適用于二級有機朗肯循環的雙工質膨脹機的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種流體膨脹機。特別是涉及一種用于內燃機余熱利用的適用于二級 有機朗肯循環的雙工質膨脹機
【背景技術】
[0002] 內燃機余熱回收中，有機朗肯循環因其效率高、適應性強、運行穩定等優勢成為主 要回收技術之一。為了進一步提高有機朗肯循環對于排氣與缸套水的回收效率，采用二級 有機朗肯循環成為一種有效途徑，利用高溫級有機朗肯循環適應高品位排氣余熱、品位降 級后與低品位缸套水再去適應低溫級有機朗肯循環。二級有機朗肯循環中，高低溫級循環 都需要膨脹機裝置將流體能量轉換成機械功，即存在一個高溫級膨脹機與一個低溫級膨脹 機。在內燃機余熱回收裝置中，由于經常涉及移動式內燃機，因此小型化和輕量化成為回收 裝置的重大需求。回收裝置中兩個膨脹機的設計同時需要兩套各自的潤滑系統，密封系統， 冷卻系統，傳動系統等膨脹機輔助系統，很大程度上增加了設備的復雜程度，不利于設備的 小型化與輕量化。因此，提出用一個膨脹機裝置來實現高低溫級不同工質的膨脹做功過程， 這種膨脹機可以稱之為雙工質膨脹機。一方面，雙工質膨脹機可以實現不同工質在一個膨 脹機裝置中實現做功，從而只需要采用一套潤滑系統，密封系統，冷卻系統，傳動系統等膨 脹機輔助系統，有利于裝置的小型化和輕量化；另一方面，高低溫級的膨脹作用可以互補， 在特定工況下高低溫級存在一級膨脹過程動力不足情況下，仍能主要依靠另一級帶動輸出 功率。
【發明內容】
[0003] 本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠使二級有機朗肯循環系統的高低溫 級膨脹機集成一體的適用于二級有機朗肯循環的雙工質膨脹機。
[0004] 本發明所采用的技術方案是：一種適用于二級有機朗肯循環的雙工質膨脹機，包 括有氣缸體，設置在所述氣缸體內并徑向設置有多數個滑片的轉子，固定連接在所述轉子 中心的旋轉軸，所述氣缸體是由兩個長半軸不相等而短半軸相等的半橢圓形結構對接而形 成一體的環形結構，所述的轉子的外周面在氣缸體的兩個半橢圓形結構對接處能夠旋轉的 與所述氣缸體的內周面相切，所述的轉子的兩側與所述的氣缸體之間分別形成有用于低溫 級大流量、小膨脹比工質膨脹的低溫級循環基元容積和用于高溫級小流量、大膨脹比工質 膨脹的高溫級循環基元容積，所述的氣缸體的缸體壁上設置有與低溫級循環基元容積相連 通的第一進氣口和第一排氣口，以及與高溫級循環基元容積相連通的第二進氣口和第二排 氣口。
[0005] 所述的轉子與所述的旋轉軸之間是通過鍵結構而相互固定連接。
[0006] 所述的轉子上沿徑向開有多數個滑槽，所述滑槽的開口位于所述轉子的外周壁 上，所述的滑片能沿徑向自由滑動的插入到所述滑槽內。
[0007] 所述的兩個半橢圓形結構的型線方程分別為： CN 105134299 A 說明書 2/3 頁
[0009] 式中P為曲線的矢徑，Φ為矢徑的坐標極角，rJPr2為各圓弧部分的長半徑，R 1和私分別為各圓弧部分的短半徑。
[0010] 所述第一進氣口和第二進氣口直徑的大小與對應進入低溫級循環基元容積和高 溫級循環基元容積的工質流量的大小成正比。
[0011] 本發明的適用于二級有機朗肯循環的雙工質膨脹機，將二級有機朗肯循環的高低 溫級膨脹機裝置集成一體，只需要一套潤滑系統、密封系統、冷卻系統，傳動系統膨脹機輔 助系統，以滑片式膨脹機的形式讓兩種工質于同一裝置中同時膨脹做功，避免了原有的兩 個膨脹機裝置以及兩套輔助系統，可以有效地進行循環各部件的空間布置，減輕了余熱回 收裝置的重量，降低了由于回收裝置所產生的油耗增加。本發明實現二級有機朗肯循環兩 種工質在一個膨脹機裝置中實現做功，有利于裝置的小型化和輕量化。
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發明雙工質膨脹機的整體結構示意圖；
[0013] 圖2是本發明中氣缸體的整體結構示意圖；
[0014] 圖3是本發明中氣缸體的正面結構示意圖；
[0015] 圖4是本發明中轉子的整體結構示意圖。
[0016] 圖中：
[0017] 1 :轉子 2:氣缸體
[0018] 3 :滑槽 4 :滑片
[0019] 5 :旋轉軸 6 :低溫級循環基元容積
[0020] 7:高溫級循環基元容積 8:第一進氣口
[0021] 9:第一排氣口 10:第二進氣口
[0022] 11:第二排氣口 12:鍵結構
【具體實施方式】
[0023] 下面結合實施例和附圖對本發明的適用于二級有機朗肯循環的雙工質膨脹機做 出詳細說明。
[0024] 如圖1、圖2、圖3所示，本發明的適用于二級有機朗肯循環的雙工質膨脹機，包括 有氣缸體2,設置在所述氣缸體2內并徑向設置有多數個滑片4的轉子1，固定連接在所述 轉子1中心的旋轉軸5,所述的轉子1與所述的旋轉軸5之間是通過鍵結構12而相互固定 連接。所述氣缸體2是由兩個長半軸不相等而短半軸相等的半橢圓形結構對接而形成一體 的環形結構。所述的兩個半橢圓形結構的型線方程分別為：
[0026] 式中P為曲線的矢徑，Φ為矢徑的坐標極角，為各圓弧部分的長半徑，R1 和私分別為各圓弧部分的短半徑。
[0027] 所述的轉子1的外周面在氣缸體2的兩個半橢圓形結構對接處能夠旋轉的與所述 氣缸體2的內周面相切，所述的轉子1的兩側與所述的氣缸體2之間分別形成有月牙形的 用于低溫級大流量、小膨脹比工質膨脹的低溫級循環基元容積6和用于高溫級小流量、大 膨脹比工質膨脹高溫級循環基元容積7,所述的氣缸體2的缸體壁上設置有與低溫級循環 基元容積6相連通的第一進氣口 8和第一排氣口 9,以及與高溫級循環基元容積7相連通的 第二進氣口 10和第二排氣口 11。所述第一進氣口 8和第二進氣口 10直徑的大小與對應 進入低溫級循環基元容積6和高溫級循環基元容積7的工質流量的大小成正比。所述的第 一排氣口 9和第二排氣口 11的直徑與對應進入低溫級循環基元容積6和高溫級循環基元 容積7的工質流量的大小和膨脹比成正比。低溫級循環基元容積6和高溫級循環基元容積 7中，容積變化率比較大的高溫級循環基元容積7適應于膨脹比較大的流體，容積變化率比 較小的低溫級循環基元容積6,適應于膨脹比較小的流體。
[0028] 對于二級有機朗肯循環較優工質對組合而言，高溫級工質（如甲苯）具有小流量、 大膨脹比的特點，而低溫級工質（如R143a)具有大流量、小膨脹比的特點。因此，高溫級工 質通入第二進氣口 10經基元容積變化而膨脹后在第二排氣口 11排出，低溫級工質通入第 一進氣口 8經基元容積變化而膨脹后在第一排氣口 9排出。
[0029] 如圖4所示，所述的轉子1上沿徑向開有多數個滑槽3,所述滑槽3的開口位于所 述轉子1的外周壁上，所述的滑片4能沿徑向自由滑動的插入到所述滑槽3內。當轉子1 旋轉時，滑片4受離心力作用從滑槽3中甩出，滑片4的端部緊貼在氣缸體2內表面上，將 月牙形空間分割形成若干扇形小室的基元容積。
[0030] 本發明的適用于二級有機朗肯循環的雙工質膨脹機，作為一種雙工質膨脹裝置， 可具體用于移動式內燃機的二級有機朗肯循環中。在移動式內燃機余熱裝置空間有限的情 況下，本發明可以將高低溫級膨脹機裝置集成一體，只需要一套潤滑系統、密封系統、冷卻 系統，傳動系統膨脹機輔助系統，避免了原有的兩個膨脹機裝置以及兩套輔助系統，可以有 效地進行循環各部件的空間布置，減輕了余熱回收裝置的重量，降低了由于回收裝置所產 生的油耗增加。例如，針對一臺熱源溫度為470°C的柴油機，性能較好的高低溫級工質對包 括甲苯/R143a，環己烷/R143a等，均存在高溫級工質小流量、大膨脹比的特點，而低溫級工 質大流量、小膨脹比的特點，本發明中氣缸體兩側不同的型線設計以及兩隊不同進出口設 計能很好適應這些特點，實現雙工質在同一膨脹機中膨脹做功的過程。
【主權項】
1. 一種適用于二級有機朗肯循環的雙工質膨脹機，包括有氣缸體（2)，設置在所述氣 缸體（2)內并徑向設置有多數個滑片（4)的轉子（1)，固定連接在所述轉子（1)中心的旋轉 軸（5)，其特征在于，所述氣缸體（2)是由兩個長半軸不相等而短半軸相等的半橢圓形結構 對接而形成一體的環形結構，所述的轉子（1)的外周面在氣缸體（2)的兩個半橢圓形結構 對接處能夠旋轉的與所述氣缸體（2)的內周面相切，所述的轉子（1)的兩側與所述的氣缸 體（2)之間分別形成有用于低溫級大流量、小膨脹比工質膨脹的低溫級循環基元容積（6) 和用于高溫級小流量、大膨脹比工質膨脹的高溫級循環基元容積（7)，所述的氣缸體（2)的 缸體壁上設置有與低溫級循環基元容積（6)相連通的第一進氣口（8)和第一排氣口（9)，以 及與高溫級循環基元容積（7)相連通的第二進氣口（10)和第二排氣口（11)。2. 根據權利要求1所述的適用于二級有機朗肯循環的雙工質膨脹機，其特征在于，所 述的轉子（1)與所述的旋轉軸（5)之間是通過鍵結構（12)而相互固定連接。3. 根據權利要求1所述的適用于二級有機朗肯循環的雙工質膨脹機，其特征在于，所 述的轉子（1)上沿徑向開有多數個滑槽（3)，所述滑槽（3)的開口位于所述轉子（1)的外周 壁上，所述的滑片（4)能沿徑向自由滑動的插入到所述滑槽（3)內。4. 根據權利要求1所述的適用于二級有機朗肯循環的雙工質膨脹機，其特征在于，所 述的兩個半橢圓形結構的型線方程分別為：式中P為曲線的矢徑為矢徑的坐標極角，rJPr2為各圓弧部分的長半徑，RJPR2 分別為各圓弧部分的短半徑。5. 根據權利要求1所述的適用于二級有機朗肯循環的雙工質膨脹機，其特征在于，所 述第一進氣口（8)和第二進氣口（10)直徑的大小與對應進入低溫級循環基元容積（6)和 高溫級循環基元容積（7)的工質流量的大小成正比。
【專利摘要】一種適用于二級有機朗肯循環的雙工質膨脹機，包括有氣缸體，設置在氣缸體內并徑向設置有多數個滑片的轉子，固定連接在轉子中心的旋轉軸，氣缸體是由兩個長半軸不相等而短半軸相等的半橢圓形結構對接而形成一體的環形結構，轉子的外周面在氣缸體的兩個半橢圓形結構對接處能夠旋轉的與氣缸體的內周面相切，轉子的兩側與氣缸體之間分別形成有用于低溫級大流量、小膨脹比工質膨脹的低溫級循環基元容積和用于高溫級小流量、大膨脹比工質膨脹的高溫級循環基元容積，氣缸體的缸體壁上設置有與低溫級循環基元容積相連通的第一進氣口和第一排氣口，以及與高溫級循環基元容積相連通的第二進氣口和第二排氣口。本發明實現二級有機朗肯循環兩種工質在一個膨脹機裝置中做功。
【IPC分類】F01C1/344, F02G5/02
【公開號】CN105134299
【申請號】CN201510434392
【發明人】舒歌群, 石凌峰, 田華, 黃廣岱, 李曉雅
【申請人】天津大學
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年7月21日