CN105579686B - 利用轴向流膨胀机的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本技术的示例性实施例提供一种用于降低流体温度的系统。该系统包括轴向流膨胀机，用于膨胀在沿轴向流膨胀机轴线的方向上流动的气体。轴向流膨胀机包括：制成为具有进气端口和出气端口的统一结构的外部壳体。内部壳体固定在外部壳体里面。转子轴容纳在内部壳体里面，并与轴线对齐。若干轴承允许转子轴围绕轴线旋转。移动叶片从转子轴突出并以用若干定子叶片替换的方式安置在气体通道里面。内部壳体、转子轴、轴承、定子叶片和移动叶片被整体组装，并在沿轴线的方向上插入外部壳体中。

Description

利用轴向流膨胀机的系统和方法
相关申请
本申请要求2013年6月28日由Uptigrove、Calafell、Rasmussen、Mori和Nagao提交的题为“System and Method of Utilizing Axial Flow Expenders(利用轴向流膨胀机的系统和方法)”的美国临时专利申请序列号61/840792的优先权。
技术领域
本技术的示例性实施例涉及使用膨胀机涡轮机。具体地，本文提供具有相对于轴的轴向流体流动的膨胀机涡轮机。
背景技术
大量的天然气(即，主要是甲烷)位于世界的偏远地区。如果该气体能够经济地运输到市场，其具有重要的价值。气体储存的地方合理地位于邻近市场，且两个位置之间的地势允许，气体通常产生且然后通过水下或陆上管道运输到市场。然而，当气体在铺设管道不可实行或经济上禁止的地方产生时，其它技术必须用于让该气体运到市场。
用于气体的非管道运输的常用技术涉及在生产地处或生产地附近液化该气体且然后将运输船上专门设计的储存罐中的液化天然气运输到市场。天然气被冷却并压缩到液态以产生液化天然气(“LNG”)。LNG通常，但不总是，以大致大气压力和约162℃(-260℉)的温度运输，从而显著增加能够被储存在运输船上的特定储存罐中的气体量。例如，LNG需要约1/600体积的气相天热气。
一旦LNG运输船到达它的目的地，LNG通常卸载到其它存储罐中，LNG然后能够从所述其它存储罐再汽化为所需的并作为气体通过管道等运输到最终使用者。LNG已逐渐成为受欢迎的运输方法以用天然气供应主要的能源消耗国家。
液化过程可具有若干阶段，在所述若干阶段期间，天然气被冷却并液化。在冷却过程期间，压力降低，且液化产品的装运压力接近大气压力(例如，约3.6psig或更小)。在液化过程期间通过降低天然气的焓，压力的降低帮助冷却天然气。制冷设备也用于移除热能。该过程的一个阶段要求高压天然气流被降低足够的压力以通过从液化天然气流抽出能量(或焓)来帮助极冷LNG(或过冷的LNG)的产生。
液压涡轮机中的压力下降通常会在LNG过程中用以移除制冷流和天然气流或其它系统中的能量，从而获得较低的温度。从这些流中移除的能量也可用于生成电功率。例如，涡轮机能够与发电机耦合以提供移除能量所需的制动载荷。发电机可耦合到电网设施，其中额外的功率改善过程的热力学效率。在LNG过程中，效率改善可约为1至2％，从而导致每年节省许多兆瓦时并改善液化过程的经济合理性。
其它各方已提出应用串联涡轮机以满足大于在现有设施中通常执行的量级处的高压下降的需要的概念。串联膨胀的示例在与空气分离相关的专利中，以及串接LNG液化过程中等被考虑。
Pachaly的美国专利号3,724,226公开采用整合的深冷纯化的LNG膨胀机循环过程。在该过程中，功膨胀的制冷部分经历压缩循环且为通过一连串膨胀涡轮机膨胀的功。膨胀涡轮机通过与压缩机合用共用的轴或其它机械耦合供应在制冷气体循环中驱动压缩机系统所需的至少部分功率。所用的膨胀机为涡轮膨胀机，其能够液化一部分高压气流，因为高压气流通过涡轮膨胀机减压。膨胀流然后能够在流经更多涡轮膨胀机之前通过冷却设备流动以移除更多能量。
Roberts的美国专利号4,019,343公开使用转换液体涡轮机的焓的制冷系统。制冷系统使用一连串的液体涡轮机，每个液体涡轮机具有相关联的压缩机。液氨流被允许在液体涡轮机中膨胀，在此过程期间一部分液体闪蒸(flash)并被传送到相关联的压缩机。冷却的膨胀液体流动到串联中的下一个涡轮机，在所述下一个涡轮机中重复该过程。
相关的信息可在美国专利号2,922,285、3,677,019、4,638,638、4,758,257、5,651,269、6,105,389、6,647,744、6,898,949和7,047,764中发现。进一步的信息也可在美国专利申请公开号2003/0005698和2005/0183452中发现。额外的信息可在国际专利申请公开号WO2007/021351和欧洲专利申请公开号0672877A1中发现。
当前的涡轮膨胀机为离心式膨胀机，其具有在形成叶轮的中心轴上形成三角形形状的一连串的叶片。高压流从叶轮的外直径处的叶片尖端上的端口进入，从而径向向内流动，旋转叶轮从而转动轴，且较低压力流通过出口从轴的中心离开，从而从叶轮轴向流出。每个膨胀机通常具有单一膨胀机叶轮。因此，这些涡轮膨胀机具有相对小的流率和压力下降。因此，当在大型设施中生成液化气时需要多个离心式膨胀机。鉴于此，由于增加的成本、增加的空间要求，以及由增加的机械量复杂化的维修特点，离心式膨胀机不优选在大型装置中使用。离心式膨胀机的效率通常也限制为约低的80％的水平。此外，轴向膨胀机能够提供较高的效率，从而导致更多的液体或用于相同压力下降的流体的过冷，所述相同的压力下降在气体液化和气体分离过程中会是非常重要的。进一步地，轴向涡轮机已经广泛地研发为汽轮机，但具有用于气体膨胀机的非常有限的应用。
例如，Ono等人的日本专利公开号2003-27901(以下称为“Ono专利”)公开轴向流膨胀机。轴向流膨胀机被提供有涡轮机级，其被配置为从静止叶片附接到静止本体和从移动叶片附接到涡轮机转子。具有多个涡轮机级的工作流体流动路径在涡轮机的轴向方向上对齐。旁通流动路径被提供在工作流体流动路径外部，以允许从工作流体的流动方向的上游侧流动的部分工作流体绕过至少一个涡轮机级的外围侧并引进到位于从绕过的涡轮机级的工作流体的流动方向上的下游侧上的涡轮机级中。
然而，常常需要旋转机器可用于从壳体移除内部部件，用于维修。在Ono专利中公开的轴向流膨胀机不提供用于移除壳体中的内部部件的这种结构。实际上，在没有用于打开该箱的结构的情况下，流动路径里面的固定结构防止移除。为了允许组装和维修，Ono专利允许壳体在水平平面上被分为两部分。然而，该箱的分开结构可降低能够通过涡轮膨胀机保留的压力。在用于制冷循环中或用于过程气体冷却的膨胀机中，壳体内部经受高压。鉴于此，可以有气体从分界面泄漏。
因此，需要轴向流膨胀机，其能够增加流率、增加的压力下降、较高的效率，以及在高压气体中密封。
发明内容
本技术的示例性实施例提供一种用于降低流体温度的系统。该系统包括轴向流膨胀机，用于膨胀在沿轴向流膨胀机轴线的方向上流动的气体。轴向流膨胀机包括：在轴线周围居中的外部壳体，其中外部壳体为具有进气端口和出气端口的统一结构；在轴线周围居中的、固定在外部壳体里面的内部壳体，其中内部壳体具有气体通道，该气体通道被配置为允许气体从外部壳体的进气端口进入内部壳体并离开内部壳体到外部壳体的出气端口。转子轴容纳在内部壳体里面，且其轴向中心与轴线对齐。若干轴承固定到内部壳体，其中所述轴承被配置为允许转子轴相对于内部壳体围绕轴线转动。若干定子叶片固定到内部壳体以便从内部壳体的内表面向内突出，其中定子叶片安置在气体通道里面以便在轴线的方向上以一定间隔隔开。若干移动叶片固定到转子轴以便从转子轴向外突出，并安置在气体通道里面以便用定子叶片替换。内部壳体、转子轴、轴承、定子叶片和移动叶片被整体组装，且组装的构件在沿轴线的方向上插入外部壳体中。
本技术的另一示例性实施例提供一种用于冷却轴向流膨胀机中的流体的方法。所述方法包括使高压流体流到轴向流膨胀机中，其中所述轴向流膨胀机包括在轴线周围居中的外部壳体。外部壳体为具有进气端口和出气端口的统一结构。轴向流膨胀机还具有在轴线周围居中的、固定在外部壳体里面的内部壳体，其中内部壳体具有气体通道，该气体通道被配置为允许气体从外部壳体的进气端口进入内部壳体并离开内部壳体到外部壳体的出气端口。转子轴容纳在内部壳体里面，且其轴向中心与轴线对齐。若干轴承固定到内部壳体，其中所述轴承被配置为允许转子轴相对于内部壳体围绕轴线旋转。若干定子叶片固定到内部壳体以便从内部壳体的内表面向内突出，其中定子叶片安置在气体通道里面以便在轴线的方向上以一定间隔隔开。若干移动叶片固定到转子轴以便从转子轴向外突出，且安置在气体通道里面以便用定子叶片替换。内部壳体、转子轴、轴承、定子叶片和移动叶片被整体组装，且组装的构件在沿轴线的方向上插入外部壳体中。所述方法还包括使轴向流膨胀机中的流体膨胀以转动转子轴。能量通过将机械能施加到耦合到机械设备的转子轴中从流体中移除。冷却的流体流到下游处理设备中。
另一示例性实施例提供一种液化天然气(LNG)装置，所述LNG装置包括气体处理装置，该气体处理装置被配置为移除供给的原料天然气中的杂质以形成处理的天然气，其中处理的天然气流到冷冻系统中；且冷冻系统包括轴向流膨胀机，用于膨胀在沿轴向流膨胀机轴线的方向上流动的气体。轴向流膨胀机包括在轴线周围居中的外部壳体。外部壳体为具有进气端口和出气端口的统一结构。轴向流膨胀机还具有在轴线周围居中的、固定在外部壳体里面的内部壳体，其中内部壳体具有气体通道，该气体通道被配置为允许气体从外部壳体的进气端口进入内部壳体并离开内部壳体到外部壳体的出气端口。转子轴容纳在内部壳体里面，且其轴向中心与轴线对齐。若干轴承固定到内部壳体，其中所述轴承被配置为允许转子轴相对于内部壳体围绕轴线旋转。若干定子叶片固定到内部壳体以便从内部壳体的内表面向内突出，其中定子叶片安置在气体通道里面以便在轴线的方向上以一定间隔隔开。若干移动叶片固定到转子轴以便从转子轴向外突出，且安置在气体通道里面以便用定子叶片替换。内部壳体、转子轴、轴承、定子叶片和移动叶片被整体组装，且组装的构件在沿轴线的方向上插入外部壳体中。
附图说明
通过参考下面的具体实施方式和附图更好地理解本技术的优点，其中：
图1为液化天然气(LNG)装置的方框图；
图2为LNG装置的冷却/压缩段的方框图；
图3图示说明LNG装置，其中膨胀机环路(即，膨胀机循环)和过冷环路可使用多个膨胀机涡轮机产生电力，同时移除能量；
图4为基于离心式膨胀机的膨胀机涡轮机发电机的示意图；
图5为轴向流膨胀机的横截面视图；
图6为另一轴向流膨胀机的横截面视图；
图7为又一轴向流膨胀机的横截面视图；
图8为用于驱动两个压缩机的轴向流膨胀机的示意图，其中两个压缩机中的一个来自轴线的每端；
图9为驱动两个压缩机的轴向流膨胀机的示意图，其中整个系统封闭在密封箱内；以及
图10为一种用于使用轴向流膨胀机降低流动流中的能量的方法的流程图。
具体实施方式
在下面的具体实施方式部分中，描述本技术的具体实施例。然而，在下面的描述仅限于特定实施例或本技术的特定用途的程度，其旨在仅为了示例性目的且仅提供示例性实施例的描述。因此，本技术不限于下面描述的具体实施例，但反而，包括落在所附权利要求的真实精神和范围内的所有替换、修改和等效物。
最初，为了便于参考，阐述在该申请中使用的特定术语和在该背景中使用的它们的意思。在本文使用的术语没有在下面进行限定的程度，应该给出最广泛的定义。相关领域人员已经给出如在至少一个印刷公开或发表专利中反映的那个术语。进一步地，本技术不受限于下面所示的术语的使用，因为相同或类似目的的所有等效物、同义词、新的发展，和术语或技术被认为在本权利要求的范围内。
如本文所用，“压缩机”包括任何类型的装备，该装备经设计以增加材料的压力，且包括任何一种类型或类似或不同类型的压缩装备的组合。压缩机也可包括与压缩机相关联的辅助装备，诸如马达，和驱动系统以及其他。压缩机可利用一个或更多个压缩级，例如，串联。说明性压缩机可包括，但不限于，正排量类型，例如诸如往复运动并旋转的压缩机，和动态类型，例如，诸如离心和轴向流压缩机。
“低温温度”指约-50℃或以下的温度。
“膨胀装置”指适于减少管道中的流体(例如，液体流、蒸气流，或包括液体和蒸气二者的多相流)的压力的一个或更多个装置。除非具体陈述特定类型的膨胀装置，膨胀可至少部分地通过等焓装置执行，可至少部分地通过等熵装置执行，或可至少部分地通过等熵装置和等焓装置二者的组合执行。用于天然气和其它流体的等焓膨胀的合适的装置在本领域中已熟知且通常包括，但不限于，手动或自动致动的节流装置，诸如，例如，气门、控制阀、焦耳-汤姆孙(J-T)阀或文丘里装置。用于天然气的等熵膨胀的合适的装置在本领域中已熟知。通常，它们包括诸如从此类膨胀抽出或得到功的膨胀机或涡轮膨胀机的装备。用于液体流的等熵膨胀的合适的装置在本领域中已熟知。通常，它们包括诸如从此类膨胀抽出或得到功的膨胀机、液压膨胀机、膨胀机涡轮机，或涡轮膨胀机的装备。等熵装置和等焓装置二者的组合的示例可为并联的焦耳-汤姆孙阀和涡轮膨胀机，该组合提供仅使用焦耳-汤姆孙阀和涡轮膨胀机中的任一种或两者同时使用的能力。等焓或等熵膨胀能够在所有液相、所有蒸气相，或混合相中实施，且能够经实施以促进相从蒸气流或液体流到多相流(包含液相和蒸气相二者的流)的变化。在本文的附图描述中，在任一附图中参考不止一种膨胀装置不一定意味着每个膨胀装置的类型或大小相同。
“膨胀类型冷却”指当流体或两相系统的压力通过经过压力减小装置的通道减小时发生的冷却。在一个实施例中，膨胀装置为焦耳-汤姆孙膨胀阀。在本发明的另一实施例中，膨胀装置为液压或气体膨胀机，诸如涡轮膨胀机。在涡轮机中，冷却从流中移除能量作为机械能。
如本文所用，“流体”指可压缩相材料。流体能够包括气体或超临界流体。流体可包括除可压缩相之外的在通过膨胀机膨胀之前或之后的一些液相材料。
如本文使用，“热交换单元”包括任一类型或本领域熟知的用于促进热传递的类似或不同类型的装备的组合。因此，热交换设备可为设备的单一零件，或其可包括包含在多个装备零件中的装备。相反地，多个热交换单元可包括在装备的单一零件中，例如，包括多个热交换器的冷却箱。
术语“气体”用“蒸气”可交换地使用，且被定义为不同于液态或固态的气态中的物质或物质的混合物。同样地，术语“液体”意为不同于气态或固态的液态中的物质或物质的混合物。
“碳氢化合物”是有机化合物，其主要包括元素氢和碳，虽然氮、硫、氧、金属，或任何数量的其它元素可少量出现。如本文所用，碳氢化合物通常指在原料天然气中发现的化合物，诸如CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3同分异构体、C4同分异构体、苯，等等。
“液化天然气”或“LNG”为通常熟知的包括高百分比的甲烷，但还包括其它元素和/或化合物的天然流体502。其它元素或化合物可包括，但不限于乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳、氮气、氦气、硫化氢(或其组合)，其已被处理以移除一个或更多个化合物(比如，氦气)或杂质(比如，水和/或重碳氢化合物)且然后在几乎大气压力下通过冷却被冷凝为液体。
术语“天然气”指从原油井(相关联的气体)或从(非相关性的气体)地下含气层得到的多化合物气体。天然气的成分和压力能够明显改变。典型的天然气流包含甲烷(C1)作为重要的化合物。原料天然气可常常包含乙烷(C2)、较高分子量碳氢化合物、一种或更多种酸性气体(诸如二氧化碳、硫化氢、硫化羰、二硫化碳和硫醇)，以及少量的污染物，诸如水、氮、硫化铁、蜡和原油。
“压力”是每单位面积通过体积壁上的气体施加的力。压力能够被示为磅/平方英尺(psi)。“大气压力”指空气的局部压力。“绝对压力”(psia)指大气压力(标准条件下14.7psia)加上表压力(psig)的总和。“表压力”(psig)指通过计量器测量的压力，其仅指示超过局部大气压力的压力(即，0psig的表压力对应于14.7psia的绝对压力)。术语“蒸气压力”具有通常的热力学意义。对于给定压力下的封闭系统中的纯化合物，该化合物蒸气压力基本上等于系统中的总压力。
“酸性气体”通常指包含酸性物质的天然气，该酸性物质诸如硫化氢(H2S)和二氧化碳(CO2)。当H2S和CO2已从天然气供给流移除时，气体被归为“甜性的”。由于甚至在较低浓度处从不甜的气体发出的气味，术语“酸性气体”应用到包括H2S的天然气。
当参考材料的量或数量或其具体特点使用时，“大量的”指足以提供材料或特点旨在提供的效果的数量。在一些情况中，可允许的偏差的准确程度可取决于具体背景。
综述
在本文描述的实施例中，轴向流膨胀机被提供用于冷却流体。轴向流膨胀机能够提供比离心式膨胀机更高的流量，从而允许在用于例如液化天然气、制冷剂，或冷却的气流以及其他的相等产量的装置中的较少涡轮机的使用。进一步地，本文描述的设计具有统一箱，从而允许涡轮机沿轴线通过端口滑到流动路径中。相比分离式箱设计，统一箱设计可增加潜在的操作压力，该操作压力在没有流体泄漏的情况下能够使用。
在轴向流膨胀机中，移动叶片的高度尺寸随流率的增加而增加，这样能够引起有问题的推力量。因此，在一些实施例中，来自推力的问题通过使用双流类型结构缓和，在所述双流类型结构中流体流流经入口的每侧上的涡轮机，从而取消推力。由于轴不受一端处的进气端口的阻碍，轴向流膨胀机还允许装备被附接到涡轮机每侧上的轴。轴的每端处的装备的使用提供负荷平衡，从而缓和来自下游装备的推力效果。
本文描述的轴向流膨胀机可在任何数量的冷却应用中使用。例如，轴向流膨胀机可用于气流的冷却，诸如在制冷应用中。在另一应用中，轴向流膨胀机可用于气体冷却和液体移除，例如，以产生LNG。
在膨胀和冷却过程期间移除的机械能可用于向其它装备(诸如，压缩机、发电机等)供以动力。虽然本文讨论示例性LNG装置，但能够理解，这仅是轴向流膨胀机的一种应用。
图1为液化天然气(LNG)装置的方框图。如图1所示，原料气体进给102能够在气体处理装置104中处理。气体处理装置104可移除酸性气体(诸如CO2和H2S)，以及水、较重碳氢化合物(诸如乙烷、乙烯、C3同分异构体和较高碳化合物)和其它杂质。处理的天然气106在LNG装置108中被冷却并液化。一部分处理的气体106可在气轮机中燃烧以对LNG装置108供以动力，例如，驱动LNG装置108的冷却/压缩段110中的制冷压缩机。如上所述，在产生LNG112后，其被输送到货物装载点，在所述货物装载点处其可装载到船中或其它LNG运输船，以运到能源消耗地。LNG装置108的冷却/压缩段110在图2中详细讨论。
图2为LNG装置108(图1)的冷却/压缩段110的方框图。在冷却/压缩段110中，处理的气体供给106可通过一个或更多个冷冻器202传送以移除能量并使气体冷凝。冷冻器202可通过一个或更多个制冷系统204冷却，所述制冷系统204可包括压缩机206、冷却器208和膨胀机210。膨胀机210提供压力下降，该压力下降能够移除制冷剂中的能量。压力下降被描述为使流体的压力从较高压力(P1)减小到较低压力(P2)。这能够用于在使制冷剂通过冷冻器202流动之前减少制冷剂的能量。在示例性实施例中，制冷膨胀机210可包括轴向流膨胀机，其能够耦合到发电机以提供制动载荷。因此，能够使用通过轴向流膨胀机从流体流中移除的能量生成电功率。轴向流膨胀机能够耦合到压缩机，而不是耦合到发电机或者除了发电机之外，从而提供例如压缩服务，以用于压缩制冷气体。进一步地，轴向流膨胀机能够在LNG生产流中直接使用，从而冷却高压天然气，同时降低压力。
一旦LNG被几乎完全液化，最终的LNG膨胀机212可用于提供压力下降从而降低LNG流中的任何剩余气体的压力并进一步减少它的能量。LNG膨胀机212可与描述的用于制冷膨胀机210的类型相同。在本技术的示例性实施例中，一个或更多个轴向流膨胀机能够在，例如串联或串并联设置中使用，从而在LNG过程中实现压力下降。任何数量的LNG装置技术可使用本技术的示例性实施例，诸如图3所图示说明的LNG装置配置。
图3图示说明LNG装置300，在所述LNG装置300中，膨胀机环路302(即，膨胀机循环)和过冷环路304可使用轴向流膨胀机产生电力，同时移除制冷剂和原料气流306中的能量。如本文所用，术语“环路”和“循环”可交换使用。在图3中，原料气流306在小于约1200psia的压力下进入液化过程。原料气流306可在较低压力下，例如，小于约600psia。通常地，原料气流306的压力能够约为800psia。原料气流306可包括已被处理以移除污染物的天然气，诸如处理的天然气流106(图1)。
一部分原料气流306可被取出以形成侧流308，从而为膨胀机环路302提供制冷剂。然而，如果天然气在膨胀机环路302中用作制冷剂，其可在该过程中(包括原料气体已经传送到热交换区域后)从任何数量的其它位置取出。侧流308能够被传送到压缩机310，在所述压缩机310处，侧流可压缩到大于约1500psia的压力，从而提供压缩的制冷流312。由于可使用任何压力，压力不限于1500psia。例如，压缩的制冷流312可在大于约2500psia或甚至更大的压力处。
在离开压缩机310后，压缩的制冷流312可流经冷却器314，在所述冷却器314处，压缩的制冷流312能够通过与合适的冷却流体的间接热交换被冷却，从而提供压缩的冷却的制冷流。虽然能够使用任何类型的冷却流体，但冷却器314可使用水或空气作为冷却流体。当压缩的制冷流312脱离冷却器314时，压缩的制冷流312的温度取决于环境条件和使用的冷却介质，且可约为35℉至约105℉。冷却的压缩的制冷流312然后能够传送到膨胀机316，在所述膨胀机316处，该制冷流能够膨胀并冷却，从而形成膨胀的制冷流318。在本技术的示例性实施例中，膨胀机316包括一个或更多个轴向流膨胀机，如下面进一步详细所讨论的。轴向流膨胀机能够用于提供用于驱动压缩机310的至少一部分能量。
膨胀的制冷流318可流动到第一热交换单元320以为第一热交换单元320提供至少部分制冷负荷。在第一热交换单元320中，膨胀的制冷流318可被传送通过热交换器322。在一些实施例中，膨胀的制冷流318可在热交换器322中闪蒸以提供更大的冷却。
当离开第一热交换单元320时，膨胀的制冷流318能够被供给到压缩机324。在压缩机324中，膨胀的制冷流318经压缩以形成压缩的流326，其然后能够与侧流308结合。一旦膨胀机环路302已充满来自侧流308的原料气体306，仅少量的原料气体306可用于偿还由于泄漏的损失。因此，进入压缩机310的大部分气体将通常由压缩的流326提供。没有取出作为侧流308的部分原料气流306传送到热交换单元320，在所述热交换设备320处，其可至少部分地通过与膨胀的制冷流318的间接热交换冷却，例如，通过流经热交换器328。
在离开第一热交换单元320后，原料气流306能够传送通过第二热交换单元330。第二热交换单元330能够用于，例如，通过与过冷环路304的间接热交换来使原料气流306过冷，从而产生过冷流332。过冷流332可在第二膨胀机334中膨胀到较低压力，从而部分液化过冷流332以形成液体部分和剩余的蒸气部分。在本技术的示例性实施例中，例如，第二膨胀机334包括串联或串并联设置中的一个或更多个轴向流膨胀机从而生成电力，如下面进一步详细所述。
冷却的过冷流332能够被传送到调压室336，在所述调压室336处，液化部分338从过程中取出作为LNG流340，该LNG流340具有对应于起泡点压力的温度。剩余的蒸气部分可包括天然气和过冷流332中残留的任何氮二者。蒸气部分流342可用作燃料以向压缩机供以动力，例如，在汽轮机引擎中燃烧以驱动压缩机弹簧。在用作燃料之前，所有的或一部分闪蒸蒸气流342可通过热交换单元330和320中的热交换器344从调压室336传送以补充通过制冷剂提供的冷却。
一部分闪蒸蒸气342可通过管道346取出，从而在过冷环路304中充当制冷剂。一旦过冷环路304完全充满气体，仅补充气体(即，来自管道346的额外的闪蒸蒸气)可被添加以偿还由于泄漏的损失。在过冷环路304中，膨胀的流348能够从第三膨胀机350排出且通过第二热交换单元330中的热交换器352和第一热交换单元320中的第二热交换器354传送。由于膨胀的流348通过热交换单元330和320传送，其能够被闪蒸成蒸气流356。蒸气流356能够被供给到压缩机358，在所述压缩机358中，蒸气流再压缩到较高压力。在离开压缩机358后，再压缩后的过冷制冷流能够通过第二冷却器360传送以移除压缩中的热。虽然可使用任何类型的冷却器，但第二冷却器360可为与冷却器314相同的类型。在冷却后，再压缩后的过冷制冷流传送到第一热交换单元320，在所述第一热交换单元320处，其可通过与膨胀的制冷流318、过冷制冷流348以及闪蒸蒸气流342的间接热交换而被进一步冷却。在离开第一热交换单元320后，再压缩后的并冷却后的过冷制冷流能够通过膨胀机350膨胀以提供膨胀的流348，该膨胀的流348然后可用于重复该循环。
本文所述的技术不限于图3所图示说明的示例性实施例中所示的配置，因为任何数量的过程可使用本文所述的用于LNG液化过程和用于制冷负荷二者的轴向流膨胀机。这些过程可包括来自空气产品公司(AirProducts)的LNG生产过程C3MR和APCI、来自康菲石油公司(ConocoPhillips)的串接LNG过程、Shell DMR LNG过程，以及来自林德的LNG生产过程。如本文所提到的，其它过程也可使用轴向流膨胀机，包括低温空气。
标准膨胀机涡轮机
图4是罐装的膨胀机涡轮机/发电机400的图示说明。如图4所示，发电机402和膨胀机涡轮机404二者位于单一容器406里面。容器406具有耦合到流体入口410的头部408。从流体入口410，过程流体(诸如LNG或制冷剂)能够流动通过发电机402周围的容器406，并通过膨胀机涡轮机404的轮子。过程流体然后通过流体出口412离开容器。来自发电机402的功率通过电力线路移除，所述电力线路通过发电机功率导管414和电功率馈送通路416离开头部408。该配置对在移动部分周围的密封的消除有优势，该移动部分诸如耦合发电机402和膨胀机涡轮机404的轴。这些密封可不比用于密封头部408到容器406或诸如导管414的管段到另一管段420的法兰418可靠。图4所示的罐装的膨胀机涡轮机/发电机400可商购自Ebarra公司。然而，罐装的膨胀机涡轮机/发电机400仅在有限的功率配置(例如，2.4MW或更小)中可用。因此，串联配置可用于获得足够的容量，诸如串联的三个、四个、五个、六个、七个或更多个单元。进一步地，在单元故障的情况下，用于替换的备用单元的当前技术常以大量的成本使用每个安装的单元的备件。相比之下，本文描述的系统可具有较高的流动容量，从而需要较少的单元实现相同的总容量。
轴向流膨胀机
关于图5至图7讨论用于轴向流膨胀机的示例性设计。然而，虽然讨论了具体的设计细节，但轴向流膨胀机不限于所示的具体细节。使用的密封件、轴承和其它系统及装置可基于所需的服务进行选择。通常，本文所描述的轴向流膨胀机具有统一箱，转子组件结构可被轴向地插入所述统一箱中。统一箱结构消除潜在的泄漏点，从而在可导致分离箱设计泄漏的条件下允许涡轮机的使用，其中在分离箱设计中所述潜在的泄漏点可在箱的每一半之间的接合处发生。
图5为轴向流膨胀机500的横截面视图。如上所指示的，轴向流膨胀机500被配置为通过允许流体502的大量的等熵膨胀用作用于制冷循环、用于气体冷却，和用于液体恢复的膨胀机。
轴向流膨胀机500包括圆柱形形状的外部壳体504和能够插入外部壳体504中的转子组件506。外部壳体504为围绕轴线508居中的圆柱形主体。在图1所示的实施例中，轴向流膨胀机500被形成为以便在沿轴线508方向的圆柱形主体的中心位置处相对于垂直于轴线508的假想线510基本对称。此外，外部壳体504具有进气端口512，该进气端口被形成以便在中心位置处在外部壳体504的径向方向上突出，假想线510在所述中心位置处被绘制。
进气端口512被提供有在径向方向上穿过的通孔，其中流体502能够经由进气端口512被引进外部壳体504中。此外，进气端口512被提供有法兰部分514，该法兰部分514在径向方向上的进气端口512的外端处具有大的外直径。进气端口512能够经由法兰部分514连接到进气导管(未示出)。
此外，外部壳体504被提供有两个出气端口516，该出气端口相对于轴线508位于进气端口512的相对侧处，以便在外部壳体504的径向方向上突出，其中一个出气端口516可被定位成在轴线508的方向上接近外部壳体504的一端518，且另一个出气端口516可被定位成接近外部壳体504的另一端520。可使用其它配置，例如，两个端口可供给在箱中构成的单一出口歧管。每个出气端口516允许流体502离开外部壳体504。此外，法兰部分522被提供在出气端口516的径向方向上的外端部分处，其中法兰部分被形成为使得接近外部壳体504的外圆周表面的法兰部分522的外直径增大。出口516能够经由法兰部分522连接到出口导管(图1中未示出)。
外部壳体504在轴线508的方向上被提供有突出524，该突出524在另一端520的一端520中的径向方向上向内环形地突出。当将转子组件506从外部壳体504的一端518插入壳体504中时，突出524与转子组件506接合，并约束外部壳体504从另一端520到外部壳体504的外部的突出。就是说，转子组件506能够仅从外部壳体504的一端518插入外部壳体504中。
在径向方向上向外环状凹进去的外部壳体504的凹陷部分526在接近外部壳体504的内表面的一端518的位置处形成。约束环528适配于外部壳体504的凹陷部分526。
转子组件
转子组件506包括转子轴530、支承转子轴530的一对轴承532，以及内部壳体534，该内部壳体534覆盖转子轴530且轴承532被固定至内部壳体534。转子组件506被提供有一排定子叶片536和一排移动叶片538，该定子叶片536设置在内部壳体534里面，该移动叶片538在转子轴530上形成以便在沿轴线508的方向上邻近该排定子叶片536。
转子轴530被形成为在轴线508周围居中的杆状，且在沿轴线508的方向上延伸。此外，在该实施例中，转子轴530被形成以便在轴线508的方向上关于假想线510对称。
轴承532分别在轴线508方向上的一端518和另一端520的位置处被提供，并被固定到内部壳体534以便夹持转子轴530且允许其围绕轴线508旋转。轴承532能够根据服务包括任何数量的轴承类型，诸如油润滑轴承、空气轴承、油轴承、滚轮轴承等。在一些实施例中，诸如关于图9所描述的密封操作，能够使用磁力轴承。在一些应用中，诸如当下游设备仅附接到转子轴530的一端时，止推轴承可用于补偿推力。如关于图7所讨论的，轴承532可为止推轴承，其用于补偿推力或来自附接到轴的下游单元，或来自单边单元的扭矩。
内部壳体534被形成为在轴线508周围居中的圆柱形形状，并覆盖转子轴530。内部壳体534被提供有沿轴线508居中的内部壳体本体540。头部构件542每个被固定到内部壳体本体540的轴线508的方向上的一端518和另一端520。内部壳体534被形成为大致圆柱形形状且限定外部壳体504内的内部空间544。
内部壳体本体540被提供有分区外壳540A和第一及第二出口部分壳体(连接部分)540B，所述分区外壳540A安置在轴线508的方向上的中心位置处。第一出口部分壳体540B安置在分区外部壳体540A和诸如第一头部构件542A的一个头部构件542之间，且第二出口部分壳体540B安置在分区外壳540A和诸如第二头部构件542B的另一个头部构件542之间。
分区外壳540A被提供有圆柱形部分540C、外部环形部分540D和内部环形部分540E，该圆柱形部分540C形成为大致圆柱形形状并且在轴线508的方向上延伸，该外部环形部分540D在径向方向上从圆柱形部分540C向外突出，其中在所述外部环形部分540D的外直径被形成为大于圆柱形部分540C的外直径，该内部环形部分540E在径向方向上从圆柱形部分540C向内突出，且其中所述内部环形部分540E的内直径被形成为小于圆柱形部分540C的内直径。
外部环形部分540D与外部壳体504的内表面接合，且在轴线508周围居中的第一环形空间546在外部壳体504的圆周方向上形成。外部环形部分540D被提供有第一连通部分548作为在径向方向上穿过的通孔以便第一环形空间546与外部壳体504中的进气端口512连通。
此外，在圆柱形部分540C周围环状凹进去的凹槽部分550分别在面向轴线508的相反方向的外部环形部分540D的两个侧表面上形成。环形夹具554的第一突出(突出部)552适配于凹槽部分550。
内部环形部分540E从圆柱形部分540C朝转子轴530突出，且其在轴线508方向上的尺寸小于外部环形部分540D的尺寸。内部环形部分540E的圆周内表面被形成为以便面向转子轴530，且在轴线508周围居中的第二环形空间556在内部环形部分540E中形成。此外，内部环形部分540E被提供有开口558，第二环形空间556通过所述开口558与转子轴530和圆柱形部分540C之间的空间连通。
定子叶片536的排的一些被固定到接近外部壳体504的一端518的圆柱形部分540C的内侧表面，以便叶片从圆柱形部分540C的内圆周表面560向内突出。定子叶片536排的剩余部分被固定到接近外部壳体504的另一端520的圆柱形部分540C的内侧表面，以便叶片从内圆周表面560向内突出。此外，第三连通部分562在圆柱形部分540C中形成，以便处于轴线508的方向上的中心位置处，所述第三连通部分562在径向方向上穿过且第一环形空间546和第二环形空间556通过所述第三连通部分562彼此连通。多个导向叶片562C在圆周方向上以一定间隔被提供在第三连通部分562中。
从外部壳体504的进气端口512进入的流体502通过第一连通部分548被引进第一环形空间546中，通过第三连通部分562中的导向叶片被调整，且然后流到第二环形空间556中。其后，流体502通过开口558从第二环形空间556朝外部壳体504的一端518和另一端520流出。就是说，流体502通过转子轴530和圆柱形部分540C之间的空间流到内部空间544，该空间作为流体502的气体通道。
第一出口部分壳体540B被附接到相对于分区外壳540A接近于的其一端518的外部壳体504的内表面，且第二出口部分壳体540B被附接到相对于分区壳体540A接近于其另一端520的外部壳体504的内表面。
第一出口部分壳体540B具有环形夹具554和圆柱形主体564，所述环形夹具554与外部环形部分540D的一个侧表面接触并固定到所述侧表面，所述圆柱形主体564从环形夹具554朝向轴线508方向上的外部壳体504的一端518延伸，从而将头部构件542中的一个固定到自身。第二出口部分壳体540B具有另一个环形夹具554和另一个圆柱形主体564，所述另一个环形夹具554与外部环形部分540D的另一个侧表面接触并固定到所述另一个侧表面，所述另一圆柱形主体564从环形夹具554朝向轴线508方向上的外部壳体504的另一端520延伸，从而将头部构件542中的另一个固定到自身。环形夹具554被形成为在轴线508周围居中的环形形状，以便与外部环形部分540D接触，并经由螺栓固定。
此外，第一出口部分壳体540B的环形夹具554具有第一突出552，该第一突出552在圆周方向上被形成为环形形状且适配于在外部环形部分540D的一个侧表面上形成的凹槽部分550。而且，第二出口部分壳体540B的环形夹具554具有另一个第一突出552，该另一个第一突出在圆周方向上被形成为环形形状且适配于在外部环形部分540D的另一个侧表面上形成的凹槽部分550。圆柱形主体564与环形夹具554整体形成。圆柱形主体564的外圆周表面566在沿轴线508的方向上延伸，且圆柱形主体564与外部壳体504的内表面接合。头部构件542A经由螺栓等固定到第一出口部分壳体540B的圆柱形主体564的远端表面。而且，头部构件542B经由螺栓等固定到第二出口部分壳体540B的圆柱形主体564的远端表面。
在圆周方向上形成为环形形状的第二突出568在第一出口部分壳体540B的圆柱形主体564的内表面上形成，以便被定位成接近圆柱形主体564的远端表面。而且，在圆周方向上形成为环形形状的另一个第二突出568在第二出口部分壳体540B的圆柱形主体564的内表面上形成，以便被定位成接近圆柱形主体564的远端表面。
此外，第一出口部分壳体540B的圆柱形主体564被提供有第二连通部分570作为在径向方向上穿过的通孔，以便引起内部空间544和外部壳体504中的出气端口516彼此连通。而且，第二出口部分壳体540B的圆柱形主体564被提供有另一个第二连通部分570作为在径向方向上穿过的通孔，以便引起内部空间544和外部壳体504中的出气端口516彼此连通。流经内部空间544中的定子叶片536排和移动叶片538排之间的气体通道的流体502经由第二连通部分570从出气端口516离开到外部壳体504的外侧。
第一头部构件542A经由螺栓等固定到第一出口部分壳体540B的圆柱形主体564，以便在轴线508的方向上面向分区外壳540A。第二头部构件542B经由螺栓等固定到第二出口部分壳体540B的圆柱形主体564，以便在轴线508的方向上面向分区外壳540A。
第一头部542A被形成为在轴线508周围居中的环形形状，且被提供有梯级(step)部分572，该梯级部分572通过从面向外部壳体504的一端518的末端表面在轴线508周围居中的圆盘形状中凹进去而具有三个梯级。因为如此，所以，面向径向方向的第一表面572A、第二表面572B和第三表面572C的三个表面，以及面向轴线508方向的第一梯级表面572D、第二梯级表面572E和第三梯级表面572F的三个表面按顺序由外部壳体504的一端518形成。轴承532与第二梯级表面572E和第二表面572B接合，并经由螺栓等固定。由于任何数量的梯级表面可被形成为与轴承532或其它物品接合，因此第一头部542A的结构不限于此设置。
此外，第一头部542A被提供有内梯级部分574，当在径向方向上观察时，在面向外部壳体504的另一端520的表面上，通过径向方向上的外端位置处围绕轴线508居中的环形形状中凹进去，该内梯级部分574具有梯级形状的两个梯级。面向径向方向的第一表面574A和第二表面574B的两个表面按顺序由外部壳体504的另一端520形成，且面向轴线508方向的第一梯级表面574C和第二梯级表面574D的两个表面按顺序由外部壳体504的另一端520形成。圆柱形主体564的第二突出568适配于第一梯级表面574C和第一表面574A，且位于头部构件542侧面上而不是圆柱形主体564的第二突出568上的前端部分适配于第二梯级表面574D和第二表面574B。在该状态中，第一头部542A在径向方向上固定到外端的末端部分中的圆柱形主体564。
环形出口导向件576设置在面向外部壳体504的另一端520的第一头部542A的侧表面上，以便在沿轴线508的方向上面向分区外壳540A。出口导向件576具有导向表面576A，该导向表面在如接近外部壳体504的一端508的径向方向上从内侧逐渐向外弯曲，即如在轴线508的方向上从中心位置分离一样。导向表面576A引导流体502，该流体从进气端口512进入并在内部空间544中的气体通道中朝外部壳体504的一端518、朝在第一出口部分壳体540B中形成的第二连通部分570流动。此外，出口导向件576的内圆周表面面向转子轴530的外圆周表面530A，且用于减少气体泄漏的密封构件578被提供在出口导向件576和转子轴530之间。
此外，第一头部542A被形成有在沿轴线508的方向和径向方向上环状凹进去的头部凹陷部分580，以便外部壳体504的一端518上的径向方向上的外端的角落部分被斜切。在整个转子组件506被插入外部壳体504的状态中，头部凹陷部分580被安置，以便面向外部壳体504的凹陷部分526，且在外部壳体504的头部凹陷部分580和凹陷部分526中面向外部壳体504的一端518的表面是相同的表面。在该状态中，提供约束环528，该约束环适配于外部壳体504的头部凹陷部分580和凹陷部分526并约束第一头部542A到外部壳体504的一端518的移动。
第二头部542B被形成为与第一头部542A一样的环形形状，且被提供有梯级部分582，该梯级部分582通过从面向外部壳体504的另一端520的末端表面在轴线508周围居中的圆盘形状中凹进去而具有两个梯级。因为如此，面向径向方向的第一表面582A和第二表面582B的两个表面和面向轴线508方向的第一梯级表面582C和第二梯级表面582D按顺序由外部壳体504的另一末端520形成。轴承532与第二梯级表面582D和第二表面582B接合并经由螺栓等固定。
此外，如第一头部542A中一样，第二头部542B被提供有内梯级部分584，当在径向方向上观察时，在面向外部壳体504的一端518的表面上，通过在径向方向上的外端位置处围绕轴线508居中的环形形状中凹进去，该内梯级部分584具有梯级形状的两个梯级，且第一表面584A、第二表面584B、第一梯级表面584C和第二梯级表面584D被形成。在该状态中，第二头部542B被固定到径向方向上的外端中的圆柱形主体564。
如第一头部542A中一样，环形出口导向件576被设置在面向外部壳体504的一端518的第二头部542B的侧表面上，以便在沿轴线508的方向上面向分区外壳540A。出口导向件576具有导向表面576A，该导向表面576A在如接近外部壳体504的另一端520的径向方向上从内侧向外逐渐弯曲，即如在轴线508的方向上从中心位置分离的一样。导向表面576A引导流体502，该流体从进气端口512进入并朝外部壳体504的另一末端520、朝在第二出口部分壳体540B中形成的第二连通部分570流动。此外，出口导向件576的内圆周表面面向转子轴530的外圆周表面，且用于减少气体泄漏的密封构件578被提供在出口导向件576和转子轴530之间。
此外，在第二头部542B中，在外部壳体504的另一端520上，整体提供在轴线508周围居中的从径向方向上的中间位置朝另一端520环状突出的头部突出542C。面向头部突出542C的径向方向外的表面与外部壳体504中的突出524接合。此外，在径向方向上的头部突出542C的外部位置处，面向外部壳体504的另一端520的第二头部542B的末端表面与突出524接合。就是说，第二头部542B从外部壳体504朝另一端520的突出受突出524的约束。因此，在沿轴线508的方向上整个转子组件506到另一端520的突出受约束。
然后，将描述定子叶片536排和移动叶片538排。定子叶片536排为固定到分区外壳540A中的圆柱形部分540C的叶片构件，且其多排在内部环形部分540E中的开口558和在轴线508的方向上以一定间隔提供在头部构件542中的出口导向件576的导向表面576A之间插入的位置处被提供。此外，在实施例中，四排定子叶片536被提供在外部壳体504的一端518和另一端520中的每者中，以便相对于充当沿轴线508的方向上的中心位置的假想线510对称于沿轴线508的方向上的一端518和另一端520。
定子叶片536排的每个包括多个定子叶片536A，其以预定的间隔圆周地提供在圆柱形部分540C的内圆周表面560上。定子叶片536A经由在圆柱形部分540C的内圆周表面560上提供的环形分区586固定到圆柱形部分540C，并延伸以便在径向方向上，即，朝转子轴530，向内面向转子轴530的外圆周表面530A。
虽然详细的描述将被省略，但每个定子叶片536A形成叶片形状的横截面，其中面向圆周方向上的一端的背侧面具有突出形状，且面向圆周方向上的另一端的腹侧面具有凹陷形状，且用于减少面向转子轴530的位置处的泄漏流的密封构件588被提供。密封构件能够包括任何数量的不同密封类型，诸如迷宫式密封、蜂窝式密封、孔型密封、油密封、气体密封和刷涂浮动环密封，以及其他。
移动叶片538排为固定到转子轴530的外圆周表面530A的叶片构件，且被提供为以便在定子叶片536排的每个的下游侧的位置(即，靠近外部壳体504的一端518而不是开口558)处可替换地邻近定子叶片536排。此外，在轴线508的方向上的、比开口558更远的另一端520的位置处，移动叶片538排也被提供，以便可替换地邻近定子叶片排536。以这种方式，在本实施例中，四排被提供在沿轴线508的方向上的一端518和另一端520中的每者中，以便相对于充当沿轴线508的方向上的中心位置的假想线510对称于沿轴线508的方向上的一端518和另一端520。
移动叶片538排中的每个包括若干个体叶片538A，其以预定的间隔圆周地提供在转子轴530的外圆周表面上，个体叶片538A固定到转子轴530，并在径向方向上向外延伸，即，朝用于固定定子叶片536A的分区586延伸。
虽然详细的描述将被省略，但每个个体叶片538A形成叶片形状的横截面，其中面向圆周方向上的另一端的背侧面具有突出形状，且面向圆周方向上的一端的腹侧面具有凹陷形状。
以这种方式，提供有定子叶片536排和移动叶片538排的内部空间544中的部分充当流体502的气体通道，从开口558在里面流动的流体502分布在气体通道中，流体502的压力能转换为速度能且最终转换为转子轴530的旋转能。流体502的压力降低并膨胀，同时在外部壳体504的一端518和另一端520中循环，即，同时在气体通道中向下分布。
在轴向流膨胀机500中，采用所谓的双流类型，其引起流体502经由第一连通部分548从在沿轴线508的方向上的中心位置处提供的外部壳体504的吸入端口512在内部空间544的气体通道中流动，进一步引起流体502在外部壳体504的气体通道中的一端518和另一端520的两个方向上分布，并引起流体502经由第二连通部分570流出排出端口516。
因此，当流体502通过穿过气体通道以使转子轴530旋转而被减压并膨胀时，在沿轴线508的方向上起作用的推力根据移动叶片538排的旋转生成。在本文中，通过使转子组件506中的结构为双流类型，取消在沿轴线508的每个方向上生成的推力，且即使移动叶片538排根据流率的增加而增加且生成的推力增加，稳定的操作是可行的。
更进一步地，在转子组件506中，定子叶片536排和移动叶片538排相对于假想线510被对称地提供。鉴于此，推力相对于沿轴线508的方向的中心位置的假想线510在外部壳体504的一端518和另一端520中对称生成。因此，进一步增加取消推力的效果是可行的。
此外，由于转子轴530、定子叶片536排和移动叶片538排在通过内部壳体540覆盖的状态中被整合，且转子组件506被插入外部壳体504中，分界面不出现在外部壳体504中。因此，外部壳体504不需要固定部件等，从而减少部件的数量。由于分界面不出现在外部壳体504中，因而流体502不通过分界面从内部空间544泄漏，且不需要泄漏测量。
更进一步地，在轴承532也包括在完整的转子组件506中的状态中，转子组件506能够通过使转子组件506插入外部壳体504中而被安装。鉴于此，不需要在外部壳体504外面单独地提供轴承台以支承轴承532。因此，由于也不需要外部壳体504和轴承台之间的对齐调整等等，因而更简单的安装是可行的。
转子组件506中的内部壳体534被提供有分区外壳540A、出口部分壳体540B和头部构件542。因此，即使转子组件506根据流率的增加而增加大小，转子组件506能够被容易地组装。
更进一步地，内部壳体本体540的出口部分壳体540B和分区外壳540A的组装在第一突出552适配于凹槽部分550的状态中被执行。更进一步地，由于出口部分壳体540B和头部构件542的组装在内梯级部分574适配于第二突出568的状态中被执行，因而其定位被容易地执行，且因此安装所需的劳动力能够被减少。
此外，由于头部构件542被提供有出口导向件576，因而通过定子叶片536排和移动叶片538排之间的气体通道传送的流体502能够通过导向表面576A在径向方向上被向外引导，且因此流体502能够通过第二连通部分570从排出端口516流畅地排出。
根据实施例的轴向流膨胀机500，具有转子轴530、轴承532、定子叶片536排和移动叶片538排的双流类型转子组件506被整体组装在内部壳体540内，所述内部壳体540被插入外部壳体504中。鉴于此，由于流率能够增加，且流体502从外部壳体504的泄漏能够被阻止，因而处理高压力是可行的。
本发明的实施例已经被详细描述。然而，在不脱离本权利要求的范围的情况下能够做出一些设计变化。例如，在本发明的实施例中，虽然内部壳体534被提供有出口部分壳体540B、分区壳体540A和头部构件542，但是部件可为一件式结构。
此外，头部构件542和出口导向件576也可为类似于内部壳体534的一件式结构。虽然形成第一突出552和第二突出568(当第一突出552和第二突出568彼此固定出口部分壳体540B、分区外壳540A和头部构件542时，其防止位置偏差)，但是其形状和形成位置不限于上述实施例。
更进一步地，在上述实施例中，吸入端口512被提供在沿轴线508的方向上的中心位置处，排出端口516被提供在外部壳体504的一端518和另一端520中，且定子叶片536排和移动叶片538排被设置成，使得一端518和另一端520相对于沿轴线508的方向上的中心位置完全两边对称。然而，吸入端口512的安装位置不限于中心位置，排出端口516可至少在两端的位置处被提供，所述两端为相对于吸入端口512的一端518和另一端520，且定子叶片536排和移动叶片538排可不被提供，以便在相对于假想线510的一端518和另一端520中完全对称。
图6为另一轴向流膨胀机600的横截面视图。在图6中，相似编号的物品如关于图5所描述。轴向流膨胀机600可提供有两个吸入端口602和604，所述两个吸入端口在沿轴线508的圆周方向上具有间隔，以便在假想线510在其中绘制的中心位置处在沿轴线508的径向方向上向外突出。轴向流膨胀机600具有双节段结构，该节段结构能够引起从吸入端口602供应的气体606流动到外部壳体504的一端518的排出端口608，且能够引起从吸入端口604供应的气体610流动到外部壳体504的另一端520的排出端口612。因此，执行引起气体606和610分布的操作是可行的，所述气体606和610每种具有不同的状况。因此，两种气体606和610可以不同，例如，来自不同的制冷系统。
在设计中可对图5和图6所示的轴向流膨胀做出其它改变。例如，突出524可不一定提供在外部壳体504中，且在这种情况下，从壳体504的任一端518或520插入转子组件506是可行的。更进一步地，出口导向件576的导向表面576A可不弯曲且可被形成，以便当在圆周方向上观察时线性地倾斜。更进一步地，以一定间隔圆周地提供在第三连通部分562中的多个导向叶片可不一定具有叶片形状，但其在轴线508的方向上的横截面可为圆形等。在一些实施例中，轴向涡轮机不在两个方向上延伸，但仅在一个方向上具有叶片。
图7为轴向流膨胀机700的横截面视图，所述轴向流膨胀机700具有仅沿轴线508的方向的叶片。相似编号的物品如关于图5所描述。单一流动路径可简化一些操作，例如，转子组件506可通过固体结构702支撑，且外部壳体504可被移除以服务轴向流膨胀机700。在具有单一流动方向的配置中，对于相等的流量，转子组件506可比具有用于叶片的两个流动方向的配置具有较大的宽度和叶片。因此，大型止推轴承704可用于抵消可出现的较高推力。
图8为系统800的示意图，在所述系统800中，轴向流膨胀机802被用于驱动两个压缩机804和806，一个压缩机来自轴808的每一端。由于流体810流经轴向流膨胀机802，通过压力减小损失的能量引起轴808的旋转812。轴向流膨胀机802被示出带有两个内部流动路径814，例如，如关于图5所描述的。然而，轴向流膨胀机802可包括任何数量的其它配置，诸如关于图6所讨论的两种气体配置，和关于图7所讨论的单一方向流。耦合轴808两端处的其它单元的能力允许平衡来自每个外部单元的推力，从而减少止推轴承的需要。
虽然附接到轴808的末端的外部单元被示出为压缩机804和806，但能够注意的是，不同单元的任意组合可被附接到轴808，诸如发电机、压缩机、泵等。进一步地，虽然在这些实施例中推力平衡可能为较大的担忧，但不同类型的单元可在轴808的相对端处被附接。
图9为密封的系统的示意图，所述密封的系统包括驱动两个压缩机904和906的轴向流膨胀机902。相似编号的物品如关于图8所描述。在该实施例中，轴向流膨胀机902和压缩机904和906被设计为作为单一单元设置在单一外部壳体908中，且最小的连接穿透外部壳体908。例如，轴向流膨胀机902能够具有用于流体810的入口910，和用于低压流体810的出口912。类似地，每个压缩机904和906能够具有用于流体918或920的独立的入口914和916，以及用于压缩的流体918或920的出口922和924。为了允许密封的系统，磁力轴承926能够用于支撑轴。
图10为一种用于使用轴向流膨胀机减少流动流中的能量的方法1000的流程图。当高压流通过垂直于轴线的入口被传送到涡轮膨胀机时，该方法从方框1002处开始。在方框1004处，高压流通过在至少一个方向上沿轴安装的一组涡轮叶片流动。在方框1006处，在高压流的减压期间移除的能量被用于驱动附接到轴的至少一端的装备。在方框1008处，较低压力流通过垂直于轴线定位的至少一个出口流出轴向流膨胀机。
实施例
本发明的实施例可包括下面编号的段落中所示的方法和系统的任意组合。由于任何数量的变化能够从上面的描述中想到，这不可被认为是所有可行的实施例的完整列表。
1.一种用于降低流体温度的系统，其包括轴向流膨胀机，该轴向流膨胀机用于膨胀在沿轴向流膨胀机轴线的方向上流动的气体，所述系统包括:
在所述轴线周围居中的外部壳体，其中所述外部壳体为具有进气端口和出气端口的统一结构；
在所述轴线周围居中的、固定在所述外部壳体里面的内部壳体，其中所述内部壳体具有气体通道，该气体通道被配置为允许气体从所述外部壳体的所述进气端口进入所述内部壳体并离开所述内部壳体到所述外部壳体的所述出气端口；
转子轴，所述转子轴容纳在所述内部壳体里面且所述转子轴的轴向中心与所述轴线对齐；
固定到所述内部壳体的多个轴承，其中所述多个轴承被配置为允许所述转子轴相对于所述内部壳体围绕所述轴线旋转；
多个定子叶片，所述多个定子叶片固定到所述内部壳体以便从所述内部壳体的内表面向内突出，其中所述多个定子叶片被设置在所述气体通道里面以便在所述轴线的方向上以一定间隔隔开；以及
多个移动叶片，所述多个移动叶片固定到所述转子轴以便从所述转子轴向外突出，且被设设置在所述气体通道里面以便用所述多个定子叶片替换；
其中所述内部壳体、所述转子轴、所述轴承、所述定子叶片和所述移动叶片被整体组装，且所述组装的构件在沿所述轴线的方向上被插入到所述外部壳体中。
2.根据段落1所述的轴向流膨胀机，其中所述内部壳体包括：
内部壳体本体，其具有所述定子叶片；以及
头部构件，其在所述轴线的方向上固定到所述内部壳体本体的两端，且所述多个轴承固定到所述头部构件。
3.根据段落1或段落2所述的轴向流膨胀机，其中所述内部壳体本体包括：
主体，其具有所述定子叶片；以及
连接部分，其在所述轴线的方向上固定到所述主体的两端，所述头部构件固定到所述连接部分。
4.根据段落1至段落3中任一段落所述的轴向流膨胀机，其中所述轴承包括油润滑轴承、滚轮轴承、空气轴承，或其任意组合。
5.根据段落1至段落4中任一段落所述的轴向流膨胀机，其中所述轴承包括磁力轴承。
6.根据段落1至段落5中任一段落所述的轴向流膨胀机，其中所述轴承包括止推轴承。
7.根据段落1至段落6中任一段落所述的轴向流膨胀机，其包括沿所述转子轴的密封，其中所述密封被配置为防止流体沿所述轴泄漏出。
8.根据段落7所述的轴向流膨胀机，其中所述密封包括油密封、气体密封、迷宫式密封、刷涂浮动环密封、蜂窝式密封、孔型密封，或其任意组合。
9.根据段落1至段落8中任一段落所述的轴向流膨胀机，其中所述轴向流膨胀机被配置为允许所述流体在沿所述轴的相反方向上流动。
10.根据段落1至段落9中任一段落所述的轴向流膨胀机，其包括耦合到所述转子轴的处理单元，其中所述处理单元被配置为通过所述转子轴供以动力。
11.根据段落10所述的轴向流膨胀机，其中所述处理单元包括压缩机、发电机或泵，或其任意组合。
12.根据段落1至段落11中任一段落所述的轴向流膨胀机，其包括耦合到所述转子轴的每个相对端的处理单元，其中每个处理单元被配置为通过所述转子轴供以动力。
13.根据段落12所述的轴向流膨胀机，其中每个处理单元包括发电机、压缩机或泵，或其任意组合。
14.根据段落12所述的轴向流膨胀机，其中耦合到所述轴的两个处理单元都包括压缩机。
15.根据段落14所述的轴向流膨胀机，其包括夹持所述轴向流膨胀机和两个压缩机的单一箱，其中在组装时，所述箱仅具有用于流体入口的开口和用于所述轴向流膨胀机和每个所述压缩机的流体出口。
16.一种用于冷却轴向流膨胀机中的流体的方法，其包括：
使高压流体流到所述轴向流膨胀机中，其中所述轴向流膨胀机包括：
在所述轴线周围居中的外部壳体，其中所述外部壳体为具有进气端口和出气端口的统一结构；
在所述轴线周围居中的、固定在所述外部壳体里面的内部壳体，其中所述内部壳体具有气体通道，该气体通道被配置为允许气体从所述外部壳体的所述进气端口进入所述内部壳体并离开所述内部壳体到所述外部壳体的所述出气端口；
转子轴，所述转子轴容纳在所述内部壳体里面，且转子轴的轴向中心与所述轴线对齐；
固定到所述内部壳体的多个轴承，其中所述多个轴承被配置为允许所述转子轴相对于所述内部壳体围绕所述轴线转动；
多个定子叶片，所述多个定子叶片固定到所述内部壳体以便从所述内部壳体的内表面向内突出，其中所述多个定子叶片被设置在所述气体通道里面，以便在所述轴线的方向上以一定间隔隔开；以及
多个移动叶片，所述多个移动叶片固定到所述转子轴以便从所述转子轴向外突出，且被设置在所述气体通道里面以便用所述多个定子叶片替换；
其中所述内部壳体、所述转子轴、所述轴承、所述定子叶片，和所述移动叶片被组装在单一单元中并在沿所述轴线的方向上插入所述外部壳体中；
膨胀所述轴向流膨胀机中的所述流体以转动所述转子轴；
通过将机械能施加到耦合到所述机械装置的所述转子轴中来移除所述流体中的能量；且
使所述冷却的流体流到下游处理单元中。
17.根据段落16所述的方法，其包括通过所述转子轴的所述机械能驱动发电机。
18.根据段落16或段落17所述的方法，其包括通过来自所述转子轴的所述机械能驱动压缩机或泵单元。
19.根据段落16至段落18中任一段落所述的方法，其包括驱动附接到所述转子轴的每个相对端的独立的压缩机、泵或发电机。
20.根据段落16至段落19中任一段落所述的方法，其包括冷却天然气流以形成液化天然气流。
21.根据段落16至段落20中任一段落所述的方法，其包括冷却用于制冷循环的制冷剂。
22.根据段落16至段落21中任一段落所述的方法，其包括冷却热的高压排气流。
23.根据段落16至段落22中任一段落所述的方法，其包括冷却气流。
24.根据段落16至段落23中任一段落所述的方法，其包括冷却气流以形成液相和气相二者。
25.根据段落24所述的方法，其包括从所述气相分离所述液相以通过分子量引起化合物的分离。
26.一种液化天然气(LNG)装置，其包括：
气体处理装置，其被配置为移除原料天然气供给中的杂质从而形成处理的天然气，其中所述处理的天然气流到冷冻器系统中；以及
冷冻器系统，其包括轴向流膨胀机，用于膨胀在沿轴向流膨胀机轴线的方向上流动的气体，所述冷冻器系统包括：
在所述轴线周围居中的外部壳体，其中所述外部壳体为具有进气端口和出气端口的统一结构；
在所述轴线周围居中的、固定在所述外部壳体里面的内部壳体，其中所述内部壳体具有气体通道，该气体通道被配置为允许气体从所述外部壳体的所述进气端口进入所述内部壳体且离开所述内部壳体到所述外部壳体的所述出气端口；
转子轴，所述转子轴容纳在所述内部壳体里面，且转子轴的轴向中心与所述轴线对齐；
固定到所述内部壳体的多个轴承，其中所述多个轴承被配置为允许所述转子轴相对于所述壳体围绕所述轴线旋转；
多个定子叶片，所述多个定子叶片固定到所述内部壳体以便从所述内部壳体的内表面向内突出，其中所述多个定子叶片被设置在所述气体通道里面以便在所述轴线的方向上以一定间隔隔开；以及
多个移动叶片，所述多个移动叶片固定到所述转子轴以便从所述转子轴向外突出，且被设置在所述气体通道里面以便用所述多个定子叶片替换；
其中所述内部壳体、所述转子轴、所述轴承、所述定子叶片和所述移动叶片被整体组装，且所述组装的构件在沿所述轴线的方向上插入所述外部壳体中。
27.根据段落26所述的LNG装置，其包括制冷系统，所述制冷系统包括所述轴向流膨胀机。
28.根据段落26或段落27中任一段落所述的LNG装置，其包括制冷系统，所述制冷系统包括：
压缩机；
热交换器；以及
所述轴向流膨胀机，其中流体流在所述压缩机中被压缩，在所述热交换器中被冷却；且通过所述轴向流膨胀机中的膨胀被冷冻。
29.根据段落28所述的LNG装置，其包括所述轴向流膨胀机下游的热交换设备。
30.根据段落26至段落29中任一段落所述的LNG装置，其中所述流体为天然气、制冷剂或两者。
31.根据段落26至段落30中任一段落所述的LNG装置，其包括热交换设备。
虽然本技术易受各种修改和替换形式的影响，但以上讨论的示例性实施例仅以示例的方式示出。然而，还应当再次理解的是本技术不旨在限于本文所公开的特定实施例。的确，本技术包括落在所附权利要求的真实精神和范围内的所有替换、修改和等效物。

Claims (31)

1.一种用于降低流体温度的系统，其包括轴向流膨胀机，所述轴向流膨胀机用于膨胀在沿所述轴向流膨胀机的轴线的方向上流动的气体，所述系统包括:
在所述轴线周围居中的外部壳体，其中所述外部壳体为具有进气端口和出气端口的统一结构；
在所述轴线周围居中的、固定在所述外部壳体里面的内部壳体，其中所述内部壳体具有气体通道，所述气体通道被配置为允许流体从所述外部壳体的所述进气端口进入所述内部壳体并离开所述内部壳体到所述外部壳体的所述出气端口；
转子轴，所述转子轴容纳在所述内部壳体里面，且所述转子轴的轴向中心与所述轴线对齐，其中所述气体通道引导所述流体从中心区域沿所述转子轴到相对轴向流中；
固定到所述内部壳体的多个轴承，其中所述多个轴承被配置为允许所述转子轴相对于所述内部壳体围绕所述轴线旋转；
多个定子叶片，所述多个定子叶片固定到所述内部壳体以便从所述内部壳体的内表面向内突出，其中所述多个定子叶片被设置在所述气体通道里面以便在所述轴线的所述方向上以一定间隔隔开；和
多个移动叶片，所述多个移动叶片固定到所述转子轴以便从所述转子轴向外突出，且被设置在所述气体通道里面以便与所述多个定子叶片交替；
其中所述内部壳体、所述转子轴、所述轴承、所述定子叶片和所述移动叶片被整体组装，且所组装的构件在沿所述轴线的所述方向上插入到所述外部壳体中。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述内部壳体包括：
内部壳体本体，其具有所述定子叶片；以及
头部构件，其在所述轴线的所述方向上固定到所述内部壳体本体的两端，且所述多个轴承固定到所述头部构件。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述内部壳体本体包括：
主体，其具有所述定子叶片；以及
连接部分，其在所述轴线的所述方向上固定到所述主体的两端，所述头部构件固定到所述连接部分。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个轴承包括油润滑轴承、滚轮轴承、空气轴承，或其任意组合。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个轴承包括磁力轴承。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个轴承包括止推轴承。
7.根据权利要求1所述的系统，其包括沿所述转子轴的密封，其中所述密封被配置为防止流体沿所述轴泄漏出。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述密封包括油密封、气体密封、迷宫式密封、刷涂浮动环密封、蜂窝式密封、孔型密封，或其任意组合。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述轴向流膨胀机被配置为允许所述流体在沿所述轴的相反方向上流动。
10.根据权利要求1所述的系统，其包括耦合到所述转子轴的处理单元，其中所述处理单元被配置为通过所述转子轴供以动力。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述处理单元包括压缩机、发电机或泵，或其任意组合。
12.根据权利要求1所述的系统，其包括耦合到所述转子轴的每个相对端的处理单元，其中每个处理单元被配置为通过所述转子轴供以动力。
13.根据权利要求12所述的系统，其中每个处理单元包括发电机、压缩机或泵，或其任意组合。
14.根据权利要求12所述的系统，其中耦合到所述轴的两个处理单元都包括压缩机。
15.根据权利要求14所述的系统，其包括夹持所述轴向流膨胀机和两个压缩机的单一箱，其中在组装时，所述箱仅具有用于流体入口的开口和用于所述轴向流膨胀机和每个所述压缩机的流体出口。
16.一种用于冷却轴向流膨胀机中的流体的方法，其包括：
使高压流体流到所述轴向流膨胀机中，其中所述轴向流膨胀机包括：
在轴线周围居中的外部壳体，其中所述外部壳体为具有进气端口和出气端口的统一结构；
在所述轴线周围居中的、固定在所述外部壳体里面的内部壳体，其中所述内部壳体具有气体通道，所述气体通道被配置为允许流体从所述外部壳体的所述进气端口进入所述内部壳体并离开所述内部壳体到所述外部壳体的出气端口；
转子轴，所述转子轴容纳在所述内部壳体里面，且所述转子轴的轴向中心与所述轴线对齐，其中所述气体通道引导所述流体从中心区域沿所述转子轴到相对轴向流中；
固定到所述内部壳体的多个轴承，其中所述多个轴承被配置为允许所述转子轴相对于所述内部壳体围绕所述轴线转动；
多个定子叶片，所述多个定子叶片固定到所述内部壳体以便从所述内部壳体的内表面向内突出，其中所述多个定子叶片被设置在所述气体通道里面以便在所述轴线的方向上以一定间隔隔开；和
多个移动叶片，所述多个移动叶片固定到所述转子轴以便从所述转子轴向外突出，且被设置在所述气体通道里面以便与所述多个定子叶片交替；
其中所述内部壳体、所述转子轴、所述轴承、所述定子叶片和所述移动叶片被组装在单一单元中并在沿所述轴线的所述方向上插入所述外部壳体中；
膨胀所述轴向流膨胀机中的所述流体以转动所述转子轴；
通过将机械能施加到耦合到机械装置的所述转子轴中来移除所述流体中的能量；且
使冷却的流体流到下游处理单元中。
17.根据权利要求16所述的方法，其包括通过所述转子轴的所述机械能驱动发电机。
18.根据权利要求16所述的方法，其包括通过来自所述转子轴的所述机械能驱动压缩机或泵单元。
19.根据权利要求16所述的方法，其包括驱动附接到所述转子轴的每个相对端的独立的压缩机、泵或发电机。
20.根据权利要求16所述的方法，其包括冷却天然气流以形成液化天然气流。
21.根据权利要求16所述的方法，其包括冷却用于制冷循环的制冷剂。
22.根据权利要求16所述的方法，其包括冷却热的高压排气流。
23.根据权利要求16所述的方法，其包括冷却气流。
24.根据权利要求16所述的方法，其包括冷却气流以形成液相和气相二者。
25.根据权利要求24所述的方法，其包括从所述气相分离所述液相以通过分子量实现化合物的分离。
26.一种液化天然气装置，即LNG装置，其包括：
气体处理装置，其被配置为移除原料天然气供给中的杂质从而形成处理的天然气，其中所述处理的天然气流到冷冻器系统中；和
所述冷冻器系统，其包括轴向流膨胀机，用于膨胀在沿所述轴向流膨胀机的轴线的方向上流动的气体，所述冷冻器系统包括：
在所述轴线周围居中的外部壳体，其中所述外部壳体为具有进气端口和出气端口的统一结构；
在所述轴线周围居中的、固定在所述外部壳体里面的内部壳体，其中所述内部壳体具有气体通道，所述气体通道被配置为允许流体从所述外部壳体的所述进气端口进入所述内部壳体且离开所述内部壳体到所述外部壳体的所述出气端口；
转子轴，所述转子轴容纳在所述内部壳体里面，且所述转子轴的轴向中心与所述轴线对齐，其中所述气体通道引导所述流体从中心区域沿所述转子轴到相对轴向流中；
固定到所述内部壳体的多个轴承，其中所述多个轴承被配置为允许所述转子轴相对于所述内部壳体围绕所述轴线旋转；
多个定子叶片，所述多个定子叶片固定到所述内部壳体以便从所述内部壳体的内表面向内突出，其中所述多个定子叶片被设置在所述气体通道里面以便在所述轴线的所述方向上以一定间隔隔开；和
多个移动叶片，所述多个移动叶片固定到所述转子轴以便从所述转子轴向外突出，且被设置在所述气体通道里面以便与所述多个定子叶片交替；
其中所述内部壳体、所述转子轴、所述轴承、所述定子叶片和所述移动叶片被整体组装，且所组装的构件在沿所述轴线的所述方向上插入所述外部壳体中。
27.根据权利要求26所述的LNG装置，其包括制冷系统，所述制冷系统包括所述轴向流膨胀机。
28.根据权利要求26所述的LNG装置，其包括制冷系统，所述制冷系统包括：
压缩机；
热交换器；和
所述轴向流膨胀机，其中流体流在所述压缩机中被压缩，在所述热交换器中被冷却；且通过所述轴向流膨胀机中的膨胀被冷冻。
29.根据权利要求28所述的LNG装置，其包括所述轴向流膨胀机下游的热交换单元。
30.根据权利要求26所述的LNG装置，其中所述流体为天然气、制冷剂或两者。
31.根据权利要求26所述的LNG装置，其包括热交换单元。
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