一种高速离心泵反转作液力透平装置发明专利

专利名称：一种高速离心泵反转作液力透平装置

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202010607376.4

专利申请（专利权）人：浙江理工大学
权利人地址：浙江省杭州市下沙高教园区白杨街道2号大街928号

专利发明（设计）人：李晓俊,付俊玮,朱祖超,林言丕,林德生

专利摘要：本发明属于流体机械及能量回收领域。技术方案是：一种高速离心泵反转作液力透平装置，其特征在于：该装置包括蜗壳、透平轴、固定在蜗壳内腔中的导流壳、可转动地定位在导流壳中并与透平轴左端连接的叶轮、固定在叶轮左端的诱导轮；所述工质沿着蜗壳入口段、蜗壳内腔、导流壳内腔的叶轮与诱导轮、蜗壳出口段依次流动；所述导流壳的壳壁上设有若干呈圆周分布的喷孔，喷孔连通蜗壳内腔与导流壳内腔，导流壳的左侧端面设有伸入蜗壳出口段中的延长段，诱导轮设置在延长段中；所述蜗壳的中轴线、导流壳的中轴线、叶轮的转动轴线、诱导轮的转动轴线、透平轴的转动轴线同轴布置。该装置能适用于小流量高富裕能量的工况，能量回收效率高、运行可靠。

主权利要求：
1.一种高速离心泵反转作液力透平装置，其特征在于：该装置包括蜗壳（1）、透平轴（2）、固定在蜗壳内腔中的导流壳（3）、可转动地定位在导流壳中并与透平轴左端连接的叶轮（4）、固定在叶轮左端的诱导轮（5）；工质沿着蜗壳入口段、蜗壳内腔、导流壳内腔的叶轮与诱导轮、蜗壳出口段依次流动；所述导流壳的壳壁上设有若干呈圆周分布的喷孔（3.1），喷孔连通蜗壳内腔与导流壳内腔，导流壳的左侧端面设有伸入蜗壳出口段中的延长段（3.2），诱导轮设置在延长段中；所述蜗壳的中轴线、导流壳的中轴线、叶轮的转动轴线、诱导轮的转动轴线、透平轴的转动轴线同轴布置；
所述蜗壳入口段的横截面沿着工质的流动方向逐渐缩小，所述导流壳上设有喷嘴（6），喷嘴通过螺纹结构安装在各喷孔中，喷嘴的轴线与叶轮的转动轴线保持一定的夹角；
所述诱导轮为反锥形诱导轮，诱导轮叶片的叶顶直径沿着工质的流动方向逐渐增大，诱导轮叶片的进口角等于叶轮叶片的出口角；
所述延长段的外圆周面与蜗壳内壁之间设有密封结构；所述延长段的内径沿着工质的流动方向逐渐增大；
所述喷嘴的参数采用以下公式计算：
其中，DC为喷嘴直径，Q为入口段流量，μ为流量系数，H为喷嘴工作压力。
2.根据权利要求1所述的一种高速离心泵反转作液力透平装置，其特征在于：所述蜗壳出口段中设有导流管（7）。 说明书 : 一种高速离心泵反转作液力透平装置技术领域[0001] 本发明属于流体机械及能量回收领域，具体是一种高速离心泵反转作液力透平装置。背景技术[0002] 液力透平作为一种能量回收装置，应用于石油化工等流程工业领域，有效节约了能源。然而对于流量比较小但富裕能量比较高的工况，通常认为可回收能量低，同时配套的液力透平设计研发难度较大，常规的做法是通过工质打回流或者采用泄压阀放空等方式来消耗富裕能量，但这会造成极大的浪费。[0003] 在石油化工领域，国内外普遍使用的液力透平装置以泵反转作液力透平为主，这3类液力透平通常用于流量大于30m/h的工况，而且普遍存在高效区相对较窄、流量工况适应性差等问题。CN201020135834.0公开了一种泵反转作液力透平时的叶轮进口设计，通过改变叶轮进口尖角提高泵反转作液力透平的效率，减小了叶轮进口的冲击损失，但此结构没有针对性考虑到小流量高富裕能量的运行工况。CN201710398967.3公布了一种壳体出口方向与叶轮方向相互垂直的液力透平，解决了流体流经叶轮出口与壳体出口之间部分存在着的水力效率损失严重的问题，但此结构没有考虑液力透平进水口段水力损失的问题。[0004] 因此需要一种新型的泵反转作液力透平装置，用于流量较小(流量小于20m3/h)但富裕能量较高(扬程大于100m)的工况。发明内容[0005] 本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种高速离心泵反转作液力透平装置，该装置应能适用于小流量高富裕能量的工况，具有能量回收效率高、运行可靠的特点。[0006] 本发明的技术方案是：[0007] 一种高速离心泵反转作液力透平装置，其特征在于：该装置包括蜗壳、透平轴、固定在蜗壳内腔中的导流壳、可转动地定位在导流壳中并与透平轴左端连接的叶轮、固定在叶轮左端的诱导轮；所述工质沿着蜗壳入口段、蜗壳内腔、导流壳内腔的叶轮与诱导轮、蜗壳出口段依次流动；所述导流壳的壳壁上设有若干呈圆周分布的喷孔，喷孔连通蜗壳内腔与导流壳内腔，导流壳的左侧端面设有伸入蜗壳出口段中的延长段，诱导轮设置在延长段中；所述蜗壳的中轴线、导流壳的中轴线、叶轮的转动轴线、诱导轮的转动轴线、透平轴的转动轴线同轴布置。[0008] 所述蜗壳入口段横截面也可为等面积，不一定逐渐缩小。只要保证了喷嘴直径，就能够保证液力透平的性能，蜗壳结构参数没有特别显著的影响。[0009] 所述导流壳上设有喷嘴，喷嘴通过螺纹结构安装在各喷孔中，喷嘴的轴线与叶轮的转动轴线保持一定的夹角。[0010] 所述诱导轮为反锥形诱导轮，诱导轮叶片的叶顶直径沿着工质的流动方向逐渐增大，诱导轮叶片的进口角等于叶轮叶片的出口角。[0011] 所述延长段的外圆周面与蜗壳内壁之间设有密封结构；所述延长段的内径沿着工质的流动方向逐渐增大。[0012] 所述蜗壳出口段中设有导流管。[0013] 本发明的有益效果是：[0014] 1、本发明能够满足小流量高富裕能量工况，提高液力透平效率与整机使用的经济性，使得液力透平能够高效、经济地回收富裕能量；[0015] 2、本发明的导流壳采用模块化设计，可以减少回收时的能量损耗，同时在不改变蜗壳总体结构的条件下，实现配合叶轮和诱导轮等转子组件的结构参数更换，扩大了单台液力透平装置的适用范围；[0016] 3、本发明的喷嘴为可替换结构，可以根据流量工况范围选择合适的喷嘴，从而提高叶轮处的能量转换效率，提升工质的能量回收效率；[0017] 4、本发明的诱导轮采用反锥型设计，导流壳延长段为逐渐增大的扩张形，整体结构简单、诱导轮加工及安装方便，同时诱导轮和叶轮等速度旋转使得工质的流动更加平稳，减少了在叶轮出口处的能量损失，尽可能地提升了装置的能量回收利用效率。附图说明[0018] 图1是本发明的主视结构示意图。[0019] 图2是本发明中蜗壳的剖面结构示意图。[0020] 图3是本发明中导流壳、诱导轮的左视结构示意图。[0021] 图4是本发明中导流壳的主视结构示意图。[0022] 图5是本发明中叶轮与诱导轮的主视结构示意图。具体实施方式[0023] 传统的离心泵反转作液力透平，包括透平轴、蜗壳、叶轮，叶轮设置在蜗壳内腔中，透平轴与叶轮固定因而能随叶轮一体转动，透平轴经过齿轮箱主轴10再通过联轴器与发电机组或负载连接。传统的液力透平原理是：高压流动工质从入口段流入蜗壳，其压力能转换为动能驱使叶轮和透平轴转动，最终从出口段流出，透平轴带动发电机组或负载对外做功，完成高压流动工质的能量回收利用。[0024] 以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。[0025] 如图1所示，一种高速离心泵反转作液力透平装置，包括蜗壳1、透平轴2、导流壳3、叶轮4与诱导轮5。工质沿着蜗壳入口段、蜗壳内腔、导流壳内腔的叶轮与诱导轮、蜗壳出口段依次流动。[0026] 所述蜗壳的入口段1.1连接蜗壳的外圆周面，蜗壳的出口段1.2连接蜗壳的左侧端面，入口段的横截面为圆形，出口段中还设有导流管7。所述蜗壳采用以下公式计算：[0027] D1＝(1.5～2.0)D2[0028] 其中，D1为蜗壳基圆的直径，D2为出口段的直径。[0029] 所述蜗壳的入口段以一定的螺旋角连接蜗壳的外圆周面，使得工质能更好地进入从入口段过渡到蜗壳内腔，螺旋角是入口段中轴线(中轴线为螺旋线)的切线与蜗壳基圆切线之间的夹角，为了使工质无冲击的进入蜗壳内部，一般以叶轮出口处的绝对速度的液流角作为螺旋角，采用以下公式计算：[0030][0031] 其中，α0为螺旋角，vm1为诱导轮出口轴面速度、vu2为诱导轮出口圆周分速度。[0032] 所述导流壳固定在蜗壳内腔中，导流壳的壳壁上设有若干喷孔3.1，喷孔的两端分别位于导流壳的外圆周面以及导流壳的内壁，这些喷孔呈圆周分布并且连通蜗壳内腔与导流壳内腔，每个喷孔中还通过螺纹结构安装有喷嘴6。所述导流壳的左侧端面设有向左侧凸出的延长段3.2，延长段伸入蜗壳的出口段中，延长段的外圆周面与蜗壳内壁之间设有密封结构，延长段的内径沿着工质的流动方向逐渐增大。所述密封结构包括设置在延长段的外圆周面上的凹槽3.3以及设置在凹槽中的密封圈(图中省略)。[0033] 所述喷嘴与喷孔采用螺纹结构连接，以方便在不同工况下的更换不同喉部面积的喷嘴，提高液力透平装置的适应性和运行范围。所述喷嘴的轴线与叶轮的转动轴线保持一定的夹角，使得工质以一定角度引入叶轮，降低了因工质在叶轮上发生溅射而导致的能量损耗，喷嘴的末端伸入导流壳内腔中并与叶轮之间保持一定的间隙，能够避免喷嘴与叶轮发生碰撞磨损。所述喷嘴的参数采用以下公式计算：[0034][0035] 其中，DC为喷嘴直径，Q为入口段流量，μ为流量系数，H为喷嘴工作压力。[0036] 所述叶轮可转动地定位在导流壳中，透平轴的左端伸入蜗壳内腔中并与叶轮固定，诱导轮设置在延长段中并与叶轮同轴固定。所述诱导轮为反锥形诱导轮，诱导轮叶片的进口角等于叶轮叶片的出口角(以减小流动损失)，诱导轮叶片的叶顶直径(叶片的外缘)沿着工质的流动方向逐渐增大。[0037] 所述蜗壳的中轴线、导流壳的中轴线、叶轮的转动轴线、诱导轮的转动轴线、透平轴的转动轴线同轴布置。[0038] 本发明对蜗壳结构进行了改进：为了使工质在进入叶轮前有较好的流动状态，在进入蜗壳内腔前设置了一定长度的入口段，减少了工质的紊乱程度，同时蜗壳中还取消了隔舌，工质通过入口段后直接进入蜗壳内腔；导流壳上安装有可替换的喷嘴，通过喷嘴将工质进行集中并直接引入到叶轮，减少了在蜗壳内部由于工质分散而导致的能量损耗，提升了能量的利用效率；叶轮的出口处设有导流壳的延长段，延长段内设有反锥形的诱导轮，工质从叶轮流出后进入诱导轮，通过延长段与诱导轮的配合，可以使工质在流出叶轮后依旧可以维持相似的流动状态而不会变得紊乱，在改善该装置作液力透平时叶轮出口处的空化现象的同时对出口处的工质进行增压，从而提升能量回收利用效率。[0039] 以上是列举的仅是本发明的具体实施案例，显然，本发明不仅仅局限于以上实施案例，还可以有许多相似变化或变动，本领域的普通技术人员可以简单地从本发明公开的内容中直接或间接联想到相似变化或变动，因此这些变化或变动仍是本发明创造的保护范围。

专利地区：浙江

专利申请日期：2020-06-30

专利公开日期：2024-08-30

专利公告号：CN111649004B