特斯拉涡轮膨胀装置及回收压力能的发电装置的制作方法

1.本公开涉及新能源利用与涡轮膨胀机技术领域，尤其涉及一种特斯拉涡轮膨胀装置及回收压力能的发电装置。


背景技术：

2.天然气作为一种清洁能源得到了世界各国的重视。目前，我国天然气用量逐年增大，天然气输配管网已有相当大的规模而且还具有很大的发展潜力。高压管网的天然气须经降压后进入低压管网供给用户使用，目前，将高压天然气降压主要使用节流降压的方式，大量的压力能在节流过程中被白白浪费，如何利用这些压力能已被人们逐渐重视。目前压力能回收利用的主要方式主要分为发电和制冷，其中，压力能制冷受用户冷量需求的影响较大，天然气调压需要与冷能用户的匹配程度不高，使得压力能发电成为压力能回收的主要方式。
3.传统的涡轮膨胀机多采用向心涡轮，其优点是效率较高工艺成熟。但是传统涡轮在缩小尺寸和流量较低工况时效率将会降低，而且叶轮叶片是非常复杂的三维形状，加工困难，导致涡轮成本较高，且这一缺点随着涡轮尺寸的减小将越来越显著。在天然气压力能发电中，如若单一使用传统涡轮，由于在小流量工况下其效率过低，若想提高效率就必须缩小涡轮尺寸，由于加工难度大，其制造成本也将大幅增加，同时传统涡轮的寿命问题也使得我们必须考虑在小流量下使用其他膨胀方式。


技术实现要素：

4.本公开提供了一种特斯拉涡轮膨胀装置及回收压力能的发电装置，其技术目的是提供一种加工难度小、操作简单、易于维护且成本低的特斯拉涡轮膨胀装置，及利用该特斯拉涡轮膨胀装置回收天然气压力能进行发电的装置。
5.本公开的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
6.一种特斯拉涡轮膨胀装置，包括主轴、至少九个转子圆盘、套筒、静压室、固定外壳和底座，所述转子圆盘设在所述静压室内中间位置处，所述固定外壳分布于所述静压室的两侧用于固定所述静压室，所述底座与所述固定外壳的底部连接用于固定所述固定外壳；
7.相邻的所述转子圆盘之间设有垫片，所述转子圆盘和所述垫片的中心穿过所述主轴而安装在所述主轴上，所述套筒设在所述主轴上用于固定所述转子圆盘和所述垫片；
8.每个所述转子圆盘上设有至少四个排气口，所述静压室内侧设有至少四个高速喷嘴、外侧设有至少两个进气口；所述排气口与所述高速喷嘴的数量相等，每个所述高速喷嘴的位置与每个所述排气口的位置相对应；
9.所述主轴一端连接有排气通道、另一端连接有输出轴，所述排气通道与所述排气口连通；所述排气通道贯穿所述静压室一侧的所述固定外壳，所述输出轴贯穿所述静压室另一侧的所述固定外壳。
10.一种回收压力能的发电装置，该发电装置包括如上述任一所述的特斯拉涡轮膨胀
装置，该发电装置还包括控制器、预热器、流量计、向心涡轮膨胀机、双速比齿轮箱、发电机、蓄电池组、压力计、再调压阀和再热器；
11.所述预热器与所述流量计连接，所述流量计与所述向心涡轮膨胀机通过第一控制阀连接，所述流量计与所述特斯拉涡轮膨胀装置通过第二控制阀连接；
12.所述向心涡轮膨胀机和所述特斯拉涡轮膨胀装置都与所述双速比齿轮箱、所述压力计连接；所述压力计与所述再调压阀连接，所述再调压阀与所述再热器连接；
13.所述双速比齿轮箱与所述发电机连接，所述发电机与所述蓄电池连接。
14.本公开的有益效果在于：本技术所述的特斯拉涡轮膨胀装置减少了涡轮内部的气流扰动和摩擦损失，延长了流体的工作路径从而提高了特斯拉涡轮的工作效率。而使用该特斯拉涡轮膨胀装置的发电装置，能够提高对天然气压力能的回收，提高了能源利用效率，扩展了压力能回收范围；且该发电装置在不同工况下使用不用的涡轮回收天然气压力能，提高了涡轮膨胀机的工作寿命，降低了设备的制造成本和维护成本，提高了压力能发电的经济性。
附图说明
15.图1是本技术所述发电装置的系统原理图；
16.图2是本技术所述特斯拉涡轮膨胀装置的剖面图；
17.图3是本技术所述特斯拉涡轮膨胀装置的涡轮剖面图；
18.图4是本技术所述特斯拉涡轮膨胀装置的正视图；
19.图5是本技术所述特斯拉涡轮膨胀装置的三维线框图；
20.图6是本技术所述特斯拉涡轮膨胀装置斜三轴视图(无输出轴端的固定外壳)；
21.图7是本技术所述特斯拉涡轮膨胀装置斜三轴视图(排气通道方向视图)；
22.图8是本技术所述特斯拉涡轮膨胀装置所述转子圆盘顶部椭圆曲线设计的示意图；
23.图9是本技术所述特斯拉涡轮膨胀装置所述转子圆盘表面螺旋微通道的示意图；
24.图中：1
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特斯拉涡轮膨胀装置；2
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预热器；3
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流量计；4
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第一控制阀；5
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第二控制阀；6
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向心涡轮膨胀机；7
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压力计；8
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再调压阀；9
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再热器；10
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双速比齿轮箱；11
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发电机；12
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蓄电池组；13
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控制器；101
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转子圆盘；102
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排气口；103
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静压室；104
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固定外壳；105
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排气通道；106
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高速喷嘴；107
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主轴；108
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套筒；109
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输出轴；110
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垫片；111
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底座；112
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进气口。
具体实施方式
25.下面将结合附图对本公开技术方案进行详细说明。在本技术的描述中，需要理解地是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，仅用来区分不同的组成部分。
26.另外，术语“中间”、“两侧”、“底部”、“顶部”、“之间”、“中心”、“内侧”、“外侧”、“一端”、“另一端”、“贯穿”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
27.图2至图7为本技术所述的特斯拉涡轮膨胀装置1的示意图，结合图2至图7，可知1该特斯拉涡轮膨胀装置1包括主轴107、至少九个转子圆盘101、套筒108、静压室103、固定外壳104和底座111，所述转子圆盘101设在所述静压室103内中间位置处，所述固定外壳104分布于所述静压室103的两侧用于固定所述静压室103，所述底座111与所述固定外壳104的底部连接用于固定所述固定外壳104。
28.相邻的所述转子圆盘101之间设有垫片110，所述转子圆盘101和所述垫片110的中心穿过所述主轴107而安装在所述主轴107上，所述套筒108设在所述主轴107上用于固定所述转子圆盘101和所述垫片110。
29.每个所述转子圆盘101上设有至少四个排气口102，所述静压室103内侧设有至少四个高速喷嘴106、外侧设有至少两个进气口112；所述排气口102与所述高速喷嘴106的数量相等，每个所述高速喷嘴106的位置与每个所述排气口102的位置相对应。
30.所述主轴107一端连接有排气通道105、另一端连接有输出轴109，所述排气通道105与所述排气口102连通；所述排气通道105贯穿所述静压室103一侧的所述固定外壳104，所述输出轴109贯穿所述静压室103另一侧的所述固定外壳104。
31.具体地，所述排气口102均匀分布在所述转子圆盘101中心位置处；所述进气口112以所述静压室103的中心为对称轴设置在所述静压室103外侧。
32.所述转子圆盘101的顶部和底部为半椭圆形，所述半椭圆形短轴的长度为2a、长轴的长度为2b，若相邻的所述转子圆盘101之间的距离为h，则2a<b<1.5h，如图8所示。
33.特斯拉涡轮膨胀装置1的工作原理包括：气体通过进气口112进入静压室103，在静压室103中通过高速喷嘴106切向喷入转子圆盘101，气体在转子圆盘101中做成螺旋流道流动最终通过排气口102进入排气通道105，在气体经过转子圆盘101时，受粘滞力影响，气体与转子圆盘101之间会形成流动边界层，在边界层内，固定表面的流速为0，离表面越远速度越大。利用这个效应，气体与盘片的切应力带动了转子圆盘101旋转，从而带动主轴107旋转，主轴107带动输出轴109旋转从而对外做功，图9即为转子圆盘101表面螺旋微通道的示意图。
34.图1为本技术所述发电装置的系统原理图，该发电装置包括控制器13、预热器2、流量计3、向心涡轮膨胀机6、特斯拉涡轮膨胀装置1、双速比齿轮箱10、发电机11、蓄电池组12、压力计7、再调压阀8和再热器9。
35.所述预热器2与所述流量计3连接，所述流量计3与所述向心涡轮膨胀机6通过第一控制阀4连接，所述流量计3与所述特斯拉涡轮膨胀装置1通过第二控制阀5连接。所述向心涡轮膨胀机6和所述特斯拉涡轮膨胀装置1都与所述双速比齿轮箱10、所述压力计7连接；所述压力计7与所述再调压阀8连接，所述再调压阀8与所述再热器9连接。所述双速比齿轮箱10与所述发电机11连接，所述发电机11与所述蓄电池连接。
36.为了适应不同工况下两种涡轮机的工作特性，本技术膨胀系统上采用双支路膨胀的方式，不同工况下不同支路进行工作，通过控制器13来控制阀门的开启，不仅可以提高压力能回收系统的工作范围，也能增加膨胀装置的工作寿命。系统工作时：高压端来自高压管网的天然气经过预热器2、流量计3后分为两条支路进入膨胀部分，各膨胀支路均装有控制阀，膨胀支路(1)在第一控制阀4后装有向心涡轮膨胀机6，膨胀支路(2)在第二控制阀5后装有特斯拉涡轮膨胀装置1。两种膨胀器通过双速比齿轮箱10与发电机11相连。膨胀部分后的
低压端装有压力计7、再调压阀8气流经再热器9后流入低压管网。控制器13根据流量计3检测到的流量来控制膨胀支路(1)和膨胀之路(2)上的控制阀的开关。当流量正常时膨胀支路(1)中的第一控制阀4关闭，膨胀支路(2)中的第二控制阀5开启，特斯拉涡轮膨胀装置11开始工作，高压天然气通过静压室103，高速喷嘴106进入透平转子圆盘101，通过边界层的粘性效应带动转子圆盘101旋转，转子圆盘101带动输出轴109旋转，进而带动发电机11发电。
37.当流量增大时膨胀支路(1)中的第一控制阀4开启，膨胀支路(2)中的第二控制阀5关闭，向心涡轮膨胀机6开始工作，高压气体进入向心涡轮膨胀机6带动叶轮旋转，叶轮带动输出轴109旋转进而带动发电机11发电。
38.由于特斯拉涡轮与向心涡轮在额定流量下转速不同，本发明采用双速比齿轮箱10来匹配两种膨胀机与发电机11的转速。发电机11发出的电能一部分并入电网，一部分储存在蓄电池中做备用电能。压力计7安装于膨胀部分后，用于检测经过向心涡轮膨胀机6及特斯拉涡轮膨胀装置1膨胀后的天然气是否满足下游官网的需要，天然气经再调压阀8再次调压后经过再热器9流入下游管网。
39.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充,这些改进和补充也应视为本发明的保护范围之内。