本發(fā)明屬于節(jié)能減排技術領域，尤其涉及一種透平、凝汽器和循環(huán)水泵三合一的能量利用裝置。

背景技術：

我國約70％的電力由燃煤發(fā)電機組提供，提高火力發(fā)電機組的效率，高效地利用煤炭資源具有重要的現(xiàn)實意義。

現(xiàn)代大型火力發(fā)電廠通常采用凝汽式汽輪機組，汽輪機末級排汽通常具有低溫度，低壓力，高濕度，高流速的特點。例如某臺超臨界600mw汽輪發(fā)電機組，其汽輪機末級排汽量為993t/h，汽輪機末級動葉出口的蒸汽溫度約為35℃，壓力約為0.0054mpa，速度約為300m/s。雖然蒸汽由于溫度較低，其熱能無法被用于做功，但是其動能作為一種機械能卻有被利用的潛質。對于上述汽輪機發(fā)電機組而言，其汽輪機排汽所含有余速動能功率可達12.5mw。然而在一般的熱力發(fā)電廠中，汽輪機排汽的余速動能并沒有得到回收利用從而成為能量損失。與此同時，為了將汽輪機排氣冷卻為飽和水重新送入鍋爐，需要大量的循環(huán)冷卻水流經凝汽器。根據(jù)季節(jié)以及運行方式的不同，一臺600mw的汽輪機組所需要的循環(huán)水泵功率在3-8mw之間。

然而進一步的研究表明，排汽機組排出的余量因為以下原因尚未實現(xiàn)很好的利用:(1)汽輪機組排出的蒸汽的動能轉速較低，難以實現(xiàn)利用；(2)而對于蒸汽所含有的熱能大，在轉化利用時需要消耗大量的循環(huán)水對其實現(xiàn)冷卻，其耗水量大且對循環(huán)水泵要求較高，(3)尚未有能將汽輪機組的余能進行收集和轉化的簡易裝置，實現(xiàn)對汽輪機組的熱能和動能同時進行轉化。

tesla盤式透平，由尼古拉.特斯拉(nikolatesla)于1913年發(fā)明，屬于無葉徑向透平，其獨特的優(yōu)勢在于：1.做功部件簡單，呈薄圓盤形，制造成本低廉，2.適用功率范圍廣，大小型皆宜，3.工質范圍廣，尤其可以更好利用兩相流工質。由于tesla盤式透平的做功部件為圓盤，不同盤片之間的流體可以充分換熱，因此，雖然tesla盤式透平具有作為凝汽器工作來實現(xiàn)能量轉化所需的必要條件，但仍存在一些問題：(1)雖然tesla盤式透平具有上述優(yōu)勢，但尚未有將tesla盤式透平用于凝汽器來實現(xiàn)能量利用的先例，(2)傳統(tǒng)tesla盤式透平工作扭矩小，只能在在高轉速、低扭矩下運行，不能適應排汽機組的高流量、低轉速的蒸汽的需要，(3)傳統(tǒng)tesla盤式透平的葉片為圓盤形，工質對葉片的推動力較小。

針對上述缺陷和不足，本領域亟需設計一種新的能量利用裝置，使其能實現(xiàn)對汽輪機組的熱能和動能同時進行轉化，滿足汽輪機組排汽余能的轉化利用的需要。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種透平、凝汽器和循環(huán)水泵三合一的能量利用裝置，其結合汽輪機的排汽具有速度慢、熱量大的特點，相應設計了能量利用裝置，創(chuàng)造性地將tesla盤式透平與凝汽器相結合用于該能量利用裝置，并對其中的具體部件、布置方式等方面進行研究和設計，尤其結合傳統(tǒng)tesla盤式透平自身的特點，對其進行結構上的改進，使其能夠適應排汽機組排汽高流量、低轉速的特點，且可以同時作為透平、凝汽器和循環(huán)水泵工作。與此同時，本發(fā)明的設備還具有結構簡單、成本低廉等優(yōu)點，因而適用于汽輪機排汽動能的轉換利用。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種透平、凝汽器和循環(huán)水泵三合一的能量利用裝置，其特征在于，其包括轉軸、設置在轉軸頂部的循環(huán)水泵、套設在轉軸上部的凝汽器和套設在轉軸下部的凝結水箱，

其中，所述凝汽器包括筒狀的外殼、設置在外殼內部的頂部匯流盤片和若干個盤式透平盤片，所述轉軸從所述外殼中部的軸線處穿出，所述頂部匯流盤片和盤式透平盤片均中間開孔并套設在所述轉軸上，所述轉軸為空心軸且其頂部與所述循環(huán)水泵底部貫通連接，且其內部在頂部匯流盤片處被分隔為兩部分，所述轉軸的下半段設置有第一出水口將循環(huán)水引入所述盤式透平盤片，所述轉軸在頂部匯流盤片處設置有第二進水口將所述盤式透平盤片內的循環(huán)水匯集至循環(huán)水泵處，所述循環(huán)水泵的一側設置有出水管將循環(huán)水引出，

所述外殼側面切向均勻分布有若干個進氣管道，每個盤式透平盤片在靠近轉軸的位置縱向設置有若干個進氣孔，每個盤式透平盤片上表面的外周處還設置有透平葉片，從進氣管道進入的蒸汽通過透平葉片帶動所述頂部匯流盤片和盤式透平盤片轉動，在頂部匯流盤片和盤式透平盤片內熱交換后經進氣孔進入所述凝結水箱。

該裝置的具體工作過程如下：循環(huán)冷卻水從轉軸下方進入轉軸，于轉軸的開孔處流入盤片內部循環(huán)水流道，循環(huán)水在盤片內部空間沿螺旋線方向離心流動，于盤片外緣附近的多個出水口流出，經沖動式透平葉片內部的出水口流入上一個盤片的外緣并最終匯入頂層匯流盤片。循環(huán)水在頂層匯流盤片中向心流動，匯入轉軸的上部后經離心泵引出轉軸。同時，汽輪機等裝置排出的蒸汽從凝汽器外殼的四周沿切向流入盤片間的蒸汽流道，沖動透平葉片帶動盤片旋轉。汽輪機排汽在蒸汽流道中沿螺旋線方向流向轉軸，在流動過程中與盤片內部的循環(huán)水逆流換熱，并逐漸冷卻為飽和水。凝結過后的飽和水沿著轉軸匯入下方的凝結水箱。

進一步優(yōu)選地，所述凝汽器的外殼頂部設置有與轉軸配合的環(huán)形凸起，該環(huán)形凸起周圍還設置有若干支柱對循環(huán)水泵進行支撐，所述循環(huán)水泵內的離心泵葉片安裝在轉軸上方的出口處，隨轉軸一起旋轉。通過支柱的設置能夠實現(xiàn)對于循環(huán)水泵的支撐，而將離心泵葉片安裝在轉軸上隨轉軸轉動，能夠順利地將循環(huán)水隨凝汽器的離心作用排出離心泵。

優(yōu)選地，所述凝結水箱與凝汽器之間設置分隔板分開，所述分隔板中間設置有直徑大于轉軸的開孔。通過設置分隔板能夠將冷凝水與熱蒸汽進一步分隔開，提高換熱效率，而分隔板開孔的直徑大于轉軸，則利于冷凝水順利下落至凝結水箱。

優(yōu)選地，所述轉軸上部設置有圓盤，該圓盤通過推力軸承支撐在所述凝汽器的環(huán)形凸起上，所述轉軸下部在所述分隔板對應位置處還設置有傘型擋板，所述轉軸底部與凝結水箱之間設置有軸承，該軸承可以為深溝球軸承。

具體地，由于裝置整體豎直布置，通過圓盤和推力軸承的設置，將轉軸和盤片的重量由凝汽器外殼上部的推力軸承支撐，而推力軸承又由凝汽器外殼支撐，進而轉軸和盤片均由凝汽器外殼支撐。而轉軸底部設有深溝球軸承，則轉軸不需要承受軸向和徑向載荷，只限制其徑向位置，不限制軸向位置。這樣的好處是可以讓轉軸在受熱時沿軸向自由膨脹而不會產生熱應力，從而延長轉軸的使用壽命。而轉軸下部設置的傘型擋板能夠防止從盤片流出的冷凝水進入凝結水箱汽封，從而減少汽封被冷凝水腐蝕。

優(yōu)選地，在所述轉軸上設有三處軸封：與循環(huán)水泵之間設置的水封，與所述凝汽器的外殼頂部環(huán)形凸起之間設置的汽封，以及與所述凝結水箱之間設置的汽封。通過汽封和水封的設置，能夠有效地防止水或蒸汽的溢出，對其它裝置造成損害，提高其使用的安全性。

優(yōu)選地，每個所述盤式透平盤片的進氣孔均設置在相同位置，形成蒸汽通道。將進氣孔設置為蒸汽通道的形式，便于直接將冷凝后的蒸汽引入至凝結箱體。

優(yōu)選地，所述盤式透平盤片均采用兩片中間開孔的盤片軸向間隔一定距離設置，上方的盤片上設置有透平葉片，所述盤式透平盤片的邊緣處全部封閉，僅在緊貼轉軸的側面留有第一進水口與所述轉軸的第一出水口對應，并在外沿處縱向設置有循環(huán)水出口貫穿盤片和透平葉片，但最底部的盤式透平盤片的下方盤片不設置循環(huán)出水口。通過透平葉片的設置，能夠適應排汽機組排汽高流量、低轉速的特點，增加蒸汽動能的利用率，推動盤片的轉動，從而提高盤片的轉速，第一進水口和第一出水口的設計，能夠順利的將循環(huán)水引入各個盤片，而循環(huán)水出口的設計，能夠使循環(huán)水在流經下方盤片后經葉片內部流道流入上一個盤片，從而實現(xiàn)蒸汽熱能的轉化。

優(yōu)選地，所述盤式透平盤片上的透平葉片呈弧形，且間隔一定距離均勻分布在盤片外周，每個所述盤式透平盤片上任意相鄰的兩個循環(huán)水出口之間間隔相同數(shù)量的透平葉片。通過將透平葉片設計為弧形，能夠最大程度減小阻力，提高盤片的轉速，適應排汽機組排汽高流量、低轉速的特點，而通過將循環(huán)水出口均勻地設置在盤片的透平葉片上，能夠使每個循環(huán)水出口的水量大致相等，從而最大程度的引入循環(huán)水，提高換熱效率。

優(yōu)選地，從下至上的每個盤片上的循環(huán)水出口的數(shù)量成倍增加。通過將從下至上每個盤片上的循環(huán)水出口成倍增加，能夠使各級盤片入口循環(huán)水流量相等，從而進一步保證換熱效率。

優(yōu)選地，所述頂部匯流盤片包括間隔一定距離設置的兩個中間有孔的圓形盤片，所述頂部匯流盤片的邊緣處全部封閉，僅設置有與相鄰的盤式透平盤片的循環(huán)水出口對應的循環(huán)水入口，和緊貼轉軸處的側面設置的第二出水口將循環(huán)水匯總至所述循環(huán)水泵，且該第二出水口與所述轉軸上的第二進水口對應。通過頂部匯流盤片的結構的設置，使頂部盤片具有較大的空間匯流，而第二進水口和第二出水口的設置能夠順利將循環(huán)水引至頂部的循環(huán)水泵，滿足能量轉換的需求。而循環(huán)水出口的設計能夠使循環(huán)水在流經下方盤片后經葉片內部流道流入頂部匯流盤片。

總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點和有益效果：

(1)本申請的能量利用裝置結合汽輪機組排汽同時具備動能和熱能、且排汽具有速度慢、熱量大的特點，創(chuàng)造性地將tesla盤式透平與凝汽器相結合用于該能量利用裝置，并對該裝置中的具體部件、布置方式等方面進行研究和設計，尤其結合傳統(tǒng)tesla盤式透平自身的特點，對其進行結構上的改進，使其能夠適應排汽機組排汽高流量、低轉速的特點，并可以同時作為透平、凝汽器和循環(huán)水泵工作。與此同時，本發(fā)明的設備還具有結構簡單、成本低廉等優(yōu)點，因而適用于汽輪機排汽動能的轉換利用。

(2)本發(fā)明的能量利用裝置中安裝葉片盤式透平盤片是傳統(tǒng)tesla盤式透平的改進型透平。通過在tesla盤式透平的盤片之間的流道入口處安裝透平葉片，大幅提高了tesla盤式透平的工作扭矩，克服了tesla盤式透平只能在高轉速、低扭矩下運行的缺陷，能夠提高盤片的運行速度，提高能量轉換效率，能夠將汽輪機排汽所剩余的動能和熱能均得到充分的轉化和利用。同時，其透平葉片為二維造型，成本低廉，葉片寬度大、高度低，能夠適應汽水兩相流動。

(3)本發(fā)明裝置的頂部匯流盤片的循環(huán)水出口的設計能夠使循環(huán)水在流經下方盤片后經葉片內部流道流入頂部匯流盤片。通過將盤式透平盤片的透平葉片設計為弧形，能夠最大程度減小阻力，而通過將循環(huán)水出口均勻地設置在盤片的透平葉片上，能夠使每個循環(huán)水出口的水量大致相等，從而最大程度的引入循環(huán)水，提高換熱效率。通過將從下至上每個盤片上的循環(huán)水出口成倍增加，能夠使各級盤片入口循環(huán)水流量相等，從而進一步保證換熱效率。

(4)本發(fā)明通過對轉軸的結構進行設計，使其不僅能夠順利將循環(huán)水引入各個盤片，并經過換熱后最終匯總至循環(huán)水泵，而且通過轉軸上的圓盤設計，還能夠將轉軸和盤片的重量最終由凝汽器外殼進行支撐，而傘型擋板、氣封和水封等結構的設置，則能夠最大程度的保證該裝置的運行安全并延長使用壽命。

(5)本發(fā)明的能量利用裝置，利用汽輪機排汽的動能驅動循環(huán)水泵，并采用循環(huán)水來手機蒸汽的熱能，同時實現(xiàn)了動能和熱能的回收利用，節(jié)約廠用電。而其將盤式透平，凝汽器，循環(huán)水泵集成在一個設備中，節(jié)約了空間。且該裝置的各個零部件成本低廉，制造簡單，運行維護容易。

附圖說明

圖1(a)-(c)為按照本發(fā)明的能量利用裝置的立體圖、俯視圖、剖面圖；

圖2為按本發(fā)明實施實例中的內部汽水流程圖,其中，實線箭頭為循環(huán)水流程虛線箭頭為蒸汽(凝結水)流程；

圖3(a)-(c)為按本發(fā)明實施實例中的第1級盤式透平盤片的立體圖、俯視圖、剖面圖,圖3(d)-(f)為第2級盤式透平盤片的立體圖、俯視圖、剖面圖,圖3(g)-(i)為第3級盤式透平盤片的立體圖、俯視圖、剖面圖,圖3(j)-(l)為第4級盤式透平盤片的立體圖、俯視圖、剖面圖,圖3(m)-(o)為頂層匯流盤片的立體圖、俯視圖、剖面圖,；

圖4(a)-(c)為按本發(fā)明實施實例中的轉軸的立體圖、俯視圖、剖面圖；

圖5(a)-(c)為按本發(fā)明實施實例中的凝汽器外殼的立體圖、俯視圖、剖面圖；

圖6(a)-(c)為按本發(fā)明實施實例中的凝結水箱的立體圖、俯視圖、剖面圖；

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：

1-第1級盤式透平盤片；2-第2級盤式透平盤片；3-第3級盤式透平盤片；4-第4級盤式透平盤片；5-頂層匯流盤片；6-轉軸；7-凝汽器的外殼；8-循環(huán)水泵；9-推力軸承；10-支柱；11-凝結水箱；12-軸承；13-第二進水口；14-循環(huán)水出口，15-蒸汽開孔；16-第一出水口。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明提供了盤式透平、凝汽器、循環(huán)水泵三合一的能量利用裝置，下面結合附圖及實施實例對本發(fā)明作進一步描述。

如圖1(a)-(c)所示，為本發(fā)明提供的一種汽輪機排汽驅動的盤式透平、凝汽器、循環(huán)水泵三合一的能量利用裝置，至少包括轉軸6、多級盤式透平盤片1～5、凝汽器外殼7、凝結水箱11以及循環(huán)水泵8；其結合方式為：轉軸6豎直放置，將1～4級盤式透平盤片以及頂層匯流盤片5由下至上依次層疊固定在轉軸6上，使各級盤片1～5內緣的開孔與轉軸1表面的開孔一一對應，使上一級盤片的外緣引出孔與下一級盤片的外緣引入孔一一對應。循環(huán)水泵8葉片焊接在轉軸1的上方，隨轉軸6一起旋轉，循環(huán)水泵8外殼由多根鋼筋支撐在凝汽器外殼7上。整個轉軸6和各級盤片1～5的重量由轉軸6上半段處的推力軸承支撐在凝汽器外殼7上。凝結水箱11位于凝汽器外殼7下方，與凝汽器外殼7焊接為一個整體，同時支撐整個設備的重量。

汽輪機排汽從凝汽器外殼7四周的進氣口沿切向進入4層蒸汽流道，推動各層蒸汽流道入口處的葉片做功，帶動轉軸6和離心泵8旋轉。蒸汽在各層流道內沿螺旋線方向向心流動并凝結為飽和水，于轉軸6附近的出口處向下匯入凝結水箱11。

循環(huán)水從轉軸6下方的入口流入轉軸，從轉軸下半段的表面開口流入1～4級盤式透平盤片的內部流道。循環(huán)水在1-4級盤式透平盤片內部流道內沿螺旋線方向離心流動，從1～4級盤式透平盤片外緣附近的開孔處沿葉片內部流道流入下一級盤片內部。流經1～4級盤式透平盤片內部的循環(huán)水最終在第4級盤片外緣處匯集并流入頂層匯流盤片5。循環(huán)水在頂層匯流盤片5中向心流入轉軸6上半段，并由離心泵8引出設備。

如圖4(a)-(c)所示，本發(fā)明提供的轉軸6為中空且內部由隔板分隔為上下半段，在轉軸6的下半段開有12個第一出水口16。這12個第一出水口分為4層，每層3個，與1～4級盤式透平盤片的第一進水口相對應。轉軸上半段開有沿圓周方向均勻的開有三個第二進水口13，與頂層匯流盤片5的第二出水口對應。轉軸6的下半段具有傘狀凸起結構，其作用是防止冷凝水沖入轉軸6與凝結水箱11之間的汽封?？拷D軸6頂部位置設有圓盤狀凸起結構，其目的是固定轉軸6的軸向位置并與推力軸承9配合支撐起整個轉軸6與全部盤片1～5的重量。此外，轉軸6從上到下共有三處軸封結構，分別為：與循環(huán)水泵8外殼組成的水封，與凝汽器外殼7組成的汽封以及與凝結水箱11組成的汽封。

如圖3(a)-(o)所示，本發(fā)明所提供的實施實例中的盤式透平盤片1～5分為5級，各級盤式透平盤片1～5的不同之處如下：首先，第1級盤式透平盤片位于最下層，因此其下表面不開孔，頂層匯流盤片5位于最上層，因此其上表面不開孔，而2～4級盤式透平盤片的表面的循環(huán)水出口14均為上下貫通，以便使從前一級盤片流出的循環(huán)水可以順利地流入下一級盤片并最終匯入頂層匯流盤片5。其次，作為循環(huán)水的流道，1～4級盤式透平盤片以并聯(lián)的方式運行，循環(huán)水從轉軸6下半段的出口均等流量的流入1～4級盤式透平盤片內部，并從1～4級盤片的上表面開孔處沿葉片內部流道流入下一級盤式透平盤片的下表面開孔。為了滿足各級盤式透平盤片循環(huán)水量相同，1級盤式透平盤片及其葉片在上表面開6個循環(huán)水出口，2～4級盤式透平盤片及其葉片分別貫通地開循環(huán)水出口12、18、24個，頂層匯流盤片5在其下表面開循環(huán)水出口24個。

現(xiàn)以第2級盤式透平盤片為例，如其圖3(d)-(e)所示，為方便地表示出盤片與透平葉片的位置關系，在圖中將透平葉片與一級盤片表示為一個整體。盤片中心附近有三個扇形開口，作為凝結水的出口。其上表面均勻地焊接有24個透平葉片19，其中在12個葉片上面開有貫穿葉片和兩層盤片的循環(huán)水出口14。從剖面圖可以清楚地看到，第2級盤片有3個連接轉軸內部空間與盤片內部環(huán)形空間的長方形通道。

如圖3(m)-(o)所示，頂層匯流盤片5下表面開循環(huán)水出口24個，與第4級盤式透平盤片上的葉片的循環(huán)水出口相對應，其中心處開有3個對稱的第二出水口，與轉軸6上半段的第二進水口相對應。

如圖5(a)所示，凝汽器外殼7上方為環(huán)形凸起，環(huán)形凸起內設有汽封結構。環(huán)形凸起的上表面與推力軸承下表面接觸，用于支撐推力軸承9。

如圖5(b)-(c)所示，凝汽器外殼7沿圓周方向對稱的布置有4個蒸汽管道，蒸汽沿切向進入盤片1-5之間的蒸汽流道。

如圖6(a)-(c)所示，凝結水箱11為套筒狀結構，其內環(huán)上設有迷宮式汽封結構，與轉軸6最下方的汽封結構相互配合，其左下方設有凝結水出口。

如圖2所示，循環(huán)水泵8葉片焊接在轉軸6的上方，與轉軸6合為一個整體，其入水口即為轉軸6的上方出水口。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。