CN111485952A - 膨胀机 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种膨胀机，其包括膨胀机构和阀组件。所述膨胀机构包括：体积逐渐变大使工作流体膨胀的封闭的膨胀室；用于接收从所述膨胀室排出的工作流体的排出室；以及用于将所述排出室连通至所述膨胀机构外部的排放空间的排出通道。所述阀组件安装至所述膨胀机构。所述阀组件构造成：当所述排出室内的工作流体的压力小于等于预定膨胀压力时，所述阀组件处于防止所述排出室内的工作流体流出至所述排放空间的关闭状态；以及当所述排出室内的工作流体的压力大于所述预定膨胀压力时，所述阀组件处于允许所述排出室内的工作流体流出至所述排放空间中的打开状态。

Description

膨胀机
技术领域
本公开涉及一种膨胀机。
背景技术
本部分的内容仅提供了与本公开相关的背景信息，，其可能并不构成现有技术。
膨胀机是利用高压流体膨胀成低压流体向外输出机械功或电功的装置。一种常见的膨胀机为涡旋膨胀机。涡旋膨胀机的膨胀机构包括动涡旋部件和定涡旋部件。动涡旋部件和定涡旋部件彼此接合以在其叶片之间形成一系列体积逐渐增大的膨胀室，由此使得高压流体变为低压流体。在流体膨胀过程中产生驱动力矩，例如带动轴旋转以输出机械功或电功。
膨胀机在一定工况下的性能是由输出功和进气量决定的。在同等进气量的情况下，如果输出功较大，则膨胀效率较高。换言之，在同等输出功的情况下，如果进气量较小，则膨胀效率较高。膨胀机的涡旋部件的设计压比通常是固定的。当涡旋部件的实际运行压比小于设计压比时，工作流体膨胀过度，输出功减小，导致膨胀效率降低。
因此，需要一种能够解决过膨胀导致的膨胀效率降低的问题的膨胀机。
发明内容
本发明的一个或多个实施方式的一个目的是提供一种能够解决过膨胀导致的膨胀效率降低的问题的膨胀机。
本发明的一个或多个实施方式的另一个目的是提供一种能够提高膨胀效率的膨胀机。
根据本发明的一个方面，提供了一种膨胀机，其包括膨胀机构和阀组件。所述膨胀机构包括：体积逐渐变大使工作流体膨胀的封闭的膨胀室；用于接收从所述膨胀室排出的工作流体的排出室；以及用于将所述排出室连通至所述膨胀机构外部的排放空间的排出通道。所述阀组件安装至所述膨胀机构。所述阀组件构造成：当所述排出室内的工作流体的压力小于等于预定膨胀压力时，所述阀组件处于防止所述排出室内的工作流体流出至所述排放空间的关闭状态；以及当所述排出室内的工作流体的压力大于所述预定膨胀压力时，所述阀组件处于允许所述排出室内的工作流体流出至所述排放空间中的打开状态。
在本公开的其他示例中，所述膨胀机还包括外壳，所述膨胀机构容置在所述外壳内，并且所述排放空间限定在所述外壳内。
在本公开的其他示例中，所述阀组件包括弹性阀片，所述弹性阀片具有固定至所述膨胀机构的第一端部和能够相对于所述第一端部运动的第二端部。
在本公开的其他示例中，所述阀组件还包括阀挡，所述阀挡固定地连接至所述膨胀机构，并且构造成用于限制所述弹性阀片的第二端部的最大打开位置。
在本公开的其他示例中，所述阀组件包括可动阀片以及偏置构件。所述偏置构件构造成将所述可动阀片朝向所述可动阀片的初始位置偏置以使所述阀组件处于所述关闭状态。
在本公开的其他示例中，所述阀组件还包括止挡件，所述止挡件构造成用于限制所述可动阀片的最大打开位置。
在本公开的其他示例中，所述止挡件在其一端具有凸缘，所述凸缘形成用于安装所述偏置构件的肩部。
在本公开的其他示例中，所述膨胀机构包括：动涡旋部件，所述动涡旋部件包括第一端板和形成在所述第一端板上的动涡旋叶片；以及定涡旋部件，所述定涡旋部件包括第二端板和形成在所述第二端板上的定涡旋叶片，所述定涡旋叶片与所述动涡旋叶片彼此接合以在其间形成所述膨胀室。所述排出通道设置在所述定涡旋部件中。
在本公开的其他示例中，所述膨胀机包括设置在所述定涡旋部件的第二端板和/或外周壁中的多个所述排出通道，在每个排出通道中均设置有所述阀组件。
在本公开的其他示例中，多个所述排出通道沿周向方向和/或轴向方向布置。
在本公开的其他示例中，设置在多个所述排出通道中的阀组件具有不同的结构。
在本公开的其他示例中，所述膨胀机构构造成：在所述膨胀机运行时，所述动涡旋部件的外周向端部能够邻近所述排出室的周向内壁。
通过本文提供的说明，其他的应用领域将变得显而易见。应该理解，本部分中描述的特定示例和实施方式仅出于说明目的而不是试图限制本公开的范围。
附图说明
本部分描述的附图仅出于说明目的而不是试图以任何方式限制本公开的范围。
图1是涡旋膨胀机的纵剖示意图。
图2是根据本公开实施方式的定涡旋部件的正视示意图；
图3是沿图2的线A-A的水平剖面示意图。
图4是图3的局部放大示意图，其中，弹性阀片处于关闭位置。
图5是示出图4的弹性阀片处于打开位置的示意图。
图6是图2至图5的阀组件的分解示意图。
图7是根据本公开另一实施方式的定涡旋部件的纵剖示意图。
图8是图7的局部放大示意图，其中，可动阀片处于关闭位置。
图9是示出图8的可动阀片处于打开位置的示意图。
图10是图7至图9的阀组件的分解示意图。
图11是根据本公开实施方式的膨胀机构的正视示意图。
图12是图11的膨胀机构的俯视示意图。
图13是图11的膨胀机构的纵剖示意图。
图14是图11的膨胀机构的水平剖面示意图。
具体实施方式
下文的描述性质上仅是示例性的而不是试图限制本公开、应用及用途。应当理解，在这些附图中，相应的参考数字指示相似的或相应的部件及特征。
下面将参照附图来描述涡旋膨胀机的基本构造和原理。
如图1所示，涡旋膨胀机(下面也称为膨胀机)10包括大致圆筒形的壳体12、设置在壳体12一端的顶盖14以及设置在壳体12另一端的底盖16。壳体12、顶盖14以及底盖16构成涡旋膨胀机1的具有封闭空间的外壳。
涡旋膨胀机1还包括设置在顶盖14和壳体12之间以将膨胀机的内部空间分隔成高压侧(也称为高压空间)和低压侧(也称为低压空间)的隔板15。隔板15和顶盖14之间构成高压侧，而隔板15、壳体12和底盖16之间构成低压侧。在高压侧设置有用于引入高压流体(也称为工作流体)的进气管17，在低压侧设置有用于排出膨胀后的低压流体的排气管18。
涡旋膨胀机1还包括由定涡旋部件80和动涡旋部件70构成的膨胀机构。动涡旋部件70能够相对于定涡旋部件80平动转动(即，动涡旋部件70的中心轴线绕定涡旋部件80的中心轴线旋转，但是动涡旋部件70本身不会绕自身的中心轴线旋转)。所述平动转动通过例如设置在定涡旋部件70和定涡旋部件80之间的十字滑环(未示出)来实现。
动涡旋部件70包括端板72、形成在端板一侧的毂部74和形成在端板另一侧的螺旋状的叶片76。定涡旋部件80包括端板82、形成在端板一侧的螺旋状的叶片86和形成在端板的大致中央位置处的入口88。在定涡旋部件80的螺旋叶片86和动涡旋部件70的螺旋叶片76之间形成一系列体积在从径向内侧向径向外侧移动时逐渐增大的腔室。工作流体在这些腔室中由于体积逐渐增大而膨胀并且压力逐渐减小。
本文中为了便于描述，将由定涡旋部件80的螺旋叶片86和动涡旋部件70的螺旋叶片76之间形成的封闭的腔室称为膨胀室，而将与膨胀机构的排出孔或排出通道(参见图13中的排出通道83a和83b)直接流体连通以将膨胀的工作流体排出的腔室称为排出室。参见图13和图14，封闭的膨胀室用附图标记EC标示，排出室用附图标记CC标示。排出室CC位于膨胀室EC的径向最外侧。此外，为便于描述，，本文中将定涡旋部件80的外周部分称为外周壁81，如图13和图14所示。
膨胀机1还包括主轴承座40。主轴承座40通过合适的紧固方式相对于壳体12固定。动涡旋部件70的端板72由主轴承座40支撑。
膨胀机1还可以包括旋转轴(也可以称为输出轴)30。旋转轴30由设置在主轴承座40中的主轴承44以可旋转的方式支撑。旋转轴30的一端设置有偏心曲柄销36。动涡旋部件70的毂部74驱动旋转轴30的曲柄销36，从而使旋转轴30旋转。
膨胀机1还可以包括由定子22和转子24构成的发电机20。定子22固定至壳体12。转子24设置在定子22与旋转轴30之间。转子24固定至旋转轴30的外周面上，以在膨胀机1运行时随着旋转轴30一起旋转，从而使得发电机20能够发电。
当膨胀机1运行时，高压流体经由进气管17进入膨胀机1的外壳内的高压侧，然后经由入口88进入膨胀机构。进入膨胀机构的高压流体流经体积逐渐增大的一系列膨胀室EC而被膨胀并变为低压流体。所述低压流体从膨胀室排出至排出室CC，然后经由设置在膨胀机构上的排出孔或排出通道排出至膨胀机构的外部，例如，膨胀机1的外壳内的低压侧。在膨胀机构对流体进行膨胀的过程中产生驱动力矩，带动旋转轴30旋转以输出机械功或电功。然后，膨胀机1的外壳内的低压流体再经由排气管18被排出膨胀机1而进入系统继续循环。
在膨胀机1运行时，如果排出室CC中的工作流体的压力低于预定膨胀压力(即，期望的排出压力或预定排出压力)，这意味着工作流体被过度膨胀。这种情况下，输出功较小，因此会导致膨胀机1的运行效率降低。为克服该问题，发明人构思将排出室CC中的过度膨胀的工作流体进行压缩(可以称为“排气压缩”)，使其达到预定膨胀压力时再排出膨胀机构。而且，发明人进一步构思在排出通道处设置单向阀并且通过从膨胀室EC排出的膨胀的工作流体来实现该排气压缩。换言之，当排出室CC内的工作流体的压力过低时，通过单向阀将排气通道(参见图13中的排气通道83a和83b)关闭而不允许排出室内的工作流体排出膨胀机构，而是在经过排气压缩达到预定排出压力时打开排气通道以将工作流体排出。
在不设置单向阀的情况下，排气开始时，大量的排气回灌到排出室，使得排出室的压力达到排气压力，然后涡旋盘推动具有排气压力的气体、将气体排出。在该过程中损耗了一部分功。相比之下，，如果设置了单向阀，单向阀打开前的一段过程，气体处于被压缩的过程，整个压缩过程中的压力都是小于排气压力的。所以这个过程中，涡旋盘推动的气体的压力小于排气压力，所以推动气体耗费的能量是较小的。因此，通过对排出室中的工作流体进行排气压缩可以提高膨胀机的工作效率。
下面将参照图2至图6对根据本公开实施方式的用于对排出室CC中的工作流体进行排气压缩的结构进行描述。
如图2至图6所示，膨胀机1还包括安装至膨胀机构的阀组件(单向阀)100。在图2至图6所示的示例中，定涡旋部件80包括设置在外周壁81中的排出通道83a。阀组件100安装在外周壁81的外表面上并且位于排出通道83a处。
阀组件100包括弹性阀片110和阀挡130。弹性阀片110可以部分地运动以打开或关闭排出通道83a。阀挡130构造成用于限制弹性阀片110的最大打开位置。
弹性阀片110可以具有大致舌形的形状，并且包括固定至定涡旋部件80的外周壁81的第一端部112和能够相对于第一端部112摆动的第二端部114。第二端部114也可以称为自由端部。第一端部112具有用于接收诸如螺钉或螺栓的紧固件150的孔口116。
阀挡130可以具有与弹性阀片110相似的形状，并且具有用于固定至定涡旋部件80的外周壁81的第一端部132和从第一端部132悬伸的第二端部134。第二端部134也可以称为自由端部。第一端部132具有用于接收诸如螺钉或螺栓的紧固件150的通孔136。阀挡130具有倾斜或弯曲的下表面131以为弹性阀片110的第二端部114限定摆动空间。通过将紧固件150穿过阀挡130的通孔136和弹性阀片110的孔口116并连接至定涡旋部件80的外周壁81，可以将阀挡130和弹性阀片110安装至定涡旋部件80。
当排出室CC中的工作流体的压力低于或等于预定排出压力时，弹性阀片110处于图4所示的关闭位置(初始位置)，以防止排出室CC中的工作流体排出。当排出室CC中的工作流体的压力大于预定排出压力时，克服弹性阀片110自身的弹力和膨胀机构外部空间的工作流体的压力而使弹性阀片110的第二端部114朝向阀挡130运动至图5所示的打开位置，从而打开通道83a以允许排出室CC中的工作流体排出膨胀机构。
下面将参照图7至图10对根据本公开另一实施方式的用于对排出室CC中的工作流体进行排气压缩的结构进行描述。
如图7至图10所示，膨胀机1包括安装至膨胀机构的阀组件300。在图7至图10所示的示例中，定涡旋部件80包括设置在端板82中的排出通道83b。阀组件300安装在排出通道83b中。
阀组件300包括可动阀片310、偏置构件320和止挡件330。可动阀片310可以在关闭排出通道83b的关闭位置(初始位置)与打开排出通道83b的打开位置之间平移。偏置构件320可以构造成将可动阀片310朝向初始位置偏置。止挡件330构造成用于限制可动阀片310的最大打开位置。
在图7至图10所示的示例中，可动阀片310呈圆形片状。偏置构件320为螺旋弹簧。止挡件330可以通过过盈配合或者紧固件固定至定涡旋部件80的端板82。止挡件330具有圆柱状主体部331以及从主体部331的一端径向向外延伸的凸缘332。凸缘332形成了从主体部331突出的肩部以便于安装偏置构件320。
当排出室CC中的工作流体的压力低于或等于预定排出压力时，可动阀片310处于图8所示的关闭位置(初始位置)，以防止排出室CC中的工作流体排出。当排出室CC中的工作流体的压力大于预定排出压力时，克服偏置构件320的偏置力和膨胀机构外部空间的工作流体的压力而使可动阀片310朝向止挡件330运动至图9所示的打开位置，从而打开通道83b以允许排出室CC中的工作流体排出膨胀机构。
图11至图14示出了膨胀机1具有阀组件100和300两者的示例。具体地，在定涡旋部件80的外周壁81上设置有排气通道83a并且在排气通道83a中设置有阀组件100。此外，在定涡旋部件80的端板82上设置有排气通道83b并且在排气通道83b中设置有阀组件300。应理解的是，可以在排气通道83a中设置阀组件300。或者，，可以在排气通道83b中设置阀组件100。在多个排气通道处可以设置有不同结构的阀组件，也可以设置有相同结构的阀组件。
通过图11至图14的示例可知，为了增大工作流体的排出面积，可以在定涡旋部件80的端板82和/或外周壁81上设置多个排出通道，并且在每个排出通道中都可以设置根据本公开的阀组件100或300。这些排出通道可以沿周向方向和/或轴向方向(竖向方向或中心轴线的方向)布置。
例如，可以在定涡旋部件80的端板82上沿周向方向设置两个或更多个排出通道83b，但在外周壁81上不设置排出通道。或者，可以在定涡旋部件80的外周壁81上沿轴向方向设置两个或更多个排出通道83a，但在端板82上不设置排出通道。或者，可以在定涡旋部件80的端板82和外周壁81上均设置有至少两个排出通道。
应理解的是，排出通道以及阀组件的各个部件的数量、位置和结构等可以根据实际需要而变化，只要能够实现上述功能即可。例如，阀挡130和止挡件310可以与定涡旋部件形成为一体件。
参见图14，排出室CC类似于螺旋叶片76或86沿螺旋方向延伸并且具有周向内壁85。周向内壁85在图中示出为弧形。优选地，在膨胀机1运行时，动涡旋部件70的外周向端部75能够邻近排出室CC的周向内壁85，由此可以尽可能地减小余隙容积。
本文中为了描述本发明，以立式低压侧涡旋膨胀机为例。然后，应理解的是，本发明可以适用于任何合适类型的膨胀机，例如，转子膨胀机、卧式膨胀机、高压侧膨胀机等等。
尽管在此已详细描述本公开的各种实施方式和可能的一些变型，但是应该理解本公开并不局限于这里详细描述和示出的具体实施方式。在图示以及上面描述的实施方式的各个特征可以在不冲突的情况下相互结合，或者可以省去。在不偏离本公开的实质和范围的情况下可由本领域的技术人员实现其它的变型和变体。所有这些变型和变体都落入本发明的范围内。而且，所有在此描述的构件、部件或特征都可以由其他结构上和功能上等同的构件、部件或特征来代替。

Claims (12)

1.一种膨胀机，包括：
膨胀机构，所述膨胀机构包括：体积逐渐变大使工作流体膨胀的封闭的膨胀室(EC)；用于接收从所述膨胀室(EC)排出的工作流体的排出室(CC)；以及用于将所述排出室(CC)连通至所述膨胀机构外部的排放空间的排出通道(83a；83b)；以及
阀组件(100；300)，所述阀组件安装至所述膨胀机构，所述阀组件构造成：当所述排出室内的工作流体的压力小于等于预定膨胀压力时，所述阀组件处于防止所述排出室内的工作流体流出至所述排放空间的关闭状态；以及当所述排出室内的工作流体的压力大于所述预定膨胀压力时，所述阀组件处于允许所述排出室内的工作流体流出至所述排放空间中的打开状态。
2.根据权利要求1所述的膨胀机，其中，所述膨胀机(1)还包括外壳，所述膨胀机构容置在所述外壳内，并且所述排放空间限定在所述外壳内。
3.根据权利要求1所述的膨胀机，其中，所述阀组件包括：
弹性阀片(110)，所述弹性阀片具有固定至所述膨胀机构的第一端部(112)和能够相对于所述第一端部运动的第二端部(114)。
4.根据权利要求3所述的膨胀机，其中，所述阀组件还包括：
阀挡(130)，所述阀挡固定地连接至所述膨胀机构，并且构造成用于限制所述弹性阀片的第二端部的最大打开位置。
5.根据权利要求1所述的膨胀机，其中，所述阀组件包括：
可动阀片(310)；以及
偏置构件(320)，所述偏置构件构造成将所述可动阀片朝向所述可动阀片的初始位置偏置以使所述阀组件处于所述关闭状态。
6.根据权利要求5所述的膨胀机，其中，所述阀组件还包括：
止挡件(330)，所述止挡件构造成用于限制所述可动阀片的最大打开位置。
7.根据权利要求6所述的膨胀机，其中，所述止挡件在其一端具有凸缘(332)，所述凸缘形成用于安装所述偏置构件的肩部。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的膨胀机，其中，所述膨胀机构包括：
动涡旋部件(70)，所述动涡旋部件(70)包括第一端板(72)和形成在所述第一端板上的动涡旋叶片(76)；以及
定涡旋部件(80)，所述定涡旋部件(80)包括第二端板(82)和形成在所述第二端板上的定涡旋叶片(86)，所述定涡旋叶片(86)与所述动涡旋叶片(76)彼此接合以在其间形成所述膨胀室，
其中，所述排出通道设置在所述定涡旋部件中。
9.根据权利要求8所述的膨胀机，其中，所述膨胀机包括设置在所述定涡旋部件的第二端板和/或外周壁(81)中的多个所述排出通道，在每个排出通道中均设置有所述阀组件。
10.根据权利要求9所述的膨胀机，其中，多个所述排出通道沿周向方向和/或轴向方向布置。
11.根据权利要求9所述的膨胀机，其中，设置在多个所述排出通道中的阀组件具有不同的结构。
12.根据权利要求8所述的膨胀机，其中，所述膨胀机构构造成：在所述膨胀机运行时，所述动涡旋部件的外周向端部(75)能够邻近所述排出室的周向内壁(85)。
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