CN103256077B - 一种多级向心透平系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种背靠背的多级向心透平系统，涉及透平技术，包括透平膨胀机系统、加热系统和齿轮传动系统。该多级向心透平系统具有的向心透平个数为偶数，级数在2～8之间，级数的多少由膨胀比的大小决定，每级由一个向心透平或多个向心透平组成。每两个向心透平采用背靠背的形式布置在一根轴上，具有相同的转速，且能平衡转子的轴向推力。该多级向心透平的进口温度在220K～973K之间，进口压力在3bar～340bar之间。同轴的两个向心透平产生的轴功输出给发电机或作为工业生产的动力源。本发明的多级向心透平系统，具有膨胀比高、结构简单紧凑、效率高、运行可靠性高、可回收中低温(热值)废热等优点。

Description

一种多级向心透平系统

技术领域

本发明涉及透平膨胀技术领域，是一种带级间加热的背靠背的多级向心透平系统。

背景技术

向心透平广泛应用在中小型燃气轮机、涡轮增压器、制冷装置和液化装置的膨胀透平等领域，具有结构简单紧凑、制造工艺简单、造价低廉、安装方便等优点。单级向心透平的效率很高，特别是在小流量的情况下还能保持很高的效率，目前的单级向心透平等熵效率可以达到90％以上。同时，向心透平单级膨胀比高，单级向心透平完成的膨胀比可以达到轴流透平的两倍甚至更多。

由于向心透平结构的特殊性，多级向心透平实现的难度很大，从已经公开的资料来看，绝大多数都是单级向心透平系统，很少有多级向心透平系统。随着透平膨胀系统的进口压力越来越高，系统要求的膨胀比不断增加，单级向心透平已满足不了现有的需求。而且气体在高压情况下，体积流量较小，其他形式的透平膨胀机的效率不高，而向心透平在体积流量很小的情况下仍能保持很高的效率，因此迫切需要一种高效可靠的多级向心透平系统。

发明内容

本发明的目的是公开一种背靠背的多级向心透平系统，带有级间加热器，是一种效率高、运行可靠性高、运行成本低、膨胀比高、能利用中低温(热值)的多级向心透平系统。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种背靠背的多级向心透平系统，包括向心透平组、换热器、发电机、齿轮变速箱、阀门、多根轴及多根管道；其向心透平组包括多级向心透平， 级数为2～8级，级数的多少由能量转换系统所需完成的膨胀比的大小决定；

至少为两级向心透平，每级包括至少一个向心透平，两个向心透平共转动轴背靠背固接；各级向心透平经多根管道、至少一换热器相通连；

管道中设有调节阀、三通阀；

多级的转动轴分别与齿轮变速箱连接，齿轮变速箱的主输出轴与发电机或其他负荷的驱动轴连接，通过主输出轴输出轴功，带动发电机或其他负荷；

换热器的热源为来自于环境、或中低温余热、或太阳能集热器。

所述的多级向心透平系统，其所述两向心透平共转动轴背靠背固接，是相邻两级向心透平串联，共一转动轴，以背靠背的方式固接，即第一级向心透平、第二级向心透平共一转动轴背靠背固接，第三级向心透平、第四级向心透平共一转动轴背靠背固接，以此类推至最后一级，当级数为奇数时，最后一级由两个向心透平组成，采用背靠背同轴的形式布置；

齿轮变数箱的位置位于同轴的两向心透平的同侧；

第一级向心透平经管路、换热器、管路与第二级向心透平相通连；第二级向心透平经管路、换热器、管路与第三级向心透平相通连；第三级向心透平经管路、换热器、管路与第四级向心透平相通连，以此类推至最后一级(N)，最后一级(N)向心透平的出口通大气，或接其他设备；

其流程为： 

高压气体在进入多级向心透平前被加热到一定温度后，经阀门、管路输入第一级向心透平，在第一级向心透平中膨胀做功后进入换热器，提高温度后继续进入第二级向心透平膨胀做功，再经换热器后继续进入第三级向心透平膨胀做功，以此方式，直到最后一级透平(N)膨胀后结束，向心透平组膨胀过程产生的轴功通过轴输出给齿轮变速箱，变速后由主输出轴输出带动发电机或其他负荷。

所述的多级向心透平系统，其所述向心透平的转子，是开式、半开式或闭式。

所述的多级向心透平系统，其所述高压气体，为空气、氮气、氧气、二氧化碳、天然气、氟利昂或水蒸气其中之一。

所述的多级向心透平系统，其所述多级向心透平系统的向心透平个数为偶数，采用背靠背同轴的形式布置，以抵消透平叶轮的轴向力，产生的轴功由同一根输出轴输出。

所述的多级向心透平系统，其所述高压气体在进入多级向心透平之前被加热到一定温度，是第一级向心透平进口的温度在220K～973K之间，进口压力在3bar～340bar之间；多级向心透平的膨胀比在3～340之间，最后一级(N)向心透平的排气压力接近常压，或作为其他设备的高压气源使用。

所述的多级向心透平系统，其所述各级向心透平的膨胀比，由多级向心透平总的膨胀比和各级向心透平转子的轴向力共同决定，背靠背的两个向心透平的压比分布要满足轴向力大致平衡。

所述的多级向心透平系统，其所述换热器，为套管式、管壳式、夹套式、蓄热式、混合式、沉浸蛇管式其中之一或它们的组合，换热器的热源温度在220K～973K之间。

所述的多级向心透平系统，其所述热源为来自于环境、或中低温余热，是工业废热、余热、大气环境、或蓄热装置。

所述的多级向心透平系统，其所述最后一级(N)向心透平的出口气流作为冷源使用时，通过调节末级透平的进口温度和膨胀比来控制出口的温度。

所述的多级向心透平系统，其所述主输出轴输出的轴功的大小，通过高压气体进口流量和温度，或通过换热器的温度和流量来控制。

所述的多级向心透平系统，其所述三通阀，在三级向心透平系统中，包括向心透平组，换热器，齿轮变速箱，发电机，调节阀，转动轴，管线；

第二级向心透平经管路、换热器、管路与三通阀入口相通连，三通阀二出口分别与两向心透平相通连，第三级包括两个向心透平，向心透平、向心透平的出口B、C分别通大气、或作为其他设备的气源使用；

运行时，高压气体在进入多级向心透平前被加热到一定温度后，经阀门、管路输入第一级向心透平，在第一级向心透平中膨胀做功后进入换热器，提高温度后继续进入第二级向心透平膨胀做功；不同之处在于：

第三级包括两个向心透平，第二级向心透平出口的高压气体经换热器 加热后，由三通阀分成均等的两部分，一部分进入向心透平中膨胀做功后排入大气、或进入下一流程，另一部分进入另一向心透平中膨胀做功后排入大气、或进入下一流程，以此方式，使得第三级的两个向心透平转子的轴向力抵消；主输出轴功的大小，通过阀门调节高压气体的流量来控制，或通过调节换热器的换热量来控制。

所述的多级向心透平系统，其当多级向心透平系统的级数为5或7时，其最后一级采用两个向心透平，其上游向心透平出口的高压气体经换热器加热后，热气流经三通阀均等输入两个向心透平做功。

本发明的优点在于：效率高、结构紧凑、可靠性高、总膨胀比高，适用于各类高压气体膨胀做功，具有广阔的使用前景。对环境友好、可以利用中低温(热值)的热源，特别是废热的回收，提高资源使用效率。

附图说明

图1为本发明的一种背靠背的多级向心透平系统实施例1四级结构示意图；

图2为本发明的一种背靠背的多级向心透平系统实施例2三级结构示意图；

图3为本发明的一种背靠背的多级向心透平系统实施例3五级结构示意图；

图4为本发明的一种背靠背的多级向心透平系统实施例4七级结构示意图。

标号说明： 

18——齿轮变速箱，

19——发电机， 

26——调节阀， 

27——三通阀， 

15、16、17、40、58——轴，

4、8、12、34、49、52、63——换热器，

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

具体实施方式

本发明的背靠背的多级向心透平系统，采用高压气源逐级膨胀做功，直到出口压力满足用户要求；利用中低温(热值)热源进行级间加热，此过程可以利用废热、余热，提高了资源使用效率；每两个向心透平采用背靠背同轴的型式布置，以抵消向心透平的轴向力；背靠背的两个向心透平具有相同的转速，叶轮产生的轴功由同一根轴输出；各级产生的轴功输入齿轮箱，变速后由主轴输出给发电机或其他负载。由于向心透平的特性，本发明提出的多级向心透平系统有以下潜在的优点：

效率高：目前单级向心透平的等熵效率达到90％以上，该系统还可以对废热和余热等中低热值的热源的回收利用，因此该多级向心透平的效率可达85％以上。

结构紧凑：本发明的向心透平采用背靠背同轴的形式，这样不仅使得两个透平转子的轴向力抵消，还使得结构紧凑，节省了空间和制造成本。

可靠性高：由于该多级向心透平系统是在现有单级向心透平的技术基础上发展而来，且轴功是通过齿轮箱传递，故该多级向心透平的可靠性非常高。

总膨胀比高：若每级膨胀比为2，则8级向心透平的膨胀比为216。目前单级的向心透平的膨胀比在1～10之间，故该多级向心透平可以很容易完成几十上百的膨胀比。

适用于各类高压气体：多级向心透平可适用于空气、氮气、氧气、二氧化碳、氟利昂、天然气或水蒸气等各类高压气体膨胀做功。

利用中低温(热值)的热源：可以采用中低热值的热源将气体进行再热，增大系统出功，特别是工业行业的废热和余热，如水泥行业、钢铁冶金行业、化工行业等，以提高能源的利用率，减少环境污染。

实施例：

如图1所示，为本发明的背靠背的多级向心透平系统实施例1的结构 示意图。这是一个四级向心透平系统，包括向心透平2、6、10、14，换热器4、8、12，齿轮变速箱18，发电机19，调节阀门26，轴15、16、17，管线1、3、5、7、9、11、13、20、21、22、23、24、25。

第一级向心透平2和第二级向心透平6通过轴17背靠背固接，第三级向心透平10和第四级向心透平14通过轴15背靠背固接。轴15、17通过齿轮变速箱18与主输出轴16联接，主输出轴16与发电机19转轴固接。第一级向心透平2经管路3、换热器4、管路5与第二级向心透平6相通连；第二级向心透平6经管路7、换热器8、管路9与第三级向心透平10相通连；第三级向心透平10经管路11、换热器12、管路13与第四级向心透平14相通连。第一级向心透平2前设有阀门26。换热器4、8、12经管线20、22、24与外界热源相连通。

运行时，高压气体被外界热源加热后经阀门26进入第一级向心透平2中膨胀做功，透平出口的温度降低，然后进入换热器4中使气体的温度升高，导入第二级向心透平6中膨胀做功，第二级向心透平6出口的气体再导入换热器8中加热，加热后的气体在进入第三级向心透平10中膨胀做功，通过第三级膨胀做功后的气体导入换热器12中加热，最后导入第四级向心透平14中膨胀做功，然后排入大气中(或进入下一流程)。轴17、15上的轴功通过齿轮变速箱18传递给主输出轴16带动发电机19旋转。输出轴功的大小可以通过阀门26调节高压气体的流量来控制，也可以通过调节换热器4、8、12的换热量。

图2是本发明实施例2的结构示意图，它是一个三级向心透平系统，其主体结构与实施例1相同，图中增加了一个三通道的阀门27。该系统包括向心透平2、6、31、32，换热器4、8，齿轮变速箱18，发电机19，调节阀门26，三通道阀门27，轴15、16、17，管线1、3、5、7、20、21、22、23、28、29、30。

第二级向心透平6经管路7、换热器8、管路9与三通道的阀门27入口相通连，三通道的阀门27二出口分别与向心透平31、向心透平32相通连，第三级由两个向心透平31、32组成，向心透平31、向心透平32的出口B、C分别通大气(或进入下一流程)。

运行时，第一级向心透平和第二级向心透平与实施例1相同，不同之 处在于：第三级由两个向心透平31、32组成，第二级向心透平6出口的高压气体经换热器8加热后，由三通道阀门27分成均等的两部分，一部分进入向心透平31中膨胀做功后排入大气(或进入下一流程)，另一部分进入向心透平32中膨胀做功后排入大气(或进入下一流程)，以此方式，使得第三级的两个向心透平31、32转子的轴向力抵消。轴17、15上的轴功通过齿轮变速箱18传递给主输出轴16带动发电机19旋转。主输出轴功的大小可以通过阀门26调节高压气体的流量来控制，也可以通过调节换热器4、8的换热量。

图3是本发明实施例3的结构示意图，它是一个五级向心透平系统，其前四级的结构形式与实施例1相同，只是增加了一个换热器34、三通道的阀门27和向心透平41、42.该系统包括向心透平2、6、10、14、31、32，换热器4、8、34，齿轮变速箱18，发电机19，调节阀门26，三通道阀门27，轴15、16、17、40，管线1、3、5、7、9、11、13、20、21、22、23、24、25、33、35、36、37、38、39。

第四级向心透平14经管路33、换热器34、管路35与三通道的阀门27入口相通连，三通道的阀门27二出口分别与向心透平31、向心透平32相通连，第五级由两个向心透平41、42组成，向心透平41、向心透平42的出口B、C分别通大气(或进入下一流程)。

运行时，第一级向心透平到第四级向心透平与实施例1相同，不同之处在于：第五级由两个向心透平41、42组成，第四级向心透平14出口的高压气体经换热器34加热后，由三通道阀门27分成均等的两部分，一部分进入向心透平41中膨胀做功后排入大气(或进入下一流程)，另一部分进入向心透平42中膨胀做功后排入大气(或进入下一流程)，以此方式，使得第五级的两个向心透平41、42转子的轴向力抵消。轴17、15、40上的轴功通过齿轮变速箱18传递给主输出轴16带动发电机19旋转。主输出轴功的大小可以通过阀门26调节高压气体的流量来控制，也可以通过调节换热器4、8、12、34的换热量

图4是本发明实施例4的结构示意图，它是一个七级向心透平系统，包括向心透平2、6、10、14、43、44、45、46，换热器4、8、12、49、52、63，齿轮变速箱18，发电机19，调节阀门26，三通道阀门27、轴15、 16、17、40、58，管线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。

第一级向心透平2和第二级向心透平6通过轴17背靠背固接，第三级向心透平10和第四级向心透平14通过轴15背靠背固接，第五级向心透平44和第六级向心透平43通过轴40背靠背固接，第七级由两个向心透平45、46组成，通过轴58背靠背固接。轴15、17、40、58通过齿轮变速箱18与主输出轴16联接，主输出轴16与发电机19转轴固接。第一级向心透平2经管路3、换热器4、管路5与第二级向心透平6相通连；第二级向心透平6经管路7、换热器8、管路9与第三级向心透平10相通连；第三级向心透平10经管路11、换热器12、管路13与第四级向心透平14相通连；第四级向心透平14经管路64、换热器63、管路47与第五级向心透平44相通联；第五级向心透平44经管路48、换热器49、管路50与第五级向心透平43相通联；第六级向心透平43经管路51、换热器52、管路53与三通道的阀门27入口相通连，三通道的阀门27二出口分别与向心透平45、向心透平46相通连，第七级由两个向心透平45、46组成，向心透平45、向心透平46的出口B、C分别通大气(或进入下一流程)。第一级向心透平2前设有阀门26。换热器4、8、12、49、52、63经管线20、22、24、59、56、61与外界热源相连通。

运行时，高压气体被外界热源加热后经阀门26进入第一级向心透平2中膨胀做功，透平出口的温度降低，然后进入换热器4中使气体的温度升高，导入第二级向心透平6中膨胀做功，第二级向心透平6出口的气体导入换热器8中加热，加热后的气体在进入第三级向心透平10中膨胀做功，通过第三级膨胀做功后的气体导入换热器12中加热，导入第四级向心透平14中膨胀做功，第四级向心透平14出口的气体导入换热器63中加热，加热后的气体在进入第五级向心透平44中膨胀做功，第五级向心透平44出口的气体导入换热器49中加热，加热后的气体在进入第六级向心透平43中膨胀做功，第六级向心透平43出口的高压气体经换热器52加热后，由三通道阀门27分成均等的两部分，一部分进入向心透平45中膨胀做功后排入大气(或进入下一流程)，另一部分进入向心透平46中膨胀做功后排入大气(或进入下一流程)，以此方式，使得第七级的两个向心透平45、 46转子的轴向力抵消。轴17、15、40、58上的轴功通过齿轮变速箱18传递给主输出轴16带动发电机19旋转。主输出轴功的大小可以通过阀门26调节高压气体的流量来控制，也可以通过调节换热器4、8、12、49、52、63的换热量。

Claims (11)

1.一种多级向心透平系统，包括向心透平组、换热器、发电机、齿轮变速箱、阀门、多根轴及多根管道；其特征在于：

向心透平组包括多级向心透平，级数为2～8级，级数的多少由能量转换系统所需完成的膨胀比的大小决定；

至少为两级向心透平，每级包括至少一个向心透平，两个向心透平共转动轴背靠背固接；各级向心透平经多根管道、至少一换热器相通连；

管道中设有调节阀(26)、三通阀(27)；

多级的转动轴分别与齿轮变速箱(18)连接，齿轮变速箱(18)的主输出轴(16)与发电机(19)或其他负荷的驱动轴连接，通过主输出轴(16)输出轴功，带动发电机(19)或其他负荷；

换热器的热源为来自于环境、中低温余热或太阳能集热器；

其中，所述两级向心透平共转动轴背靠背固接，使相邻两级向心透平串联，共一转动轴，以背靠背的方式固接，即第一级向心透平(2)、第二级向心透平(6)共一转动轴(17)背靠背固接，第三级向心透平(10)、第四级向心透平(14)共一转动轴(15)背靠背固接，以此类推至最后一级，当级数为奇数时，最后一级由两个向心透平组成，采用背靠背同轴的形式布置；

齿轮变速箱(18)的位置位于同轴的两向心透平的同侧；

第一级向心透平(2)经管路(3)、换热器(4)、管路(5)与第二级向心透平(6)相通连；第二级向心透平(6)经管路(7)、换热器(8)、管路(9)与第三级向心透平(10)相通连；第三级向心透平(10)经管路(11)、换热器(12)、管路(13)与第四级向心透平(14)相通连，以此类推至最后一级(N)，最后一级(N)向心透平的出口通大气，或接其他设备；

其流程为：

高压气体在进入多级向心透平前被加热到一定温度后，经阀门(26)、管路(1)输入第一级向心透平(2)，在第一级向心透平(2)中膨胀做功后进入换热器(4)，提高温度后继续进入第二级向心透平(6)膨胀做功，再经换热器(8)后继续进入第三级向心透平(10)膨胀做功，以此方式，直到最后一级透平(N)膨胀后结束，向心透平组膨胀过程产生的轴功通过轴(15、17)输出给齿轮变速箱(18)，变速后由主输出轴(16)输出带动发电机(19)或其他负荷。

2.根据权利要求1所述的多级向心透平系统，其特征在于：所述向心透平的转子，是开式、半开式或闭式。

3.根据权利要求1所述的多级向心透平系统，其特征在于：所述多级向心透平系统的向心透平个数为偶数，采用背靠背同轴的形式布置，以抵消透平叶轮的轴向力，产生的轴功由同一根输出轴输出。

4.根据权利要求1所述的多级向心透平系统，其特征在于：所述高压气体在进入多级向心透平之前被加热到一定温度，使第一级向心透平(2)进口的温度在220K～973K之间，进口压力在3bar～340bar之间；多级向心透平的膨胀比在3～340之间，最后一级(N)向心透平的排气压力接近常压，或作为其他设备的高压气源使用。

5.根据权利要求4所述的多级向心透平系统，其特征在于：所述各级向心透平的膨胀比，由多级向心透平总的膨胀比和各级向心透平转子的轴向力共同决定，背靠背的两个向心透平的压比分布要满足轴向力大致平衡。

6.根据权利要求1所述的多级向心透平系统，其特征在于：所述换热器，为套管式、管壳式、夹套式、蓄热式、混合式、沉浸蛇管式其中之一或它们的组合，换热器的热源温度在220K～973K之间。

7.根据权利要求1所述的多级向心透平系统，其特征在于：所述热源为来自于环境或中低温余热，是工业废热、余热、大气环境或蓄热装置。

8.根据权利要求1或4所述的多级向心透平系统，其特征在于：所述最后一级(N)向心透平的出口气流作为冷源使用时，通过调节末级透平的进口温度和膨胀比来控制出口的温度。

9.根据权利要求1所述的多级向心透平系统，其特征在于：所述主输出轴(16)输出的轴功的大小，通过高压气体进口流量和温度，或通过换热器的温度和流量来控制。

10.根据权利要求1所述的多级向心透平系统，其特征在于：所述三通阀(27)，在三级向心透平系统中，包括向心透平组(2、6、31、32)，换热器(4、8)，齿轮变速箱(18)，发电机(19)，调节阀(26)，转动轴(15、16、17)，管线(1、3、5、7、20、21、22、23、28、29、30)；

第二级向心透平(6)经管路(7)、换热器(8)、管路(29)与三通阀(27)入口相通连，三通阀(27)的两个出口分别与两向心透平(31、32)相通连，第三级包括两个向心透平(31、32)，第一向心透平(31)的出口B、第二向心透平(32)的出口C分别通大气或作为其他设备的气源使用；

运行时，高压气体在进入多级向心透平前被加热到一定温度后，经阀门(26)、管路(1)输入第一级向心透平(2)，在第一级向心透平(2)中膨胀做功后进入换热器(4)，提高温度后继续进入第二级向心透平(6)膨胀做功；不同之处在于：

第三级包括两个向心透平(31、32)，第二级向心透平(6)出口的高压气体经换热器(8)加热后，由三通阀(27)分成均等的两部分，一部分进入第一向心透平(31)中膨胀做功后排入大气或进入下一流程，另一部分进入第二向心透平(32)中膨胀做功后排入大气或进入下一流程，以此方式，使得第三级的两个向心透平(31、32)转子的轴向力抵消；主输出轴功的大小，通过阀门(26)调节高压气体的流量来控制，或通过调节换热器(4、8)的换热量来控制。

11.根据权利要求10所述的多级向心透平系统，其特征在于：当多级向心透平系统的级数为5或7时，其最后一级采用两个向心透平，其上游向心透平出口的高压气体经换热器加热后，热气流经三通阀(27)均等输入两个向心透平做功。