一种回热式多级同轴膨胀机.pdf

本发明公开了一种新型回热式多级同轴膨胀机，包括膨胀机系统和回热系统。所述膨胀机系统包括壳体（1）、止推轴承（2）、主轴（3）、迷宫密封机构（4）、多级回流器、多级工作轮、多级喷嘴、多级导流器和支撑轴承（15）。所述回热系统由与所述膨胀机系统级数相同的不同换热量的换热器组成。该膨胀机系统为水平剖分式结构，工作介质为高压空气，储能系统里的高压空气经过多级膨胀和多级回热，驱动膨胀机输出轴做功，通过减速器带动发电机发电。本发明以最大输出功和绝热效率为目标，优化了多级膨胀机的多级参数配置和结构设计，具有结构简单紧凑，效率高的特点，改善了透平膨胀机的做功能力，拓宽了径轴流式膨胀机在发电领域的应用。

权利要求书
1.  一种回热式多级同轴膨胀机，其特征在于，所述回热式多级同轴膨胀机包括膨胀机系统和回热系统；所述膨胀机系统包括壳体（1）、止推轴承（2）、主轴（3）、迷宫密封机构（4）、多级回流器、多级工作轮、多级喷嘴、多级导流器、和支撑轴承（15）；所述回热系统由与所述膨胀机系统级数相同的不同换热量的换热器组成。

2.  根据权利要求1所述的回热式多级同轴膨胀机，其特征在于，所述壳体（1）为水平剖分式结构，多级进气流道型线均为渐变式螺旋线，多级排气流道型线为渐变式螺旋线，或者等直径圆周线，或者上述两种型线的任意组合。

3.  根据权利要求1所述的回热式多级同轴膨胀机，其特征在于，所述膨胀机系统级数为2～10级。

4.  根据权利要求1所述的回热式多级同轴膨胀机，其特征在于，所述换热器的类型为管壳式换热器、套管式换热器，板翅式换热器中的任何一种。

5.  根据权利要求1所述的回热式多级同轴膨胀机，其特征在于，所述止推轴承（2）为可倾瓦式结构的滑动轴承，具有双止推面；或者为两个具有单止推面的止推轴承的组合。

6.  根据权利要求1所述的回热式多级同轴膨胀机，其特征在于，所述迷宫密封机构（4）中间开槽，通入密封气进行双面密封，密封齿数为6～30。

7.  根据权利要求1所述的回热式多级同轴膨胀机，其特征在于，所述多级回流器，多级导流器的曲面结构使得多级排气流道为渐扩型。

8.  根据权利要求1所述的回热式多级同轴膨胀机，其特征在于，所述多级工作轮均为半开式结构，或者均为闭式结构，或者上述为两种结构的任意组合；所述多级工作轮的叶片数为8～20片。

9.  根据权利要求1所述的回热式多级同轴膨胀机，其特征在于， 所述多级喷嘴均配置为固定叶片喷嘴，或均配置为可调喷嘴，或所述多级喷嘴配置为上述两种喷嘴的任意组合；所述固定叶片喷嘴的叶片数为9～15片。

10.  根据权利要求1-8任一项所述的回热式多级同轴膨胀机，其特征在于，每一级膨胀气体均引出机体进行回热再进入下一级膨胀，回热后温度为80～120℃；每一级进气压力为1.5～10MPa，进气流量为6000～100000Nm3/h；所述回热式多级同轴膨胀机工作转速为20000～40000r/min，输出轴功率为0.5～10MW。

说明书一种回热式多级同轴膨胀机
技术领域
本发明涉及能量储存回收领域，特别是涉及一种用于发电的回热式多级同轴膨胀机的设计。
背景技术
本发明涉及一种回热式多级同轴膨胀机，要解决的技术问题是如何实现多级同轴膨胀机的多级热力学参数优化配置和多级回热结构的合理设计。所述回热式多级同轴膨胀机具有结构简单紧凑，运行稳定，振动小，效率高，不产生温室气体，具有回收中低温余热和废热等优点。
空气透平膨胀机是压缩空气储能发电系统的核心设备，其是实现接近绝热等熵膨胀过程的一种有效机械。尤其在能源的综合利用方面，透平膨胀机作为回收能量的机械也得到了广泛的应用。
目前单级透平膨胀机的发展已经日臻成熟，广泛应用于低温制冷和空分行业，但是当作为能量回收机械时，工质比焓降较大，单级膨胀机的效率低，尺寸大，转速高，已经无法满足要求，为了提高各级效率需采用多级膨胀。多级膨胀有三种基本方案，第一种是同轴多级径轴流式膨胀机，第二种是独立的多轴多级径轴流式膨胀机，第三种是多级轴流式膨胀机。第一种方案结构简单紧凑，尺寸易于放大，进口压力比较高，较宜用于中小功率能量回收领域。第二种方案能够使每一级互相不受影响，较容易配置各级最佳参数，但是用于大功率时会导致机组体积大，机组多，不易管理；第三种方案已被陕鼓动力公司广泛应用于高炉煤气回收装置，但是其适用于大功率，较低的进口压力和较大的体积流量场合，效率也没有径轴流式高。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何实现多级同轴膨胀机的各级热力学参数优化配置和多级回热结构的合理设计。
（二）技术方案
为解决上述技术问题，提供一种新型回热式多级同轴膨胀机，包括膨胀机系统和回热系统，所述膨胀机系统包括壳体1、止推轴承2、主轴3、迷宫密封机构4、多级回流器、多级工作轮、多级喷嘴、多级导流器和支撑轴承15；所述回热系统由与所述膨胀机系统级数相同的换热器组成。
根据本发明的回热式多级同轴膨胀机方案，高压空气首先经过一级换热器预热至一定温度，然后顺次流经每一级喷嘴和工作轮进行膨胀做功，每一级工作轮出口膨胀后的常温气体都会被引出机体进入级间管壳式换热器进行回热，再进入下一级喷嘴和工作轮膨胀做功。回热系统的热水所需的热量通过整个储能系统的压缩热或者其他一些废热和工业余热提供。
膨胀机运行时的轴向力克服主要通过一二级工作轮的对置产生的相反推力抵消，剩余部分通过止推轴承的双止推面克服。
优选地，所述壳体1为水平剖分式结构，多级进气流道型线均为渐变式螺旋线，多级排气流道型线为渐变式螺旋线，或者等直径圆周线，或者上述两种型线的任意组合。
优选地，所述膨胀机系统级数设计为2～10级。
优选地，所述换热器的类型为管壳式换热器、套管式换热器，板翅式换热器中的任何一种。
优选地，所述止推轴承2为可倾瓦式结构的滑动轴承，具有双止推面；或者为两个具有单止推面的止推轴承的组合。
优选地，所述迷宫密封机构4中间开槽，通入密封气进行双面密封，密封齿数为6～30。
优选地，所述多级回流器，多级导流器的曲面结构使得多级排气 流道为渐扩型。
优选地，所述多级工作轮均为半开式结构，或者均为闭式结构，或者上述为两种结构的任意组合；所述多级工作轮的叶片数为8～20片。
优选地，所述多级喷嘴均配置为固定叶片喷嘴，或均配置为可调喷嘴，或所述多级喷嘴配置为上述两种喷嘴的任意组合；所述固定叶片喷嘴的叶片数为9～15片。
优选地，每一级膨胀气体均引出机体进行回热再进入下一级膨胀，回热后温度为80～120℃；每一级进气压力为1.5～10MPa，进气流量为6000～100000Nm3/h；所述回热式多级同轴膨胀机工作转速为20000～40000r/min，输出轴功率为0.5～10MW。
（三）有益效果
本发明所设计的回热式多级同轴膨胀机具有结构简单紧凑，运行稳定，振动小，效率高，不产生温室气体，能够回收中低温余热和废热等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种回热式多级同轴膨胀机的膨胀机系统结构示意图；
图2是一种回热式多级同轴膨胀机的膨胀机系统和回热系统工作示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明提供了一种新型回热式多级同轴膨胀机，其壳体1为水平剖分式结构，便于拆装检修和多级转子结构的安装和定位；多级进气流道型线均为渐变式螺旋线或者其他渐变式型线，使气流从流道均匀的分配到多级喷嘴中，减少了能量损失。经过热力学计算，工作轮参数和转速优化配置后本实施例膨胀机级数采用三级。通过调整进气参数，级数范围能够推广到2到10级。
在本实施例中，止推轴承2为双面推力滑动轴承，进一步减短膨胀机轴向长度，使其结构更加紧凑，具有更佳的转子动力学表现，同时保证主轴3轴向窜动在0.3mm以内，支撑轴承15在主轴3的另一端起到对主轴3的固定支撑作用。根据实际需要，主轴3的固定能够替换为两个单面推力止推轴承。迷宫密封机构4的材料选用铝或者其他适宜的材料，中间通入一定压力的密封气，气源是某一级的排气或者进气，同时起到油封和气封的作用。密封机构4需与转子主轴保持一定的微小间隙，通常为0.1～0.15mm，以防止刮坏密封齿。
在本实施例中，一级回流器5，一级喷嘴8，二级喷嘴9和二级回流器10轴向通过数个螺钉紧固以彼此压紧，这样保证气流全部经过喷嘴膨胀而不会通过彼此之间的间隙泄露，同时，整体的轴向位置由一级回流器5的定位卡槽决定，其配合方式为间隙或者过盈配合。二级导流器11，三级喷嘴12和三级回流器14的固定方式与此方法类似。
在本实施例中，一级工作轮6，二级工作轮7和三级工作轮13均为半开式结构，其与各回流器的间隙由加工精度保证，使其少泄露气体的同时又留有一定的轴向窜动余量。
在本实施例中，一级工作轮6和二级工作轮7为对置结构，这样大大减小转子所承受的轴向力。该设计在本实施例中还能采用其他两级对置或者反置。
在本实施例中，转子上各零件的轴向位置由套筒和锁紧螺母固定，主轴和转子上其他零件之间的连接为过盈配合或者键连接。
如图2所示，在本实施例中，回热系统由三台管壳式换热器或者 其他诸如套管式，板翅式换热器构成；在所述工作示意图中包括，一级膨胀机T1，二级膨胀机T2，三级膨胀机T3，一级换热器H1，二级换热器H2，三级换热器H3。
所述回热式多级同轴膨胀机工作过程如下：压缩空气经过一级换热器H1预热，进入一级膨胀机T1做功后经二级换热器H2回热后进入二级膨胀机T2做功，做功后的压缩空气经三级换热器H3回热后进入三级膨胀机T3做功。
所述换热器工作原理：空气在壳程流动，热水在管程流动，每一级的空气经过回热均能保证进口温度为100℃左右。
在本实施例中，高压空气由整个储能系统中的压缩气源提供，其压力在1.5～10MPa之间可调，进气流量在0～10000Nm3/min之间可调，可根据具体设计参数进行不同配置。
在本实施例中，主轴输出转速为30000r/min左右，实现输出功率变化范围在0～600KW之间，通过减速器减速，带动普通发电机进行发电并网。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。