CN108678810B - 平面回转式膨胀机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面回转式膨胀机，其包括主轴、转子、缸体、偏心座、机架、滑板、气缸端盖和机架端盖，主轴一端与转子固定连接，另一端支撑于机架端盖上，转子的一端端部设置有相连通的汽道和径向进汽口，另一端的轴面上设有滑板槽，滑板槽底部设有导流孔；偏心座与气缸端盖分别紧固于缸体两端构成气缸，所述滑板在转子的滑板槽中做往复移动和平面摆动，并带动气缸同步旋转，在缸体上设置有旋转的径向旋转排汽口，并且缸体、转子、气缸端盖、偏心座及滑板组成了工作腔的月牙形基元容积。本发明做到了废气液的梯级利用，可广泛用于各种气体压缩机、流体输送泵及制冷空调压缩机等各种领域。

Description

平面回转式膨胀机

技术领域

本发明属于压缩机领域，具体涉及一种可应用于工业企业产生的大量中、低品位废热资源的回收利用，既杜绝了环境污染，又回收了大量可利用的资源的平面回转式膨胀机。

背景技术

膨胀机是一种回收高、中、低品位能源发电的新型热动力装置，它大量使用在新能源及钢铁工业、电力工业、石化工业、制药和食品工业、建材造纸等工业中余热、废热回收的领域。目前膨胀机领域中所使用的机械包括螺杆式膨胀机和汽轮机等。汽轮机不仅结构复杂、维护要求高且需要专业检修队伍和设备，同时由于转速高而存在振动大、飞车等安全隐患，更重要的是汽轮机对工作介质品质要求高，它仅仅只适用于过热的蒸汽，对于饱和蒸汽和湿蒸汽其应用则受到了限制。螺杆膨胀机结构虽较为简单，且对工作介质的品位要求不高，它是目前使用较多能回收过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相及热水热液的新型动力机，但由于螺杆膨胀机的进出口位置是固定不变的，所以是能源难以做到梯级利用，同样会造成余热的浪费和环境的污染；由于螺杆膨胀机的容积是固定值，对气水两相的水的含量有一确定的比例要求；另外，由于螺杆膨胀机的工作原理是依靠一对转子和缸体之间所形成的间隙来密封汽液，螺杆转子在静止的缸体中高速旋转运动，使得转子与气缸体之间存在着较大的相对速度，造成了较大的摩擦磨损，更重要的是加工精度高工艺复杂,且轴向力难以平衡，导致较大的摩擦磨损，如果废气中存在着小的硬颗粒，很容易拉伤螺杆转子的型线，使得泄漏增加而效率下降，即使为了避免拉伤转子的型线而在一个转子上采用橡胶，但由于废热中的高温使得橡胶不断老化，影响性能和使用寿命，另外螺杆转子的加工工艺复杂，成本高也而影响了其广泛使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种能进行余热梯级回收的平面回转式膨胀机，它既可用于工业余热回收热水热液、蒸汽、烟气发电，也可以用于地热、太阳能级生物质热能等能源发电领域；该平面回转式膨胀机由于使用旋转的进排汽口，所以允许热源压力、流量在大范围的波动；机器可移动，可集中，可分散，很适合工业余热的特点和发电利用。

本发明采取的技术方案是：一种平面回转式膨胀机，其包括主轴、转子、缸体、偏心座、机架、滑板、气缸端盖和机架端盖，所述主轴一端伸入机架并与转子固定连接，另一端通过主轴承支撑于机架端盖上，且主轴绕转子中心定轴转动；所述转子的一端端部设置有相连通的汽道和径向进汽口，另一端的轴面上设有滑板槽，滑板槽底部设有导流孔；所述偏心座与气缸端盖分别紧固于缸体两端构成气缸，该气缸由位于偏心座和机架上的气缸轴承支撑，并绕气缸中心线定轴旋转；所述滑板在转子的滑板槽中做往复移动和平面摆动，并带动气缸同步旋转，所述的缸体上设置有旋转的径向旋转排汽口，并且缸体、转子、气缸端盖、偏心座及滑板组成了工作腔的月牙形基元容积，滑板将月牙形基元容积分为进汽腔V和膨胀腔V；所述的机架径向设置有排汽通道，进汽端盖周向设置有进汽通道，且进汽通道通过偏心座、转子端部的汽道与开设在转子上的径向进汽口相通，构成平面回转式膨胀机的进汽通路。

进一步的，所述转子上设有键槽，主轴通过键槽固定在转子上。

进一步的，高压、高温的废气通过转子的径向进汽口进入进气腔V，经膨胀后由径向旋转排汽口排出。

进一步的，所述转子位于缸体内，其旋转中心与缸体的旋转中心有一偏心，其偏心为缸体的半径与转子半径之差。

进一步的，所述转子上的径向进汽口开设在滑板的旋转方向的后方，而径向旋转排汽口开设在缸体上且位于滑板的旋转方向的前方。

进一步的，所述进汽端盖和偏心座相对运动的间隙之间设置有密封圈，防止高压、高温废气液向排汽通道泄漏。

进一步的，所述偏心座与气缸端盖通过螺栓紧固于缸体两端以构成气缸。

进一步的，所述滑板头部形状呈圆柱状，滑板的主体呈板状，其滑板头部嵌入到缸体内侧，滑板主体延伸至转子的滑板槽内。

本发明的原理及功能与效果如下：

本发明公开的一种新型平面回转式膨胀机，该膨胀机的转子分别由两个轴承支撑，并且绕自己的旋转中心转动。而气缸与转子有一偏心，且分别由两个气缸轴承支撑。滑板一端是铰接在缸体内侧，另一端是插入转子的滑槽内。高压、高温的废热通过进汽端盖及偏心座的进汽通道及滑板的进汽孔进入工作腔，在压力差的作用下驱动转子作定轴转动，同时转子又带动滑板驱动气缸与转子作同步的转动，气缸也是绕自己的旋转中心转动。转子的定轴转动，带动主轴转动，以提供发电机的动力。滑板不仅起到驱动气缸作回转运动，而且将转子与缸体偏心所形成的月牙形工作腔分为进气腔(进气基元容积)和膨胀腔(排气基元容积)，随着转子的转动，膨胀腔和进气腔反复交替地进行变换，完成一个工作循环的吸汽和膨胀及排汽过程。

本平面回转式膨胀机包括机体、气缸、气缸端盖、转子、主轴、滑板、进气口、排气口、偏心座、主轴承、气缸轴承，其中所述的机体上设置有径向的排汽口，在进气端盖设置有轴向的进气通道，废热汽液通过其轴向的进气通道，经过转子上的进汽口在滑板的旋转后方进入进气基元容积V1，由于基元容积V1中充满了高压、高温的废气，膨胀腔V2通过排汽口通往环境气压，在压力差的作用下，驱动转子逆时针旋转并带动主轴作同方向的转动，而滑板也在转子的驱动下与转子作同方向的转动并带动气缸同步转动，由气缸与转子形成的月牙形膨胀腔V2越来越小，最后所有的废气经缸体上的排汽口全部排出，压力能和热能转换为主轴的动能并直接驱动发电机或驱动负载节电。

由于进汽、排汽口是一个随转子和气缸转动的旋转进排汽口，所以进气基元容积在任意的角度均保持与高压高温废气相通，而膨胀腔在任意角度下均与大气相通，这样只要高于大气压力的任意废汽均可驱动转子旋转，其平面回转式膨胀机械的功率则通过主轴输出，带动发电机或者驱动负载节电，做到能源的梯级利用。

本平面回转式膨胀机中的气缸由气缸体、偏心座和气缸端盖组成，偏心座和气缸端盖通过固定螺栓与缸体紧固在一起，气缸支撑在机架轴承座中，并绕自己的旋转中心转动，主轴通过一对主轴承支撑在机架上，主轴绕自己的旋转中心转动，转子通过定位键固定在主轴上，其旋转中心与主轴同心，气缸旋转中心轴线与所述的转子旋转中心轴线存在一个偏心，偏心的距离为气缸的内圆半径与转子的外圆半径之差，使得转子的外圆周面与气缸体内圆周面相切，切点始终在点M处，以形成一个月牙形的工作基元容积，偏心的大小根据废汽量的大小依靠偏心座控制，所述的滑板一端嵌入到缸体圆柱体内，滑板主体延伸至转子的滑槽内，且将转子外圆和气缸体内圆构成的月牙形基元容积分为进气腔和膨胀腔，所述转子的端部径向开有进汽通道，其进汽通道既与开设在进汽端盖上的进汽通道和偏心座的进汽通道相通，又与开设在转子上的径向进汽口相通，构成平面回转式膨胀机的进汽通路。

当主轴的转角为β＝0时，月牙形的进气腔与膨胀腔相等，但由于进汽腔中V1充满了高压、高温的废汽液，而膨胀腔中V2则为低压的大气压力，在压力差的作用下驱动转子逆时针转动，转子也带动固定在转子上的主轴作定轴同方向转动，同时转子通过滑板也带动气缸同步转动，当β＞0时,进气基元容积V1越来越大，而与大气相通的膨胀腔V1会逐渐减小，当β＝180°时，进气腔达到最大，而膨胀腔则减小为零，当转子上的径向进汽孔到达并越过切点M后，第一膨胀循环结束，这时进汽腔为零，而原来的进气腔则转变为膨胀腔，当β＞180°和转子上的进汽孔越过切点M后，则开始第二个工作循环，进气腔会逐渐增大，而膨胀腔则会逐渐减小。

本平面回转式膨胀机的月牙形工作容积既是进汽腔，又是膨胀腔，且进汽腔和膨胀腔又连续交替地工作和变化，这样既减少了机器的零部件，结构紧凑，增加了可靠性，同时又减少了气流脉动所造成的能量损失。

本平面回转式膨胀机的进汽口和排汽口并非一个固定的位置，它们分别均随转子和气缸旋转，所以任何高于大气压力的废汽液均可驱动转子旋转，其平面回转式膨胀机械的功率则通过主轴输出，带动发电机或者驱动负载节电，做到能源的梯级利用。

本平面回转式膨胀机的转子与缸体由两个圆柱组成，二者之间的相对运动速度极小，摩擦磨损大大降低，效率高，由于圆柱面的加工工艺简单，所以工作介质的密封问题易于解决，容积效率高。另外由于主要零部件的表面几何形状为圆柱，因此加工精度很容易保证，便于利用高效率的加工机床和组织流水线进行生产，也易于装配和检修，尤其不存在偏心运动的曲轴，从而可大大提高产量，降低成本。

本平面回转式膨胀机所有的旋转体均分别绕各自的旋转中心在转动，因此各自没有不平衡力，转速高，体积小，故机器运转十分平稳，振动小和噪声低。而由于滑板质量很小，其往复运动的距离很短，因此仅有的滑板上的往复惯性力也很小，完全可以忽略不计。

本平面回转式膨胀机进气腔和膨胀腔是位于滑板的两侧，任何来自工业和新能源的废气液的压力只要大于大气压力，则均可以驱动主轴输出功率，完全做到了废气液的梯级利用。

本平面回转式膨胀机是采用轴向进汽，而径向排出，其工质的流动方向与转子对工质的离心力方向相同，工质排出更加流畅，阻力小，效率高。

本平面回转式膨胀机由于设置了同步旋转式的进汽口和旋转的排汽液口，基元容积中的工质任何瞬时均可以排出，避免了其它膨胀机对气液比例的要求，无固定的膨胀比，也解决了其它膨胀机液击的技术难题。该发明可以作为一机多用，既可以作为膨胀机，也可以反转作为各种流体的输送泵。

本平面回转式膨胀机械转子与气缸是同步转动，废气液中的颗粒不会擦伤气缸内表面和转子外表面而形成泄漏通道，所以该膨胀机对废气液中的清洁度没有任何要求，适应范围广。

附图说明

图1是本发明平面回转式膨胀机主视图。

图2是主轴转角为β＝0:360°时气缸的横剖截面示意图。

图3是转子的剖视图。

图中：1-主轴、2-转子、3-缸体、4-偏心座、5-主轴承、6-气缸轴承、7-机架、8-滑板、9-进汽通道、10-排汽通道、11-气缸端盖、12-密封圈、13-机架端盖、14-进汽端盖、15-滑板槽、16-导流孔、17-径向进汽口、18-键槽、19-径向旋转排汽口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1～2所示，本发明平面回转式膨胀机包括主轴1、转子2、缸体3、偏心座4、主轴承5、气缸轴承6、机架7、滑板8、进汽通道9、排汽通道10、气缸端盖11、密封圈12、机架端盖13、进汽端盖14。其中偏心座4和气缸端盖11通过螺栓与缸体3紧固成一个整体气缸,气缸通过气缸轴承6支撑在机架端盖13和偏心座4上,并绕气缸中心线作定轴转动,主轴1通过一对主轴承5支撑在机架端盖13上，并绕主轴1中心线作定轴转动,转子2通过定位键固定在主轴1上,其旋转中心与主轴1同心,并绕主轴1中心线旋转，气缸中心线与主轴中心线存在一个偏心，偏心的距离为气缸的内圆半径与转子的外圆半径之差，并由偏心座4确定,使得转子的外圆周面与气缸体内圆周面相切,滑板8的圆形头部嵌入到缸体3的圆柱体内，而主体延伸至转子2的滑槽15内，并将月牙形工作腔分为进汽腔和膨胀腔。进汽通道9设置在进汽端盖14上，进汽端盖14通过连接螺栓紧固在机架7上，在进气端盖14和偏心座4相对运动的间隙之间设置有密封圈12，以防止高压、高温废气向排汽通道10泄漏，滑板槽15轴向设置在转子2上。

图3所示，本平面回转式膨胀机的滑板槽15中设置有一系列导流孔16，以防止滑板8在径向运动时滑板槽15中的气液受压缩，造成功率损耗。

本平面回转式膨胀机的气缸滑板8头部形状呈圆柱状，滑板的主体呈板状，其滑板8头部嵌入到缸体3圆柱体内，滑板8主体延伸至转子2径向的滑板槽15内，滑板8轴向尺寸与缸体3相等，确保了轴向的密封间隙，滑板圆柱状头部延伸至缸体3的轴向圆空内，从而同时保证滑板8在转子2转动时，既可以沿着转子2径向的滑板槽15移动，又可以在缸体3的圆柱体内作平面摆动，以适应气缸与转子2之间的相位差。

图1、2及图3所示，当β＝0时，月牙形的进汽腔V1与膨胀腔V2相等，废气液通过进汽端盖14中的进汽通道9和偏心座进汽通道进入转子2的端部，然后通过转子的进汽口17导入进汽腔V1，由于基元容积V1中充满了高压、高温的废气液，膨胀腔V2通过旋转排汽口19和排汽通道10通往环境气压，膨胀腔V2中则为低压的大气压力，在压力差的作用下驱动转子2逆时针转动，并带动主轴1作同方向的转动，而滑板8在转子的驱动下与转子作同方向的转动并通过滑板8带动缸体3同步转动。由气缸与转子形成的月牙形膨胀腔V2越来越小，当β＝180°时，进汽腔V1即将达到最大值，而膨胀腔V2趋近于零，当转子2上的径向进汽孔17旋转到切点M时，进汽腔V1达到最大值，而膨胀腔V2为零，膨胀循环结束，整个月牙形基元容积进汽腔转换为膨胀腔，当转子2上的旋转进汽口17越过切点M时，即β＞180°时，进气腔V1容积则逐渐增大，而膨胀腔V2则逐渐减小，并开始第二个工作循环，压力能和热能转换为主轴的动能并直接驱动发电机或驱动负载节电。

由于径向进汽口17、径向旋转排汽口19是一个随转子2和缸体3转动的旋转进、排汽口，所以进汽腔在任意的主轴1旋转角度下均保持与高压、高温废气相通，而膨胀腔在任意角度下均与大气相通，这样只要高于大气压力的任意废气均可驱动转子旋转，并进而带动主轴1转动，其平面回转式膨胀机的功率则通过主轴输出，带动发电机或者驱动负载节电，做到能源的梯级利用。

本平面回转式膨胀机中，一个主要的流体泄漏通道是缸体3的内圆周表面和转子2的外圆周表面的径向间隙，该间隙的大小完全由偏心座4控制，此间隙会引起径向泄漏，它直接影响着本发明平面回转式膨胀机械的容积效率和加工成本，所述的缸体3与转子2的径向间隙控制在2毫米之内。

本平面回转式膨胀机中，在进汽端盖14与偏心座4之间设置密封圈12，以防止高压、高温的废气液向排汽通道10泄漏，影响膨胀机主轴1的输出功率。

本发明平面回转式膨胀机械可用于工业余热回收热水热液、蒸汽、烟气发电，也可以用于地热、太阳能级生物质热能等能源发电领域，但如果反向旋转，并将进、排汽口互换，完全可以广泛用于各种气体压缩机、流体输送泵及制冷空调压缩机等各种领域。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。但本发明并不局限上述所列举的具体实施方式，本领域的技术人员可以根据本发明工作原理和上面给出的具体实施方式，可以做出各种等同的修改、等同的替换、部件增减和重新组合，从而构成更多新的实施方式。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种平面回转式膨胀机，其特征在于包括主轴（1）、转子（2）、缸体（3）、偏心座（4）、机架（7）、滑板（8）、气缸端盖（11）和机架端盖（13），所述主轴（1）一端伸入机架并与转子（2）固定连接，另一端通过主轴承（5）支撑于机架端盖（13）上，且主轴（1）绕转子（2）中心定轴转动；所述转子（2）的一端端部设置有相连通的汽道和径向进汽口（17），另一端的轴面上设有滑板槽（15），滑板槽（15）底部设有导流孔（16）；所述偏心座（4）与气缸端盖（11）分别紧固于缸体（3）两端构成气缸，该气缸由位于偏心座（4）和机架（7）上的气缸轴承（6）支撑，并绕气缸中心线定轴旋转；所述滑板（8）在转子（2）的滑板槽（15）中做往复移动和平面摆动，并带动气缸同步旋转，所述的缸体(3)上设置有旋转的径向旋转排汽口（19），并且缸体（3）、转子（2）、气缸端盖（11）、偏心座（4）及滑板（8）组成了工作腔的月牙形基元容积，滑板（8）将月牙形基元容积分为进汽腔V1和膨胀腔V2；所述的机架（7）径向设置有排汽通道（10），进汽端盖（14）周向设置有进汽通道（9），且进汽通道（9）通过偏心座（4）、转子（2）端部的汽道与开设在转子（2）上的径向进汽口（17）相通，构成平面回转式膨胀机的进汽通路。

2.根据权利要求1所述的平面回转式膨胀机，其特征在于所述转子上设有键槽（18），主轴（1）通过键槽（18）固定在转子（2）上。

3.根据权利要求1所述的平面回转式膨胀机，其特征在于高压、高温的废气通过转子（2）的径向进汽口（17）进入进气腔V1，经膨胀后由径向旋转排汽口（19）排出。

4.根据权利要求1所述的平面回转式膨胀机，其特征在于所述转子（2）位于缸体（3）内，其旋转中心与缸体（3）的旋转中心有一偏心，其偏心为缸体（3）的半径与转子（2）半径之差。

5.根据权利要求1所述的平面回转式膨胀机，其特征在于所述转子（2）上的径向进汽口（17）开设在滑板（8）的旋转方向的后方，而径向旋转排汽口（19）开设在缸体（3）上且位于滑板（8）的旋转方向的前方。

6.根据权利要求1所述的平面回转式膨胀机，其特征在于所述进汽端盖（14）和偏心座（4）相对运动的间隙之间设置有密封圈（12），防止高压、高温废气液向排汽通道（10）泄漏。

7.根据权利要求1所述的平面回转式膨胀机，其特征在于所述偏心座（4）与气缸端盖（11）通过螺栓紧固于缸体（3）两端以构成气缸。

8.根据权利要求1所述的平面回转式膨胀机，其特征在于所述滑板（8）头部形状呈圆柱状，滑板（8）的主体呈板状，其滑板（8）头部嵌入到缸体（3）内侧，滑板（8）主体延伸至转子（2）的滑板槽（15）内。