CN205101042U - 可重新构造的多级orc涡轮机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种可重新构造的多级ORC涡轮机(20)，所述涡轮机(20)用于使密度大于水且在大气压下的沸点温度低于50℃的有机流体膨胀，其特征在于所述涡轮机(20)包括，转子(R1-R4，120)，轴承和密封件被定位在所述转子(R1-R4，120)的每一个末端，可拆卸的级(215、220、225、230)，所述可拆卸的级分别包括固定的分配器及固定至旋转轴的活动的轮，每个轮(30)由其上装有叶片(320)及轮圈(330)的圆盘(310)构成，所述轮的整体由单个块体整体加工制造，每个所述级在出口处具有方向为相对于所述转子的轴线具有小于15°的角度的亚音速流，所述级的数量大于或等于两个。通过这种布置，可以通过在轴承之间增加或撤出级而对涡轮机进行快速的装配。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种可重新构造的多级涡轮机。
背景技术
有机朗肯循环技术(称为《ORC》，此名称是英语术语“OrganicRankineCycle”的缩写)使得通过利用沸点低的工作流体将中等温度或低温的热能转化为电能。在有机朗肯循环设备中，此液态工作流体被泵送，随后被蒸发。有机物流体的蒸气随后膨胀且然后凝结。
将密度高于水且在大气压下沸点温度低于50℃的有机流体定义为沸点低密度高的流体。
蒸发交换器、冷凝器、及循环泵均为常规设备且在市场上很容易购买。但是，用于使工作流体的蒸气膨胀的设备则复杂得多。出于提高效率和可靠性的原因，与例如螺旋器膨胀机，活塞膨胀机或涡轮型膨胀机之类的体积膨胀机相比较而言，涡轮设备(涡轮机)被认为是对功率超过400千瓦的气体膨胀的应用的最好技术。
涡轮机针对在温度，出口处压力，流体流量，入口处允许的最高压力及温度的方面的给定的运行点而进行设计。运行条件的改变(例如因为实际的出口处压力高于预设的额定条件)将导致超出规范的运行，这将导致效率降低和/或供应的电功率减小。
新型涡轮机的发展需要在流体力学，热力学，机械以及数字模拟，质量控制方面的广泛的工程技术，还需要非技术资源(采购，质量管理…)。新型涡轮机的设计和开发也需要经济资源及研发时间。另外，从空气动力学或机械的观点来看，设计糟糕的涡轮机的导致整个设备的效率及/或实用性方面的低的性能。
在ORC设备的技术主要用于中等温度/低温源且因此具有相应的中等/低的效率的情况，在经济和工业化方面都很难接受在中型(尤其是达到3MW的)项目中每一次都接受新的涡轮机。因此，ORC技术的使用者很自然地对其设备及其涡轮机研发了一种仅限于给定数量的设备的朝向《产品》市场的近似以满足所有的可能的需要，而不是一种定制的相似系统。
但是，ORC的应用在冷源，热源的温度，要增值的热功率及可考虑的工作流体(出于环境及安全的原因)的方面是非常不同的。
在涡轮机领域的设计选择中，转子的旋转速度及所述级的数量是影响成本的参数。但是，并不能够容易地优化此二者，以及选择使得所述参数中的一个减小但使得所述参数中的另一个增加(使得级的数量减小但使得旋转速度增加以及因此线速度增加)的设计。
多级轴向涡轮机通常被用于蒸汽机或燃气涡轮机，但在ORC涡轮机的现有技术中通常涉及在大多数情况下具有一个级或两个级且通常具有高的旋转速度的径向或轴向型的涡轮机。
这些涡轮机通常为悬臂式机械设计，具有轴侧以及轮侧的两个轴承，与涡轮机的元件位于所述轴承之间的称为轴承之间的设计相反。悬臂式设计使得将密封件的数量减小至一个，但是此设计难以与具有多个数量的级兼容。
同样，对于给定的直径，通常选择将第一分配器中的超音速流降至最低以便减小级的数量。这具有如下作用：提高旋转速度(以及因此增加沿轴的外围的线速度)，并或多或少地降低相关级的效率。
引导该整体决定的主要因素是：级的工作是耗费成本的。
出于此原因，轴向ORC涡轮机通常被限制为三个级或更少的级，通常对于径向涡轮机而言限制为一个级。
在此将带有固定于旋转轴的叶片的非实心的厚度小的圆盘定义为轮。转动的整体，即，轮+轴形成转子。
将涡轮机的固定部分定义为定子，且特别是带有固定于涡轮机的体部的叶片的非实心的厚度小的圆盘。不转动的零件的整体被称为定子。
实用新型内容
本实用新型的目的是弥补这些不便的全部或一部分。
在一般情况下，本实用新型的目的在于一种针对少量，成本低且可根据客户的需求而重新构造的优化的ORC涡轮机。
为此目的，根据第一方面，本实用新型的目的在于一种用于使密度大于水且在大气压下的沸点温度低于50℃的有机物流体膨胀的多级ORC涡轮机，所述多级ORC涡轮机包括：
-转子，轴承和密封件被定位在所述转子的每一个末端，
-可拆卸的级，所述可拆卸的级分别包括固定的分配器及固定至旋转轴的活动的轮，
-每个轮包括其上装有叶片及轮圈的圆盘，所述轮的整体由单个块体地整体加工制造，
-每个级在出口处具有方向为相对于转子的轴线具有小于15°的角度的亚音速流，
-级的数量大于或等于两个。
通过这种布置，可以通过在轴承之间增加或撤出级而对涡轮机进行快速的装配。此外，通过将离开每个级的出口处的流动方向设置基本为轴向，允许在上游或下游去除或增加级而不会扰乱整个设备。加工为一个零件允许减少成本且便于安装。这还增加了可靠性且远离叶片的固有模式(震动)，且因此极大地便利了级的增加或去除。
在实施例中，本实用新型的目标涡轮机包括：
数量大于或等于三的级，和/或
数量大于或等于五的级。
借助于这种布置，可以通过增加或去除级而对涡轮机进行多种重新构造。
在实施例中，轴承为滚动轴承且密封件是机械密封件。
涡轮机的制造及维护成本也因此被降低。
在实施例中，每个分配器包括其上装有叶片及轮圈的圆盘，所述分配器的整体由单个块体整体加工制造，每个分配器在安装或运行时保持为单独的零件。
加工成一个零件不但减少了成本且便利了安装过程。这还增加了可靠性也远离了叶片的固有模式(震动)。此外，增加或去除级因此是非常容易的。
在实施例中，每个级在出口处具有亚音速流，所述亚音速流的方向为相对于转子的轴线具有小于10°的角度。
通过设置离开每个级的流动方向基本为轴向，在上游或下游去除或增加级而不会扰乱整个设备。
在实施例中，转子的旋转速度为每分钟1500、1800、3000或3600转+/-20转。
旋转速度为每分钟1500、1800、3000或3600转+/-20转允许与发电机直接联接，因为这是具有2或4个极具有50赫兹或60赫兹的交流发电机的旋转速度。
在实施例中，轴承及密封件处的线速度低于30m/s。
转子的小的旋转速度允许轴承的小的线速度。这允许对(滚动)轴承及密封件(机械密封件)使用标准的部件。
在实施例中，转子的外半径是不变的。
涡轮机的转子将被设计成外直径不变(也称为《恒定罩盖》),允许使用可以在其他应用中——即在其他的流体膨胀条件下——重复使用的筒形膨胀体部。
在实施例中，转子的第一振动模式的频率比最大旋转速度高20％。
在实施例中，反应度大于0.3且所述转子装有平衡活塞及/或挡块类型的轴向推力的补偿元件。
在实施例中，定子由三个主要的体部构成，入口体部，分配器被固定在其内部的膨胀体部，及出口体部。
根据第二方面，本实用新型旨在提出一种将本实用新型的目标涡轮机适应于同一种流体的不同膨胀状态的方法，所述方法包括通过去除或增加至少一个级而更改所述级的数量的步骤。
根据第三方面，本实用新型旨在提出一种本实用新型的目标涡轮机的制造方法，所述制造方法包括如下步骤：通过对所述圆盘，所述叶片以及所述轮圈的整体加工，对于至少一个轮或分配器的由单独一件整体地加工所述轮或分配器。
在实施方式中，所述轮和分配器的加工的步骤通过加工工具的沿轴向靠近而实现。
本实用新型的第二及第三方面的方法的优点，目标及特性与本实用新型的第一方面的目标涡轮机相似，故在此不重复解释。
附图说明
本实用新型的其他特殊优点、目标及特征由随后的参考附图的本实用新型的目标装置的至少一个特殊实施方式体现，其中：
-图1以剖面图示意性示出本实用新型的目标涡轮机的特殊的实施方式的叶片，
-图2以剖面图示意性示出本实用新型的目标涡轮机的特殊的实施方式，以及，
-图3以剖面图示意性示出本实用新型的目标涡轮机的特殊的实施方式的整体加工的轮。
具体实施方式
本说明是非限制性地给出的。
附图并未按比例绘制。
本实用新型的目标涡轮机是一种基于多级轴向涡轮机的原理的可重新构造的涡轮机，其用于高密度流体在有机朗肯循环设备中的膨胀。
此用于高密度流体的多级轴向涡轮机具有允许具有多个数量的级的轴承间的转子的机械设计，这使得能够为其他应用进行重新构造。
本实用新型的目标涡轮机具有与两个连续的极之间的三角形的轴向速度对应的流动。可以主动设置在每个级的出口处的流动方向，这允许在一个级的上游或下游去除级而不扰乱整个设备，因此对涡轮重新构造。
为了保持级的入口及出口的流动的轴向方向，涡轮机通常被设计成流动以给定的角度(例如15°)进入所述级，且以可能具有偏差的另一角度离开。
优选地，在本实用新型的目标涡轮机中，涡轮机的每个级都被优化以使得离开的流动为轴向方向，也就是说具有0°的角度。这个规定对于涡轮机的轮廓的选择及设计都更具有限制性，但是可以在去除级的方向允许具有重新构造的设计，进入被去除的级后的级的流动总是沿轴向方向。
涡轮机具有允许转子的小的旋转速度的亚音速流。此亚音速流允许定位有轴承和密封件的转子的轴的末端具有小的线速度。
增加级的数量还允许减小旋转速度，且此外减小轴的外围以及轴承和密封件处的线速度。
亚音速流和级数的增加对轴承和密封件的组成部分的技术具有影响。借助于考虑的级的数量以及亚音速流，本实用新型的目标涡轮机允许使用滚动轴承来替代气体轴承及磁轴承，以及用机械密封件类型的密封件替代气体密封件。
这降低了涡轮机的制造成本。
涡轮机包括以整块加工成一个零件的轮和分配器，其中包括密封轮圈。这个特征使得安装程序更为简易并降低制造成本。此特征还提高了涡轮机的可靠性且远离叶片的固有模式以及由此导致的振动。
轮及分配器以块体直接加工制造而成，其中包括密封轮圈，相较于常规类型安装件而言极大地降低制造成本：
a)带有附加的叶片的轮随后加箍，或
b)沿外围整体加工轮，随后通过加箍而设置轮圈。
对于这种制造，更优选的方法是，利用具有五个轴的机械以沿轴向的方式在轮的体部中加工叶片。
此技术的工业化成本由在可重新构造的涡轮机的范围内的这些轮的使用频率来补偿。
涡轮机的转子优选地具有不变的外直径(也称作《恒定罩盖》)，这允许使用可重复用于其他应用的筒形膨胀体部。
(包括许多级的)多级轴向涡轮机允许通过在涡轮机的上游或下游去除级从而实现对涡轮机的重新构造。因此，如果根据在此提出的规定而构造的具有五个级的轴向涡轮机允许有机流体蒸气从20巴膨胀到2巴，可以：
a)通过选择最初的三个级，使用相同的涡轮机元件实现从20巴到6巴的优化膨胀，这允许例如在以废热运行并产生电和热的机械的范围内提高冷源的温度。
b)通过选择后面四个级，使用相同的涡轮机元件实现从16巴到2巴的优化膨胀，这允许具有较低温度的热源有效地增值。
还可以用较低的成本实现涡轮机的从第一种应用到第二种应用的快速的重新构造。系统还可以考虑为同一涡轮机根据季节而以两种不同的工况运行。例如对于ORC设备的给定的应用：
a)在夏季，ORC设备仅生产电能，涡轮机使用其五个膨胀级。冷凝能量耗散到环境温度，则
b)在冬季，寻求使设备出口的热增值，且因此优化膨胀被限制在20巴到6巴。
对于这种应用，快速干预允许一年一次去除涡轮机的两个极，其余的元件不改变。因此对一年的每个时期都保持最优的效率。
本实用新型的目标涡轮机的机械设计也可用于相似膨胀状态下的其它流体。只有流体流、叶片轮廓被改变，并且机械部件可以保留。
在图1观察到包括定子叶片105和转子叶片120的叶片10的整体。
在图1中：
-矢量C1表示分配器的入口的流体速度。矢量C1与涡轮机的旋转轴线的角度为α1；
-矢量C2表示分配器的出口的流体速度。矢量C2与涡轮机的旋转轴线的角度为α2；
-矢量C3表示转子的入口的流体速度。矢量C3与涡轮机的旋转轴线的角度为α3；
-矢量C4表示转子的出口的流体速度。矢量C4与涡轮机的旋转轴线的角度为α4；
-矢量W3表示转子的入口的流体的相对速度。矢量W3与涡轮机的旋转轴线的角度为α’3；
-矢量W4表示转子的出口的流体的相对速度。矢量W4与涡轮机的旋转轴线的角度为α’4；
-矢量U表示速度矢量，为用弧度表示的每秒角度速度与距涡轮机的旋转轴线的距离的乘积。
在一般情况下，角度α1与α4是不同的。优选地，在本实用新型的目标涡轮中，α1＝α4＝0°。
图2示出本实用新型的目标的可以重新构造的多级轴向涡轮机。
在图2观察到有机流体入口210、外部体部205和240、入口凸缘250、轮的主半径与密封轮圈之间的空间260，轮在轴245上的固定系统及叶片位于该空间中，以及蒸气出口235和四个连续的级215、220、225、230，每个级具有定子(分别为D1-D4)和转子(分别为R1-R4)。
转子具有不变的外半径(恒定《罩盖》)。
在应用中，为了获得入口压力被优化的涡轮机，可以去除由D1和R1构成的级215，甚至还可去除由D2和R2构成的级220。
在其它应用中，为了获得出口压力更高的被优化的涡轮机，可以去除由D4和R4构成的级230。
由具有四个级的单个涡轮机通过简单地去除一些级而获得适于每种具体的应用的涡轮机。
优选地：
-轴承为滚动轴承，密封件为机械密封件；
-在每个转子中，带有叶片的轮、分配器和密封轮圈以整块而整体加工成一个零件；
-级的出口的流体流是亚音速的，并且与转子的轴的旋转轴线的角度小于15°，并更加优选地小于10°；
-转子的旋转速度为每分钟1500/1800/3000/3600转+/-20转；
-轮的外围的线速度小于30m/s；
-转子第一振动模式的频率至少比旋转速度高20％，例如对于每分钟3600转且具有20％的安全边际，大于每分钟4320转；
-每个分配器包括其上装有叶片及轮圈的圆盘，整个分配器由单个块体整体加工制造；
-反应度大于0.3，并且转子装有平衡活塞和/或挡块类型的轴向推力的补偿元件，并且/或者
-定子由三个主要的体部组成，入口体部、分配器固定在其中的膨胀体部、和出口体部。
图3示出在整块中整体加工的涡轮机的轮。在图3观察到由实心的盘310形成的轮30，盘310上装有一组叶片320，并装有轮圈330。轮30在区域340处固定至旋转轴。由于轮圈的存在，轮30的加工可以沿外围进行。
本实用新型的目标的轮和分配器的制造方法在可靠性、性能和降低成本以及缩短时限方面带来优点。
正如阅读前文描述所了解的，用于低沸点高密度的有机流体的膨胀的多级轴向涡轮机包括：
-转子，轴承和密封件被定位在转子的每一个末端，
-可拆卸的级，可拆卸的级分别包括固定的分配器及固定至旋转轴的活动的轮，
-每个轮包括其上装有叶片及轮圈的圆盘，所述轮的整体由单个块体整体加工制造，
-每个级在出口处具有方向为相对于转子的轴线具有小于15°的角度的亚音速流，
-级的数量大于或等于两个。
优选地，级的数量大于或等于两个。
为了使涡轮机适应同一流体的不同膨胀条件，通过去除或添加至少一个级而改变级的数量。
为了使涡轮机适应相似的膨胀条件下的另一流体，但保留相同的机械设计，只需对轮重新加工。
为了制造本实用新型的目标涡轮机，通过整体加工圆盘、叶片并优选地还有轮圈而实现从单个零件以块体整体加工轮或分配器的步骤。优选地，轮和分配器的加工步骤通过加工工具沿轴向靠近而实现。
Claims (12)
1.一种可重新构造的多级ORC涡轮机(20)，所述多级ORC涡轮机(20)用于使密度大于水且在大气压下的沸点温度低于50℃的有机流体膨胀，其特征在于所述多级ORC涡轮机(20)包括：
-转子(R1-R4，120)，轴承和密封件被定位在所述转子(R1-R4，120)的每一个末端，
-可拆卸的级(215、220、225、230)，所述可拆卸的级(215、220、225、230)分别包括固定的分配器及固定至旋转轴的活动的轮，
-每个轮(30)由其上装有叶片(320)及轮圈(330)的圆盘(310)构成，所述轮的整体由单个块体整体加工制造，
-每个所述级在出口处具有方向为相对于所述转子的轴线具有小于15°的角度的亚音速流，
-所述级的数量大于或等于两个。
2.根据权利要求1所述的可重新构造的多级ORC涡轮机(20)，所述多级ORC涡轮机(20)包括数量大于或等于三的级(215、220、225、230)。
3.根据权利要求2所述的可重新构造的多级ORC涡轮机(20)，所述多级ORC涡轮机(20)包括数量大于或等于五的级(215、220、225、230)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的可重新构造的多级ORC涡轮机(20)，其中所述轴承为滚动轴承且所述密封件为机械密封件。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的可重新构造的多级ORC涡轮机(20)，其中，每个分配器由其上装有叶片及轮圈的圆盘构成，所述分配器的整体由单个块体整体加工制造，每个分配器在安装或运行时保持为单独的零件。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的可重新构造的多级ORC涡轮机(20)，其中每个所述级(215、220、225、230)在出口处具有方向为相对于所述转子的轴线具有小于10°的角度的亚音速流。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的可重新构造的多级ORC涡轮机(20)，其中，转子的旋转速度为每分钟1500、1800、3000或3600转+/-20转。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的可重新构造的多级ORC涡轮机(20)，其中所述轴承及所述密封件的位置处的线速度小于30m/s。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的可重新构造的多级ORC涡轮机(20)，其中所述转子(R1-R4)外部半径是不变的。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的可重新构造的多级ORC涡轮机(20)，其中所述转子的第一振动模式的频率比最大旋转速度高20％。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的可重新构造的多级ORC涡轮机(20)，其中反应度大于0.3且所述转子装有平衡活塞及/或挡块类型的轴向推力的补偿元件。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的可重新构造的多级ORC涡轮机(20)，其中定子(D1-D4，105)由三个主要的体部构成：入口体部、所述分配器被固定在其内部的膨胀体部、及出口体部。
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| FR1401353A FR3022297B1 (fr) | 2014-06-13 | 2014-06-13 | Turbine multi-etagee reconfigurable pour fluide dense |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN205101042U true CN205101042U (zh) | 2016-03-23 |
Family
ID=51688106
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201520408067.9U Active CN205101042U (zh) | 2014-06-13 | 2015-06-12 | 可重新构造的多级orc涡轮机 |
Country Status (2)
| Country | Link |
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| CN (1) | CN205101042U (zh) |
| FR (1) | FR3022297B1 (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109844265A (zh) * | 2016-10-24 | 2019-06-04 | 英德科斯控股私人有限公司 | 适合于在低蒸汽温度下运行的多级轴流式涡轮机 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB700859A (en) * | 1950-11-01 | 1953-12-09 | Raymond Ernest Wigg | Improvements in axial flow turbines |
| US4753077A (en) * | 1987-06-01 | 1988-06-28 | Synthetic Sink | Multi-staged turbine system with bypassable bottom stage |
| JP2005127238A (ja) * | 2003-10-24 | 2005-05-19 | Hitachi Ltd | タービン用ロータ |
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2015
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109844265A (zh) * | 2016-10-24 | 2019-06-04 | 英德科斯控股私人有限公司 | 适合于在低蒸汽温度下运行的多级轴流式涡轮机 |
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|---|---|
| FR3022297A1 (fr) | 2015-12-18 |
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