CN110242354B - 一种改进的高效径向透平分布式余压发电系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进的高效径向透平分布式余压发电系统及其工作方法，用于解决含静压气浮轴承的分布式径向透平余压发电系统中单级叶轮的轴向力平衡及效率较低的问题。系统包含透平机，透平机包括密封套、喷嘴环叶片、蜗壳、主轴、叶轮轴套、叶轮和扩压室；叶轮套装在主轴的外侧，叶轮轴套位于叶轮的背侧，且叶轮轴套和叶轮为一体式结构，密封套套装在叶轮轴套的外侧，蜗壳通过喷嘴环叶片与叶轮连通，叶轮与扩压室连通。本发明采用单级叶轮加轴套的一体化设计，可以减小轴向力的受力面积并且保证轴套和叶轮同步运转，从而提高径向透平分布式余压发电系统运行的稳定性和效率。
Description
技术领域
本发明属于含静压气浮轴承的径向透平分布式余压发电技术领域，主要应用于解决含静压气浮轴承的分布式径向透平余压发电系统中单级叶轮的轴向力平衡及效率较低的问题。
背景技术
近年来，积极循环再利用二次能源已经成为降低能耗、节约能源、降低成本的有效措施。对余压余热的回收利用，则是其中行之有效的重要手段之一。余压发电技术主要利用天然气或水蒸气在降压降温过程中的压差能量及热能驱动透平膨胀机做功，将其转化为机械能，并由其驱动发电机发电从而实现能量的转换并输出电能。
分布式能源系统中常常存在供用双方参数不匹配的情况，此前常见的解决方法是通过减温减压阀，将供方的参数降低至用户端所需的参数。虽然使用减温减压阀可以解决供用双方参数不匹配的问题，但是却使得所供蒸汽的㶲下降，白白浪费了蒸汽做功能力，而从能源利用角度看这种现象造成了可避免的不必要的浪费。目前，分布式能源站中存在中小流量的过热蒸汽，而且供方需提供高压过热蒸汽，用户则需要使用低压过热蒸汽。由于此时蒸汽流量较小，若含静压气浮轴承的径向透平机采用双级叶轮进行做功，则电机的转速会大大增加，这加大了电机的制造及控制难度，如申请号为200920245322.7的中国专利；若含静压气浮轴承的径向透平机采用单级叶轮进行做功，则对电机的转速要求会降低，这有利于基于径向透平的分布式余压发电技术的应用推广，并会带来可观的经济效益。
发明内容
针对中小蒸汽流量的含静压气浮轴承的径向透平分布式余压发电系统采用单级叶轮时的轴向力不平衡及效率低下问题，本发明针对单级叶轮提出了一种改进的高效径向透平分布式余压发电系统及其工作方法，用来减小系统的轴向受力面积并且保证轴套和叶轮同步高速运转，从而提高径向透平分布式余压发电系统运行稳定性和效率。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种改进的高效径向透平分布式余压发电系统，包含透平机，其特征是，所述透平机包括密封套、喷嘴环叶片、蜗壳、主轴、叶轮轴套、叶轮和扩压室；所述叶轮套装在主轴的外侧，所述叶轮轴套位于叶轮的背侧，且叶轮轴套和叶轮为一体式结构，所述密封套套装在叶轮轴套的外侧，所述蜗壳通过喷嘴环叶片与叶轮连通，所述叶轮与扩压室连通。
进一步的，所述叶轮轴套的半径小于叶轮的半径，相当于减小了叶轮背侧的承受轴向力面积，可大大提高系统运行稳定性，减小振动。
所述的改进的高效径向透平分布式余压发电系统的工作方法，其特征是，蒸汽由进气管路进入蜗壳，经喷嘴环叶片通道进入叶轮，膨胀做功使叶轮旋转从而输出机械功，并带动主轴旋转，然乏汽经扩压室排出；叶轮轴套与叶轮一体化设计，可确保叶轮高速旋转时，叶轮轴套也保持同步旋转，可极大提高系统的运行效率。
进一步的，透平机采用静压气浮轴承，且采用单级叶轮进行做功。因此，轴承转速越高，系统存在的轴向力不平衡问题就越突出，故采用本发明单级叶轮加轴套的一体化设计，可以减小轴向力的受力面积并且保证轴套和叶轮同步运转，从而提高径向透平分布式余压发电系统运行稳定性和效率。
进一步的，透平机利用前后工质压差，膨胀做功，从而产生电能。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：（1）能有效改善含气浮轴承的单级叶轮存在的轴向力平衡问题，提高系统的轴向承载力；（2）对现有设备改动较小；（3）叶轮高速旋转时，保证主轴、叶轮轴套和叶轮同步旋转，提高系统运行稳定性；（4）加工制造简单，有助于设备小型化。
附图说明
图1是本发明实施例的含静压气浮轴承的单级叶轮径向透平装置的剖面结构示意图。
图2是本发明实施例的叶轮及叶轮轴套受力结构示意图。
图中：密封套1、喷嘴环叶片2、蜗壳3、主轴4、叶轮轴套5、叶轮6、扩压室7。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
参见图1，本实施例中的改进的高效径向透平分布式余压发电系统，包含透平机，透平机包括密封套1、喷嘴环叶片2、蜗壳3、主轴4、叶轮轴套5、叶轮6和扩压室7。
叶轮6套装在主轴4的外侧，叶轮轴套5位于叶轮6的背侧，且叶轮轴套5和叶轮6为一体式结构，密封套1套装在叶轮轴套5的外侧，蜗壳3通过喷嘴环叶片2与叶轮6连通，叶轮6与扩压室7连通。
叶轮轴套5的半径小于叶轮6的半径，用于减小叶轮6背侧的轴向承载力面积，提高系统运行稳定性，减小振动。
工作方法如下，蒸汽由进气管路进入蜗壳3，经喷嘴环叶片2通道进入叶轮6，膨胀做功使叶轮6旋转从而输出机械功，并带动主轴4旋转，然乏汽经扩压室7排出；叶轮轴套5与叶轮6一体化设计，确保叶轮6高速旋转时，叶轮轴套5也保持同步旋转，提高系统的运行效率。
透平机采用静压气浮轴承，且采用单级叶轮6进行做功。透平机利用前后工质压差，膨胀做功，从而产生电能。
系统运行过程中，叶轮6背面会受到来自静压气浮轴承内静压气膜的压强P0，如附图2所示，若不增加叶轮轴套5，则叶轮6背面承受的轴向压力如下：
增加叶轮轴套5后，则叶轮6背面承受的轴向压力如下：
其中，R1是叶轮6的半径，R2是叶轮轴套5的半径。
本发明的设计中，R2小于R1，也就是说叶轮轴套5的面积小于叶轮6的面积，故可推出：
本实施例由于采用叶轮轴套5和叶轮6的一体化设计方案，大大降低了含静压气浮轴承的单级叶轮6的背面轴向承载力，且确保叶轮6和叶轮轴套5可同步高速旋转，极大提高了含气浮轴承的径向透平分布式余压发电系统运行稳定性和效率。
虽然本发明以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更改，均应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种改进的高效径向透平分布式余压发电系统的工作方法，系统包含透平机，其特征是，所述透平机包括密封套（1）、喷嘴环叶片（2）、蜗壳（3）、主轴（4）、叶轮轴套（5）、叶轮（6）和扩压室（7）；所述叶轮（6）套装在主轴（4）的外侧，所述叶轮轴套（5）位于叶轮（6）的背侧，且叶轮轴套（5）和叶轮（6）为一体式结构，所述密封套（1）套装在叶轮轴套（5）的外侧，所述蜗壳（3）通过喷嘴环叶片（2）与叶轮（6）连通，所述叶轮（6）与扩压室（7）连通；
蒸汽由进气管路进入蜗壳（3），经喷嘴环叶片（2）通道进入叶轮（6），膨胀做功使叶轮（6）旋转从而输出机械功，并带动主轴（4）旋转，然乏汽经扩压室（7）排出；叶轮轴套（5）与叶轮（6）一体化设计，确保叶轮（6）高速旋转时，叶轮轴套（5）也保持同步旋转，提高系统的运行效率。
2.根据权利要求1所述的改进的高效径向透平分布式余压发电系统的工作方法，其特征是，所述叶轮轴套（5）的半径小于叶轮（6）的半径，用于减小叶轮（6）背侧的轴向承载力面积。
3.根据权利要求1所述的改进的高效径向透平分布式余压发电系统的工作方法，其特征是，透平机采用静压气浮轴承，且采用单级叶轮（6）进行做功。
4.根据权利要求1所述的改进的高效径向透平分布式余压发电系统的工作方法，其特征是，透平机利用前后工质压差，膨胀做功，从而产生电能。
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