废热回收系统及其涡轮膨胀机技术方案

一种用于回收内燃机的废热的废热回收系统包括涡轮膨胀机。所述涡轮膨胀机包括：涡轮叶片；轴，其联接到所述涡轮叶片并能够由所述涡轮叶片旋转；以及喷嘴组件。所述喷嘴组件包括：喷嘴块，其围绕所述轴设置并邻近所述涡轮叶片；第一喷嘴部件，其联接到所述喷嘴块；以及第二喷嘴部件，其联接到所述喷嘴块。所述第一喷嘴部件限定第一喷嘴，所述第一喷嘴具有第一几何配置。所述第二喷嘴部件限定第二喷嘴，所述第二喷嘴具有与所述第一几何配置不同的第二几何配置。所述废热回收系统还包括流量控制装置，所述流量控制装置与所述涡轮膨胀机流体连通。所述废热回收系统还包括控制器，所述控制器与所述流量控制装置连通。制器与所述流量控制装置连通。制器与所述流量控制装置连通。

【技术实现步骤摘要】
废热回收系统及其涡轮膨胀机
[0001]本申请是名称为“废热回收系统及其涡轮膨胀机”、申请日为2019年2月27日、申请号为201910144972.0的专利技术专利申请的分案申请。


[0002]本专利技术总体上涉及一种用于回收内燃机的废热的废热回收系统

技术介绍

[0003]内燃机(ICE)在操作期间产生推力和/或动力并且将热量作为副产物释放。在汽车工业中，废热回收系统通常利用这种废弃的热量来发电，所述电力可以进一步用于为机动车辆的电子部件供电。
[0004]常规的废热回收系统包括涡轮膨胀机、流量控制装置以及控制器。涡轮膨胀机基于工作流体输出动力。具体地，在常规的废热回收系统中，涡轮膨胀机包括：涡轮叶片，其能够通过工作流体旋转；轴，其联接到所述涡轮叶片并能够由所述涡轮叶片旋转并沿纵向轴线延伸；以及喷嘴组件，其用于将所述工作流体引导到所述涡轮叶片以使所述涡轮叶片旋转。
[0005]常规的喷嘴组件具有喷嘴块、第一喷嘴部件以及第二喷嘴部件。喷嘴块设置在轴周围并邻近涡轮膨胀机。所述第一喷嘴部件与所述喷嘴块为一体以加速所述工作流体并限定第一喷嘴，而所述第二喷嘴部件与所述喷嘴块成一体以加速所述工作流体并限定第二喷嘴。在常规的喷嘴部件中，所述第一和第二喷嘴具有相同的几何配置。
[0006]常规的废热回收系统利用有机朗肯循环(ORC)。ORC因其使用有机高分子量工作流体而得名，所述工作流体的液汽相变在低于水
‑
蒸汽相变的温度下发生。工作流体可以包括乙醇、甲醇、煤油、汽油、柴油、丙醇、丁醇、水、苯、甲苯、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、丙酮或液态氢中的至少一种。ICE废弃的热量加热工作流体使得工作流体经历从液态到汽态的液汽相变。在汽态下，工作流体更适合于使涡轮叶片旋转。
[0007]近年来，一直希望提高废热回收系统的效率和整体性能。一直希望扩大工作范围并提高可控性以帮助提高废热回收系统的效率和整体性能。对于常规的废热回收系统，所述工作流体必须以适当的压力和质量流速流动以使涡轮叶片旋转。
[0008]然而，在其中第一和第二喷嘴具有相同几何配置的常规废热回收系统中，工作流体压力和质量流速中只有窄窗口能够让废热回收系统进行操作。具体地，由ICE产生的热量基于ICE的速度和负载而变化。因而，在ICE的某些操作状态(例如，启动)下，由ICE产生的热量可以使工作流体压力和质量流速在能够让废热回收系统进行操作的窄窗口之外。当工作流体在压力和质量流速的窄窗口之外时，工作流体必须绕过涡轮膨胀机或必须关闭涡轮膨胀机以防止工作流体冷凝损坏涡轮叶片。
[0009]此外，常规的喷嘴组件难以制造。具体地，由于喷嘴块的尺寸，在喷嘴部件中限定与喷嘴块成一体的喷嘴需要大量精确的机加工，这增加了制造时间和成本。
[0010]因而，仍然需要提供一种改进的废热回收系统。

技术实现思路

[0011]一种用于回收内燃机的废热的废热回收系统包括涡轮膨胀机以基于工作流体输出动力。所述涡轮膨胀机包括：涡轮叶片，其能够通过工作流体旋转；轴，其联接到所述涡轮叶片并能够由所述涡轮叶片旋转并沿纵向轴线延伸；以及喷嘴组件，其用于将所述工作流体引导到所述涡轮叶片以使所述涡轮叶片旋转。所述喷嘴组件包括：喷嘴块，其围绕所述轴设置并邻近所述涡轮叶片；第一喷嘴部件，其联接到所述喷嘴块以加速所述工作流体；以及第二喷嘴部件，其联接到所述喷嘴块以加速所述工作流体。所述第一喷嘴部件限定第一喷嘴，所述第一喷嘴具有第一几何配置。所述第二喷嘴部件限定第二喷嘴，所述第二喷嘴具有与所述第一几何配置不同的第二几何配置。所述废热回收系统还包括流量控制装置，其与所述涡轮膨胀机流体连通以将所述工作流体引导到所述第一和第二喷嘴中的至少一者或者绕过所述涡轮膨胀机。所述废热回收系统还包括控制器，其与所述流量控制装置连通并适于控制所述流量控制装置以将所述工作流体引导到所述第一和第二喷嘴中的至少一者或绕过所述涡轮膨胀机。
[0012]一种用于回收内燃机的废热的废热回收系统包括涡轮膨胀机以基于工作流体输出动力。所述涡轮膨胀机包括：涡轮叶片，其能够通过工作流体旋转；轴，其联接到所述涡轮叶片并能够由所述涡轮叶片旋转并沿纵向轴线延伸；以及喷嘴组件，其用于将所述工作流体引导到所述涡轮叶片以使所述涡轮叶片旋转。所述喷嘴组件包括喷嘴块，其设置在所述轴周围并邻近所述涡轮叶片，其中所述喷嘴块限定孔。所述喷嘴组件还包括喷嘴部件，其能够移除地联接到所述喷嘴块使得所述喷嘴部件选择性地设置在所述孔中以加速所述工作流体。所述喷嘴部件限定喷嘴。所述废热回收系统还包括流量控制装置，其与所述涡轮膨胀机流体连通以将所述工作流体引导到所述喷嘴或者绕过所述涡轮膨胀机。所述废热回收系统还包括控制器，其与所述流量控制装置连通并适于控制所述流量控制装置以将所述工作流体引导到所述喷嘴或者绕过所述涡轮膨胀机。如上所述的涡轮膨胀机，其中所述喷嘴块的至少一部分可以设置在所述喷嘴与所述涡轮叶片之间。
[0013]因此，具有带不同几何配置的第一和第二喷嘴的所述废热回收系统允许所述工作流体以不同的工作流体压力和质量流速通过所述第一和第二喷嘴中的每一者，由此扩展废热回收系统的操作范围。而且，所述第一和第二喷嘴为工作流体压力和质量流速提供一系列增量步长，这允许所述废热回收系统有更大可控性。此外，具有能够移除地联接到所述喷嘴块的喷嘴部件的所述废热回收系统降低了所述废热回收系统的制造复杂性。具体地，所述喷嘴部件的所述喷嘴可以独立于所述喷嘴块进行机加工，由此降低制造时间和制造成本。
附图说明
[0014]本专利技术的其他优点将是容易理解的，因为当结合附图考虑时通过参考以下详细描述可以更好地理解本专利技术的优点，其中：
[0015]图1是废热回收系统的示意图，所述废热回收系统包括涡轮膨胀机、流量控制装置、控制器、蒸发器、冷凝器、传感器以及泵；
[0016]图2是涡轮膨胀机的透视图；
[0017]图3是图2的涡轮膨胀机的透视图，其中涡轮膨胀机包括：涡轮叶片，其能够由工作
流体旋转；轴，其联接到涡轮叶片并能够由涡轮叶片旋转；以及喷嘴组件，其用于将工作流体引导到涡轮叶片以使涡轮叶片旋转；
[0018]图4是图2的涡轮膨胀机的俯视图，其中涡轮壳体被移除并且涡轮叶片和轴以虚线示出；
[0019]图5是图2至4的喷嘴组件的俯视图，其中喷嘴组件包括：喷嘴块；第一喷嘴部件，其联接到喷嘴块并限定以虚线示出的第一喷嘴；第二喷嘴部件，其联接到喷嘴块并限定以虚线示出的第二喷嘴；第三喷嘴部件，其联接到喷嘴块并限定以虚线示出的第三喷嘴；以及第四喷嘴部件，其联接到喷嘴块并限定以虚线示出的第四喷嘴；
[0020]图6A是沿图5的6A
‑
6A线截取的第一喷嘴部件的剖视图；
[0021]图6B是沿图5的长线6B
‑
6B截取的第二喷嘴部件的剖视图；
[0022]图6C是沿图5的6C
‑
6C线截取的第三喷嘴部件的剖视图；
[0023]图6D是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于回收内燃机的废热的废热回收系统，所述废热回收系统包括：涡轮膨胀机，其用于基于工作流体输出动力，所述涡轮膨胀机包括：涡轮叶片，其能够由所述工作流体旋转，轴，其联接到所述涡轮叶片并能够由所述涡轮叶片旋转，其中所述轴沿纵向轴线延伸，以及喷嘴组件，其用于将所述工作流体引导到所述涡轮叶片以使所述涡轮叶片旋转，所述喷嘴组件包括：喷嘴块，其设置在所述轴周围并邻近所述涡轮叶片，第一喷嘴部件，其联接到所述喷嘴块以加速所述工作流体，其中所述第一喷嘴部件限定具有第一几何配置的第一喷嘴，第二喷嘴部件，其联接到所述喷嘴块以加速工作流体，其中所述第二喷嘴部件限定第二喷嘴，所述第二喷嘴具有与所述第一几何配置不同的第二几何配置；第三喷嘴部件，所述第三喷嘴部件联接到所述喷嘴块以加速所述工作流体，其中所述第三喷嘴部件限定具有第三几何配置的第三喷嘴，所述第三几何配置不同于所述第一几何配置和第二几何配置中的至少一者；以及第四喷嘴部件，所述第四喷嘴部件联接到所述喷嘴块以加速所述工作流体，其中所述第四喷嘴部件限定具有第四几何配置的第四喷嘴，所述第四几何配置不同于所述第一几何配置、第二几何配置以及第三几何配置中的至少一者；以及其中，所述喷嘴块的至少一部分设置在所述第一喷嘴、第二喷嘴、第三喷嘴、第四喷嘴中的任一个与所述涡轮叶片之间；流量控制装置，其与所述涡轮膨胀机流体连通以将所述工作流体引导到所述第一和第二喷嘴中的至少一者或者绕过所述涡轮膨胀机；控制器，其与所述流量控制装置连通并适于控制所述流量控制装置以将所述工作流体引导到所述第一和第二喷嘴中的至少一者或绕过所述涡轮膨胀机；以及至少一个传感器，所述传感器适于检测所述涡轮膨胀机上游的所述工作流体的工作流体温度和工作流体压力中的至少一者；其中，所述喷嘴块还限定第一孔和第二孔，其中所述第一喷嘴部件能够移除地联接到所述喷嘴块，使得所述第一喷嘴部件选择性地设置在所述第一孔中，并且其中所述第二喷嘴部件能够移除地联接到所述喷嘴块，使得所述第二喷嘴部件选择性地设置在所述第二孔中。2.根据权利要求1所述的废热回收系统，其中所述第一喷嘴的所述第一几何配置是具有第一喉部横截面积的德拉瓦尔配置，并且其中所述第二喷嘴的所述第二几何配置是具有与所述第一喉部横截面积不同的第二喉部横截面积的德拉瓦尔配置。3.根据权利要求1所述的废热回收系统，其中所述第一喷嘴部件和第二喷嘴部件围绕所述纵向轴线周向地间隔开。4.根据权利要求1所述的废热回收系统，其中所述第一喷嘴部件、第二喷嘴部件、第三喷嘴部件以及第四喷嘴部件围绕所述纵向轴线周向地间隔开。5.根据权利要求1所述的废热回收系统，其中所述控制器控制所述流量控制装置以基于由所述至少一个传感器检测到的所述工作流体温度和所述工作流体压力中的至少一者将所述工作流体引导到所述第一喷嘴和第二喷嘴中的至少一者或者绕过所述涡轮膨胀机。
6.根据权利要求1所述的废热回收系统，其中所述第一喷嘴的所述第一几何配置是具有第一喉部横截面积的德拉瓦尔配置，其中所述第二喷嘴的所述第二几何配置是具有第二喉部横截面积的德拉瓦尔配置，其中所述第三喷嘴的所述第三几何配置是具有第三喉部横截面积的德拉瓦尔配置，并且其中所述第四几何配置是具有第四喉部横截面积的德拉瓦尔配置，并且其中所述第一喉部横截面积、第二喉部横截面积、第三喉部横截面积以及第四喉部横截面积中的每一者是不同的。7.一种用于回收内燃机的废热的废热回收系统，所述废热回收系统包括：涡轮膨胀机，其用于基于工作流体输出动力，所述涡轮膨胀机包括：涡轮叶片，其能够由所述工作流体旋转，轴，其联接到所述涡轮叶片并能够由所述涡轮叶片旋转，其中所述轴沿纵向轴线延伸，以及喷嘴组件，其用于将所述工作流体引导到所述涡轮叶片以使所述涡轮叶片旋转，所述喷嘴组件包括：喷嘴块，其设置在所述轴周围并邻近所述涡轮叶片，第一喷嘴部件，其联接到所述喷嘴块以加速所述工作流体，其中所述第一喷嘴部件限定具有第一几何配置的第一喷嘴，第二喷嘴部件，其联接到所述喷嘴块以加速工作流体，其中所述第二喷嘴部件限定第二喷嘴，所述第二喷嘴具有与所述第一几何配置不...

【专利技术属性】
技术研发人员：F，
申请(专利权)人：博格华纳公司，
类型：发明
国别省市：