CN102661174A - 增压透平膨胀机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气体轴承增压透平膨胀机，包括一个中间壳体，所述中间壳体的左端安装透平蜗壳、右端安装有增压机蜗壳，所述中间壳体内可转动地设置有转子，在所述转子的两端分别设置有膨胀轮和增压轮，在所述转子上套设有两个气体轴承，用来支撑膨胀轮和增压轮。本发明的有益效果主要体现在：结构简单，轴损耗小，成本低廉；安全性能好，而且可以减少油轴承膨胀机中油汽的排放，减少了对环境的污染。该膨胀机的优异性将为增压透平膨胀机的发展奠定了一个里程碑式的基础。

Description

增压透平膨胀机

技术领域

本发明涉及一种增压透平膨胀机，尤其是一种使用气体轴承的增压透平膨胀机。 

背景技术

增压透平膨胀机是空气分离设备及天然气石油气液化分离设备和低温粉碎设备等获取冷量所必需的关键部机，是保证整套设备稳定运行的心脏。其主要原理是利用有一定压力的气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀对外做功而消耗气体本身的内能，从而使气体自身强烈地冷却而达到制冷的目的。透平膨胀机输出的能量由同轴压缩机回收或制动风机消耗。 

增压透平膨胀机包括一个中间壳体，中间壳体的左端安装透平蜗壳、右端安装有增压机蜗壳，中间壳体内设有转子，在转子的两端分别在透平蜗壳和增压机蜗壳内设置有膨胀轮和增压轮。目前的增压透平膨胀机用于支撑膨胀轮和增压轮的一般采用油轴承，而这种结构会带来很多的不便。由于油轴承的工作介质是润滑油，而在膨胀机的工作过程中润滑油有可能从膨胀端的出口处泄露出来，此时润滑油就和空气接触，就有可能有燃烧的危险；另外，由于需要对油轴承提供润滑油，所以一般在膨胀机的工作系统中还需要增加一套供油系统，这就会增加整套膨胀机系统的成本及结构的复杂度。 

目前增压透平膨胀机使用的膨胀轮和增压轮一般是由铝铸造而成，这样得到的膨胀轮和增压轮都较为粗糙，影响整个膨胀机的性能。另外，由于目前的膨胀轮和增压轮叶片的形状缘故，导致其工作效率也不是很高。 

发明内容

[0005] 本发明的目的在于解决上述的技术问题，提供一种安全性能好、成本低、结构简单、能耗较小而效率较高的增压透平膨胀机。 

本发明的目的通过以下技术方案来实现： 

一种增压透平膨胀机，包括一个中间壳体，所述中间壳体的左端安装透平蜗壳、右端安装有增压机蜗壳，所述中间壳体内可转动地设置有转子，在所述转子的两端分别在透平蜗壳和增压机蜗壳内设置有膨胀轮和增压轮，在所述转子上套设有左气体轴承和右气体轴承，所述左气体轴承用来支撑膨胀轮，所述的左气体轴承与膨胀轮之间设有密封套，所述右气体轴承用来支撑增压轮，所述的右气体轴承与增压轮之间设有限位密封板，所述的中间壳体上连接有4个接头组件，分别为左、右气体轴承提供轴承气，以及为密封套和限位密封板提供密封气，所述的增压轮包括相互固定的轮盘和轮盖，所述的轮盘上设有叶片，所述增压轮的叶片在周向上一长一短交错排布。

进一步地，所述的左气体轴承和右气体轴承之间设有轴承限位套，所述的轴承限位套套设在转子外、并与中间壳体配合。 

所述的膨胀轮包括相互固定的轮盘和轮盖，所述的轮盘上均布有叶片，所述的叶片呈圆柱抛物面设置。所述膨胀轮的轮盘和轮盖之间为钎焊接固定。所述膨胀轮的轮盖的表面设有4个环齿。 

所述的所述增压轮的叶片包括7个长叶片和7个短叶片。所述增压轮的轮盖的表面设有4个环齿。 

更进一步地，所述的透平蜗壳与膨胀轮之间设置有导流器，气体由透平蜗壳入口进入后，经导流器平均分配后再流经膨胀轮。 

本发明的有益效果主要体现在：结构简单，轴损耗小，能量利用彻底，膨胀机平均等熵效率达到82.15％，增压机平均等熵效率达到74.8％，价格只有同样参数油轴承膨胀机的1/6-1/8左右；安全性能好，不会有燃烧的危险；而且可以减少油轴承膨胀机中油汽的排放，减少了对环境的污染。另外，使用数控铣床加工简单膨胀轮和增压轮，且在两者的轮盘上都焊接有轮盖，使整个增压透平膨胀机的工作效率得到进一步提高。 

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明： 

图1：本发明增压透平膨胀机的剖视图。

图2：本发明增压透平膨胀机的膨胀轮的剖示图。 

图3：本发明增压透平膨胀机的膨胀轮的俯视图。 

图4：图3中A部分的放大图。 

图5：本发明增压透平膨胀机的增压轮的剖示图。 

图6：本发明增压透平膨胀机的增压轮的俯视图。 

图7：图6中B部分的放大图。 

其中。 

具体实施方式

如图1所示，本发明揭示了一种气体轴承增压透平膨胀机，与现有技术一样，包括一个中间壳体2，所述中间壳体2的左端安装透平蜗壳1、右端安装有增压机蜗壳3，所述中间壳体2内可转动地设置有转子8，在所述转子8的两端分别在透平蜗壳1和增压机蜗壳3内设置有膨胀轮4和增压轮12。与现有技术区别在于，在所述转子8上套设有左气体轴承6和右气体轴承9，所述左气体轴承6用来支撑膨胀轮4，所述右气体轴承9用来支撑增压轮12。为避免增压轮后的高温高压气体向轴承方向流动，采用了增压蜗壳带高翅片的换热结构，以冷却增压轮中的高温气体，同时还提高了增压效率。 

由于气体轴承的润滑剂为空气，所以不用担心是否会燃烧的问题。另外，气体轴承还有以下特点。①摩阻极低：由于气体粘度比液体低得多，在室温下空气粘度仅为10号机械油的五千分之一，而轴承的摩阻与粘度成正比，所以气体轴承的摩阻比液体润滑轴承低。②适用速度范围大：气体轴承的摩阻低，温升低。③适用温度范围广：气体能在极大的温度范围内保持气态，其粘度受温度影响很小。因此在使用气体轴承后，能量能利用的更彻底。 

在增压透平膨胀机运行时，很容易发生增压轮背的高压高温气体沿着主轴向轴承处流动，从而使轴承受热膨胀，使其与主轴的端面间隙变小，发生抱轴或卡死现象，本发明在左气体轴承6和右气体轴承9之间设有轴承限位套7，所述的轴承限位套7套设在转子8外、并与中间壳体2固定。这样的设计提高了轴承的承载能力，它可以强迫抑制轴承端面的膨胀，以保证装配间隙。 

为了进一步提高轴承的承载能力，本发明对左气体轴承和右气体轴承分别设置了单独的供气压力不同的轴承仪表气管道，根据轴承计算、确定了转子8的总的轴向力，再设置轴承的供气压力数值。同时，为了为平衡转子的轴向力，在增压轮背处增加压力测点，根据其数值将增压轮后的压力气体回流到增压端进口或提高增压轮背后的密封气压力。 

本发明的透平蜗壳1的左端连接有扩压器13，与扩压器13相联通有一个内扩压器14，所述的内扩压器14设置在透平蜗壳1的内部。透平蜗壳1的右端连接有绝热板16和连接套17，套接于中间壳体2之上。所述的透平蜗壳1与膨胀轮4之间设置有导流器15，如图1所示，导流器15的表面均布有一圈起气体导向作用的突起。气体由透平蜗壳1入口进入后，经导流器15平均分配后再流经膨胀轮4。 

所述的左气体轴承6与膨胀轮4之间设有密封套5，所述的右气体轴承9与增压轮12之间设有隔热套10和限位密封板11。这样，使得气体外漏量控制在最小的范围内。同时为了密封膨胀端和增压端的的低温后高温轮背气体，以防轴承受冷收缩或受热膨胀而破坏配合间隙，在膨胀端和低温端均设置了密封气；为了减少增压后的高温高压气体通过热传导使轴承膨胀，影响运转的稳定性，在增压后设置了环氧玻璃布板制成的隔热板36。 

如图1所示，在中间壳体2上设有4个接头组件，分别连接气源从而提供轴承气和密封气。其中，接头组件18a为左气体轴承6提供轴承气，接头组件18b为右气体轴承9提供轴承气，接头组件18c为限位密封板11提供密封气，接头组件18d为密封套5提供密封气。这样就不需要象现有技术一样需给膨胀机提供一个供油系统，所以本发明的结构简单，成本低廉，而且提高了膨胀机运行的稳定性。 

另外，本发明将转子的测速位置从通常的增压端进口管处移到了转子的中部，从而消除了因测速信号线引出而造成的气体外漏，即中间壳体2上还设有一个连接转速表的接头组件，接头组件内部的接触点抵接到转子8上，用于在膨胀轮工作中测量转子的转速。 

如图2、3、4所示，本发明的膨胀轮包括相互固定的轮盘41和轮盖42，在本优选实施例中轮盘41和轮盖42之间为钎焊接固定，当然本发明不排除其他的固定连接方式。所述的轮盘41上均布有叶片43，所述的叶片43呈圆柱抛物线设置，且叶片43的相对的两个面的圆柱横截面为抛物面，即用同心圆柱面剖切叶片的两个表面，形成的截交面为抛物面。这样的设置，使气体沿透平蜗壳1经导流器平均分配后，速度可达200米/秒以上，气流与膨胀轮的叶片成一定的夹角，冲击膨胀轮使其高速转动，气流然后沿叶片的半径方向进入到膨胀轮，在膨胀轮中改变其方向后，沿膨胀轮的轴线方向流出，即此时气体为向心径轴向流动。此外，喷嘴采用高效率的气动TC-3P超音速叶型，处于国际领先水平。 

本发明膨胀轮采用径轴流向心反动式闭式轮型式。所谓反动式，指膨胀机中的气流在喷嘴内只进行部分膨胀，便以一定的速度进入膨胀轮，推动膨胀轮旋转。气流进入膨胀轮后还进一步膨胀，气流的进一步膨胀所产生的反冲力进一步推动膨胀轮旋转对外做功。这个反冲力正像从火箭发动机尾部喷出的高速气流推动火箭前进一样。对反动式膨胀机来说，压力分成在导流器和膨胀轮中的两次降落。气体的焓值变化也是如此，即在导流器中转换一部分能量，到膨胀轮中又转换一部分能量。通常把透平膨胀机在膨胀轮内能量转换的多少(即焓值的降低数值)与通过导流器和叶轮整个级内能量转换的数量(总焓降)之比称为透平膨胀机的反动度。显然，对传统的冲击式透平膨胀机来说，反动度为零，对反动式透平膨胀饥，反动度一般在0.5左右。由于在冲击式透平膨胀机中气流在喷嘴内的压降很大，一般从0.55MPa(绝对压力)左右降至0.135MPa(绝对压力)左右，喷嘴出口气流的速度很高，流动损失大，因而效率较低，效率一般只有68％一72％。对于反动式透平膨胀机，在喷嘴中的压力降一般是从0.55MPa降至0.27MPa左右，喷嘴出口气流速度相对较低，流动损失也较小。膨胀机效率一般可达80％一90％。因此，反动式膨胀机相对传统的冲击式透平膨胀机来说，工作效率提高了很多。 

进一步，所述的轮盖42的表面设有4个环齿44，与内扩压器14的表面配合形成迷宫式密封，使整个膨胀机的密封效果更好，减少了气体内漏流量。另外，轮盘41和轮盖42均为锻铝机加工而成。本优选实施例为数控铣床加工而成，输入坐标值就能加工出本发明的膨胀轮，简单方便。 

如图5、6、7所示，本发明的增压轮12采用高效率的前倾后弯式三元流闭式轮型式，包括相互固定的轮盘121和轮盖122，在本优选实施例中轮盘121和轮盖122之间为钎焊接固定，当然本发明不排除其他的固定连接方式。所述的轮盘121上设有叶片123。叶片周向上一长一短交错排布，长叶片和短叶片各七个。 

进一步，所述的轮盘121的表面设有4个环齿124，与端盖体19的表面配合形成迷宫式密封；所述的轮盖122的表面同样设有4个环齿，与限位密封板11的表面配合形成迷宫式密封，这样使整个膨胀机的密封效果更好，保证气体内泄漏流量减少。另外，轮盘121和轮盖122均为锻铝机加工而成。本优选实施例为数控铣床加工而成，输入坐标值就能加工出本发明的增压轮，简单方便。 

本发明中，在膨胀轮和增压轮后均采用了轮背密封，轮背密封外圆的尺寸根据转子的轴向力计算决定，以保证转子具有较小的轴向力。 

下面介绍一下本发明膨胀机的气体流动方向。在膨胀端，气体从透平蜗壳1的入口进入，经导流器15平均分配后再流经膨胀轮4，然后从扩压器13端流出。在增压端，气体从端盖体19的入口进入，流经增压轮12，然后从增压机蜗壳3的出口流出。本发明的膨胀比达到6.8，增压比为1.408。另外，对于膨胀机来说，最经济最好的调节性能的方法是改变喷嘴叶片高度，当膨胀机处于不同工况时，需要的冷量可能是不一样的，这时就可以采取用不同叶片高度的喷嘴来调节膨胀气量。 

本发明尚有多种具体的实施方式，凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。 

Claims (9)

1. 一种增压透平膨胀机，包括一个中间壳体（2），所述中间壳体（2）的左端安装透平蜗壳（1）、右端安装有增压机蜗壳（3），所述中间壳体（2）内可转动地设置有转子（8），在所述转子（8）的两端分别在透平蜗壳（1）和增压机蜗壳（3）内设置有膨胀轮（4）和增压轮（12），其特征在于：在所述转子（8）上套设有左气体轴承（6）和右气体轴承（9），所述左气体轴承（6）用来支撑膨胀轮（4），所述的左气体轴承（6）与膨胀轮（4）之间设有密封套（5），所述右气体轴承（9）用来支撑增压轮（12），所述的右气体轴承（9）与增压轮（12）之间设有限位密封板（11），所述的中间壳体（2）上连接有4个接头组件，分别为左、右气体轴承（6、9）提供轴承气，以及为密封套（5）和限位密封板（11）提供密封气，所述的增压轮（12）包括相互固定的轮盘（121）和轮盖（122），所述的轮盘（121）上设有叶片（123），所述增压轮的叶片在周向上一长一短交错排布。

2.根据权利要求1所述的增压透平膨胀机，其特征在于：所述的左气体轴承（6）和右气体轴承（9）之间设有轴承限位套（7），所述的轴承限位套（7）套设在转子（8）外、并与中间壳体（2）配合。

3.根据权利要求1所述的增压透平膨胀机，其特征在于：所述的膨胀轮（4）包括相互固定的轮盘（41）和轮盖（42），所述的轮盘（41）上均布有叶片（43），所述的叶片（43）呈圆柱抛物面设置。

4.根据权利要求3所述的增压透平膨胀机，其特征在于：所述膨胀轮（4）的轮盘（41）和轮盖（42）之间为钎焊接固定。

5.根据权利要求4所述的增压透平膨胀机，其特征在于：所述膨胀轮（4）的轮盖（42）的表面设有4个环齿（44）。

6.根据权利要求1所述的增压透平膨胀机，其特征在于：所述增压轮的叶片（123）包括7个长叶片和7个短叶片。

7.根据权利要求6所述的增压透平膨胀机，其特征在于：所述增压轮（12）的轮盘（121）和轮盖（122）之间为钎焊接固定。

8.根据权利要求7所述的增压透平膨胀机，其特征在于：所述增压轮（12）的轮盖（122）的表面设有4个环齿（124）。

9.根据权利要求1所述的增压透平膨胀机，其特征在于：所述的透平蜗壳（1）与膨胀轮（4）之间设置有导流器（15），气体由透平蜗壳（1）入口进入后，经导流器（15）平均分配后再流经膨胀轮（4）。

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