能量回收透平裝置的研究與應(yīng)用

能量回收透平裝置的研究與應(yīng)用

0透平技術(shù)的原理透平是能量回收機(jī)械，通過水流作為工作介質(zhì)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。它基于水流和機(jī)器之間的相互作用而工作。透平的工作條件和所用介質(zhì)不同，因而其結(jié)構(gòu)型式多種多樣，但基本工作原理相似。透平按所用的流體介質(zhì)不同可分為水輪機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)馔钙胶涂諝馔钙降?。其中水輪機(jī)是用來將石油、冶金以及海水淡化領(lǐng)域中產(chǎn)生廢高壓液體的液體能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)行回收的各國研究人員一直都在進(jìn)行對透平的研究及改進(jìn)的工作，并不斷針對該技術(shù)做出創(chuàng)新。當(dāng)前，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和專利制度的逐步完善，廣大企業(yè)、科研院所及高校也逐步認(rèn)識到保護(hù)專利權(quán)利的重要性，并且通過能量回收透平裝置的專利分析，將有助于更全面地了解關(guān)于能量回收透平裝置以及確定今后透平裝置的研究方向。1專利申請的分析下面以度衍專利檢索平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)對透平裝置進(jìn)行專利分析。在度衍專利檢索平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫中，截止2020年5月25日，使用專利名稱“透平”進(jìn)行檢索，就能夠較為精確地檢索出涉及能量回收透平裝置的專利文獻(xiàn)，檢索結(jié)果一共是1656篇專利申請，本文針對檢索出的專利申請進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)目前我國關(guān)于能量回收透平裝置專利的申請情況。1.1國內(nèi)能量回收透平裝置研究現(xiàn)狀圖1為涉及能量回收透平的歷年專利申請量趨勢圖。由圖1可知，在1998年之前的申請量基本都在10件以下。從1998開始，伴隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)、透平相關(guān)工業(yè)及市場的快速發(fā)展，國家對能量利用的重視程度不斷提升，可以看到，申請量是逐步上升的，并于2018年達(dá)到年申請量最多，為225件。由此看來，對于能量回收透平裝置的開發(fā)和研發(fā)仍然是目前的研究熱點(diǎn)。關(guān)于2020年申請量沒有增長反而下降，分析認(rèn)為，這可能是與專利申請公開制度有關(guān)，由于2020年的專利申請有部分尚未公開，因此沒有被收錄到數(shù)據(jù)庫中所導(dǎo)致的。1.2技術(shù)主題分類分析依據(jù)2018版國際專利分類表1.3主要專利實(shí)施情況圖3列出了目前關(guān)于透平的專利申請量前10位的申請人，從柱狀圖可以看出，申請量最多的是西安交通大學(xué)，為64件，主要集中在2017-2019年，這段時(shí)間的申請量占申請總量的79.7%，且涉及的方面較多，其中西安交通大學(xué)謝永慧教授團(tuán)隊(duì)申請了40件透平專利。在前10位申請人中，只有西門子公司一家外資企業(yè)，申請數(shù)量為58件，西門子在對透平進(jìn)行專利申請年份較早，這說明，國外很早開始了對透平的研究，最早的專利申請是在1994年。數(shù)據(jù)表明，一方面，雖然我國對透平機(jī)械裝置研究起步較晚，但是近年來國內(nèi)對透平機(jī)械的重視程度與日俱增，并且形成了以高校和科研院所為主的科研力量，以相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)為主的研發(fā)力量；另一方面，也表明我國對于透平機(jī)械的技術(shù)創(chuàng)新的不斷加強(qiáng)。2液力/水力透平的專利分析在度衍專利檢索平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫中，使用專利名稱/摘要/權(quán)利要求“液力透平OR水力透平”進(jìn)行檢索，截止2020年5月25日，就能夠較為精確地檢索出涉及能量回收透平裝置的專利文獻(xiàn)，檢索結(jié)果一共是180篇專利申請，本文將對這180篇專利申請進(jìn)行專利分析，展示目前我國關(guān)于液力/水力透平裝置的專利的申請情況。2.1主要出入產(chǎn)出情況圖4為涉及能量回收水力、液力透平的歷年專利申請量趨勢圖。從圖中可以看出，就不完全統(tǒng)計(jì)，在2008年前，申請水力、液力透平方面的相關(guān)專利數(shù)量很少，但從2010年開始，申請量逐年增加，2017年申請量達(dá)到59件。數(shù)據(jù)表明，在2017年申請的關(guān)于水力、液力透平的專利大多為企業(yè)申請，這表明，相關(guān)企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識到液力透平的市場的快速需求及其能帶來的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，因而對水力、液力透平的研發(fā)力度不斷加大。2018年、2019年的申請量略有下降，但下降幅度較平穩(wěn)，由于2020年的專利申請有部分尚未公開，因此目前檢索到的公開數(shù)量較少。2.2分類號的確定圖5為涉及能量回收透平裝置的技術(shù)主題分類號分布圖。由圖5可知，所申請的專利涉及到的分類號主要集中在F01、F03等，并且涉及到了B（作業(yè)；運(yùn)輸）、C（化學(xué)；冶金）、E（固定建筑物）、G（物理）以及H（電學(xué)）部以下的分類，分類號比較分散，分類號的含義如表1所示，該技術(shù)主題涵蓋的內(nèi)容比較廣泛。2.3主要企業(yè)和大學(xué)的請量圖6列出了目前關(guān)于液力、水力透平的專利申請量主要申請人，從柱狀圖可以看出，申請量最多的是江蘇大學(xué)，數(shù)量為17件。盡管涉及的企業(yè)和高校數(shù)量較多，但是申請量大多都在個(gè)位數(shù)，這表明，雖然我國對液力透平已經(jīng)開始研究，但是研究力度還不夠。這也說明了我國在水力、液力透平領(lǐng)域的研究工作任重道遠(yuǎn)，需要加大投入和研究力度。2.4江蘇大學(xué)和蘭州大學(xué)在水力/液力透平的專利研究本文著重對主要申請人進(jìn)行專利分析，表2列出了合肥華升泵閥股份有限公司的專利申請表。合肥華升泵閥股份有限公司作為獨(dú)立申請人或合作申請人就水力/液力透平從2009年至2017年共申請了10項(xiàng)專利，其中有4件同時(shí)申請了實(shí)用新型和發(fā)明專利。合肥華升泵閥股份有限公司的專利申請主要涉及到液力透平一體機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)能量裝置、軸向力自平衡轉(zhuǎn)子組件，并且還申請了兩件液力透平一體機(jī)的整機(jī)專利。江蘇大學(xué)作為獨(dú)立申請人或合作申請人就水力/液力透平從2011年至2019年共申請了17項(xiàng)專利，如表3所示。其中有4件同時(shí)申請了實(shí)用新型和發(fā)明專利，其共同申請人有南京藍(lán)深制泵集團(tuán)股份有限公司、合肥華升泵閥股份有限公司。江蘇大學(xué)的專利申請主要涉及尾水管水力設(shè)計(jì)方法、葉輪結(jié)構(gòu)、滑動(dòng)軸承支承軸和軸向限位、雙螺桿高壓余能回收裝置、測試試驗(yàn)臺(tái)、多目標(biāo)優(yōu)化方法、中低比轉(zhuǎn)速混流泵葉輪的設(shè)計(jì)方法，軸向力自平衡轉(zhuǎn)子組件、采用可夫斯基升力定理設(shè)計(jì)而成立式微型水輪機(jī)、適應(yīng)于高水頭，小流量的工況，且其具有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的液力透平裝置。表4列出了蘭州理工大學(xué)的專利申請表。蘭州理工大學(xué)作為獨(dú)立申請人或合作申請人就水力/液力透平從2012年至2017年共申請了6項(xiàng)專利，其中有5項(xiàng)為發(fā)明專利，1項(xiàng)為實(shí)用新型專利。主要涉及到氣液兩相介質(zhì)時(shí)液力透平實(shí)驗(yàn)裝置、污水管道內(nèi)部的液力透平發(fā)電裝置、軸流式液力透平裝置、液力透平試驗(yàn)臺(tái)恒轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)及帶導(dǎo)流葉片的新型透平、無透平一體機(jī)的設(shè)計(jì)方案。2.5軸封及泵輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)對國內(nèi)液力/水力透平的專利檢索結(jié)果再進(jìn)行篩檢分析，目前涉及到透平式一體機(jī)的專利申請不多，透平式一體機(jī)將泵與透平通過同軸的緊湊型一體化設(shè)計(jì)，應(yīng)用于液體高壓余能回收，國內(nèi)開展該類產(chǎn)品的研究不多。當(dāng)前申報(bào)透平式一體機(jī)專利的單位主要有合肥華升泵閥有限公司、江蘇大學(xué)、江蘇雙達(dá)泵業(yè)股份有限公司、濱州東瑞機(jī)械有限公司這幾家單位，下面就篩檢的國內(nèi)透平式一體機(jī)的專利申請做具體分析。申請?zhí)枮镃N201310244327.9的專利申請采用了液力透平和泵共軸、滑動(dòng)軸承支承軸、平衡盤進(jìn)行軸向限位的結(jié)構(gòu)形式，省去了傳統(tǒng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。此外采用透平介質(zhì)循環(huán)冷卻潤滑滑動(dòng)軸承和平衡盤，省去了傳統(tǒng)機(jī)械密封或骨架密封等軸封，實(shí)現(xiàn)了無軸封，避免了軸封泄漏問題，而且緊湊了液體透平泵結(jié)構(gòu)，拓展了液力透平泵的用途。申請?zhí)枮镃N201711095324.8的專利申請通過增設(shè)分隔部，將透平入口通道分隔為兩部分，分別為流入透平腔室通道和流出通道，同時(shí)在流出通道中增設(shè)相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥體。預(yù)先設(shè)定好的流入透平腔室的流量與排出通道開頭大小關(guān)系，在實(shí)際工作時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)工藝系統(tǒng)反饋的流量信號來調(diào)節(jié)排出通道的開口大小，實(shí)現(xiàn)進(jìn)入透平腔室中的透平介質(zhì)流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。申請?zhí)枮镃N201711095340.7的專利申請?jiān)谕钙蕉嗽鲈O(shè)了平衡盤，在透平前蓋板和透平后蓋板之間設(shè)置有平衡管，轉(zhuǎn)軸中部開設(shè)了過流通道，并且在過流通道入口處設(shè)置有防堵塞裝置。在一體機(jī)處于正常工況進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，增壓液體經(jīng)過濾后通過過流通道流入平衡腔內(nèi)，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪向遠(yuǎn)離平衡盤的方向運(yùn)動(dòng)，以平衡軸向力，同時(shí)，增壓液體也從透平前蓋板端面和平衡盤端面的間隙中泄漏，起到潤滑和冷卻兩端面的作用，防止兩個(gè)端面之間形成干摩擦。申請?zhí)枮镃N201711095337.5的專利申請將透平殼體和泵殼體整體鑄造成一體式殼體，并將透平出口，透平入口和泵出口整體鑄造并集成在殼體上面。在該一體機(jī)中使用軸向力自平衡轉(zhuǎn)子組件和流量自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，并將透平葉輪，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)軸做成一體式。申請?zhí)枮镃N201721185329.5的專利申請通過增設(shè)了軸承架，并在軸承架上設(shè)置軸承壓蓋A、B以及甩油環(huán)，在壓蓋A左端和壓蓋B右端設(shè)置有油封并在A、B內(nèi)孔壁面設(shè)置有密封槽。在傳動(dòng)軸上設(shè)置有徑向軸承和推力軸承，徑向軸承通過軸承壓蓋A、B鎖緊在傳動(dòng)軸上，推力軸承則通過鎖緊螺母鎖緊在傳動(dòng)軸上。這樣在一體機(jī)運(yùn)行時(shí)，抵消了軸上的徑向力和軸向力。保證了軸的運(yùn)行平穩(wěn)。甩油環(huán)隨著透平軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，將油腔內(nèi)的油帶起，達(dá)到潤滑的效果，也具有降低軸承架溫度的作用。申請?zhí)枮镃N201710001448.9的專利申請集成了透平，高速電機(jī)和泵輪的結(jié)構(gòu)和功能。泵輪和透平葉輪安裝在同一根轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸固定安裝在高速電機(jī)內(nèi)。在透平進(jìn)氣口中設(shè)有導(dǎo)流板。泵葉輪為帶長短葉片葉輪。在一體機(jī)工作時(shí)，高速直連電機(jī)與能量回收透平段兩大部分協(xié)同輔助來驅(qū)動(dòng)泵葉輪工作。3海水淡化綜合能量回收機(jī)3.1第一代透平式能量回收裝置按技術(shù)發(fā)展歷程，透平式能量回收一體機(jī)裝置可分為二代，其技術(shù)發(fā)展路線圖如圖7所示。最早的透平式能量回收裝置雛形的專利記載是專利號US233692A的WaterWheel裝置，隨后用于反滲透海水淡化工程的第一代能量回收裝置在此基礎(chǔ)上逐漸演變而來20世紀(jì)80年代初期開始將第一代透平式能量回收裝置用于海水淡化工程應(yīng)用，在第一代透平式能量回收裝置中，水力透平、高壓泵和電機(jī)三者同軸，電機(jī)位于高壓泵和透平之間，利用反滲透膜元件的高壓濃鹽水驅(qū)動(dòng)水力透平，將壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)泵旋轉(zhuǎn)對進(jìn)料海水加壓，以降低電機(jī)的輸入功率，達(dá)到節(jié)能效果。主要代表產(chǎn)品有PumpGinard公司的法蘭西斯型透平機(jī)（FrancisTurbines），瑞士CalderAG公司的佩爾頓裝置（PeltonWheelDevice）、反轉(zhuǎn)型透平（ReverseRunningTurbine）、卡普蘭型透平（KaplanTurbine）等3.2功交換式能量回收一體機(jī)20世紀(jì)80年代后期，第二代透平式能量回收裝置出現(xiàn)，第二代一體機(jī)采用離心泵和水力透平同軸的集成化緊奏型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于高壓泵和透平相互獨(dú)立，保證兩者在各自最佳工況運(yùn)行，不需要額外的能量，也無需冷卻和其他氣動(dòng)需求，運(yùn)行過程中高、低壓流體的壓力和流量互不影響，進(jìn)一步提高了能量回收效率除了透平式能量回收一體機(jī)，還有功交換式能量回收裝置，后者在反滲透系統(tǒng)應(yīng)用中只能滿足液體流量和壓力均良好匹配的工藝環(huán)境，限制了其使用場合，且在使用的時(shí)候有明顯的壓力波動(dòng)，還存在廢液和原料液混合的問題，某些功交換式能量回收還需要非常復(fù)雜的儀表和控制設(shè)計(jì)才能良好運(yùn)行。雖然基于透平式能量回收一體機(jī)的工作原理，致使其能量回收效率不如功交換式能量回收裝置，但其結(jié)構(gòu)簡單、操作維護(hù)方便、制造成本低、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)，在海水淡化工程領(lǐng)域還是占據(jù)不可取代的市場地位。3.3國產(chǎn)透平式一體機(jī)我國海水淡化透平式能量回收技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，在水力模型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選型、加工制造都與國外存在較大的差距，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)透平式一體機(jī)迫在眉睫4透平式能量回收裝置的應(yīng)用通過上述對透平裝置的具體分析，可以看出，由于早期經(jīng)濟(jì)發(fā)展所限以及國外技術(shù)壟斷，透平方面的申請仍然是外資公司居多，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技水平的提高