一种容积式膨胀驱动相变波转子增压器

技术领域

本发明涉及一种容积式膨胀驱动相变波转子增压器，其属于机械增压和膨胀装置技术领域。

背景技术

波转子增压器作为一种非定常流动设备，由于转子通道内产生的气波运动使得波转子增压器内两种不同流体进行压力能交换，可实现两种不同流体直接传递能量而不需要使用活塞或叶轮等机械部件，具有比扩散器等定常流动设备等熵效率更高的优点。

专利《径流式射流气波增压器》（授权公告号:102606548a）和专利《轴流式射流气波增压器》（授权公告号: 202468498U）分别提出了径流式和轴流式两种典型结构的气波增压器，这两种结构均能从原理上实现运动激波压缩和膨胀波膨胀过程，但是在实际应用中，当设备大型化过程时会出现驱动困难的问题，尤其是相变波转子增压器转子内含液，更加增大了启动负荷。此外，常见的波转子增压器往往是利用高压气体对低压气体增压，是气气增压，高压气体通常需要压缩机加压得到，其增压受介质影响较大，对水蒸气等密度小、比容大的气体，存在增压效率低、压缩机尺寸大等问题，甚至会遭遇压缩机开发技术瓶颈的问题。

发明内容

为了解决波转子大型化遇到的驱动难题和使用高压饱和液体实现对相变波转子增压器中低压气体的增压，本发明提供一种容积式膨胀驱动相变波转子增压器，利用容积式膨胀单元使得高压流体膨胀，经分离后得到高压气体通入相变波转子增压器内对低压气体增压，另一方面，膨胀单元输出轴功为波转子的转动提供动力。

本发明采用的技术方案是：一种容积式膨胀驱动相变波转子增压器，包括相变波转子增压器，相变波转子增压器的增压器壳体的两端分别设有左轴承座和右轴承座，内部设有周向均布多个压力喷嘴及压力振荡管的波转子，波转子两端用固定在第一增压器转轴上的两个波转子端盖封闭，第一增压器转轴分别由左轴承座和右轴承座上的轴承支撑，在左轴承座上设有Pa压力流体入口、Pc压力流体入口，在右轴承座上设有Pb压力流体出口与第一冷凝液出口、Pd压力流体出口与第二冷凝液出口；还包括容积式膨胀单元和无极变速机构，所述容积式膨胀单元的膨胀单元壳体内壁镶有气缸，一端设有连接体，另一端设有膨胀单元端盖和内部设置密封机构的第一密封座，位于连接体和膨胀单元端盖内的轴承支撑与转子固定连接的转轴，转子设有6-24个均布的与滑片配合的滑槽，转轴上的转子与设置在膨胀单元壳体内的气缸的内腔为偏心设置，滑片的外边缘与气缸的内腔壁面为密封配合，在转子的两侧与连接体、膨胀单元端盖的配合面处设有环式密封机构，在膨胀单元壳体上设有膨胀单元流体入口、膨胀单元流体出口；所述容积式膨胀单元的转轴连接无极变速机构，无极变速机构通过增压器转轴驱动相变波转子增压器工作。

所述无极变速机构采用同一侧输入和输出的结构，容积式膨胀单元的连接体与相变波转子增压器的左轴承座固定连接，在连接体与左轴承座之间设有环状的一侧连通膨胀单元流体出口、另一侧连通Pc压力流体入口的气液分离腔；设有转子的转轴采用膨胀中空转轴，第一增压器转轴经第一联轴器与穿过膨胀中空转轴的第二增压器转轴一端固定连接，另一端经第三联轴器固定连接变速机构输出轴；所述膨胀中空转轴经第二联轴器固定连接套在变速机构输出轴上的变速机构中空输入轴。

所述无极变速机构采用一侧输入和另一侧输出的结构，无极变速机构的壳体输入侧与第一密封座固定连接，输出侧与内部设置密封机构的第二密封座固定连接；设有转子的转轴采用实心的膨胀转轴，膨胀转轴直接连接无极变速机构的输入轴，无极变速机构的输出轴直接连接相变波转子增压器的第一增压器转轴；所述膨胀单元流体出口采用管道依次经加热装置、疏液装置连接相变波转子增压器的Pc压力流体入口。

所述环式密封机构包含密封环和弹簧，在转子的两侧与连接体、膨胀单元端盖的配合面处，连接体、膨胀单元端盖上设有先放弹簧、后放密封环的环槽，转子上设有与环槽对应的密封槽，弹簧把密封环推入密封槽中。

所述滑片与气缸内壁配合的外边缘采用凸弧边、凹弧边或直线边的结构。

所述气液分离腔采用离心分离液体的切向入口，外缘设有分离腔液体出口。

本发明的有益效果是：这种容积式膨胀驱动相变波转子增压器包括相变波转子增压器、容积式膨胀单元和无极变速机构，相变波转子增压器通过增压器转轴连接无极变速机构，容积式膨胀单元通过膨胀转轴连接无极变速机构，膨胀转轴通过无极变速机构驱动增压器转轴转动，容积式膨胀单元的高压流体出口通过气液分离装置连接相变波转子增压器的Pc压力流体入口。该增压器可利用高压饱和流体闪蒸或无相变膨胀得到的高压流体对低压气体增压，使得利用泵对液体增压代替压缩机对气体增压成为可能，解决了压缩机效率低获得高压气体成本高的问题，同时将膨胀单元输出的轴功传递给波转子增压器，为其转动提供动力，省去了高转速电动机的使用。容积式膨胀单元内高压流体膨胀输出轴功，容积式膨胀单元与波转子增压器之间利用通用形式的无极变速机构完成相对转速的调节，流程中的膨胀结构和波转子增压结构是分开的，拆卸更换方便。

附图说明

图1是一种容积式膨胀驱动相变波转子增压器的结构图。

图2是图1中A-A的视图。

图3是图1中B-B的视图。

图4是滑片的结构图。

图5是图1中的D放大图。

图6是另一种容积式膨胀驱动相变波转子增压器的结构图。

图中：1、增压器壳体，1a、波转子，1b、压力振荡管，1c、左轴承座，1d、右轴承座，1e、波转子端盖，2、第一增压器转轴，2a、第二增压器转轴，2b、变速机构输出轴，3、连接体，4、第一联轴器，5、滑片，5a、凸弧边，5b、凹弧边，5c、直线边，6、转子，7、膨胀单元壳体，7a、膨胀单元端盖，7b、第一密封座，7b1、第二密封座，8、膨胀中空转轴，8a、变速机构中空输入轴，8b、膨胀转轴，9、第二联轴器，10、第三联轴器，11、无极变速机构，12、环式密封机构，12a、弹簧，12b、密封环，13、气液分离腔，14、气缸，15、变容积腔，16、滑槽，17、加热装置，18、疏液装置；a、Pa压力流体入口，b、Pb压力流体出口，c、Pc压力流体入口，d、Pd压力流体出口，e、第一冷凝液出口，f、第二冷凝液出口，g、膨胀单元流体入口，h、膨胀单元流体出口，i、分离腔液体出口。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进一步详细说明。

图1、2、3示出了一种容积式膨胀驱动相变波转子增压器的结构图，图中，这种容积式膨胀驱动相变波转子增压器包括相变波转子增压器、容积式膨胀单元和无极变速机构11。相变波转子增压器的增压器壳体1的两端分别设有左轴承座1c和右轴承座1d，内部设有周向均布多个压力喷嘴及压力振荡管1b的波转子1a，波转子1a两端用固定在第一增压器转轴2上的两个波转子端盖1e封闭，第一增压器转轴2分别由左轴承座1c和右轴承座1d上的轴承支撑，在左轴承座1c上设有Pa压力流体入口a、Pc压力流体入口c，在右轴承座1d上设有Pb压力流体出口b与第一冷凝液出口e、Pd压力流体出口d与第二冷凝液出口f。在工作中，相变波转子增压器的介质可采用真空至正压条件下的水、水蒸气、单一或混合制冷剂、氨气、天然气等，两个出口压力（Pb压力、Pd压力）范围在高压入口（Pc压力）与低压入口（Pa压力）的压力之间，出口压力（Pb压力、Pd压力）不能比高压入口（Pc压力）的压力更高，两出口压力（Pb压力、Pd压力）可以相同也可以不同。

容积式膨胀单元包含转子6、变容积腔15、滑片5、气缸14和膨胀单元壳体7，膨胀单元壳体7内壁镶有气缸14，一端设有连接体3，另一端设有膨胀单元端盖7a和内部设置密封机构的第一密封座7b，位于连接体3和膨胀单元端盖7a内的轴承支撑与转子6固定连接的转轴，转子6设有6个均布的与滑片5配合的滑槽16，转轴上的转子6与设置在膨胀单元壳体7内的气缸14的内腔为偏心设置，滑片5的凸弧边5a与气缸14的内腔壁面相配合（如图4中a所示）。

在转子6的两侧与连接体3、膨胀单元端盖7a的配合面处设有环式密封机构12。环式密封机构12包含密封环12b和弹簧12a，在转子6的两侧与连接体3、膨胀单元端盖7a的配合面处，连接体3、膨胀单元端盖7a上设有先放弹簧12a、后放密封环12b的环槽，转子6上设有与环槽对应的密封槽，弹簧12a把密封环12b推入密封槽中（如图5所示）。

在膨胀单元壳体7上设有膨胀单元流体入口g、膨胀单元流体出口h。容积式膨胀单元的转轴连接无极变速机构11，无极变速机构11通过增压器转轴驱动相变波转子增压器工作。

实施例1

无极变速机构11采用同一侧输入和输出的结构，容积式膨胀单元的连接体3与相变波转子增压器的左轴承座1c固定连接，在连接体3与左轴承座1c之间设有环状的一侧切向连通膨胀单元流体出口h、另一侧连通Pc压力流体入口c的气液分离腔13，气液分离腔13的底部设有分离腔液体出口i。设有转子6的转轴采用膨胀中空转轴8，第一增压器转轴2经第一联轴器4与穿过膨胀中空转轴8的第二增压器转轴2a一端固定连接，另一端经第三联轴器10固定连接变速机构输出轴2b。膨胀中空转轴8经第二联轴器9固定连接套在变速机构输出轴2b上的变速机构中空输入轴8a。

高压饱和或过热流体由膨胀单元流体入口g通入容积式膨胀单元，经过膨胀后的高压饱和流体以压力较高的高压流体状态离开容积式膨胀单元，通过膨胀单元流体出口h切向进入气液分离腔13实现气液分离，去除游离液滴后的流体通入相变波转子增压器1的Pc压力流体入口c，在相变波转子增压器的内部对低压气体增压。经气液分离腔13分离后得到的凝液由下端的分离腔液体出口i排出。容积式膨胀单元7产生的轴功通过容积式膨胀单元转轴输出，利用通用形式的无极变速机构11将扭矩传递给增压器转轴，并完成相对转速的调节，相变波转子增压器的左轴承座1c和膨胀单元壳体7通过连接体3由螺栓固定在一起，结构紧凑。

当膨胀单元流体入口g通入水蒸气时，可利用能量品质较高的饱和或过热水蒸气在容积式膨胀单元内经过膨胀后得到压力较高的气体，并输出轴功，利用这个轴功驱动相变波转子增压器转动。水蒸气在容积式膨胀单元内膨胀后得到的流体干度较高，膨胀后的高压水蒸气在相变波转子增压器内对低压气体增压时不易产生冷凝水，增压效果较好。因为相变波转子增压器常作为重要装置用于制冷循环中，所以也可用制冷剂蒸汽代替水蒸气通入容积式膨胀单元。

当容积式膨胀单元通入高压饱和液体时，饱和液体在容积式膨胀单元内膨胀时会伴随着闪蒸过程，经过闪蒸后的高温饱和液体会变成压力较高的气液两相流体从膨胀单元流体出口h切向流出。经过气液分离腔13后，气体进入相变波转子增压器，对低压气体增压。游离的液体分离后从气液分离腔13下端的分离腔液体出口i排出。

容积式液体膨胀单元与速度式液体膨胀单元相比具有很多优点，速度式液体膨胀单元对变量限制太过严格，需要综合考虑气体动力学、热力学和驱动耦合问题，配合过于复杂，在本实施例中使用容积式液体膨胀单元。

实施例2

图4示出了另一种容积式膨胀驱动相变波转子增压器的结构图。图中，无极变速机构11采用一侧输入和另一侧输出的结构，无极变速机构11的壳体输入侧与第一密封座7b固定连接，输出侧与内部设置密封机构的第二密封座7b1固定连接；设有转子6的转轴采用实心的膨胀转轴8b，膨胀转轴8b直接连接无极变速机构11的输入轴，无极变速机构11的输出轴直接连接相变波转子增压器的第一增压器转轴2。膨胀单元流体出口h采用管道依次经加热装置17、疏液装置18连接相变波转子增压器的Pc压力流体入口。

与实施例1的结构相比，主要区别在于，无极变速机构11设置在容积式膨胀单元与相变波转子增压器之间，膨胀单元流体出口h和相变波转子增压器的Pc压力流体入口c与实施例1中的结构不同，并且增加了加热装置17和独立的通用化的疏液装置18，即在膨胀单元流体出口h处不再设置旋流疏液装置，而采用在结构外部增加一个独立的疏液装置18实现气液分离。与实施例1相比，外置疏液装置18凝液脱除效率更高；在膨胀单元流体出口h与疏液装置18之间增置了一个换热装置17，方便实现高压气体过热。

外设加热装置17和疏液装置18，气液分离的效果更好，适用于高压饱和液体在容积式膨胀单元内闪蒸后得到的高压流体中液相夹带工况。