(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 1120960 A(43)申请公布日 2020.12.18
(21)申请号 202010970779.5(22)申请日 2020.09.15
(71)申请人 中国船舶重工集团公司第七一一研
究所
地址 201108 上海市闵行区华宁路3111号(72)发明人 徐明照 安娜 袁玮玮 杨小强
刘释杰 翁恺 高培文 (74)专利代理机构 上海华祺知识产权代理事务
所(普通合伙) 31247
代理人 刘卫宇(51)Int.Cl.
F01D 5/14(2006.01)F01D 5/30(2006.01)F01D 9/04(2006.01)F01D 11/00(2006.01)
权利要求书1页 说明书3页 附图2页
F01D 25/00(2006.01)
CN 1120960 A(54)发明名称
径流式透平膨胀机结构(57)摘要
一种径流式透平膨胀机结构，包括进气管、静轮盘、导流锥、叶轮、转轴、动叶轮盖和排气导流环。进气管与静轮盘的背面相连，静轮盘的正面设有多个延周向间隔排列的静叶片，多个静叶片环绕在静轮盘的中心通孔周围，每相邻的两个静叶片之间的间隙构成喷嘴；导流锥的底部与多
叶轮套设于转轴外，并与个静叶片的顶部相连；
转轴相连；叶轮的正面设有多个延周向间隔排列的动叶片；动叶轮盖为环状，动叶轮盖的底面与多个动叶片的顶部连接。多个动叶片环绕在多个喷嘴的周围；排气导流环环绕设置在叶轮的周围，并与静轮盘相对，排气导流环与静轮盘之间的环形间隙构成排气通道。本发明工作时内部的工质气体流向为离心式径流，且高效可靠，结构紧凑。
CN 1120960 A
权 利 要 求 书
1/1页
1.一种径流式透平膨胀机结构，其特征在于，包括进气管、静轮盘、导流锥、叶轮、转轴、动叶轮盖和排气导流环；
所述进气管的一端与所述静轮盘的背面相连，所述静轮盘的正面设有多个延周向间隔排列的静叶片，所述多个静叶片环绕在静轮盘的中心通孔周围，每相邻的两个静叶片之间的间隙构成喷嘴；
所述导流锥的底部与多个静叶片的顶部相连；所述叶轮套设于转轴外，并与转轴相连；所述叶轮的正面设有多个延周向间隔排列的动叶片；所述动叶轮盖为环状，所述动叶轮盖的底面与多个动叶片的顶部连接，所述多个动叶片环绕在多个所述喷嘴的周围；
所述排气导流环环绕设置在所述叶轮的周围，并与所述静轮盘相对，排气导流环与静轮盘之间的环形间隙构成排气通道。
2.根据权利要求1所述的径流式透平膨胀机结构，其特征在于，所述径流式透平膨胀机结构包括动叶轮盖密封件，所述动叶轮盖密封件安装在所述静轮盘上，并与动叶轮盖的顶面密封配合。
3.根据权利要求2所述的径流式透平膨胀机结构，其特征在于，所述动叶轮盖密封件为非接触式碳环密封。
4.根据权利要求1所述的径流式透平膨胀机结构，其特征在于，所述径流式透平膨胀机结构包括叶轮外周密封件，所述叶轮外周密封件安装在所述排气导流环的内周面，并与所述叶轮的外周面密封配合。
5.根据权利要求4所述的径流式透平膨胀机结构，其特征在于，所述叶轮外周密封件为非接触式碳环密封。
6.根据权利要求1所述的径流式透平膨胀机结构，其特征在于，所述排气导流环固定于膨胀机的壳体。
7.根据权利要求1所述的径流式透平膨胀机结构，其特征在于，所述叶轮设有平衡孔，以降低叶轮正面与叶轮背面之间的压差。
8.根据权利要求1所述的径流式透平膨胀机结构，其特征在于，所述叶轮与所述转轴的一端相连。
9.根据权利要求1或8所述的径流式透平膨胀机结构，其特征在于，所述转轴与所述叶轮的中心孔采用型面连接。
10.根据权利要求1所述的径流式透平膨胀机结构，其特征在于，所述导流锥的锥顶穿过静轮盘的中心通孔并伸入到所述进气管内。
2
CN 1120960 A
说 明 书径流式透平膨胀机结构
1/3页
技术领域
[0001]本发明涉及透平机技术。
背景技术
[0002]透平作为一个动力循环中的关键部件，对于它的研究也相当重要。目前，透平主要分为轴流式透平和径流式透平。轴流式透平一般设计为多级，流量大，输出功率大。但因不同半径处的旋转线速度不同，叶片一般较长且扭曲，反动度跟速比沿叶高变化较快，不能一直处于最佳速比状态。径流式透平分为离心和向心两类，向心透平的叶轮形状与半开式离心压气机叶轮的形状及其相似，叶轮上的叶片由径向直叶片和出口的旋转导向叶片组合形成，具有较好的强度和刚度；其缺点是转速较高，在透平的输出端往往需要配置速比较大的减速器；一般设计为单级，焓降大，在流动方向，叶高变化剧烈，流量受到，气动与几何不相容，只能用于小流量，轴功率在1MW以内。 离心透平是轴向进气，一般设计为多级，各级焓降分配合理，可利用余速和重热； 流量比向心大，焓降大，一般在1MW~25MW 。[0003]在本世纪初，随着ORC技术的兴起，有机工质较水蒸汽而言分子量大，音速低，易形成超音速流动，离心透平可采用多级设计，各级焓降合理分配，利用余速和重热，能够有效提高整机热效率。离心式透平在同等装机容量下，效率高，体积小，转速低，振动低，噪音小，检维修方便，这些优势很快就被业内所关注。发明内容
[0004]本发明所要解决的技术问题在于提供一种工作时内部的工质气体流向为离心式径流、高效可靠、结构紧凑、节能的径流式透平膨胀机结构。[0005]本发明实施例提供了一种径流式透平膨胀机结构，包括进气管、静轮盘、导流锥、叶轮、转轴、动叶轮盖和排气导流环；进气管的一端与静轮盘的背面相连，静轮盘的正面设有多个延周向间隔排列的静叶片，多个静叶片环绕在静轮盘的中心通孔周围，每相邻的两个静叶片之间的间隙构成喷嘴；导流锥的底部与多个静叶片的顶部相连；叶轮套设于转轴外，并与转轴相连；叶轮的正面设有多个延周向间隔排列的动叶片；动叶轮盖为环状，动叶轮盖的底面与多个动叶片的顶部连接，多个动叶片环绕在多个喷嘴的周围；排气导流环环绕设置在叶轮的周围，并与静轮盘相对，排气导流环与静轮盘之间的环形间隙构成排气通道。
[0006]上述的径流式透平膨胀机结构，其中，径流式透平膨胀机结构包括动叶轮盖密封件，动叶轮盖密封件安装在静轮盘上，并与动叶轮盖的顶面密封配合。[0007]上述的径流式透平膨胀机结构，其中，径流式透平膨胀机结构包括叶轮外周密封件，叶轮外周密封件安装在排气导流环的内周面，并与叶轮的外周面密封配合。[0008]上述的径流式透平膨胀机结构，其中，叶轮设有平衡孔，以降低叶轮正面与叶轮背面之间的压差。
[0009]上述的径流式透平膨胀机结构，其中，叶轮与所述转轴的一端相连。
3
CN 1120960 A[0010]
说 明 书
2/3页
上述的径流式透平膨胀机结构，其中，转轴与叶轮的中心孔型面连接。
[0011]本发明包括以下优点和特点：
1、与传统的径流式透平膨胀机为向心式结构相比，本发明实施例的径流式透平膨胀机结构内的气体流向为离心式径流；
2、导流锥与静轮盘连为一体，与常规导流锥装在叶轮上相比，大大减小了转轴的轴向力，提高了轴承的运行可靠性；
3、可根据工况设计成单盘单级或单盘多级的轮盘形式，转速低，转轴可与发电机直联，省去齿轮箱结构；叶高变化较小，兼具了高效率、高可靠性、结构紧凑等特点；
4、动叶轮盖顶面与动叶轮盖密封件密封配合，减少由叶顶间隙导致的内泄漏；叶轮开设平衡孔加上叶轮的外圆周面与叶轮外周密封件密封配合，在减小了轴向力的同时控制住泄漏量不致增大，保证透平膨胀机的高效运行；
5、叶轮采用悬臂结构，并与转轴型面联接，减少了传递功率损失，在较小的尺寸下可传递较大的扭矩，同时又便于拆卸。附图说明
[0012]图1示出了根据本发明第一实施例的径流式透平膨胀机内部流道示意图。[0013]图2示出了根据本发明第一实施例的静轮盘的立体结构示意图。[0014]图3示出了根据本发明第一实施例的叶轮的立体结构示意图。
具体实施方式
[0015]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。[0016]请参考图1至图3。根据本发明一实施例的选一种径流式透平膨胀机结构包括进气管1、静轮盘2、导流锥3、叶轮4、转轴5、动叶轮盖6、排气导流环7、动叶轮盖密封件8和叶轮外周密封件9。
[0017]进气管1的一端与静轮盘2的背面相连，连接的方式包括但不限于螺栓连接、焊接等。静轮盘2的正面设有多个延周向间隔排列的静叶片21，多个静叶片21环绕在静轮盘2的中心通孔20周围，每相邻的两个静叶片21之间的间隙构成喷嘴23，喷嘴23可对气体进行降压加速。静叶片21可随静轮盘本体一体加工成型或采用各个叶片组装形式。[0018]导流锥3的底部与多个静叶片21的顶部相连（本实施例采用焊接连接的方式），导流锥3的锥顶穿过静轮盘2的中心通孔20并伸入到进气管1内。进气管1、静轮盘2与导流锥3共同构成透平膨胀机结构的进气部分。导流锥3与静轮盘2相连接，其优点是透平膨胀机结构入口的高压气体产生的轴向推力由静部件承受，从而大大减少了转轴5受到的轴向推力，降低了轴承设计难度。
[0019]叶轮4套设于转轴5外，并与转轴5相连。在本实施例中，叶轮4与转轴5的一端相连，形成悬臂结构。转轴5与叶轮4的中心孔40之间采用三角型面连接形式，其优点是传动轴在较小的尺寸下可传递较大的扭矩，同时又便于拆卸。叶轮4的正面加工有多个延周向间隔排列的动叶片41（动叶片的含义并非是叶片自身可以运动，而是指动叶片可跟随叶轮一起旋转）。动叶轮盖6为环状，动叶轮盖6的底面与多个动叶片41的顶部连接。在本实施例中，动叶轮盖6的底面与多个动叶片51的顶部焊接连接。动叶轮盖6与动叶片41共同构成封闭流道，
4
CN 1120960 A
说 明 书
3/3页
可以降低气体的流动损失。多个动叶片41环绕在多个喷嘴23的周围，如此，从喷嘴23输出的气体可以从相邻两个动叶片41之间的间隙43处排出。[0020]由于动叶片51的进出口仍存在少许的压降，为了进一步降低转子受到的轴向推力，可选地，叶轮4开设有平衡孔45，以降低叶轮正面与背面的压差，从而减小轴向力。[0021]排气导流环7环绕设置在叶轮4的周围，并与静轮盘2相对，排气导流环7与静轮盘4之间的环形间隙构成排气通道70。叶轮4、转轴5与动叶轮盖6共同构成了轴系。静轮盘2与排气导流环7共同构成了透平膨胀机结构的排气部分。[0022]动叶轮盖密封件8安装在静轮盘2上，并与动叶轮盖6的顶面密封配合，以减少动叶轮盖6外侧的气体泄漏量。叶轮外周密封件9安装在排气导流环7的内周面，并与叶轮4的外周面密封配合，以减小叶轮背面向排气端的气体泄漏量。
[0023]上述的密封配合可以是接触式密封也可以是非接触式密封。在本实施例中，动叶轮盖密封件8和叶轮外周密封件9分别由第一非接触式碳环密封和第二非接触式碳环密封构成，第一非接触式碳环密封与静轮盘2通过螺栓相连，第二非接触式碳环密封与排气导流环7通过螺栓相连。排气导流环7固定于膨胀机的壳体。通过设置密封件，可减少透平膨胀机结构的内泄漏，提高效率。
[0024]透平膨胀机内部的工质流动过程为：工质由进气管1沿轴向流入，经导流锥3转向后，由轴向转变为径向，流入静轮盘2上的喷嘴23进行加速，随后进入叶轮4上的动叶片41之间的间隙43，推动叶轮4旋转，做完功的气体进入静轮盘2与排气导流环7构成的排气通道70，从透平膨胀机结构排出。工质在透平膨胀机结构内的流动路线如图1中的箭头所示。[0025]本发明实施例的动叶片采用直叶片，且顶部与动叶轮盖连接形成闭式叶轮，减少密封泄漏损失；同时，气动与几何相容，沿叶高均可设计在最佳速比，在离心力的作用下，具有优越的带液处理能力，满足透平稳定可靠、高效节能的设计要求，并达到节能减排的效果。
5
CN 1120960 A
说 明 书 附 图
1/2页
图1
6
CN 1120960 A
说 明 书 附 图
2/2页
图2
图3
7
