專利名稱：多級熱泵組的配置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及在渦輪機組中的氣體動力配置，如用于熱泵中的離心壓縮機，尤其是涉及用于以水蒸汽工作的高容量多級離心壓縮機的緊湊的氣體動力配置。
先有技術(shù)狀況各種工業(yè)應用，如水淡化、水冷卻和制冰，需要產(chǎn)生大量的冷源，即冷卻大量的空氣、水或其他冷卻劑。當用水作為冷卻劑時，一個已知的吸收熱量的方法是在有關(guān)的低溫上在降低壓力下氣化作為冷卻劑的水。為了除去蒸發(fā)水中所包含的熱量，必須由適當?shù)臒釀恿^程把蒸汽帶到較高的溫度和壓力，并且最終被凝結(jié)，把熱量傳遞到一個現(xiàn)有的熱沉，如從冷卻塔來的水。在壓縮蒸汽和熱沉之間的溫度差，加上驅(qū)動動力熱交換所需的某些附加的溫度降，均以在這些溫度上的飽和水蒸汽壓的單位表示，確定了起動這個過程的壓縮機的壓縮比(CR)。
從經(jīng)濟觀點看，希望采用在一個單級壓縮機中的壓縮過程。但由于各種設(shè)計上考慮的理由，單級壓縮機是不實際的，因而實際上采用串聯(lián)的兩個和更多級的壓縮機，如在Ophir等的美國專利號5,520,008中所公布。實現(xiàn)各級之間氣體/蒸汽的中間冷卻提高了工作的熱動力效率和降低了機械功率的消耗。
在Ophir等的專利描述的熱泵組中，采用了成對的單個離心壓縮機，每個具有其自己的渦輪軸和軸承箱，以及其自己的馬達來驅(qū)動軸。在這種配置中，兩個馬達放在壓縮機室的對著的兩側(cè)。
在各級裝配成串聯(lián)的多級離心壓縮機中，必須小心設(shè)計蒸汽通道的幾何形式，使得以能量有效的方式把部分壓縮的蒸汽從其渦輪周邊上的上一級排出區(qū)傳送到下一級的中心進氣口。往往，需要在各級之間的中間冷卻來達到最佳的熱動力效率。這些要求進一步使蒸汽通道的幾何形式復雜化，也增大了熱泵組的實際尺寸和成本。對于大直徑高流量的熱泵尤其是如此。
已經(jīng)制造了如在美國專利號5,520,008中的這種機械，并且工作良好，但一種更緊湊的解決辦法是非常希望的，以便降低成本和在有限的空間中，如在大賓館、辦公樓、商業(yè)中心等的地下室和陽臺中，有助于安裝和維護工作。
本發(fā)明概要根據(jù)上述，本發(fā)明的主要目的是提供一個新穎的氣體動力配置，特別適用于制造經(jīng)濟上可行、緊湊和有效的渦輪機組，如用于熱泵的多級、高壓縮、高流量的氣體或蒸汽離心壓縮機，以及特別適用于這些壓縮機的一個熱泵的新穎設(shè)計。
按照本發(fā)明的第一方面，提供了一個氣體動力配置，用于具有一個進氣管道和一個排出口的多級離心渦輪機組，包括-兩個渦輪，具有軸向進氣口和徑向周邊排出區(qū)，第一渦輪的進氣口在流體上與進氣管道連通，兩個渦輪位于橫跨公共軸的假想平面兩側(cè)；-一個第一裝置，沿著第一氣流路徑把氣流從第一渦輪的周邊排出區(qū)傳送到第二渦輪的進氣口；-一個第二裝置，沿著第二氣流路徑把氣流從第二渦輪的周邊排出區(qū)傳送到機組的排出口；其中第一和第二路徑以相反的方向橫跨上述假想平面。
在一個兩級壓縮機的特定實施例中，氣體動力配置包括-裝在一個公共軸上的兩個同軸渦輪，渦輪的進氣口最好朝向相反；-一個圓柱容器，同心地裝有渦輪和進氣管道；-在兩個渦輪之間的一個隔壁，具有第一和第二組開孔；-一個第一彎曲管道陣列，把氣流從第一渦輪排出區(qū)傳送到隔壁中的第一組開孔，氣流進一步通過容器中的一個室傳送到第二渦輪的進氣口，以及一個第二彎曲管道陣列，把氣流從第二渦輪排出區(qū)傳送到隔壁中的第二組開孔，氣流進一步傳送到排出口，兩個氣流在隔壁上沿相反的方向相互旁通。
按照本發(fā)明的第二方面，提供了一個氣體動力配置，包括一個環(huán)形凝結(jié)器室，設(shè)置成同心地環(huán)繞熱泵組內(nèi)的一個進氣管道。
兩個方面均在于發(fā)展更緊湊的渦輪機組設(shè)計。在一個兩級壓縮機中實施本發(fā)明第一方面的配置時，采用了一個短的公共軸來達到這點，軸由一個位于渦輪(級)之間的軸承箱支持，并且由單個馬達驅(qū)動。在一個熱泵組中實施本發(fā)明第二方面的配置時，由熱泵組總長的減少來達到這點。同時采用這兩個氣體動力配置，提供了高度整體化的熱泵組，其中系統(tǒng)的所有功能部件，除了可能例外的驅(qū)動馬達，-多個壓縮機級、蒸發(fā)器、凝結(jié)器、中間冷卻和消霧器-均結(jié)合在單個圓柱容器內(nèi)而沒有外部管道。熱泵組的特征在于減少了氣體/蒸汽壓力損失，由此提高了壓縮比和增加了熱泵經(jīng)濟性。與制造包括具有外部連接管道的分開裝置的相同容量熱泵組相比，制造這個整體熱泵組的成本要低得多。整體熱泵組的結(jié)構(gòu)形式大大簡化了它在工作地點的安裝。
附圖簡述為了更好地理解本發(fā)明以及它的其他目的和特性，可以參照附圖，其中

圖1示意地說明了本發(fā)明兩級熱泵的一個實施例。
圖2是兩級壓縮機中對著的擴散管道和渦輪的冠狀配置透視圖，以及圖3示意地說明了具有三級的熱泵組的第二個實施例。
本發(fā)明描述按照本發(fā)明的第一個實施例，一個熱泵和一個兩級壓縮機如圖1所示。熱泵是基于本發(fā)明氣體動力配置的一個整體熱泵組，除了馬達10以外，熱泵組的所有部件均包含在一個柱形容器11內(nèi)。
容器被隔壁12和13分成一個蒸發(fā)器室A、一個凝結(jié)器室B和一個壓縮機室C。蒸發(fā)器室A裝有集流管15，適于把進入的水或其他冷卻劑噴灑成大表面積的薄“簾”，以促進它在部分真空條件下的蒸發(fā)。
蒸發(fā)器室A與引入壓縮機進氣口的一個進氣管道16相通。進氣管道16的入口被一個消霧器19覆蓋，以防止水滴的進入。進氣管道16與柱形容器11同軸，并且與隔壁12和13一起確定了環(huán)形的凝結(jié)器室B。在凝結(jié)器室B中，有許多噴管22，裝在容器11的柱形壁上，并且適于把冷卻水噴灑到室中。
壓縮機室C內(nèi)裝有第一和第二級離心壓縮機，兩者均與容器11同軸。兩個壓縮機級之間的中間隔壁24把室C再分成兩個小間C1和C2。第一級設(shè)有一個可在固定罩27內(nèi)轉(zhuǎn)動的渦輪26，并且適于通過一個經(jīng)隔壁24的擴散管道陣列28以及小間C2，向第二級壓縮機渦輪29的進氣口排出部分壓縮的蒸汽。環(huán)形小間C2裝有中間冷卻或過熱后冷卻兩個壓縮機級之間蒸汽的裝置，如水噴嘴31。在通到第二級進氣口的氣流路徑中，設(shè)有一個消霧器33。
第二級渦輪29可在固定罩35內(nèi)轉(zhuǎn)動，并且適于通過一個擴散管道陣列37以及隔壁24中的開孔，向壓縮機室C的環(huán)形小間C1排出壓縮蒸汽，環(huán)形小間C1經(jīng)過一個排出口38與凝結(jié)器室B相通。
第一和第二級壓縮機的渦輪26和29均裝在一個公共軸40上，公共軸由設(shè)在兩級之間的軸承箱42支持。軸40通過一個齒輪箱43與外部的馬達連接。因此單個馬達可以同時驅(qū)動兩級壓縮機。
如箭頭所示，在蒸發(fā)器室A中產(chǎn)生的水蒸氣被壓縮機產(chǎn)生的吸力通過消霧器19和進氣管道16抽到第一級進氣口。第一級渦輪26部分地壓縮蒸汽，并且通過擴散管道28和小間C2，經(jīng)消霧器33把它排出到第二級進氣口。在小間C2中，噴嘴31噴灑的冷水和適當?shù)臒峤粨Q表面(圖1中未表示)冷卻了部分壓縮的過熱蒸汽。
第二級渦輪29完成了蒸汽壓縮，通過擴散管道37把蒸汽送到壓縮機室C的小間C1。接著，蒸汽進入環(huán)形凝結(jié)器室B，依靠噴嘴22噴灑的冷卻水凝結(jié)。變熱的冷卻水通過出口44離開凝結(jié)器室B。急冷的水被泵壓通過出口45。
在壓縮機級之間蒸汽的氣流路徑被構(gòu)成一個如圖2所示的獨特的氣體動力配置。沿徑向通過周向排出區(qū)46離開罩的兩個渦輪的排出蒸汽被許多彎曲的管道28和37傳送。管道28形成一個環(huán)繞第一渦輪26的冠狀陣列，每個管道向著隔壁24(圖2中未表示)逐漸彎曲，并且終止在上述隔壁中的一個開孔P1中。管道37形成一個環(huán)繞第二渦輪29的相似的陣列，并且也終止在隔壁24上的開孔P2中，但來自相反的一側(cè)。開口P1和P2以在隔壁24上交替的模式配置，容許來自兩個渦輪的方向相反的蒸汽流以非常有效的方式相互旁通。管道28和37具有一個擴散器的形式，從渦輪周邊46到隔壁24截面積逐漸增加，由此氣流動變慢和壓力降低。
轉(zhuǎn)回到圖1，箭頭表示的氣流在擴散管道37中大大變慢，通過排出口38，流入環(huán)繞進氣管道16的凝結(jié)器室B。這種氣體動力配置節(jié)省了空間，與渦輪排出氣流的上述相互旁通方式一起，使得熱泵組具有一個非常緊湊和氣動上有效的布局。布局也在機械上有效，因為短的雙渦輪軸可以由一個軸承箱支持和由一個短軸線驅(qū)動。因此除了馬達以外的整個熱泵組可以容納在約兩倍渦輪直徑的簡單圓柱外殼中。
這種構(gòu)形明顯降低了制造和裝配熱泵組的成本，在很大程度上簡化了熱泵組在其使用地點的安裝和維護。這也使氣體/蒸汽壓力損失變得最小，由此提高了熱泵組的壓縮比和效率。
把一個適當設(shè)計的電動馬達放在兩個渦輪之間來替代軸承箱、軸線和外部馬達，甚至可以把整個熱泵組做得更緊湊。
本發(fā)明熱泵組的另一個實施例如圖3所示，說明了兩級壓縮機可以擴大到三級或更多級的方式。配置完全相同于圖1所示的配置，除了它包括了一個在進氣管道16附近引入的第三級壓縮機。第三級的渦輪48裝在驅(qū)動軸40的外伸段50上，外伸段由與圓柱容器11同軸的一個第二軸承箱52支持。渦輪48可在罩53中轉(zhuǎn)動。
引入一個第二隔壁54，具有相似于隔壁24中開孔的開孔P1′和P2′。一個相似于管道28的擴散管道57的冠狀陣列把渦輪48的周邊排出區(qū)與隔壁54上的開孔P1′連接。從第二渦輪29的周邊排出區(qū)到隔壁24上的開孔P2，管道37延伸到第二隔壁54上的開孔P2′。
在隔壁24和54之間確定了一個新小間C3，適于通過擴散管道57把壓縮蒸汽從第三級渦輪48傳送到第一級渦輪26的進氣口?？梢园阎虚g噴灑頭61容納在新的小間C3中，此時把帶著消霧器65的一個中間隔壁63引入氣流路徑中，擴散管道57延伸到中間隔壁63。
從氣體動力觀點看，現(xiàn)在渦輪48、26和29應該分別指定為第一、第二和第三級渦輪。從上面易于看出，可以以完全相同的方式在進氣管道16下游引入更多的級。
盡管已經(jīng)表示了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，應該理解到，可以做出許多改變而不會背離本發(fā)明的精神。因此，熱泵組可以按照與容器同心的關(guān)系包含一個單級壓縮機，來替代包含在圓柱容器內(nèi)的多級離心壓縮機。
權(quán)利要求
1.一個氣體動力配置，用于具有一個進氣管道和一個排出口的多級離心渦輪機組，包括a)一個第一渦輪，具有軸向進氣口和徑向周邊排出區(qū)，上述軸向進氣口在流體上與上述進氣管道連通；b)一個第二渦輪，具有軸向進氣口和徑向周邊排出區(qū)，上述第二渦輪設(shè)置成與上述第一渦輪同軸，兩個渦輪位于橫跨公共軸的一個假想平面的兩側(cè)；c)一個第一裝置，沿著第一氣流路徑把氣流從第一渦輪的周邊排出區(qū)傳送到第二渦輪的進氣口；d)一個第二裝置，沿著第二氣流路徑把氣流從第二渦輪的周邊排出區(qū)傳送到機組的上述排出口；其中第一和第二路徑以相反方向橫跨上述假想平面。
2.按照權(quán)利要求1的氣體動力配置，其中通過第一和第二渦輪進氣口的氣流朝著上述假想平面。
3.按照權(quán)利要求2的氣體動力配置，其中傳送氣流的上述第一裝置包括許多第一彎曲管道，傳送氣流的上述第二裝置包括許多第二彎曲管道。
4.按照權(quán)利要求3的氣體動力配置，包括在上述渦輪之間的一個隔壁，上述隔壁基本上位于上述假想平面中，并且具有許多第一開孔和許多第二開孔，其中a)上述許多第一彎曲管道把第一渦輪的周邊排出區(qū)連接到上述許多第一開孔，上述傳送氣流的第一裝置還包括一個第一外殼，與上述隔壁一起確定了一個室，把氣流從上述許多第一開孔傳送到第二渦輪的進氣口，上述室至少部分地包含了上述第二渦輪；b)上述許多第二彎曲管道把第二渦輪的周邊排出區(qū)連接到上述許多第二開孔，上述傳送氣流的第二裝置還包括一個第二外殼，與上述隔壁一起確定了一個室，把氣流從上述許多第二開孔傳送到上述排出口。
5.按照權(quán)利要求4的氣體動力配置，其中a)上述許多第一彎曲管道設(shè)置成環(huán)繞第一渦輪的一個第一冠狀陣列；b)上述許多第二彎曲管道設(shè)置成環(huán)繞第二渦輪的一個第二冠狀陣列；c)與許多第一彎曲管道連接的在隔壁上的上述許多第一開孔以交替模式定位在與許多第二彎曲管道連接的許多第二開孔之間。
6.按照權(quán)利要求4或5的氣體動力配置，其中上述彎曲管道具有一個擴散形狀，其截面積從渦輪周邊排出區(qū)到上述隔壁中的開孔逐漸增加。
7.按照權(quán)利要求4到6中任一條的氣體動力配置，其中上述渦輪機組裝在一個與上述渦輪同軸的基本上整體的軸對稱殼體內(nèi)，上述第一和第二外殼是上述整體殼體的一部分。
8.按照權(quán)利要求7的氣體動力配置，其中渦輪機組的上述排出口基本上位于與上述進氣管道入口相同的上述整體殼體一側(cè)。
9.按照權(quán)利要求7或8的氣體動力配置，其中上述整體的軸對稱殼體形成為一個圓柱，直徑近似為渦輪直徑的兩倍。
10.按照權(quán)利要求4到9中任一條用于多級離心渦輪機組的氣體動力配置，其中通過至少一個附加級按以下方式來完成第一渦輪進氣口和進氣管道之間的上述流體連通a)具有一個軸向進氣口和一個徑向周邊排出區(qū)的一個附加渦輪同軸地設(shè)置在上述進氣管道和上述第一渦輪的進氣口之間，附加渦輪的進氣口在進氣管道一側(cè)并且與進氣管道連接；b)具有許多第一開孔和許多第二開孔的一個附加隔壁位于附加渦輪和第一渦輪的進氣口之間，在垂直于渦輪軸線的一個平面中；c)添加許多附加的彎曲管道來把附加渦輪的周邊排出區(qū)連接到附加隔壁上的上述許多第一開孔上；d)把第二渦輪周邊排出區(qū)連接到現(xiàn)有隔壁中許多第二開孔的上述許多第二彎曲管道延伸到在附加隔壁中的許多第二開孔上。
11.一個多級離心壓縮機，基于按照權(quán)利要求1到10中任一條的多級渦輪機組的氣體動力配置。
12.按照權(quán)利要求11的兩級離心壓縮機，其中上述第一和第二渦輪均裝在適于由一個馬達驅(qū)動的一個公共渦輪軸上。
13.按照權(quán)利要求12的兩級離心壓縮機，其中上述渦輪軸由設(shè)在上述第一和第二渦輪之間的一個軸承箱支持。
14.按照權(quán)利要求12的兩級離心壓縮機，其中上述公共渦輪軸是上述馬達的軸，上述渦輪裝在上述軸的兩端。
15.一個熱泵包括按照權(quán)利要求11到14中任一條的兩級離心壓縮機，具有一個進氣管道、一個排出口和一個驅(qū)動馬達，熱泵還包括一個在流體上與上述進氣管道連通的蒸發(fā)器室和一個在流體上與上述排出口連通的凝結(jié)器室，以及一個整體的軸對稱殼體，容納了上述泵的所有部件或者除驅(qū)動馬達以外的所有部件。
16.按照權(quán)利要求15的熱泵，其中上述整體殼體被橫向分隔壁分成幾個室，上述室沿殼體軸線按以下次序設(shè)置a)蒸發(fā)器室，b)環(huán)繞上述進氣管道的凝結(jié)器室，c)壓縮機室，蒸發(fā)器室與進氣管道相通，上述兩級壓縮機的排出口與上述凝結(jié)器室相通。
17.按照權(quán)利要求16的熱泵，其中上述熱泵還包括-把水送到上述蒸發(fā)器室中的裝置；-把水噴灑到上述凝結(jié)器室中的裝置；-泵壓出急冷水的裝置；-泵壓出變熱冷卻水的裝置；以及至少以下設(shè)備之一-消霧裝置，位于氣流進入渦輪進氣口之前；-中間冷卻壓縮氣體的裝置，位于上述渦輪之間的氣流路徑中。
18.一個熱泵包括一個具有一個進氣管道和一個排出口的壓縮機，以及一個凝結(jié)器室，其中上述凝結(jié)器室設(shè)置成一個環(huán)繞上述進氣管道的環(huán)形室，上述排出口與上述凝結(jié)器室相通。
全文摘要
用于如一個兩級壓縮機的多級離心渦輪機組的一個氣體動力配置，包括裝在一個公共軸上的兩個同軸渦輪，具有軸向進氣口和徑向周邊排出區(qū)，兩個渦輪的進氣口最好朝向相反；一個圓柱容器，同心地裝有渦輪和進氣管道；在兩個渦輪之間的一個隔壁，具有第一和第二組開孔；一個第一彎曲管道陣列，把氣流從第一渦輪排出區(qū)傳送到隔壁中的第一組開孔，氣流進一步通過容器中的一個室傳送到第二渦輪的進氣口，以及一個第二彎曲管道陣列，把氣流從第二渦輪排出區(qū)傳送到隔壁中的第二組開孔，氣流進一步傳送到排出口，兩個氣流在隔壁上沿相反方向相互旁通。
文檔編號F25B1/053GK1443282SQ01813209
公開日2003年9月17日 申請日期2001年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月22日
發(fā)明者亞伯拉罕·奧菲爾, 亨里?！ち_然斯基, 阿里·卡涅夫斯基 申請人:I·D·E·技術(shù)有限公司