一種適用于有機(jī)朗肯循環(huán)的球形滾珠膨脹機(jī)

胡惠惠,歐陽(yáng)新萍,侯慶亞,白樺

(上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200093)

我國(guó)工業(yè)能耗占總能耗的70%以上,在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中,有至少50%的能源轉(zhuǎn)化為低品位熱能,但目前工業(yè)余熱資源回收率僅為30%[1]。有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic rankine cycle,ORC)是利用低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì),將低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品味電能的技術(shù),為減少環(huán)境污染、發(fā)展新能源的轉(zhuǎn)換和利用提供了有效辦法[2-3]。低品位熱能除了工業(yè)余熱,還有地?zé)崮?、太?yáng)能和生物質(zhì)能等,我國(guó)儲(chǔ)量豐富。但目前有機(jī)朗肯循環(huán)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展由于膨脹機(jī)技術(shù)尚未成熟而受到了制約。膨脹機(jī)作為低溫技術(shù)領(lǐng)域冷量獲取和廢熱回收的能源裝備,是有機(jī)朗肯循環(huán)的關(guān)鍵部件,對(duì)循環(huán)系統(tǒng)性能有重要影響[4-5]。結(jié)構(gòu)上,膨脹機(jī)可分為兩類:一類為向心透平式、軸流透平式等速度型膨脹機(jī);另一類為渦旋式、活塞式、螺桿式、旋片式、三角轉(zhuǎn)子式、擺線式和羅茨式等容積型膨脹機(jī)。速度型膨脹機(jī)的工作原理是利用噴嘴和葉輪將高溫高壓氣體轉(zhuǎn)化成高速流體,再將高速流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸功,常見(jiàn)于高轉(zhuǎn)速和大流量的場(chǎng)所。容積型膨脹機(jī)則是通過(guò)改變工質(zhì)體積獲得膨脹比和焓降,將流體的壓力能和動(dòng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸功,實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化,常見(jiàn)于小流量、大膨脹比的場(chǎng)合[6]。利用ORC系統(tǒng)回收低品位熱能的功率輸出大概在1～50 kW的范圍內(nèi)[7],一般采用容積型膨脹機(jī)。

目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)基于ORC的容積型膨脹機(jī)已有一些研究。Zhao等[8]對(duì)近年來(lái)應(yīng)用于低溫?zé)峄厥誒RC系統(tǒng)的膨脹機(jī)裝置進(jìn)行了總結(jié)。他們指出目前大多數(shù)的膨脹機(jī)效率都較低,直接影響了ORC系統(tǒng)的效率。造成效率低的原因主要與設(shè)計(jì),制造,裝配等因素有關(guān)。Ali等[9]對(duì)旋葉式膨脹機(jī)進(jìn)行了研究和改進(jìn),克服了普通旋轉(zhuǎn)葉片膨脹機(jī)的密封、潤(rùn)滑等方面的局限性,并將其應(yīng)用到了ORC循環(huán)系統(tǒng),但該膨脹機(jī)容積效率較低。劉廣彬等[10]采用R123為循環(huán)工質(zhì),建立了應(yīng)用于低溫余熱回收系統(tǒng)中渦旋膨脹機(jī)工作過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,分析了吸、排氣損失和泄漏、傳熱對(duì)其工作過(guò)程的影響。王圣冰等[11]提出了一種采用半封閉式膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)一體化設(shè)計(jì)的渦旋膨脹機(jī)組,建立了熱力學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。Giuffrida等[12]設(shè)計(jì)了一種新型平衡滾動(dòng)活塞膨脹機(jī),概念上能夠比其他正排量膨脹機(jī)(如渦旋式或螺桿式機(jī)械)在更高的流體溫度下運(yùn)行,并采用徑向平衡轉(zhuǎn)子,省去了進(jìn)排氣控制機(jī)構(gòu)。Dumnoe等[13]對(duì)活塞式、螺旋式、渦旋式和羅茨式膨脹機(jī)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較的基礎(chǔ)上,提出了一種適用于小型有ORC的膨脹機(jī)的選擇方法。但試驗(yàn)臺(tái)在質(zhì)量流量、壓降以及其他方面存在實(shí)驗(yàn)限制,并沒(méi)能測(cè)出每臺(tái)膨脹機(jī)所能達(dá)到的最高效率。Clemente等[14]建立了往復(fù)式膨脹機(jī)的數(shù)值模型,證實(shí)了實(shí)現(xiàn)小規(guī)模能源回收和熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的可能性?？傮w而言,相關(guān)研究大多都還停留在理論和實(shí)驗(yàn)階段。因此,開(kāi)發(fā)用于ORC等小容量能量回收的容積膨脹機(jī)仍然是研究的方向。

本文設(shè)計(jì)了一種新型回轉(zhuǎn)式容積型膨脹機(jī),利用球形滾珠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輸出膨脹功,適用于ORC等小容量能量回收裝置。

1 球形滾珠膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 球形滾珠膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)

此球形滾珠膨脹機(jī)主要是由同心的球殼與球體、兩個(gè)球形滾珠組成,其整體的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 膨脹機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖

球體的結(jié)構(gòu)如圖2所示。球體表面上有兩條對(duì)稱的球體弧槽,以及與球體弧槽垂直相交的球體凸環(huán),在球體弧槽和球體凸環(huán)相交處分別有一個(gè)凸環(huán)缺口。滾珠在球體弧槽中往返運(yùn)動(dòng)時(shí),可從凸環(huán)缺口處通過(guò)球體凸環(huán)。

圖2 球體結(jié)構(gòu)圖

球殼的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。球殼的內(nèi)表面布置有一條360°的球殼環(huán)槽和一條與球體凸環(huán)配合的360°的球殼凹環(huán),球殼環(huán)槽與球殼凹環(huán)相交成45°。

圖3 球殼結(jié)構(gòu)圖

膨脹機(jī)整體結(jié)構(gòu)的剖面圖如圖4所示。球體凸環(huán)嵌入球殼凹環(huán)中,球體與球殼形成間隙配合,球體可沿相嵌的環(huán)道在球殼內(nèi)回轉(zhuǎn)。兩個(gè)球形滾珠對(duì)稱地嵌在球體和球殼之間。滾珠體積一半在球殼環(huán)槽里,另一半在球體弧槽里。其中,球殼環(huán)槽是氣缸空間。球殼環(huán)槽和兩條球體弧槽45°交匯,滾珠即位于兩個(gè)交匯處。球殼環(huán)槽和球殼凹槽的相交位置稱為“球殼槽交匯處”。在每個(gè)球殼槽交匯處的兩側(cè),均分別開(kāi)設(shè)有排氣口和進(jìn)氣口。在兩處“球殼槽交匯處”,球體凸環(huán)周期性的分隔球殼環(huán)槽,使得凸環(huán)和滾珠之間的球殼環(huán)槽為壓縮空間和膨脹空間,實(shí)現(xiàn)氣體吸入、壓縮和排氣效果。

圖4 膨脹機(jī)整體結(jié)構(gòu)剖面圖

1.2 球形滾珠膨脹機(jī)的工作原理

氣體流動(dòng)和膨脹推動(dòng)球形滾珠轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng),球形滾珠轉(zhuǎn)子在球體弧槽和球殼環(huán)槽的共同約束下,帶動(dòng)球體轉(zhuǎn)動(dòng)。球形滾珠轉(zhuǎn)子在球殼環(huán)槽內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),在球體弧槽內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在氣缸中,球形滾珠轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的前方是排氣腔,它的后方空間是進(jìn)氣腔或膨脹腔。球形滾珠轉(zhuǎn)子前方后方空間氣體力的壓差提供了其運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。氣體進(jìn)氣和膨脹過(guò)程中,推動(dòng)球形滾珠運(yùn)動(dòng),使其在球體弧槽和球殼環(huán)槽的共同約束下,帶動(dòng)球體轉(zhuǎn)動(dòng),輸出機(jī)械功。在三維空間中,以球體球心為原點(diǎn),沿著球體軸為x方向,z方向指向球體凸環(huán)。由于球殼環(huán)槽與球殼凹環(huán)成45°夾角,滾珠轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)軌跡成圓形,因此該圓所在平面與xz平面成45°夾角,其滾珠轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖如圖5所示。由示意圖進(jìn)一步可知,與兩條球體弧槽45°交匯的球殼環(huán)槽是氣缸空間。

圖5 滾珠轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

其運(yùn)行過(guò)程可進(jìn)一步闡述如下。定義球形滾珠位于“球殼槽交匯處”的位置為初始相位,此時(shí)兩個(gè)球形滾珠對(duì)稱分布于兩道球體弧槽中間,也是位于進(jìn)氣口和排氣口之間。設(shè)計(jì)滾珠沿著圖1所示的球殼環(huán)槽的左上方運(yùn)動(dòng)。依賴運(yùn)動(dòng)慣性,滾珠剛好完全通過(guò)進(jìn)氣口后,球體凸環(huán)將球殼環(huán)槽隔斷,進(jìn)氣閥打開(kāi),開(kāi)始進(jìn)氣,此時(shí)滾珠后方腔體內(nèi)壓力略小于進(jìn)氣壓力Ps0。進(jìn)入一定量的氣體之后,進(jìn)氣口關(guān)閉,進(jìn)氣過(guò)程中腔體內(nèi)的壓力為Ps0。氣體開(kāi)始膨脹,推動(dòng)滾珠沿著球殼環(huán)槽運(yùn)動(dòng),同時(shí)帶動(dòng)球體弧槽運(yùn)動(dòng),即帶動(dòng)球體轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)球體軸輸出膨脹功。氣體進(jìn)入滾珠的后方空間后,滾珠前方空間氣體已膨脹結(jié)束開(kāi)始排氣,理論上腔體內(nèi)的氣體的壓力等于排氣壓力Pdk(實(shí)際稍大于)。當(dāng)滾珠運(yùn)動(dòng)至接近排氣口位置時(shí),滾珠運(yùn)動(dòng)前方的氣體即將排放完畢,后方的氣體則即將膨脹結(jié)束。當(dāng)滾珠行至排氣口位置時(shí),滾珠后方氣體膨脹結(jié)束,達(dá)到排氣壓力。接著球形滾珠到達(dá)排氣口和進(jìn)氣口之間,即到達(dá)另一個(gè)球殼槽交匯處,球體凸環(huán)缺口也到達(dá)該球殼槽交匯處,滾珠通過(guò)球體凸環(huán)缺口。在球形滾珠轉(zhuǎn)子通過(guò)球體凸環(huán)缺口時(shí),球體轉(zhuǎn)過(guò)了180度。隨后球體凸環(huán)再次將該球殼槽交匯處隔斷,接著滾珠重復(fù)相同的運(yùn)動(dòng)過(guò)程回到初始相位。兩個(gè)球形滾珠帶動(dòng)球體旋轉(zhuǎn)一圈,在其球殼環(huán)槽中,各產(chǎn)生2次進(jìn)氣、膨脹、排氣過(guò)程。對(duì)于球形滾珠膨脹機(jī)整體而言,共產(chǎn)生4次進(jìn)氣、膨脹、排氣過(guò)程。滾珠轉(zhuǎn)子移動(dòng)后方容積、壓力隨球體轉(zhuǎn)過(guò)角度的變化曲線圖如圖6所示,其中實(shí)線代表壓力變化曲線,虛線代表容積變化曲線。

圖6 滾珠轉(zhuǎn)子移動(dòng)后方空間容積、壓力變化圖

2 球形滾珠膨脹機(jī)主要部件設(shè)計(jì)

2.1 球體凸環(huán)設(shè)計(jì)

球體凸環(huán)在球殼槽交匯處將球殼環(huán)槽隔斷,球殼環(huán)槽被分成兩個(gè)工作腔體。球體凸環(huán)兩側(cè)既承受壓差,又受到球殼壁面的剪切力。因此,球體凸環(huán)要有適當(dāng)?shù)暮穸?但又不能太厚,以免過(guò)多地占用氣缸容積。球體凸環(huán)的高度與球體凸環(huán)缺口的高度有關(guān)。球體缺口是為了讓球形滾珠轉(zhuǎn)子通往另一個(gè)工作腔體,開(kāi)始下一個(gè)吸氣膨脹排氣過(guò)程。從減少泄漏量的角度考慮,凸環(huán)缺口設(shè)計(jì)為包裹式,即凸環(huán)缺口形狀設(shè)計(jì)為圓形,凸環(huán)總高度大于滾珠轉(zhuǎn)子通過(guò)的需要高度。

球體凸環(huán)的受力分析如圖7所示,氣體力F1和F2分別作用于球體凸環(huán)的兩側(cè),F1是最大工作壓力,F2是排氣壓力。F1>F2,球體凸環(huán)所受的壓差F=F1-F2,該壓差作用于球體凸環(huán)與球殼環(huán)槽相交的的部分。球體凸環(huán)會(huì)受到球殼給它的一個(gè)反向作用力F3,F3=F。剪切力發(fā)生在球體凸環(huán)的受力部分和非受力部分之間。球體環(huán)槽與球體凸環(huán)之間的夾角是45°,因此,球體凸環(huán)所受的正向力與氣體力之間夾角也是45°。為了防止球體凸環(huán)不被切應(yīng)力所剪斷,球體凸環(huán)所受的切應(yīng)力應(yīng)不大于其許用切應(yīng)力。

圖7 球體受力示意圖

2.2 球殼凹環(huán)和球殼環(huán)槽的設(shè)計(jì)

膨脹機(jī)運(yùn)行時(shí),球體凸環(huán)嵌入球殼凹環(huán)中,兩者相配合,球殼保持靜止,球體在球殼中轉(zhuǎn)動(dòng)。凹環(huán)槽深與凸環(huán)高度相同。凹環(huán)槽底與球殼外壁距離較小,球殼最薄處在凹環(huán)槽底。因此,需重點(diǎn)分析球殼凹環(huán)槽處,看其是否屈服。依據(jù)Lame解答[15],計(jì)算其應(yīng)力大小,判斷凹環(huán)槽處能否屈服。

球殼環(huán)槽是膨脹機(jī)的氣缸空間,將球殼氣缸等效為外半徑為b,內(nèi)半徑為a,并且受均布外壓力Po和均布內(nèi)壓力Pi的圓環(huán)進(jìn)行分析,如圖8所示。圓環(huán)壁厚等于球殼凹環(huán)槽處的壁厚。圓環(huán)所受的環(huán)向應(yīng)力與徑向應(yīng)力的大小都應(yīng)小于材料的許用應(yīng)力值。

圖8 球殼環(huán)槽受力圖

2.3 取消進(jìn)氣閥的進(jìn)氣控制結(jié)構(gòu)

為了保證球形滾珠膨脹機(jī)能膨脹做功,在進(jìn)入一定量的工質(zhì)之后,進(jìn)氣閥必須關(guān)閉。進(jìn)氣閥是易損部件,取消進(jìn)氣閥有利于減少流動(dòng)損失,降低閥門(mén)振動(dòng)噪聲,提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。本文給出的優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖9所示,將球體上的矩形凸環(huán)的部分角度(φ)改為T(mén)形凸環(huán),如圖10所示。相應(yīng)地,球殼凹槽也改為T(mén)形結(jié)構(gòu)。這樣,當(dāng)球體凸環(huán)的T形結(jié)構(gòu)部分經(jīng)過(guò)進(jìn)氣口時(shí),可擋住進(jìn)氣口不進(jìn)氣,非T形結(jié)構(gòu)部分經(jīng)過(guò)進(jìn)氣口時(shí),恢復(fù)進(jìn)氣。改變球體凸環(huán)的T形結(jié)構(gòu)的角度φ,即可調(diào)節(jié)進(jìn)氣量、膨脹比。此結(jié)構(gòu)可以省去進(jìn)氣閥及其控制結(jié)構(gòu)的設(shè)置,提高膨脹機(jī)運(yùn)行的可靠性。

圖9 優(yōu)化進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的膨脹機(jī)球體圖

圖10 優(yōu)化進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的膨脹機(jī)球體三維圖

3 潤(rùn)滑與泄漏分析

3.1 潤(rùn)滑系統(tǒng)

球形滾珠膨脹機(jī)氣缸與滾珠轉(zhuǎn)子之間,球體軸與軸承之間有高速的相對(duì)運(yùn)動(dòng),存在著阻礙它們相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦力。部件之間的摩擦?xí)斐膳蛎洐C(jī)部件的磨損,引起的幾何結(jié)構(gòu)的變化會(huì)導(dǎo)致其喪失原本的設(shè)計(jì)功能,最終發(fā)生失效。并且部件之間的摩擦?xí)a(chǎn)生過(guò)多的熱量從而降低膨脹機(jī)的使用壽命,甚至?xí)龎南鄬?duì)運(yùn)動(dòng)部件之間的接觸表面。減小相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件之間的摩擦可以通過(guò)潤(rùn)滑的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。該球形滾珠膨脹機(jī)的潤(rùn)滑分兩部分,即不與膨脹機(jī)工質(zhì)接觸的外部潤(rùn)滑(也稱循環(huán)潤(rùn)滑)和與膨脹機(jī)工質(zhì)接觸的內(nèi)部潤(rùn)滑。外部潤(rùn)滑作用于膨脹機(jī)軸承和球體軸等運(yùn)動(dòng)部件;內(nèi)部潤(rùn)滑主要潤(rùn)滑膨脹機(jī)氣缸及球形滾珠轉(zhuǎn)子膨脹容積部件。兩部分均采用壓力潤(rùn)滑,由油泵提供驅(qū)動(dòng)力。由于膨脹機(jī)的工作環(huán)境較為惡劣,進(jìn)出口溫度均屬于高溫,且壓力較高,因此潤(rùn)滑油選用N46～N48透平油(參考浙江開(kāi)山螺桿膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)組用油),油壓控制在0.1～0.2 MPa,平衡油壓在0.5～0.7 MPa,因進(jìn)排氣壓差較小,可不設(shè)平衡油缸,回油溫度控制在60～70 ℃以下。設(shè)置冷卻系統(tǒng)對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行冷卻。

3.2 余隙容積與泄漏損失

從膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)可以看到,球體上兩條對(duì)稱的球體環(huán)槽用于約束滾珠轉(zhuǎn)子在球體上的往復(fù)運(yùn)動(dòng),滾珠在球體環(huán)槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)至兩側(cè)時(shí)存在余隙容積,造成有害壓縮,因此在靠近球體環(huán)槽兩端3 mm位置開(kāi)設(shè)矩形凹槽,使得未隨滾珠運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)入膨脹腔體的氣體通過(guò),減少余隙容積損失。泄漏損失主要存在于滾珠轉(zhuǎn)子與氣缸內(nèi)壁的周向泄漏及相鄰腔體之間的回流泄漏。針對(duì)周向泄漏,建立泄漏模型計(jì)算臨界配合間隙值,在不影響運(yùn)行的情況下,盡量減小泄漏間隙。在本球形滾珠壓縮機(jī)中,球體凸環(huán)固定在球體上,球體旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)球體凸環(huán)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)氣缸內(nèi)滾珠轉(zhuǎn)子前方壓縮排氣快結(jié)束,球體凸環(huán)中圓形缺口剛開(kāi)始抵達(dá)球殼槽交匯處,與其交匯時(shí),正在進(jìn)行壓縮排氣的壓縮腔內(nèi)氣體會(huì)短時(shí)間與相鄰低壓腔室連通,導(dǎo)致氣體發(fā)生回流泄漏現(xiàn)象。針對(duì)回流間隙,位于球體凸環(huán)上的凸環(huán)缺口在原先半圓形截面的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究,改進(jìn)為與球形滾珠轉(zhuǎn)子運(yùn)行軌跡相配合的型線,減少運(yùn)行過(guò)程中的回流泄漏。

4 容積效率的計(jì)算

容積效率是指在吸氣過(guò)程由氣缸吸入的氣體的實(shí)際體積除以氣缸體積。 容積效率是表現(xiàn)氣缸空間利用率的指標(biāo),其值越大表示利用率越高。

容積系數(shù)表達(dá)式[16]為

(1)

式中:λv為容積系數(shù);c為相對(duì)余隙容積,本膨脹機(jī)余隙容積很小,取c=0.005[14];Δpd為排氣壓力,Pa;ε為膨脹比,設(shè)計(jì)為3.37;m為膨脹系數(shù),取1.05。

故容積效率為

ηv=λvλpλTλl=0.758

(2)

式中:ηv為容積效率;λv為容積系數(shù);λp為壓力系數(shù),取0.995[16];λT為溫度系數(shù),取0.794[16];λl為泄露系數(shù),取0.970[17]。

由文獻(xiàn)[18]可知，渦旋膨脹機(jī)的實(shí)測(cè)容積效率為0.6～0.7,由文獻(xiàn)[19]可知，單螺桿膨脹機(jī)的效率為0.4～0.7。經(jīng)理論推算,本文設(shè)計(jì)的膨脹機(jī)的容積效率高于絕大多數(shù)傳統(tǒng)膨脹機(jī)的容積效率。

5 球型滾珠膨脹機(jī)的特點(diǎn)分析

球形滾珠膨脹機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,球形滾珠和球體都是作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),沒(méi)有傳統(tǒng)活塞膨脹機(jī)的往復(fù)慣性力,運(yùn)動(dòng)平衡性好,因而運(yùn)轉(zhuǎn)效率高。與其它回轉(zhuǎn)型的膨脹機(jī)(如螺桿、渦旋等)相比,零件數(shù)少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便,生產(chǎn)成本低。

從球形滾珠膨脹機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)來(lái)看,要增大或減小膨脹機(jī)容量(或氣體流量)只需增加或減小膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸即可,不會(huì)帶來(lái)加工工藝問(wèn)題或運(yùn)行效率問(wèn)題,因此,可適用的容量范圍廣。由于工作容積為球殼內(nèi)部的部分空間,球體所占容積為非工作容積,因此,隨著結(jié)構(gòu)尺寸的減小,球體所占容積相應(yīng)減小,工作容積的占比相應(yīng)提高。故對(duì)于小容量的氣體膨脹而言,該膨脹機(jī)更有優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于ORC的中低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)等小容量能量回收裝置,目前所供選擇的容積型膨脹機(jī)有限,且運(yùn)行效率不高;球型滾珠膨脹機(jī)是一種新的選擇方案。球型滾珠膨脹機(jī)的研發(fā),豐富了容積型膨脹機(jī)的類型,為ORC的中低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的推廣和高效運(yùn)行起到了促進(jìn)作用。

新型球形滾珠膨脹機(jī)組合了滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式膨脹機(jī)和往復(fù)式活塞膨脹機(jī)的部分特征及優(yōu)點(diǎn),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件數(shù)少、制作方便、運(yùn)動(dòng)平衡性好。結(jié)構(gòu)上,由于兩個(gè)球形滾珠對(duì)稱布置,沿球殼環(huán)槽做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),離心慣性力相互抵消,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),同時(shí)也沒(méi)有往復(fù)慣性力。所提出的一種進(jìn)氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,可取消進(jìn)氣閥,減小了流動(dòng)損失和閥門(mén)振動(dòng)噪聲、提高可靠性。目前,適用于中低溫有機(jī)朗肯循環(huán)的小功率膨脹機(jī)較少,此球形滾珠膨脹機(jī)有望在有機(jī)朗肯循環(huán)中低溫地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

6 結(jié)論

1) 球形滾珠膨脹機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)具有新穎性和可行性。

2) 球形滾珠膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件數(shù)少、制作方便、運(yùn)動(dòng)平衡性好,運(yùn)轉(zhuǎn)效率高。

3) 進(jìn)氣結(jié)構(gòu)可設(shè)置或不設(shè)置進(jìn)氣閥。對(duì)于不設(shè)進(jìn)氣閥方案,可減小氣體流動(dòng)損失和閥門(mén)振動(dòng)噪聲、提高可靠性。

4) 球形滾珠膨脹機(jī)可適用的容量范圍廣,尤其對(duì)于小容量的氣體膨脹更有優(yōu)勢(shì),因此可作為中低溫ORC的小功率膨脹機(jī)的選用,對(duì)ORC的中低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的推廣和高效運(yùn)行起到促進(jìn)作用。