一种自由柱塞膨胀机及液压式发电机组的制作方法

本发明涉及膨胀机技术领域，更具体地说，本发明涉及一种自由柱塞膨胀机及液压式发电机组。

背景技术：

根据《中华人民共和国节约能源法》第一条：为了加强工业节能管理，健全工业节能管理体系，持续提高能源利用效率，推动绿色低碳循环发展，促进生态文明建设；且面对目前日益严峻的能源问题，国际社会对于余热余压能源回收再利用的重视程度越来越高。

膨胀机技术作为热力能源回收转换环节中的重要一环，其转化效率、稳定性以及经济性影响着能源回收再利用的推广和实施。

专利申请公布号cn104533604b的专利公开了一种基于活塞膨胀机的发动机余热回收系统，该系统包括发动机及一套基于活塞膨胀机的余热回收装置。本系统可以回收发动机排气与冷却水中的废热，经由有机朗肯循环将其转化为机械能。与现有余热回收系统相比，本发明的特点在于将活塞膨胀机与活塞发动机进行集成，余热回收系统回收的能量可直接用于发动机在排气过程和压缩过程上能量的消耗，由于无额外的发电机和其他能量转化装置，系统内能量传递损失小，且具有结构紧凑、增加额外组件少等优点，有较为广泛的应用前景。

但是上述技术方案在实际运用时，仍旧存在较多缺点，如余热回收系统回收的能量只能用于发动机在排气过程和压缩过程上能量的消耗，使用范围较小。

专利申请公布号cn103334795a的专利公开了一种利用高压气体输出电能的自由行程活塞膨胀机发电装置，该装置包括自由行程活塞膨胀机、直线发电机、电控单元ecu、整流器及电能存储装置；此装置通过输入高压气体推动自由活塞膨胀机中的两个活塞，使直线发电机中的动子作往复运动并切割磁力线直接输出电能。

但是上述技术方案在实际运用时，仍旧存在较多缺点，如直接通过高压气体推动活塞运动，使直线发电机输出电能，只有活塞推动时能够做功，回复时不能够做功，电能输出效率低，且活塞膨胀机工作过程中会产生不稳定的瞬间压力和流量。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种自由柱塞膨胀机及液压式发电机组，通过利用柔性联轴器将两个自由柱塞膨胀缸和一个活塞式液压泵连接，并且配合电磁液控单向阀组的阀一、阀二、阀三和阀四使用，控制其组合开启/关闭，在直线推杆做一次往复运动时，完成两次膨胀做功，实现两次的发电，发电效率高，并且在液压系统回路中，蓄能器和安全阀组的设置，具有缓冲和吸收压力脉动的能力，能够平衡自由柱塞膨胀机的输出脉动，使液压系统回路中液压传动输出稳定。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种自由柱塞膨胀机及液压式发电机组，包括多个能量回收及转换单元组和一个发电机组，多个能量回收及转换单元组输出端均与发电机组输入端连接；

所述能量回收及转换单元组包括液压油箱、单向阀、自由柱塞膨胀缸一、自由柱塞膨胀缸二、活塞式液压泵、电磁液控单向阀组、安全阀组和蓄能器，所述活塞式液压泵两端分别通过柔性联轴器与自由柱塞膨胀缸一和自由柱塞膨胀缸二连接；

所述液压油箱、单向阀、活塞式液压泵、电磁液控单向阀组、安全阀组、蓄能器、液压马达通过油管相互连接构成了液压系统回路；

所述电磁液控单向阀组包括阀一、阀二、阀三和阀四，所述自由柱塞膨胀缸一连接端通过三通管连接阀一和阀二，所述自由柱塞膨胀缸二连接端通过三通管连接阀三和阀四，所述阀一、阀二、阀三和阀四分别通过管道连接高压气体管道；

所述发电机组包括液压马达和发电机，所述活塞式液压泵输出的液压油驱动液压马达转动，旋转的液压马达驱动发电机发电。

在一个优选地实施方式中，所述活塞式液压泵输入端和输出端均通过三通管与油管连接，且每个三通管上的一个管道与油管连接，另外两个管道上分别连接有单向阀。

在一个优选地实施方式中，所述活塞式液压泵设置为自由柱塞式膨胀缸或活塞式膨胀缸。

在一个优选地实施方式中，所述自由柱塞膨胀缸一和自由柱塞膨胀缸二内部均设有直线推杆，两个所述直线推杆分别与柔性联轴器连接。

在一个优选地实施方式中，所述蓄能器连接的油管与液压马达连接的油管并联连接，且安全阀组设置于蓄能器连接的油管上。

在一个优选地实施方式中，所述液压油箱内部设有冷却仓和稳压罐，所述稳压罐设置于冷却仓一侧且与冷却仓相连通，所述冷却仓对应的液压油箱外壁设有液压油入口，所述稳压罐对应的液压油箱外壁设有液压油出口。

在一个优选地实施方式中，所述冷却仓对应的液压油箱内部设有冷却夹层，所述冷却夹层通过管道连接设置于液压油箱外部的风冷散热器。

在一个优选地实施方式中，所述阀一和阀二输入端连接的高压气体管道一端为高压气体进口，所述阀三和阀四输出端连接的高压气体管道一端为高压气体出口。

在一个优选地实施方式中，所述能量回收及转换单元组和发电机组连接外部控制器。

本发明的技术效果和优点：

1、本发明通过利用柔性联轴器将两个自由柱塞膨胀缸和一个活塞式液压泵连接，并且配合电磁液控单向阀组的阀一、阀二、阀三和阀四使用，控制其组合开启/关闭，在直线推杆做一次往复运动时，完成两次膨胀做功，实现两次的发电，发电效率高，并且在液压系统回路中，蓄能器和安全阀组的设置，具有缓冲和吸收压力脉动的能力，能够平衡自由柱塞膨胀机的输出脉动，使液压系统输出稳定；

2、外部控制器智能控制多个能量回收及转换单元组进行余热余压源能量回收，然后在一个发电机组上进行输出发电，减少了发电机的使用数量；在特殊工况下，例如在易燃易爆的场所，能量回收及转换单元组能够远距离传输能量，引到安全场所的发电机组进行发电，能够实现在特殊工况下的余热余热回收，拓宽的余热余热回收范围；本发明能够用于井口天然气压力能等余压膨胀发电和有机朗肯循环系统的膨胀发电机；

3、自由柱塞膨胀缸是一种容积式的膨胀机，其具有膨胀比大，容积效率高，结构简单，体积小，噪音低，运行稳定，抗污染能力好，转换效率高的优点；柱塞式膨胀缸适合于气液两相流的高压流体；

4、自由柱塞膨胀缸加工容易，整个装置需精密加工的零部件少，装配简单，后期维护方便；

5、活塞式液压泵与自由柱塞膨胀缸一和自由柱塞膨胀缸二采用柔性联轴器连接，具有柔性连接和柔性传动的优点，降低柔性联轴器与直线推杆的制造及安装误差，防止承载后的变化以及稳定变化的影响；此外液压传动的元件体积小，功率密度大，易于撬装化设计，且能减少设备的占地面积；

6、电磁液控单向阀组的响应快，在传感器和外部控制器的共同作用下，易实现自由柱塞膨胀机的的膨胀比的调整，适应余热余压源的压力和流量改变，提高回收效率；此外，膨胀缸配合电磁液控单向阀组使用，控制电磁液控单向阀组启闭时间，可以任意柔性改变膨胀比系数；

7、本发明一种自由柱塞膨胀机及液压式发电机组有较好的转化效率、稳定性以及经济性，有利于的余热余压能源回收的实施和推广。

附图说明

图1为本发明的能量回收及转换单元组和发电机组结构示意图。

图2为本发明的整体结构示意图。

图3为本发明的液压油箱结构示意图。

附图标记为：1能量回收及转换单元组、2发电机组、3液压油箱、4单向阀、5自由柱塞膨胀缸一、6自由柱塞膨胀缸二、7活塞式液压泵、8电磁液控单向阀组、81阀一、82阀二、83阀三、84阀四、9安全阀组、10蓄能器、11高压气体管道、12液压马达、13发电机、14柔性联轴器、15冷却仓、16稳压罐、17风冷散热器、18冷却夹层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据图1-2所示的一种自由柱塞膨胀机及液压式发电机组，包括多个能量回收及转换单元组1和一个发电机组2，多个能量回收及转换单元组1输出端均与发电机组2输入端连接；

所述能量回收及转换单元组1和发电机组2连接外部控制器；

实施方式具体为：在传感器和外部控制器共同作用下智能控制多个能量回收及转换单元组1进行余热余压源能量回收，然后在一个发电机组2上进行输出发电，减少了发电机13的使用数量；

在特殊工况下，例如在易燃易爆的场所，能量回收及转换单元组1能够远距离传输能量，引到安全场所的发电机组2进行发电，能够实现在特殊工况下的余热余热回收，拓宽的余热余热回收范围。

如图1所示，所述能量回收及转换单元组1包括液压油箱3、单向阀4、自由柱塞膨胀缸一5、自由柱塞膨胀缸二6、活塞式液压泵7、电磁液控单向阀组8、安全阀组9和蓄能器10，所述活塞式液压泵7两端分别通过柔性联轴器14与自由柱塞膨胀缸一5和自由柱塞膨胀缸二6连接；

所述自由柱塞膨胀缸一5和自由柱塞膨胀缸二6内部均设有直线推杆，两个所述直线推杆分别与柔性联轴器14连接；

实施方式具体为：活塞式液压泵7与自由柱塞膨胀缸一5和自由柱塞膨胀缸二6采用柔性联轴器14连接，具有柔性连接和柔性传动的优点，降低柔性联轴器14与直线推杆的制造及安装误差，防止承载后的变化以及稳定变化的影响；此外液压传动的元件体积小，功率密度大，易于撬装化设计，且能减少设备的占地面积；

自由柱塞膨胀缸一5和自由柱塞膨胀缸二6加工容易，整个装置需精密加工的零部件少，装配简单，后期维护方便。

如图1所示，所述活塞式液压泵7设置为自由柱塞式膨胀缸或活塞式膨胀缸；所述活塞式液压泵7输入端和输出端均通过三通管与油管连接，且每个三通管上的一个管道与油管连接，另外两个管道上分别连接有单向阀4，只允许液流在管道内沿一个方向流动，反向回流不通过，用于活塞式液压泵7的配油。

实施方式具体为：此活塞式液压泵7是一种将机械能转为液压能的能量转换装置。

如图1所示，所述液压油箱3、单向阀4、活塞式液压泵7、电磁液控单向阀组8、安全阀组9、蓄能器10、液压马达12通过油管相互连接构成了液压系统回路；

所述电磁液控单向阀组8包括阀一81、阀二82、阀三83和阀四84，所述自由柱塞膨胀缸一5连接端通过三通管连接阀一81和阀二82，所述自由柱塞膨胀缸二6连接端通过三通管连接阀三83和阀四84，所述阀一81、阀二82、阀三83和阀四84分别通过管道连接高压气体管道11；

所述阀一81和阀二82输入端连接的高压气体管道11一端为高压气体进口，所述阀三83和阀四84输出端连接的高压气体管道11一端为高压气体出口；

所述发电机组2包括液压马达12和发电机13，所述液压油箱3输送的液压油驱动液压马达12转动，旋转的液压马达12驱动发电机13发电；

实施方式具体为：在整个装置能量回收发电过程中，做一次完整的功，会进行两步冲程：

其中自由柱塞膨胀缸和活塞式液压泵7运动形式均为往复式直线运动；

整个过程中液压油箱3通过油管供应液压油；

第一冲程，控制电磁液控单向阀组8的阀二82和阀三83打开，控制电磁液控单向阀组8的阀一81和阀四84关闭，高压气体经高压气体管道11的高压气体进口得以进入自由柱塞膨胀缸一5，膨胀做功推动活塞式液压泵7向右压出液压油，压力油带动液压马达12旋转，旋转的液压马达12再驱动发电机13发电；自由柱塞膨胀缸膨胀做功时，活塞式液压泵7左室从液压油箱3吸油，且自由柱塞膨胀缸中气体经高压气体管道11的高压气体出口排出并复位，为第二冲程的做功做准备，至此完成第一冲程；

第二冲程，控制电磁液控单向阀组8的阀一81和阀四84打开，控制电磁液控单向阀组8的阀二82和阀三83关闭，高压气体得以进入自由柱塞膨胀缸二6，膨胀做工推动活塞式液压泵7向左压出液压油，压力油带动液压马达12旋转，旋转的液压马达12再驱动发电机13发电；自由柱塞膨胀缸二6膨胀做功时，活塞式液压泵7右室从液压油箱3吸油，且自由柱塞膨胀缸一5中气体排出并复位，为下一工作往复循环做准备，至此完成第二冲程；

从而在直线推杆做一次往复运动时，完成两次膨胀做功，实现两次的发电，发电效率高。

且在发电工作过程中，电磁液控单向阀组8的响应快，在传感器和外部控制器的共同作用下，易实现自由柱塞膨胀机的的膨胀比的调整，适应余热余压源的压力和流量改变，提高回收效率；此外，膨胀缸配合电磁液控单向阀组8使用，控制电磁液控单向阀组8启闭时间，可以任意柔性改变膨胀比系数。

如图1所示，所述蓄能器10连接的油管与液压马达12连接的油管并联连接，且安全阀组9设置于蓄能器10连接的油管上。

实施方式具体为：液压系统回路中的蓄能器10具有缓冲和吸收压力脉动的能力，能够平衡自由柱塞膨胀机的输出脉动，使液压系统回路中液压传动输出稳定。

如图3所示，所述液压油箱3内部设有冷却仓15和稳压罐16，所述稳压罐16设置于冷却仓15一侧且与冷却仓15相连通，所述冷却仓15对应的液压油箱3外壁设有液压油入口，所述稳压罐16对应的液压油箱3外壁设有液压油出口；

所述冷却仓15对应的液压油箱3内部设有冷却夹层18，所述冷却夹层18通过管道连接设置于液压油箱3外部的风冷散热器17，风冷散热器可以使用发电机输出的电；

实施方式具体为：液压油箱3在整个液压系统回路中起到输出液压油和回收液压油的作用，同时还起着散热、分离油液中的空气、杂质等作用，在液压油输出时经稳压罐16输出，输出的液压油稳定，回收的液压油进入冷却仓15内进行冷却散热，然后进入稳压罐16稳压再次循环利用，液压油在使用过程中比较稳定，使整个液压系统工作稳定。

本发明工作原理：

参照说明书附图1-3，整个系统工作时，回收的高压气体经高压气体管道11输入至能量回收及转换单元组1内，通过控制阀二82和阀三83打开，控制阀一81和阀四84关闭，高压气体得以进入自由柱塞膨胀缸一5，膨胀做功推动活塞式液压泵7向右压出液压油，压力油带动液压马达12旋转，旋转的液压马达12再驱动发电机13发电；自由柱塞膨胀缸膨胀做功时，活塞式液压泵7左室从液压油箱3吸油，且自由柱塞膨胀缸中气体排出并复位，然后控制阀一81和阀四84打开，控制阀二82和阀三83关闭，高压气体得以进入自由柱塞膨胀缸二6，同理，膨胀做工，进行发电；自由柱塞膨胀缸二6膨胀做功时，活塞式液压泵7右室从液压油箱3吸油，且自由柱塞膨胀缸一5中气体排出并复位，为下一工作往复循环做准备，从而在直线推杆做一次往复运动时，完成两次膨胀做功，实现两次的发电，发电效率高。

最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；

其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；

最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。