一種背靠背的多級向心透平系統的製作方法

2023-12-07 02:23:46 2

專利名稱：一種背靠背的多級向心透平系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及透平膨脹技術領域，是一種帶級間加熱的背靠背的多級向心透平系統。
背景技術：
向心透平廣泛應用在中小型燃氣輪機、渦輪增壓器、製冷裝置和液化裝置的膨脹透平等領域，具有結構簡單緊湊、製造工藝簡單、造價低廉、安裝方便等優點。單級向心透平的效率很高，特別是在小流量的情況下還能保持很高的效率，目前的單級向心透平等熵效率可以達到90%以上。同時，向心透平單級膨脹比高，單級向心透平完成的膨脹比可以達到軸流透平的兩倍甚至更多。由於向心透平結構的特殊性，多級向心透平實現的難度很大，從已經公開的資料來看，絕大多數都是單級向心透平系統，很少有多級向心透平系統。隨著透平膨脹系統的進口壓力越來越高，系統要求的膨脹比不斷增加，單級向心透平已滿足不了現有的需求。而且氣體在高壓情況下，體積流量較小，其他形式的透平膨脹機的效率不高，而向心透平在體積流量很小的情況下仍能保持很高的效率，因此迫切需要一種高效可靠的多級向心透平系統。

實用新型內容本實用新型的目的是公開一種背靠背的多級向心透平系統，帶有級間加熱器，是一種效率高、運行可靠性高、運行成本低、膨脹比高、能利用中低溫(熱值)的多級向心透平系統。為達到上述目的，本實用新型的技術解決方案是一種背靠背的多級向心透平系統，包括向心透平組、換熱器、發電機、齒輪變速箱、閥門、多根軸及多根管道；其向心透平組包括多級向心透平，級數為2 8級，級數的多少由能量轉換系統所需完成的膨脹比的大小決定；至少為兩級向心透平，每級包括至少一個向心透平，兩個向心透平共轉動軸背靠背固接；各級向心透平經多根管道、至少一換熱器相通連；管道中設有調節閥、三通閥；多級的轉動軸分別與齒輪變速箱連接，齒輪變速箱的主輸出軸與發電機或其他負荷的驅動軸連接，通過主輸出軸輸出軸功，帶動發電機或其他負荷；換熱器的熱源為來自於環境、或中低溫餘熱、或太陽能集熱器。所述的多級向心透平系統，其所述兩向心透平共轉動軸背靠背固接，是相鄰兩級向心透平串聯，共一轉動軸，以背靠背的方式固接，即第一級向心透平、第二級向心透平共一轉動軸背靠背固接，第三級向心透平、第四級向心透平共一轉動軸背靠背固接，以此類推至最後一級，當級數為奇數時，最後一級由兩個向心透平組成，採用背靠背同軸的形式布置；[0012]齒輪變速箱的位置位於同軸的兩向心透平的同側；第一級向心透平經管路、換熱器、管路與第二級向心透平相通連；第二級向心透平經管路、換熱器、管路與第三級向心透平相通連；第三級向心透平經管路、換熱器、管路與第四級向心透平相通連，以此類推至最後一級(N)，最後一級(N)向心透平的出口通大氣；其流程為高壓氣體在進入多級向心透平前被加熱到一定溫度後，經閥門、管路輸入第一級向心透平，在第一級向心透平中膨脹做功後進入換熱器，提高溫度後繼續進入第二級向心透平膨脹做功，再經換熱器後繼續進入第三級向心透平膨脹做功，以此方式，直到最後一級透平(N)膨脹後結束，向心透平組膨脹過程產生的軸功通過軸輸出給齒輪變速箱，變速後由主輸出軸輸出帶動發電機或其他負荷。所述的多級向心透平系統，其所述向心透平的轉子，是開式、半開式或閉式。所述的多級向心透平系統，其中的高壓氣體為空氣、氮氣、氧氣、二氧化碳、天然氣、氟利昂或水蒸氣其中之一。所述的多級向心透平系統，其所述多級向心透平系統的向心透平個數為偶數，採用背靠背同軸的形式布置，以抵消透平葉輪的軸向力，產生的軸功由同一根輸出軸輸出。所述的多級向心透平系統，其中的高壓氣體在進入多級向心透平之前被加熱到一定溫度，使第一級向心透平進口的溫度在220K 973K之間，進口壓力在3bar 340bar之間；多級向心透平的膨脹比在3 340之間，最後一級(N)向心透平的排氣壓力接近常壓，或作為其他設備的高壓氣源使用。所述的多級向心透平系統，其所述各級向心透平的膨脹比，由多級向心透平總的膨脹比和各級向心透平轉子的軸向力共同決定，背靠背的兩個向心透平的壓比分布要滿足軸向力大致平衡。所述的多級向心透平系統，其所述換熱器，為套管式、管殼式、夾套式、蓄熱式、混合式、沉浸蛇管式其中之一或它們的組合，換熱器的熱源溫度在220K 973K之間。所述的多級向心透平系統，其所述熱源為來自於環境、或中低溫餘熱，是工業廢熱、餘熱、大氣環境、或蓄熱裝置。所述的多級向心透平系統，其所述最後一級(N)向心透平的出口氣流作為冷源使用時，通過調節末級透平的進口溫度和膨脹比來控制出口的溫度。所述的多級向心透平系統，其所述主輸出軸輸出的軸功的大小，通過高壓氣體進口流量和溫度，或通過換熱器的溫度和流量來控制。所述的多級向心透平系統，其所述三通閥，在三級向心透平系統中，包括向心透平組，換熱器，齒輪變速箱，發電機，調節閥，轉動軸，管線；第二級向心透平經管路、換熱器、管路與三通閥入口相通連，三通閥二出口分別與兩向心透平相通連，第三級包括兩個向心透平，兩向心透平的出口 B、C分別通大氣、或作為其他設備的氣源使用；運行時，高壓氣體在進入多級向心透平前被加熱到一定溫度後，經閥門、管路輸入第一級向心透平，在第一級向心透平中膨脹做功後進入換熱器，提高溫度後繼續進入第二級向心透平膨脹做功；不同之處在於第三級包括兩個向心透平，第二級向心透平出口的高壓氣體經換熱器加熱後，由三通閥分成均等的兩部分，一部分進入向心透平中膨脹做功後排入大氣、或進入下一流程，另一部分進入另一向心透平中膨脹做功後排入大氣、或進入下一流程，以此方式，使得第三級的兩個向心透平轉子的軸向力抵消；主輸出軸功的大小，通過閥門調節高壓氣體的流量來控制，或通過調節換熱器的換熱量來控制。所述的多級向心透平系統，其當多級向心透平系統的級數為5或7時，其最後一級採用兩個向心透平，其上遊向心透平出口的高壓氣體經換熱器加熱後，熱氣流經三通閥均等輸入兩個向心透平做功。本實用新型的優點在於效率高、結構緊湊、可靠性高、總膨脹比高，適用於各類高壓氣體膨脹做功，具有廣闊的使用前景。對環境友好、可以利用中低溫(熱值)的熱源，特別是廢熱的回收，提高資源使用效率。

圖I為本實用新型的一種背靠背的多級向心透平系統實施例I四級結構示意圖； 圖2為本實用新型的一種背靠背的多級向心透平系統實施例2三級結構示意圖；圖3為本實用新型的一種背靠背的多級向心透平系統實施例3五級結構示意圖；圖4為本實用新型的一種背靠背的多級向心透平系統實施例4七級結構示意圖。圖中標號18——齒輪變速箱19——發電機26-調節閥27-三通閥15、16、17、40、58-軸4、8、12、34、49、52、63——換熱器2、6、10、14、31、32、41、42、43、44、45、46-向心透平1、3、5、7、9、11、13、20、21、22、23、24、25、28、29、30、33、35、36、37、38、39、47、48、50、51、53、54、55、56、57、59、60、61、62、64-管道
具體實施方式
本實用新型的背靠背的多級向心透平系統，採用高壓氣源逐級膨脹做功，直到出口壓力滿足用戶要求；利用中低溫(熱值)熱源進行級間加熱，此過程可以利用廢熱、餘熱，提高了資源使用效率；每兩個向心透平採用背靠背同軸的型式布置，以抵消向心透平的軸向力；背靠背的兩個向心透平具有相同的轉速，葉輪產生的軸功由同一根軸輸出；各級產生的軸功輸入齒輪箱，變速後由主軸輸出給發電機或其他負載。由於向心透平的特性，本實用新型提出的多級向心透平系統有以下潛在的優點效率高目前單級向心透平的等熵效率達到90%以上，該系統還可以對廢熱和餘熱等中低熱值的熱源的回收利用，因此該多級向心透平的效率可達85%以上。結構緊湊本實用新型的背靠背的向心透平採用背靠背同軸的形式，這樣不僅使得兩個透平轉子的軸向力抵消，還使得結構緊湊，節省了空間和製造成本。可靠性高由於該背靠背的多級向心透平系統是在現有單級向心透平的技術基礎上發展而來，且軸功是通過齒輪箱傳遞，故該多級向心透平的可靠性非常高。總膨脹比高若每級膨脹比為2，則8級向心透平的膨脹比為216。目前單級的向心透平的膨脹比在I 10之間，故該多級向心透平可以很容易完成幾十上百的膨脹比。適用於各類高壓氣體多級向心透平可適用於空氣、氮氣、氧氣、二氧化碳、氟利昂、天然氣或水蒸氣等各類高壓氣體膨脹做功。利用中低溫(熱值)的熱源可以採用中低熱值的熱源將氣體進行再熱，增大系統出功，特別是工業行業的廢熱和餘熱，如水泥行業、鋼鐵冶金行業、化工行業等，以提高能源的利用率，減少環境汙染。實施例如圖I所示，為本實用新型的背靠背的多級向心透平系統實施例I的結構示意圖。這是一個四級向心透平系統，包括向心透平2、6、10、14，換熱器4、8、12，齒輪變速箱18，發電機 19，調節閥門 26，軸 15、16、17，管線 1、3、5、7、9、11、13、20、21、22、23、24、25。第一級向心透平2和第二級向心透平6通過軸17背靠背固接，第三級向心透平10和第四級向心透平14通過軸15背靠背固接。軸15、17通過齒輪變速箱18與主輸出軸16聯接，主輸出軸16與發電機19轉軸固接。第一級向心透平2經管路3、換熱器4、管路5與第二級向心透平6相通連；第二級向心透平6經管路7、換熱器8、管路9與第三級向心透平10相通連；第三級向心透平10經管路11、換熱器12、管路13與第四級向心透平14相通連。第一級向心透平2前設有閥門26。換熱器4、8、12經管線20、22、24與外界熱源相連通。運行時，高壓氣體被外界熱源加熱後經閥門26進入第一級向心透平2中膨脹做功，透平出口的溫度降低，然後進入換熱器4中使氣體的溫度升高，導入第二級向心透平6中膨脹做功，第二級向心透平6出口的氣體再導入換熱器8中加熱，加熱後的氣體在進入第三級向心透平10中膨脹做功，通過第三級膨脹做功後的氣體導入換熱器12中加熱，最後導入第四級向心透平14中膨脹做功，然後排入大氣中(或進入下一流程)。軸17、15上的軸功通過齒輪變速箱18傳遞給主輸出軸16帶動發電機19旋轉。輸出軸功的大小可以通過閥門26調節高壓氣體的流量來控制，也可以通過調節換熱器4、8、12的換熱量。圖2是本實用新型實施例2的結構示意圖，它是一個三級向心透平系統，其主體結構與實施例I相同，圖中增加了一個三通道的閥門27。該系統包括向心透平2、6、31、32，換熱器4、8，齒輪變速箱18，發電機19，調節閥門26，三通道閥門27，軸15、16、17，管線1、3、5、
7、20、21、22、23、28、29、30。第二級向心透平6經管路7、換熱器8、管路9與三通道的閥門27入口相通連，三通道的閥門27 二出口分別與向心透平31、向心透平32相通連，第三級由兩個向心透平31、32組成，向心透平31、向心透平32的出口 B、C分別通大氣(或進入下一流程)。運行時，第一級向心透平和第二級向心透平與實施例I相同，不同之處在於第三級由兩個向心透平31、32組成，第二級向心透平6出口的高壓氣體經換熱器8加熱後，由三通道閥門27分成均等的兩部分，一部分進入向心透平31中膨脹做功後排入大氣(或進入下一流程)，另一部分進入向心透平32中膨脹做功後排入大氣(或進入下一流程)，以此方式，使得第三級的兩個向心透平31、32轉子的軸向力抵消。軸17、15上的軸功通過齒輪變速箱18傳遞給主輸出軸16帶動發電機19旋轉。主輸出軸功的大小可以通過閥門26調節高壓氣體的流量來控制，也可以通過調節換熱器4、8的換熱量。[0058]圖3是本實用新型實施例3的結構示意圖，它是一個五級向心透平系統，其前四級的結構形式與實施例I相同，只是增加了一個換熱器34、三通道的閥門27和向心透平41、42.該系統包括向心透平2、6、10、14、31、32，換熱器4、8、34，齒輪變速箱18，發電機19，調節閥門 26，三通道閥門 27，軸 15、16、17、40，管線 1、3、5、7、9、11、13、20、21、22、23、24、25、33、35、36、37、38、39。第四級向心透平14經管路33、換熱器34、管路35與三通道的閥門27入口相通連，三通道的閥門27 二出口分別與向心透平31、向心透平32相通連，第五級由兩個向心透平41、42組成，向心透平41、向心透平42的出口 B、C分別通大氣(或進入下一流程)。運行時，第一級向心透平到第四級向心透平與實施例I相同，不同之處在於第五級由兩個向心透平41、42組成，第四級向心透平14出口的高壓氣體經換熱器34加熱後，由三通道閥門27分成均等的兩部分，一部分進入向心透平41中膨脹做功後排入大氣(或進入下一流程)，另一部分進入向心透平42中膨脹做功後排入大氣(或進入下一流程)，以此方式，使得第五級的兩個向心透平41、42轉子的軸向力抵消。軸17、15、40上的軸功通過齒輪變速箱18傳遞給主輸出軸16帶動發電機19旋轉。主輸出軸功的大小可以通過閥門26調節高壓氣體的流量來控制，也可以通過調節換熱器4、8、12、34的換熱量圖4是本實用新型實施例4的結構示意圖，它是一個七級向心透平系統，包括向心透平2、6、10、14、43、44、45、46，換熱器4、8、12、49、52、63，齒輪變速箱18，發電機19，調節閥門 26，三通道閥門 27、軸 15、16、17、40、58，管線 1、3、5、7、9、11、13、20、21、22、23、24、25、47、48、59、60、50、51、53、54、55、56、57、61、62、64。第一級向心透平2和第二級向心透平6通過軸17背靠背固接，第三級向心透平10和第四級向心透平14通過軸15背靠背固接，第五級向心透平44和第六級向心透平43通過軸40背靠背固接，第七級由兩個向心透平45、46組成，通過軸58背靠背固接。軸15、17、40、58通過齒輪變速箱18與主軸16聯接，主軸16與發電機19轉軸固接。第一級向心透平2經管路3、換熱器4、管路5與第二級向心透平6相通連；第二級向心透平6經管路7、換熱器8、管路9與第三級向心透平10相通連；第三級向心透平10經管路11、換熱器12、管路13與第四級向心透平14相通連；第四級向心透平14經管路64、換熱器63、管路47與第五級向心透平44相通聯；第五級向心透平44經管路48、換熱器49、管路50與第五級向心透平43相通聯；第六級向心透平43經管路51、換熱器52、管路53與三通道的閥門27入口相通連，三通道的閥門27 二出口分別與向心透平45、向心透平46相通連，第七級由兩個向心透平45、46組成，向心透平45、向心透平46的出口 B、C分別通大氣(或進入下一流程)。第一級向心透平2前設有閥門26。換熱器4、8、12、49、52、63經管線20、22、24、59、56、61與外界熱源相連通。運行時，高壓氣體被外界熱源加熱後經閥門26進入第一級向心透平2中膨脹做功，透平出口的溫度降低，然後進入換熱器4中使氣體的溫度升高，導入第二級向心透平6中膨脹做功，第二級向心透平6出口的氣體導入換熱器8中加熱，加熱後的氣體在進入第三級向心透平10中膨脹做功，通過第三級膨脹做功後的氣體導入換熱器12中加熱，導入第四級向心透平14中膨脹做功，第四級向心透平14出口的氣體導入換熱器63中加熱，加熱後的氣體在進入第五級向心透平44中膨脹做功，第五級向心透平44出口的氣體導入換熱器49中加熱，加熱後的氣體在進入第六級向心透平43中膨脹做功，第六級向心透平43出、口的高壓氣體經換熱器52加熱後，由三通道閥門27分成均等的兩部分，一部分進入向心透平45中膨脹做功後排入大氣(或進入下一流程)，另一部分進入向心透平46中膨脹做功後排入大氣(或進入下一流程)，以此方式，使得第七級的兩個向心透平45、46轉子的軸向力 抵消。軸17、15、40、58上的軸功通過齒輪變速箱18傳遞給主輸出軸16帶動發電機19旋轉。主輸出軸功的大小可以通過閥門26調節高壓氣體的流量來控制，也可以通過調節換熱器 4、8、12、49、52、63 的換熱量。
權利要求1.一種背靠背的多級向心透平系統，包括向心透平組、換熱器、發電機、齒輪變速箱、閥門、多根軸及多根管道；其特徵在於 向心透平組包括多級向心透平，級數為2 8級，級數的多少由能量轉換系統所需完成的膨脹比的大小決定； 至少為兩級向心透平，每級包括至少一個向心透平，兩個向心透平共轉動軸背靠背固接；各級向心透平經多根管道、至少一換熱器相通連； 管道中設有調節閥(26)、三通閥(27)； 多級的轉動軸分別與齒輪變速箱(18)連接，齒輪變速箱(18)的主輸出軸(16)與發電機(19)或其他負荷的驅動軸連接； 換熱器的熱源為來自於環境、或中低溫餘熱、或太陽能集熱器。
2.根據權利要求I所述的多級向心透平系統，其特徵在於所述兩向心透平共轉動軸背靠背固接，是相鄰兩級向心透平串聯，共一轉動軸，以背靠背的方式固接，即第一級向心透平(2)、第二級向心透平(6)共一轉動軸(17)背靠背固接，第三級向心透平(10)、第四級向心透平(14)共一轉動軸(15)背靠背固接，以此類推至最後一級，當級數為奇數時，最後一級由兩個向心透平組成，採用背靠背同軸的形式布置； 齒輪變速箱(18)的位置位於同軸的兩向心透平的同側； 第一級向心透平(2)經管路(3)、換熱器(4)、管路(5)與第二級向心透平(6)相通連；第二級向心透平(6)經管路(7)、換熱器(8)、管路(9)與第三級向心透平(10)相通連；第三級向心透平(10)經管路(11)、換熱器(12)、管路(13)與第四級向心透平(14)相通連，以此類推至最後一級(N)，最後一級(N)向心透平的出口通大氣。
3.根據權利要求I或2所述的多級向心透平系統，其特徵在於所述向心透平的轉子，是開式、半開式或閉式。
4.根據權利要求I所述的多級向心透平系統，其特徵在於該多級向心透平系統中的高壓氣體，為空氣、氮氣、氧氣、二氧化碳、天然氣、氟利昂或水蒸氣其中之一。
5.根據權利要求I所述的多級向心透平系統，其特徵在於所述多級向心透平系統的向心透平個數為偶數，採用背靠背同軸的形式布置，以抵消透平葉輪的軸向力，產生的軸功由同一根輸出軸輸出。
6.根據權利要求I所述的多級向心透平系統，其特徵在於該多級向心透平系統中的高壓氣體在進入多級向心透平之前被加熱到一定溫度，使第一級向心透平(2)進口的溫度在220K 973K之間，進口壓力在3bar 340bar之間；多級向心透平的膨脹比在3 340之間，最後一級(N)向心透平的排氣壓力接近常壓，或作為其他設備的高壓氣源使用。
7.根據權利要求6所述的多級向心透平系統，其特徵在於所述各級向心透平的膨脹t匕，由多級向心透平總的膨脹比和各級向心透平轉子的軸向力共同決定，背靠背的兩個向心透平的壓比分布要滿足軸向力大致平衡。
8.根據權利要求I或2所述的多級向心透平系統，其特徵在於所述換熱器，為套管式、管殼式、夾套式、蓄熱式、混合式、沉浸蛇管式其中之一或它們的組合，換熱器的熱源溫度在220K 973K之間。
9.根據權利要求I所述的多級向心透平系統，其特徵在於所述熱源為來自於環境、或中低溫餘熱，是工業廢熱、餘熱、大氣環境、或蓄熱裝置。
10.根據權利要求2或6所述的多級向心透平系統，其特徵在於所述最後一級(N)向心透平的出口氣流作為冷源使用時，通過調節末級透平的進口溫度和膨脹比來控制出口的溫度。
11.根據權利要求I或2所述的多級向心透平系統，其特徵在於所述主輸出軸(16)輸出的軸功的大小，通過高壓氣體進口流量和溫度，或通過換熱器的溫度和流量來控制。
12.根據權利要求I或2所述的多級向心透平系統，其特徵在於所述三通閥(27)，在三級向心透平系統中，包括向心透平組(2、6、31、32)，換熱器(4、8)，齒輪變速箱(18)，發電機(19)，調節閥(26)，轉動軸(15、16、17)，管線(1、3、5、7、20、21、22、23、28、29、30)； 第二級向心透平(6)經管路(7)、換熱器(8)、管路(29)與三通閥(27)入口相通連，三通閥(27) 二出口分別與兩向心透平(31、32)相通連，第三級包括兩個向心透平(31、32)，向心透平(31、32)的出口 B、C分別通大氣、或作為其他設備的氣源使用。
13.根據權利要求12所述的多級向心透平系統，其特徵在於當多級向心透平系統的級數為5或7時，其最後一級採用兩個向心透平，其上遊向心透平出口的高壓氣體經換熱器加熱後，熱氣流經三通閥(27)均等輸入兩個向心透平。
專利摘要本實用新型公開了一種背靠背的多級向心透平系統，涉及透平技術，包括透平膨脹機系統、加熱系統和齒輪傳動系統。該多級向心透平系統具有的向心透平個數為偶數，級數在2～8之間，級數的多少由膨脹比的大小決定，每級由一個向心透平或多個向心透平組成。每兩個向心透平採用背靠背的形式布置在一根軸上，具有相同的轉速，且能平衡轉子的軸向推力。該多級向心透平的進口溫度在220K～973K之間，進口壓力在3bar～340bar之間。同軸的兩個向心透平產生的軸功輸出給發電機或作為工業生產的動力源。本實用新型的多級向心透平系統，具有膨脹比高、結構簡單緊湊、效率高、運行可靠性高、可回收中低溫(熱值)廢熱等優點。
文檔編號F01K3/18GK202500618SQ20122005941
公開日2012年10月24日 申請日期2012年2月21日 優先權日2012年2月21日
發明者嚴曉輝, 張新敬, 張雪輝, 譚春青, 陳海生 申請人:中國科學院工程熱物理研究所