CN113914942A - 一种采用超音速透平膨胀机的orc装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用超音速透平膨胀机的ORC装置，包括：蒸发器、透平膨胀机、发电机、冷凝器、工质泵；透平膨胀机按照气体从进到出的方向依次包括：进气管、气体分配器、喷嘴环、叶轮、出气管；所述气体分配器上设有若干个通道，此若干个通道依次首尾相连构成圆环状；通过堵塞此若干个通道中的部分通道，调节进气面积；所述喷嘴流道采用先收敛再扩散的结构。本发明采用部分进气的方式，增加了单个喷嘴和叶片的焓降，在设计时可以提高喷嘴的高度，降低喷嘴中的能量损失，同时提高动叶片的高度，减小了相对间隙高度，从而减小了叶顶间隙损失，提高叶轮效率，还使得叶轮的工作范围变宽，并在此工作范围的高效区显著扩大。

Description

一种采用超音速透平膨胀机的ORC装置
技术领域
本发明涉及ORC技术领域，尤其是一种采用超音速透平膨胀机的ORC装置。
背景技术
ORC是有机朗肯循环的缩写，是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，主要由蒸发器(或换热器或余热锅炉)、透平膨胀机、冷凝器和工质泵四大部件组成，有机工质在蒸发器中从余热流中吸收热量，生成具一定压力和温度的蒸气，蒸气进入透平膨胀机膨胀做功，从而带动发电机或拖动其它动力机械，从透平排出的蒸气在凝气器中向冷却水放热，凝结成液态，最后借助工质泵重新回到换热器，如此不断地循环下去。
ORC装置的设计条件较复杂，透平膨胀机是ORC装置中体积较大的部件，在特定的小型ORC装置中，要满足低质量流量和高压比，但是，在单级透平膨胀机中高压比会导致高流速和压缩激波耗散，低质量流量需要较小的轮毂直径和较低的叶片高度，从而导致了叶片的壁面摩擦损失和叶尖间隙损失的增加，增加了整个ORC装置的功耗。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种采用超音速透平膨胀机的ORC装置，整机体积小，效率高、高效区宽。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：
一种采用超音速透平膨胀机的ORC装置，包括：透平膨胀机；
所述透平膨胀机，按照气体从进到出的方向依次包括：进气管、气体分配器、喷嘴环、叶轮、出气管；
气体从进气管进入，通过气体分配器调节进气面积后进入喷嘴环，气体通过喷嘴环后达到超音速，超音速气体从叶轮的入口侧进入进行膨胀做工带动叶轮转动后，再从叶轮的出口侧流出，并通过出气管排出。
所述气体分配器上沿圆周方向设有若干个通道，此若干个通道依次首尾相连构成圆环状，通道的出气方向朝向喷嘴环。
此若干个通道所占圆环的面积不等。
堵塞此若干个通道中的部分通道，用于调节进气面积。
喷嘴环在圆周方向上设有若干个喷嘴流道；
所述喷嘴流道采用先收敛再扩散的结构，喷嘴流道按照气体从进到出的方向依次包括：喷嘴进口、收敛段、喷嘴喉部、扩散段、喷嘴出口；
所述喷嘴进口为亚音速进气，气体先通过收敛段进入喷嘴喉部以达到音速，再通过扩散段进入喷嘴出口以达到超音速；最后，从喷嘴出口流出的超音速气体进入叶轮。
所述叶轮的轮毂上沿轴向设有若干个平衡孔，用于平衡叶轮所受的气动力。
ORC装置还包括：发电机；
所述发电机包括：转轴；
所述发电机的转轴与透平膨胀机的叶轮相连接，即发电机与透平膨胀机采用直连的方式，叶轮直接带动发电机的转轴转动；且气体从叶轮的出口侧流出后，先经过发电机再通过出气管排出。
所述发电机包括：径向轴承、推力轴承；
所述径向轴承和所述推力轴承采用磁悬浮轴承或气悬浮轴承，所述径向轴承用于将发电机的转轴悬浮；所述推力轴承用于限制发电机的转轴在旋转时的轴向窜动。
本发明的优点在于：
(1)本发明采用叶轮与发电机直连的方式，通过磁悬浮或气悬浮轴承支撑，可以实现高转速运转，取消了减速箱等部件，另外采用超音速膨胀的方式，能量密度高，小体积即可实现大焓降，因此该装置整机体积小，可用于对空间要求较高的废热回收领域。
(2)本发明的转子部分即叶轮和发电机转轴部分采用悬浮转子的方式，摩擦损失可以忽略不计，实现无摩擦高速旋转，而且去掉了传动部件，减小了机械损失，因此该装置机械损耗低、效率高。
(3)本发明采用部分进气的方式，增加了单个喷嘴和叶片的焓降，在设计时可以提高喷嘴的高度，降低喷嘴中的能量损失，同时提高动叶片的高度，减小了相对间隙高度，从而减小了叶顶间隙损失，提高叶轮效率。
(4)本发明采用部分进气的方式，通过堵塞部分通道的方式调节流量即进气面积，使得叶轮的工作范围变宽，并在此范围的高效区显著扩大。在工况流量发生变化时，可以通过进气调节，使透平膨胀机一直处于高效区运行，避免了进口阀或出口阀调节带来的压力损失。
(5)本发明采用轴流冲动式叶轮，具有转速低、制造简单、强度高的特点，可以很好的适用于低流量，高压比，高转速等复杂条件。
附图说明
图1为ORC装置原理图。
图2为透平膨胀机与发电机整体剖视图。
图3为气体分配器结构示意图。
图4为喷嘴环结构示意图。
图5为喷嘴流道结构示意图。
图6为叶轮结构示意图。
具体实施方式
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
由图1所示，本实施例的ORC装置，包括：蒸发器1、透平膨胀机2、发电机3、冷凝器4、工质泵5。
其中，有机工质在蒸发器1中从余热流中吸收热量，生成具一定压力和温度的蒸气；蒸气进入透平膨胀机2进行膨胀做功，从而带动发电机3转动；从透平膨胀机2排出的蒸气在凝气器4中向冷却水放热，凝结成液态；最后借助工质泵5重新回到换热器，如此不断地循环下去。
由图2所示，透平膨胀机2与发电机3之间采用直连的方式。
所述透平膨胀机2，按照气体从进到出的方向依次包括：进气管21、气体分配器22、喷嘴环23、叶轮24、出气管25。
所述发电机3包括：转轴、径向轴承、推力轴承。
透平膨胀机2的叶轮24与发电机3的转轴相连接，即透平膨胀机2与发电机3采用直连的方式，叶轮24直接带动发电机3的转轴转动。
气体从进气管21进入，通过气体分配器22调节进气面积后进入喷嘴环23，气体通过喷嘴环23后达到超音速，超音速气体从叶轮24的入口侧进入，进行膨胀做工带动叶轮24转动，叶轮24同步带动发电机3的转轴转动，实现发电机3的发电功能，即将气体的速度能转换成带动发电机3的转轴转动的动能，气体减速后从叶轮24的出口侧流出，且气体从叶轮出口侧流出后，先经过发电机3的腔体，对发电机3的腔体进行散热后，再通过出气管25排出。
所述径向轴承和所述推力轴承均采用磁悬浮轴承，所述径向轴承利用电磁力将发电机的转轴悬浮；所述推力轴承利用电磁力限制发电机的转轴在旋转时的轴向窜动。
由图3所示，所述气体分配器22上设有若干个通道，此若干个通道依次首尾相连构成圆环状，通道的出气方向朝向喷嘴环23，通过堵塞单个或部分通道的方式，调节进气面积。
本实施例中，所述气体分配器22上设有4个通道，分别为第一通道221、第二通道222、第三通道223、第四通道224，此4个通道即第一通道221、第二通道222、第三通道223、第四通道224依次首尾相连构成圆环状；其中，第一通道221、第二通道222、第三通道223分别占圆环的20％面积，第四通道224占圆环的40％面积。通过堵塞单个或部分通道的方式，实现20％、40％、60％、80％、100％的进气面积，从而实现喷嘴环23的部分喷嘴流道的进气。
由图4所示，喷嘴环23在圆周方向上设有若干个喷嘴流道231，本实施例中，设有12个喷嘴流道231；通过堵塞气体分配器22上的单个或多个通道方式，使得喷嘴环23的部分喷嘴流道231进气，从而适应不同工况的流量。本实施例中，可采用加工与各个通道相适配的工件，用于堵塞通道。
由图5所示，喷嘴环23采用超音速喷嘴环，即喷嘴流道231采用先收敛再扩散的结构，所述喷嘴流道231按照气体从进到出的方向依次包括：喷嘴进口、收敛段2311、喷嘴喉部2312、扩散段2313、喷嘴出口；所述喷嘴进口为亚音速进气，气体先通过收敛段2311进入喷嘴喉部2312以达到音速，再通过扩散段2313进入喷嘴出口以达到超音速；最后，从喷嘴出口流出的超音速气体进入叶轮24。为了实现无冲击等熵超音速流动，采用特征线法对喷嘴流道231进行整体设计。
所述叶轮24采用轴流冲动式叶轮，由于要同时满足低质量流量和高压比，实现高压比会导致高流速和压缩激波耗散，实现低质量流量需要较小的轮毂直径和较低的叶片高度，这就导致了叶片的壁面摩擦损失和叶尖间隙损失的增加，因此采用轴流冲动式叶轮，其具有转速低、制造简单、强度高的特点，最高转速可以达到100000r/min，可以很好的适用于低流量，高压比，高转速等复杂条件。
由图6所示，所述叶轮24包括轮毂241、叶片242；气体从叶片进口243进入，进行膨胀做工带动叶轮24转动，即将气体的速度能转换成带动叶轮24转动的动能，气体减速后从叶片出口244流出，并通过出气管25排出。
所述叶轮24的轮毂上沿轴向设有平衡孔245，用于平衡叶轮24所受的气动力，从而降低推力轴承的轴向力。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种采用超音速透平膨胀机的ORC装置，其特征在于，包括：透平膨胀机(2)；
所述透平膨胀机(2)，按照气体从进到出的方向依次包括：进气管(21)、气体分配器(22)、喷嘴环(23)、叶轮(24)、出气管(25)；
气体从进气管(21)进入，通过气体分配器(22)调节进气面积后进入喷嘴环(23)，气体通过喷嘴环(23)后达到超音速，超音速气体从叶轮(24)的入口侧进入进行膨胀做工带动叶轮(24)转动后，再从叶轮(24)的出口侧流出，并通过出气管(25)排出。
2.根据权利要求1所述的一种采用超音速透平膨胀机的ORC装置，其特征在于，所述气体分配器(22)上沿圆周方向设有若干个通道，此若干个通道依次首尾相连构成圆环状，通道的出气方向朝向喷嘴环(23)。
3.根据权利要求2所述的一种采用超音速透平膨胀机的ORC装置，其特征在于，此若干个通道所占圆环的面积不等。
4.根据权利要求2或3所述的一种采用超音速透平膨胀机的ORC装置，其特征在于，堵塞此若干个通道中的部分通道，用于调节进气面积。
5.根据权利要求1所述的一种采用超音速透平膨胀机的ORC装置，其特征在于，喷嘴环(23)在圆周方向上设有若干个喷嘴流道(231)；
所述喷嘴流道(231)采用先收敛再扩散的结构，喷嘴流道(231)按照气体从进到出的方向依次包括：喷嘴进口、收敛段(2311)、喷嘴喉部(2312)、扩散段(2313)、喷嘴出口；
所述喷嘴进口为亚音速进气，气体先通过收敛段(2311)进入喷嘴喉部(2312)以达到音速，再通过扩散段(2313)进入喷嘴出口以达到超音速；最后，从喷嘴出口流出的超音速气体进入叶轮(24)。
6.根据权利要求1所述的一种采用超音速透平膨胀机的ORC装置，其特征在于，所述叶轮(24)的轮毂(241)上沿轴向设有若干个平衡孔(245)，用于平衡叶轮(24)所受的气动力。
7.根据权利要求1所述的一种采用超音速透平膨胀机的ORC装置，其特征在于，包括：发电机(3)；
所述发电机(3)包括：转轴；
所述发电机(3)的转轴与透平膨胀机(2)的叶轮(24)相连接，即发电机(3)与透平膨胀机(2)采用直连的方式，叶轮(24)直接带动发电机(3)的转轴转动；且气体从叶轮(24)的出口侧流出后，先经过发电机(3)再通过出气管(25)排出。
8.根据权利要求7所述的一种采用超音速透平膨胀机的ORC装置，其特征在于，所述发电机(3)包括：径向轴承、推力轴承；
所述径向轴承和所述推力轴承采用磁悬浮轴承或气悬浮轴承，所述径向轴承用于将发电机的转轴悬浮；所述推力轴承用于限制发电机的转轴在旋转时的轴向窜动。
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