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一种仿生减阻流通进气系统及多级膨胀机组

文献发布时间:2023-06-19 19:21:53


一种仿生减阻流通进气系统及多级膨胀机组

技术领域

本申请涉及膨胀机设备技术领域,尤其涉及一种仿生减阻流通进气系统及多级膨胀机组。

背景技术

目前,压缩气体储能是指将电网中过剩的电能以压缩气体的形式进行储存,其主要过程是利用电能驱动压缩机运转,经多级压缩后将空气压缩进高压储气罐中储存,作为高压气源;当电量紧缺时,利用高压气源驱动膨胀机进行发电;其中,高压气源释放其储存的压缩空气,通过进气系统将压缩气体输送至膨胀机中进行多级膨胀,驱动膨胀机带动发电机运转来进行发电。但是,在现有技术中,膨胀机的进气系统对压缩气体进行输送时,由于压缩气体在进气系统的内部高速流动,进气系统中管道的内壁和进气室的内壁会对高速流动气体产生一定的阻碍作用,影响压缩气体的流动速度,降低进气系统对压缩气体的运输能力和运输效率。

发明内容

有鉴于此,本申请提出一种仿生减阻流通进气系统及多级膨胀机组,以解决上述问题。

基于上述目的,本申请提供了一种仿生减阻流通进气系统,包括:

涡轮结构,包括相连通的进气室及扩压室,所述进气室在第一方向的截面设置为环状,所述扩压室在第二方向的截面设置为开口逐渐增大的喇叭状,其中,所述第二方向与压缩气体的流动方向相同,所述第一方向和所述第二方向相互垂直;

第一管道,与所述进气室相连通;

第二管道,与所述扩压室相连通;

其中,所述第一管道和所述第二管道上均设置有弯头,所述弯头的内侧壁、所述进气室的内侧壁以及所述扩压室的内侧壁上均设置有用以消减所述压缩气体阻力的减阻结构。

可选地,所述减阻结构设置为连续的凹凸结构。

可选地,所述弯头的内侧壁上设置有第一减阻区域,所述凹凸结构均匀布置在所述第一减阻区域上,至少部分所述第一减阻区域朝向所述压缩气体的来流方向设置。

可选地,所述进气室的内侧壁上设置有第二减阻区域,所述凹凸结构均匀布置在所述第二减阻区域上,至少部分所述第二减阻区域与所述第一管道相对设置。

可选地,所述扩压室的内侧壁上设置有第三减阻区域,所述凹凸结构均匀布置在所述第三减阻区域上。

可选地,所述凹凸结构设置为点状凸起、点状凹槽、条状凹槽和条状凸起中的至少一种。

可选地,所述点状凸起和/或所述点状凹槽设置有多个。

可选地,所述条状凹槽和/或所述条状凸起设置有至少两条,至少两条所述条状凹槽和/或所述条状凸起的长度方向与所述第二方向同向设置。

可选地,所述条形凹槽和/或所述条状凸起沿所述第一方向的截面设置为三角形、矩形或圆弧形。

基于同一发明构思,本申请还提供一种多级膨胀机组,包括至少一个如上述实施例中的进气系统。

从上面所述可以看出,本申请提供的仿生减阻流通进气系统及多级膨胀机组,通过在弯头的内侧壁、进气室的内侧壁以及扩压室的内侧壁上均设置减阻结构,能够降低各腔体内侧壁对压缩气体所产生的阻力,降低对压缩气体的流动速度影响,有效提高进气系统对压缩气体的运输能力和运输效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请或相关技术中的技术方案,下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中进气系统的结构示意图;

图2A为本申请实施例中弯头内第一种减阻结构的结构示意图;

图2B为本申请实施例中弯头内第二种减阻结构的结构示意图;

图2C为本申请实施例中弯头内第三种减阻结构的结构示意图;

图2D为本申请实施例中弯头内第四种减阻结构的结构示意图

图3A为本申请实施例中进气室内第一种减阻结构的结构示意图;

图3B为本申请实施例中进气室内第二种减阻结构的结构示意图;

图3C为本申请实施例中进气室内第三种减阻结构的结构示意图;

图3D为本申请实施例中进气室内第四种减阻结构的结构示意图;

图4A为本申请实施例中扩压室内第一种减阻结构的结构示意图;

图4B为本申请实施例中扩压室内第二种减阻结构的结构示意图;

图4C为本申请实施例中扩压室内第三种减阻结构的结构示意图;

图4D为本申请实施例中扩压室内第四种减阻结构的结构示意图;

图5为本申请实施例中多级膨胀机组的示意图。

附图标记说明:100、涡轮结构;110、进气室;120、扩压室;200、第一管道;300、第二管道;400、弯头;500a、第一减阻区域;500b、第二减阻区域;500c、第三减阻区域;510、凹凸结构;510a、点状凸起;510b、点状凹槽;510c、条状凹槽;510d、条状凸起;600、高压气源;700、调节阀;800、换热器;900、发电机。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本申请进一步详细说明。

需要说明的是,除非另外定义,本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同,而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接,而是可以包括电性的连接,不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系,当被描述对象的绝对位置改变后,则该相对位置关系也可能相应地改变。

相关技术中,压缩气体储能是指将电网中过剩的电能以压缩气体的形式进行储存,其主要过程是利用电能驱动压缩机运转,经多级压缩后将空气压缩进高压储气罐中储存,作为高压气源;当电量紧缺时,利用高压气源驱动膨胀机进行发电;其中,高压气源释放其储存的压缩空气,通过进气系统将压缩气体输送至膨胀机中进行多级膨胀,驱动膨胀机带动发电机运转来进行发电。但是,在现有技术中,膨胀机的进气系统对压缩气体进行输送时,由于压缩气体在进气系统的内部高速流动,进气系统中管道的内壁和进气室的内壁会对高速流动气体产生一定的阻碍作用,影响压缩气体的流动速度,降低进气系统对压缩气体的运输能力和运输效率。

有鉴于此,本申请提供了一种仿生减阻流通进气系统,包括:涡轮结构100,包括相连通的进气室110及扩压室120,进气室110在第一方向的截面设置为环状,扩压室120在第二方向的截面设置为开口逐渐增大的喇叭状,其中,第二方向与压缩气体的流动方向相同,第一方向和第二方向相互垂直;第一管道200,与进气室110相连通;第二管道300,与扩压室120相连通;其中,第一管道200和第二管道300上均设置有弯头400,弯头400的内侧壁、进气室110的内侧壁以及扩压室120的内侧壁上均设置有用以消减压缩气体阻力的减阻结构,请参阅图1-图4D。

需要说明的是,本申请中的进气系统用于对压缩气体进行输送,利用高速流动的压缩气体驱动膨胀机运行,从而使运转的膨胀机带动发电机900进行发电;具体地,第一管道200和第二管道300上可以设置有弯头400,用于改变压缩气体在管道中的运输方向,压缩气体通过第一管道200可以输送到涡轮结构100的进气室110中,通过在呈环形的进气室110将压缩气体均匀输送至膨胀机中叶轮结构所在的腔室当中,并利用压缩气体驱动叶轮结构转动,以使膨胀机工作;用于驱动叶轮结构的压缩气体会流向扩压室120中,由于扩压室120呈喇叭状设置,压缩气体在扩压室120流动过程中,气体的流速逐渐降低且气压逐渐升高,以便用以驱动下一级的叶轮结构进行运转,其中,可以通过第二管道300流向下一级涡轮结构100当中;由于压缩气体在进气系统内流速较高,当流经第一管道200和第二管道300上设置的弯头400、进气室110和扩压室120时,弯头400的内侧壁、进气室110的内侧壁和扩压室120的内侧壁等腔体内侧壁与流动的压缩气体直接接触,会与压缩气体之间产生一定的阻力并影响气体输送,降低膨胀机对压缩气体的利用效果;因此,通过在弯头400的内侧壁、进气室110的内侧壁以及扩压室120的内侧壁上对应设置减阻结构,能够降低各个腔体内侧壁与压缩气体之间所产生的阻力,降低对压缩气体流速的影响,降低压缩气体在进气系统中能量的损耗,从而提高进气系统对气体的输送效率和输送能力,确保进气系统能够持续平稳的驱动膨胀机进行运转。

在一些实施例中,减阻结构设置为连续的凹凸结构510;请参阅图1。

需要说明的是,减阻结构为连续的凹凸结构510时,能够改变压缩气体在弯头400内侧壁、进气室110内侧壁和扩压室120内侧壁上的气体流场,使压缩气体在凹凸结构510附近的气流分散开来,以使凹凸结构510所受剪切力减小,即所受到的阻力也随之减小;同时,压缩气体在连续的凹凸结构510之间会形成的微小的气体漩涡,压缩气体在流动时会与腔体内侧壁的气体旋涡产生对流,使压缩气体在流动时不会与腔体的内侧壁直接碰撞,减小流动过程中与腔体内侧壁之间摩擦力的生成,提高进气系统对压缩气体的输送效率。

在一些实施例中,弯头400的内侧壁上设置有第一减阻区域500a,凹凸结构510均匀布置在第一减阻区域500a上,至少部分第一减阻区域500a朝向压缩气体的来流方向设置,请参阅图2A-图2D。

需要说明的是,通过在弯头400的内侧壁上设置至少部分朝向压缩气体来流方向的第一减阻区域500a,能够利用第一减阻区域500a上的凹凸结构510降低弯头400内侧壁与流动的压缩气体之间的阻力;其中,第一减阻区域500a可以根据压缩气体输送情况进行布置;例如,压缩气体流速较小时,为保证第一减阻区域500a上的凹凸结构510能够降低压缩气体流经弯头400内时所受到的阻力,第一减阻区域500a可以仅设置在弯头400内侧壁的外弧部位,并朝向压缩气体的来流方向,使压缩气体进入弯头400时能够直接作用在第一减阻区域500a上的凹凸结构510,降低压缩气体阻力的产生;又例如,压缩气体流速较大时,第一减阻区域500a可以设置在弯头400的整个内侧壁上,即使凹凸结构510分布在整个弯头400的内侧壁上,以降低压缩气体与弯头400内侧壁之间的阻力,以保证气体的运输效率。

在一些实施例中,进气室110的内侧壁上设置有第二减阻区域500b,凹凸结构510均匀布置在第二减阻区域500b上,至少部分第二减阻区域500b与第一管道200相对设置,请参阅图3A-图3D。

需要说明的是,进气室110的内侧壁上设置至少部分对应第一管道200的二减阻面,第二减阻区域500b上设置有凹凸结构510,能够降低进气室110内侧壁对压缩气体流动时所产生的阻力;其中,第二减阻区域500b可以根据实际输送情况进行布置;例如,为使第二减阻区域500b上的凹凸结构510减小由第一管道200流入进气室110内时与压缩气体之间所产生的阻力,第二减阻区域500b布置在进气室110内与第一管道200相对应的区域,以使第一管道200出口端输出至进气室110内的压缩气体直接作用在第二减阻区域500b上的凹凸结构510上,以降低压缩气体的阻力的产生;又例如,第二减阻区域500b可以均匀布置在进气室110靠近圆心一侧的环状内侧壁上;或者覆盖于进气室110的整个内壁上,都能减小进气室110内侧壁对压缩气体的阻力,确保进气系统对压缩气体的运输效率。

在一些实施例中,扩压室120的内侧壁上设置有第三减阻区域500c,凹凸结构510均匀布置在第三减阻区域500c上,请参阅图4A-图4D。

需要说明的是,通过在扩压室120的内侧壁上设置第三减阻区域500c,并在第三减阻区域500c上设置的凹凸结构510,能够减小扩压室120内侧壁与流经其内部压缩气体之间阻力的生成,以降低对压缩气体的阻碍作用;其中,由于压缩气体在整个扩压室120内部流动,因此,第三减阻区域500c可以布置在整个扩压室120的内侧壁,以减小扩压室120内侧壁与气体之间阻力的影响。

在一些实施例中,凹凸结构510设置为点状凸起510a、点状凹槽510b、条状凹槽510c和条状凸起510d中的至少一种,请参阅图2A-4D;其中,点状凸起510a和/或点状凹槽510b设置有多个;条状凹槽510c和/或条状凸起510d设置有至少两条,至少两条条状凹槽510c和/或条状凸起510d的长度方向与第二方向同向设置;条形凹槽和/或条状凸起510d的第一方向的截面设置为三角形、矩形或圆弧形。

需要说明的是,通过在弯头400的内侧壁、进气室110的内侧壁以及扩压室120的内侧壁等腔体的内侧壁上设置凹凸结构510,能够减小压缩气体流动过程中所产生的阻力,降低腔体内侧壁对压缩气体流速的影响,以使其能够平稳驱动膨胀机运转工作;其中,凹凸结构510可以设置为点状凸起510a、点状凹槽510b、条状凹槽510c和条状凸起510d中的任意一种,或者其中的任意多种组合使用,均能对流动压缩气体起到减阻效果;此外,点状凸起510a和点状凹槽510b可以根据实际需求选择不同的形状,例如圆形、矩形、三角形或菱形等;条状凹槽510c的形状在第二方向的截面形状也可以选择三角形、矩形或者圆弧形等,均能够起到减小压缩气体的阻力的作用。

例如,凹凸结构510为点状凸起510a时,可以将多个点状凸起510a均匀布置在第一减阻区域500a、第二减阻区域500b或第三减阻区域500c上;具体地,压缩气体流经多个点状凸起510a所在的位置时,点状凸起510a使其附近位置的气流分散,降低点状凸起510a处所受的剪切力,故对该部分压缩气体的阻力也较小;且压缩气体在多个点状凸起510a分布的位置当中形成微小的气体漩涡,流动的压缩气体与气体旋涡会进行对流,使压缩气体不会腔体内壁直接接触,从而减小压缩气体所受到阻力,以达到提高进气系统输送効率的作用。

再例如,凹凸结构510为点状凹槽510b时,可以将多个点状凹槽510b在第一减阻区域500a、第二减阻区域500b或第三减阻区域500c上均匀布置,压缩气体流经点状凹槽510b所在的位置时,气部分气体会流入凹槽内被分散,以使点状凹槽510b处所受剪切力较小,因此对该部分压缩气体的阻力也较小;且压缩气体在多个点状凹槽510b内形成微小的气体漩涡,流动的压缩气体会与气体旋涡发生对流,以使压缩气体不会与腔体的内侧壁相接触,从而降低压缩气体流动时阻力的产生,以达到提高压缩气体输送効率的目的。

又例如,凹凸结构510设置为条状凹槽510c时,条状凹槽510c可以设置至少两条,至少两条条状凹槽510c之间可以平行设置在第一减阻区域500a、第二减阻区域500b或第三减阻区域500c上,压缩气体作用于条状凹槽510c内时,条状凹槽510c出会形成的微小的气体漩涡,并与压缩气体的流动方向产生对流,避免压缩气体和条状凹槽510c的直接碰撞,从而减小腔体的内侧壁与压缩气体之间的阻力,且气体漩涡的存在会阻止压缩气体进一步流入条状凹槽510c内,使高速流动的压缩气体避开腔体的内侧壁,从而达到减阻的效果。

又例如,与条状凹槽510c的工作原理类似,凹凸结构510设置为条状凸起510d时,条状凸起510d可以设置至少两条,至少两条条状凸起510d之间可以平行设置在第一减阻区域500a、第二减阻区域500b或第三减阻区域500c上,使相邻的条状凸起510d之间形成相应的沟槽,压缩气体作用于条状凸起510d上时,沟槽内会形成的微小的气体漩涡,并与压缩气体的流动方向产生对流,避免压缩气体和条状凸起510d的直接碰撞,从而减小腔体的内侧壁与压缩气体之间的阻力,且气体漩涡的存在会阻止压缩气体进一步流入沟槽内,使高速流动的压缩气体避开腔体的内侧壁,达到减阻的效果。

基于同一发明创造,本申请还提供了一种多级膨胀机组,包括至少一个如上述实施例中的进气系统,请参阅图5;由于多级膨胀机组中包括该进气系统,因此多级膨胀机组中具备进气系统中的所有优点和有益效果。

在一些实施例中,膨胀机组的进气端可以连接有用于提供压缩气体的高压气源600,利用高压气源600能够向进气系统中持续提供压缩气体,以通过进气系统源源不断的为膨胀机组提供压缩气体,从而使膨胀机组能够持续运转;高压气源600和膨胀机组之间可以设置有用以调节压缩气体流量的调节阀700,利用调节阀700来根据实际输送需求来压缩气体的流量和流速。

在一些实施例中,膨胀机组还包括换热器800,换热器800设置在进气系统当中,用于对流经进气系统中的压缩气体进行散热,请参阅图5;由于压缩气体在输送过程中温度较高,通过采用换热器800,能够将输送过过程中的压缩气体的热量进行散失,以降低压缩气体的温度,确保膨胀机组在较为平稳的工作温度下运行,延长其工作时长和使用寿命。

在一些实施例中,膨胀机组的输出端连接有发电机900,由膨胀机组驱动发电机900进行运转工作,其中,涡轮结构100除设置有进气室110和扩压室120外,还设置有分别于两者相连通的涡轮室,涡轮室内设置有叶轮结构,请参阅图5;压缩气体由进气室110均匀喷入涡轮室,并作用于涡轮室内的叶轮结构的叶轮上,利用高速流动的压缩气体驱动叶轮转动;且膨胀机组中的叶轮与发电机900之间可以通过转轴和联轴器相连接,通过高速转动的叶轮来带动发电机900运转,以驱动发电机900进行发电。

需要说明的是,本申请实施例的方法可以由单个设备执行,本实施例的方法也可以应用于分布式场景下,由多台设备相互配合来完成。在这种分布式场景的情况下,这多台设备中的一台设备可以只执行本申请实施例的方法中的某一个或多个步骤,这多台设备相互之间会进行交互以完成所述的方法。

需要说明的是,上述对本申请的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下,在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外,在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中,多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

所属领域的普通技术人员应当理解:以上任何实施例的讨论仅为示例性的,并非旨在暗示本申请的范围(包括权利要求)被限于这些例子;在本申请的思路下,以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合,步骤可以以任意顺序实现,并存在如上所述的本申请实施例的不同方面的许多其它变化,为了简明它们没有在细节中提供。

另外,为简化说明和讨论,可以以框图的形式示出装置,以便避免使本申请实施例难以理解,并且这也考虑了以下事实,即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本申请实施例的平台的(即,这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节以描述本申请的示例性实施例的情况下,对本领域技术人员来说显而易见的是,可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本申请实施例。因此,这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本申请的具体实施例对本申请进行了描述,但是根据前面的描述,这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。

本申请实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此,凡在本申请实施例的精神和原则之内,所做的任何省略、修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。

技术分类

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