一種離心徑流透平的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種離心徑流透平，與傳統的向心徑流透平相比，在相同流量下，無需提高轉速，只需通過增加透平級數，就可以增大輸出功率，達到透平輸出功率的要求；不必為其匹配高速軸承、電機或變速機構，可以有效降低設備成本，提高設備運行安全，有利于設備的可靠性和穩定性；與軸流透平相比，其結構緊湊，體積小，能很好地適應小流量工況，擴展了透平的工況范圍。
【專利說明】
一種離心徑流透平
技術領域
[0001] 本發明涉及小型分布式動力循環，例如有機朗肯循環領域，尤其涉及一種離心徑 流透平。
【背景技術】
[0002] 在能源短缺問題日益突顯的今天，利用工業余熱、新能源的各種熱力循環系統將 被廣泛的應用，在這些系統中，透平作為膨脹機的一種，是必不可少的部件。透平是一種將 工質（蒸汽、燃氣、空氣、有機工質等）的熱能轉換為機械功的旋轉式動力機械，廣泛的應用 在各種熱力循環系統中，其通常由靜止葉片(靜葉)和轉動葉片(動葉)組成，工作時，氣流所 具有的能量在流經靜葉時轉換成動能，流過動葉時流體沖擊葉片，推動動葉轉動，從而驅動 透平軸旋轉，輸出機械功。在透平中完成能量轉換的基本單元是透平級，簡稱級，由一列靜 葉和一列動葉串聯組成。根據靜葉和動葉的布置結構以及氣流在透平內的流動軌跡，透平 分為軸流透平和向心徑流透平兩種形式。
[0003] 軸流式透平用于流量較大的條件下，且結構上便于做成多級形式，能滿足高膨脹 比和大功率的要求，但軸流式透平結構復雜，體積較大，制造難度大，且流量工況范圍較小。
[0004] 根據高膨脹比、高效率、小流量的設計參數要求，系統多選用徑流式透平。但傳統 的向心徑流透平多為單級結構，為達到輸出功率的要求，其轉速往往為數萬轉，轉速要求非 常高，影響了設備運行的可靠性和穩定性，國內目前的水平很難實現，國外相應產品價格高 昂，且供貨情況受制于人;傳統的向心徑流透平工作時還必須為其匹配高速軸承、電機或變 速機構，抬高了成本。
【發明內容】
[0005] (一)要解決的技術問題
[0006] 為了解決現有技術存在的上述問題，本發明提供了一種離心徑流透平。
[0007] (二)技術方案
[0008] 本發明提供了一種離心徑流透平，包括:轉子和機匣，其中，所述轉子沿徑向設置 有多排同心環狀動葉，所述機匣沿徑向設置有多排同心環狀靜葉，所述多排同心環狀動葉 與多排同心環狀靜葉交錯排列，相鄰兩排動葉和靜葉沿徑向形成一級透平級。
[0009 ]優選地，所述轉子包括:轉軸11、葉輪12和輪盤13，所述轉子以所述轉軸11為中心， 沿半徑增大方向依次為所述葉輪12和輪盤13。
[0010]優選地，在所述輪盤的一表面上，沿徑向設置有多排以所述轉軸11為中心的同心 環狀動葉，每排動葉包括多個呈環形排列的動葉14,所述動葉14沿軸向延伸并突出于輪盤 的所述表面。
[0011]優選地，所述機匣包括:機殼21和蝸殼22,所述機匣沿所述轉軸11的中心周向對 稱，所述蝸殼22形成于所述機殼的四周，在所述蝸殼的與轉子輪盤相對的位置為一盤體23， 所述盤體23與轉子輪盤13沿徑向對稱。
[0012] 優選地，在所述盤體的一表面上，沿徑向設置有多排以所述轉軸11為中心的同心 環狀靜葉，每排靜葉包括多個呈環形排列的靜葉24,所述靜葉24沿軸向延伸并突出于盤體 的所述表面。
[0013] 優選地，所述蝸殼22的徑向邊緣部分形成出氣腔32,所述出氣腔32具有氣流出口。
[0014] 優選地，所述機殼21和葉輪12之間形成進氣腔31，機殼側壁具有至少一個氣流進 口 33與所述進氣腔31連通。
[0015] 優選地，所述多排同心環狀動葉和/或多排同心環狀靜葉的葉型為直葉片、變截面 葉片、彎葉片或扭葉片。
[0016] 優選地，所述多排同心環狀靜葉中的前N排靜葉為導葉。
[0017]優選地，在所述蝸殼的靠近轉子葉輪的位置還具有至少一個輔助氣流進口 34。 [0018](三)有益效果
[0019] 從上述技術方案可以看出，本發明的離心徑流透平具有以下有益效果：
[0020] (1)本發明的離心徑流透平，與傳統的向心徑流透平相比，在相同流量下，無需提 高轉速，轉速可以維持在常規水平(3000rpm)，只需通過增加透平級數，就可以增大輸出功 率，達到透平輸出功率的要求；
[0021] (2)由于離心徑流透平的轉速可以維持在常規水平，從而不必為其匹配高速軸承、 電機或變速機構，可以有效降低設備成本，提高設備運行安全，有利于設備的可靠性和穩定 性；
[0022] (3)與軸流透平相比，其結構緊湊，體積小，由于其動葉和靜葉采用徑向布置的方 式，使得離心徑流透平能很好地適應小流量工況，擴展了透平的工況范圍。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發明實施例的離心徑流透平的平行于軸向的剖面圖；
[0024] 圖2為本發明實施例的離心徑流透平的另一個平行于軸向的剖面圖；
[0025] 圖3為本發明實施例的離心徑流透平的垂直于軸向的剖面圖。
[0026] 【符號說明】
[0027] 11-轉軸；12-葉輪；13-輪盤；14-動葉；
[0028] 21-機殼;22-蝸殼;23-盤體;24-靜葉；
[0029] 31-進氣腔;32-出氣腔;33-氣流進口； 34-輔助氣流進口。
【具體實施方式】
[0030] 本發明公開了一種離心徑流透平，區別于現有的軸流式透平和向心徑向透平，其 結構形式靈活，能在透平運行轉速為常規轉速(3000rpm)下，使透平具有較大的膨脹比和較 高的效率；同時借鑒可調導葉技術，能夠方便的調節透平流量，擴大透平運行范圍，最終保 證熱力系統的可實現性和經濟性。
[0031] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0032] 本發明實施例的離心徑流透平，包括轉子和機匣兩部分，其中，
[0033]轉子包括轉軸11、葉輪12，輪盤13和動葉14，轉子以轉軸11為中心，其沿半徑增大 方向依次為葉輪12和輪盤13,即轉軸11處于中心位置，葉輪12形成于轉軸的四周，輪盤13形 成于葉輪的四周，在輪盤的表面上，沿徑向設置有多排以轉軸11為中心的同心環狀動葉，每 排動葉包括多個呈環形排列的動葉14,動葉14沿軸向延伸并突出于輪盤的該表面；
[0034] 機匣包括機殼21和蝸殼22，其沿轉軸11的中心周向對稱，蝸殼22形成于機殼的四 周，機匣包裹轉子的輪盤13使得機匣與轉子之間密封，機殼21和葉輪12之間形成進氣腔31， 機殼側壁具有至少一個氣流進口 33，在蝸殼的與轉子輪盤相對的位置為一盤體23，該盤體 23與轉子輪盤13沿徑向對稱，在該盤體的表面上，沿徑向設置有多排以轉軸11為中心的同 心環狀靜葉，每排靜葉包括多個呈環形排列的靜葉24,靜葉24沿軸向延伸并突出于盤體的 該表面；多排動葉與多排靜葉交錯排列，動葉14頂部靠近盤體23，靜葉24頂部靠近輪盤13， 相鄰兩排動葉和靜葉沿徑向形成一級透平級，即離心徑流透平沿徑向具有多級透平級，蝸 殼22沿徑向邊緣部分形成出氣腔32,并具有氣流出口。
[0035] 其中，圖1所示的離心徑流透平為多級離心徑流透平，其具有八排動葉和八排靜 葉，相鄰兩排動葉和靜葉共形成八個透平級；圖2所示的離心徑流透平為單級離心徑流透 平，其僅具有一排動葉和一排靜葉，形成一個透平級；圖3所示的離心徑流透平具有兩排動 葉和兩排靜葉，相鄰兩排動葉和靜葉共形成兩個透平級。
[0036] 在本實施例中，動葉和靜葉的葉型可根據流體介質流動情況，采用直葉片、變截面 葉片、彎葉片、扭葉片等多種形式。
[0037] 本發明實施例的離心徑流透平，流體介質由離心徑流透平的氣體進口進入其進氣 腔，并沿半徑方向由內而外流動，即流體介質沿半徑增大的離心方向流動，當流體介質流經 透平級時，其具有的能量在靜葉的作用下轉換成動能，流過動葉時流體介質沖擊葉片，推動 動葉轉動，從而驅動轉軸旋轉，輸出機械功，之后流體介質流入出氣腔并經氣流出口排出 (流體介質的流向可參見圖1和圖2中的箭頭所示）。
[0038] 傳統的向心徑流透平，需要通過提高轉速的方式提高輸出功率，例如，若達到輸出 功率要求，向心徑流透平要達到10000~80000rpm的轉速，而由本發明的技術方案可以看 出，本發明的離心徑流透平，在相同流量下，無需提高轉速，轉速可以維持在常規水平 (3000rpm)，只需通過增加透平級數，就可以增大輸出功率，達到透平輸出功率的要求；由于 離心徑流透平的轉速可以維持在常規水平，從而不必為其匹配高速軸承、高速電機或變速 機構，可以有效降低設備成本，提高設備運行安全，有利于設備的可靠性和穩定性;并且與 軸流透平相比，由于其動葉和靜葉采用徑向布置的方式，使得離心徑流透平能很好地適應 小流量工況，擴展了透平的工況范圍。
[0039] 本發明實施例的離心徑流透平，可以將多排靜葉中的前N排靜葉設置為導葉，其中 導葉的排數N、第一級導葉的入口直徑以及導葉喉部流通面積由流經透平的流量決定，例 如，透平流量增大，則第一級導葉入口直徑增大、導葉排數減小、導葉喉部通流面積增大，通 過調節導葉可以改變流通面積，調節透平流量。
[0040] 本發明實施例的離心徑流透平，優選地，其結構參數滿足以下關系：
[0041 ]
，其中，τ為常數，α為重熱系數，其取值范 圍為0.02-0.08, Ah$si為第i級的等熵焓降，AHS為透平級的總焓降；其中τ可通過以下方式 得到：設置透平級數z的初始值，
求得τ的值，得到τ的值后可通過迭代 計算得到透平級數ζ，其中C2為動葉出口絕對速度，μ為葉片扭轉系數。
[0042] 離心徑流透平的末級動葉結構參數為：
[0043]
，其中PSZ為末級動葉材料的密度， σζ為末級動葉根部的離心拉應力，η為透平轉速，G為透平流量，i為末級動葉截面沿葉高減 小而引起的通流面積變化的系數，其取值范圍為1 -2.2。
[0044]
，其中，P2Z為透平的出口靜壓，R為 氣體常數，TS2Z~TV- Δ HS/CP，其中7=為透平入口總溫，CP為定壓比熱容。
[0045] 離心徑流透平的動葉結構參數為：
[0046] 第i級動葉輪周速度
，其中xai為透平速比，其范圍為0.5-0.7， ，其中Cal第i透平級動葉的假想速度。第i級動葉外徑
[0047] 第i級動葉入口絕度速度
，其中供為第i級的動葉的導向器速 度系數，其取值范圍為
，其中Clsi為第i級導葉出口理想速度，Cli為第 i級導葉出口實際速度，Ωι為第i級動葉選定的反動度，其取值范圍為0.3~0.5。
[0048] 第i級動葉入口周向分速度ciUi = ciiC〇sau，其中an為第i級動葉的入口絕對氣流 角，其取值范圍為14°~25°。
[0049] 第i級動葉入口相對氣流
。第i級動葉入口葉片角fobi = βη+Iu，其中In為第i級動葉入口氣流沖角，其取值范圍為10°~-20°。第i級動葉入口葉片 數Zii之(5~6) · ctgau。
[0050] 第i級動葉入口截面通流面積AurG/Piidi，其中Pii為第i級導葉出口密度。第i級 動葉入口截面幾何面積Alpi = Au/(Tie sini3lbi)，其中η為第i級動葉入口阻塞系數，e為部 分進氣度。第i級動葉入口葉片高度?Η=Α 1(?/(3Τ〇η)。
[0051 ]第i級動葉出口直徑％ = :? ?，其中I,為第i級輪徑比。第i級動葉出口處輪 周速度~二化。第i級動葉出口相對速度= ，其中機 為?第i級動葉速度系數且其取值范圍為0.75~0.9，ih = C2i/C2s其中c2s第i級動葉出口理 想速度，c2i第i級動葉出口實際速度，Wli第i級動葉入口相對速度。第i級動葉出口絕對速度 周向分量〇21^ = 1121-'?2^〇8知，其中021為第：[級動葉出口相對氣流角，其取值范圍為25°~ 45°。第i級動葉出口絕對速度軸向分量0 2^ = ?2^111|3^。第1級動葉出口絕對流速 。第i級動葉出口絕對氣沆
第i級動葉內溫降
，第i級動葉出口工質溫度T2i = Tu-AT2i，其中Tu為第i級動葉 入口工質溫度。
[0052]離心徑流透平的靜葉結構參數為：
[0053] 第i級靜葉環出口截面直徑0Ν? = 0η-2Δη，其中Ari為動靜葉片排間間距。第i級 靜葉環出口通流面積ANl~Au。第i級靜葉片的喉部尺寸
，其中e為部分 進氣度且〇.3<e<l，ZNi為第i級靜葉片的流道數。第i級靜葉出口高度 [0054]離心徑流透平的功率和效率參數為：
[0055]輪周功率 Nui = G(UliClui-U2iC2ui) =6(11加加 08(^+112似冗08€[2土）
[0057] 或寫成
[0059] 本發明的離心徑流透平，其給出了具體的結構參數，按照上述參數精確確定離心 徑流透平的各部分尺寸，可以保證離心徑流透平只需通過增加透平級數，就可以增大輸出 功率，并能更好地適應小流量工況，進一步擴展透平的工況范圍。
[0060] 本發明的離心徑流透平，在蝸殼的靠近轉子葉輪的位置還具有至少一個輔助氣流 進口 34，氣體可由輔助氣流進口 34進入離心徑流透平，并進入蝸殼22與轉子輪盤13之間的 間隙，氣體可向轉子輪盤13產生一壓力，從而平衡離心徑流透平輪盤所受的軸向力，根據離 心徑流透平的運行情況，通過調節輔助氣流進口的進氣量，可以控制氣體對轉子輪盤的壓 力大小，有利于提高離心徑流透平的穩定性。
[0061] 至此，已經結合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據以上描述，本領域技術人員 應當對本發明的離心徑流透平有了清楚的認識。
[0062]需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現方式，均為所屬技術 領域中普通技術人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件的定義并不僅限 于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更 改或替換，例如：
[0063] (1)動葉和靜葉還可以選用其他結構；
[0064] (2)實施例中提到的方向用語，例如"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，僅是參 考附圖的方向，并非用來限制本發明的保護范圍；
[0065] (3)上述實施例可基于設計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例 混合搭配使用，即不同實施例中的技術特征可以自由組合形成更多的實施例。
[0066] 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護范圍之內。
【主權項】
1. 一種離心徑流透平，其特征在于，包括:轉子和機匣，其中，所述轉子沿徑向設置有多 排同心環狀動葉，所述機匣沿徑向設置有多排同心環狀靜葉，所述多排同心環狀動葉與多 排同心環狀靜葉交錯排列，相鄰兩排動葉和靜葉沿徑向形成一級透平級。2. 如權利要求1所述的離心徑流透平，其特征在于，所述轉子包括:轉軸（11)、葉輪（12) 和輪盤（13)，所述轉子以所述轉軸（11)為中心，沿半徑增大方向依次為所述葉輪（12)和輪 盤(13)。3. 如權利要求2所述的離心徑流透平，其特征在于，在所述輪盤的一表面上，沿徑向設 置有多排以所述轉軸（11)為中心的同心環狀動葉，每排動葉包括多個呈環形排列的動葉 (14 )，所述動葉（14)沿軸向延伸并突出于輪盤的所述表面。4. 如權利要求3所述的離心徑流透平，其特征在于，所述機匣包括：機殼（21)和蝸殼 (22)，所述機匣沿所述轉軸（11)的中心周向對稱，所述蝸殼(22)形成于所述機殼的四周，在 所述蝸殼的與轉子輪盤相對的位置為一盤體(23)，所述盤體(23)與轉子輪盤(13)沿徑向對 稱。5. 如權利要求4所述的離心徑流透平，其特征在于，在所述盤體的一表面上，沿徑向設 置有多排以所述轉軸（11)為中心的同心環狀靜葉，每排靜葉包括多個呈環形排列的靜葉 (24)，所述靜葉(24)沿軸向延伸并突出于盤體的所述表面。6. 如權利要求4所述的離心徑流透平，其特征在于，所述蝸殼(22)的徑向邊緣部分形成 出氣腔(32)，所述出氣腔(32)具有氣流出口。7. 如權利要求4所述的離心徑流透平，其特征在于，所述機殼(21)和葉輪（12)之間形成 進氣腔(31 )，機殼側壁具有至少一個氣流進口（ 33)與所述進氣腔(31)連通。8. 如權利要求1所述的離心徑流透平，其特征在于，所述多排同心環狀動葉和/或多排 同心環狀靜葉的葉型為直葉片、變截面葉片、彎葉片或扭葉片。9. 如權利要求1所述的離心徑流透平，其特征在于，所述多排同心環狀靜葉中的前N排 靜葉為導葉。10. 如權利要求4所述的離心徑流透平，其特征在于，在所述蝸殼的靠近轉子葉輪的位 置還具有至少一個輔助氣流進口（34)。
【文檔編號】F01D25/26GK106089306SQ201610652569
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月10日 公開號201610652569.5, CN 106089306 A, CN 106089306A, CN 201610652569, CN-A-106089306, CN106089306 A, CN106089306A, CN201610652569, CN201610652569.5
【發明人】付經綸, 張超, 劉建軍
【申請人】中國科學院工程熱物理研究所