[发明专利]一种多级向心透平系统

说明书

技术领域

本发明涉及透平技术领域，是一种带再热的多级向心透平系统。

背景技术

向心透平具有结构简单紧凑、制造工艺简单、造价低廉、安装方便、效率高(目前的单级向心透平等熵效率可以达到90％以上)、单级膨胀比高(单级向心透平能代替两级甚至更多的轴流透平)等特点。广泛应用于中小型燃气轮机、涡轮增压器、制冷装置和液化装置的膨胀透平等。

目前，从已公开的资料来看，向心透平大多是单级，且最大单级膨胀比为15。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，从已经公开的资料也很少见到多级向心透平系统。随着进口压力的要求越来越高，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。特别是气体在高压情况下，工质体积流量较小，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下仍能保持很高的效率，但单级向心透平的膨胀比有限，所以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多级向心透平系统，是新型的带再热的多级向心透平，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、多根转动轴及多根管道；其中：

向心透平组包括多级向心透平，向心透平的级数为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，没级是1个向心透平、或是多个向心透平，没两个向心透平共转动轴背靠背固接；各级向心透平经换热器、多根管道相通连；

多根转动轴分别与齿轮变速箱连接，齿轮变速箱同主轴连接，并通过主轴输出轴功，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(热值)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，是第一级向心透平和第二级向心透平通过转动轴以背靠背的方式固接，第三级向心透平和第四级向心透平通过另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；

多根转动轴分别与齿轮变速箱连接；

第一级向心透平经管路、换热器与第二级向心透平相通连；第二级向心透平经管路、换热器与第三级向心透平相通连；第三级向心透平经管路、换热器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，再经另一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，向心透平组膨胀产生的轴功通过齿轮变速箱变速后由主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，是空气、氮气、氧气、二氧化碳、天然气、氟利昂或水蒸气。

所述的多级向心透平系统，其所述向心透平系统的向心透平个数为偶数，每两个向心透平通过速度匹配具有相同的旋转速度，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，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，是套管式、管壳式、夹套式、蓄热式、混合式或沉浸蛇管式，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(热值)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。