀比工况下的欠膨胀损失，具体表现为当实际工作膨胀比大于最佳膨胀比时，随着膨胀比的增加，膨胀机效率不降低或者降低速度较慢。

Description

单螺杆膨胀机螺槽排气余速利用系统
技术领域
本发明涉及一种新型单螺杆膨胀机螺槽排气余速利用系统，旨在减小单螺杆膨胀机的欠膨胀损失，属于动力机械领域。
背景技术
常见的膨胀机有两种形式，即速度式和容积式。速度式的工作原理是利于喷管产生的高速气流来推动叶轮旋转，而容积式膨胀机是利用一些结构产生的容积变化来进行工作。速度式膨胀机通常用于大型的(MW级)动力输出系统，而容积式膨胀机一般用于较小规模(1MW以下)的动力输出系统。
容积式膨胀机主要有活塞式、涡旋式、单螺杆式和双螺杆式等，其中单螺杆膨胀机是一种具有明显优势的结构类型，主要优点有：没有不平衡质量，并且螺杆几乎不承受任何轴向力和径向力，只有星轮承受较小的气体力。因此单螺杆膨胀机转动较为平稳，振动和噪音较小，并且轴承寿命长。常见的单螺杆结构配置如图1所示，其工作容积为螺杆槽道。星轮把螺槽分为两部分，随着主轴旋转，每部分螺槽容积都周期性的发生变化，高压气体进入螺槽后随螺槽容积增加而膨胀，相应的气体力推动螺杆旋转输出轴功。
单螺杆膨胀机通常具有固定的内容积比。固定内容积比的膨胀机可能存在欠膨胀或过膨胀问题。过膨胀是指膨胀过程终了时螺槽内气体已膨胀至比排气压力更低的某一压力，此时排气管内气体经排气孔迅速回流至螺槽，使螺槽内气体压力增大，消耗掉一部分膨胀功，同时使膨胀机排气推动功增大，造成过膨胀损失。欠膨胀是指膨胀终了时螺槽内气体压力仍大于排气压力，排气孔口打开时，基元容积内气体经历一个无阻膨胀过程迅速减压至排气压力，造成欠膨胀损失。
单螺杆膨胀机的螺槽排气孔口(相当于单螺杆压缩机的进气孔口)通常位于机壳上，具体表现为机壳上与螺杆配合表面上的缺口，典型结构如图2所示。在排气过程中，螺槽内气体沿螺杆径向流出螺槽，该流出过程不产生任何轴功。
发明内容
本发明提出的单螺杆膨胀机，为具有单螺杆膨胀机螺槽排气余速利用系统的结构如图3所示。
单螺杆膨胀机螺槽排气余速利用系统，包括单螺杆膨胀机的螺杆、与螺杆匹配的星轮、螺杆外部的机壳以及与螺杆连接的主轴，其特征在于，在螺杆尾部螺旋槽出口端设有与螺旋槽出口相通的排气孔，在运行过程中排气孔通过机壳端面设的孔与外界连接。每个排气孔是每个螺旋槽对应一个排气孔，且排气孔是螺槽内气体排出的唯一通道。进一步优选，螺杆尾部端面的螺肋采用倒角的结构。
该结构和图2所示结构相比，具有两点不同：
(1)机壳上没有用于径向排气的缺口；
(2)螺杆尾部(指低压侧，下同)存在缺口。
采用上述结构的单螺杆膨胀机，螺槽内气体排出只能依靠尾部空间进行。通过尾部排气孔排气时，在欠膨胀工况下，由于排孔口面积小(相对同压自膨胀来说)，并且排气开始时螺槽内压力明显高于排气压力，气体流经排气孔口时存在明显的减压增速过程，螺槽内高压气体高速流出螺槽，气体流出的反作用力可以推动螺杆旋转，产生一定轴功，这相当于回收一部分压力势能，减小了欠膨胀损失。通过以上手段，单螺杆膨胀机实际上变成了一个准二级膨胀机。在小膨胀比工况下，依靠单螺杆结构产生的容积变化来工作。在大膨胀比工况下，螺杆尾部排气孔实际上成为了速度式膨胀机的“喷嘴”，螺肋为“叶片”，由二者构成了第二级速度式膨胀机。该二级膨胀机先利用单螺杆结构产生的容积变化来膨胀至某一中间压力，从中间压力到排气压力依靠“螺槽排气余速利用”形成的速度式膨胀机来进行工作。
除此之外，部分高压气越过星轮泄漏出螺槽时，也从上述排气孔流出螺槽，同样具有一定的做功能力。
单螺杆膨胀机，可能为单星轮结构，也可能为多星轮结构。
为提高气流推动螺杆旋转的效果，螺杆尾部结构应有利于排气，螺杆尾部排气孔的开口应使排气的速度矢量可能与螺杆尾部螺肋方向一致。
本发明的效益是减小了单螺杆膨胀机在大膨胀比工况下的欠膨胀损失，具体表现为当实际工作膨胀比大于最佳膨胀比时，随着膨胀比的增加，膨胀机效率不降低或者降低速度较慢。
附图说明
附图1，单螺杆膨胀机典型结构示意图；
附图2，单螺杆膨胀机径向排气孔口示意图；
附图3，本发明提出的单螺杆膨胀机结构示意图；
附图4，螺杆尾部修正示例。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：实施本发明的关键是螺槽内气体排出通道的位置和形状。首先，在单螺杆膨胀机壳体上，不再开设用于径向排气的缺口；同时，在螺杆尾部(低压侧)切出相应的排气通道。示例1给出一种简单的方式，即在螺杆尾部倒角(如图4所示)，这时螺槽存在缺口，并且该缺口是每个螺槽内气体排出的唯一通道，通过该通道排气时，相应的速度效应能反推动螺杆旋转，回收一部分压力势能。

Claims (4)

1.单螺杆膨胀机螺槽排气余速利用系统，包括单螺杆膨胀机的螺杆、与螺杆匹配的星轮、螺杆外部的机壳以及与螺杆连接的主轴，其特征在于，在螺杆尾部螺旋槽出口端设有与螺旋槽出口相通的排气孔，在运行过程中排气孔通过机壳端面设的孔与外界连接；每个排气孔是每个螺旋槽对应一个排气孔，且排气孔是螺槽内气体排出的唯一通道；螺杆尾部端面的螺肋采用倒角的结构。
2.按照权利要求1所述的单螺杆膨胀机螺槽排气余速利用系统，其特征在于，螺杆尾部排气孔的开口应使排气的速度矢量可能与螺杆尾部螺肋方向一致。
3.按照权利要求1所述的单螺杆膨胀机螺槽排气余速利用系统，其特征在于，单螺杆膨胀机为单星轮结构或多星轮结构。
4.按照权利要求1所述的单螺杆膨胀机螺槽排气余速利用系统，其特征在于，通过尾部排气孔排气时，在欠膨胀工况下，由于排孔口面积小，并且排气开始时螺槽内压力明显高于排气压力，气体流经排气孔口时存在明显的减压增速过程，螺槽内高压气体高速流出螺槽，气体流出的反作用力可以推动螺杆旋转，产生一定轴功，这相当于回收一部分压力势能，减小了欠膨胀损失。
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