CN101871366A - 一种滑片槽底引压的滑片式膨胀机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有滑片槽底引压结构的滑片膨胀机，本发明涉及的膨胀机的滑片槽底引压结构由一组设置在端盖或轴承座、气缸上的孔和通道组成，在转子上的滑片旋转至某一区域内时，该组通道可将高压流体引入滑片槽底，在高压流体的作用下，保证滑片与气缸内壁的良好接触，达到良好密封的效果。该结构的膨胀机不仅解决滑片顶部与气缸内壁之间的密封问题，同时相对于滑片槽底置入压缩弹簧方式的膨胀机，其寿命、运行的稳定性、可靠性以及效率得到明显改善，并可以实现膨胀机的小型化。

Description

一种滑片槽底引压的滑片式膨胀机

技术领域

本发明属于流体机械领域，涉及一种流体膨胀机，特别涉及一种膨胀降压和能量回收的滑片式膨胀机。

背景技术

在制冷、石油化工、空分等动力行业中，经常需要将高压的流体进行降压。采用膨胀机替代传统的节流阀，可以显著减小节流阀等焓节流过程中的不可逆损失，同时回收利用膨胀机将流体能量转换成的机械能，可显著提高膨胀机所属系统或装置的效率。此外，膨胀机还可以用于低品位能源以及二次能源的回收，如回收高炉尾气、气田和油井的天然气以及化工尾气等携带的能量。

滑片式膨胀机是膨胀机的一种重要型式。滑片式膨胀机与滑片式压缩机的工作原理正好相反，完全依靠高压流体携带的能量工作，并将高压流体的能量转化为机械能。传统的滑片压缩机中，滑片依靠高速稳定的旋转产生足够的离心力确保滑片顶部与气缸内壁形成良好密封。但是滑片膨胀机的工作原理决定了，其并非同滑片压缩机一样，工作转速保持预设的稳定高速，而与工作压差、膨胀机进口处高压流体压力波动、膨胀机的载荷等因素密切相关，因此，依靠滑片旋转产生的离心力保证滑片顶部密封的方式不适用于滑片式膨胀机。

解决滑片顶部与气缸内壁之间的密封问题，通常在滑片槽底置入压缩弹簧，依靠弹簧力和滑片旋转产生的离心力共同保证滑片顶部与气缸内壁良好接触(专利200720126125.4)。但是这种方式存在的问题将严重制约其推广应用。第一，压缩弹簧的快速疲劳断裂问题。该问题直接关系到滑片膨胀机的寿命、可靠性和稳定性。第二，压缩弹簧的安装空间问题。该问题直接影响滑片膨胀机的小型化。第三、滑片槽底置入压缩弹簧方式的膨胀机，由于摩擦等引起的损失较大，其等熵效率较低。该问题直接影响到采用膨胀机的系统或者装置的整体能效。

为此，本发明的目的在于提供一种采用滑片槽底引压结构的滑片式膨胀机，在转子某一旋转角区域内，将高压流体引入滑片槽底，并作用于滑片底部，保证滑片与气缸内壁之间的良好接触，达到良好密封的效果。这种膨胀机相对于滑片槽底置入压缩弹簧方式的膨胀机，其寿命、运行的稳定性、可靠性以及效率得到明显改善，并可以实现膨胀机的小型化。

发明内容

为了解决滑片顶部的密封问题进行了深入的研究，发现高压流体通过滑片膨胀机的吸气口进入工作腔时，对滑片顶部的巨大气流冲击力，将滑片压向滑片槽底，破坏滑片顶部与气缸内壁之间的密封性，甚至使密封完全失效。而在膨胀机吸气结束后的膨胀和排气阶段，确保滑片顶部与气缸内壁良好密封的力较小。对于滑片槽底置入压缩弹簧的方式，如果提供足够的弹簧力抵御气流冲击力，会导致滑片顶部与气缸内壁之间产生很大的摩擦力且贯穿膨胀机的整个工作循环(吸气、膨胀机和排气过程)，引起的摩擦损失成为膨胀机效率较低的主要因素。仅在膨胀机的吸气阶段，将高压流体引入滑片底部与滑片槽围成的容积腔，在膨胀机膨胀和排气阶段，断开高压流体进入该容积腔的通道，因该容积腔的容积很小，依靠泄漏就可以迅速降低该容积腔内的压力，依靠滑片旋转产生的离心力和该容积腔内的残余压力确保滑片顶部的良好密封，同时保证了在膨胀机的膨胀和排气阶段，滑片顶部与气缸内壁不产生较大的摩擦力，降低摩擦损失，解决了采用置入压缩弹簧方式遇见的弹簧快速疲劳断裂、压缩弹簧安装空间限制以及摩擦损失过大等问题，有效提高了滑片膨胀机的可靠性、稳定性和效率，从而完成了本发明。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种滑片槽底引压结构的滑片膨胀机，包括气缸2、设置在气缸2左端的左端盖1、安装在气缸2右端的轴承座3、设置在气缸体2内腔的转子8、与转子8通过键连接的转子轴5、内嵌在轴承座3中轴承6、轴承6的端部设置的轴承压盖7、设置在轴承座3右端的右端盖4、膨胀机进气通道10和槽底间隙15，所述转子8上均匀设置多个滑片槽，滑片槽内安装有滑片9；所述滑片膨胀机的工作腔由左端盖1、气缸2、设有滑片槽的转子8、轴承座3和滑片9围成。所述滑片膨胀机上设置有槽底引压结构，该槽底引压结构包括引压连通通道11、槽底引压通道13、进气引气通道12(螺纹接口17)和端面凹槽14。

所述气缸2和左端盖1对应位置处分别设置有引压孔，引压孔相互连通构成进气引压通道12；所述引压连通通道11和槽底引压通道13设置于左端盖1内部；所述端面凹槽14是刻在左端盖1端面上的凹槽，端面凹槽14所处的端面与气缸2毗邻，端面凹槽14沿滑片膨胀机的旋转方向延伸。所述膨胀机进气通道10、进气引压通道12、引压连通通道11、槽底引压通道13、端面凹槽14和槽底间隙15依次连通；高压流体从膨胀机进气通道10，依次经过进气引压通道12、引压连通通道11、槽底引压通道13和端面凹槽14，进入滑片9和转子8上滑片槽底之间的槽底间隙15。

所述气缸2和轴承座3对应位置处分别设置有引压孔，引压孔相互连通构成进气引压通道12；所述端面凹槽14是刻在轴承座3端面上的凹槽，端面凹槽14所处的端面与气缸2毗邻，端面凹槽14沿滑片膨胀机的旋转方向延伸；所述引压连通通道11和槽底引压通道13设置于轴承座3内部。所述膨胀机进气通道10、进气引压通道12、引压连通通道11、槽底引压通道13、端面凹槽14和槽底间隙15依次连通；高压流体从膨胀机进气通道10，依次经过进气引压通道12、引压连通通道11、槽底引压通道13和端面凹槽14，进入滑片9和转子8上滑片槽底之间的槽底间隙15。

所述螺纹接口17设置在左端盖1上；所述引压连通通道11和槽底引压通道13设置在左端盖1内部；所述端面凹槽14是刻在左端盖1端面上的凹槽，端面凹槽14所处的端面与气缸2毗邻，端面凹槽14沿滑片膨胀机的旋转方向延伸。所述螺纹接口17、引压连通通道11、槽底引压通道13、端面凹槽14和槽底间隙15依次连通；利用外接管连接螺纹接口17和膨胀机进气口前的管道，高压流体从膨胀机进气口前的管道，依次经过外接管、螺纹接口17、引压连通通道11、槽底引压通道13和端面凹槽14，进入滑片9和转子8上滑片槽底之间的槽底间隙15。

所述螺纹接口17设置在轴承座3上；所述引压连通通道11和槽底引压通道13设置于轴承座3内部。所述端面凹槽14是刻在轴承座3端面上的凹槽，端面凹槽14所处的端面与气缸2毗邻，端面凹槽14沿滑片膨胀机的旋转方向延伸；所述螺纹接口17、引压连通通道11、槽底引压通道13、端面凹槽14和槽底间隙15依次连通；利用外接管连接螺纹接口17和膨胀机进气口前的管道，高压流体从膨胀机进气口前的管道，依次经过外接管、螺纹接口17、引压连通通道11、槽底引压通道13和端面凹槽14，进入滑片9和转子8上滑片槽底之间的槽底间隙15。

在滑片膨胀机安装完成后，所述端面凹槽14可以控制所述槽底引压结构的一组通道与槽底间隙15的连通或断开，端面凹槽14沿所述滑片膨胀机旋转方向的起始位置设定在1＞α₁/α_s≥0.2、14°≥α₂≥0°的范围内，最优起始位置设定为α₁/α_s＝0.5，α₂＝10°，其中α₁是滑片槽底间隙15与端面凹槽14开始连通位置与膨胀机吸气过程开始位置之间的角度，α₂是滑片槽底间隙15与端面凹槽14开始断开位置与膨胀机吸气过程结束位置之间的角度，α_s是膨胀机吸气过程角度。

所述滑片膨胀机工作时，槽底间隙15随转子8一起旋转，槽底间隙15的前沿转过α₁角时，槽底间隙15与端面凹槽14连通，即所述槽底引压结构的一组通道与槽底间隙15连通，高压流体进入槽底间隙15，槽底间隙15的后沿转过α₂角时，槽底间隙15与端面凹槽14断开，即所述槽底引压结构的一组通道与槽底间隙15断开，高压流体停止进入槽底间隙15。

通过所述槽底引压结构可以在滑片旋转至设计角度区域内时，将高压流体引入槽底间隙15，在高压流体对滑片底部作用下，保证滑片与缸壁内壁贴合良好，同时不显著增加滑片与气缸内壁的摩擦损失，大大提高滑片膨胀机的效率。

本发明的膨胀机不仅解决滑片顶部与气缸内壁之间的密封问题，同时相对于滑片槽底置入压缩弹簧方式的膨胀机，其寿命、运行的稳定性、可靠性以及效率得到明显改善，并可以实现膨胀机的小型化。

附图说明

图1是采用本发明槽底引压结构后的滑片膨胀机主视图。

图2是采用本发明槽底引压结构后的滑片膨胀机左视图。

图3是采用本发明槽底引压结构后的滑片膨胀机轴向剖面示意图。

图4是采用本发明槽底引压结构后的滑片膨胀机气缸横向剖面示意图。

图5是采用本发明槽底引压结构后的滑片膨胀机引压口位置局部放大示意图。

图6是采用本发明槽底引压结构后的滑片膨胀机端盖横向剖面示意图。

图7是采用本发明槽底引压结构后的滑片膨胀机端盖斜向剖面示意图。

图8是采用本发明α₁和α₂两个角度位置对滑片膨胀机的效率影响图。

图9-图11是采用本发明槽底引压结构，但设置于不同位置或不同方式的滑片膨胀机轴向剖面示意图。

上述图1中的标号分别为：1为滑片膨胀机左端盖，2为气缸，3为轴承座，4为右端盖，5为轴。

图3中标号分别为：1为左端盖，2为气缸，3为轴承座，4为有端盖，5为轴，6为轴承，7为轴承压盖，8为转子，9为滑片，10为进气通道，11为引起连通通道，12为进气引压通道，13为槽底引压通道，14为端面凹槽通道，15为槽底间隙。

图4中标号分别为：2为气缸，5为轴，8为转子，9为滑片，10为进气通道，15为槽底间隙，16为排气通道，18为端面凹槽14的投影位置，E为局部放大位置。

图5中标号分别为：2为气缸，5为轴，8为转子，9为滑片，10为进气通道，15为槽底间隙，18为滑片膨胀机安装完成后端面凹槽14在转子8端面上的的投影位置，A1为膨胀机吸气过程开始位置，A2为滑片槽底间隙15与端面凹槽14开始连通位置，A3为膨胀机吸气过程结束位置，A4为滑片槽底间隙15与端面凹槽14开始断开位置，α₁为滑片槽底间隙15与端面凹槽14开始连通位置与膨胀机吸气过程开始位置之间的角度，α₂是滑片槽底间隙15与端面凹槽14开始断开位置与膨胀机吸气过程结束位置之间的角度，α_s是膨胀机吸气过程角度。

图6中标号分别为：11为引连通压通道，12为进气引压通道，13为槽底引压通道。

图7中标号分别为：11为引压连通通道，13为槽底引压通道，14为端面凹槽通道。

具体实施方式

以下结合附图和发明人给出的实施方式对本发明作进一步的详细描述，以便更清楚的理解本发明的目的、具体组件特点和优点。

请参照图1，图2和图3，本实施例的滑片膨胀机，包括：一个气缸体2，气缸体2的一端安装有左端盖1，气缸体2的另一端安装有轴承座3；气缸体2内腔中设置有转子8，转子8通过键与转子轴5相连，转子8上均匀设置多个滑片槽，滑片槽内安装有滑片9，轴承6内嵌在轴承座3中；轴承6的端部有轴承压盖7，轴承压盖7通过右端盖4压紧。所述滑片膨胀机的工作腔由左端盖1、气缸2、设有滑片槽的转子8、轴承座3和滑片9围成。

气缸2和左端盖1上开有相对应的引压孔，膨胀机安装完成后连通成为进气引压通道12，同时左端盖1上还设置了引压通道11、引压通道13和端面凹槽14，端面凹槽14是刻在左端盖1端面上的凹槽，端面凹槽14所处的端面与气缸2毗邻，凹槽14沿滑片膨胀机的旋转方向延伸，进气引压通道12、引压连通通道11、槽底引压通道13和端面凹槽14依次连通，引压通道12另一端与膨胀机进气通道10连通，端面凹槽14另一端与槽底间隙15连通。高压流体可以从膨胀机进气通道10，依次经过进气引压通道12、引压连通通道11、槽底引压通道13和端面凹槽14，进入槽底间隙15。

参照图4和图5，槽底间隙15是滑片9底部与滑片槽围成的空间，滑片9只有旋转至一定角度区域内，槽底间隙15方可与端面凹槽14连通，进而高压流体通过上述一组引压通道从膨胀机进汽通道10进入槽底间隙15。如图4和图5所示，标号18是膨胀机安装完成后，端面凹槽14在转子8端面上的投影。当槽底间隙15前沿旋转至α₁角度位置时，端面凹槽14和槽底间隙15开始连通，高压流体开始进入槽底间隙15，当槽底间隙15后沿旋转至α₂角度位置时，端面凹槽14开始与槽底间隙15断开，高压流体将无法进入槽底间隙15，即槽底间隙15前沿转过α₁角度位置，槽底间隙15后沿未到α₂角度位置时，端面凹槽14与槽底间隙15始终保持连通状态，高压流体通过上述一组引压通道进入槽底间隙15。

通过上述槽底引压结构，当滑片9旋转至预先设计的角度区域内时，高压流体进入槽底间隙15，并作用在滑片底部，抵御高压流体通过滑片膨胀机进气口进入膨胀机工作腔时对滑片9顶部产生的巨大气流冲击力，保证滑片9顶部与气缸2内壁良好的贴合，进而保证滑片9顶部与气缸2内部之间良好的密封性，提高滑片膨胀机的工作效率、可靠性与稳定性。当滑片9离开预先设计的区域时，端面凹槽14与槽底间隙15断开，高压流体停止进入槽底间隙15，因槽底间隙15容积非常小，残存在槽底间隙15内的高压流体通过间隙泄漏压力快速降低，滑片9主要依靠旋转产生的离心力，确保滑片顶部的良好密封，同时保证了在膨胀机的膨胀和排气阶段，滑片9顶部与气缸2内壁之间不产生较大的摩擦力，降低了滑片9顶部与气缸2的内壁产生的摩擦损失。

参照图8，通过试验和分析计算得到了α₁和α₂两个角度位置对滑片膨胀机的效率影响。如图8所示，当α₁/α₂＝0.2时，槽底引压结构对膨胀机的效率的较低，随着α₁/α₂的增大，膨胀机的效率不断提高，当α₁/α₂在0.5附近时，膨胀机的效率达到最大，然后随α₁/α₂的进一步增大逐渐降低。其中α₁/α₂小于1，当α₁/α₂≥1时意味着膨胀机在进气阶段不采用槽底引压结构将高压流体引入槽底间隙15。α₂在0°到14°范围内变化时，滑片膨胀机的效率表现出先增大在减小的趋势，当α₂＝10°时，膨胀机的效率达到最大，在α₂＝14°时，膨胀机效率已经低于α₂＝0°时膨胀机的效率。因此，设置滑片膨胀机的槽底引压结构时，选定α₁满足1＞α₁/α₂≥0.2，α₁满足14°＞α₂＞0°条件。其中最优角度是α₁/α₂＝0.5，α₂＝10°。

另外，滑片膨胀机槽底引压结构还有其它的结构形式。参考图9，滑片膨胀机的另一种槽底引压结构由设置在左端盖1上的引压通道11、引压通道13、端面凹槽14和螺纹接口17组成，其中端面凹槽14的形状和位置设置与图3所述结构相同，端面凹槽14、引压通道13和引压通道11依次连通，引压通道11另一端与螺纹接口17连通，端面凹槽14另一端与滑片9和转子8上滑片槽底之间的槽底间隙15连通，利用外接管道连通螺纹接口17和滑片膨胀机吸气口之前的管道，高压流体依次经过外接管道、螺纹接口17、引压通道11、13和端面凹槽14，最后进入滑片9与转子8上滑片槽底之间的槽底间隙15。

参照图10，滑片膨胀机的另一种槽底引压结构由设置在气缸2和轴承座3的进气引压通道12，设置在轴承座的引压通道11、引压通道13和端面凹槽14组成，其中端面凹槽14刻于轴承座3与气缸2相邻的端面上，其形状和位置设置与图3所述结构相同，进气引压通道12、引压连通通道11、槽底引压通道13和端面凹槽14依次连通，引压通道12另一端与膨胀机进气通道10连通，端面凹槽14与槽底间隙15连通。高压流体可以从膨胀机进气通道10，依次经过进气引压通道12、引压连通通道11、槽底引压通道13和端面凹槽14，进入槽底间隙15。

参照图11，滑片膨胀机的另一种槽底引压结构由设置在轴承座3上的引压通道11、引压通道13、端面凹槽14和螺纹接口17组成，其中端面凹槽14刻于轴承座3与气缸2相邻的端面上，其形状和位置设置与图3所述结构相同，端面凹槽14、引压通道13和引压通道11依次连通，引压通道11另一端与螺纹接口17连通，端面凹槽14另一端与滑片9和转子8上滑片槽底之间的槽底间隙15连通，利用外接管道连通螺纹接口17和滑片膨胀机吸气口之前的管道，高压流体依次经过外接管道、螺纹接口17、引压通道11、13和端面凹槽14，最后进入滑片9与转子8上滑片槽底之间的槽底间隙15。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.一种滑片槽底引压结构的滑片膨胀机，包括气缸(2)、设置在气缸(2)左端的左端盖(1)、安装在气缸(2)右端的轴承座(3)、设置在气缸体(2)内腔的转子(8)、与转子(8)通过键连接的转子轴(5)、内嵌在轴承座(3)中的轴承(6)、轴承(6)的端部设置的轴承压盖(7)、设置在轴承座(3)右端的右端盖(4)、膨胀机进气通道(10)和槽底间隙(15)，所述转子(8)上均匀设置多个滑片槽，滑片槽内安装有滑片(9)；所述滑片膨胀机上设置有槽底引压结构，该槽底引压结构包括引压连通通道(11)、槽底引压通道(13)和端面凹槽(14)。

2.如权利要求1所述一种滑片槽底引压结构的滑片膨胀机，其特征在于：所述气缸(2)和左端盖(1)对应位置处分别设置有引压孔，引压孔相互连通构成进气引压通道(12)；所述槽底引压结构还包括进气引压通道(12)；所述膨胀机进气通道(10)、进气引压通道(12)、引压连通通道(11)、槽底引压通道13、端面凹槽(14)和槽底间隙15依次连通；所述引压连通通道(11)设置于左端盖(1)内部；所述槽底引压通道(13)设置于左端盖(1)内部；所述端面凹槽(14)是刻在左端盖(1)端面上的凹槽，端面凹槽(14)所处的端面与气缸(2)毗邻，端面凹槽(14)沿滑片膨胀机的旋转方向延伸。

3.如权利要求1所述一种滑片槽底引压结构的滑片膨胀机，其特征在于：所述气缸(2)和轴承座(3)对应位置处分别设置有引压孔，引压孔相互连通构成进气引压通道(12)；所述槽底引压结构还包括进气引压通道(12)；所述膨胀机进气通道(10)、进气引压通道(12)、引压连通通道(11)、槽底引压通道(13)、端面凹槽(14)和槽底间隙(15)依次连通；所述引压连通通道(11)设置于轴承座(3)内部；所述槽底引压通道(13)设置于轴承座(3)内部；所述端面凹槽(14)是刻在轴承座(3)端面上的凹槽，端面凹槽(14)所处的端面与气缸(2)毗邻，端面凹槽(14)沿滑片膨胀机的旋转方向延伸。

4.如权利要求1所述一种滑片槽底引压结构的滑片膨胀机，其特征在于：所述槽底引压结构还包括设置在左端盖(1)上的螺纹接口(17)；所述螺纹接口(17)、引压连通通道(11)、槽底引压通道(13)、端面凹槽(14)和槽底间隙(15)依次连通；所述引压连通通道(11)设置于左端盖(1)内部；所述槽底引压通道(13)设置于端盖(1)内部；所述端面凹槽(14)是刻在左端盖(1)端面上的凹槽，端面凹槽(14)所处的端面与气缸(2)毗邻，端面凹槽(14)沿滑片膨胀机的旋转方向延伸。

5.如权利要求1所述一种滑片槽底引压结构的滑片膨胀机，其特征在于：所述槽底引压结构还包括设置在轴承座(3)上的螺纹接口(17)；所述螺纹接口(17)、引压连通通道(11)、槽底引压通道(13)、端面凹槽(14)和槽底间隙(15)依次连通；所述端面凹槽(14)是刻在轴承座(3)端面上的凹槽，端面凹槽(14)所处的端面与气缸(2)毗邻，端面凹槽(14)沿滑片膨胀机的旋转方向延伸；所述引压连通通道(11)设置于轴承座(3)内部；所述槽底引压通道(13)设置于轴承座3内部。

6.如权利要求1所述一种滑片槽底引压结构的滑片膨胀机，其特征在于：所述端面凹槽(14)在滑片膨胀机安装完成后，沿所述滑片膨胀机旋转方向的起始位置设定在1＞α₁/α_s≥0.2、14°≥α₂≥0°的范围内，其中α₁是滑片槽底间隙(15)与端面凹槽(14)开始连通位置与膨胀机吸气过程开始位置之间的角度，α₂是滑片槽底间隙(15)与端面凹槽(14)开始断开位置与膨胀机吸气过程结束位置之间的角度，α_s是膨胀机吸气过程角度。

7.如权利要求1或6所述一种滑片槽底引压结构的滑片膨胀机，其特征在于：所述滑片膨胀机槽底引压结构中的端面凹槽14，在滑片膨胀机安装完成后，沿所述滑片膨胀机旋转方向的起始位置设定为α₁/α_s＝0.5，α₂＝10°，其中α₁是滑片槽底间隙(15)与端面凹槽通道(14)开始连通位置与膨胀机吸气过程开始位置之间的角度，α₂是滑片槽底间隙(15)与端面凹槽(14)通道开始断开位置与膨胀机吸气过程结束位置之间的角度，α_s是膨胀机吸气过程角度。

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