CN1195941C - 多级热泵组的配置 - Google Patents

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Abstract

用于如一个两级压缩机的多级离心涡轮机组的一个气体动力配置，包括装在一个公共轴上的两个同轴涡轮，具有轴向进气口和径向周边排出区，两个涡轮的进气口最好朝向相反；一个圆柱容器，同心地装有涡轮和进气管道；在两个涡轮之间的一个隔壁，具有第一和第二组开孔；一个第一弯曲管道阵列，把气流从第一涡轮排出区传送到隔壁中的第一组开孔，气流进一步通过容器中的一个室传送到第二涡轮的进气口，以及一个第二弯曲管道阵列，把气流从第二涡轮排出区传送到隔壁中的第二组开孔，气流进一步传送到排出口，两个气流在隔壁上沿相反方向相互旁通。

Description

多级热泵组的配置
                        发明领域
本发明通常涉及在涡轮机组中的气体动力配置，如用于热泵中的离心压缩机，尤其是涉及用于以水蒸汽工作的高容量多级离心压缩机的紧凑的气体动力配置。
                      先有技术状况
各种工业应用，如水淡化、水冷却和制冰，需要产生大量的冷源，即冷却大量的空气、水或其他冷却剂。当用水作为冷却剂时，一个已知的吸收热量的方法是在有关的低温上在降低压力下气化作为冷却剂的水。为了除去蒸发水中所包含的热量，必须由适当的热动力过程把蒸汽带到较高的温度和压力，并且最终被凝结，把热量传递到一个现有的热沉，如从冷却塔来的水。在压缩蒸汽和热沉之间的温度差，加上驱动动力热交换所需的某些附加的温度降，均以在这些温度上的饱和水蒸汽压的单位表示，确定了起动这个过程的压缩机的压缩比(CR)。
从经济观点看，希望采用在一个单级压缩机中的压缩过程。但由于各种设计上考虑的理由，单级压缩机是不实际的，因而实际上采用串联的两个和更多级的压缩机，如在Ophir等的美国专利号5,520,008中所公布。实现各级之间气体/蒸汽的中间冷却提高了工作的热动力效率和降低了机械功率的消耗。
在Ophir等的专利描述的热泵组中，采用了成对的单个离心压缩机，每个具有其自己的涡轮轴和轴承箱，以及其自己的马达来驱动轴。在这种配置中，两个马达放在压缩机室的对着的两侧。
在各级装配成串联的多级离心压缩机中，必须小心设计蒸汽通道的几何形式，使得以能量有效的方式把部分压缩的蒸汽从其涡轮周边上的上一级排出区传送到下一级的中心进气口。往往，需要在各级之间的中间冷却来达到最佳的热动力效率。这些要求进一步使蒸汽通道的几何形式复杂化，也增大了热泵组的实际尺寸和成本。对于大直径高流量的热泵尤其是如此。
已经制造了如在美国专利号5,520,008中的这种机械，并且工作良好，但一种更紧凑的解决办法是非常希望的，以便降低成本和在有限的空间中，如在大宾馆、办公楼、商业中心等的地下室和阳台中，有助于安装和维护工作。
在DE 1803958A中公布了一个更紧凑的配置，描述了一个具有中间热交换器的两级涡轮机组(压缩机)，其中两级的涡轮同轴地设置成相互对着并且构成一体。涡轮机组的进气管道是一个与涡轮同轴的柱形或锥形管，设置在第一级的一侧。许多第一排出管道把第一级的排出气流传送到与涡轮同轴的一个环形热交换器中，热交换器包含着进气管道并且也设在第一级的一侧。然后气流作了180度的急转弯进入一个包含热交换器的周向环形通道，并且被引导到第二级的进气口。许多第二排出管道把第二级的排出气流传送到另一个同轴的环形热交换器，这个热交换器以一个排出口终止，并且位于进气管道和第一热交换器之间，也在第一级的一侧。这种配置在涡轮组的一侧设有四个同轴气流和两个热交换器的容积，具有高的水力损失。
CH 102821公布了一个四级涡轮机组(压缩机)，由依靠一个齿轮箱的一个马达驱动着两个平行的轴。第一和第二级涡轮相对着地在一个轴上，而第三和第四级涡轮在一个第二轴上。进气管道设在第一轴侧面。沿着大致流过与第一轴同轴的一个圆环面的路径，第一级的排出管道把气流从第一涡轮的周边传送到第二级的进气口，而第二级的排出气流收集在一个被上述圆环确定的空间中，并且通过一个侧向管被传送到与第二轴同轴的第三级的进气口。这种配置是不对称的，不能在各个同轴级之间的气流路径中容纳热交换器或其他部件。
                      本发明概要
根据上述，本发明的主要目的是提供一个新颖的气体动力配置，特别适用于制造经济上可行、紧凑和有效的涡轮机组，如用于热泵的多级、高压缩、高流量的气体或蒸汽离心压缩机，以及特别适用于这些压缩机的一个热泵的新颖设计。
按照本发明的第一方面，提供了一个气体动力配置，用于具有一个进气管道和一个排出口的多级离心涡轮机组，包括：
-两个涡轮，具有轴向进气口和径向周边排出区，第一涡轮的进气口在流体上与进气管道连通，两个涡轮位于横跨公共轴的假想平面两侧；
-一个第一装置，沿着包括许多轴对称设置的第一弯曲管道的第一气流路径，把气流从第一涡轮的周边排出区传送到第二涡轮的进气口；
-一个第二装置，沿着包括许多轴对称设置的第二弯曲管道的第二气流路径，把气流从第二涡轮的周边排出区传送到机组的排出口；
其中第一和第二路径离开相关的周边排出区朝假想平面逐渐弯曲，以相反的方向横跨上述假想平面，以及在横跨之后，两个气流路径整个位于假想平面的不同侧面。
在一个两级压缩机的特定实施例中，气体动力配置包括：
-装在一个公共轴上的两个同轴涡轮，涡轮的进气口最好朝向相反；
-一个圆柱容器，同心地装有涡轮和进气管道；
-在两个涡轮之间的一个隔壁，具有第一和第二组开孔；
-一个第一弯曲管道阵列，把气流从第一涡轮排出区传送到隔壁中的第一组开孔，气流进一步通过容器中的一个室传送到第二涡轮的进气口，以及一个第二弯曲管道阵列，把气流从第二涡轮排出区传送到隔壁中的第二组开孔，气流进一步传送到排出口，两个气流在隔壁上沿相反的方向相互旁通。
按照本发明的第二方面，提供了一个气体动力配置，包括一个环形凝结器室，设置成同心地环绕热泵组内的一个进气管道。
两个方面均在于发展更紧凑的涡轮机组设计。在一个两级压缩机中实施本发明第一方面的配置时，采用了一个短的公共轴来达到这点，轴由一个位于涡轮(级)之间的轴承箱支持，并且由单个马达驱动。在一个热泵组中实施本发明第二方面的配置时，由热泵组总长的减少来达到这点。同时采用这两个气体动力配置，提供了高度整体化的热泵组，其中系统的所有功能部件，除了可能例外的驱动马达，-多个压缩机级、蒸发器、凝结器、中间冷却和消雾器-均结合在单个圆柱容器内而没有外部管道。热泵组的特征在于减少了气体/蒸汽压力损失，由此提高了压缩比和增加了热泵经济性。与制造包括具有外部连接管道的分开装置的相同容量热泵组相比，制造这个整体热泵组的成本要低得多。整体热泵组的结构形式大大简化了它在工作地点的安装。
                      附图简述
为了更好地理解本发明以及它的其他目的和特性，可以参照附图，其中：
图1示意地说明了本发明两级热泵的一个实施例。
图2是两级压缩机中对着的扩散管道和涡轮的冠状配置透视图，以及
图3示意地说明了具有三级的热泵组的第二个实施例。
                    本发明描述
按照本发明的第一个实施例，一个热泵和一个两级压缩机如图1所示。热泵是基于本发明气体动力配置的一个整体热泵组，除了马达10以外，热泵组的所有部件均包含在一个柱形容器11内。
容器被隔壁12和13分成一个蒸发器室A、一个凝结器室B和一个压缩机室C。蒸发器室A装有集流管15，适于把进入的水或其他冷却剂喷洒成大表面积的薄“帘”，以促进它在部分真空条件下的蒸发。
蒸发器室A与引入压缩机进气口的一个进气管道16相通。进气管道16的入口被一个消雾器19覆盖，以防止水滴的进入。进气管道16与柱形容器11同轴，并且与隔壁12和13一起确定了环形的凝结器室B。在凝结器室B中，有许多喷管22，装在容器11的柱形壁上，并且适于把冷却水喷洒到室中。
压缩机室C内装有第一和第二级离心压缩机，两者均与容器11同轴。两个压缩机级之间的中间隔壁24把室C再分成两个小间C1和C2。第一级设有一个可在固定罩27内转动的涡轮26，并且适于通过一个经隔壁24的扩散管道阵列28以及小间C2，向第二级压缩机涡轮29的进气口排出部分压缩的蒸汽。环形小间C2装有中间冷却或过热后冷却两个压缩机级之间蒸汽的装置，如水喷嘴31。在通到第二级进气口的气流路径中，设有一个消雾器33。
第二级涡轮29可在固定罩35内转动，并且适于通过一个扩散管道阵列37以及隔壁24中的开孔，向压缩机室C的环形小间C1排出压缩蒸汽，环形小间C1经过一个排出口38与凝结器室B相通。
第一和第二级压缩机的涡轮26和29均装在一个公共轴40上，公共轴由设在两级之间的轴承箱42支持。轴40通过一个齿轮箱43与外部的马达连接。因此单个马达可以同时驱动两级压缩机。
如箭头所示，在蒸发器室A中产生的水蒸气被压缩机产生的吸力通过消雾器19和进气管道16抽到第一级进气口。第一级涡轮26部分地压缩蒸汽，并且通过扩散管道28和小间C2，经消雾器33把它排出到第二级进气口。在小间C2中，喷嘴31喷洒的冷水和适当的热交换表面(图1中未表示)冷却了部分压缩的过热蒸汽。
第二级涡轮29完成了蒸汽压缩，通过扩散管道37把蒸汽送到压缩机室C的小间C1。接着，蒸汽进入环形凝结器室B，依靠喷嘴22喷洒的冷却水凝结。变热的冷却水通过出口44离开凝结器室B。急冷的水被泵压通过出口45。
在压缩机级之间蒸汽的气流路径被构成一个如图2所示的独特的气体动力配置。沿径向通过周向排出区46离开罩的两个涡轮的排出蒸汽被许多弯曲的管道28和37传送。管道28形成一个环绕第一涡轮26的冠状阵列，每个管道向着隔壁24(图2中未表示)逐渐弯曲，并且终止在上述隔壁中的一个开孔P1中。管道37形成一个环绕第二涡轮29的相似的阵列，并且也终止在隔壁24上的开孔P2中，但来自相反的一侧。开口P1和P2以在隔壁24上交替的模式配置，容许来自两个涡轮的方向相反的蒸汽流以非常有效的方式相互旁通。管道28和37具有一个扩散器的形式，从涡轮周边46到隔壁24截面积逐渐增加，由此气流动变慢和压力降低。
转回到图1，箭头表示的气流在扩散管道37中大大变慢，通过排出口38，流入环绕进气管道16的凝结器室B。这种气体动力配置节省了空间，与涡轮排出气流的上述相互旁通方式一起，使得热泵组具有一个非常紧凑和气动上有效的布局。布局也在机械上有效，因为短的双涡轮轴可以由一个轴承箱支持和由一个短轴线驱动。因此除了马达以外的整个热泵组可以容纳在约两倍涡轮直径的简单圆柱外壳中。
这种构形明显降低了制造和装配热泵组的成本，在很大程度上简化了热泵组在其使用地点的安装和维护。这也使气体/蒸汽压力损失变得最小，由此提高了热泵组的压缩比和效率。
把一个适当设计的电动马达放在两个涡轮之间来替代轴承箱、轴线和外部马达，甚至可以把整个热泵组做得更紧凑。
本发明热泵组的另一个实施例如图3所示，说明了两级压缩机可以扩大到三级或更多级的方式。配置完全相同于图1所示的配置，除了它包括了一个在进气管道16附近引入的第三级压缩机。第三级的涡轮48装在驱动轴40的外伸段50上，外伸段由与圆柱容器11同轴的一个第二轴承箱52支持。涡轮48可在罩53中转动。
引入一个第二隔壁54，具有相似于隔壁24中开孔的开孔P1′和P2′。一个相似于管道28的扩散管道57的冠状阵列把涡轮48的周边排出区与隔壁54上的开孔P1′连接。从第二涡轮29的周边排出区到隔壁24上的开孔P2，管道37延伸到第二隔壁54上的开孔P2′。
在隔壁24和54之间确定了一个新小间C3，适于通过扩散管道57把压缩蒸汽从第三级涡轮48传送到第一级涡轮26的进气口。可以把中间喷洒头61容纳在新的小间C3中，此时把带着消雾器65的一个中间隔壁63引入气流路径中，扩散管道57延伸到中间隔壁63。
从气体动力观点看，现在涡轮48、26和29应该分别指定为第一、第二和第三级涡轮。从上面易于看出，可以以完全相同的方式在进气管道16下游引入更多的级。
尽管已经表示了本发明的优选实施例，应该理解到，可以做出许多改变而不会背离本发明的精神。因此，热泵组可以按照与容器同心的关系包含一个单级压缩机，来替代包含在圆柱容器内的多级离心压缩机。

Claims (16)

1.一个气体动力配置，用于具有一个进气管道(16)和一个排出口(38)的多级离心涡轮机组，包括：
a)一个第一涡轮(26)，具有轴向进气口和径向周边排出区，上述轴向进气口在流体上与上述进气管道连通；
b)一个第二涡轮(29)，具有轴向进气口和径向周边排出区，上述第二涡轮设置成与上述第一涡轮同轴，两个涡轮位于横跨公共轴的一个假想平面的两侧；
c)一个第一装置，沿着包括许多轴对称设置的第一弯曲管道(28)的第一气流路径(28，C2)把气流从第一涡轮的周边排出区传送到第二涡轮的进气口；
d)一个第二装置，沿着包括许多轴对称设置的第二弯曲管道(37)的第二气流路径(37，C1)把气流从第二涡轮的周边排出区传送到机组的上述排出口；
特征在于：
上述第一和第二气流路径(28，37)离开相关的周边排出区朝假想平面逐渐弯曲，上述第一和第二气流路径以相反的方向横跨上述假想平面，以及在横跨上述假想平面之后，两个气流路径整个位于假想平面的不同侧面。
2.按照权利要求1的气体动力配置，包括在上述涡轮(26，29)之间的一个隔壁(24)，上述隔壁基本上位于上述假想平面中，并且具有许多第一开孔(P1)和许多第二开孔(P2)，其中：
a)上述许多第一弯曲管道(28)把第一涡轮(26)的周边排出区连接到上述许多第一开孔(P1)，上述传送气流的第一装置还包括一个第一外壳(C1)，与上述隔壁(24)一起确定了一个室，把气流从上述许多第一开孔(P1)传送到第二涡轮(29)的进气口，上述室至少部分地包含了上述第二涡轮；
b)上述许多第二弯曲管道(37)把第二涡轮(29)的周边排出区连接到上述许多第二开孔(P2)，上述传送气流的第二装置还包括一个第二外壳(C2)，与上述隔壁(24)一起确定了一个室，把气流从上述许多第二开孔(P2)传送到上述排出口(38)。
3.按照权利要求2的气体动力配置，其中：
a)上述许多第一弯曲管道(28)设置成环绕第一涡轮(26)的一个第一冠状阵列；
b)上述许多第二弯曲管道(37)设置成环绕第二涡轮(29)的一个第二冠状阵列；
c)与许多第一弯曲管道(28)连接的在隔壁(24)上的上述许多第一开孔(P1)以交替模式定位在与许多第二弯曲管道(37)连接的许多第二开孔(P2)之间。
4.按照权利要求2或3的气体动力配置，其中上述弯曲管道具有一个扩散形状，其截面积从涡轮周边排出区到上述隔壁中的开孔逐渐增加。
5.按照权利要求2的气体动力配置，其中上述涡轮机组装在一个与上述涡轮(26，29)同轴的基本上整体的轴对称壳体(C)内，上述第一和第二外壳(C1，C2)是上述整体壳体的一部分。
6.按照权利要求5的气体动力配置，其中涡轮机组的上述排出口(38)基本上位于与上述进气管道(16)入口相同的上述整体壳体(C)一侧。
7.按照权利要求5的气体动力配置，其中上述整体的轴对称壳体(C)形成为一个圆柱，直径近似为涡轮直径的两倍。
8.按照权利要求2的用于多级离心涡轮机组的气体动力配置，其中通过至少一个附加级按以下方式来完成第一涡轮(26)进气口和进气管道(16)之间的上述流体连通：
a)具有一个轴向进气口和一个径向周边排出区的一个附加涡轮(48)同轴地设置在上述进气管道和上述第一涡轮的进气口之间，附加涡轮的进气口在进气管道一侧并且与进气管道(16)连接；
b)具有许多第一开孔(P1′)和许多第二开孔(P2′)的一个附加隔壁(54)位于附加涡轮(48)和第一涡轮的进气口之间，在垂直于涡轮轴线的一个平面中；
c)添加许多附加的弯曲管道(57)来把附加涡轮的周边排出区连接到附加隔壁(54)上的上述许多第一开孔(P1′)上；
d)把第二涡轮(29)周边排出区连接到现有隔壁(24)中许多第二开孔(P2)的上述许多第二弯曲管道(37)延伸到在附加隔壁(54)中的许多第二开孔(P2′)上。
9.一个多级离心压缩机，具有按照权利要求1到8中任一条的多级涡轮机组的气体动力配置。
10.按照权利要求9的两级离心压缩机，其中上述第一和第二涡轮均装在适于由一个马达(10)驱动的一个公共涡轮轴(40)上。
11.按照权利要求10的两级离心压缩机，其中上述涡轮轴(40)由设在上述第一和第二涡轮之间的一个轴承箱(42)支持。
12.按照权利要求10的两级离心压缩机，其中上述公共涡轮轴是上述马达的轴，上述涡轮装在上述轴的两端。
13.一个热泵包括按照权利要求9的两级离心压缩机，具有一个进气管道(16)、一个排出口(38)和一个驱动马达(10)，热泵还包括一个在流体上与上述进气管道连通的蒸发器室(A)和一个在流体上与上述排出口连通的凝结器室(B)，以及一个整体的轴对称壳体(11)，容纳了上述泵的所有部件或者除驱动马达以外的所有部件。
14.按照权利要求13的热泵，其中上述整体壳体(11)被横向分隔壁(12，13)分成几个室，上述室沿壳体轴线按以下次序设置：
a)蒸发器室(A)，
b)环绕上述进气管道的凝结器室(B)，
c)压缩机室(C)，
蒸发器室(A)与进气管道(16)相通，上述两级压缩机的排出口(38)与上述凝结器室(B)相通。
15.按照权利要求14的热泵，其中上述热泵还包括：
-把水送到上述蒸发器室中的装置(15)；
-把水喷洒到上述凝结器室中的装置(22)；
-泵压出急冷水的装置(45)；
-泵压出变热冷却水的装置(44)；
以及至少以下设备之一：
-消雾装置(33)，位于气流进入涡轮进气口之前；
-中间冷却压缩气体的装置(31)，位于上述涡轮之间的气流路径中。
16.按照权利要求13的热泵，其中上述凝结器室(B)设置成一个环绕上述进气管道(16)的环形室，上述排出口(38)与上述凝结器室相通。
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