一种基于回转容积式的膨胀机 |
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| 申请号 | CN201710252985.0 | 申请日 | 2017-04-18 | 公开(公告)号 | CN107035410A | 公开(公告)日 | 2017-08-11 |
| 申请人 | 湖南大学; | 发明人 | 廖诚; 刘敬平; 张孔明; 李洋洋; 陈征; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种回转容积式膨胀机，主要包括壳体，壳体端盖A，辅动轮，壳体端盖B，动 力 轮，组合密封B，主动轮端盖，主动轮，主动轮端盖A，组合密封A，排气口A，辅动轮凹槽，进气口B，排气口B，主动轮凸起，进气口A。其中，正时装置、主动轮凸起、辅动轮共同构成环绕主动轮的密封基元容积；壳体外设有带动主动轮和正时装置同步旋转的人字同步 齿轮 ；主动轮上设有两个进气口和两个排气口，正时装置设有两个气口，当正时装置的气口与主动轮的进气口重叠，高温高压气体进入基元容积，高温高压气体工质吸入过程的时间比较短暂。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于回转容积式的膨胀机，其包括三个过程，分别为高温高压气体工质吸入过程、气体工质内高效膨胀过程、低温低压气体工质排出过程。主要包括1-壳体，2-壳体端盖A，3-辅动轮，4-壳体端盖B，5-动力轮，6-组合密封B，7-主动轮端盖，8-主动轮，9-主动轮端盖A，10-组合密封A，11-排气口A，12-辅动轮凹槽，13-进气口B，14-排气口B，15-主动轮凸起，16-进气口A。其中，正时装置、15-主动轮凸起、3-辅动轮共同构成环绕8-主动轮的密封基元容积；1-壳体外设有带动8-主动轮和正时装置同步旋转的人字同步齿轮；8-主动轮上设有两个进气口和两个排气口，进气口为16-进气口A和13-进气口B，排气口为11-排气口A和14-排气口B，正时装置设有两个气口，当正时装置的气口与8-主动轮的16-进气口A和13-进气口B和重叠，高温高压气体进入基元容积，高温高压气体工质吸入过程的时间比较短暂，进气过程结束后，高压高温气体在密闭空间(基元容积)随15-主动轮的凸起旋转，进行充分内膨胀，带动5-动力轮旋转，对外输出功率，直至15-主动轮凸起旋转转过1-壳体上的排气口时，膨胀过程结束，开始进入排气过程，气体开始经1-壳体上的11-排气口A和14-排气口B排出至壳体外，此时高温高压气体经过了充分膨胀，气压与壳体外压力相近，能实现阿特金森循环，最终经排气口A和14-排气口B排出，此时排气过程的持续时间取决于1-壳体上的气口的角度。本发明采用回转容积式独特布置方式，使得上下两个容积分别进行吸气、膨胀和排气过程，互不干扰，共同作用于8-主动轮，对外输出功率，因此，主动轮转动360度，吸气、膨胀四次、排气四次，如此往复，大大提高了输出功率。与此同时，主动轮的上、下两端面和外壳通过10-组合密封A和6-组合密封B进行间隙非接触密封，基本不产生摩擦，大大减少了系统内的能量损耗。 |
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| 说明书全文 | 一种基于回转容积式的膨胀机技术领域[0001] 本发明涉及膨胀机领域，特别是涉及一种基于回转容积式的膨胀机。 背景技术[0002] 自19世纪以来，众多学者对膨胀机的研究就一直处于不断的发展与补足，目前，膨胀机已经在电厂发电、余热回收和动力机械、工业低温余热发电等领域得到了广泛的应用。与此同时，也产生了多种不同类型的膨胀机，比如活塞膨胀机、透平膨胀机和涡旋式膨胀机等。其中透平膨胀机和活塞膨胀机的历史最为悠久，之前主要是获取低温的关键设备，但随着膨胀机应用范围的不断扩展和人们对其应用要求的不断提高，这两种普通形式的膨胀机已经不能满足人们对其更高的要求，除非活塞膨胀机、透平膨胀机的技术得到快速的发展，在市场上也有这样类型的膨胀机，主要用于(1)天然气管道压差发电、(2)天然气液化及储存、(3)LNG冷能发电与冷能的综合利用、(4)合成氨尾气的液化提取、(5)工业低温余热发电、(6)地热、海洋能、太阳能光热发电等领域，其结构也较为复杂，成本较高，这也仅仅限于实力雄厚的大型企业。 [0003] 因此，涡旋式膨胀机得到了快速的发展，涡旋膨胀机是一种连续进气、膨胀和排气的多室膨胀的膨胀机械；涡旋膨胀机的膨胀气体体积几乎直线地变化，这将对膨胀机的性能造成有益的影响；涡旋膨胀机的轴向间隙会产生径向泄漏，径向间隙会增加切向气体泄漏量，因此在设计涡旋膨胀机时应充分考虑各种因素对轴向间隙和径向间隙的影响，以免造成气体泄漏量过大；即密封与泄漏问题是目前其实用化进程中所急需解决的难题及重点。虽然其结构类型较多，可满足多个领域的应用，但其结构、安装也较为复杂，所以，要使涡旋膨胀机应用到生产实际中去，还需要在这方面做大量的研究工作。因此开发新型结构的膨胀机就成为重要的研究课题。 发明内容[0004] 为了克服上述活塞膨胀机、透平膨胀机和涡旋式膨胀机的关键性问题的缺点，本发明的目的在于提供一种基于回转容积式的膨胀机，壳体上设有两个排气口，壳体内的主动轮设有两个进气口，正时装置设有两个气口，当正时装置的气口与主动轮的进气口重叠，高温高压气体进入基元容积，进气完毕后，气口立马关闭，高压高温气体在密闭空间(基元容积)随主动轮的凸起旋转，进行充分内膨胀，直至主动轮凸起旋转转过壳体上的排气口时，此时高温高压气体经过了充分膨胀，气压与排气管压力相近，能实现阿特金森循环，最终经排气口排出，采用回转容积式独特布置方式，使得上下两个容积分别进行吸气、膨胀和排气过程，互不干扰，共同作用于8-主动轮，对外输出功率，因此，8-主动轮转动360度，吸气、膨胀四次、排气四次，如此往复，大大提高了输出功率。与此同时，主动轮的上、下两端面和外壳通过间隙非接触密封，基本不产生摩擦，大大减少了系统内的能量损耗。 [0005] 为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案： [0006] 一种基于回转容积式的膨胀机包括三个过程，分别为高温高压气体工质吸入过程、气体工质内高效膨胀过程、低温低压气体工质排出过程。正时装置、15-主动轮凸起、3-辅动轮共同构成环绕8-主动轮的密封基元容积。8-主动轮上设有两个进气口和两个排气口，分别为16-进气口A、13-进气口B、11-排气口A和14-排气口B，正时装置设有两个气口，当正时装置的气口与8-主动轮的进气口重叠，高温高压气体进入基元容积，高压高温气体在密闭空间(基元容积)随主动轮的凸起旋转，进行充分内膨胀，直至15-主动轮凸起旋转转过1-壳体上的排气口时，气体开始经壳体上的11-排气口A和14-排气口B排出至1-壳体外，此时高温高压气体经过了充分膨胀，气压与1-壳体外压力相近，能实现阿特金森循环，最终经排气口排出，本发明将利用高温高压的气体进行充分的膨胀进而转变成低温低压的气体，由于膨胀而产生的功将带动5-动力轮旋转运动，并带动其他部件旋转，对外做功。 [0007] 高温高压气体工质吸入过程的主要工作原理为：当8-主动轮和正时装置一起转动时，正时装置气口开始与8-主动轮进气口重合，此时高温高压的工作介质进入基元容积，开始进气过程，高温高压气体经正时装置气口进入至16-进气口A、13-进气口B，当正时装置继续随8-主动轮旋转，正时装置的气口脱离8-主动轮的进气口，结束进气，这一过程时间比较短暂。 [0008] 气体工质内高效膨胀过程的主要工作原理为：当进气过程完成之后，此时高温高压气体处于密闭的容积腔中，伴随着8-主动轮的旋转，高温高压气体推动15-主动轮凸起进行内充分膨胀，带动8-主动轮旋转，并带动5-动力轮旋转，对外输出功率。 [0009] 低温低压气体工质排出过程的主要工作原理为：膨胀过程结束后，此时密闭的容积腔的气体状态为低温低压，当15-主动轮凸起旋转转过1-壳体上的排气口时，此时高压高温的气体已经在密闭的空间里进行了充分高效的膨胀，环形气缸内的工质转到出气口后排出，开始排气过程，气体开始经1-壳体上的11-排气口A和14-排气口B排出至1-壳体外，此时排气过程的持续时间取决于1-壳体上的气口的角度。 [0010] 本发明具有如下有益效果： [0011] 1、本发明充分考虑了回转容积式的布置方式，采用上下左右对称结构，充分降低了系统的成本。 [0012] 2、本发明充分考虑回转容积式上下对称的结构，使得主动轮转动360度，吸气、膨胀四次、排气四次，大大增加了膨胀做功的次数，提高系统的功率输出。 [0015] 所示附图为本发明的系统结构图以及进排气结构示意图，以下将结合附图1-6对本发明的技术方案进行详细说明。 [0016] 图1是一种基于回转容积式的膨胀机---主视图； [0017] 图2是一种基于回转容积式的膨胀机---俯视图； [0018] 图3是一种基于回转容积式的膨胀机---壳体端盖主视图； [0019] 图4是一种基于回转容积式的膨胀机---主动轮端盖主视图； [0020] 图5是一种基于回转容积式的膨胀机---进气过程示意图； [0021] 图6是一种基于回转容积式的膨胀机---排气过程示意图； [0022] 其中，1-壳体，2-壳体端盖A，3-辅动轮，4-壳体端盖B，5-动力轮，6-组合密封B，7-主动轮端盖，8-主动轮，9-主动轮端盖A，10-组合密封A，11-排气口A，12-辅动轮凹槽，13-进气口B，14-排气口B，15-主动轮凸起，16-进气口A。 具体实施方式[0023] 下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。 [0024] 如图1、图2、图3所示，本发明具体实施方式公开了一种基于回转容积式的膨胀机，其主要装置为1-壳体，2-壳体端盖A，3-辅动轮，4-壳体端盖B，5-动力轮，6-组合密封B，7-主动轮端盖，8-主动轮，9-主动轮端盖A，10-组合密封A，11-排气口A，12-辅动轮凹槽，13-进气口B，14-排气口B，15-主动轮凸起，16-进气口A。在上述方案中，其8-主动轮和3-辅动轮为外径相切且8-主动轮是3-辅动轮外径2倍的圆柱体，8-主动轮旋转180度，3-辅动轮旋转360度，8-主动轮上设有从其外圆径向向外延伸的凸起，3-辅动轮上设有与主转子上的凸起配合的凹槽，8-主动轮和3-辅动轮同步旋转至啮合位时凸起嵌合入凹槽内，使得15-主动轮凸起与12-辅动轮凹槽能够相互配合，不会出现15-主动轮凸起与3-辅动轮相碰撞的情况发生，造成膨胀机机构受损。如图5所示，在系统处于进气过程中，高温高压的气体将会通过正时装置进入到16-进气口A和13-进气口B处，进而推动15-主动轮凸起进行膨胀做功，最后带动5-动力轮，向外输出动力。正时装置是包含周向气口的圆柱片，正时装置和8-主动轮联成一体。1-壳体外设有带动8-主动轮和正时装置同步旋转的人字同步齿轮。8-主动轮的上、下两端面和1-壳体通过10-组合密封A和6-组合密封B进行间隙非接触密封，基本不产生摩擦。正时装置、15-主动轮凸起、3-辅动轮共同构成环绕8-主动轮的密封基元容积。 [0025] 本发明主要的工作过程包括进气过程和排气过程，主要的基本思路为8-主动轮上设有两个进气口和两个排气口，分别为16-进气口A、13-进气口B、11-排气口A和14-排气口B，正时装置设有两个气口，当正时装置的气口与8-主动轮的进气口重叠，高温高压气体进入基元容积，高压高温气体在密闭空间(基元容积)随主动轮的凸起旋转，进行充分内膨胀，直至15-主动轮凸起旋转转过1-壳体上的排气口时，气体开始经壳体上的11-排气口A和14-排气口B排出至1-壳体外，此时高温高压气体经过了充分膨胀，气压与1-壳体外压力相近，能实现阿特金森循环，最终经排气口排出，本发明将利用高温高压的气体进行充分的膨胀进而转变成低温低压的气体，由于膨胀而产生的功将带动5-动力轮旋转运动，并带动其他部件旋转，对外做功。 [0026] 接下来将对本发明的具体实施方式的进气过程和排气过程进行详细阐述。 [0027] 如图5所示，图5为进气过程的结构示意图，此时，8-主动轮处于旋转状态，通过人字同步齿轮带动正时装置运动，8-主动轮处于顺时针旋转，3-辅动轮处于逆时针旋转，12-辅动轮凹槽朝向壳体端，此时，正时装置、15-主动轮凸起、3-辅动轮共同构成环绕8-主动轮的密封基元容积。当8-主动轮和正时装置一起转动时，正时装置气口开始与8-主动轮进气口重合，此时高温高压的工作介质进入基元容积，开始进气过程，高温高压气体经正时装置气口进入至16-进气口A、13-进气口B，当正时装置继续随8-主动轮旋转，正时装置的气口脱离8-主动轮的进气口，结束进气，这一过程时间比较短暂。进而高温高压气体处于密闭的容积腔中，伴随着8-主动轮的旋转，高温高压气体推动15-主动轮凸起进行内充分膨胀，带动8-主动轮旋转。 [0028] 如图6所示，图6为排气过程的结构示意图，此时，高温高压气体工质在基元容积的密闭空间里中膨胀推动8-主动轮转动，带动5-动力轮旋转，对外输出功率，8-主动轮处于顺时针旋转，3-辅动轮处于逆时针旋转，12-辅动轮凹槽朝向将逐渐逼近15-主动轮凸起，最后15-主动轮凸起嵌合入12-辅动轮凹槽内。8-主动轮和正时装置同时旋转，当15-主动轮凸起旋转转过1-壳体上的排气口时，此时高压高温的气体已经在密闭的空间里进行了充分高效的膨胀，环形气缸内的工质转到出气口后排出，开始排气过程，气体开始经1-壳体上的11-排气口A和14-排气口B排出至1-壳体外，此时排气过程的持续时间取决于1-壳体上的气口的角度。在8-主动轮转动同时，3-辅动轮在同步齿轮的带动下同步旋转，至每个啮合位时凸起与凹槽啮合，15-主动轮凸起就巧妙地绕过3-辅动轮，然后8-主动轮、3-辅动轮又形成一个啮合点，准备进行下一次进气过程，由于回转容积式独特的布置方式，使得上下两个容积分别进行吸气、膨胀和排气过程，互不干扰，共同作用于8-主动轮，对外输出功率，因此，8-主动轮转动360度，吸气、膨胀四次、排气四次，如此往复。 [0029] 综上所述，本发明实施案例的新型膨胀机通过一种回转容积式的方式来实现高温高压气体工质吸入过程、气体工质内高效膨胀过程、低温低压气体工质排出过程三个过程，由于上下结构的对称性，当8-主动轮转动360度，吸气、膨胀四次、排气四次这样高的做功次数明显优于其他膨胀机，该膨胀机可以实现内膨胀，即高温高压气体可以在此膨胀机内进行充分高效膨胀，对外输出高功率，设计功率可达到195KW。8-主动轮的上、下两端面和1-壳体通过10-组合密封A和6-组合密封B进行间隙非接触密封，基本不产生摩擦，将大大降低系统的能量损耗。 |
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