一种有机朗肯循环千瓦级发电装置的制作方法

本发明属于有机工质发电技术领域，具体涉及一种有机朗肯循环千瓦级发电装置。

背景技术：

目前工业生产中中高温余热基本得到充分利用，但是200℃以下的低温余热却因为分散性强、品位低、数量小等原因无法采用常规的汽轮机技术进行回收应用。有机朗肯循环采用有机工质代替水作为介质，利用有机工质沸点低的特性，在较低热源温度下就可产生较高压力的饱和或低过热度蒸气，做功发电。有机朗肯循环(orc)可以利用低温烟气、热水、饱和蒸汽、导热油的热量进行发电。目前有机朗肯循环技术已经应用于回收工业余热发电、太阳能中低温热发电、地热发电、生物质发电和燃气轮机内燃机梯级利用发电等领域。

现在有机朗肯循环发电装置中的膨胀机主要两大类型：容积型膨胀机和速度型膨胀机。容积型膨胀机一般输出功率小、效率低，多用于100kw以下微小型orc系统。速度型膨胀机具有效率高、高膨胀比、大焓降的优点，在大中型orc系统中具有明显优势。

速度型膨胀机是利用喷嘴和叶轮流道的通流面积变化将高温高压的流体转变为高速流体，推动叶轮旋转输出机械功，分为轴流透平和向心透平两种。其中轴流透平由于单级压比小流量大，在orc中往往需要多级叶栅，导致机组尺寸较大，结构复杂，向心透平具有效率高、结构紧凑、高膨胀比、大焓降等优点。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种面向千瓦级低温热源余热发电领域的有机工质向心透平发电装置，目的在于使动力单元系统紧凑、高效、可靠，同时做到有机工质的零泄露。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供一种有机朗肯循环千瓦级发电装置，包括向心透平、减速箱、联轴器以及发电机；减速箱的高速轴与向心透平直接连接，减速箱的低速轴通过联轴器与发电机连接；

其改进之处是：

所述向心透平包括蜗壳、叶轮、喷嘴叶栅、密封壳体以及密封系统；

密封壳体固定安装在减速箱上，蜗壳通过螺栓安装在密封壳体上；叶轮位于蜗壳内部并且固定安装在减速箱的高速轴上；蜗壳与密封壳体形成的通道内固定安装有喷嘴叶栅；喷嘴叶栅为环形并且位于叶轮的外圆周上；

密封系统包括双端面接触式机械密封组件、阻封油油站、节流阀、溢流阀、流量计、密封腔温度传感器、密封腔压力传感器、供油压力传感器、阻封油供应管路及阻封油回收管路；

所述双端面接触式机械密封组件安装在减速箱的高速轴上并且位于密封壳体内部；密封壳体上开设有阻封油供油口和阻封油回油口；阻封油供油口通过阻封油供应管路与阻封油油站连通；阻封油回油口通过阻封油回收管路与阻封油油站连通；

所述密封壳体上安装密封腔压力传感器和密封腔温度传感器；

阻封油供应管路上安装溢流阀、流量计、供油压力传感器；阻封油回收管路上安装节流阀。

为了对有机工质和阻封油进行分离，再对有机工质进行回收利用，该系统还包括工质回收管路；密封壳体上开设有有机工质及阻封油混合物排放口；蜗壳上设置有纯净工质回收口；工质回收管路连接在有有机工质及阻封油混合物排放口和纯净工质回收口之间；工质回收管路上沿有机工质的流向依次安装油汽分离器和气体干燥器。

为了对透平内的阻封油和齿轮箱内的润滑油回收再利用。该系统还包括润滑油回收管路以及油回收储罐；齿轮箱壳体上还开设有润滑油回收口；润滑油回收管路连接在油回收储罐和润滑油回收口之间。

具体来说，叶轮包括中心设置安装孔的轮盘和在轮盘的正面均匀布置的多个叶片，相邻的两个叶片之间构成流道；所述轮盘的背面自内向外同轴设置有一个圆形凹槽和一个环形凸台；所述安装孔的孔径沿轮盘轴向自背面向正面依次减小；

所述叶片包括沿轮盘径向自外向内设置的直线延伸的直流部和螺旋扭曲的导向部；所述叶片的高度沿轮盘径向自外向内依次增加，叶片的厚度自根部向顶部依次减小，叶片的根部与轮盘的正面连接为一体；

轮盘正面的安装孔周围设置有一个周向定位槽和多个轴向螺纹孔；上述环状凸台的外圆周上设置迷宫齿密封，不仅有效地降低了泄漏量，而且减小了轴向推力。

较佳的，上述叶片的根部与轮盘的正面连接处设置倒圆角，倒角半径自内向外线性减小，最大化提高叶片与轮盘的连接强度。

较佳的，每两个相邻的叶片之间均设置有一个贯通轮盘的平衡孔，所述平衡孔在同一圆周上均匀分布，使得轴向推力保证在一个合适的范围内。

较佳的，上述平衡孔在轮盘背面的出口处设置倒圆角，可以防止小半径带来的局部应力集中。

较佳的，叶片的数量是周向定位槽和轴向螺纹孔数量之和的整数倍，周向定位槽与螺纹孔均位于两相邻叶片之间，可以有效地避免削弱叶片的强度。上述轮毂的平行于轮盘的外端面上沿圆周方向均匀设置有一个周向定位槽和多个螺纹孔；所述周向定位槽沿轮毂的径向贯通设置，周向位置一般取在流道出口中间，用于更好地对向心叶轮进行周向固定，保证多次拆装时叶轮周向安装位置不变；所述螺纹孔沿轮毂的轴向设置，方便叶轮的拆装。

较佳的，上述轮毂的安装孔所在的内侧面上设置有螺纹状导油槽，用于在安装或拆卸向心叶轮时填充液压油。

具体来说，喷嘴叶栅包括前部围带、背部底盘以及多个导叶片；前部围带和背部底盘平行设置，多个导叶片沿圆周方向均匀布置在前部围带和背部底盘之间；所述前部围带与蜗壳之间安装有密封圈；所述背部底盘与密封壳体通过沿圆周方向均布的多个销钉定位和螺钉连接；导叶片数目与叶轮叶片数互质；所述导叶片为跨音速翼型直叶片。

具体来说，上述蜗壳包括蜗壳腔室、内部加强筋以及出口扩压管；所述蜗壳腔室截面为圆形，圆心母线为偏心螺旋线，截面面积沿流动方向逐渐缩小；所述内部加强筋为多个且均布安装在蜗壳腔室出口与所述导叶片之间；所述内部加强筋为对称板型，进口为半圆形，出口位于圆环面上；所述内部加强筋从隔舌处开始布置，与径向夹角为46°；所述加强筋数目为导叶片数目的一半或者四分之一；所述出口扩压管与蜗壳腔室连通并且与蜗壳腔室的工质入口方向相互垂直。

本发明的优点在于：

1、本发明采取一系列组合式设计进行调频避振，蜗壳从工质入口管处开始布置加强筋，利用导流作用减弱工质入口管处的气流不均匀；导叶片数目与叶轮叶片数互质，减弱叶轮进口气流脉动，降低叶轮的动应力；动叶片叶型采取不调频设计；叶轮轴设计为刚性轴。本发明从减弱气流激振、避开激振频率、降低气流弯应力、提高高速轴刚性几方面综合设计，改善透平的强度振动特性，提高可靠性。

2、本发明通过双端面接触式机械密封组件、节流阀、溢流阀、流量计、密封腔温度传感器、密封腔压力传感器、供油压力传感器等组成了一个密封性强的闭环的阻封油油路，不仅能避免有机工质向外泄漏，还能阻止空气进入发电装置，并且随着热源波动，节流阀、溢流阀反馈温度、压力传感器信号，对阻封油供油流量、压力主动调节，提高系统密封性能。

3、本发明采用工质回收管路、油汽分离器和气体干燥器为了对有机工质和阻封油进行分离，再对纯净的有机工质进行回收利用，节省了资源。

4、本发明采用润滑油回收管路以及油回收储罐为了对透平内的阻封油和齿轮箱内的润滑油回收再利用，进一步的节省资源。

5、本发明提供的用于orc发电装置的向心叶轮具有级焓降大、单级膨胀比高的优点，可以在较宽的振动频率带上保持高工作转速和大离心负荷的持续稳定运行，既高效又安全可靠。

6、本发明通过在向心叶轮的背面设置凸台，一方面增加了叶轮的强度，另一方面可以通过调整凸台的位置来调整叶轮的固有频率，避免叶轮发生共振。

7、本发明的叶轮采用带螺旋槽的圆锥孔，采用圆锥过盈连接装配于减速箱高速轴伸出端，装拆方便无需加热冷却。在轴端设计特殊的防松与定位元件，便于叶轮的重复装拆，既不会损伤叶轮和轴，也无需额外的动平衡处理。

8、本发明的叶轮可以在保证叶轮轮廓尺寸形状不变的前提下通过调整叶片厚度分布、流向角度分布、叶片数等配合导叶的调整进行调频、调流量和调功率处理，完全不需改动透平其他部件，使本机组具有极好的维护性与互换性。

9、本发明的蜗壳采用偏心圆截面变面积设计，保证气流周向分配均匀。蜗壳腔室与叶轮、出口扩压管做成一个整体静止部件，减少了工质向外的泄露点，同时使得透平结构简化，尺寸缩小。在蜗壳出口和导叶片之间设置加强筋，提高蜗壳刚度，减小变形，减少内泄露损失。加强筋数目选择导叶数的一半或四分之一，避免引起叶轮的气流激振。

10、本发明的叶轮在轮盘上设计平衡孔、环状凸台和迷宫齿密封来控制叶轮轴向推力，通过数值模拟确定合理的平衡孔直径、密封齿数和间隙，减小轴向推力，无需设置额外的轴向力平衡零件。

11、本发明的导叶片为直叶片，加工简单，导叶片、背部底盘整体机加后与前部围带通过焊接构成一个单独部件。背部底盘利用螺钉固定于密封壳体上，防止转动并用于装配定位。前部围带设置密封圈作为静密封防止泄露，喷嘴叶栅结构简单、零件少，装配方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的密封系统结构图；

图3为蜗壳、叶轮和密封壳体装配后的局部结构示意图。

图4为叶轮的较佳实施例三维视图；

图5为叶轮的较佳实施例剖面视图；

图6为叶轮与减速箱的高速轴连接结构示意图；

图7为喷嘴叶栅的纵截面结构简图；

图8为喷嘴叶栅的横截面结构简图；

图9为蜗壳的纵截面结构简图；

图10为蜗壳的横截面结构简图。

1-阻封油供应管路，2-向心透平，3-密封腔温度传感器，4-密封腔压力传感器，5-双端面接触式机械密封组件，6-齿轮箱，7-发电机，8-润滑油回收管路，9-油回收储罐，10-阻封油油站，11-阻封油回收管路，12-节流阀，13-油汽分离器，14-气体干燥器，15-纯净工质回收管路，16-供油压力传感器，17-溢流阀，18-流量计、19-叶轮，111-周向定位槽，112-叶片，113-轮盘，114-平衡孔，115-环形凸台，116-迷宫齿密封，117-轴向螺纹孔，118-安装孔，119-圆形凹槽，120-安装轴，121-锥形安装段，122-螺纹段，123-键槽，130-垫片，131-周向定位键，132-轴向键，140-螺母，141-凹槽、20-密封壳体，21-减速箱的高速轴、22-阻封油回油口、23-阻封油供油口、24-有机工质及阻封油混合物排放口、25-纯净工质回收口、26-润滑油回收口、27-蜗壳、271-出口扩压管、272-蜗壳腔室、273-内部加强筋、28-喷嘴叶栅、281-前部围带、282-导叶片、283-背部底盘、284-密封凹槽、285-销钉孔。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种有机朗肯循环千瓦级发电装置，包括向心透平2、减速箱6、联轴器以及发电机7；减速箱6的高速轴与向心透平2直接连接，减速箱6的低速轴通过联轴器与发电机7连接；

向心透平包括蜗壳27、叶轮19、喷嘴叶栅28、密封壳体20以及密封系统；

密封壳体20固定安装在减速箱6上，蜗壳27通过螺栓安装在密封壳体20上；叶轮19位于蜗壳27内部并且固定安装在减速箱6的高速轴上；蜗壳27与密封壳体20形成的通道内固定安装有喷嘴叶栅28；喷嘴叶栅28为环形并且位于叶轮19的外圆周上；

如图2和图3所示，密封系统包括双端面接触式机械密封组件5、密封腔温度传感器3、密封腔压力传感器4、阻封油油站10、节流阀12、阻封油供应管路1、溢流阀17、流量计18、供油压力传感器16以及阻封油回收管路11；

双端面接触式机械密封组件5安装在减速箱的高速轴21上并且位于密封壳体内部；该双端面接触式机械密封组件5在靠近蜗壳27内叶轮19的一侧密封，阻止有机工质向外界泄漏；靠近齿轮箱6一侧的密封，阻止不凝结空气向发电机组内泄漏；密封壳体20上开设有阻封油供油口23和阻封油回油口22；阻封油油站10通过阻封油供应管路1与阻封油供油口23连通；阻封油回油口22通过阻封油回收管路11与阻封油油站10连通；

密封壳体20上安装密封腔压力传感器4和密封腔温度传感器3；阻封回收管路11上安装节流阀12；阻封油供应管路1上安装溢流阀17、流量计18和供油压力传感器16。

需要说明的是：设置在机组的独立供油系统提供与有机工质不相容的阻封油，密封壳体内的压力高于蜗壳处压力0.1-0.3mpa。同时，在密封壳体上的密封腔压力传感器4和密封腔温度传感器3，用于检测压力和温度，并反馈给节流阀12和溢流阀17。当透平变工况运行时，蜗壳内压力发生变化，需要通过调节节流阀12控制密封壳体的供油压力始终大于蜗壳处压力0.1-0.3mpa，当密封壳体内温度大于设定温度时，通过调节溢流阀17控制供油流量，降低温度，保证双端面接触式机械密封组件5的动静摩擦副正常工作。

密封系统通过阻封油供应管路、阻封油回收管路以及阻封油油站组成了一个闭环的阻封油油路，使得油站内阻封油内反复利用，节省了资源。

为了对有机工质和阻封油进行分离，再对有机工质进行回收利用，该系统还包括工质回收管路15；密封壳体20上还开设有有机工质及阻封油混合物排放口24；蜗壳上设置有纯净工质回收口25；工质回收管路15连接在有机工质及阻封油混合物排放口24和纯净工质回收口25之间；工质回收管路15上沿有机工质的流向依次安装油汽分离器13和气体干燥器14。阻封油与有机工质的混合物收集后通过有机工质回收口排放至工质回收管路中，经过工质回收管路的油汽分离器，分离后的阻封油存入油汽分离器底部，定期回收；分离后的有机工质气体经干燥器，通过纯净工质回收口重新回到蜗壳中进行二次利用。

为了对透平内的阻封油和齿轮箱内的润滑油回收再利用。该系统还包括润滑油回收管路8以及油回收储罐9；齿轮箱壳体上还开设有润滑油回收口26；润滑油回收管路8连接在油回收储罐9和润滑油回收口26之间。密封壳体内的阻封油和齿轮箱内的润滑油通过润滑油回收口经过润滑油回收管路排放至油回收储罐。

通过上述一系列装置组成的轴密封系统，实现有机工质、阻封油、润滑油的零外泄漏，并实现了阻封油供油压力、流量动态调节，保证机械密封工作在最佳状态。

参见图4-6，本发明提供叶轮19的较佳实施例结构包括轮盘113和多个叶片112，轮盘113的中心设置有安装孔118，相邻的两个叶片112之间构成流道，安装孔118的孔径沿轮盘113轴向自背面向正面依次减小。轮盘113的背面设置有一个圆形凹槽119和环形凸台115，在安装使用时构成阶梯状的环形腔室。本实施例中轮盘113的外径为300mm。

叶片112包括沿轮盘113径向自外向内设置的直线延伸的直流部和螺旋扭曲的导向部；叶片112的高度沿轮盘113径向自外向内依次增加，叶片112的厚度自根部向顶部依次减小，叶片112的根部与轮盘113的正面连接为一体。叶片112的根部与轮盘113的正面连接处设置倒圆角，倒角半径沿轮盘径向自外向内由r4mm线性变为r5mm，最大化提高叶片与轮盘的连接强度。

轮盘正面的安装孔118周围设置有一个周向定位槽111和四个轴向螺纹孔117，所有的轴向螺纹孔位于同一个圆周上。周向定位槽111用于对向心叶轮进行周向固定。轴向螺纹孔117沿轮盘的轴向设置，方便向心叶轮的拆卸。安装孔118内还设置有螺纹状导油槽，用于在安装或拆卸向心叶轮时填充液压油。

本实施例中叶片个数为15个，每两个相邻的叶片之间均设置有一个贯通轮盘的平衡孔114，使得轴向推力保证在一个合适的范围内。平衡孔114的直径为4mm，综合平衡孔对流动的影响和工艺要求，平衡孔中心位置布置在以叶轮轴线为中心，直径为75mm～80mm的圆周上。为了防止小半径带来的局部应力集中，叶轮背部平衡孔入口设有导圆角φ1mm。

环状凸台115的设置一方面增加了叶轮的强度，另一方面可以通过调整凸台的位置和尺寸来调整叶轮的固有频率，避免叶轮发生共振。本实施例中，经过有限元分析，当环状凸台115的最小直径取φ165mm～φ175mm，轴向高度取10mm，径向长度取12.5mm时，叶轮共振满足安全裕度要求。

进一步的，如图5所示，环状凸台115的外圆周上设置迷宫齿密封116，不仅有效地降低了泄漏量，而且减小了轴向推力。本实施例中，经过有限元分析，当迷宫齿的径向间隙小于0.4mm时，泄漏量和轴向推力显著减小，密封效果显著增加，而且迷宫齿径向间隙越小，密封能力越强。

本发明的叶轮叶片112的几何型线是在一维设计得到根部、中部和顶部几何参数的基础上，进行三维曲面成型设计，叶型截面采用中弧线加厚度方式定义，三维积叠采取非直纹的三维自由曲面蒙皮成型，子午面型线则采取三阶bezier曲线构造。设计的叶轮在额定工况下轮周效率高达88％，叶轮可以在比较宽的范围内高效率运行，满足工业余热利用的变工况性能要求。

参见图6，本发明叶轮和减速箱的高速轴的连接结构包括减速箱的高速轴120、垫片130和螺母140。

减速箱的高速轴120包括一个锥形安装段121和位于锥形安装段顶端的与螺母140相适配的螺纹段122，锥形安装段121的外圆周面是与向心叶轮的安装孔118相适配的锥形过盈面，螺纹段122的外圆周面上设置有一个沿轴向的键槽123。

垫片130位于叶轮19和螺母140之间。垫片130朝向叶轮19的侧面上设置有一个周向定位键131，周向定位键131与叶轮19的周向定位槽111相适配。垫片130的内圆周上设置有一个轴向键132，轴向键132与螺纹段122的键槽123相适配。

螺母140的外端面上设置有凹槽141，轴向键132在朝向螺母的方向上设置有延伸段，延伸段与螺母表面的凹槽141相适配。

本实施例中，螺母的凹槽在平行于垫片的外端面上径向设置，轴向键的延伸段沿径向弯折后与凹槽相适配。

通过垫片130、叶轮19以及齿轮箱安装轴120之间的键槽连接实现了叶轮19的周向定位，通过控制螺母140的拧紧力实现叶轮19的轴向定位，使得叶轮在重复装拆时省去了动平衡检测，节约了大量成本，有效地提高了经济性。

需要强调的是：本发明的叶轮19可以在保证叶轮轮廓尺寸形状不变的前提下通过调整叶片112的厚度分布、流向角度分布、叶片数等配合喷嘴叶栅28的调整进行调频、调流量和调功率处理，完全不需改动透平其他部件，使本机组具有极好的维护性与互换性。

参见图7和8，喷嘴叶栅28包括前部围带281、背部底盘283以及多个导叶片282；前部围带281和背部底盘283平行设置，多个导叶片282沿圆周方向均匀布置在前部围带281和背部底盘283之间；所述前部围带281与蜗壳27之间安装有密封圈，密封圈安置在前部围带281上的环形密封凹槽284中；所述背部底盘283上设置有沿圆周方向均布的销钉孔285，用于与密封壳体20通过销钉连接和定位；导叶片282的数目结合叶轮叶片112数目进行选择；所述导叶片282为跨音速翼型直叶片。

本发明的喷嘴叶栅28没有选择常规的超音速叶型，而是采用在tc-2p基础上优化的跨音速叶型。因为超音速叶型低工况下效率很差，对加工精度很敏感。所述导叶片282截面型线采用bezier样条成型，利用喉部斜切获取超音速气流，针对有机工质的物性进行优化，在亚音速到超音速范围均可保证较高的效率，可适应余热源的参数波动和工况变化，无需复杂的变工况调节机构。

所述喷嘴叶栅28设计成一个单独的模块化零件，方便进行系列化扩展。可以配合叶轮要求调整叶片参数进行调频，不改变总体尺寸和结构形式，在只更换导叶片282的情况下改善叶轮振动特性。可以配合叶轮调整导叶高度、角度形成最佳的流量调节，在不改变静止部件的同时形成本机组功率等级的系列化，适应不同热源参数的需求。

参见图9和10，所述向心透平2的蜗壳27包括出口扩压管271、蜗壳腔室272和内部加强筋273；

蜗壳27采用一维等环量设计，蜗壳腔室272的截面采用偏心圆截面变面积成型，保证气流沿圆周向均匀分配进入喷嘴叶栅28。蜗壳腔室272与出口扩压管271构成一个整体静子部件，减少了工质向外的泄露点，同时使得透平结构简化尺寸缩小。在蜗壳腔室272出口和导叶片282之间设置内部加强筋273，提高蜗壳刚度，减小变形，减少内泄露损失。加强筋数目选择导叶数的一半或四分之一，避免引起叶轮的气流激振。所述加强筋273截面为对称板型，进口为半圆形以改善进口气流，出口为钝形布置在环形截面上。所述加强筋273的安装角和宽度需要根据导叶片282的安装角和厚度进行设计。本实施案例中加强筋273安装角为与径向夹角46°，宽度为12mm。

本发明的发电装置采用r245fa、r1233zd等干性工质，设计用于发电功率在100～1000kw之间。在余热回收中，综合考虑设备成本和效率以及安装制造的难度，在100kw以下多采用容积式发电装置，在1000kw以上多采用多级轴流式透平发电装置，在两者之间多采用向心式透平发电装置，结构简单效率高。所述透平发电装置采用干性有机工质r245fa、r1233zd等为工作介质，无毒不可燃，对环境友好，不存在膨胀凝结的冲蚀问题。

实施实例：以工业生产中130℃左右低压饱和蒸汽为热源，流量5.4t/h，以r245fa为工质，额定转速10676rpm，工质进口温度110℃，进口压力1.4mpa。透平设计轮周效率为88％，输出轴效率80％。经过不同负载工况试验验证，透平发电效率可达82％，试验中成功实现电功率输出从空载到320kw。