一种离心径流透平的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种离心径流透平，与传统的向心径流透平相比，在相同流量下，无需提高转速，只需通过增加透平级数，就可以增大输出功率，达到透平输出功率的要求；不必为其匹配高速轴承、电机或变速机构，可以有效降低设备成本，提高设备运行安全，有利于设备的可靠性和稳定性；与轴流透平相比，其结构紧凑，体积小，能很好地适应小流量工况，扩展了透平的工况范围。
【专利说明】
一种离心径流透平
技术领域
[0001] 本发明涉及小型分布式动力循环，例如有机朗肯循环领域，尤其涉及一种离心径 流透平。
【背景技术】
[0002] 在能源短缺问题日益突显的今天，利用工业余热、新能源的各种热力循环系统将 被广泛的应用，在这些系统中，透平作为膨胀机的一种，是必不可少的部件。透平是一种将 工质（蒸汽、燃气、空气、有机工质等）的热能转换为机械功的旋转式动力机械，广泛的应用 在各种热力循环系统中，其通常由静止叶片(静叶)和转动叶片(动叶)组成，工作时，气流所 具有的能量在流经静叶时转换成动能，流过动叶时流体冲击叶片，推动动叶转动，从而驱动 透平轴旋转，输出机械功。在透平中完成能量转换的基本单元是透平级，简称级，由一列静 叶和一列动叶串联组成。根据静叶和动叶的布置结构以及气流在透平内的流动轨迹，透平 分为轴流透平和向心径流透平两种形式。
[0003] 轴流式透平用于流量较大的条件下，且结构上便于做成多级形式，能满足高膨胀 比和大功率的要求，但轴流式透平结构复杂，体积较大，制造难度大，且流量工况范围较小。
[0004] 根据高膨胀比、高效率、小流量的设计参数要求，系统多选用径流式透平。但传统 的向心径流透平多为单级结构，为达到输出功率的要求，其转速往往为数万转，转速要求非 常高，影响了设备运行的可靠性和稳定性，国内目前的水平很难实现，国外相应产品价格高 昂，且供货情况受制于人;传统的向心径流透平工作时还必须为其匹配高速轴承、电机或变 速机构，抬高了成本。
【发明内容】
[0005] (一)要解决的技术问题
[0006] 为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种离心径流透平。
[0007] (二)技术方案
[0008] 本发明提供了一种离心径流透平，包括:转子和机匣，其中，所述转子沿径向设置 有多排同心环状动叶，所述机匣沿径向设置有多排同心环状静叶，所述多排同心环状动叶 与多排同心环状静叶交错排列，相邻两排动叶和静叶沿径向形成一级透平级。
[0009 ]优选地，所述转子包括:转轴11、叶轮12和轮盘13，所述转子以所述转轴11为中心， 沿半径增大方向依次为所述叶轮12和轮盘13。
[0010]优选地，在所述轮盘的一表面上，沿径向设置有多排以所述转轴11为中心的同心 环状动叶，每排动叶包括多个呈环形排列的动叶14,所述动叶14沿轴向延伸并突出于轮盘 的所述表面。
[0011]优选地，所述机匣包括:机壳21和蜗壳22,所述机匣沿所述转轴11的中心周向对 称，所述蜗壳22形成于所述机壳的四周，在所述蜗壳的与转子轮盘相对的位置为一盘体23， 所述盘体23与转子轮盘13沿径向对称。
[0012] 优选地，在所述盘体的一表面上，沿径向设置有多排以所述转轴11为中心的同心 环状静叶，每排静叶包括多个呈环形排列的静叶24,所述静叶24沿轴向延伸并突出于盘体 的所述表面。
[0013] 优选地，所述蜗壳22的径向边缘部分形成出气腔32,所述出气腔32具有气流出口。
[0014] 优选地，所述机壳21和叶轮12之间形成进气腔31，机壳侧壁具有至少一个气流进 口 33与所述进气腔31连通。
[0015] 优选地，所述多排同心环状动叶和/或多排同心环状静叶的叶型为直叶片、变截面 叶片、弯叶片或扭叶片。
[0016] 优选地，所述多排同心环状静叶中的前N排静叶为导叶。
[0017]优选地，在所述蜗壳的靠近转子叶轮的位置还具有至少一个辅助气流进口 34。 [0018](三)有益效果
[0019] 从上述技术方案可以看出，本发明的离心径流透平具有以下有益效果：
[0020] (1)本发明的离心径流透平，与传统的向心径流透平相比，在相同流量下，无需提 高转速，转速可以维持在常规水平(3000rpm)，只需通过增加透平级数，就可以增大输出功 率，达到透平输出功率的要求；
[0021] (2)由于离心径流透平的转速可以维持在常规水平，从而不必为其匹配高速轴承、 电机或变速机构，可以有效降低设备成本，提高设备运行安全，有利于设备的可靠性和稳定 性；
[0022] (3)与轴流透平相比，其结构紧凑，体积小，由于其动叶和静叶采用径向布置的方 式，使得离心径流透平能很好地适应小流量工况，扩展了透平的工况范围。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明实施例的离心径流透平的平行于轴向的剖面图；
[0024] 图2为本发明实施例的离心径流透平的另一个平行于轴向的剖面图；
[0025] 图3为本发明实施例的离心径流透平的垂直于轴向的剖面图。
[0026] 【符号说明】
[0027] 11-转轴；12-叶轮；13-轮盘；14-动叶；
[0028] 21-机壳;22-蜗壳;23-盘体;24-静叶；
[0029] 31-进气腔;32-出气腔;33-气流进口； 34-辅助气流进口。
【具体实施方式】
[0030] 本发明公开了一种离心径流透平，区别于现有的轴流式透平和向心径向透平，其 结构形式灵活，能在透平运行转速为常规转速(3000rpm)下，使透平具有较大的膨胀比和较 高的效率；同时借鉴可调导叶技术，能够方便的调节透平流量，扩大透平运行范围，最终保 证热力系统的可实现性和经济性。
[0031] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0032] 本发明实施例的离心径流透平，包括转子和机匣两部分，其中，
[0033]转子包括转轴11、叶轮12，轮盘13和动叶14，转子以转轴11为中心，其沿半径增大 方向依次为叶轮12和轮盘13,即转轴11处于中心位置，叶轮12形成于转轴的四周，轮盘13形 成于叶轮的四周，在轮盘的表面上，沿径向设置有多排以转轴11为中心的同心环状动叶，每 排动叶包括多个呈环形排列的动叶14,动叶14沿轴向延伸并突出于轮盘的该表面；
[0034] 机匣包括机壳21和蜗壳22，其沿转轴11的中心周向对称，蜗壳22形成于机壳的四 周，机匣包裹转子的轮盘13使得机匣与转子之间密封，机壳21和叶轮12之间形成进气腔31， 机壳侧壁具有至少一个气流进口 33，在蜗壳的与转子轮盘相对的位置为一盘体23，该盘体 23与转子轮盘13沿径向对称，在该盘体的表面上，沿径向设置有多排以转轴11为中心的同 心环状静叶，每排静叶包括多个呈环形排列的静叶24,静叶24沿轴向延伸并突出于盘体的 该表面；多排动叶与多排静叶交错排列，动叶14顶部靠近盘体23，静叶24顶部靠近轮盘13， 相邻两排动叶和静叶沿径向形成一级透平级，即离心径流透平沿径向具有多级透平级，蜗 壳22沿径向边缘部分形成出气腔32,并具有气流出口。
[0035] 其中，图1所示的离心径流透平为多级离心径流透平，其具有八排动叶和八排静 叶，相邻两排动叶和静叶共形成八个透平级；图2所示的离心径流透平为单级离心径流透 平，其仅具有一排动叶和一排静叶，形成一个透平级；图3所示的离心径流透平具有两排动 叶和两排静叶，相邻两排动叶和静叶共形成两个透平级。
[0036] 在本实施例中，动叶和静叶的叶型可根据流体介质流动情况，采用直叶片、变截面 叶片、弯叶片、扭叶片等多种形式。
[0037] 本发明实施例的离心径流透平，流体介质由离心径流透平的气体进口进入其进气 腔，并沿半径方向由内而外流动，即流体介质沿半径增大的离心方向流动，当流体介质流经 透平级时，其具有的能量在静叶的作用下转换成动能，流过动叶时流体介质冲击叶片，推动 动叶转动，从而驱动转轴旋转，输出机械功，之后流体介质流入出气腔并经气流出口排出 (流体介质的流向可参见图1和图2中的箭头所示）。
[0038] 传统的向心径流透平，需要通过提高转速的方式提高输出功率，例如，若达到输出 功率要求，向心径流透平要达到10000~80000rpm的转速，而由本发明的技术方案可以看 出，本发明的离心径流透平，在相同流量下，无需提高转速，转速可以维持在常规水平 (3000rpm)，只需通过增加透平级数，就可以增大输出功率，达到透平输出功率的要求；由于 离心径流透平的转速可以维持在常规水平，从而不必为其匹配高速轴承、高速电机或变速 机构，可以有效降低设备成本，提高设备运行安全，有利于设备的可靠性和稳定性;并且与 轴流透平相比，由于其动叶和静叶采用径向布置的方式，使得离心径流透平能很好地适应 小流量工况，扩展了透平的工况范围。
[0039] 本发明实施例的离心径流透平，可以将多排静叶中的前N排静叶设置为导叶，其中 导叶的排数N、第一级导叶的入口直径以及导叶喉部流通面积由流经透平的流量决定，例 如，透平流量增大，则第一级导叶入口直径增大、导叶排数减小、导叶喉部通流面积增大，通 过调节导叶可以改变流通面积，调节透平流量。
[0040] 本发明实施例的离心径流透平，优选地，其结构参数满足以下关系：
[0041 ]
，其中，τ为常数，α为重热系数，其取值范 围为0.02-0.08, Ah$si为第i级的等熵焓降，AHS为透平级的总焓降；其中τ可通过以下方式 得到：设置透平级数z的初始值，
求得τ的值，得到τ的值后可通过迭代 计算得到透平级数ζ，其中C2为动叶出口绝对速度，μ为叶片扭转系数。
[0042] 离心径流透平的末级动叶结构参数为：
[0043]
，其中PSZ为末级动叶材料的密度， σζ为末级动叶根部的离心拉应力，η为透平转速，G为透平流量，i为末级动叶截面沿叶高减 小而引起的通流面积变化的系数，其取值范围为1 -2.2。
[0044]
，其中，P2Z为透平的出口静压，R为 气体常数，TS2Z~TV- Δ HS/CP，其中7=为透平入口总温，CP为定压比热容。
[0045] 离心径流透平的动叶结构参数为：
[0046] 第i级动叶轮周速度
，其中xai为透平速比，其范围为0.5-0.7， ，其中Cal第i透平级动叶的假想速度。第i级动叶外径
[0047] 第i级动叶入口绝度速度
，其中供为第i级的动叶的导向器速 度系数，其取值范围为
，其中Clsi为第i级导叶出口理想速度，Cli为第 i级导叶出口实际速度，Ωι为第i级动叶选定的反动度，其取值范围为0.3~0.5。
[0048] 第i级动叶入口周向分速度ciUi = ciiC〇sau，其中an为第i级动叶的入口绝对气流 角，其取值范围为14°~25°。
[0049] 第i级动叶入口相对气流
。第i级动叶入口叶片角fobi = βη+Iu，其中In为第i级动叶入口气流冲角，其取值范围为10°~-20°。第i级动叶入口叶片 数Zii之(5~6) · ctgau。
[0050] 第i级动叶入口截面通流面积AurG/Piidi，其中Pii为第i级导叶出口密度。第i级 动叶入口截面几何面积Alpi = Au/(Tie sini3lbi)，其中η为第i级动叶入口阻塞系数，e为部 分进气度。第i级动叶入口叶片高度?Η=Α 1(?/(3Τ〇η)。
[0051 ]第i级动叶出口直径％ = :? ?，其中I,为第i级轮径比。第i级动叶出口处轮 周速度~二化。第i级动叶出口相对速度= ，其中机 为?第i级动叶速度系数且其取值范围为0.75~0.9，ih = C2i/C2s其中c2s第i级动叶出口理 想速度，c2i第i级动叶出口实际速度，Wli第i级动叶入口相对速度。第i级动叶出口绝对速度 周向分量〇21^ = 1121-'?2^〇8知，其中021为第：[级动叶出口相对气流角，其取值范围为25°~ 45°。第i级动叶出口绝对速度轴向分量0 2^ = ?2^111|3^。第1级动叶出口绝对流速 。第i级动叶出口绝对气沆
第i级动叶内温降
，第i级动叶出口工质温度T2i = Tu-AT2i，其中Tu为第i级动叶 入口工质温度。
[0052]离心径流透平的静叶结构参数为：
[0053] 第i级静叶环出口截面直径0Ν? = 0η-2Δη，其中Ari为动静叶片排间间距。第i级 静叶环出口通流面积ANl~Au。第i级静叶片的喉部尺寸
，其中e为部分 进气度且〇.3<e<l，ZNi为第i级静叶片的流道数。第i级静叶出口高度 [0054]离心径流透平的功率和效率参数为：
[0055]轮周功率 Nui = G(UliClui-U2iC2ui) =6(11加加 08(^+112似冗08€[2土）
[0057] 或写成
[0059] 本发明的离心径流透平，其给出了具体的结构参数，按照上述参数精确确定离心 径流透平的各部分尺寸，可以保证离心径流透平只需通过增加透平级数，就可以增大输出 功率，并能更好地适应小流量工况，进一步扩展透平的工况范围。
[0060] 本发明的离心径流透平，在蜗壳的靠近转子叶轮的位置还具有至少一个辅助气流 进口 34，气体可由辅助气流进口 34进入离心径流透平，并进入蜗壳22与转子轮盘13之间的 间隙，气体可向转子轮盘13产生一压力，从而平衡离心径流透平轮盘所受的轴向力，根据离 心径流透平的运行情况，通过调节辅助气流进口的进气量，可以控制气体对转子轮盘的压 力大小，有利于提高离心径流透平的稳定性。
[0061] 至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员 应当对本发明的离心径流透平有了清楚的认识。
[0062]需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术 领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限 于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更 改或替换，例如：
[0063] (1)动叶和静叶还可以选用其他结构；
[0064] (2)实施例中提到的方向用语，例如"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，仅是参 考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；
[0065] (3)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例 混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
[0066] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
【主权项】
1. 一种离心径流透平，其特征在于，包括:转子和机匣，其中，所述转子沿径向设置有多 排同心环状动叶，所述机匣沿径向设置有多排同心环状静叶，所述多排同心环状动叶与多 排同心环状静叶交错排列，相邻两排动叶和静叶沿径向形成一级透平级。2. 如权利要求1所述的离心径流透平，其特征在于，所述转子包括:转轴（11)、叶轮（12) 和轮盘（13)，所述转子以所述转轴（11)为中心，沿半径增大方向依次为所述叶轮（12)和轮 盘(13)。3. 如权利要求2所述的离心径流透平，其特征在于，在所述轮盘的一表面上，沿径向设 置有多排以所述转轴（11)为中心的同心环状动叶，每排动叶包括多个呈环形排列的动叶 (14 )，所述动叶（14)沿轴向延伸并突出于轮盘的所述表面。4. 如权利要求3所述的离心径流透平，其特征在于，所述机匣包括：机壳（21)和蜗壳 (22)，所述机匣沿所述转轴（11)的中心周向对称，所述蜗壳(22)形成于所述机壳的四周，在 所述蜗壳的与转子轮盘相对的位置为一盘体(23)，所述盘体(23)与转子轮盘(13)沿径向对 称。5. 如权利要求4所述的离心径流透平，其特征在于，在所述盘体的一表面上，沿径向设 置有多排以所述转轴（11)为中心的同心环状静叶，每排静叶包括多个呈环形排列的静叶 (24)，所述静叶(24)沿轴向延伸并突出于盘体的所述表面。6. 如权利要求4所述的离心径流透平，其特征在于，所述蜗壳(22)的径向边缘部分形成 出气腔(32)，所述出气腔(32)具有气流出口。7. 如权利要求4所述的离心径流透平，其特征在于，所述机壳(21)和叶轮（12)之间形成 进气腔(31 )，机壳侧壁具有至少一个气流进口（ 33)与所述进气腔(31)连通。8. 如权利要求1所述的离心径流透平，其特征在于，所述多排同心环状动叶和/或多排 同心环状静叶的叶型为直叶片、变截面叶片、弯叶片或扭叶片。9. 如权利要求1所述的离心径流透平，其特征在于，所述多排同心环状静叶中的前N排 静叶为导叶。10. 如权利要求4所述的离心径流透平，其特征在于，在所述蜗壳的靠近转子叶轮的位 置还具有至少一个辅助气流进口（34)。
【文档编号】F01D25/26GK106089306SQ201610652569
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月10日 公开号201610652569.5, CN 106089306 A, CN 106089306A, CN 201610652569, CN-A-106089306, CN106089306 A, CN106089306A, CN201610652569, CN201610652569.5
【发明人】付经纶, 张超, 刘建军
【申请人】中国科学院工程热物理研究所