CN109441551B - 双向透平及双向透平发电设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能源开发设备技术领域，提供了一种双向透平及双向透平发电设备，该双向透平包括动叶片轮、两个渐扩管以及两个整流罩；动叶片轮的外壁上沿周向均匀设置有多个动叶片；两个整流罩分别设置于动叶片轮两侧，动叶片轮以及两个整流罩同轴布置；两个渐扩管与两个整流罩一一对应设置，且渐扩管套设于整流罩；整流罩的外壁设置有多个第一导流叶片，渐扩管的内壁设置有多个与第一导流叶片对应的第二导流叶片。该双向透平能够将动叶片的入流与出流分离，其主流分别流经不同的路径，从而分离入流导流叶片与出流导流叶片中的流体流动，避免因导流叶片对称布置造成出流导流较大流动阻力损失，增强对来流气体的动能利用能力，提高了透平的总体效率。

Description

双向透平及双向透平发电设备

技术领域

本发明涉及能源开发设备技术领域，特别是涉及一种双向透平及双向透平发电设备。

背景技术

目前双向透平主要应用于OWC波能发电中与热声热机中，导流叶片对称放置在动叶片的两侧，当工质流体从两端任一方向冲击透平时，导流叶片都将流体导流至合适的角度并驱动动叶片单向旋转，从而使得动叶片带动的旋转电机发电。按其导流叶片型式，可分为固定导流叶片式双向透平与自调节导流叶片式双向透平。

流体在叶轮中的运动，一方面为沿着叶片流道的运动，一方面还要随着叶轮作旋转运动。流体质点沿着叶片的运动称为相对运动；流体随着叶轮一起旋转的运动称为牵连运动，对动叶片而言，即为圆周运动；流体质点对透平固定部件的运动称为绝对运动。根据力学中速度分解和合成的原理，动叶片进、出口任一点气流质点的绝对速度都可以分解为沿动叶片流动的相对速度和随着动叶片一起旋转的牵连速度，这三个速度向量构成一个闭合的三角形，一般把这个三角形称为透平的速度三角形。

如图4、图5和图6所示，固定导流叶片式双向透平，在流动方向上，入口处的导流叶片将流体导流至较为合适的角度从而可以驱动透平旋转。但出口处的速度三角形(其中，U为流体质点随着动叶片一起旋转的牵连速度；W1为动叶片入口处流体质点沿叶片流动的相对速度，W2为动叶片出口处流体质点沿叶片流动的相对速度；V1为动叶片入口处流体质点沿叶片流动的绝对速度，V2为动叶片出口处流体质点沿叶片流动的绝对速度)显示，动叶片出口的流体绝对速度与水平方向的夹角β、和导流叶片的装置角δ不再“匹配”，这将导致流体直接冲刷在导流叶片壁面上，从而显著增大流体的流动损失，减弱了透平对来流气体动能的利用率，降低了透平的整体效率。

而自导流叶片则可以很好地解决双向透平中出口速度方向与导流叶片装置角度不匹配的问题。如图7所示，动叶片两边的导流叶片可以在一定角度内绕支承点转动，从而允许导流叶片通过往复流体运动引起流体动力矩绕枢轴运动，最终表现为导流叶片可以根据来流方向进行自动调整。这样就可以使得在动叶片出口的流体速度方向与导流叶片的装置角进行很好的“吻合”，降低了流动冲刷损失，提高了整体效率。但是，自导流叶片结构复杂，需要精心的设计维护以及精密的制造方法，并且，自导流叶片的支承枢轴因为频繁转动较易损坏，可靠性较低，这也导致自导流叶片式的双向透平成本居高不下，为实际应用了带来了较大阻碍。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种双向透平及双向透平发电设备，旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，第一方面，本发明提供一种双向透平，包括：动叶片轮、两个渐扩管以及两个整流罩；所述动叶片轮的外壁上沿周向均匀设置有多个动叶片；两个所述整流罩分别设置于所述动叶片轮两侧，所述动叶片轮以及两个所述整流罩同轴布置；两个所述渐扩管与两个所述整流罩一一对应设置，且所述渐扩管套设于所述整流罩；所述整流罩的外壁设置有多个第一导流叶片，所述渐扩管的内壁设置有多个与所述第一导流叶片对应的第二导流叶片。

其中，所述第一导流叶片沿所述整流罩的高度方向设置，所述第二导流叶片沿所述渐扩管的高度方向设置。

其中，多个所述第一导流叶片沿所述整流罩的外壁的周向均匀设置，多个所述第二导流叶片沿所述渐扩管的内壁的周向均匀设置。

其中，所述第一导流叶片与所述第二导流叶片周向交错或重叠布置，且径向接合布置。

其中，所述整流罩外壁的倾斜角度等于所述渐扩管内壁的倾斜角度。

其中，所述第二导流叶片的装置角小于所述第一导流叶片的装置角。

其中，所述渐扩管包括圆锥形渐扩管。

其中，所述整流罩包括圆锥形整流罩头部以及半球体整流罩尾部。

第二方面，本发明提供一种包括上述双向透平的双向透平发电设备，双向透平发电设备还包括随所述动叶片轮同步旋转的透平轴；所述透平轴与发电机的动力输入轴相连接。

其中，所述透平轴与所述整流罩通过轴承相连接。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的一种双向透平，双向透平工作时，若流体从左端流入，右端流出，当流体经过左端导流叶片组时，因为渐扩管与整流罩的作用，流体经过整流罩前端时被均匀的分散至环形截面，但由于流体惯性力以及粘性力的影响，此时大部分流体将依附于整流罩壁面流入左端的导流叶片组，由左端的导流叶片组中的第一导流叶片导流至一定角度，随后冲击动叶片，驱动动叶片单向旋转。当流体流出动叶片时，由动叶片出口处的速度三角形可知，此时流体的绝对速度方向与水平方向夹角小于右端的导流叶片组中第一导流叶片的装置角，因此，此时的大部分流体将由右端的导流叶片组中的第二导流叶片流出。该双向透平能够将动叶片的入流与出流分离，其主流分别流经不同的路径，从而分离入流导流叶片与出流导流叶片中的流体流动，避免因导流叶片对称布置造成出流导流较大流动阻力损失，增强对来流气体的动能利用能力，提高了透平的总体效率。

本发明还提供了一种双向透平发电设备，由于增强了对来流气体的动能利用能力，使得其发电效率有了较大的提升。

附图说明

图1为本发明实施例一种双向透平的结构示意图；

图2为本发明实施例一种双向透平的第一局部结构示意图；

图3为本发明实施例一种双向透平的第二局部结构示意图；

图4为现有技术中固定导流叶片式双向透平示意图；

图5为图4的入口处的速度三角形的示意图；

图6为图4的出口处的速度三角形的示意图；

图7为现有技术中自调节导流叶片冲击式透平示意图；

附图标记说明:

1-导流叶片组；101-第一导流叶片；102-第二导流叶片；2-动叶片；3-整流罩；4-渐扩管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、图2以及图3所示，本发明实施例提供的双向透平，包括动叶片轮、两个渐扩管4以及两个整流罩3；动叶片轮的外壁上沿周向均匀设置有多个动叶片2；两个整流罩3分别设置于动叶片轮两侧，动叶片轮以及两个整流罩3同轴布置；两个渐扩管4与两个整流罩一一对应设置，且渐扩管4套设于整流罩3；整流罩3的外壁设置有多个第一导流叶片101，渐扩管的内壁设置有多个与第一导流叶片101对应的第二导流叶片102。

其中，两个渐扩管4分别为第一渐扩管和第二渐扩管，两个整流罩3分别为第一整流罩和第二整流罩。第一整流罩和第二整流罩分别位于动叶片轮两侧，第一整流罩的开口端朝向动叶片轮的一侧，第二整流罩的开口端朝向动叶片轮的相对侧，第一整流罩和第二整流罩关于动叶片轮对称布置。第一渐扩管套设于第一整流罩，第一渐扩管的内壁和第一整流罩的外壁之间存在间隙；第二渐扩管套设于第二整流罩，第二渐扩管的内壁和第二整流罩的外壁之间存在间隙；第一渐扩管和第二渐扩管关于动叶片轮对称布置。

其中，第一整流罩的外壁设置的多个第一导流叶片101和第一渐扩管的内壁设置的多个第二导流叶片102构成了左端的导流叶片组1。第二整流罩的外壁设置的多个第一导流叶片101和第二渐扩管的内壁设置的多个第二导流叶片102构成了右端的导流叶片组1。

在本发明实施例中，第一整流罩的外壁设置有第一导流叶片101，第一渐扩管的内壁设置有第二导流叶片102；第二整流罩的外壁设置有第一导流叶片101，第二渐扩管的内壁设置有第二导流叶片102。当气流从左端冲击透平时，会由第一整流罩的外壁设置的第一导流叶片101流入，由出口处的第二渐扩管的内壁设置的第二导流叶片102流出；

当气流从右端冲击透平时，会由第二整流罩的外壁设置的第一导流叶片101流入，由出口处的第一渐扩管的内壁设置的第二导流叶片102流出；该双向透平能够将动叶片的入流与出流分离，其主流分别流经不同的路径，从而分离入流导流叶片与出流导流叶片中的流体流动，避免因导流叶片对称布置造成出流导流较大流动阻力损失，增强对来流气体的动能利用能力，提高了透平的总体效率。

在一个具体实施例中，第一导流叶片101沿整流罩3的高度方向设置，第二导流叶片102沿渐扩管4的高度方向设置。

在本发明实施例中，第一整流罩上的第一导流叶片101和第二整流罩上的第一导流叶片101关于动叶片轮对称布置；第一渐扩管上的第二导流叶片102和第二渐扩管上的第二导流叶片102关于动叶片轮对称布置。

在一个具体实施例中，多个第一导流叶片101沿整流罩3的外壁的周向均匀设置，多个第二导流叶片102沿渐扩管4的内壁的周向均匀设置。

其中，第一导流叶片101与第二导流叶片102周向交错或重叠布置，且径向接合布置。

在本发明实施例中，双向透平工作时，若流体从左端流入，右端流出，当流体经过左端的导流叶片组时，因为渐扩管与整流罩的作用，流体经过整流罩前端时被均匀的分散至环形截面，但由于流体惯性力以及粘性力的影响，此时大部分流体将依附于整流罩壁面流入左端的导流叶片组，由左端的导流叶片组中的第一导流叶片导流至一定角度，随后冲击动叶片，驱动动叶片单向旋转。当流体流出动叶片时，由动叶片出口处的速度三角形可知，此时流体的绝对速度方向与水平方向夹角小于右端的导流叶片组中第一导流叶片的装置角，因此，此时的大部分流体将由右端的导流叶片组中的第二导流叶片流出。这样就大大减小了右端导流叶片因为流体速度与导流叶片装置角度不匹配造成的过大冲刷动能损失，从而提高透平的整体效率。当流体从右端流入左端流出时，其机理亦然。

在本发明实施例中，第一导流叶片101固连在整流罩上，第二导流叶片102固连在渐扩管上，第一导流叶片101与第二导流叶片102的高度可按实际流体性质以及运行工况在整流罩3与渐扩管4之间的高度上按比例划分。

在一个具体实施例中，整流罩3外壁的倾斜角度等于渐扩管4内壁的倾斜角度。

在本发明实施例中，整流罩3与渐扩管4的倾斜角度一致，即在流体流动方向上，整流罩3与渐扩管4之间的距离始终相同。

在一个具体实施例中，第二导流叶片102的装置角小于第一导流叶片101的装置角。

在本发明实施例中，第二导流叶片102的装置角δ2小于第一导流叶片101的装置角δ1，第一导流叶片101的装置角δ1与第二导流叶片102的装置角δ2需要根据该双向透平的实际运行工况取定，在此不做具体限定。

在一个具体实施例中，渐扩管4包括圆锥形渐扩管，与之相对应的整流罩3包括圆锥形整流罩头部以及半球体整流罩尾部。

在本发明实施例中，圆锥形渐扩管的大口端靠近动叶片轮布置，圆锥形渐扩管的小口端远离动叶片轮布置；圆锥形整流罩头部的大口端靠近动叶片轮布置，圆锥形整流罩头部的小口端远离动叶片轮布置；半球体整流罩尾部安装于圆锥形整流罩头部的小口端。

本发明实施例还提供一种包括上述双向透平的双向透平发电设备，该双向透平发电设备还包括随动叶片轮同步旋转的透平轴；透平轴与发电机的动力输入轴相连接。在使用过程中，动叶片轮在气流作用下旋转，带动透平轴旋转，从而带动发电机发电。该双向透平发电设备由于增强了对来流气体的动能利用能力，使得其发电效率有了较大的提升。

在一个具体实施例中，透平轴与整流罩3通过轴承相连接。

在本发明实施例中，透平轴与第一整流罩通过轴承相连接，透平轴穿过第一整流罩的半球体整流罩尾部后，与发电机的动力输入轴相连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双向透平，其特征在于，包括：动叶片轮、两个渐扩管以及两个整流罩；

所述动叶片轮的外壁上沿周向均匀设置有多个动叶片；两个所述整流罩分别设置于所述动叶片轮两侧，所述动叶片轮以及两个所述整流罩同轴布置；两个所述渐扩管与两个所述整流罩一一对应设置，且所述渐扩管套设于所述整流罩；所述整流罩的外壁设置有多个第一导流叶片，所述渐扩管的内壁设置有多个与所述第一导流叶片对应的第二导流叶片；所述第二导流叶片的装置角小于所述第一导流叶片的装置角。

2.如权利要求1所述的双向透平，其特征在于，所述第一导流叶片沿所述整流罩的高度方向设置，所述第二导流叶片沿所述渐扩管的高度方向设置。

3.如权利要求2所述的双向透平，其特征在于，多个所述第一导流叶片沿所述整流罩的外壁的周向均匀设置，多个所述第二导流叶片沿所述渐扩管的内壁的周向均匀设置。

4.如权利要求3所述的双向透平，其特征在于，所述第一导流叶片与所述第二导流叶片周向交错或重叠布置，且径向接合布置。

5.如权利要求1所述的双向透平，其特征在于，所述整流罩外壁的倾斜角度等于所述渐扩管内壁的倾斜角度。

6.如权利要求1所述的双向透平，其特征在于，所述渐扩管包括圆锥形渐扩管。

7.如权利要求1所述的双向透平，其特征在于，所述整流罩包括圆锥形整流罩头部以及半球体整流罩尾部。

8.一种包括如权利要求1至7任一项所述的双向透平的双向透平发电设备，其特征在于，还包括随所述动叶片轮同步旋转的透平轴；所述透平轴与发电机的动力输入轴相连接。

9.如权利要求8所述的双向透平发电设备，其特征在于，所述透平轴与所述整流罩通过轴承相连接。

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