CN101333995A - 一种高压液体节流用膨胀机转子 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压液体节流用膨胀机转子，包括有叶轮和主轴。其特征在于，转子采用叶轮悬臂卧式结构；所述主轴一端为叶轮端，另一端为齿轮箱端；主轴叶轮端采用三角轴连接方式与叶轮联接产生轴功，主轴齿轮箱端通过一个高速传动机构与齿轮箱联接实现轴功的传输；所述主轴两端轴肩处设有轴向力平衡机构；所述主轴两端轴肩处外侧轴颈设有支承机构。本发明可解决现有液体膨胀机对介质流量及制动发电机的苛刻要求，可以采用普通发电机、泵或风机制动，适用于任意大小流量的介质降压，节能降耗效果显著。

Description

一种高压液体节流用膨胀机转子
技术领域
本发明涉及一种节流降压用液体膨胀机装置，特别涉及一种液体膨胀机转子。
背景技术
在空分液化装置工艺流程中，需要将高压液化气体节流降压以满足后续流程的要求，通常要将几十个大气压的压力降至几个大气压。目前普遍采用传统的焦-汤液体节流阀来完成降压，造成液体高压能量不可逆损失，并诱发汽化，导致气体提取率降低和气蚀损坏。以内压缩空分流程为例，高压液体通过焦-汤阀节流到下塔后汽化率达10-20％，节流到上塔后汽化率甚至超过30％，造成气体萃取率降低，单位产品能耗增大。全液体膨胀机是空分、LNG(液化天然气)等低温循环装置中液体节流阀替代产品，它在实现降压的同时，能有效抑制汽化，并回收利用液体高压能量发电。它的使用可使一套空分或液化天然气装置总能耗降低3-6％。
近年来，世界上少数几家公司开发出了液体膨胀机产品。日本Ebara公司在上世纪90年代研制出用于液化天然气降压的浸没式液体透平发电机，该项技术在US2006/0186671A1专利说明书中有详细描述。产品主要特点是膨胀机转轮与发电机转子共轴连接，透平膨胀机和发电机作为一个整体浸没在低温液体介质中，高压液体既是工作介质同时用于冷却电机和润滑轴承。主轴转速随着转轮进口介质参数的变化自动调整，以适应变工况运行。但Ebara公司的液体膨胀机存在如下缺点：1)采用了转轮和发电机同轴同壳体的结构，转轮需要与发电机尺寸相当，液体膨胀机体积较大，仅适用于大流量的应用场合(譬如大型天然气液化装置的节流降压)；2)发电机需要浸没于液化气体中，对发电机材料、制造技术等有很高要求；3)不适合其它形式的制动，如风机、泵等。
发明内容
本发明的目的是提供一种全液体膨胀机的核心部件-转子，根据此项技术，专业人员可以方便地生产制造出具备能量回收功能的高压液体节流用膨胀机，可解决现有液体膨胀机对介质流量及制动发电机的苛刻要求，并可匹配普通发电机、泵或风机等，适用于任意大小流量的介质降压，产生显著的节能降耗收益。
为达到上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种高压液体节流用膨胀机转子，包括有叶轮和主轴，其特征在于，转子采用叶轮悬臂卧式结构，所述主轴一端为叶轮端，另一端为齿轮箱端。该主轴的叶轮端采用三角轴连接方式与叶轮联接产生轴功，而齿轮箱端主轴通过一个高速传输机构实现功率传递；所述主轴两端轴肩处设有轴向力平衡机构；所述主轴两端轴肩处外侧的轴颈设有支承机构。
上述方案中，所述轴向力平衡机构包括分别设置在主轴两端轴肩处的固定瓦式推力轴承。所述支承机构包括分别设置在主轴两端轴肩处外侧轴颈的可倾瓦式滑动轴承。所述高速传动机构包括一个与齿轮箱连接的膜片式联轴器，该联轴器通过三角轴或键连接方式与主轴齿轮箱端联接。所述叶轮采用径流向心闭式结构、半开式结构、或全开式结构。
本发明的优点是：(1)与现有液体膨胀机技术相比，本发明转子结构制动方式灵活：它可以匹配普通发电机、风机、泵等。该转子采用叶轮悬臂卧式结构，其叶轮端置于珠光砂冷箱中保温，其余结构无需放入冷箱，主轴齿轮箱端通过联轴器与齿轮减速箱连接，实现轴功的传输，并与齿轮箱等置于大气环境中，因此齿轮减速箱输出的轴功可以用来驱动普通发电机发电，也可以直接拖动风机或泵。(2)与现有液体膨胀机技术相比，本发明转子结构的叶轮设计只需独立考虑节流介质流量等参数，而不用考虑和电机或其它制动设备的尺寸匹配，因此适用于任意大小流量的介质降压。(3)本发明转子叶轮和主轴之间采用三角轴连接可实现大功率高速传输。(4)主轴与膜片式联轴器之间采用三角轴或键连接，不但可实现高速传输，且轴功的利用可以采用不同的形式。(5)基于本发明转子技术制造出的液体膨胀机，可用于替代低温循环装置中的节流阀，在实现降压的同时，回收液体的节流能量。可使一套空分或液化天然气装置总能耗降低3-6％。
附图说明
图1为本发明齿轮箱端采用三角轴连接的转子结构图。
图2为本发明齿轮箱端采用键连接的转子结构图。
图3为本发明半开式叶轮示意图。
图4为本发明全开式叶轮示意图。
图5为图1连接方式的主轴结构图。
图6为图2连接方式的主轴结构图。
图1到图6中，1、主轴；2、叶轮；3、甩油环；4、甩油环挡板；5、内六方沉头螺钉；6、叶轮定位螺钉；7、膜片式联轴器；8、紧固螺母；9、键；10、可倾瓦式滑动轴承；11、固定瓦式推力轴承。
图7为图5的G-G面主轴齿轮箱端三角轴颈示意图。
图8为图6的H-H面主轴齿轮箱端键槽示意图。
图9为图5、图6的B-B面主轴叶轮端三角轴颈示意图。
图10为图5、图6的F-F面主轴的叶轮定位螺钉孔示意图。
图11为图5、图6的C和D向主轴的固定瓦推力轴承示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1和图2所示，一种液体膨胀机转子的两示范例，如图1所示转子例中，齿轮箱端主轴1通过三角轴与膜片式联轴器7连接，使用紧固螺母8固定。如图2所示转子例中，主轴也可以通过键9与膜片式联轴器7连接。甩油环3和甩油环挡板4由内六方沉头螺钉5固定。
叶轮2采用径流向心叶轮，可以是闭式结构，也可以是半开式结构(图3)，或全开式结构(图4)。叶轮中心线位置开有三角孔，与主轴三角轴颈配合连接。叶轮径向进液轴向出液，即在叶轮出口处实现零旋涡速度，降低转子内流动损失。
液体膨胀机转子的两示范例的两种不同主轴形式如图5、6所示，主轴1两端为阶梯形结构。其主要区别在于在齿轮箱端采取的连接方式不同。主轴齿轮箱端可以通过三角轴颈与膜片式联轴器7连接(图1、图7)；主轴也可以通过键9与膜片式联轴器7连接(图2、图8)。所述转子1两端轴肩处分别设置固定瓦式推力轴承11(图11)，分别承受转子正常运行以及启停机等非正常运行时相反方向的轴向力。所述转子两端轴肩外侧轴颈分别设置可倾瓦式滑动轴承10以支撑转子重量。
如图9、图10所示，在所述转子主轴1的叶轮端，主轴1利用三角轴颈与叶轮2的三角轴孔配合，通过叶轮定位螺钉6定位。
叶轮端置于珠光砂冷箱中保温，实现冷屏障。叶轮端转子各部件的材料不仅要有良好的强度，而且要耐低温。叶轮2、主轴1及叶轮定位螺钉6的材料选取时需要兼顾材料的冷脆特能。叶轮最好选用LD5，主轴选用12CrNi3，叶轮定位螺钉选用TC4。甩油环3采用12CrNi3，甩油环挡板4采用12CrNi3，内六方沉头螺钉5采用12CrNi3。
本发明转子的工作原理是：高压液体通过静止部件(蜗壳、喷嘴)获得加速度，然后径向流入图1和图2所示的叶轮2，在叶轮内液体压力能和动能逐渐降低，至叶轮出口处达到工艺流程对静压的要求。与此同时这部分液体压力能和动能驱动叶轮高速旋转，转化成机械能。叶轮2与主轴1借助三角轴配合，将叶轮机械能转化成主轴的轴功。采用三角轴传输的原因是它适合液体膨胀机功率大、速度高的特点，还可以保证结构良好的应力分布。在主轴的另一端，主轴通过三角轴颈或键9与膜片式联轴器7左半部分连接，该联轴器右半部分连接齿轮减速箱，这样液体的节流能量通过以下环节：由叶轮2-三角轴传输-主轴1-三角轴或键-联轴器7-齿轮减速箱，最后由减速箱以轴功的形式输出。轴功的利用可以采用不同的形式，可以直接用于拖动发电机发电，也可以拖动其它耗能旋转机械，如风机、泵等。所述转子的冷障问题的解决方法：转子叶轮端连同喷嘴、蜗壳以及附属进出液管道整体放置于珠光砂低温冷箱保温，可以有效地防止节流过程中的冷量损失。所述转子同时使用可倾瓦式滑动轴承10和固定瓦式推力轴承11，前者支撑转子重量，后者承受转子的轴向力，防止转子轴向位移。

Claims (5)

1、一种高压液体节流用膨胀机转子，包括有叶轮和主轴，其特征在于，转子采用叶轮悬臂卧式结构；所述主轴一端为叶轮端，另一端为齿轮箱端；叶轮端采用三角轴连接方式与叶轮联接产生轴功，齿轮箱端通过一个高速传动机构与齿轮箱联接实现轴功的传输；所述主轴两端轴肩处设有轴向力平衡机构；所述主轴两端轴肩处外侧轴颈设有支承机构。
2、根据权利要求1所述的高压液体节流用膨胀机转子，其特征在于，所述轴向力平衡机构包括分别设置在主轴两端轴肩处的固定瓦式推力轴承。
3、根据权利要求1所述的高压液体节流用膨胀机转子，其特征在于，所述支承机构包括分别设置在主轴两端轴肩处外侧轴颈的可倾瓦式滑动轴承。
4、根据权利要求1所述的高压液体节流用膨胀机转子，其特征在于，所述高速传动机构包括一个与齿轮箱连接的膜片式联轴器，该联轴器通过三角轴或键连接方式与主轴齿轮箱端联接。
5、根据权利要求1所述的高压液体节流用膨胀机转子，其特征在于，所述叶轮采用径流向心闭式结构、半开式结构、或全开式结构。
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