一种相向膨胀波叠加型自驱动增压器 |
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| 申请号 | CN201510139043.2 | 申请日 | 2015-03-28 | 公开(公告)号 | CN104728188A | 公开(公告)日 | 2015-06-24 |
| 申请人 | 大连理工大学; | 发明人 | 代玉强; 胡大鹏; 陶盛洋; 邹久朋; 朱彻; 武锦涛; 张斯亮; | ||||
| 摘要 | 一种相向膨胀波 叠加 型自驱动 增压 器 ，其属于制冷、 热 泵 领域的增压装置。该 增压器 利用相向膨胀波叠加机制，高效利用驱动 流体 的 热能 和压 力 能，提高增压性能并具备自驱特性。该增压器采用主 机体 与上、下机体通过 法兰 连接，包括对中开有多个周向均布的高压驱动流体入口和低压膨胀流体出口的 外壳 ，以及周向均布、对中 位置 开有斜曲面过渡方孔的膨胀波叠加管转鼓。上、下机体相对主机体对称布置，均装有多个周向均布的增压流体 喷嘴 和低压被驱流体喷嘴的可拆卸喷嘴组合体。通过中部斜曲面过渡入口，驱动转鼓自转，无需驱动机，密封好，易维护；通过中部低压膨胀流体出口排出二次膨胀的 低温流体 ，温降大；通过两端增压流体喷嘴排出增压气流，增压效果好。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种相向膨胀波叠加型自驱动增压器，它包括主机体、下机体和多个下机体可拆卸喷嘴组合体（6），其特征是：它还包括上机体和多个上机体可拆卸喷嘴组合体（6），上机体、主机体与下机体依次连接；所述主机体部分包括主机体外壳（1）和膨胀波叠加管转鼓（7），膨胀波叠加管转鼓（7）设置在主机体外壳（1）中，膨胀波叠加管转鼓（7）周向均布膨胀波叠加管（9），膨胀波叠加管（9）的中间对称开有向外凸出的斜曲面过渡方孔（11），膨胀波叠加管转鼓（7）两端凸出有迷宫密封（10）；所述主机体外壳（1）的对中位置开有多个周向均布的分流斜曲面过渡的高压驱动流体入口（12）和多个周向均布方形渐扩的低压膨胀流体出口（13），向外凸出的斜曲面过渡方孔（11）的轴向位置对应于分流斜曲面过渡的高压驱动流体入口（12）和方形渐扩的低压膨胀流体出口（13），径向间隙通过加工精度确保最小；向外凸出的斜曲面过渡方孔（11）随膨胀波叠加管转鼓（7）的转动与主机体外壳（1）的分流斜曲面过渡的高压驱动流体入口（12）和方形渐扩的低压膨胀流体出口（13）呈现周期性连通和关闭状态；所述主机体外壳（1）与膨胀波叠加管转鼓（7）两端凸出的迷宫密封（10）径向间隙通过加工精度确保最小；所述上机体外壳（2）和下机体外壳（3）采用相同结构，装有多个周向均布的可拆卸喷嘴组合体（6），包括增压流体喷嘴（4）和低压被驱流体喷嘴（5），沿转动方向增压流体喷嘴（4）在前，低压被驱流体喷嘴（5）在后，与膨胀波叠加管（9）两端管口呈现周期性连通或关闭状态，轴向间隙通过可拆卸喷嘴组合体（6）的安装精度确保最小；所述可拆卸喷嘴组合体（6）上的增压流体喷嘴（4）和低压被驱流体喷嘴（5）以及主机体外壳（1）上的高压驱动流体入口（12）和低压膨胀流体出口（13）的周向相对位置和周向尺寸由相向膨胀波叠加工作波图确定，高压驱动流体入口（12）分流后连通膨胀波叠加管（9）产生背向运动激波、背向运动接触面和相向膨胀波，相向膨胀波叠加使气体温度和压力降至最低，背向运动激波到达膨胀波叠加管（9）管端的瞬时，膨胀波叠加管的管口与增压流体喷嘴（4）开始连通，反射膨胀波与相向膨胀波相遇前关闭，确定增压流体喷嘴（4）位置和尺寸；所述低压被驱流体喷嘴（5）开启时刻为膨胀波叠加管（9）内流体发生转向时刻，在反射膨胀波相向相遇时刻关闭，进而确定位置和尺寸；所述低压膨胀流体出口（13）的开启时刻为气流达到工艺要求的膨胀压力确定，在低压被驱流体到达斜曲面过渡方孔（11）前关闭，进而确定位置和尺寸。 |
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| 说明书全文 | 一种相向膨胀波叠加型自驱动增压器技术领域背景技术[0002] 目前应用于制冷、热泵等领域的气体增压和制冷装置主要有常规气波增压器。 [0003] 常规的气波增压器利用高压驱动气流通过与低压气流的直接接触进行能量交换，利用非定常气波实现气体增压目的，效率较高。发明专利CN201210081062.0、CN20121081102.1所述的普通气波增压器利用高压气流的一次激波作用进行增压，可实现较高的增压比，但是其膨胀比不足，导致相变潜热或者显热利用不足，并且高速电机驱动导致密封性不足，某些高转速电机占用空间过大，使用受限。因此研制一种相向膨胀波叠加型自驱动增压器是很有必要的。 发明内容[0004] 为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种相向膨胀波叠加型自驱动增压器，其目的在于充分利用膨胀波的固有特性，构造膨胀波叠加功能，可显著增加膨胀比，实现高效利用驱动流体的热能和压力能；利用高压流体膨胀输出轴功，完成自驱动转鼓，无需驱动机，避免动密封等复杂问题，这构成了本项发明的主要思想。本发明的目的是：（1）利用相向膨胀波叠加机制，实现增加膨胀比、高效利用驱动流体的热能和压力能，解决膨胀比不足的问题； （2）采用主机体分流斜曲面过渡入口，实现高压气体自动分流，形成相向膨胀波；采用膨胀波叠加管转鼓对中位置斜曲面过渡开口，实现膨胀波叠加管转鼓可控转速旋转，可避免使用驱动机，解决动密封困难的问题； （3）上机体、下机体和主机体均可灵活改变其相对角度，并且喷嘴组合体可更换，以此来满足不同工况、不同增压介质，解决适应性不足的问题。 [0005] 为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种相向膨胀波叠加型自驱动增压器, 它包括主机体、下机体和多个下机体可拆卸喷嘴组合体，它还包括上机体和多个上机体可拆卸喷嘴组合体，上机体、主机体与下机体依次连接；所述主机体部分包括主机体外壳和膨胀波叠加管转鼓，膨胀波叠加管转鼓设置在主机体外壳中，膨胀波叠加管转鼓周向均布膨胀波叠加管，膨胀波叠加管的中间对称开有向外凸出的斜曲面过渡方孔，膨胀波叠加管转鼓两端凸出有迷宫密封；所述主机体外壳的对中位置开有多个周向均布的分流斜曲面过渡的高压驱动流体入口和多个周向均布方形渐扩的低压膨胀流体出口，向外凸出的斜曲面过渡方孔轴向位置对应于分流斜曲面过渡的高压驱动流体入口和方形渐扩的低压膨胀流体出口，径向间隙通过加工精度确保最小；向外凸出的斜曲面过渡方孔随膨胀波叠加管转鼓的转动与主机体外壳的分流斜曲面过渡的高压驱动流体入口和方形渐扩的低压膨胀流体出口先后呈现周期性连通和关闭状态；所述主机体外壳与膨胀波叠加管转鼓两端凸出的迷宫密封径向间隙通过加工精度确保最小；所述上机体外壳和下机体外壳采用相同结构，装有多个周向均布的可拆卸喷嘴组合体，包括增压流体喷嘴和低压被驱流体喷嘴，沿转动方向增压流体喷嘴在前，低压被驱流体喷嘴在后，与膨胀波叠加管两端管口依次呈现周期性连通或关闭状态，轴向间隙通过可拆卸喷嘴组合体的安装精度确保最小；所述可拆卸喷嘴组合体上的增压流体喷嘴和低压被驱流体喷嘴以及主机体外壳上的高压驱动流体入口和低压膨胀流体出口的周向相对位置和周向尺寸由相向膨胀波叠加工作波图确定，高压驱动流体入口分流后连通膨胀波叠加管产生背向运动激波、背向运动接触面和相向膨胀波，相向膨胀波叠加使气体温度和压力降至最低，背向运动激波到达膨胀波叠加管管端的瞬时，膨胀波叠加管的管口与增压流体喷嘴开始连通，反射膨胀波与相向膨胀波相遇前关闭，确定增压流体喷嘴位置和尺寸；所述低压被驱流体喷嘴开启时刻为膨胀波叠加管内流体发生转向时刻，在反射膨胀波相向相遇时刻关闭，进而确定位置和尺寸；所述低压膨胀流体出口的开启时刻为气流达到工艺要求的膨胀压力确定，在低压被驱流体到达斜曲面过渡方孔前关闭，进而确定位置和尺寸。 [0006] 所述可拆卸喷嘴组合体上的增压流体喷嘴和低压被驱流体喷嘴位置和尺寸通过更换可拆卸喷嘴组合体以适用不同介质、工况；所述主机体外壳与上机体外壳和下机体外壳连接时通过双端活套法兰连接；所述主机体外壳上的分流斜曲面过渡的高压驱动流体入口和膨胀波叠加管转鼓中部向外凸出的斜曲面过渡方孔开口角度由膨胀波叠加管转鼓所需牵连转速及高压驱动流体的膨胀比确定。 [0007] 所述主机体部分主要包括主机体外壳和其内部的膨胀波叠加管转鼓，膨胀波叠加管转鼓轴向开有沿周向均布的膨胀波叠加管，其横截面为扇环形；膨胀波叠加管转鼓主轴两端分别通过上机体、下机体部分的骨架密封、串联高速轴承、压帽进行定位紧固，两轴端通过上机体、下机体部分的两个对称安置的端盖进行密封；主机体外壳部分分流斜曲面过渡的高压驱动流体驱动膨胀波叠加管转鼓高速自转；主机体外壳中部开有多个周向均布的分流斜曲面过渡的高压驱动流体入口和多个周向均布的方形渐扩低压膨胀流体出口；所述主机体的主机体外壳包括轴向两端密封槽和轴向两端坡型面，两端坡型面均有一定坡度分别与上机体、下机体壳相配合，便于安装和定位；所述主机体外壳还包括两端活套法兰使主机体外壳同上机体外壳、下机体外壳相连接，用于改变上机体外壳、下机体外壳同主机体外壳的连接角度。 [0008] 所述上机体、下机体部分的上机体外壳、下机体外壳呈对称结构；所述上机体、下机体部分的上机体、下机体壳内部沿周向均匀分布的多个可拆卸喷嘴组合体包括增压流体喷嘴、低压被驱流体喷嘴和密封圈槽，增压流体喷嘴和低压被驱流体喷嘴为分离结构，彼此相隔离，互不影响，并且有与介质种类和工况条件相关的特定角度，并与所述主机体外壳上的分流斜曲面过渡的高压驱动流体入口和方形渐扩的低压膨胀流体出口保持有与介质种类和工况条件相关的特定角度；所述上机体、下机体部分的两个对称安置的轴承座包括骨架密封台、轴承台和梯台，骨架密封台用于支撑和保护所述上机体、下机体部分的骨架密封，轴承台用于支撑和保护串联高速轴承，梯台用于同所述上机体、下机体部分的端盖相配合；所述上机体、下机体部分的两个对称端盖密封圈槽用于安置密封圈，保证机端盖的密封性。 [0009] 所述相向膨胀波叠加型自驱动增压器，其工作机制为高压流体充分膨胀输出轴功，并产生相向运动的膨胀波进行叠加，以提高膨胀比，提高降温幅度，即高压驱动流体分流进入膨胀波叠加管中部，与管内原有低压气流直接接触，形成了初始不连续边界条件，进而产生相向运动的膨胀波和相背运动的激波和接触面；利用相向运动的膨胀波实现驱动流体的二次膨胀以实现高效利用驱动流体的热能和压力能；利用相背运动的激波完成被驱动流体的非定常激波增压；激波增压后的气流可自行通过增压流体喷嘴排出，二次膨胀后的气流则通过低压膨胀出口利用低压比、大流量轴流风机引出；低压被驱流体喷嘴设置于膨胀波叠加管两端，利用膨胀波叠加管内的低压自行吸入。 [0010] 本发明的有益效果是：该相向膨胀波叠加型自驱动增压器，采用主机体分流斜曲面过渡入口，实现高压气体自动分流，形成相向膨胀波，利用相向膨胀波叠加机制实现增加膨胀比、高效利用驱动流体的热能和压力能；通过中部低压膨胀流体出口排出二次膨胀的低温流体，温降大；通过两端增压流体喷嘴排出增压气流，增压效果好。该相向膨胀波叠加型自驱动增压器采用膨胀波叠加管转鼓斜曲面过渡开口，实现膨胀叠加管转鼓可控转速旋转，可避免使用驱动机，密封好，易维护。该相向膨胀波叠加型自驱动增压器的上机体、下机体、主机体均可灵活改变其进出口特定角度，并且喷嘴组合体可更换，以此来满足不同工况、不同增压介质的应用场合。附图说明 [0011] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 [0012] 图1是一种相向膨胀波叠加型自驱动增压器的主要结构分解示意图。 [0013] 图2是一种相向膨胀波叠加型自驱动增压器的一端结构组装、另一端结构分解示意图。 [0014] 图3是一种高压流体驱动相向膨胀波叠加型自驱动增压器的相向膨胀波叠加工作波图及其确定的开口位置分布图。 [0015] 图中：1、主机体外壳，2、上机体外壳，3、下机体外壳，4、增压流体喷嘴，5、低压被驱流体喷嘴，6、可拆卸喷嘴组合体，7、膨胀波叠加管转鼓，8、膨胀波叠加管转鼓主轴，9、膨胀波叠加管，10、迷宫密封，11、斜曲面过渡方孔，12、高压驱动流体入口，13、低压膨胀流体出口、14、坡形面，15、主机体外壳迷宫密封；A、膨胀波叠加管内低压区，B、激波压缩区，C、膨胀波叠加区，D、驱动流体耗散区，E、驱动流体膨胀区，F、背向运动激波，G、间断接触面，H、相向膨胀波，I、反射膨胀波。 具体实施方式[0016] 实施例1 高压气体驱动相向膨胀波叠加型自驱动增压器图1、2示出了一种高压气体驱动相向膨胀波叠加型自驱动增压器。核心是利用相向膨胀波叠加机制，实现高效利用驱动流体的热能和压力能，可提高增压性能并具备自驱特性。 主要由主机体、上机体、下机体三部分组成。主机体包括主机体外壳1和周向均布膨胀波叠加管9的膨胀波叠加管转鼓7，且在中间对称处开有向外凸出的斜曲面过渡方孔11；所述主机体外壳1与膨胀波叠加管转鼓7两端凸出的迷宫密封10径向间隙通过加工精度确保最小；所述主机体外壳1中部对称位置开有三个周向均布的分流斜曲面过渡的高压驱动流体入口12和三个周向均布方形渐扩的低压膨胀流体出口13，膨胀波叠加管9的中间对称向外凸出的斜曲面过渡方孔11位置对应于三个周向均布的分流斜曲面过渡的高压驱动流体入口12和三个周向均布方形渐扩的低压膨胀流体出口13，径向间隙通过加工精度确保最小，膨胀波叠加管9的中间对称向外凸出的斜曲面过渡方孔11随膨胀波叠加管转鼓7的转动与主机体外壳1的分流斜曲面过渡的高压驱动流体入口12和方形渐扩的低压膨胀流体出口13先后呈现周期性连通和关闭状态。 [0017] 上机体、下机体对称布置，形状位置相同，主要包括所述上机体外壳2和下机体外壳3采用相同结构，均装有周向周期性均布的三个可拆卸喷嘴组合体6，包括增压流体喷嘴4和低压被驱流体喷嘴5，沿转动方向增压流体喷嘴4在前，低压被驱流体喷嘴5在后，与膨胀波叠加管9两端管口依次呈现周期性连通或关闭状态，轴向间隙通过可拆卸喷嘴组合体的安装精度确保最小，且随膨胀波叠加管转鼓7的转动呈现周期性连通或关闭状态。 [0018] 图3示出了一种高压气体驱动相向膨胀波叠加型自驱动增压器的相向膨胀波叠加工作波图，及其对可拆卸喷嘴组合体6上的增压流体喷嘴4和低压被驱流体喷嘴5以及主机体外壳1上的高压驱动流体入口12和低压膨胀流体出口13的周向相对位置和周向尺寸确定关系。主机体壳1对中位置分流斜曲面过渡的高压驱动流体入口12通入高压气体分流进入膨胀波叠加管9中部，与管内原有低压气体直接接触，形成了初始不连续边界条件，进而产生的背向运动激波F对膨胀波叠加管9内低压气体进行一次增压，并同时产生相向膨胀波H和间断接触面G，相向膨胀波H叠加后形成膨胀波叠加区C，膨胀波叠加区C对驱动流体膨胀区E中气流进行再次降温降压。背向运动激波F增压后的气流可通过增压流体喷嘴4自行排出并回收引入多效蒸发系统。膨胀波叠加区C内的低温、低压气体通过低压膨胀流体出口13利用低压比、大流量轴流风机引出，引入制冷系统；低压被驱流体喷嘴5设置于膨胀波叠加管9两端，利用膨胀波叠加管9内的低压自行吸入气体。 [0019] 实施例2 高压饱和水蒸汽驱动相向膨胀波叠加型自驱动增压器图1、2示出了一种高压饱和水蒸气驱动相向膨胀波叠加型自驱动增压器，核心是利用相向膨胀波叠加机制，实现高效利用驱动高压饱和水蒸气所含的大量热能和压力能，可提高增压性能并具备自驱特性。主要由主机体、上机体、下机体三部分组成。主机体包括主机体外壳1和周向均布膨胀波叠加管9的膨胀波叠加管转鼓7，且在中间对称处开有向外凸出的斜曲面过渡方孔11；所述主机体外壳1与膨胀波叠加管转鼓7两端凸出的迷宫密封10径向间隙通过加工精度确保最小；所述主机体外壳1中部对称位置开有三个周向均布的分流斜曲面过渡的高压驱动流体入口12和三个周向均布方形渐扩的低压膨胀流体出口13，膨胀波叠加管9的中间对称向外凸出的斜曲面过渡方孔11位置对应于三个周向均布的分流斜曲面过渡的高压驱动流体入口12和三个周向均布方形渐扩的低压膨胀流体出口13，径向间隙通过加工精度确保最小，膨胀波叠加管9的中间对称向外凸出的斜曲面过渡方孔 11随膨胀波叠加管转鼓7的转动与主机体外壳1的分流斜曲面过渡的高压驱动流体入口 12和方形渐扩的低压膨胀流体出口13先后呈现周期性连通和关闭状态。 [0020] 上机体、下机体对称布置，形状位置相同，主要包括所述上机体外壳2和下机体外壳3采用相同结构，均装有周向周期性均布的三个可拆卸喷嘴组合体6，包括增压流体喷嘴4和低压被驱流体喷嘴5，沿转动方向增压流体喷嘴4在前，低压被驱流体喷嘴5在后，与膨胀波叠加管9两端管口依次呈现周期性连通或关闭状态，轴向间隙通过可拆卸喷嘴组合体的安装精度确保最小，且随膨胀波叠加管转鼓7的转动呈现周期性连通或关闭状态。 [0021] 图3示出了一种高压饱和水蒸气驱动相向膨胀波叠加型自驱动增压器相向膨胀波叠加工作波图，及其对可拆卸喷嘴组合体6上的增压流体喷嘴4和低压被驱流体喷嘴5以及主机体外壳1上的高压驱动流体入口12和低压膨胀流体出口13的周向相对位置和周向尺寸确定关系，与高压气体驱动相向膨胀波叠加型自驱动增压器相比，高压饱和水蒸气的背向运动激波F速度更快，增压流体喷嘴4和低压被驱流体喷嘴5距离高压驱动流体入口12更近。主机体壳1对中位置分流斜曲面过渡的高压驱动流体入口12通入高压饱和水蒸汽分流进入膨胀波叠加管9中部，与管内原有低压水蒸气直接接触，形成了初始不连续边界条件，进而产生的背向运动激波F对膨胀波叠加管9内低压水蒸气进行增压，并同时产生相向膨胀波H和间断接触面G，相向膨胀波H叠加后形成的膨胀波叠加区C，膨胀波叠加区C对驱动流体膨胀区E中水蒸气进行再次降温降压，使驱动流体膨胀区E中的高压饱和水蒸汽高度降压降温，甚至发生冷凝。背向运动激波F增压后的水蒸气可通过增压流体喷嘴4自行排出并回收引入多效蒸发等系统。膨胀波叠加区C内的低温、低压水蒸气通过低压膨胀流体出口13利用低压比、大流量轴流风机引出，引入制冷等系统；低压被驱流体喷嘴5设置于膨胀波叠加管9两端，利用膨胀波叠加管9内的低压自行吸入低压水蒸气。冷凝的液体经上机体外壳2和下机体外壳3的疏水口排出。 [0022] 实施例3 结构可调式和速度可控式相向膨胀波叠加型自驱动增压器图2示出了一种可调式相向膨胀波叠加型自驱动增压器的可拆卸喷嘴组合体6上的增压流体喷嘴4和低压被驱流体喷嘴5以及主机体外壳上的分流斜曲面过渡的高压驱动流体入口12、方形渐扩的低压膨胀流体出口13和双端活套法兰的相对位置关系。可拆卸喷嘴组合体6中增压流体喷嘴4和低压被驱流体喷嘴5之间有与不同工况、介质相关的特定角度，当工况、介质改变时，可通过拆卸更换不同角度的可拆卸喷嘴组合体6满足要求。与可拆卸喷嘴组合体6相对应的主机体壳1上的分流斜曲面过渡的高压驱动流体入口12和方形渐扩的低压膨胀流体出口13具有与工况、介质相关的特定角度，可通过旋转活套法兰、上机体外壳2、下机体外壳3改变其角度，以满足要求。 [0023] 主机体的膨胀波叠加管转鼓7转速可通过主机体外壳1上的分流斜曲面过渡的高压驱动流体入口12和膨胀波叠加管转鼓7中部向外凸出的斜曲面过渡方孔11的角度及高压驱动流体的膨胀比所调节。 |
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