[发明专利]一种多级向心透平系统

说明书

技术领域

本发明涉及透平膨胀技术领域，是一种带级间加热的多级向心透平系统。

背景技术

向心透平广泛应用在中小型燃气轮机、涡轮增压器、制冷装置和液化装置的膨胀透平等领域，具有结构简单紧凑、制造工艺简单、造价低廉、安装方便等优点。单级向心透平的效率很高，特别是在小流量的情况下还能保持很高的效率，目前的单级向心透平等熵效率可以达到90％以上。同时，向心透平单级膨胀比高，单级向心透平完成的膨胀比可以达到轴流透平的两倍甚至更多。

由于向心透平结构的特殊性，多级向心透平实现的难度很大，从已经公开的资料来看，绝大多数都是单级向心透平系统，很少有多级向心透平系统。随着透平膨胀系统的进口压力越来越高，系统要求的膨胀比不断增加，单级向心透平已满足不了现有的需求。而且气体在高压情况下，体积流量较小，其他形式的透平膨胀机的效率不高，而向心透平在体积流量很小的情况下仍能保持很高的效率，因此迫切需要一种高效可靠的多级向心透平系统。

发明内容

本发明的目的是公开一种多级向心透平系统，带有级间加热器，是一种效率高、运行可靠性高、运行成本低、膨胀比高、能利用中低温(热值)的多级向心透平系统。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种多级向心透平系统，包括向心透平组、换热器、发电机、齿轮变速箱、阀门、多根轴及多根管道；其向心透平组包括多级向心透平，级数为2～8级，级数的多少由能量转换系统所需完成的膨胀比的大小决定；

至少为两级向心透平，每级包括至少一个向心透平，两个向心透平共转动轴背靠背固接；各级向心透平经多根管道、至少一换热器相通连；

管道中设有调节阀、三通阀；

多级的转动轴分别与齿轮变速箱连接，齿轮变速箱的主输出轴与发电机或其他负荷的驱动轴连接，通过主输出轴输出轴功，带动发电机或其他负荷；

换热器的热源为来自于环境、或中低温余热、或太阳能集热器。

所述的多级向心透平系统，其所述两向心透平共转动轴背靠背固接，是相邻两级向心透平串联，共一转动轴，以背靠背的方式固接，即第一级向心透平、第二级向心透平共一转动轴背靠背固接，第三级向心透平、第四级向心透平共一转动轴背靠背固接，以此类推至最后一级，当级数为奇数时，最后一级由两个向心透平组成，采用背靠背同轴的形式布置；

齿轮变数箱的位置位于同轴的两向心透平的同侧；

第一级向心透平经管路、换热器、管路与第二级向心透平相通连；第二级向心透平经管路、换热器、管路与第三级向心透平相通连；第三级向心透平经管路、换热器、管路与第四级向心透平相通连，以此类推至最后一级(N)，最后一级(N)向心透平的出口通大气，或接其他设备；

其流程为：

高压气体在进入多级向心透平前被加热到一定温度后，经阀门、管路输入第一级向心透平，在第一级向心透平中膨胀做功后进入换热器，提高温度后继续进入第二级向心透平膨胀做功，再经换热器后继续进入第三级向心透平膨胀做功，以此方式，直到最后一级透平(N)膨胀后结束，向心透平组膨胀过程产生的轴功通过轴输出给齿轮变速箱，变速后由主输出轴输出带动发电机或其他负荷。

所述的多级向心透平系统，其所述向心透平的转子，是开式、半开式或闭式。

所述的多级向心透平系统，其所述高压气体，为空气、氮气、氧气、二氧化碳、天然气、氟利昂或水蒸气其中之一。

所述的多级向心透平系统，其所述多级向心透平系统的向心透平个数为偶数，采用背靠背同轴的形式布置，以抵消透平叶轮的轴向力，产生的轴功由同一根输出轴输出。

所述的多级向心透平系统，其所述高压气体在进入多级向心透平之前被加热到一定温度，是第一级向心透平进口的温度在220K～973K之间，进口压力在3bar～340bar之间；多级向心透平的膨胀比在3～340之间，最后一级(N)向心透平的排气压力接近常压，或作为其他设备的高压气源使用。

所述的多级向心透平系统，其所述各级向心透平的膨胀比，由多级向心透平总的膨胀比和各级向心透平转子的轴向力共同决定，背靠背的两个向心透平的压比分布要满足轴向力大致平衡。

所述的多级向心透平系统，其所述换热器，为套管式、管壳式、夹套式、蓄热式、混合式、沉浸蛇管式其中之一或它们的组合，换热器的热源温度在220K～973K之间。

所述的多级向心透平系统，其所述热源为来自于环境、或中低温余热，是工业废热、余热、大气环境、或蓄热装置。