CN105952502B - 一种提高透平膨胀机动压气体轴承承载能力的装置及方法 - Google Patents

一种提高透平膨胀机动压气体轴承承载能力的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种提高透平膨胀机动压气体轴承承载能力的装置及方法，属于气体轴承技术领域。该装置中间壳体的左端安装增压机蜗壳，增压机蜗壳连有蜗壳出气缓冲器，中间壳体内设置有透平膨胀机转子，在透平膨胀机转子的左端设置有增压轮，右端设置有工作轮，透平膨胀机转子上装有轴向气体轴承、左动压气体轴承和右动压气体轴承。该装置通过增压叶轮从大气中吸入空气，对气体进行增压，增压后的气体经扩压器将一部分动能转为静压能，引出气体到蜗壳；蜗壳收集从扩压器引出的气体；气体输送管道将增压后的部分气体输送到动压气体轴承端部。该方法提高了动压气体轴承的承载能力，减少了能量的浪费，提高气体轴承运行的稳定性。

Description

一种提高透平膨胀机动压气体轴承承载能力的装置及方法
技术领域
本发明涉及气体轴承技术领域，特别是指一种提高透平膨胀机动压气体轴承承载能力的装置及方法。
背景技术
为了达到较高的绝热效率，膨胀机转子的转速都较高，一般大于104r/min。在这种高转速下，油润滑轴承很难达到设备的运转要求。目前，透平膨胀机中应用较多的是气体轴承。气体轴承具有重量轻、转速高、无摩擦、无污染等优点，得到了广泛的应用。但是，它的致命弱点是气膜刚度低，承载能力小，只局限于小型透平膨胀机。通过增加动压气体轴承的环境压力可以提高动压气体轴承的承载能力。对于一些采用风机制动的透平膨胀机来说，例如小型低温透平膨胀机，为了不影响工艺流程的稳定工作，风机直接从大气中吸入空气，提高压力后仍直接排入大气，使膨胀机发出的功率全部浪费掉。因此，急需一种新的装置来回收这部分能量，从而提高动压气体轴承的承载能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种提高透平膨胀机动压气体轴承承载能力的装置及方法。
该装置包括机壳、蜗壳、蜗壳出气缓冲器、增压轮、扩压器、流量控制阀、排气管道A、输气管道B、支路输气管道、轴向气体轴承、工作轮、右动压气体轴承、左动压气体轴承和透平膨胀机转子，其中，机壳左端安装蜗壳，蜗壳上方装有蜗壳出气缓冲器，蜗壳出气缓冲器上部通过流量控制阀与排气管道A连接，机壳内设置有透平膨胀机转子，透平膨胀机转子左端设有增压轮，透平膨胀机转子右端设有工作轮，透平膨胀机转子中段自右向左依次装有轴向气体轴承、右动压气体轴承和左动压气体轴承，增压轮通过扩压器与蜗壳相连，蜗壳出气缓冲器侧面与输气管道B相连。输气管道B分支为支路输气管道C和支路输气管道D，支路输气管道C和支路输气管道D均与机壳连通。左动压气体轴承与增压轮之间设有密封套；右动压气体轴承与工作轮之间设有密封套。支路输气管道C用于输送增压气体到透平膨胀机的左动压气体轴承的左端部；所述支路输气管道D用于输送增压气体到透平膨胀机的右动压气体轴承的右端部。
在该装置中，增压轮替换现有透平膨胀机的制动风机轮，消耗透平膨胀机输出功率，通过扩压器与蜗壳连接。
该装置既可应用于动压气体轴承，又可应用于磁气混合轴承。
该装置通过透平膨胀机增压轮提高动压气体轴承端部的环境压力，实现提高气体轴承承载能力的目的。
应用该装置提高透平膨胀机动压气体轴承承载能力的方法，包括如下步骤：
一、增压轮从大气中吸入空气，对空气进行压缩，消耗透平膨胀机的输出功率；
二、增压后的气体流入扩压器，通过扩压器将一部分动能转化为压力能，提高气体的压力；
三、扩压器中的气体汇集到蜗壳，蜗壳对气体进一步降速扩压；
四、蜗壳内的增压气体流入蜗壳出气缓冲器，降低气体速度，减小气流脉动；
五、蜗壳出气缓冲器内的平稳气体通过输气管道B经两并联支路输气管道C支路输气管道D，将增压气体分别输送到左动压气体轴承端部和右动压气体轴承端部；
六、在不产生喘振的前提下，控制排气管道A上的流量控制阀开度，使输气管道B内的气体压力达到最大值，同时，多余气体通过排气管道A排至外界。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，将所述透平膨胀机制动风机轮改为增压轮，将增压后的气体供给到气体轴承，增加气体轴承端部的环境压力，将制动风机的无收益消耗用于提高动压气体轴承的承载能力，减少能量的浪费。在相同工作载荷下，动压气体轴承的承载力增加，可减小动压气体轴承偏心率，提高气体轴承运行的稳定性；同时，动压气体轴承的承载力增加，可减小动压气体轴承的宽度，从而减小轴长度，进一步降低动压气体轴承负载。
附图说明
图1为本发明的提高透平膨胀机动压气体轴承承载能力的装置结构示意图。
其中：1-增压轮；2-扩压器；3-蜗壳；4-蜗壳出气缓冲器；5-流量控制阀；6-排气管道A；7-输气管道B；8-支路输气管道C；9-支路输气管道D；10-轴向气体轴承；11-工作轮；12-右动压气体轴承；13-机壳；14-左动压气体轴承；15-透平膨胀机转子。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的透平膨胀机动压气体轴承承载力低的问题，提供一种提高透平膨胀机动压气体轴承承载能力的装置及方法。
如图1所示，该装置机壳13的左端安装蜗壳3，蜗壳3连有蜗壳出气缓冲器4，蜗壳出气缓冲器4设有输气管道A6，机壳13内设置有透平膨胀机转子15，在透平膨胀机转子15的左端设置有增压轮1，在透平膨胀机转子15的右端设置有工作轮11，在透平膨胀机转子15中段上套有轴向气体轴承10、左动压气体轴承14和右动压气体轴承12；
其中，增压轮1替换现有透平膨胀机的制动风机轮，消耗所述透平膨胀机输出功率，通过扩压器2与蜗壳3连接；蜗壳3连接蜗壳出气缓冲器4，蜗壳出气缓冲器4上设置有排气管道A6和输气管道B7；排气管道A6上设置有流量控制阀5，输气管道B7分支成两个并联支路输气管道C8和支路输气管道D9；支路输气管道C8和支路输气管道D9分别与左动压气体轴承14的左端部和右动压气体轴承12的右端部连接。
应用该装置时，通过增压轮1从大气中吸入空气，消耗透平膨胀机的输出功率，对空气进行压缩；增压后的气体流入扩压器2，通过扩压器2将一部分动能转化为压力能，以提高气体的压力；扩压器2中的气体汇集到蜗壳3，蜗壳3对气流进一步降速扩压；蜗壳3内的增压气体流入蜗壳出气缓冲器4，以降低气体速度，减小气流脉动；蜗壳出气缓冲器4内的平稳气体通过输气管道B7，经两个并联支路输气管道C8、支路输气管道D9分别将增压气体输送到左动压气体轴承14的左端部和右动压气体轴承12的右端部；在保证透平膨胀机转子15不产生喘振的前提下，控制排气管道A6上的流量控制阀5的开度，使输气管道B7内的气体压力达到最大值，同时，多余气体通过排气管道A6排至外界。
在前述提高透平膨胀机动压气体轴承承载能力的系统的具体实施方式中，进一步地，轴向气体轴承10控制透平膨胀机转子15轴向方向的位移。
以下为一个示例具体描述本发明提供的提高透平膨胀机动压气体轴承承载能力的方法的可行性。
本发明实施例中，假设，透平膨胀机制冷量为Q0＝69684J/s，有效轴功率为66.2Kw，在膨胀机和增压机功率耦合匹配前提下，60000r/min时，增压机的总压比为3.5，动压气体轴承的承载能力可增加20.78％；100000r/min时，增压机的总压比为4.0，动压气体轴承的承载能力可增加91.52％；200000r/min时，增压机的总压比为4.8，动压气体轴承的承载能力可增加308.03％。在相同工作载荷下，动压气体轴承的承载力增加，可减小动压气体轴承偏心率，提高气体轴承运行的稳定性；同时，动压气体轴承的承载力增加，可减小动压气体轴承的宽度，从而减小轴长度，进一步降低动压气体轴承负载。本发明提出的将制动风机轮改为增压器，将增压后的气体供给到气体轴承，增加气体轴承端部的环境压力，不仅提高了动压气体轴承的承载能力，而且减少了能量的浪费。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种提高透平膨胀机动压气体轴承承载能力的装置，其特征在于：包括机壳(13)、蜗壳(3)、蜗壳出气缓冲器(4)、增压轮(1)、扩压器(2)、流量控制阀(5)、排气管道A(6)、输气管道B(7)、支路输气管道、轴向气体轴承(10)、工作轮(11)、右动压气体轴承(12)、左动压气体轴承(14)和透平膨胀机转子(15)，其中，机壳(13)左端安装蜗壳(3)，蜗壳(3)上方装有蜗壳出气缓冲器(4)，蜗壳出气缓冲器(4)上部通过流量控制阀(5)与排气管道A(6)连接，机壳(13)内设置有透平膨胀机转子(15)，透平膨胀机转子(15)左端设有增压轮(1)，透平膨胀机转子(15)右端设有工作轮(11)，透平膨胀机转子(15)中段自右向左依次装有轴向气体轴承(10)、右动压气体轴承(12)和左动压气体轴承(14)，增压轮(1)通过扩压器(2)与蜗壳(3)相连，蜗壳出气缓冲器(4)侧面与输气管道B(7)相连；
所述输气管道B(7)分支为支路输气管道C(8)和支路输气管道D(9)，支路输气管道C(8)和支路输气管道D(9)均与机壳(13)连通；
所述左动压气体轴承(14)与增压轮(1)之间设有密封套；所述右动压气体轴承(12)与工作轮(11)之间设有密封套；
所述支路输气管道C(8)用于输送增压气体到透平膨胀机的左动压气体轴承(14)的左端部；所述支路输气管道D(9)用于输送增压气体到透平膨胀机的右动压气体轴承(12)的右端部；
该装置用于动压气体轴承或磁气混合轴承，该装置通过增加轴承环境压力提高轴承承载力。
2.根据权利要求1所述的提高透平膨胀机动压气体轴承承载能力的装置用于提高透平膨胀机动压气体轴承承载能力的方法，其特征在于：包括如下步骤：
一、所述增压轮(1)从大气中吸入空气，对空气进行压缩，消耗透平膨胀机的输出功率；
二、增压后的气体流入所述扩压器(2)，通过扩压器(2)将一部分动能转化为压力能，提高气体的压力；
三、所述扩压器(2)中的气体汇集到蜗壳(3)，蜗壳(3)对气体进一步降速扩压；
四、所述蜗壳(3)内的增压气体流入蜗壳出气缓冲器(4)，降低气体速度，减小气流脉动；
五、所述蜗壳出气缓冲器(4)内的平稳气体通过输气管道B(7)经两并联支路输气管道C(8)和支路输气管道D(9)，将增压气体分别输送到左动压气体轴承(14)端部和右动压气体轴承(12)端部；
六、在不产生喘振的前提下，控制所述排气管道A(6)上的流量控制阀(5)开度，使输气管道B(7)内的气体压力达到最大值，同时，多余气体通过排气管道A(6)排至外界。
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