CN110017174A - 一种并联双头分别排气式向心涡轮 - Google Patents

一种并联双头分别排气式向心涡轮 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种并联双头分别排气式向心涡轮，包括高压进气管道、低压排气管道；在高压进气管道至低压排气管道之间设置两台并联向心涡轮，高压进气管道由两分支管道接入两台向心涡轮；两台向心涡轮对称安装于减速箱高速轴两端，形成并联双头结构，共同驱动减速箱高速轴；两台向心涡轮均沿高速轴轴向排气并指向远离减速箱方向；两台向心涡轮蜗壳、喷嘴叶片及叶轮叶片均采用相同几何造型，但两台向心涡轮蜗壳旋流方向、喷嘴叶片和叶轮叶片弯曲方向均相反；两台向心涡轮各自有排气分支管道，两排气分支管道共同连接到低压排气管道；减速箱高速轴由两台向心涡轮共同驱动，经减速后通过低速轴驱动发电机产生电能，或直接驱动水泵、风机等耗能设备。

Description

一种并联双头分别排气式向心涡轮
技术领域
本发明属于叶轮机械及动力设备的技术领域。具体地，本发明涉及一种并联双头分别排气式向心涡轮。
背景技术
随着国民经济产业结构的升级调整及节能减排的需要，各种工业企业中的余热废热越来越迫切地需要加以充分利用以提高能源利用率。特别是随着国家实行更为严格的控制空气污染的政策，各种燃煤工业锅炉及各类生产线急需通过技术改造来降低能源消耗并控制污染。
具体来说，在造纸、印染、纺织、化工、石油等行业中存在各种形式的余热及废热，在很多情况下这些热能并未得到充分利用而直接输送至下游或排放到环境中，形成严重浪费。针对这一现状，一种有效的技术手段是利用上述余热及废热来产生具有一定温度和压力的蒸汽后通过涡轮来产生电能或驱动各种耗能机械，也可利用具备足够温度和压力的余气、废气等来直接驱动涡轮做功，都能有效回收利用各种余热及废热能量。因此，适于上述应用场合的涡轮就成为了其中的技术关键。
在现有技术中，涡轮以以轴流式结构居多。由于各种余热及废热的功率值普遍较低，若采用轴流涡轮，由于其结构与大功率机型相类似，使得单位千瓦制造成本较高。此外，由于轴流涡轮受叶片旋转速度所限，不能实现高转速，因而难以实现较高的运行效率。与之相比，另一种常见的涡轮结构为向心式，其特点是结构简单，制造成本低，占地面积小，并能够实现高转速，在小功率场合能实现与大功率轴流机型相近或同等的运行效率。然而受自身结构的限制，向心涡轮运行时存在较大轴向力，且其安装方式多为悬臂式，转子中较重的叶轮位于轴端，容易产生转子动力学不稳定。这些问题都限制了向心涡轮的转速及尺寸，从而导致向心涡轮难以实现更高功率及更高的效率。
为此，需要发展新的向心涡轮结构及布置方式，有效解决向心涡轮的轴向力及转子动力学稳定问题，从而突破向心涡轮的功率及运行效率限制，降低制造成本，使向心涡轮具有更高的投资回报收益，在各种工业节能改造中有更强竞争力。
发明内容
本发明提供一种并联双头分别排气式向心涡轮，其目的是解决向心涡轮的轴向力及转子动力学稳定问题带来的限制，提升向心涡轮功率及运行效率。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明的并联双头分别排气式向心涡轮，包括高压进气管道、低压排气管道，在所述的高压进气管道至低压排气管道之间设置两台并联的向心涡轮，高压进气管道经由两条分支管道分别接入两台向心涡轮。
所述的两台向心涡轮对称安装于减速箱的高速轴两端，形成并联双头结构，共同驱动减速箱的高速轴；所述的两台向心涡轮均沿高速轴轴向排气并指向远离减速箱的方向。
所述的两台向心涡轮的蜗壳、喷嘴叶片及叶轮叶片均采用相同的几何造型，但两台向心涡轮的蜗壳旋流方向、喷嘴叶片及叶轮叶片的弯曲方向均为相反。
所述的两台向心涡轮各自分别有单独的排气分支管道；所述的两条排气分支管道最终共同连接到低压排气管道。
所述的减速箱高速轴由两台向心涡轮共同驱动，经过减速箱减速后通过低速轴驱动发电机来产生电能，也可以直接驱动水泵、风机等耗能设备。
本发明采用上述技术方案，将几何造型相同但旋转方向及叶片弯曲方向相反的两台向心涡轮对称安装于减速箱高速轴的两端，形成了并联双头的布置形式。高压进气管道通过两分支分别接入排气方向相反的两台向心涡轮，从两侧分别排气后又共同连接至低压排气管道。通过这种双涡轮的布置，可以使向心涡轮的整体流量相比于单个叶轮时得到明显提升。同时，也可以相互抵消两台向心涡轮运行时作用于高速轴上的轴向力，降低高速轴的轴向力平衡要求。此外，由于两台涡轮的叶轮在高速轴两端对称安装，避免了单个叶轮在一端安装时形成的悬臂结构，使整个转子配重更为平衡，高速轴轴承的负载也更均衡，有利于保证整台涡轮的转子动力学稳定。因此，本发明的技术方案在显著提升向心涡轮整体流量的同时，使得叶轮尺寸和转速可以突破单个叶轮条件下轴向力和转子动力学稳定问题的限制，实现更大焓降，从而有效提升向心涡轮功率及运行效率。
附图说明
附图内容及图中标记的简要说明如下：
图1是本发明的系统组成示意图，亦可作为说明书摘要的附图；
图2是本发明的两台向心涡轮(3a)和(3b)的正视图；
图3是本发明的向心涡轮(3a)在图2中的A-A剖面示意图；
图4是本发明的向心涡轮(3a)的叶轮示意图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1 所示，本发明为一种并联双头分别排气式向心涡轮，包括高压进气管道(1)、低压排气管道(9)，在所述的高压进气管道(1)至低压排气管道(9)之间设置两台并联的向心涡轮(3a)和(3b)，高压进气管道(1)经由两条分支管道(2a)和(2b)分别接入两台向心涡轮(3a)和(3b)。在图1中，所述的两台向心涡轮(3a)和(3b)对称安装于减速箱(4)的高速轴(5)两端，形成并联双头结构，共同驱动高速轴(5)；所述的两台向心涡轮(3a)和(3b)均沿高速轴(5)的轴向排气并指向远离减速箱(4)的方向。
如图2所示，所述的两台向心涡轮(3a)和(3b)的蜗壳(10)、喷嘴叶片(11)及叶轮叶片(12)均采用相同的几何造型，但两台向心涡轮(3a)和(3b)的蜗壳(10)旋流方向、喷嘴叶片(11)及叶轮叶片(12)弯曲方向均为相反。
如图1所示，所述的两台向心涡轮(3a)和(3b)各自分别有单独的排气分支管道(8a)和(8b)；所述的两条排气分支管道(8a)和(8b)共同连接到低压排气管道9。所述的减速箱(4)的高速轴(5)由两台向心涡轮(3a)和(3b)共同驱动，经过减速箱(4)减速后通过低速轴(6)驱动发电机7来产生电能；所述的装置7也可以为水泵、风机等耗能设备。
本发明采用上述技术方案，将几何造型相同但旋转方向及叶片弯曲方向相反的两台向心涡轮对称安装于减速箱高速轴的两端，形成了并联双头的布置形式。高压进气管道通过两分支分别接入排气方向相反的两台向心涡轮，从两侧分别排气后又共同连接至低压排气管道。这种双涡轮布置形式可以使向心涡轮的整体流量相比于单个叶轮时得到明显提升。同时也可以相互抵消单个向心涡轮在运行时作用于高速轴上的轴向力，降低高速轴的轴向力平衡要求。此外，由于两个叶轮在高速轴两端对称安装，消除了单个叶轮在一端安装时形成的悬臂结构，使整个转子配重更为平衡，高速轴轴承负载也更均衡，有利于保证整台涡轮的转子动力学稳定。因此，本发明通过上述技术方案，在显著提升向心涡轮整体流量的同时，使得叶轮尺寸和转速可以突破单个叶轮条件下轴向力和转子动力学稳定问题的限制，实现更大焓降，从而有效提升向心涡轮功率及运行效率。
实施案例：
某工业园需为园区内各企业提供生产所用的饱和蒸汽，每小时需求量为35吨，蒸汽压力为0.6 MPa。园区锅炉所提供的主蒸汽压力为2.35 MPa，温度400℃。主蒸汽经背压式向心涡轮减温减压并由涡轮带动发电机输出电能，涡轮排气压力为0.6 MPa并经进一步喷水减温，达到饱和后输送至蒸汽用户。如采用单叶轮方式的向心涡轮，则叶轮尺寸较大，转速也较高，难以满足平衡轴向力和保证转子动力学稳定的要求。在此采用本发明所述的并联双头分别排气式向心涡轮，每个叶轮的进排气参数相同，单个叶轮流量为每小时17.5吨，两个叶轮分别安装于减速箱高速轴两端且排气方向相反。通过上述布置方式，可以避免向心涡轮由于叶轮轴向力和转子稳定问题所受到的限制，使向心涡轮得以在更高的压差和更大的流量下稳定工作，发挥向心涡轮结构简单可靠，占地面积小，运行效率高的优势，从而有效扩展其应用范围。
向心涡轮发电量计算：
汽轮机进口处蒸汽焓值：3242.6 kJ/kg；汽轮机排气焓值：2988.2 kJ/kg，排气温度：265℃；
单个叶轮流量：17.5 t/h；向心涡轮总流量：35 t/h；
向心涡轮整体发电功率：2226 kW；所输出电能用于工业园区用电，按年运行7000小时计算，每年可节省1558万千瓦时的工业用电量，产生显著经济效益。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明的具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种并联双头分别排气式向心涡轮，包括高压进气管道(1)、低压排气管道(9)，其特征在于：在所述的高压进气管道(1)至低压排气管道(9)之间设置两台并联的向心涡轮(3a)和(3b)，高压进气管道(1)经由两条分支管道(2a)和(2b)分别接入两台向心涡轮(3a)和(3b)。
2.根据权利要求1所述的并联双头分别排气式向心涡轮，其特征在于：所述的两台向心涡轮(3a)和(3b)对称安装于减速箱(4)的高速轴(5)两端，形成并联双头结构，共同驱动高速轴(5)；所述的两台向心涡轮(3a)和(3b)均沿高速轴(5)的轴向排气并指向远离减速箱(4)的方向。
3.根据权利要求1所述的并联双头分别排气式向心涡轮，其特征在于：所述的两台向心涡轮(3a)和(3b)的蜗壳(10)、喷嘴叶片(11)及叶轮叶片(12)均采用相同的几何造型，但两台向心涡轮(3a)和(3b)的蜗壳(10)旋流方向、喷嘴叶片(11)及叶轮叶片(12)弯曲方向均为相反。
4.根据权利要求3所述的并联双头分别排气式向心涡轮，其特征在于：所述的两台向心涡轮(3a)和(3b)各自分别有单独的排气分支管道(8a)和(8b)；所述的两条排气分支管道(8a)和(8b)共同连接到低压排气管道(9)。
5.根据权利要求1所述的并联双头分别排气式向心涡轮，其特征在于：所述的减速箱(4)的高速轴(5)由两台向心涡轮(3a)和(3b)共同驱动，经过减速箱(4)减速后通过低速轴(6)驱动发电机(7)来产生电能；所述的装置(7)也可以为水泵、风机等耗能设备。
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