CN113090348B - 一种一体式集成换热器的多级叶轮机组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种一体式集成换热器的多级叶轮机组，至少包括多级功能段，每相邻两功能段之间设有一换热器，各功能段及各换热器均集成在一缸体内，每一换热器的第一换热侧进口均以不借助连通管路的方式直接与上一级功能段的工作介质出口连通、第一换热侧出口均以不借助连通管路的方式直接与下一级功能段的工作介质入口连通，每一换热器的第二换热侧进口、第二换热侧出口分别通过管路伸出缸体外与外部热源连通。本发明的结构将多级叶轮机和多个换热器紧凑集成，省略了传统系统布置中换热器与叶轮机联接所需的进排气管路，可以降低气体管路的压力损失、减少系统建设成本和现场安装的工作量；此外，管道残存容量的减小也将改善机组调控的灵敏度。

Description

一种一体式集成换热器的多级叶轮机组
技术领域
本发明属于叶轮机械领域，涉及一种带有换热器的叶轮机组，具体地说是一种一体式集成换热器的多级叶轮机组，所述多级叶轮机组为多级膨胀机组或多级压缩机组。
背景技术
叶轮机组在能源、动力领域应用广泛，适用的工作介质类型、压力、温度、功率、叶片级数等设计参数各不相同。以透平膨胀机为例，透平在膨胀做功的过程中工质温度会逐渐降低，目前，为了提高透平的等熵效率和系统的能量利用率，常采用多次再热的系统流程以提升膨胀工质的焓值、增大机组的功率密度。而传统的再热机组一般将第一次膨胀后的冷流体通过透平出口引到换热器的入口，由进入换热器的热流体对冷流体加热，之后再将被加热的高压气体工质引入第二个膨胀段，依次类推，完成多次膨胀和多次加热的过程，该系统中的换热器与膨胀机之间需要大量的管道进行联接，联通管道会因沿程流动摩擦而产生一定的压力损失，进而减少输出功率；管道冷热态变化会对透平机体附加一定的管道推力，高温管道较多、较长时会增加系统建设的成本；此外，换热器还需要单独做保温以减少散热损失。而对于需要中间冷却的压气机，基本工作原理和结构与上述透平类似。
总体而言，传统带有多次换热需求的叶轮机组，多级叶轮机和多个换热器之间的连通管路布置复杂、气体管路的压力损失大、占地面积和系统建设成本高、现场安装的工作量大、机组调控的灵敏度低、运行可靠性差等诸多缺点和不足。
发明内容
针对传统带有多次换热需求的叶轮机组在流程布置等诸多方面存在的缺点和不足，本发明提出了一种一体式集成换热器的多级叶轮机组，可以明显降低机组的管道压力损失、占地面积和成本，并提高机组调控的精度和运行的可靠性。本发明所提供的一体式多次换热叶轮机结构，通过该结构的应用，可以满足单轴、多次换热的叶轮机设计要求，将多级透平（或压气机，下同）和多个换热器紧凑集成，省略了传统系统布置中换热器与叶轮机联接所需的进排气管路，可以降低气体管路的压力损失、减少系统建设成本和现场安装的工作量，管道残存容量的减小也将改善机组调控的灵敏度，适用于压缩空气储能膨胀机或压气机、超临界二氧化碳膨胀机、蒸汽轮机、氦气透平、有机工质透平、工业尾气透平、工业压缩机等各类叶轮机组中。
为了达到上述目的，本发明所采用的解决方案如下：
一种一体式集成换热器的多级叶轮机组，所述多级叶轮机组至少包括多级功能段，所述功能段为膨胀段或压缩段，每相邻两所述功能段之间设有一换热器，每一所述功能段至少包括一级叶轮，其特征在于，
各所述功能段及各所述换热器均集成在一缸体内，
每一所述换热器的第一换热侧进口均以不借助连通管路的方式直接与上一级功能段的工作介质出口连通、第一换热侧出口均以不借助连通管路的方式直接与下一级功能段的工作介质入口连通，每一所述换热器的第二换热侧进口、第二换热侧出口分别通过管路伸出所述缸体外与外部热源连通。
优选地，每一所述功能段包括一级、二级或更多的叶轮级数。
优选地，所述叶轮采用向心式、离心式、轴流式、斜流式或辐流式叶轮结构。
优选地，所述外部热源中的流体为气体、液体或者多相流体。
优选地，所述换热器的类型为板式、管式或混合式结构。
优选地，所述叶轮机组的工作介质为空气、超临界二氧化碳、蒸汽、氦气、有机工质或工业尾气。
优选地，所述功能段为膨胀段，每一所述膨胀段至少包括一级膨胀叶轮，所述外部热源中的流体为热流体。
优选地，所述功能段为压缩段，每一所述压缩段至少包括一级压缩叶轮，所述外部热源中的流体为冷流体。
优选地，每一所述换热器的第一换热侧进口与上一级功能段的工作介质出口之间、第一换热侧出口与下一级功能段的工作介质入口之间以及每一所述换热器的第二换热侧进口、第二换热侧出口的管路与所述缸体之间均设置有密封结构。
优选地，各所述功能段均驱动连接在一横穿所述缸体的主轴上，所述主轴与缸体设有密封结构。
进一步地，各所述换热器整体均呈环状，所述主轴穿过所述换热器的中心内圆，所述换热器的中心内圆与所述主轴之间也设有密封结构。
进一步地，所述主轴的两端均设有支撑结构，所述缸体的中部也设有支撑结构，且所述缸体的中部能够在其支撑结构上自由膨胀和滑动。
本发明的上述一体式集成换热器的多级叶轮机组，所述叶轮机包含多个膨胀段（或压缩段，下同）和换热器的多级透平（或压气机，下同），其中高压气体在单个缸体内完成多次膨胀做功（或压缩耗功）和多次换热，最后排出该缸体。多级透平（或压气机）和多个换热器都设置在缸体内，高温流体介质通过缸体外的管道及其法兰进入换热器完成热量交换。所述叶轮机包含多个膨胀段（或压缩段，下同），第一个膨胀段后的一个或多个再热器都设置在缸体内，对高压气体工质进行多次加热。换热器的冷流体进出口直接联接上一个膨胀段的出口和下一个膨胀段的入口；换热器通过设置在缸体外的进出口管道及其法兰将热流体的热量传递给冷流体（即膨胀做功的高压气体工质）。所述换热器的热流体管道穿过透平缸体的外壳，热流体管路法兰在缸体外，换热器与相邻膨胀段的喷嘴环外围带之间需要设置密封结构，防止冷流体（高压气体）通过缸体上开设的热流体管道口泄漏到缸体外。此外，换热器内圆与相邻膨胀段的轮盘根部（主轴上）也需要设置密封结构，防止高压气体不经过换热器就直接流入下一个膨胀段。所述叶轮机的换热器设置在缸体内，当热流体进入换热器后，换热器总重量较大，则可能在重力方向对缸体施加较大的载荷，使得缸体变形，影响透平的效率和运行可靠性，因此，需要在气缸的中部设置支撑结构，保证气缸在垂直方向不发生较大的变形，并能够在支撑结构上自由膨胀和滑动。
本发明的上述一体式集成换热器的多级叶轮机组，将多个换热器集成到多级叶轮机组的缸体内部，完成了一台一体式多次换热叶轮机，同现有技术相比，本发明的有点与有益效果为：
1）将多次换热叶轮机组的多个换热器集成到叶轮机缸体的内部，省略了传统机组现场布置中换热器与透平联接所需的进排气管路，可以降低气体管路的压力损失、减少系统建设成本和现场安装的工作量，并且可以消除传统多次再热透平系统布置中管道冷热态变化对叶轮机体附加的管道推力。
2）由于省略了传统机组布置中进排气管路，则管路残存容量减小，可以改善机组调控的灵敏度，即转子的转速、输出功率控制更加快速、精准，并且能降低机组甩负荷时的最大飞升转速。
3）由于换热器设置在叶轮机缸体内，因此，与传统机组布置结构相比，换热器及其与叶轮机组的气路管道都省去了保温措施，可以进一步降低成本。
附图说明
图1为本发明的一体式集成换热器的多级叶轮机组的结构示意图。
图2为第一、二级膨胀段与其之间的换热器的局部结构视图。
附图标记说明：
1-主轴，2-缸体（含进排气口），3-喷嘴环及其内外围带，4-动叶片及其轮盘，5-换热器，6-轴端密封，7-喷嘴环内围带密封，8-换热器与喷嘴环外围带之间的密封，9-换热器与主轴之间的密封，10-联轴器侧的基础及其支撑，11-非联轴器侧的基础及其支撑，12-缸体中部的基础及其支撑，A1-进气口，T1-第一级膨胀段，HEx1-第一换热器，T2-第二级膨胀段、HEx2-第二换热器、T3-第三级膨胀段，A2-排气口。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例如图1、2所示。图1为本发明的一体式集成换热器的多级叶轮机组的结构示意图，多级叶轮机组为多级膨胀机组或多级压缩机组，图1中示出的是多级叶轮机组为多级膨胀机组的情形，多级膨胀机组主要由主轴1、缸体（含进排气口）2、喷嘴环及其内外围带3、动叶片及其轮盘4、换热器5、轴端密封6、喷嘴环内围带密封7、换热器与喷嘴环外围带之间的密封8、换热器与主轴之间的密封9、联轴器侧的基础及其支撑10、非联轴器侧的基础及其支撑11、缸体中部的基础及其支撑12。
其中，高压、高温气体通过进气口A1进入第一级膨胀段T1，膨胀降温后再进入第一换热器HEx1进行再热，之后再进入第二级膨胀段T2、第二换热器 HEx2、第三级膨胀段T3，最后通过排气口A2排出透平机。第一级膨胀段T1的工作介质出口与第一换热器HEx1的冷流体入口以不借助连通管路的方式直接相联，第一换热器HEx1的冷流体出口与第二级膨胀段T2的工作介质入口以不借助连通管路的方式直接相联；第二级膨胀段T2的出口与第二换热器HEx2的冷流体入口以不借助连通管路的方式直接相联，第二换热器HEx2的冷流体出口与第三级膨胀段T3的入口以不借助连通管路的方式直接相联。第一换热器HEx1的热流体入口为W1，热流体出口为W2，其法兰接口设置在缸体2外；第二换热器HEx2的热流体入口为W3，热流体出口为W4，其法兰接口设置在缸体2外。主轴1由联轴器侧的和非联轴器侧的基础及放置在基础上的轴承箱完成两端支撑10、11，缸体2中部的支撑12用于防止换热器重量对气缸施加过大的重力使之发生变形，该位置的支撑结构应使得气缸在支撑12上自由膨胀和滑动，保证机组运行的可靠性。
第一级膨胀段T1、第二级膨胀段T2与第一换热器HEx1的局部结构如图2所示，第一换热器HEx1与第一级膨胀段T1的喷嘴环外围带之间设置密封结构8，防止高压气体通过缸体上开设的热流体管道口泄漏到缸体外。第一换热器HEx1的内圆与第一级膨胀段T1后以及第二级膨胀段T2前都设置密封结构9，防止第一级膨胀段T1出口的气体不经过第一换热器HEx1就直接流入第二级膨胀段T2的入口。
对于带有中间冷却换热器的压气机组，结构和工作原理与图示的透平膨胀机组类似，气体的流动方向与膨胀机组相反，即A2为压气机进气口、A1为压气机排气口，W1和W3为换热器冷流体的进口，W2和W4为换热器热流体的出口。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (8)

1.一种一体式集成换热器的多级叶轮机组，所述多级叶轮机组至少包括多级功能段，所述功能段为膨胀段或压缩段，每相邻两所述功能段之间设有一换热器，每一所述功能段至少包括一级叶轮，其特征在于，
各所述功能段及各所述换热器均集成在一叶轮机缸体内，各所述功能段均沿轴向驱动连接在一横穿所述缸体中心的主轴上，各所述换热器整体均呈环状，且所述主轴穿过所述换热器的中心内圆，所述主轴的两端均设有支撑结构，所述缸体的中部也设有支撑结构，且所述缸体的中部在其对应的支撑结构上可自由膨胀和滑动；
每一所述换热器的第一换热侧进口均以不借助连通管路的方式直接与上一级功能段的工作介质出口连通、第一换热侧出口均以不借助连通管路的方式直接与下一级功能段的工作介质入口连通，每一所述换热器的第二换热侧进口、第二换热侧出口分别通过管路伸出所述缸体外与外部热源连通；
每一所述换热器的第一换热侧进口与上一级功能段的工作介质出口之间、第一换热侧出口与下一级功能段的工作介质入口之间、以及每一所述换热器的第二换热侧进口、第二换热侧出口与外部热源之间的连通管路与所述缸体之间均设置有密封结构；所述缸体与主轴之间、以及各所述换热器的中心内圆与所述主轴之间均设有密封结构。
2.根据权利要求1所述的一体式集成换热器的多级叶轮机组，其特征在于，每一所述功能段包括一级、二级或更多的叶轮级数。
3.根据权利要求1所述的一体式集成换热器的多级叶轮机组，其特征在于，所述叶轮采用向心式、离心式、轴流式、斜流式或辐流式叶轮结构。
4.根据权利要求1所述的一体式集成换热器的多级叶轮机组，其特征在于，所述外部热源中的流体为气体、液体或者多相流体。
5.根据权利要求1所述的一体式集成换热器的多级叶轮机组，其特征在于，所述换热器的类型为板式、管式或混合式结构。
6.根据权利要求1所述的一体式集成换热器的多级叶轮机组，其特征在于，所述叶轮机组的工作介质为空气、超临界二氧化碳、蒸汽、氦气、或有机工质。
7.根据权利要求1所述的一体式集成换热器的多级叶轮机组，其特征在于，所述功能段为膨胀段，每一所述膨胀段至少包括一级膨胀叶轮，所述外部热源中的流体为热流体。
8.根据权利要求1所述的一体式集成换热器的多级叶轮机组，其特征在于，所述功能段为压缩段，每一所述压缩段至少包括一级压缩叶轮，所述外部热源中的流体为冷流体。
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