CN102383867A

CN102383867A - 高炉同轴等速透平机组

Info

Publication number: CN102383867A
Application number: CN2011103415328A
Authority: CN
Inventors: 史晓云; 邢玉民; 雷琰
Original assignee: SUUNPOWER CO Ltd
Current assignee: SUUNPOWER CO Ltd
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2012-03-21

Abstract

本发明公开一种高炉同轴等速透平机组，所述高炉同轴等速透平机组包括电动机、变速器、高炉鼓风机和高速高炉煤气余压透平机，所述电动机通过所述变速器连接在所述高炉鼓风机的一侧，所述高速高炉煤气余压透平机同轴地连接在所述高炉鼓风机的另一侧，所述高速高炉煤气余压透平机与所述高炉鼓风机的工作转速相同。本发明通过选择与高炉鼓风机转速相同的高速高炉煤气余压透平机（例如，4800转/分钟）使高速高炉煤气余压透平机与高炉鼓风机同轴地连接，避免在高速高炉煤气余压透平机与高炉鼓风机之间连接变速器，以降低轴系设计难度、提高能量利用效率并降低对设备制造和安装的要求。

Description

高炉同轴等速透平机组

技术领域

本发明涉及余压余热回收领域，尤其涉及一种高炉同轴等速透平机组（Blast furance Equal Speed turbine Train，BEST）。

背景技术

在传统的高炉工艺系统中，为了提高能量的利用率通常是将高炉煤气引出，经过入口蝶阀、插板阀等阀门后进入高炉煤气余压透平机入口，然后高炉煤气在静叶片和动叶片组成的流道中不断膨胀做功，并转化为动能作用于工作轮使之旋转，工作轮通过联轴器带动发电机一起转动而发电。

在该系统中，高炉煤气余压透平机将煤气的压力能和热能转变为机械能，然后传递给发电机转变为电能送入电网。电动机再将电能从电网上获取转变为机械能驱动高炉鼓风机。为了避免发电机的机械能转变为电能和电动机的电能转变为机械能的两次能量转变过程所产生的损失，以及电能传输过程中的线路损失，设计出将高炉煤气余压透平机与高炉鼓风机作为同一系统的煤气透平与电机同轴驱动的高炉鼓风能量回收机组（BPRT），将高炉煤气的压力能和热能转变为机械能后直接驱动高炉鼓风机工作。

现有的BPRT机组是将电动机和高炉煤气余压透平机布置在高炉鼓风机的两侧，共同为高炉鼓风机提供所需的能量。电动机通过变速器与高炉鼓风机连接，且高炉煤气余压透平机也通过变速箱或变速离合器与高炉鼓风机连接。这种BPRT机组由于采用两台变速器，经过两次变速转换，因此轴系设计难度较大，对设备的制造和安装要求较高。并且，两次变速转换导致系统构成复杂、故障点较多且设备维护工作量较大，增加了能量损耗、降低了BPRT机组的效率。此外，该BPRT机组设备较多、占地面积较大，因此增加了BPRT机组的造价。

因此，需要一种高炉同轴等速透平机组以解决上述问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种高炉同轴等速透平机组，所述高炉同轴等速透平机组包括电动机、变速器、高炉鼓风机和高速高炉煤气余压透平机，所述电动机通过所述变速器连接在所述高炉鼓风机的一侧，所述高速高炉煤气余压透平机同轴地连接在所述高炉鼓风机的另一侧，所述高速高炉煤气余压透平机与所述高炉鼓风机的工作转速相同。

优选地，所述高炉鼓风机与所述高速高炉煤气余压透平机之间还连接有离合器。

优选地，所述高炉同轴等速透平机组的布置方式为双层布置。

优选地，所述高炉鼓风机采用径向下进气-下排气的进排气结构。

优选地，所述高速高炉煤气余压透平机采用轴向进气-径向下排气的进排气结构。

优选地，所述高速高炉煤气余压透平机包括：底座；外壳，所述外壳连接在所述底座上，且所述外壳包括进气端和排气端；转子，所述转子包括主轴、设置在所述主轴一端的轮盘以及设置在所述轮盘的外圆周的动叶片；轴承组件，所述轴承组件包括设置在所述外壳上的第一轴承和第二轴承，所述主轴的两个端部分别可旋转地设置在所述第一轴承内和所述第二轴承内；静叶片，所述静叶片设置在所述外壳的内表面上且与所述动叶片相对地设置，以与所述动叶片相配合；和气封组件，所述气封组件设置在所述主轴的靠近所述轮盘的一端与所述外壳之间，所述气封组件包括靠近所述轮盘的迷宫密封件和远离所述轮盘的碳环密封件。

优选地，所述主轴与所述轮盘为分体结构，所述主轴与所述轮盘通过拉杆连接。

优选地，所述动叶片为一级动叶片结构，且所述静叶片为一级静叶片结构。

优选地，所述动叶片为二级动叶片结构，且所述静叶片为二级静叶片结构。

优选地，所述高速高炉煤气余压透平机还包括静叶片驱动装置，用于改变所述静叶片的角度。

优选地，所述静叶片和所述动叶片的叶片高度与所述主轴的直径的比值小于等于0.2。

本发明通过选择与高炉鼓风机转速相同的高速高炉煤气余压透平机（例如，4800转/分钟）使高速高炉煤气余压透平机与高炉鼓风机同轴地连接，避免在高速高炉煤气余压透平机与高炉鼓风机之间连接变速器，以降低轴系设计难度、提高能量利用效率并降低对设备制造和安装的要求。此外，与现有技术相比，由于减少一台变速器，因此能减少还能设备维护工作量、降低机组造价并减少占地面积等。

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1是根据本发明一个实施方式的高炉同轴等速透平机组的示意图；

图2是根据本发明一个实施方式的高速高炉煤气余压透平机的剖面图；

图3是根据本发明一个实施方式的转子的示意图；

图4是根据本发明一个实施方式的气封组件的放大视图；以及

图5是根据本发明另一个实施方式的高速高炉煤气余压透平机的剖面图。

具体实施方式

接下来，将结合附图更加完整地描述本发明，附图中示出了本发明的实施例。但是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当部件被称为 “与...相邻”或“连接到” 其它部件时，其可以直接地与其它部件相邻或连接，或者可以存在居间的部件。相反，当部件被称为 “与...直接相邻”或“直接连接到”其它部件时，则不存在居间的部件。

图1是根据本发明一个实施方式的高炉同轴等速透平机组的示意图。如图1所示，高炉同轴等速透平机组100包括电动机101、变速器102、高炉鼓风机103和高速高炉煤气余压透平机105。

电动机101连接在高炉鼓风机103的一侧，为高炉鼓风机103提供一部分能量，高炉鼓风机103所需的另一部分能量则由高速高炉煤气余压透平机105来提供。通常，电动机101的工作转速为3000转/分钟（电网50Hz）或3600转/分钟（电网60Hz），而高炉鼓风机103的工作转速较高（例如，4800转/分钟），因此需要在电动机101和高炉鼓风机103之间连接变速器102。变速器102例如是齿轮箱或其它能够具有变速功能的装置。

高速高炉煤气余压透平机105同轴地连接在高炉鼓风机103的另一侧。所述“同轴地连接”可以理解为高速高炉煤气余压透平机105和高炉鼓风机103之间未设置有变速器。高速高炉煤气余压透平机105可以将高炉煤气的压力能和热能转化为机械能提供给高炉鼓风机103，以起到回收高炉煤气的余压和余热的作用。其中，高速高炉煤气余压透平机105与高炉鼓风机103的工作转速相同。本发明通过选择与高炉鼓风机103转速相同的高速高炉煤气余压透平机105（例如，4800转/分钟）使高速高炉煤气余压透平机105与高炉鼓风机103同轴地连接，以避免在高速高炉煤气余压透平机105与高炉鼓风机103之间连接变速器，进而降低轴系设计难度、提高能量利用效率且降低机组造价等。

优选地，高炉鼓风机103与高速高炉煤气余压透平机105之间还连接有离合器104，以根据需要切断或传递高速高炉煤气余压透平机105向高炉鼓风机103传递的动力。

优选地，高炉同轴等速透平机组100的布置方式为双层布置，即，电动机101、变速器102、高炉鼓风机103和高速高炉煤气余压透平机105等布置在距离地面一定距离的运转层，而输送管道等布置在地面层。将高炉同轴等速透平机组100布置为双层结构可以便于维修。作为示例，高炉鼓风机103采用径向下进气-下排气的进排气结构，以便于布置高炉鼓风机103的输送管道。作为示例，高速高炉煤气余压透平机105采用轴向进气-径向下排气的进排气结构，以提高能量转换效率的同时方便布置高速高炉煤气余压透平机105的输送管道。可以理解的是，高炉鼓风机103也可以采用径向上进气-上排气、径向上进气-下排气或径向下进气-上排气的进排气结构，高速高炉煤气余压透平机105也可以采用其它进排气结构，例如径向下进气-下排气、径向上进气-下排气或轴向进气-径向上排气等，本领域的技术人员可以根据实际需要来选择高炉鼓风机103和高速高炉煤气余压透平机105的进排气结构。

图2是根据本发明一个实施方式的高速高炉煤气余压透平机的剖面图，图3是根据本发明一个实施方式的转子的示意图，图4是根据本发明一个实施方式的气封组件的放大视图。下面将结合图2-4对根据本发明的高速高炉煤气余压透平机进行详细描述。

如图2所示，高速高炉煤气余压透平机105包括底座210、外壳220、转子230、轴承组件、静叶片250和气封组件260。

外壳220连接在底座210上，用于容纳转子230、轴承组件和静叶片250等。外壳220包括进气端221和排气端222，其中，进气端221用于接收来自高炉的具有较高压力能和热能的高炉煤气，排气端222用于排放已经完成做功且具有较低的压力和温度的高炉煤气。

如图3所示，转子230包括主轴231、轮盘232和动叶片233。轮盘232设置在主轴231的一端。优选地，主轴231与轮盘232为分体结构，且主轴231与轮盘232通过拉杆234连接。将主轴231与轮盘232设置为分体结构可以便于各部件的制造，且能保证两者的强度。动叶片233设置在轮盘232的外圆周上。可以理解的是，动叶片233可以采用现有技术常用的动叶片结构，因此不再详述。为了使转子具有良好的强度储备并适用于高速的工作环境，优选地，动叶片233是通过纵树形叶根固定在轮盘232上的。

参照图2和图3，轴承组件包括第一轴承241和第二轴承242。第一轴承241和第二轴承242设置在外壳220上，具体地，第一轴承241和第二轴承242可以直接地设置在外壳220上，也可以通过支撑件设置在外壳220上。主轴231的两个端部分别可旋转地设置在第一轴承241内和第二轴承242内，以对主轴231进行双径向支撑。

静叶片250设置在外壳220的内表面上且与动叶片233相对地设置，用于与动叶片233相配合。高炉煤气从外壳220的进气端进入，通过外壳导流使高炉煤气转成轴向进入静叶片和动叶片组成的叶栅中，气体在叶栅的流道中不断膨胀做功，压力和温度逐渐降低，并转化为动能作用于转子使之旋转，进而将高炉煤气的压力能和热能转化为机械能。优选地，高速高炉煤气余压透平机105还包括静叶片驱动装置（未示出），用于改变静叶片的角度，使流量和压力可以在较宽的范围内调节，进而控制炉顶压力的误差在±5Kpa以内。作为示例，静叶片驱动装置可以为电液执行机构或电动执行机构，其能够带动静叶片250旋转，以调整静叶片250的角度，进而控制流量和压力改变。

优选地，静叶片250和动叶片233的叶片高度与主轴231的直径的比值小于等于0.2。本发明的动叶片和静叶片采用短叶片设计，可以使叶片的自振频率远高于工作转速下的激振频率，避免共振导致叶片断裂。此外，还可以降低动叶片在高速旋转下的离心拉应力，提高叶片的强度。

气封组件260设置在主轴231的靠近轮盘232的一端与外壳220之间。如图4所示，气封组件260包括靠近轮盘232的迷宫密封件261和远离轮盘的碳环密封件262。将气封组件260设置为包括迷宫密封件261和碳环密封件262可以降低可燃性气体的泄漏量。迷宫密封件261和碳环密封件262可以具有现有技术中常用的结构，因此不再详述。

本发明的高速高炉煤气余压透平机105由于采用双径向支撑的悬臂转子结构，因此具有设备结构简单、转速高等优点，进而使高速高炉煤气余压透平机105能够与高炉鼓风机的转速相匹配。这样，高速高炉煤气余压透平机105可以与高炉鼓风机直接相连，不仅节省了变速箱的能量耗损，也使得整个机组的轴系变得简单合理。此外，采用双径向支撑的悬臂转子结构，仅需在低压端设置气封组件，省去了高压端的密封，因此降低了出现事故的几率，保证设备的可靠性。进一步，由于高速高炉煤气余压透平机105可以具有较高的转速，叶栅中的气体流速较高，因此可以缓解积灰问题。

根据本发明一个实施方式，如图2和图3所示，动叶片233为一级动叶片结构，且静叶片250为一级静叶片结构。采用单级结构不仅使高速高炉煤气余压透平机105具有较高的转速，以适合于与高炉鼓风机同转速的高速场合，而且还具有较高的绝热效率。

根据本发明另一个实施方式，如图5所示，动叶片233为二级动叶片结构（即包括动叶片233A和233B），且静叶片250为二级静叶片结构（即包括静叶片250A和250B）。采用双级结构使高速高炉煤气余压透平机105既可以工作在与高炉鼓风机同转速的高速工况，又可以工作在与发电机或电机相同转速的工况，还使高速高炉煤气余压透平机105具有较高的绝热效率。

需要说明的是，以上仅以轴向进气-径向上排气结构为例，来说明高速高炉煤气余压透平机105的原理。高速高炉煤气余压透平机105还可以设置为其它进排气结构，在此不再一一列举。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims

1.一种高炉同轴等速透平机组，其特征在于，所述高炉同轴等速透平机组包括电动机、变速器、高炉鼓风机和高速高炉煤气余压透平机，所述电动机通过所述变速器连接在所述高炉鼓风机的一侧，所述高速高炉煤气余压透平机同轴地连接在所述高炉鼓风机的另一侧，所述高速高炉煤气余压透平机与所述高炉鼓风机的工作转速相同。

2.按照权利要求1所述的高炉同轴等速透平机组，其特征在于，所述高炉鼓风机与所述高速高炉煤气余压透平机之间还连接有离合器。

3.按照权利要求1所述的高炉同轴等速透平机组，其特征在于，所述高炉同轴等速透平机组的布置方式为双层布置。

4.按照权利要求3所述的高炉同轴等速透平机组，其特征在于，所述高炉鼓风机采用径向下进气-下排气的进排气结构。

5.按照权利要求3所述的高炉同轴等速透平机组，其特征在于，所述高速高炉煤气余压透平机采用轴向进气-径向下排气的进排气结构。

6.按照权利要求1所述的高炉同轴等速透平机组，其特征在于，所述高速高炉煤气余压透平机包括：

底座；

外壳，所述外壳连接在所述底座上，且所述外壳包括进气端和排气端；

转子，所述转子包括主轴、设置在所述主轴一端的轮盘以及设置在所述轮盘的外圆周的动叶片；

轴承组件，所述轴承组件包括设置在所述外壳上的第一轴承和第二轴承，所述主轴的两个端部分别可旋转地设置在所述第一轴承内和所述第二轴承内；

静叶片，所述静叶片设置在所述外壳的内表面上且与所述动叶片相对地设置，以与所述动叶片相配合；和

气封组件，所述气封组件设置在所述主轴的靠近所述轮盘的一端与所述外壳之间，所述气封组件包括靠近所述轮盘的迷宫密封件和远离所述轮盘的碳环密封件。

7.按照权利要求6所述的高炉同轴等速透平机组，其特征在于，所述主轴与所述轮盘为分体结构，所述主轴与所述轮盘通过拉杆连接。

8.按照权利要求6所述的高炉同轴等速透平机组，其特征在于，所述动叶片为一级动叶片结构，且所述静叶片为一级静叶片结构。

9.按照权利要求6所述的高炉同轴等速透平机组，其特征在于，所述动叶片为二级动叶片结构，且所述静叶片为二级静叶片结构。

10.按照权利要求6所述的高炉同轴等速透平机组，其特征在于，所述高速高炉煤气余压透平机还包括静叶片驱动装置，用于改变所述静叶片的角度。

11.按照权利要求6所述的高炉同轴等速透平机组，其特征在于，所述静叶片和所述动叶片的叶片高度与所述主轴的直径的比值小于等于0.2。