一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机

1.本发明设计一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机，属于气波增压技术领域。


背景技术：

2.功交换气波机是一种可以在低膨胀比下获得高增压比的非定常流体增压设备，具有转速低、可带液工作、自冷却特性、对材料要求低等优点，是用于水蒸汽公用工程换功网络的核心设备。功交换气波机需要转子通道内产生的激波、膨胀波进行工作，其要求端口形位与操作条件精确匹配，在稳定操作工况下可以达到较高的操作性能。
3.现有的功交换气波机存在操作工况单一的问题，其端口的大小以及位置等主要参数需要根据工况具体设计，通过内部的波系运动情况与结构匹配后可以获得良好的操作性能。但是，当工作条件发生变动时，由于内部生成的运动激波或膨胀波的提前或延后，会使得其内部的膨胀波与激波相遇，造成中压、低压端口产生倒流，使得引射率等指标迅速降低。针对该问题，目前最常见的做法是：功交换气波机采用非标设计，针对具体的的工况而变换不同端口盘以及喷嘴。如果在线工况发生变动，则需停机更换上述部件，增大了运维成本。
4.专利文献cn2020111088628公开了一种容积式膨胀驱动相变波转子增压器，专利文献cn2015101390432公开了一种相向膨胀波叠加型自驱动增压器，cn201610811337x公开了一种波转子增压器及具有该波转子增压器的发动机，这些类型的波转子增压器通常进行轴向拆装，难以对轴承、转鼓等进行精确的轴向定位，尤其在装备大型化时，装配精度不能得到有效保证。另外，现存的三端口功交换气波机适用于膨胀比低的工作场合，在膨胀比《2.0下可以获得增压比1.25，引射率30%以上的优秀性能，但在大膨胀比、大增压比的工况下，其应用受到限制。
5.专利文献《一种波转子式多级制冷机》（cn2017107667876）提出了在单转子结构基础上，通过多端口管道连接方法实现返流型多级膨胀制冷目的，有利于降低单级膨胀比、提高制冷等熵效率，但该结构不适用于增压为目标的功交换网络场景。专利文献《一种基于波转子设备的功交换网络实现方法》（公开号cn114562341a）提出了功交换网络相关的工作方法，却未提及适用于该蒸汽换功网络的典型设备结构。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机，可以提升功交换气波机的膨胀比、优化轴向安装定位以及提高其适应多工况的能力。
7.为实现上述目标，本发明采用的方案：一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机包括上机体、下机体和波转鼓，所述波转鼓包含上机体和下机体之间依次布置的第一端口盘、第一转子、第二端口盘、第二转子和第三端口盘；第一端口盘、第三端口盘各自独立的包含基座、盖板、滑动件和驱动机构，所述基座上设置两个用盖板封闭的基座槽，所述基座槽上设有端口，滑动件置于端口中，滑动件在
驱动机构的驱动下沿端口滑移调节端口的大小；第二端口盘上设置连通第一转子的第一通道和连通第二转子的第二通道；上机体和下机体的连接处设置气流通道，第一端口盘上的一个端口通过气流通道连接第一通道，另一个端口连接第二高压通道，第三端口盘上的两个端口分别连接第一高压通道、低压通道，第二通道连接中压通道；第三端口盘上与第二通道同侧的端口连接低压通道，与第一通道同侧的端口连接第一高压通道。
8.所述的一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机，驱动机构采用设在伺服电机槽中的伺服电机和设在弹性元件槽中的弹性元件，伺服电机通过弹性元件连接滑动件，驱动滑动件改变端口的大小。
9.所述的一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机，驱动机构采用螺柱和挠性元件，挠性元件设在挠性元件槽中，螺柱通过基座的侧部旋入经挠性元件连接滑动件，驱动滑动件改变端口的大小。
10.所述的一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机，气流通道、低压通道、第一高压通道、第二高压通道、中压通道上设置的温度传感器、压力传感器以及伺服电机连接到控制系统。
11.所述的一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机，通过剖分式结构，将功交换气波机的机体分为上机体、下机体，有利于设备大型化的轴向定位。
12.所述的一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机，所述波转鼓通过设在机体上的转轴驱动，第一端口盘、第二端口盘和第三端口盘不随波转鼓转动。
13.所述的一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机，气波机通过第一转子、第二转子、气流通道、第一端口盘、第二端口盘、第三端口盘的布置实现流体的对向型流动，达到二次增压的目的；通过驱动机构调节第一端口盘、第三端口盘上端口的大小，在不停机的情况下实现气波机的端口尺寸匹配。
14.第一端口盘、第三端口盘上端口的尺寸以及第二端口盘上的第一通道和第二通道的尺寸根据实际需要进行设计。
15.机体采用剖分式结构，方便大型设备的轴向定位和拆装，同时方便对向型功交换气波机的加工，对于转子与机体密封的选择也更加多元。
16.由于功交换气波机的固有特性，其膨胀比较低，一般在1.8左右，在膨胀比大于2.2时，引射效果不理想。为了提升其膨胀比，本发明将第一转子和第二转子集成在同一根轴上，使用两个转鼓进行二次增压。
17.压力较高的工况对轴承的轴向作用力较大，会降低轴承的使用寿命，本发明将功交换气波机气流的流动方式设计为对向流动型，通过低压通道、第一高压通道与第二高压通道内流体的对向流动来平衡一部分的轴向力，由于中压通道内的流股需要转换方向，使用第二端口盘与两个机体上的流道配合。
18.在第二端口盘上设置分别与两个转子连通的第一通道和第二通道，使其成为两个转鼓的共用出口，分别与机体内的气流通道、中压通道相通。第二端端口盘直径略大于转鼓直径，方便嵌入机体上进行轴向定位。第一通道和第二通道尺寸固定，只需调节第一端口盘和第二端口盘上的端口大小便可实现高压、低压端口与中压端口的相对位置的改变。
19.驱动机构可以采用伺服电机牵引滑动件移动，改变端口盘上端口的大小，从而改
变流体进出端口的大小。
20.驱动机构还可以采用螺柱和挠性元件组成的驱动结构，通过螺柱旋入或者旋出，挤压或者拉伸挠性元件，从而移动滑动件，用以改变端口盘上端口的大小，调节流体进出端口的大小。
21.在气流的进、出管道内嵌有温度传感器、压力传感器，将所有温度传感器、压力传感器、驱动机构上的伺服电机连接到控制系统，使用压力、温度传感器实时地将压力、温度信号传送至控制系统，控制系统调取系统内存储的功交换气波机不同工况下的端口盘尺寸数据，控制端口盘内部的伺服电机动作，收起或者是伸长弹性元件，使得滑动件变换位置，进而控制端口的大小与高压端口、低压端口、中压端口的相对位置，其中高、低压端口之间的位置对工况的波动不明显，且对于两个端口之间的密封有着重要的意义，所以设计成固定的长度。
22.与现有的气波增压器相比，本发明有以下的优点：这种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机通过两个转子串在同一个机体内部可以有效地节省空间，同时通过二次增压可以有效地提升膨胀比。在剖分式机体连接处设置气流通道，将气波机内流体的流动方式设计成对向流动，通过不同流股的流动方向相反来抵消部分轴向力，极大地减小了对轴承的轴向力冲击，延长了机器的使用寿命，适用于压力较大的工况。通过在两个端部端口盘的内部嵌入驱动机构，节省机体内部空间、保证密封性的同时，驱动滑动件移动调节端口盘上端口的尺寸，在不停机情况下实现功交换气波机的端口尺寸匹配，使其达到最优性能，可适用于较高膨胀比（》2.25）和增压比（》1.5）以及操作工况不稳定场合中。
附图说明
23.下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
24.图1是一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机的内部结构示意图。
25.图2是一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机的结构图。
26.图3是图2中的a-a剖视图。
27.图4是图2中的b-b剖视图。
28.图5是图2中的c-c剖视图。
29.图6是一种第一端口盘的立体结构图。
30.图7是另一种第一端口盘的结构图。
31.图8是盖板的结构图。
32.图9是第二端口盘的主视图。
33.图10是第二端口盘的俯视图。
34.图11是第二端口盘的左视图。
35.图12是下机体的结构图。
36.图13是一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机的端口宽度的结构意简图。
37.图14是一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机的流动示意简图。
38.图中：1、上机体，2、下机体，3、第一端口盘，3a、基座，3a1、基座槽，3a2、端口，3b、盖板，3b1、开口，3c、伺服电机，3c1、弹性元件，3d滑动件，3e、螺柱，3f、挠性元件，4、第一转子，5、第二端口盘，5a、第一通道，5b、第二通道，6、第二转子，7、第三端口盘，8、气流通道，9、低
压通道，10、第一高压通道，11、第二高压通道，12、中压通道，bh、高压端口尺寸，b
l
、低压端口尺寸，bm、中压端口尺寸，b
ɛ
、固壁距离尺寸，b
θ
、中压偏移尺寸。
具体实施方式
39.现结合图例对一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机作进一步的说明。
实施例1
40.图1和2示出了一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机。图中，这种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机包括上机体1、下机体2和波转鼓，波转鼓包含上机体1和下机体2之间依次设置第一端口盘3、第一转子4、第二端口盘5、第二转子6和第三端口盘7，波转鼓通过设在机体上的转轴驱动，第一端口盘3、第二端口盘5和第三端口盘7固定不动。
41.第一端口盘3包含基座3a、盖板3b、滑动件3d和驱动机构，基座3a上对称地设置两个基座槽3a1，每个基座槽3a1上设有弧形的端口3a2，弧形的滑动件3d插入端口3a2在驱动机构的驱动下沿端口3a2滑动，盖板3b设在基座槽3a1上。盖板3b上正对端口3a2的位置设置弧形的开口3b1（如图6和8所示），盖板3b的厚度和基座槽3a1的深度相同。第三端口盘7和第一端口盘3采用相同结构（如图5和8所示）。
42.驱动机构包含设在伺服电机槽中的伺服电机3c和设在弹性元件槽中的弹性元件3c1，伺服电机3c通过弹性元件3c1连接滑动件3d。伺服电机槽和弹性元件槽均设在基座槽3a1上，弹性元件3c1采用弹簧，伺服电机3c通过钢丝绳连接弹簧（如图3和4所示）。
43.第二端口盘5上设置连通第一转子4的第一通道5a和连通第二转子6的第二通道5b（如图4、9-11所示）。
44.上机体1和下机体2的连接处设置气流通道8（如图1和2所示），第一端口盘3上的一个端口3a2通过气流通道8和第一通道5a周期性连通第一转子4。第一端口盘3上的另一个端口3a2连接第二高压通道11，第二通道5b连接中压通道12。第三端口盘7上与第二通道5b同侧的端口3a2连接低压通道9，与第一通道5a同侧的端口3a2连接第一高压通道10。
45.气流通道8、低压通道9、第一高压通道10、第二高压通道11、中压通道12上设置的温度传感器、压力传感器以及伺服电机3c连接智能控制系统。
46.对于对向流动型高膨胀比功交换气波机，需要在上机体1和下机体2上加工出气流通道8。装配端口盘时，弹性元件处于被压缩的状态，由滑动件压紧，最后盖上盖板压紧。可调节的端口盘内部的滑动件可以沿着周向滑动，由此可以调节端口的大小。图13通过二维沿着转子通道中径距离展开的视角展示了端口的尺寸，主要有高压端口尺寸bh，高低压端口之间的固壁距离b
ɛ
，低压端口尺寸b
l
，中压端口偏移距离b
θ
以及中压端口尺寸bm。通过cfd计算不同膨胀比、增压比下的最优端口尺寸，同一个端口盘上两个端口之间的距离b
ɛ
一般不变，对引射率等参数影响较小，中压端口尺寸变化也不大。因此，本发明端口盘上两个端口之间的距离设置为不可调节，该设计有利于密封。盖板3b的作用为负责轴向的密封，可以紧贴喷嘴，尽最大程度地避免该端口盘连接的两个端口之间窜气。弹性元件3c1一直处于被压缩的状态，提供一个使滑动件3d闭合的力，伺服电机3c和弹性元件之间通过钢丝绳连接，通过伺服电机牵引钢丝绳产生一个对滑动件的拉力，只需要控制伺服电机收缩钢丝绳就可以精确的控制滑动件的位置，进而调节端口的大小。由于滑动件在周向受力较小，为了使得
端口盘占据转子机体内的空间更小使用微型伺服电机即可。
47.这种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机的工作过程：高压流股hp1进入第一高压通道10，低压流股lp1进入低压通道9，两股流体各自进入喷嘴以后，分别经过控制系统控制调节好的第三端口盘7的端口，进入第二转子6进行相互作用，完成波系交互作用之后成为mp1流股，经过第二端口盘5上的第一通道5a进入气流通道8。高压流股hp2依次通过第二高压通道11、第一端口盘3上的端口进入第一转子4，在该转子通道内部与从气流通道8进入的mp1流股进行波系交互作用，对其进行增压，形成中压流股mp2，经第二通道5b、中压通道12排出（如图1和14所示）。
48.智能控制系统内部储存有使用cfd计算得到的不同工况下的端口尺寸，可根据工况条件进行实时调节。同时可进行一定程度上的微调处理，对不同工况下的端口尺寸数据进行修正。
实施例2
49.图1和2示出了一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机。图中，这种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机包括上机体1、下机体2和波转鼓，波转鼓包含上机体1和下机体2之间依次设置第一端口盘3、第一转子4、第二端口盘5、第二转子6和第三端口盘7，波转鼓通过设在机体上的转轴驱动，第一端口盘3、第二端口盘5和第三端口盘7固定不动。
50.第一端口盘3包含基座3a、盖板3b、滑动件3d和驱动机构，基座3a上对称地设置两个基座槽3a1，每个基座槽3a1上设有端口3a2，滑动件3d插入端口3a2，在驱动机构3c的驱动下沿端口3a2滑动，盖板3b设在基座槽3a1上。盖板3b上正对端口3a2的位置设置弧形开口3b1（如图8所示），盖板3b的厚度和基座槽3a1的深度相同。第三端口盘7和第一端口盘3采用相同结构。
51.驱动机构包含螺柱3e和挠性元件3f，挠性元件3f设在挠性元件槽中，螺柱3e从侧部依次旋入机体、基座3a通过挠性元件3f连接滑动件3d（如图7所示）。
52.第二端口盘5上设置连通第一转子4的第一通道5a和连通第二转子6的第二通道5b（如图4、9-11所示）。
53.上机体1和下机体2的连接处设置气流通道8（如图1和图2所示），第一端口盘3上的一个端口3a2通过气流通道8和第一通道5a连接第一转子4。第三端口盘7上与第二通道5b同侧的端口3a2连接低压通道9，与第一通道5a同侧的端口3a2连接第一高压通道10，第一端口盘3上的另一个端口3a2连接第二高压通道11，第二通道5b连接中压通道12。
54.气流通道8、低压通道9、第一高压通道10、第二高压通道11、中压通道12上设置的温度传感器、压力传感器连接智能控制系统。
55.使用机械结构在机体外部通过螺柱3e与挠性传动件的连接，通过拧动螺柱，进而控制挠性传动件的推进或者后退，进而控制滑动件的移动。

技术特征：
1.一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机，它包括上机体（1）、下机体（2）和波转鼓，其特征在于，所述波转鼓包含上机体（1）和下机体（2）之间依次布置的第一端口盘（3）、第一转子（4）、第二端口盘（5）、第二转子（6）和第三端口盘（7）；第一端口盘（3）、第三端口盘（7）各自独立地包含基座（3a）、盖板（3b）、滑动件（3d）和驱动机构，所述基座（3a）上设置两个用盖板（3b）封闭的基座槽（3a1），所述基座槽（3a1）上设有端口（3a2），滑动件（3d）置于端口（3a2）中，滑动件（3d）在驱动机构的驱动下沿端口（3a2）滑移调节端口（3a2）的大小；第二端口盘（5）上设置连通第一转子（4）的第一通道（5a）和连通第二转子（6）的第二通道（5b）；上机体（1）和下机体（2）的连接处设置气流通道（8），第一端口盘（3）上的一个端口（3a2）通过气流通道（8）连接第一通道（5a），另一个端口（3a2）连接第二高压通道（11），第三端口盘（7）上的两个端口（3a2）分别连接第一高压通道（10）、低压通道（9），第二通道（5b）连接中压通道（12）；第三端口盘（7）上与第二通道（5b）同侧的端口（3a2）连接低压通道（9），与第一通道（5a）同侧的端口（3a2）连接第一高压通道（10）。2.根据权利要求1所述的一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机，其特征在于，所述驱动机构采用设在伺服电机槽中的伺服电机（3c）和设在弹性元件槽中的弹性元件（3c1），伺服电机（3c）通过弹性元件（3c1）连接滑动件（3d），驱动滑动件（3d）改变端口（3a2）的大小。3.根据权利要求1所述的一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机，其特征在于，所述驱动机构采用螺柱（3e）和挠性元件（3f），挠性元件（3f）设在挠性元件槽中，螺柱（3e）通过基座（3a）的侧部旋入经挠性元件（3f）连接滑动件（3d），驱动滑动件（3d）改变端口（3a2）的大小。4.根据权利要求1所述的一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机，其特征在于，所述气流通道（8）、低压通道（9）、第一高压通道（10）、第二高压通道（11）、中压通道（12）上设置的温度传感器、压力传感器、流量传感器、以及伺服电机（3c）和滑动件（3d）上的位置感应器连接到控制系统。5.根据权利要求1所述的一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机，其特征在于，所述波转鼓通过设在机体上的转轴驱动，第一端口盘（3）、第二端口盘（5）和第三端口盘（7）不随波转鼓转动。6.根据权利要求1所述的一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机，其特征在于，所述的气波机通过第一转子（4）、第二转子（6）、气流通道（8）、第一端口盘（3）、第二端口盘（5）、第三端口盘（7）的布置实现流体的对向型流动，达到二次增压的目的；通过驱动机构调节第一端口盘（3）、第三端口盘（7）上端口（3a2）的大小，在不停机的情况下实现功交换气波机的端口尺寸匹配。

技术总结
一种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机，属于气波增压技术领域。这种紧凑剖分式在役自调节功交换气波机采用三个端口盘与两段转子布置在机体内部，节省空间的同时，可以有效地提升膨胀比。在剖分式机体连接处设置气流通道，将气波机内流体的流动方式设计成对向流动，通过不同流股的流动方向相反来抵消部分的轴向力，极大地减少了对轴承的轴向力冲击。通过在两个端部端口盘的内部嵌入驱动机构，驱动滑动件移动调节端口盘上端口的尺寸，在不停机情况下实现功交换气波机的端口尺寸匹配，使其达到最优性能，可适用于较高膨胀比（>2.25）、增压比（>1.5）下以及操作工况不稳定场合。压比（>1.5）下以及操作工况不稳定场合。压比（>1.5）下以及操作工况不稳定场合。


技术研发人员：代玉强 张璐伟 俞宁 张德聪 胡大鹏 段凯旋 武锦涛
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/28