[发明专利]用于涡轮膨胀机中的可变几何形状入口喷嘴的方法和系统

说明书

技术领域

本文公开的主题实施例一般地涉及功率发生系统，且更特别地涉及涡轮膨胀机。

背景技术

兰金循环在闭式循环中使用工作流体，以便收集来自加热源或储热器中的热量，并产生通过涡轮而膨胀的热气流，从而产生功率。膨胀流在冷凝器中通过将热量传递给储冷器而冷凝，并且再次用泵加压至加热压力从而完成循环。功率发生系统例如燃气轮机或往复式发动机(初级系统)产生热的排气，其或者用于后续功率生产过程(通过次级系统)或作为废热损失于环境中。例如可在废热回收系统中回收大型发动机的排气，用于生产额外的功率，从而提高整个系统效率。图1中显示了在兰金循环中操作的普通废热功率发生系统。

功率发生系统1包括热交换器2(也被称为锅炉或蒸发器)、涡轮膨胀机4、冷凝器6和泵8。在操作过程中，从热交换器2开始，外部热源10(例如热的烟道气)加热热交换器2。这造成所接收的加压液体介质12转化成加压蒸气14，其流向涡轮膨胀机4。涡轮膨胀机4接收加压蒸气流14，并可随着加压蒸气膨胀而产生功率16。由涡轮膨胀机4释放的膨胀的低压蒸气流18进入冷凝器6，冷凝器6使膨胀的低压蒸气流18冷凝成低压液体流20。然后低压液体流20进入泵8，泵8产生高压液体流12，并保持闭环系统流动。然后高压液体流12流入热交换器2中，以继续该过程。

可用于兰金循环中的一种工作流体是有机工作流体。此类有机工作流体被称为有机兰金循环(ORC)流体。ORC系统已经作为用于发动机的改型以及小型和中型燃气轮机而被部署，用于捕获来自热烟道气流的废热。此废热可用于次级功率发生系统中，从而在由产生热的烟道气的发动机单独传送的功率之上还产生高达额外20％的功率。

因为此类碳氢化合物流体如果直接暴露于高温(～500摄氏度)燃气轮机排气流下会降解和/或点燃的问题，需要采取措施以限制包含ORC工作流体的蒸发器中的热交换表面的表面温度。当前用于限制包含ORC工作流体的蒸发器中的热交换表面的表面温度的方法是将中间热油环路引入到热交换系统中，即避免ORC液体循环而穿过燃气轮机的排气烟囱。在热的烟道气和可蒸发的ORC流体之间可使用中间热油环路作为中间热交换器的一部分。

如上所述，在功率发生系统中使用了涡轮膨胀机4。涡轮膨胀机4可以是离心式或轴流式涡轮，通过该涡轮使高压气体膨胀，从而产生功，该功可用于产生功率。图2和图3中显示了涡轮膨胀机4的一部分的示例，其由美国专利No.5,841,104(‘104专利)复制而来，其整个内容通过引用而结合在本文中。图2显示了径向内流式涡轮机中的可变喷嘴装置。径向内流式涡轮机具有带环形入口104的外壳102。固定环板106定位在环形入口104的一侧。喷嘴调整系统设于环形入口104的另一侧。调整环108布置在夹紧环110的径向外侧。调整环108能够围绕夹紧环110而旋转，而锚定在固定环板106中的喷嘴枢轴销112防止夹紧环旋转。

叶片114定位在环形入口104周围。这些叶片定位在一侧的固定环板106和另一侧的夹紧环110和调整环108之间。叶片114构造成在它们之间提供流线型流动路径。该路径在横截面积上可基于叶片114的旋转位置而增加或减少。叶片114枢转地安装在喷嘴枢轴销112周围。在图3中以重迭的虚影显示了叶片114相对于夹紧环110的相对位置。

在‘104专利中，喷嘴调整机构包括凸轮和凸轮随动件机构。如图3中所示，凸轮随动件116从销112的轴线侧向移动，并被轴固定在叶片114中。凸轮随动件116围绕轴自由地旋转。为了与凸轮随动件116协作，在调整环108中布置了呈偏压槽118形式的凸轮。它们尺寸设置成容纳凸轮随动件116，从而在调整环108旋转时容许自由滚动运动。叶片114、凸轮随动件116、偏压槽118和调整环108的此布置使得叶片114的开度线性地依赖于调整环108的旋转。所以通过调整叶片114，可控制容许进入涡轮膨胀机4中的流体数量。

在一些情况下，涡轮膨胀机4可具有多个膨胀级，并且各级具有一组入口导向叶片114以控制流体流。然而，控制多个膨胀级中的叶片114可能改变功率发生系统中的各种参数，这在传统的功率发生系统中可能导致困难，例如不能在优化功率输出效率时调整系统压力。

因此用于更有效地操作功率发生系统的系统和方法是所期望的。

发明内容