本實(shí)用新型涉及小型分布式動(dòng)力循環(huán)，例如有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域，尤其涉及一種離心徑流透平。

背景技術(shù)：

在能源短缺問題日益突顯的今天，利用工業(yè)余熱、新能源的各種熱力循環(huán)系統(tǒng)將被廣泛的應(yīng)用，在這些系統(tǒng)中，透平作為膨脹機(jī)的一種，是必不可少的部件。透平是一種將工質(zhì)(蒸汽、燃?xì)狻⒖諝?、有機(jī)工質(zhì)等)的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力機(jī)械，廣泛的應(yīng)用在各種熱力循環(huán)系統(tǒng)中，其通常由靜止葉片(靜葉)和轉(zhuǎn)動(dòng)葉片(動(dòng)葉)組成，工作時(shí)，氣流所具有的能量在流經(jīng)靜葉時(shí)轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，流過動(dòng)葉時(shí)流體沖擊葉片，推動(dòng)動(dòng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)透平軸旋轉(zhuǎn)，輸出機(jī)械功。在透平中完成能量轉(zhuǎn)換的基本單元是透平級(jí)，簡(jiǎn)稱級(jí)，由一列靜葉和一列動(dòng)葉串聯(lián)組成。根據(jù)靜葉和動(dòng)葉的布置結(jié)構(gòu)以及氣流在透平內(nèi)的流動(dòng)軌跡，透平分為軸流透平和向心徑流透平兩種形式。

軸流式透平用于流量較大的條件下，且結(jié)構(gòu)上便于做成多級(jí)形式，能滿足高膨脹比和大功率的要求，但軸流式透平結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，制造難度大，且流量工況范圍較小。

根據(jù)高膨脹比、高效率、小流量的設(shè)計(jì)參數(shù)要求，系統(tǒng)多選用徑流式透平。但傳統(tǒng)的向心徑流透平多為單級(jí)結(jié)構(gòu)，為達(dá)到輸出功率的要求，其轉(zhuǎn)速往往為數(shù)萬轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速要求非常高，影響了設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，國內(nèi)目前的水平很難實(shí)現(xiàn)，國外相應(yīng)產(chǎn)品價(jià)格高昂，且供貨情況受制于人；傳統(tǒng)的向心徑流透平工作時(shí)還必須為其匹配高速軸承、電機(jī)或變速機(jī)構(gòu)，抬高了成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本實(shí)用新型提供了一種離心徑流透平。

(二)技術(shù)方案

本實(shí)用新型提供了一種離心徑流透平，包括：轉(zhuǎn)子和機(jī)匣，其中，所述轉(zhuǎn)子沿徑向設(shè)置有多排同心環(huán)狀動(dòng)葉，所述機(jī)匣沿徑向設(shè)置有多排同心環(huán)狀靜葉，所述多排同心環(huán)狀動(dòng)葉與多排同心環(huán)狀靜葉交錯(cuò)排列，相鄰兩排動(dòng)葉和靜葉沿徑向形成一級(jí)透平級(jí)。

優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)子包括：轉(zhuǎn)軸11、葉輪12和輪盤13，所述轉(zhuǎn)子以所述轉(zhuǎn)軸11為中心，沿半徑增大方向依次為所述葉輪12和輪盤13。

優(yōu)選地，在所述輪盤的一表面上，沿徑向設(shè)置有多排以所述轉(zhuǎn)軸11為中心的同心環(huán)狀動(dòng)葉，每排動(dòng)葉包括多個(gè)呈環(huán)形排列的動(dòng)葉14，所述動(dòng)葉14沿軸向延伸并突出于輪盤的所述表面。

優(yōu)選地，所述機(jī)匣包括：機(jī)殼21和蝸殼22，所述機(jī)匣沿所述轉(zhuǎn)軸11的中心周向?qū)ΨQ，所述蝸殼22形成于所述機(jī)殼的四周，在所述蝸殼的與轉(zhuǎn)子輪盤相對(duì)的位置為一盤體23，所述盤體23與轉(zhuǎn)子輪盤13沿徑向?qū)ΨQ。

優(yōu)選地，在所述盤體的一表面上，沿徑向沒置有多排以所述轉(zhuǎn)軸11為中心的同心環(huán)狀靜葉，每排靜葉包括多個(gè)呈環(huán)形排列的靜葉24，所述靜葉24沿軸向延伸并突出于盤體的所述表面。

優(yōu)選地，所述蝸殼22的徑向邊緣部分形成出氣腔32，所述出氣腔32具有氣流出口。

優(yōu)選地，所述機(jī)殼21和葉輪12之間形成進(jìn)氣腔31，機(jī)殼側(cè)壁具有至少一個(gè)氣流進(jìn)口33與所述進(jìn)氣腔31連通。

優(yōu)選地，所述多排同心環(huán)狀動(dòng)葉和/或多排同心環(huán)狀靜葉的葉型為直葉片、變截面葉片、彎葉片或扭葉片。

優(yōu)選地，所述多排同心環(huán)狀靜葉中的前N排靜葉為導(dǎo)葉。

優(yōu)選地，在所述蝸殼的靠近轉(zhuǎn)子葉輪的位置還具有至少一個(gè)輔助氣流進(jìn)口34。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本實(shí)用新型的離心徑流透平具有以下有益效果：

(1)本實(shí)用新型的離心徑流透平，與傳統(tǒng)的向心徑流透平相比，在相同流量下，無需提高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速可以維持在常規(guī)水平(3000rpm)，只需通過增加透平級(jí)數(shù)，就可以增大輸出功率，達(dá)到透平輸出功率的要求；

(2)由于離心徑流透平的轉(zhuǎn)速可以維持在常規(guī)水平，從而不必為其匹配高速軸承、電機(jī)或變速機(jī)構(gòu)，可以有效降低設(shè)備成本，提高設(shè)備運(yùn)行安全，有利于設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性；

(3)與軸流透平相比，其結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，由于其動(dòng)葉和靜葉采用徑向布置的方式，使得離心徑流透平能很好地適應(yīng)小流量工況，擴(kuò)展了透平的工況范圍。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的離心徑流透平的平行于軸向的剖面圖；

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的離心徑流透平的另一個(gè)平行于軸向的剖面圖；

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的離心徑流透平的垂直于軸向的剖面圖。

【符號(hào)說明】

11-轉(zhuǎn)軸；12-葉輪；13-輪盤；14-動(dòng)葉；

21-機(jī)殼；22-蝸殼；23-盤體；24-靜葉；

31-進(jìn)氣腔；32-出氣腔；33-氣流進(jìn)口；34-輔助氣流進(jìn)口。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型公開了一種離心徑流透平，區(qū)別于現(xiàn)有的軸流式透平和向心徑向透平，其結(jié)構(gòu)形式靈活，能在透平運(yùn)行轉(zhuǎn)速為常規(guī)轉(zhuǎn)速(3000rpm)下，使透平具有較大的膨脹比和較高的效率；同時(shí)借鑒可調(diào)導(dǎo)葉技術(shù)，能夠方便的調(diào)節(jié)透平流量，擴(kuò)大透平運(yùn)行范圍，最終保證熱力系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性和經(jīng)濟(jì)性。

為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本實(shí)用新型實(shí)施例的離心徑流透平，包括轉(zhuǎn)子和機(jī)匣兩部分，其中，

轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)軸11、葉輪12，輪盤13和動(dòng)葉14，轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)軸11為中心，其沿半徑增大方向依次為葉輪12和輪盤13，即轉(zhuǎn)軸11處于中心位置，葉輪12形成于轉(zhuǎn)軸的四周，輪盤13形成于葉輪的四周，在輪盤的表面上，沿徑向設(shè)置有多排以轉(zhuǎn)軸11為中心的同心環(huán)狀動(dòng)葉，每排動(dòng)葉包括多個(gè)呈環(huán)形排列的動(dòng)葉14，動(dòng)葉14沿軸向延伸并突出于輪盤的該表面；

機(jī)匣包括機(jī)殼21和蝸殼22，其沿轉(zhuǎn)軸11的中心周向?qū)ΨQ，蝸殼22形成于機(jī)殼的四周，機(jī)匣包裹轉(zhuǎn)子的輪盤13使得機(jī)匣與轉(zhuǎn)子之間密封，機(jī)殼21和葉輪12之間形成進(jìn)氣腔31，機(jī)殼側(cè)壁具有至少一個(gè)氣流進(jìn)口33，在蝸殼的與轉(zhuǎn)子輪盤相對(duì)的位置為一盤體23，該盤體23與轉(zhuǎn)子輪盤13沿徑向?qū)ΨQ，在該盤體的表面上，沿徑向設(shè)置有多排以轉(zhuǎn)軸11為中心的同心環(huán)狀靜葉，每排靜葉包括多個(gè)呈環(huán)形排列的靜葉24，靜葉24沿軸向延伸并突出于盤體的該表面；多排動(dòng)葉與多排靜葉交錯(cuò)排列，動(dòng)葉14頂部靠近盤體23，靜葉24頂部靠近輪盤13，相鄰兩排動(dòng)葉和靜葉沿徑向形成一級(jí)透平級(jí)，即離心徑流透平沿徑向具有多級(jí)透平級(jí)，蝸殼22沿徑向邊緣部分形成出氣腔32，并具有氣流出口。

其中，圖1所示的離心徑流透平為多級(jí)離心徑流透平，其具有八排動(dòng)葉和八排靜葉，相鄰兩排動(dòng)葉和靜葉共形成八個(gè)透平級(jí)；圖2所示的離心徑流透平為單級(jí)離心徑流透平，其僅具有一排動(dòng)葉和一排靜葉，形成一個(gè)透平級(jí)；圖3所示的離心徑流透平具有兩排動(dòng)葉和兩排靜葉，相鄰兩排動(dòng)葉和靜葉共形成兩個(gè)透平級(jí)。

在本實(shí)施例中，動(dòng)葉和靜葉的葉型可根據(jù)流體介質(zhì)流動(dòng)情況，采用直葉片、變截面葉片、彎葉片、扭葉片等多種形式。

本實(shí)用新型實(shí)施例的離心徑流透平，流體介質(zhì)由離心徑流透平的氣體進(jìn)口進(jìn)入其進(jìn)氣腔，并沿半徑方向由內(nèi)而外流動(dòng)，即流體介質(zhì)沿半徑增大的離心方向流動(dòng)，當(dāng)流體介質(zhì)流經(jīng)透平級(jí)時(shí)，其具有的能量在靜葉的作用下轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，流過動(dòng)葉時(shí)流體介質(zhì)沖擊葉片，推動(dòng)動(dòng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，輸出機(jī)械功，之后流體介質(zhì)流入出氣腔并經(jīng)氣流出口排出(流體介質(zhì)的流向可參見圖1和圖2中的箭頭所示)。

傳統(tǒng)的向心徑流透平，需要通過提高轉(zhuǎn)速的方式提高輸出功率，例如，若達(dá)到輸出功率要求，向心徑流透平要達(dá)到10000～80000rpm的轉(zhuǎn)速，而由本實(shí)用新型的技術(shù)方案可以看出，本實(shí)用新型的離心徑流透平，在相同流量下，無需提高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速可以維持在常規(guī)水平(3000rpm)，只需通過增加透平級(jí)數(shù)，就可以增大輸出功率，達(dá)到透平輸出功率的要求；由于離心徑流透平的轉(zhuǎn)速可以維持在常規(guī)水平，從而不必為其匹配高速軸承、高速電機(jī)或變速機(jī)構(gòu)，可以有效降低設(shè)備成本，提高設(shè)備運(yùn)行安全，有利于設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性；并且與軸流透平相比，由于其動(dòng)葉和靜葉采用徑向布置的方式，使得離心徑流透平能很好地適應(yīng)小流量工況，擴(kuò)展了透平的工況范圍。

本實(shí)用新型實(shí)施例的離心徑流透平，可以將多排靜葉中的前N排靜葉設(shè)置為導(dǎo)葉，其中導(dǎo)葉的排數(shù)N、第一級(jí)導(dǎo)葉的入口直徑以及導(dǎo)葉喉部流通面積由流經(jīng)透平的流量決定，例如，透平流量增大，則第一級(jí)導(dǎo)葉入口直徑增大、導(dǎo)葉排數(shù)減小、導(dǎo)葉喉部通流面積增大，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)葉可以改變流通面積，調(diào)節(jié)透平流量。

本實(shí)用新型實(shí)施例的離心徑流透平，優(yōu)選地，其結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足以下關(guān)系：

離心徑流透平的透平級(jí)數(shù)其中，τ為常數(shù)，α為重?zé)嵯禂?shù)，其取值范圍為0.02-0.08，Δh^*_si為第i級(jí)的等熵焓降，ΔH_s為透平級(jí)的總焓降；其中τ可通過以下方式得到：設(shè)置透平級(jí)數(shù)z的初始值，由求得τ的值，得到τ的值后可通過迭代計(jì)算得到透平級(jí)數(shù)z，其中c₂為動(dòng)葉出口絕對(duì)速度，μ為葉片扭轉(zhuǎn)系數(shù)。

離心徑流透平的末級(jí)動(dòng)葉結(jié)構(gòu)參數(shù)為：

末級(jí)動(dòng)葉的徑向排氣速度其中ρ_sz為末級(jí)動(dòng)葉材料的密度，σ_z為末級(jí)動(dòng)葉根部的離心拉應(yīng)力，n為透平轉(zhuǎn)速，G為透平流量，為末級(jí)動(dòng)葉截面沿葉高減小而引起的通流面積變化的系數(shù)，其取值范圍為1-2.2。

末級(jí)動(dòng)葉的葉高其中其中，p_2z為透平的出口靜壓，R為氣體常數(shù)，T_s2z≈T^*₀₁-ΔH_s/C_p，其中為透平入口總溫，C_p為定壓比熱容。

離心徑流透平的動(dòng)葉結(jié)構(gòu)參數(shù)為：

第i級(jí)動(dòng)葉輪周速度其中x_ai為透平速比，其范圍為0.5-0.7，其中c_ai第i透平級(jí)動(dòng)葉的假想速度。第i級(jí)動(dòng)葉外徑

第i級(jí)動(dòng)葉入口絕度速度其中為第i級(jí)的動(dòng)葉的導(dǎo)向器速度系數(shù)，其取值范圍為0.9～0.97，其中c_1si為第i級(jí)導(dǎo)葉出口理想速度，c_1i為第i級(jí)導(dǎo)葉出口實(shí)際速度，Ω_i為第i級(jí)動(dòng)葉選定的反動(dòng)度，其取值范圍為0.3～0.5。

第i級(jí)動(dòng)葉入口周向分速度c_1ui＝c_1icosα_1i，其中α_1i為第i級(jí)動(dòng)葉的入口絕對(duì)氣流角，其取值范圍為14°～25°。

第i級(jí)動(dòng)葉入口相對(duì)氣流角第i級(jí)動(dòng)葉入口葉片角β_1bi＝β_1i+I_1i，其中I_1i為第i級(jí)動(dòng)葉入口氣流沖角，其取值范圍為10°～-20°。第i級(jí)動(dòng)葉入口葉片數(shù)Z_1i≥(5～6)·ctgα_1i。

第i級(jí)動(dòng)葉入口截面通流面積A_1ｉ＝G/ρ_1ic_1i，其中ρ_1i為第i級(jí)導(dǎo)葉出口密度。第i級(jí)動(dòng)葉入口截面幾何面積A_1pi＝A_1i/(τ₁e sinβ_1bi)，其中τ₁為第i級(jí)動(dòng)葉入口阻塞系數(shù)，e為部分進(jìn)氣度。第i級(jí)動(dòng)葉入口葉片高度l_1i＝A_1pi/(πD_1i)。

第i級(jí)動(dòng)葉出口直徑其中為第i級(jí)輪徑比。第i級(jí)動(dòng)葉出口處輪周速度第i級(jí)動(dòng)葉出口相對(duì)速度其中ψ_i為·第i級(jí)動(dòng)葉速度系數(shù)且其取值范圍為0.75～0.9，ψ_i＝c_2i/c_2s其中c_2s第i級(jí)動(dòng)葉出口理想速度，c_2i第i級(jí)動(dòng)葉出口實(shí)際速度，w_1i第i級(jí)動(dòng)葉入口相對(duì)速度。第i級(jí)動(dòng)葉出口絕對(duì)速度周向分量c_2ui＝u_2i-w_2icosβ_2i，其中β_2i為第i級(jí)動(dòng)葉出口相對(duì)氣流角，其取值范圍為25°～45°。第i級(jí)動(dòng)葉出口絕對(duì)速度軸向分量c_2ai＝w_2isinβ_2i。第i級(jí)動(dòng)葉出口絕對(duì)流速第i級(jí)動(dòng)葉出口絕對(duì)氣流角第i級(jí)動(dòng)葉內(nèi)溫障第i級(jí)動(dòng)葉出口工質(zhì)溫度T_2i＝T_1i-ΔT_2i，其中T_1i為第i級(jí)動(dòng)葉入口工質(zhì)溫度。

離心徑流透平的靜葉結(jié)構(gòu)參數(shù)為：

第i級(jí)靜葉環(huán)出口截面直徑D_Ni＝D_1i-2Δr_i，其中Δr_i為動(dòng)靜葉片排間間距。第i級(jí)靜葉環(huán)出口通流面積A_Ni≈A_1i。第i級(jí)靜葉片的喉部尺寸其中e為部分進(jìn)氣度且0.3≤e≤1，Z_Ni為第i級(jí)靜葉片的流道數(shù)。第i級(jí)靜葉出口高度

離心徑流透平的功率和效率參數(shù)為：

輪周功率N_ui＝G(u_1iC_1ui-u_2ic_2ui)＝G(u_1ic_1icosα_1i+u_2ic_2icosα_2i)

熱效率

或?qū)懗?/p>

本實(shí)用新型的離心徑流透平，其給出了具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，按照上述參數(shù)精確確定離心徑流透平的各部分尺寸，可以保證離心徑流透平只需通過增加透平級(jí)數(shù)，就可以增大輸出功率，并能更好地適應(yīng)小流量工況，進(jìn)一步擴(kuò)展透平的工況范圍。

本實(shí)用新型的離心徑流透平，在蝸殼的靠近轉(zhuǎn)子葉輪的位置還具有至少一個(gè)輔助氣流進(jìn)口34，氣體可由輔助氣流進(jìn)口34進(jìn)入離心徑流透平，并進(jìn)入蝸殼22與轉(zhuǎn)子輪盤13之間的間隙，氣體可向轉(zhuǎn)子輪盤13產(chǎn)生一壓力，從而平衡離心徑流透平輪盤所受的軸向力，根據(jù)離心徑流透平的運(yùn)行情況，通過調(diào)節(jié)輔助氣流進(jìn)口的進(jìn)氣量，可以控制氣體對(duì)轉(zhuǎn)子輪盤的壓力大小，有利于提高離心徑流透平的穩(wěn)定性。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)本實(shí)用新型的離心徑流透平有了清楚的認(rèn)識(shí)。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進(jìn)行詳細(xì)說明。此外，上述對(duì)各元件的定義并不僅限于實(shí)施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單地更改或替換，例如：

(1)動(dòng)葉和靜葉還可以選用其他結(jié)構(gòu)；

(2)實(shí)施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍；

(3)上述實(shí)施例可基于設(shè)計(jì)及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實(shí)施例混合搭配使用，即不同實(shí)施例中的技術(shù)特征可以自由組合形成更多的實(shí)施例。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。