CN111911249A - 适用于中小型有机朗肯循环系统的单螺杆-透平双级膨胀机 - Google Patents

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Abstract

适用于中小型有机朗肯循环系统的单螺杆‑透平双级膨胀机，属于能源利用和节能技术领域。该结构包括单螺杆结构、轴承、轴系结构、透平以及壳体，采用单螺杆作为首级、透平作为末级的双级膨胀结构形式。该装置充分利用了单螺杆具有较高膨胀比、透平具有较高内效率的优点，在内效率略有提高的前提下显著提高了小型膨胀机的膨胀比；同时膨胀机采用一体化设计，提高了结构的紧凑性，更有利于实际应用。这种新型的单螺杆‑透平双级膨胀机，可显著提高小型有机朗肯循环系统的热效率，促进中低温发电技术在可再生能源利用和工业节能领域中的应用。

Description

适用于中小型有机朗肯循环系统的单螺杆-透平双级膨胀机
技术领域
本发明涉及一种旨在提高低温余热发电系统性能的膨胀动力机，属于能源利用和节能技术领域。
背景技术
在节能环保得到空前重视的时代背景下，大力发展各种节能、可再生能源技术成为重要的研发和应用方向。在低温工业余热回收发电、太阳能热发电、地热发电等诸多工业领域，研发基于有机朗肯循环的发电系统得到了国内外学者的高度重视。目前，大型(MW级)有机朗肯循环系统在技术上已非常成熟，处于工业化应用的阶段。而中小型(kW至百kW)的有机朗肯循环系统由于存在诸多技术经济问题，仍处于实验室研究阶段。总结分析影响中小型有机朗肯循环系统性能的诸多因素，膨胀机性能是最关键的瓶颈问题，主要指标包括膨胀比和内效率。
目前，用于中小型有机朗肯循环的膨胀机，根据工作原理的不同可分为速度型和容积型两大类，前者主要包括单级或双级轴向透平和径向透平，后者主要包括滑片式、滚动活塞转子式、活塞式、涡旋式、双螺杆式以及单螺杆式等。不同类型的膨胀机具有不同的优缺点。对于速度型膨胀机，内效率明显高于各种容积型膨胀机；但单级膨胀比较低，转速高以及容量不易做小等是其存在的重要缺陷。速度型膨胀机可通过提高转速来提高单级膨胀比，但必须付出效率降低和传动损失增加的代价。对于容积型膨胀机，相对于速度型膨胀机，具有内效率相对较低的劣势，但具有单级膨胀比较高，转速较低以及容量更小的优势。从国内外已开展的研究看，螺杆膨胀机具有较好的性能并应用于实际工程。螺杆膨胀机分为单螺杆膨胀机和双螺杆膨胀动力机。双螺杆膨胀机具有更大的容量，但由于存在阴阳转子受力不平衡及三角泄漏区的问题，其内效率和单级膨胀比均低于单螺杆膨胀机。
根据公开发表的文献数据，小型透平的功率大约从几个kW至几百kW，单级内效率大约为0.75-0.85，轴向透平略高于径向透平。单级膨胀比约为2-5，径向透平高于轴向透平。系统热效率大约为4％-8％；单螺杆膨胀机的功率大约从几个kW至几十kW，单级内效率大约为0.55-0.75，单级膨胀比约为5-8，系统热效率大约为5％-9％；涡旋膨胀机的功率大约从几百W至几个kW，单级内效率大约为0.55-0.75，单级膨胀比约为5-7，系统热效率大约为5％-8％。比较几种潜力较好的膨胀机类型，单螺杆膨胀机具有内效率、功率范围和膨胀比综合的最佳性能。可以看到，目前对于中小型有机朗肯循环系统，同时存在膨胀比较小和内效率较低的问题，前者导致低温热能的有用能不能充分利用，后者导致膨胀过程不可逆损失过大，最终导致中小型有机朗肯循环系统的性能低下。
众所周知，提高膨胀机的内效率必然能提高热力系统的性能。而如何提高则需要系统性的研究动力机工作过程中各种不可逆损失的作用机理，并提出如何改进的技术措施。然而对于中小型的膨胀动力机，由于机械结构几何尺寸较小，使得其内效率较大型膨胀机低且提高较为困难。另一方面，当膨胀机的内效率不变或者变化较小时，随着膨胀比的增加系统热效率会显著增加，因此，膨胀比是影响基于有机朗肯循环的中低温余热发电系统热力性能最重要的因素。目前，大多数小型有机朗肯循环系统采用的是单级膨胀机，能获得最大单级膨胀比一般也不超过8，且是在付出内效率明显下降的代价下获得的。近几年，采用双级结构以提高膨胀比是技术探索的热点方向，比如双级涡旋、螺杆以及透平，等等。由于大型透平通常采用多级结构，采用双级结构的小型透平膨胀机成为较有潜力的技术方向。目前已有文献报道，双级向心透平膨胀比的实测数据已超过9，且内效率依然保持较好水平。然而从工质热物性和低温余热充分利用的角度，膨胀比依然需要进一步提高。以冷凝温度30℃为例，对于亚临界循环，临界点高于150℃的工质可实现的最大膨胀比大约为15-30，对于超临界循环，最大膨胀比更高。因此，研发具有更大膨胀比且兼顾膨胀机内效率的小型膨胀机是进一步提高有机朗肯循环低温发电系统热力性能的关键技术，是小型有机朗肯循环系统实用化的重要技术保障。
发明内容
针对目前由于膨胀机膨胀比较小导致小型有机朗肯循环发电系统热效率较低的问题，本发明的提出一种新型的双级膨胀机结构，该装置的特点在于：采用单级膨胀比较高的单螺杆作为首级、级效率较高的透平作为末级构成双级膨胀结构；采用一体化结构设计，提高膨胀机的紧凑性；相较于普通单级膨胀机，该双级膨胀机可显著提升膨胀比且适当提高内效率，可明显提高小型有机朗肯循环系统的热效率。
本发明设计的适用于中小型有机朗肯循环系统的单螺杆-透平双级膨胀机所采用的技术方案示意图参见附图1-图4。
适用于中小型有机朗肯循环系统的单螺杆-透平双级膨胀机，包括单螺杆结构、轴承、轴系结构、透平以及壳体，其特征在于，单螺杆结构作为膨胀机的第一级，透平作为膨胀机的第二级，两级之间串联联接，通过轴系同轴连接，轴系中主轴的伸出端与发电机联接。
所述的单螺杆结构由主轴(5)、星轮(6)、螺杆(7)和壳体(15)构成，采用非等径结构；螺杆(7)设计到主轴(5)上，螺杆(7)与对称布置的星轮(6)啮合；单螺杆结构的最外侧采用壳体(15)密封封装，壳体(15)与主轴(5)之间采用对应轴承承接；
所述的单螺杆结构为采用进气口孔径相对较小，容积比相对较大的单螺杆结构。
所述的星轮(6)材料包括铝合金、耐温超过300℃的自润滑工程塑料。
单螺杆结构的出气口与透平的进气口串联连通，透平的出气口作为整个双级膨胀机的排气口(14)；
所述的轴系结构包括单螺杆结构的主轴(5)和透平结构的透平轴(10)，两轴直联成单轴结构，或两轴采用有传动装置(9)连接成同轴的双轴结构；透平结构的外壳与单螺杆结构的外壳为一体化结构外壳，透平结构的透平轴与一体化结构外壳之间采用对应的轴承承接；
所述的传动装置(9)的类型包括蜗轮蜗杆和齿轮传动结构。
所述的透平类型选自径向透平或轴向透平。
径向透平：透平轴的端部固定连接有中间凸起四周平缓的山峰结构的向心透平，向心透平径向周边为用于进气的进气蜗壳(12)，向心透平的峰尖对应的壳体处设有排气口(14)，排气口(14)与进气蜗壳(12)采用向心透平与壳体组成的通道进行连通；向心透平的中心轴与透平轴同轴；
轴向透平：壳体内表面固定有向中心伸入的静叶栅(16)；沿透平轴(10)轴向向内为动叶栅(17)，动叶栅(17)与透平轴(10)固定连接；沿透平轴(10)轴向向内为排气口(14)，排气口(14)设置在壳体上，即排气口(14)设置在与透平轴(10)平行的壳体侧面上。
单螺杆结构的尺寸和透平结构的尺寸可根据需要设置。
本发明将单螺杆和透平结构有机结合，充分利用了单螺杆具有较高膨胀比、透平具有较高内效率的优点，在内效率略有提高的前提下显著提高了小型膨胀机的膨胀比；同时膨胀机采用一体化设计，提高了结构的紧凑性，更有利于实际应用。本发明设计的新型单螺杆-透平双级膨胀机，可显著提高小型有机朗肯循环系统的热效率，促进中低温发电技术在可再生能源利用和工业节能领域中的应用。
附图说明
图1，适用于中小型有机朗肯循环系统的双轴单螺杆-径向透平双级膨胀机示意图；
图2，适用于中小型有机朗肯循环系统的单轴单螺杆-径向透平双级膨胀机示意图；
图3，适用于中小型有机朗肯循环系统的双轴单螺杆-轴向透平双级膨胀机示意图；
图4，适用于中小型有机朗肯循环系统的单轴单螺杆-轴向透平双级膨胀机示意图；
图5，采用单轴单螺杆-透平双级膨胀机的有机朗肯循环太阳能热发电系统示意图；
图6，采用双轴单螺杆-透平双级膨胀机的有机朗肯循环内燃机余热回收发电系统示意图。
其中：1－进气口；2－环形通道；3－螺头侧轴承；4－轴端密封；5－主轴；6－星轮；7－螺杆；8－螺杆排气侧轴承；9－传动装置；10－透平轴；11－透平轴承；12－进气蜗壳；13－向心透平；14－排气口；15－壳体；16－静叶栅；17－动叶栅；18－太阳能槽式聚光器；19－热流体泵；20－蒸发器；21－热流体储罐；22－单轴单螺杆-透平双级膨胀机；23－单轴单螺杆-透平双轴双级膨胀机；23－双轴单螺杆-透平双级膨胀机；24－发电机；25－冷凝器；26－工质储罐；27－工质泵；28－冷却塔；29－冷却水泵；30-内燃机。
具体实施方式
本发明设计的新型单螺杆-透平双级膨胀机，可适合用于工业余热回收利用和可再生能源利用的诸多领域。下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例1
本实施例为应用单轴单螺杆-透平双级膨胀机的小型有机朗肯循环槽式太阳能热发电系统，方案参见图5；槽式系统是目前太阳能热发电领域较为成熟和普遍的技术，其具有较高的聚光比，集热温度可达300℃以上。由于目前小型膨胀机性能低下，尤其是膨胀比较小，使得小型有机朗肯循环槽式太阳能热发电系统的热效率很低，明显低于大型系统。采用单螺杆-透平双级膨胀机(可采用图2或图4所示的单螺杆-透平双级膨胀机)可获得超过15的膨胀比，使系统热效率基本达到大型系统的水准。系统由三个子循环构成：
首先是集热循环，由太阳能槽式聚光器18吸收太阳光的能量并将其传递给热流体，热流体流入蒸发器20(加热有机工质的同时热流体放热)，然后途经热流体储罐21，然后回到太阳能槽式聚光器18；
其次是有机工质发电循环，有机工质在蒸发器20内被加热成高温高压的饱和蒸汽，然而进入单轴单螺杆-透平双级膨胀机22(可采用图2或图4所示的单螺杆-透平双级膨胀机)做功，单轴单螺杆-透平双级膨胀机22与发电机24直联并实现发电，从单轴单螺杆-透平双级膨胀机22排出的低温低压的过热蒸汽进入冷凝器25被冷却成液体，然后途经工质储罐26，然后由工质泵27打回蒸发器20；
再次是冷却水循环，冷却水在冷凝器25内吸收有机工质的热量，然后进入冷却塔28散热，再由冷却水泵29打回冷凝器25。
实施例2
本实施例为单螺杆-透平双级膨胀机的有机朗肯循环内燃机余热回收发电系统。方案参见图6。内燃机余热具有较高的温度，即使是采用涡轮增压的机器，其排温也在400℃以上。由于目前小型膨胀机性能低下，较为常见的技术方案为多级循环，系统形式较为复杂，使得实际性能远低于设计值。采用单螺杆-透平双级膨胀机(可采用图1或图3所示的单螺杆-透平双级膨胀机)可获得15-20倍的膨胀比，且系统形式简单，可明显提高余热发电系统的热效率。系统首先由内燃机30排出的高温低压的烟气流入蒸发器20加热有机工质，降温后烟气排入大气；其次是有机工质在蒸发器20内被加热成高温高压的饱和蒸汽，然而进入双轴单螺杆-透平双级膨胀机23做功，双轴单螺杆-透平双级膨胀机23与发电机24直联并实现发电，从双轴单螺杆-透平双级膨胀机排出的低温低压的过热蒸汽进入冷凝器25被冷却成液体，然后途经工质储罐26，然后由工质泵27打回蒸发器20；再次是冷却水在冷凝器25内吸收有机工质的热量，然后进入冷却塔28散热，再由冷却水泵29打回冷凝器25。

Claims (10)

1.一种适用于中小型有机朗肯循环系统的单螺杆-透平双级膨胀机，包括单螺杆结构、轴承、轴系结构、透平以及壳体，其特征在于，单螺杆结构作为膨胀机的第一级，透平作为膨胀机的第二级，两级之间串联联接，通过轴系同轴连接，轴系中主轴的伸出端与发电机联接。
2.按照权利要求1所述的一种适用于中小型有机朗肯循环系统的单螺杆-透平双级膨胀机，其特征在于，所述的单螺杆结构由主轴(5)、星轮(6)、螺杆(7)和壳体(15)构成，采用非等径结构；螺杆(7)设计到主轴(5)上，螺杆(7)与对称布置的星轮(6)啮合；单螺杆结构的最外侧采用壳体(15)密封封装，壳体(15)与主轴(5)之间采用对应轴承承接。
3.按照权利要求2所述的一种适用于中小型有机朗肯循环系统的单螺杆-透平双级膨胀机，其特征在于，所述的单螺杆结构为采用进气口孔径相对较小，容积比相对较大的单螺杆结构。
4.按照权利要求2所述的一种适用于中小型有机朗肯循环系统的单螺杆-透平双级膨胀机，其特征在于，所述的星轮(6)材料包括铝合金、耐温超过300℃的自润滑工程塑料。
5.按照权利要求1所述的一种适用于中小型有机朗肯循环系统的单螺杆-透平双级膨胀机，其特征在于，单螺杆结构的出气口与透平的进气口串联连通，透平的出气口作为整个双级膨胀机的排气口(14)。
6.按照权利要求1所述的一种适用于中小型有机朗肯循环系统的单螺杆-透平双级膨胀机，其特征在于，所述的轴系结构包括单螺杆结构的主轴(5)和透平结构的透平轴(10)，两轴直联成单轴结构，或两轴采用有传动装置(9)连接成同轴的双轴结构；透平结构的外壳与单螺杆结构的外壳为一体化结构外壳，透平结构的透平轴与一体化结构外壳之间采用对应的轴承承接。
7.按照权利要求6所述的一种适用于中小型有机朗肯循环系统的单螺杆-透平双级膨胀机，其特征在于，所述的传动装置(9)的类型包括蜗轮蜗杆和齿轮传动结构。
8.按照权利要求1所述的一种适用于中小型有机朗肯循环系统的单螺杆-透平双级膨胀机，其特征在于，所述的透平类型选自径向透平或轴向透平。
9.按照权利要求8所述的一种适用于中小型有机朗肯循环系统的单螺杆-透平双级膨胀机，其特征在于，径向透平：透平轴的端部固定连接有中间凸起四周平缓的山峰结构的向心透平，向心透平径向周边为用于进气的进气蜗壳(12)，向心透平的峰尖对应的壳体处设有排气口(14)，排气口(14)与进气蜗壳(12)采用向心透平与壳体组成的通道进行连通；向心透平的中心轴与透平轴同轴；
轴向透平：壳体内表面固定有向中心伸入的静叶栅(16)；沿透平轴(10)轴向向内为动叶栅(17)，动叶栅(17)与透平轴(10)固定连接；沿透平轴(10)轴向向内为排气口(14)，排气口(14)设置在壳体上，即排气口(14)设置在与透平轴(10)平行的壳体侧面上。
10.采用权利要求1-9任一项所述的单螺杆-透平双级膨胀机的有机朗肯循环太阳能热发电系统或有机朗肯循环内燃机余热回收发电系统。
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