一种具备出口旋转动能回收功能的高效透平
本发明涉及流体机械领域，特别涉及一种具备出口旋转动能回收功能的高效透平。
背景技术：
1、在低温余热发电技术领域，有机朗肯循环(orc)技术经过数十年的发展，在该领域比较具有代表性。有机朗肯循环发电系统是采用低沸点的有机工质作为循环工质，通过朗肯循环，实现电力输出回收余热资源，可以有效回收80-250℃余热资源。有机工质一般沸点较低，吸收热量后极易膨胀产生压力，从而推动透平转动进行发电。
2、透平是orc系统中的关键部件，提高透平的能量回收效率是研究的关键方向。透平回收能量时，叶轮带动流体工质一同旋转，工质在透平蜗壳出口处除了直线运动以外，还伴随着强烈的旋转运动。由于透平的转速较高，有些透平的转速可达每分钟5万转，因此工质的旋流通常也具有较大的旋转动能，为了减少透平中能量的损失，一些公开专利对透平的叶轮进行了优化，例如现有技术对透平的叶轮叶片进行了优化设计，但并未考虑透平蜗壳出口处的能量损失。透平蜗壳出口处强烈的旋流还会导致管道的振动，加速管道和后方相关设备的磨损，振动还会影响流体输送的效率和稳定性，并容易产生噪声或引发泄露等安全事故。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种具备出口旋转动能回收功能的高效透平，可以回收在透平蜗壳出口处的工质的旋转动能，提高了透平能量回收的效率。旋流的减少还可以减轻管道振动和噪声的产生，提高系统的寿命和稳定性。
2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
3、一种具备出口旋转动能回收功能的高效透平，包括透平叶轮、蜗壳、轴和发电机，所述透平叶轮位于蜗壳内，所述透平叶轮安装在轴上，所述轴用于带动发电机的转子旋转；其特征在于，所述蜗壳的出口中安装轮缘发电机组，轮缘发电机组中具有可旋转的叶轮，用于部分或全部消除流体工质在透平蜗壳出口中的旋转，并将回收的流体旋转动能转化为电能。
4、进一步，所述轮缘发电机组包括无轴叶轮、轮缘发电机转子和轮缘发电机定子；所述蜗壳的出口边缘上安装轮缘发电机定子，在轮缘发电机定子内侧安装可旋转的轮缘发电机转子，所述蜗壳的出口中心设有无轴叶轮中心固定环，在无轴叶轮中心固定环与轮缘发电机转子之间均布若干叶片构成无轴叶轮；所述轮缘发电机转子上均布永磁磁体；所述轮缘发电机定子上缠绕导线，导线与储能设备连接，通过无轴叶轮的旋转回收动能。
5、进一步，所述轮缘发电机的轮缘发电机转子、永磁磁体、轮缘发电机定子均为环状结构，所述永磁磁体设置在轮缘发电机转子的外侧，所述轮缘发电机定子在永久磁体外部。
6、进一步，在流动方向上，无轴叶轮在透平叶轮的后方，所述透平叶轮将流体工质中的大部分能量转换为电能，所述无轴叶轮将透平叶轮剩余能量部分或全部转换为电能。
7、进一步，所述蜗壳出口的外侧设有整流器及转换器和电池，所述整流器及转换器用于将输入的交流电转换成直流电，所述整流器及转换器与电池连接；所述电池用于给用电设备供电。
8、进一步，所述无轴叶轮的叶片上任意一点的来流角随着半径的增加而增大，所述无轴叶轮的叶片上任意一点的来流角θ根据下面公式确定：
9、
10、式中：n为透平叶轮的额定转速，r/min；r为叶片任意一点的位置距离无轴叶轮中心的距离，m；q为透平叶轮的设计流量，m3/s；a为蜗壳出口截面流通面积，m2；vu为来流在蜗壳出口中沿轴线方向速度，m/s；vω为来流在蜗壳出口中沿径向方向速度，m/s。
11、进一步，所述无轴叶轮的叶片入射角度δ取值在10到20度之间，叶片入射角度δ为无轴叶轮的叶片与流体工质来流所成的角度。
12、本发明的有益效果在于：
13、1.本发明所述的具备出口旋转动能回收功能的高效透平，通过蜗壳的出口中安装轮缘发电机组，轮缘发电机组中具有可旋转的叶轮，可以部分或全部消除流体工质在透平蜗壳出口中的旋转，并将回收的流体旋转动能转化为电能，传统透平蜗壳出口处的流体工质伴随着强烈的旋转流动，造成能量的浪费。本发明对透平出口的旋转动能进行回收发电，提高了透平的能量回收效率。
14、2.本发明所述的具备出口旋转动能回收功能的高效透平，传统透平蜗壳出口处的流体工质伴随着强烈的旋转流动，造成出口振动大和噪声大，本发明无轴叶轮部分或全部消除流体工质在透平蜗壳出口中的旋转，从而减少出口连接管道的振动和噪声，可以提高系统的寿命和稳定性。
15、3.本发明所述的具备出口旋转动能回收功能的高效透平，能够为系统中的用电设备提供电力，保障用电设备系统的稳定运行，从而提高了整个系统的稳定性和安全性。
技术特征：
1.一种具备出口旋转动能回收功能的高效透平，包括透平叶轮(1)、蜗壳(2)、轴(10)和发电机，所述透平叶轮(1)位于蜗壳(2)内，所述透平叶轮(1)安装在轴(10)上，所述轴(10)用于带动发电机的转子旋转；其特征在于，所述蜗壳(2)的出口中安装轮缘发电机组，轮缘发电机组中具有可旋转的叶轮，用于部分或全部消除流体工质在透平蜗壳出口中的旋转，并将回收的流体旋转动能转化为电能。
2.根据权利要求1所述的具备出口旋转动能回收功能的高效透平，其特征在于，所述轮缘发电机组包括无轴叶轮(4)、轮缘发电机转子(5)和轮缘发电机定子(6)；所述蜗壳(2)的出口边缘上安装轮缘发电机定子(6)，在轮缘发电机定子(6)内侧安装可旋转的轮缘发电机转子(5)，所述蜗壳(2)的出口中心设有无轴叶轮中心固定环(15)，在无轴叶轮中心固定环(15)与轮缘发电机转子(5)之间均布若干叶片构成无轴叶轮(4)；所述轮缘发电机转子(5)上均布永磁磁体(14)；所述轮缘发电机定子(6)上缠绕导线，导线与储能设备连接，通过无轴叶轮(4)的旋转回收动能。
3.根据权利要求2所述的具备出口旋转动能回收功能的高效透平，其特征在于，所述轮缘发电机的轮缘发电机转子(5)、永磁磁体(14)、轮缘发电机定子(10)均为环状结构，所述永磁磁体(14)设置在轮缘发电机转子(5)的外侧，所述轮缘发电机定子(10)在永久磁体外部。
4.根据权利要求2所述的具备出口旋转动能回收功能的高效透平，其特征在于，在流动方向上，无轴叶轮(4)在透平叶轮(1)的后方，所述透平叶轮(1)将流体工质中的大部分能量转换为电能，所述无轴叶轮(4)将透平叶轮(1)剩余能量部分或全部转换为电能。
5.根据权利要求2所述的具备出口旋转动能回收功能的高效透平，其特征在于，所述蜗壳(2)出口的外侧设有整流器及转换器(8)和电池(9)，所述整流器及转换器(8)用于将输入的交流电转换成直流电，所述整流器及转换器(8)与电池(9)连接；所述电池(9)用于给用电设备供电。
6.根据权利要求2所述的具备出口旋转动能回收功能的高效透平，其特征在于，所述无轴叶轮(4)的叶片上任意一点的来流角随着半径的增加而增大，所述无轴叶轮(4)的叶片上任意一点的来流角θ根据下面公式确定：
7.根据权利要求6所述的具备出口旋转动能回收功能的高效透平，其特征在于，所述无轴叶轮(4)的叶片入射角度δ取值在10到20度之间，叶片入射角度δ为无轴叶轮(4)的叶片与流体工质来流所成的角度。
技术总结
本发明提供了一种具备出口旋转动能回收功能的高效透平，包括透平叶轮、蜗壳、轴和发电机，所述透平叶轮位于蜗壳内，所述透平叶轮安装在轴上，所述轴用于带动发电机的转子旋转；其特征在于，所述蜗壳的出口中安装轮缘发电机组，轮缘发电机组中具有可旋转的叶轮，用于部分或全部消除流体工质在透平蜗壳出口中的旋转，并将回收的流体旋转动能转化为电能。本发明可以回收在透平蜗壳出口处的工质的旋转动能，提高了透平能量回收的效率。旋流的减少还可以减轻管道振动和噪声的产生，提高系统的寿命和稳定性。
技术研发人员：万博臣,司乔瑞,郑旺,王鹏,史英筱
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5