专利名称：立式高效率汽轮发动机的制作方法
技术领域：
本发明是一种立式高效率汽轮发动机，涉及汽轮发动机，特别涉及利用临 界或超临界压力蒸汽的汽轮发动机。
技术背景热力发电过程中，高温高压的过热蒸汽通过汽轮机喷嘴后，压力和温度降 低，体积膨胀，流速增高，热能转变为动能，推动汽轮机转动，由汽轮机带动 发动机发电。汽轮机排出的低温低压蒸汽送进凝汽器凝结成水，再送入锅炉循 环使用。由于汽轮机的结构不合理，蒸汽中的气化潜热没有得到利用，导致大量热能损失，其热效率只有30%_40%。当今能源的短缺和自然环境的恶化正激励人们千方百计提高热力发电系统 的热效率，为了降低潜热在整个热力系统的比例，目前的主要措施是通过提高蒸汽的温度来提高发电设备的热效率，现在的蒸汽温度已提高到7ocrc以上，蒸汽温度的提高，给热电设备，尤其是汽轮发动机的部件材料的强度、高温持久 性、耐蠕变性能等技术指标都提出了更高的要求，即增加了制造、维修成本， 又提高了技术难度。迄今为止，汽轮发动机均为卧式结构，不利于气相液化与气、液分离；为 了获得较高的初级冲击速度，传统汽轮机叶轮组的叶轮直径都是由小到大，逐 级增加；高压级叶片较短，低压级叶片较长，形成的气流通道近似喇叭状。导 致气体体积过快膨胀、从而造成气流压力和流速迅速减小；后续动能转化效率 低下；同时，由于低压级叶片较长，气流冲击面积大，所以气体处于膨胀状态， 气体内能较高，不易液化，导致包括潜热在内的相当一部分内能不能被利用。传 统的汽轮发动机的这种固有的结构，是造成其热效率低下的重要原因。一种蒸汽温度较低、热效率高，结构简单、成本较低的汽轮发动机是人们 迫切期待的。 发明内容本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处，提供一种蒸汽温度低、 热效率高，结构简单、成本较低的气轮发动机。 本发明的目的可以通过如下措施来达到一种立式高效率汽轮发动机，包括壳体、主轴、叶轮及气流导向装置其 特征在于a.叶轮组立式排布，其叶轮直径由上到下逐级减小；高压级叶片较长，低压 级叶片较短，整个汽轮机壳体呈倒置正圆锥台状；汽轮机顶部是工质流体进口，底部是工质流体出口；叶轮组立式排布，汽轮机顶部是工质流体进口，底部是工质流体出口；有 利于叶轮将液化的液体利用离心力甩到汽轮机壁上，沿壳体内壁上的导流槽下 流至底部，使汽、液界限清晰，避免了因汽、液不平衡而对叶轮产生液击。叶轮直径由上到下逐级减小；高压级叶片较长，低压级叶片较短，整个汽 轮机壳体呈倒置正圆锥台状的结构使工作流体膨胀缓和，使其压力、流速慢慢 降低，有利于充分发挥所有叶轮组叶轮的作用；再说，高压、高速气流首先冲 击高压级长叶片，然后顺序冲击直径逐级减小的叶轮叶片，使所有叶轮组都处 于最佳工作状态。有利于工质携带的能量的充分转换，从而提高热效率。b.在汽轮机中，工作流体在超临界压力条件下工作，进口是高温高压气体， 出口绝大部分是高于临界压力、低于临界温度的液体。使工质携带的显热、和 汽化潜热形式的热能几乎都转化为推动汽轮机旋转的机械能，大大减小了凝汽 器的负荷，因此，热效率极高。本发明的目的还可以通过如下措施来达到本发明的立式高效率汽轮发动机，其特征在于a中所述之整个汽轮机壳体呈 倒置圆锥台状，其锥度即上、下两底面圆周直径之差圆台高度在1:8 — 1: 20 之间。汽轮机的有效工作长度和上、下口直径对于其生产能力及热效率是至关重 要的技术参数，依据工质的热力学性能以及不同的热发电系统的需求设置，保 持流出尾级叶轮组的流体处于大于其临界压力、低于其临界温度工作状态。本发明的立式高效率汽轮发动机的叶轮组，分为动叶轮组4与定叶轮组3， 定叶轮固定在汽轮机壳体1上，动叶轮固定在转子上，动叶轮叶片与定叶轮叶 片折流方向相反，形状相同；定叶轮组、动叶轮组沿主轴2径向间隔排布，第 一级叶轮组为定叶轮组，尾级叶轮组是动叶轮组。本发明的立式高效率汽轮发动机， 一个优选的方案，其特征在于所述之叶 轮叶片呈半圆弧面状，定叶轮组叶片与定叶轮组叶片形状相同但折流方向相反；组成动叶轮组(4)与定叶轮组(3)的叶片均立式排布，平行于主轴(2)构成圆环状叶轮组。高速工作气流由叶轮中心轴进入汽轮发动机，经喷嘴射向定叶轮组叶片后， 随即被折流并冲击动叶轮组的叶片；导致叶轮旋转；同时，冲击动叶轮后的气 流被动叶片折流,冲入到下一级定叶轮叶片，工作气流再次被折流，冲击下一级 动叶轮。这样工质气流携带的能量在行程中对多级叶轮做功消耗，内能不断减 少，而被液化；同时动叶轮不断旋转对外做功发电。本发明的立式高效率汽轮发动机，其特征在于叶轮叶片上和壳体内壁上设 有导流槽。便于液化后的液体及时沿导流槽流向机壳，再沿机壳流向底部排出， 避免液击。本发明的立式高效率汽轮发动机，特别适用于自然能源热发电系统中采用 的低沸点工质汽轮发动机，低沸点工质汽轮发动机的工质可以是二氧化碳、氙 气、氨。一种适用于工质做功温度在200。C以上的立式高效汽轮发动机，由本发明的 立式高效率汽轮发动机12与叶轮组直径相等的立式圆柱状汽轮发动机11、叶轮 组直径由上到下逐渐增大的立式汽轮发动机13中的一种或两种串连组合构成多 级高效的汽轮发动机。上述多级高效率的汽轮发动机。汽轮机的高压级叶轮组直径由上到下逐组 增大，中压级叶轮组直径由上到下等同，低压级叶轮组直径由上到下逐组减小， 立式组装。使高温高压工质的做功工艺条件根据需求灵活设计，进一步得到优 化，从而其热效率会更高。本发明的立式高效率汽轮发动机，其特征在于所述之多级高效的汽轮发动 机可以是同壳、同轴的多级高效的汽轮发动机，同壳、同轴安装方便、节约投 资。本发明的立式高效率汽轮发动机，其主轴如果采用磁力轴承，实现无润滑 运转，会提高密封性能，降低维修成本。本发明的立式高效率汽轮发动机对比现有技术有如下显著效果1. 蒸汽温度较低、热效率高；蒸汽温度在50(TC以下，热效率在95。^以上；2. 结构简单、体积较小、维修方便、制造成本低；3. 特别适用于把自然界的低温热源转化为电能的热发电系统。是一种节约 能源、保护环境理想的高效率的汽轮发动机；4. 方便、灵活地组合为多级汽轮发动机，用途广泛；5. 适合建造大型的发电系统，完全可以全面取代现有的汽轮机。
具体实施方式
本发明下面将结合附图作进一步详述
图1是立式高效率汽轮发动机剖视结构示意图；图2是立式叶轮组俯视排布示意图一l;图3是立式叶轮组俯视排布示意图一2;图4是立式高效率汽轮发动机12与叶轮组直径相等的圆柱状立式汽轮发动 机11组合构成的2级汽轮发动机。图5是本发明的立式高效汽轮发动机12与叶轮组直径相等的圆柱状立式汽 轮发动机11、叶轮组直径由上到下逐渐增大的立式汽轮发动机13组合构成的3 级汽轮发动机。图中l一壳体；2 —主轴；3 —定叶轮组；4一动叶轮组；5 —工质流体进口； 6 —工质流体出口； 7—尾级动叶轮组；8 —尾级动叶轮组叶片；9一首级定叶轮组；IO —首级定叶轮组叶片；ll一圆柱状立式汽轮发动机12—本发明的叶轮组 直径由上到下逐渐减小的高效率的汽轮发动机；；13 —叶轮组直径由上到下逐渐 增大的立式汽轮发动机；本发明下面将结合实施例作进一步详述实施例1 一种立式高效率的低沸点工质汽轮发动机汽轮机叶轮组立式排布，其叶轮直径由上到下逐级减小；高压级叶片较长， 低压级叶片较短，整个汽轮机壳体1呈倒置正圆锥台状；汽轮机顶部是工质流 体进口5，底部是工质流体出口6。低沸点工质采用二氧化碳。在汽轮机中，工作流体在超临界压力条件下工作，进口是高温高压气体，出口大部是高于临界 压力、低于临界温度的液体。低沸点工质汽轮发动机的叶轮组分为动叶轮组4与定叶轮组3，定叶轮固定 在汽轮机壳体1上，动叶轮固定在转子上，动叶轮叶片与定叶轮叶片折流方向 相反，形状相同。定叶轮组与动叶轮组沿主轴2径向间隔排布，第一级叶轮组 为定叶轮组，尾级叶轮组是动叶轮组。叶轮叶片呈圆弧面状，定叶轮组叶片工 作面为凸弧面，动叶轮组叶片的工作面为凹弧面。叶片上及壳体1内壁上设有 导流槽。主轴采用磁力轴承。热效率>95%。实施例2 —种立式高效率蒸汽轮发动机按照实施例1的汽轮发动机，工质为300—50(TC的水蒸气。本发明的高效 的汽轮发动机12与叶轮组直径相等的立式圆柱状汽轮发动机11以及叶轮组直 径由上到下逐渐增大的立式汽轮发动机13串连组合构成3级高效的汽轮发动 机。热效率>95%实施例3 —种立式高效蒸汽轮发动机按照实施例1的汽轮发动机，工质为50—20(TC的水蒸气。本发明的高效的 汽轮发动机9与叶轮组直径相等的立式圆柱状汽轮发动机7串连组合构成2级 高效的汽轮发动机。热效率>95%实施例4.一种立式高效蒸汽轮发动机按照实施例1的汽轮发动机，工质为200 — 300'C的水蒸气。本发明的高效 的汽轮发动机9与叶轮组直径由上到下逐渐增大的立式汽轮发动机8串连组合构成2级高效的汽轮发动机。热效率>95%。实施例5本发明的立式高效率汽轮发动机， 一个优选的方案 其特征在于所述之叶轮叶片呈半圆弧面状，定叶轮组叶片与定叶轮组叶片 形状相同但折流方向相反；组成动叶轮组4与定叶轮组3的叶片均立式排布， 平行于主轴2构成圆环状叶轮组；首级叶轮组为定叶轮组，尾级叶轮组为动叶 轮组，中间二者相继间隔布置。高速工作气流由叶轮中心轴进入汽轮发动机，经喷嘴射向定叶轮组叶片后， 随即被折流并冲击动叶轮组的叶片；导致叶轮旋转；同时，冲击动叶轮后的气 流被动叶片折流,冲入到下一级定叶轮叶片，工作气流再次被折流，冲击下一级 动叶轮。这样工质气流携带的能量在行程中对多级叶轮做功消耗，内能不断减 少，而被液化；同时动叶轮不断旋转对外做功发电。热效率》98%。
权利要求
1.一种立式高效率汽轮发动机，包括壳体、主轴、叶轮及气流导向装置；其特征在于a.叶轮组立式排布，其叶轮直径由上到下逐级减小；高压级叶片较长，低压级叶片较短，整个汽轮机壳体呈倒置正圆锥台状；汽轮机顶部是工质流体进口，底部是工质流体出口；b.在汽轮机中，工作流体在超临界压力条件下工作，进口是高温高压气体，出口绝大部分是高于临界压力、低于临界温度的液体。
2. 根据权利要求1的立式高效率汽轮发动机，其特征在于a中所述之整个汽 轮机壳体呈倒置正圆锥台状，其锥度即上、下两底面圆周直径之差圆台高度 在1:8 —1: 20之间。
3. 根据权利要求1的立式高效率汽轮发动机，其特征在于所述之叶轮组分为 动叶轮组(4)与定叶轮组(3)，定叶轮固定在汽轮机壳体(1)上，动叶轮固 定在转子上，动叶轮叶片与定叶轮叶片折流方向相反，形状相同。
4. 根据权利要求1的立式高效率汽轮发动机，其特征在于所述之定叶轮组、动 叶轮组沿主轴(2)径向间隔排布，第一级叶轮组为定叶轮组，尾级叶轮组是动 叶轮组。
5. 根据权利要求1的立式高效率汽轮发动机，其特征在于所述之叶轮叶片呈半 圆弧面状，定叶轮组叶片与定叶轮组叶片形状相同但折流方向相反；组成动叶 轮组(4)与定叶轮组(3)的叶片均立式排布，平行于主轴(2)构成圆环状叶 轮组。
6. 根据权利要求1的立式高效率汽轮发动机，其特征在于所述之叶片上和壳 体内壁上设有纵向导流槽。
7. 根据权利要求1的立式高效率汽轮发动机，其特征在于是一种低沸点工质 汽轮发动机。
8. 根据权利要求1的立式高效率汽轮发动机，其特征在于所述之低沸点工质是 二氧化碳、氙气、氨。
9. 根据权利要求1的立式高效率汽轮发动机，其特征在于与叶轮组直径相等的 立式圆柱状汽轮发动机(11)、叶轮组直径由上到下逐渐增大的立式汽轮发动机(13)中的一种或两种串连组合，构成多级高效的汽轮发动机。
10. 根据权利要求1的立式高效率汽轮发动机，其特征在于所述之多级高效的 汽轮发动机可以是同壳同轴的立式高效率多级汽轮发动机。
全文摘要
本发明是一种立式高效率汽轮发动机，涉及汽轮发动机，特别涉及利用临界或超临界压力蒸汽的汽轮发动机。本发明提供了一种蒸汽温度低、热效率高，结构简单、成本较低的气轮发动机。本发明的高效率的汽轮发动机的叶轮组立式排布，其叶轮组直径由上到下逐级减小；高压级叶片较长，低压级叶片较短，整个汽轮机壳体呈倒置正圆锥台状；汽轮机顶部进入高温高压工质气体，底部排出高于其临界压力、低于其临界温度的工质液体。广泛用于自然能源热发电系统中采用的低沸点工质汽轮发动机、现行蒸汽轮机和大型的发电系统，热效率达95％以上。
文档编号F01D25/24GK101328813SQ200810144538
公开日2008年12月24日 申请日期2008年7月22日 优先权日2008年7月22日
发明者刘昂峰 申请人:刘昂峰