专利摘要

本发明属于节能减排设备领域，具体涉及一种透平、凝汽器和循环水泵三合一的能量利用装置，其包括转轴、设置在转轴顶部的循环水泵、套设在转轴上部的凝汽器和套设在转轴下部的凝结水箱，凝汽器包括外壳、设置在外壳内部的顶部汇流盘片和若干个盘式透平盘片，转轴的第一出水口将循环水引入盘式透平盘片，第二进水口将盘式透平盘片内的循环水汇集至循环水泵处引出，从进气管道进入的蒸汽通过透平叶片带动盘片转动，在盘片内热交换后经进气孔进入所述凝结水箱。本发明将盘式透平盘片应用于凝汽器实现余能的转化利用，同时对盘片进行改进可提高装置的能量转换效率，还具备结构简单、成本低廉等优点，尤其适用于汽轮机组排汽余能的转换利用。

说明书

技术领域

本发明属于节能减排技术领域，尤其涉及一种透平、凝汽器和循环水泵三合一的能量利用装置。

背景技术

我国约70％的电力由燃煤发电机组提供，提高火力发电机组的效率，高效地利用煤炭资源具有重要的现实意义。

现代大型火力发电厂通常采用凝汽式汽轮机组，汽轮机末级排汽通常具有低温度，低压力，高湿度，高流速的特点。例如某台超临界600MW汽轮发电机组，其汽轮机末级排汽量为993t/h，汽轮机末级动叶出口的蒸汽温度约为35℃，压力约为0.0054MPa，速度约为300m/s。虽然蒸汽由于温度较低，其热能无法被用于做功，但是其动能作为一种机械能却有被利用的潜质。对于上述汽轮机发电机组而言，其汽轮机排汽所含有余速动能功率可达12.5MW。然而在一般的热力发电厂中，汽轮机排汽的余速动能并没有得到回收利用从而成为能量损失。与此同时，为了将汽轮机排气冷却为饱和水重新送入锅炉，需要大量的循环冷却水流经凝汽器。根据季节以及运行方式的不同，一台600MW的汽轮机组所需要的循环水泵功率在3-8MW之间。

然而进一步的研究表明，排汽机组排出的余量因为以下原因尚未实现很好的利用:(1)汽轮机组排出的蒸汽的动能转速较低，难以实现利用；(2)而对于蒸汽所含有的热能大，在转化利用时需要消耗大量的循环水对其实现冷却，其耗水量大且对循环水泵要求较高，(3)尚未有能将汽轮机组的余能进行收集和转化的简易装置，实现对汽轮机组的热能和动能同时进行转化。

Tesla盘式透平，由尼古拉.特斯拉(Nikola Tesla)于1913年发明，属于无叶径向透平，其独特的优势在于：1.做功部件简单，呈薄圆盘形，制造成本低廉，2.适用功率范围广，大小型皆宜，3.工质范围广，尤其可以更好利用两相流工质。由于Tesla盘式透平的做功部件为圆盘，不同盘片之间的流体可以充分换热，因此，虽然Tesla盘式透平具有作为凝汽器工作来实现能量转化所需的必要条件，但仍存在一些问题：(1)虽然Tesla盘式透平具有上述优势，但尚未有将Tesla盘式透平用于凝汽器来实现能量利用的先例，(2)传统Tesla盘式透平工作扭矩小，只能在在高转速、低扭矩下运行，不能适应排汽机组的高流量、低转速的蒸汽的需要，(3)传统Tesla盘式透平的叶片为圆盘形，工质对叶片的推动力较小。

针对上述缺陷和不足，本领域亟需设计一种新的能量利用装置，使其能实现对汽轮机组的热能和动能同时进行转化，满足汽轮机组排汽余能的转化利用的需要。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种透平、凝汽器和循环水泵三合一的能量利用装置，其结合汽轮机的排汽具有速度慢、热量大的特点，相应设计了能量利用装置，创造性地将Tesla盘式透平与凝汽器相结合用于该能量利用装置，并对其中的具体部件、布置方式等方面进行研究和设计，尤其结合传统Tesla盘式透平自身的特点，对其进行结构上的改进，使其能够适应排汽机组排汽高流量、低转速的特点，且可以同时作为透平、凝汽器和循环水泵工作。与此同时，本发明的设备还具有结构简单、成本低廉等优点，因而适用于汽轮机排汽动能的转换利用。

为实现上述目的，本发明提供了一种透平、凝汽器和循环水泵三合一的能量利用装置，其特征在于，其包括转轴、设置在转轴顶部的循环水泵、套设在转轴上部的凝汽器和套设在转轴下部的凝结水箱，

其中，所述凝汽器包括筒状的外壳、设置在外壳内部的顶部汇流盘片和若干个盘式透平盘片，所述转轴从所述外壳中部的轴线处穿出，所述顶部汇流盘片和盘式透平盘片均中间开孔并套设在所述转轴上，所述转轴为空心轴且其顶部与所述循环水泵底部贯通连接，且其内部在顶部汇流盘片处被分隔为两部分，所述转轴的下半段设置有第一出水口将循环水引入所述盘式透平盘片，所述转轴在顶部汇流盘片处设置有第二进水口将所述盘式透平盘片内的循环水汇集至循环水泵处，所述循环水泵的一侧设置有出水管将循环水引出，

所述外壳侧面切向均匀分布有若干个进气管道，每个盘式透平盘片在靠近转轴的位置纵向设置有若干个进气孔，每个盘式透平盘片上表面的外周处还设置有透平叶片，从进气管道进入的蒸汽通过透平叶片带动所述顶部汇流盘片和盘式透平盘片转动，在顶部汇流盘片和盘式透平盘片内热交换后经进气孔进入所述凝结水箱。

该装置的具体工作过程如下：循环冷却水从转轴下方进入转轴，于转轴的开孔处流入盘片内部循环水流道，循环水在盘片内部空间沿螺旋线方向离心流动，于盘片外缘附近的多个出水口流出，经冲动式透平叶片内部的出水口流入上一个盘片的外缘并最终汇入顶层汇流盘片。循环水在顶层汇流盘片中向心流动，汇入转轴的上部后经离心泵引出转轴。同时，汽轮机等装置排出的蒸汽从凝汽器外壳的四周沿切向流入盘片间的蒸汽流道，冲动透平叶片带动盘片旋转。汽轮机排汽在蒸汽流道中沿螺旋线方向流向转轴，在流动过程中与盘片内部的循环水逆流换热，并逐渐冷却为饱和水。凝结过后的饱和水沿着转轴汇入下方的凝结水箱。

进一步优选地，所述凝汽器的外壳顶部设置有与转轴配合的环形凸起，该环形凸起周围还设置有若干支柱对循环水泵进行支撑，所述循环水泵内的离心泵叶片安装在转轴上方的出口处，随转轴一起旋转。通过支柱的设置能够实现对于循环水泵的支撑，而将离心泵叶片安装在转轴上随转轴转动，能够顺利地将循环水随凝汽器的离心作用排出离心泵。

优选地，所述凝结水箱与凝汽器之间设置分隔板分开，所述分隔板中间设置有直径大于转轴的开孔。通过设置分隔板能够将冷凝水与热蒸汽进一步分隔开，提高换热效率，而分隔板开孔的直径大于转轴，则利于冷凝水顺利下落至凝结水箱。

优选地，所述转轴上部设置有圆盘，该圆盘通过推力轴承支撑在所述凝汽器的环形凸起上，所述转轴下部在所述分隔板对应位置处还设置有伞型挡板，所述转轴底部与凝结水箱之间设置有轴承，该轴承可以为深沟球轴承。

具体地，由于装置整体竖直布置，通过圆盘和推力轴承的设置，将转轴和盘片的重量由凝汽器外壳上部的推力轴承支撑，而推力轴承又由凝汽器外壳支撑，进而转轴和盘片均由凝汽器外壳支撑。而转轴底部设有深沟球轴承，则转轴不需要承受轴向和径向载荷，只限制其径向位置，不限制轴向位置。这样的好处是可以让转轴在受热时沿轴向自由膨胀而不会产生热应力，从而延长转轴的使用寿命。而转轴下部设置的伞型挡板能够防止从盘片流出的冷凝水进入凝结水箱汽封，从而减少汽封被冷凝水腐蚀。

优选地，在所述转轴上设有三处轴封：与循环水泵之间设置的水封，与所述凝汽器的外壳顶部环形凸起之间设置的汽封，以及与所述凝结水箱之间设置的汽封。通过汽封和水封的设置，能够有效地防止水或蒸汽的溢出，对其它装置造成损害，提高其使用的安全性。

优选地，每个所述盘式透平盘片的进气孔均设置在相同位置，形成蒸汽通道。将进气孔设置为蒸汽通道的形式，便于直接将冷凝后的蒸汽引入至凝结箱体。

优选地，所述盘式透平盘片均采用两片中间开孔的盘片轴向间隔一定距离设置，上方的盘片上设置有透平叶片，所述盘式透平盘片的边缘处全部封闭，仅在紧贴转轴的侧面留有第一进水口与所述转轴的第一出水口对应，并在外沿处纵向设置有循环水出口贯穿盘片和透平叶片，但最底部的盘式透平盘片的下方盘片不设置循环出水口。通过透平叶片的设置，能够适应排汽机组排汽高流量、低转速的特点，增加蒸汽动能的利用率，推动盘片的转动，从而提高盘片的转速，第一进水口和第一出水口的设计，能够顺利的将循环水引入各个盘片，而循环水出口的设计，能够使循环水在流经下方盘片后经叶片内部流道流入上一个盘片，从而实现蒸汽热能的转化。

优选地，所述盘式透平盘片上的透平叶片呈弧形，且间隔一定距离均匀分布在盘片外周，每个所述盘式透平盘片上任意相邻的两个循环水出口之间间隔相同数量的透平叶片。通过将透平叶片设计为弧形，能够最大程度减小阻力，提高盘片的转速，适应排汽机组排汽高流量、低转速的特点，而通过将循环水出口均匀地设置在盘片的透平叶片上，能够使每个循环水出口的水量大致相等，从而最大程度的引入循环水，提高换热效率。

优选地，从下至上的每个盘片上的循环水出口的数量成倍增加。通过将从下至上每个盘片上的循环水出口成倍增加，能够使各级盘片入口循环水流量相等，从而进一步保证换热效率。

优选地，所述顶部汇流盘片包括间隔一定距离设置的两个中间有孔的圆形盘片，所述顶部汇流盘片的边缘处全部封闭，仅设置有与相邻的盘式透平盘片的循环水出口对应的循环水入口，和紧贴转轴处的侧面设置的第二出水口将循环水汇总至所述循环水泵，且该第二出水口与所述转轴上的第二进水口对应。通过顶部汇流盘片的结构的设置，使顶部盘片具有较大的空间汇流，而第二进水口和第二出水口的设置能够顺利将循环水引至顶部的循环水泵，满足能量转换的需求。而循环水出口的设计能够使循环水在流经下方盘片后经叶片内部流道流入顶部汇流盘片。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)本申请的能量利用装置结合汽轮机组排汽同时具备动能和热能、且排汽具有速度慢、热量大的特点，创造性地将Tesla盘式透平与凝汽器相结合用于该能量利用装置，并对该装置中的具体部件、布置方式等方面进行研究和设计，尤其结合传统Tesla盘式透平自身的特点，对其进行结构上的改进，使其能够适应排汽机组排汽高流量、低转速的特点，并可以同时作为透平、凝汽器和循环水泵工作。与此同时，本发明的设备还具有结构简单、成本低廉等优点，因而适用于汽轮机排汽动能的转换利用。

(2)本发明的能量利用装置中安装叶片盘式透平盘片是传统Tesla盘式透平的改进型透平。通过在Tesla盘式透平的盘片之间的流道入口处安装透平叶片，大幅提高了Tesla盘式透平的工作扭矩，克服了Tesla盘式透平只能在高转速、低扭矩下运行的缺陷，能够提高盘片的运行速度，提高能量转换效率，能够将汽轮机排汽所剩余的动能和热能均得到充分的转化和利用。同时，其透平叶片为二维造型，成本低廉，叶片宽度大、高度低，能够适应汽水两相流动。

(3)本发明装置的顶部汇流盘片的循环水出口的设计能够使循环水在流经下方盘片后经叶片内部流道流入顶部汇流盘片。通过将盘式透平盘片的透平叶片设计为弧形，能够最大程度减小阻力，而通过将循环水出口均匀地设置在盘片的透平叶片上，能够使每个循环水出口的水量大致相等，从而最大程度的引入循环水，提高换热效率。通过将从下至上每个盘片上的循环水出口成倍增加，能够使各级盘片入口循环水流量相等，从而进一步保证换热效率。

(4)本发明通过对转轴的结构进行设计，使其不仅能够顺利将循环水引入各个盘片，并经过换热后最终汇总至循环水泵，而且通过转轴上的圆盘设计，还能够将转轴和盘片的重量最终由凝汽器外壳进行支撑，而伞型挡板、气封和水封等结构的设置，则能够最大程度的保证该装置的运行安全并延长使用寿命。

(5)本发明的能量利用装置，利用汽轮机排汽的动能驱动循环水泵，并采用循环水来手机蒸汽的热能，同时实现了动能和热能的回收利用，节约厂用电。而其将盘式透平，凝汽器，循环水泵集成在一个设备中，节约了空间。且该装置的各个零部件成本低廉，制造简单，运行维护容易。

附图说明

图1(a)-(c)为按照本发明的能量利用装置的立体图、俯视图、剖面图；

图2为按本发明实施实例中的内部汽水流程图,其中，实线箭头为循环水流程虚线箭头为蒸汽(凝结水)流程；

图3(a)-(c)为按本发明实施实例中的第1级盘式透平盘片的立体图、俯视图、剖面图,图3(d)-(f)为第2级盘式透平盘片的立体图、俯视图、剖面图,图3(g)-(i)为第3级盘式透平盘片的立体图、俯视图、剖面图,图3(j)-(l)为第4级盘式透平盘片的立体图、俯视图、剖面图,图3(m)-(o)为顶层汇流盘片的立体图、俯视图、剖面图,；

图4(a)-(c)为按本发明实施实例中的转轴的立体图、俯视图、剖面图；

图5(a)-(c)为按本发明实施实例中的凝汽器外壳的立体图、俯视图、剖面图；

图6(a)-(c)为按本发明实施实例中的凝结水箱的立体图、俯视图、剖面图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-第1级盘式透平盘片；2-第2级盘式透平盘片；3-第3级盘式透平盘片；4-第4级盘式透平盘片；5-顶层汇流盘片；6-转轴；7-凝汽器的外壳；8-循环水泵；9-推力轴承；10-支柱；11-凝结水箱；12-轴承；13-第二进水口；14-循环水出口，15-蒸汽开孔；16-第一出水口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了盘式透平、凝汽器、循环水泵三合一的能量利用装置，下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述。

如图1(a)-(c)所示，为本发明提供的一种汽轮机排汽驱动的盘式透平、凝汽器、循环水泵三合一的能量利用装置，至少包括转轴6、多级盘式透平盘片1～5、凝汽器外壳7、凝结水箱11以及循环水泵8；其结合方式为：转轴6竖直放置，将1～4级盘式透平盘片以及顶层汇流盘片5由下至上依次层叠固定在转轴6上，使各级盘片1～5内缘的开孔与转轴1表面的开孔一一对应，使上一级盘片的外缘引出孔与下一级盘片的外缘引入孔一一对应。循环水泵8叶片焊接在转轴1的上方，随转轴6一起旋转，循环水泵8外壳由多根钢筋支撑在凝汽器外壳7上。整个转轴6和各级盘片1～5的重量由转轴6上半段处的推力轴承支撑在凝汽器外壳7上。凝结水箱11位于凝汽器外壳7下方，与凝汽器外壳7焊接为一个整体，同时支撑整个设备的重量。

汽轮机排汽从凝汽器外壳7四周的进气口沿切向进入4层蒸汽流道，推动各层蒸汽流道入口处的叶片做功，带动转轴6和离心泵8旋转。蒸汽在各层流道内沿螺旋线方向向心流动并凝结为饱和水，于转轴6附近的出口处向下汇入凝结水箱11。

循环水从转轴6下方的入口流入转轴，从转轴下半段的表面开口流入1～4级盘式透平盘片的内部流道。循环水在1-4级盘式透平盘片内部流道内沿螺旋线方向离心流动，从1～4级盘式透平盘片外缘附近的开孔处沿叶片内部流道流入下一级盘片内部。流经1～4级盘式透平盘片内部的循环水最终在第4级盘片外缘处汇集并流入顶层汇流盘片5。循环水在顶层汇流盘片5中向心流入转轴6上半段，并由离心泵8引出设备。

如图4(a)-(c)所示，本发明提供的转轴6为中空且内部由隔板分隔为上下半段，在转轴6的下半段开有12个第一出水口16。这12个第一出水口分为4层，每层3个，与1～4级盘式透平盘片的第一进水口相对应。转轴上半段开有沿圆周方向均匀的开有三个第二进水口13，与顶层汇流盘片5的第二出水口对应。转轴6的下半段具有伞状凸起结构，其作用是防止冷凝水冲入转轴6与凝结水箱11之间的汽封。靠近转轴6顶部位置设有圆盘状凸起结构，其目的是固定转轴6的轴向位置并与推力轴承9配合支撑起整个转轴6与全部盘片1～5的重量。此外，转轴6从上到下共有三处轴封结构，分别为：与循环水泵8外壳组成的水封，与凝汽器外壳7组成的汽封以及与凝结水箱11组成的汽封。

如图3(a)-(o)所示，本发明所提供的实施实例中的盘式透平盘片1～5分为5级，各级盘式透平盘片1～5的不同之处如下：首先，第1级盘式透平盘片位于最下层，因此其下表面不开孔，顶层汇流盘片5位于最上层，因此其上表面不开孔，而2～4级盘式透平盘片的表面的循环水出口14均为上下贯通，以便使从前一级盘片流出的循环水可以顺利地流入下一级盘片并最终汇入顶层汇流盘片5。其次，作为循环水的流道，1～4级盘式透平盘片以并联的方式运行，循环水从转轴6下半段的出口均等流量的流入1～4级盘式透平盘片内部，并从1～4级盘片的上表面开孔处沿叶片内部流道流入下一级盘式透平盘片的下表面开孔。为了满足各级盘式透平盘片循环水量相同，1级盘式透平盘片及其叶片在上表面开6个循环水出口，2～4级盘式透平盘片及其叶片分别贯通地开循环水出口12、18、24个，顶层汇流盘片5在其下表面开循环水出口24个。

现以第2级盘式透平盘片为例，如其图3(d)-(e)所示，为方便地表示出盘片与透平叶片的位置关系，在图中将透平叶片与一级盘片表示为一个整体。盘片中心附近有三个扇形开口，作为凝结水的出口。其上表面均匀地焊接有24个透平叶片19，其中在12个叶片上面开有贯穿叶片和两层盘片的循环水出口14。从剖面图可以清楚地看到，第2级盘片有3个连接转轴内部空间与盘片内部环形空间的长方形通道。

如图3(m)-(o)所示，顶层汇流盘片5下表面开循环水出口24个，与第4级盘式透平盘片上的叶片的循环水出口相对应，其中心处开有3个对称的第二出水口，与转轴6上半段的第二进水口相对应。

如图5(a)所示，凝汽器外壳7上方为环形凸起，环形凸起内设有汽封结构。环形凸起的上表面与推力轴承下表面接触，用于支撑推力轴承9。

如图5(b)-(c)所示，凝汽器外壳7沿圆周方向对称的布置有4个蒸汽管道，蒸汽沿切向进入盘片1-5之间的蒸汽流道。

如图6(a)-(c)所示，凝结水箱11为套筒状结构，其内环上设有迷宫式汽封结构，与转轴6最下方的汽封结构相互配合，其左下方设有凝结水出口。

如图2所示，循环水泵8叶片焊接在转轴6的上方，与转轴6合为一个整体，其入水口即为转轴6的上方出水口。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

一种透平、凝汽器和循环水泵三合一的能量利用装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。