CN109184824A - 一种气浮轴承结构的逆布雷顿循环低温制冷膨胀机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气浮轴承结构的逆布雷顿循环低温制冷膨胀机，该发明主要包括向心涡轮叶轮、蜗壳、一对径向气浮轴承、一对止推气浮轴承、轴、篦齿封严盘、排气块、机壳、下端盖、轴向叶轮、储水箱以及附件等。本发明的稳定工作温度低，结构简单，高速运行稳定，可靠性高，寿命长的特点。

Description

一种气浮轴承结构的逆布雷顿循环低温制冷膨胀机

技术领域

本发明涉及一种应用于逆布雷顿循环中，使用气浮轴承支承的低温制冷膨胀机，涉及低温制冷技术领域。

背景技术

低温制冷技术与国民经济和人民生密切相关，随着我国国民经济的不断发展，其地位越显重要。低温制冷技术根据温度不同，划分为制冷工程于低温工程，其中制冷工程的温度范围是环境温度到120K之间，低温工程的温度范围是120K及以下。而低温制冷技术，主要是通过低温制冷机提供低温环境，然后用于迅速冷冻、运输食品及给低温物理学的研究和医学治疗等。

在目前所研制的低温制冷机中，微型逆布雷顿循环低温制冷机有良好的发展前景。逆布雷顿循环低温制冷机有很宽的工作温度和制冷量范围，它不仅适用于大容量的工况，还适用于小容量、低温度的工作环境。

逆布雷顿循环的三个核心部件分别为压缩机、换热器、膨胀机。气体在膨胀机内进行绝热膨胀，消耗自身的内能对系统做功，由热力学第一定律可知气体的压力和温度均会降低，为下游的换热器提供低温气体，达到制冷的目的。因此，气体在膨胀机中的膨胀程度，对于低温制冷机的优劣至关重要。

膨胀机按运动形式和结构分为容积膨胀机和涡轮膨胀机两类。涡轮膨胀机主要结构是向心式涡轮膨胀机，其主要优点为：1)向心式涡轮膨胀机的流量大，效率高；2)向心式涡轮膨胀机的结构简单紧凑，重量轻，设备尺寸小；3)向心式涡轮叶片抗高频疲劳性能好，寿命长；4)向心式涡轮膨胀机压比调节方便，更加适合于低温制冷机的微型化。

为了向心式涡轮膨胀机的微型化，必须提高向心式涡轮膨胀机的设计工作转速。在高转速下，普通液体滑动轴承以及滚珠轴承的工作状态不稳定，轴承磨损大，寿命短，导致膨胀机的可靠性低。向心式涡轮膨胀机与普通轴承直接通过转轴连接，难以做到绝热，而向心式涡轮膨胀机的工作温度在120K左右，低温通过转轴传递到轴承，润滑普通轴承的润滑油或润滑脂会在低温的工作条件下失效。因此，高转速下向心式涡轮膨胀机的轴承润滑和密封问题，是设计逆布雷顿循环低温制冷膨胀机的主要瓶颈。

气体润滑是将气体作为润滑剂的一种新型润滑方式。与传统的液体滑动轴承与滚珠轴承相比，气体润滑轴承具有速度高、精度高、功耗低和寿命长的四大优点，使其在高精密支承、高速支承、低功耗低摩擦支承以及特殊工况下的支承这四大领域有着巨大的应用优势。因此本发明采用气体润滑技术来解决涡轮增压器中由于润滑带来的问题。为解决高转速下的向心涡轮膨胀机的润滑和密封问题，从而达到制冷膨胀机微型化的目的。

微型向心式涡轮膨胀机要求叶轮高速旋转，润滑技术是关键。为了解决低温制冷膨胀机高速旋转的润滑问题，本发明提出了一种应用于逆布雷顿循环中，使用气浮轴承支承的低温制冷膨胀机。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种应用于逆布雷顿循环中，使用气浮轴承支承的低温制冷膨胀机。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种气浮轴承结构的逆布雷顿循环低温制冷膨胀机，其特征在于，包括向心涡轮叶轮、蜗壳、一对径向气浮轴承、一对止推气浮轴承、轴、篦齿封严盘、排气块、机壳、下端盖、轴向叶轮、储水箱以及附件；所述低温制冷膨胀机的向心涡轮叶轮与气浮轴承的工作工质均为氦气，使用篦齿封严盘封严，防止所述向心涡轮叶轮的高压氦气泄露到气浮轴承中；所述径向气浮轴承由机壳壁面的引气口进气，所述止推气浮轴承由径向气浮轴承气腔侧壁的引气孔进气；所述气浮轴承经由排气块，止推气浮轴承以及下端盖的排气孔排气。

其中，所述的径向气浮轴承气腔侧壁周向均布8个直径为4mm的引气孔，引气孔圆心位于圆心为轴心，直径为d_m的圆上，d_m的经验式为：

其中，d₁为所述径向气浮轴承内径，d₂为所述径向气浮轴承外径，c为常量，一般取5～10mm，d_i为所述向心涡轮叶轮的外廓直径，p为所述向心涡轮叶轮的进口压力，l₁,ρ,λ分别为所述轴的长度、密度及导热系数，P_out为所述向心涡轮叶轮的输出功率。

其中，所述轴向叶轮与所述向心涡轮叶轮共轴，轴向叶轮通过所述轴跟随向心涡轮叶轮高速旋转，搅拌所述储水箱中的水，储水箱中水温过高时通过排水口排水，水位过低时通过进水口进水。

(三)有益效果

本发明提供的一种应用于逆布雷顿循环中，使用气浮轴承支承的低温制冷膨胀机，具有结构简单，高速运行稳定，可靠性高，寿命长的优点，并且可以用在微型逆布雷顿循环制冷机中。

附图说明

图1是本发明的一种气浮轴承结构的逆布雷顿循环低温制冷膨胀机的二维剖视图；

图2是本发明的一种气浮轴承结构的逆布雷顿循环低温制冷膨胀机的三维装配爆炸图；

图3是本发明的一种气浮轴承结构的逆布雷顿循环低温制冷膨胀机的三维模型图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1，图2，图3所示，本发明包括向心涡轮叶轮1、蜗壳2、篦齿封严盘3、排气块4、上径向气浮轴承5、上止推气浮轴承6、间隙调整环7、下止推气浮轴承8、下径向气浮轴承9、下端盖10、轴向叶轮11、下紧固螺母12、储水箱13、轴14、机壳15、上紧固螺母16以及附件17。

本发明的向心涡轮叶轮1由高压氦气驱动旋转，上径向气浮轴承5、上止推气浮轴承6、下止推气浮轴承8以及下径向气浮轴承9均通入高压氦气提供承载，向心涡轮叶轮1与上径向气浮轴承5之间通过篦齿封严盘3封严，防止向心涡轮叶轮1的高压氦气泄露到径向气浮轴承5中。

本发明的上径向气浮轴承5与下径向气浮轴承9由机壳15壁面的引气口进气，上止推气浮轴承6与下止推气浮轴承8分别由上径向气浮轴承5与下径向气浮轴承9的气腔侧壁引气孔进气。

本发明的上径向气浮轴承5通过排气块4排气，上止推气浮轴承6与下止推气浮轴承8通过间隙调整环7以及自身排气，下径向气浮轴承9通过下端盖10排气。

本发明的轴向叶轮11与向心涡轮叶轮1共轴，通过轴14跟随向心涡轮叶轮1高速旋转，搅拌所述储水箱13中的水，储水箱13中水温过高时通过排水口排水，水位过低时通过进水口进水。

本发明的一种应用于逆布雷顿循环中，使用气浮轴承支承的低温制冷膨胀机的工作过程为：

膨胀机启动前，先确认储水箱13中水位足够高；启动时，先给上径向气浮轴承5、上止推气浮轴承6、下止推气浮轴承8以及下径向气浮轴承9供气，上述气浮轴承正常工作后，再给向心涡轮叶轮1供气，驱动轴14和轴向叶轮11旋转，膨胀机开始工作；膨胀机正常工作时，主气路的高压氦气通过蜗壳2进入向心涡轮叶轮1，驱动向心涡轮叶轮1、轴14以及轴向叶轮11旋转，支承气路的高压氦气通过机壳15壁面依次流入上径向气浮轴承5、下径向气浮轴承9、上止推气浮轴承6以及下止推气浮轴承8，提供气浮轴承承载，流出轴承后，分别从排气块4、上止推气浮轴承6、下止推气浮轴承8、间隙调整环7以及下端盖10流入机壳15中的排气管路，统一流出；膨胀机停车时，先停止主气路的高压氦气，待向心涡轮叶轮1、轴14以及轴向叶轮11完全停止旋转后，再停止支承气路的高压氦气，膨胀机完全停车。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.本发明设计一种气浮轴承结构的逆布雷顿循环低温制冷膨胀机，其特征在于，包括向心涡轮叶轮、蜗壳、一对径向气浮轴承、一对止推气浮轴承、轴、篦齿封严盘、排气块、机壳、下端盖、轴向叶轮、储水箱以及附件；所述低温制冷膨胀机的向心涡轮叶轮与气浮轴承的工作工质均为氦气，使用篦齿封严盘封严，防止所述向心涡轮叶轮的高压氦气泄露到气浮轴承中；所述径向气浮轴承由机壳壁面的引气口进气，所述止推气浮轴承由径向气浮轴承气腔侧壁的引气孔进气；所述气浮轴承经由排气块，止推气浮轴承以及下端盖的排气孔排气。

2.如权利要求1所述一种气浮轴承结构的逆布雷顿循环低温制冷膨胀机，其特征在于，所述的径向气浮轴承气腔侧壁周向均布8个直径为4mm的引气孔，引气孔圆心位于圆心为轴心，直径为d_m的圆上，d_m的经验式为：

其中，d₁为所述径向气浮轴承内径，d₂为所述径向气浮轴承外径，c为常量，一般取5～10mm，d_i为所述向心涡轮叶轮的外廓直径，p为所述向心涡轮叶轮的进口压力，l₁,ρ,λ分别为所述轴的长度、密度及导热系数，P_out为所述向心涡轮叶轮的输出功率。

3.如权利要求1所述的一种气浮轴承结构的逆布雷顿循环低温制冷膨胀机，其特征在于，所述轴向叶轮与所述向心涡轮叶轮共轴，轴向叶轮通过所述轴跟随向心涡轮叶轮高速旋转，搅拌所述储水箱中的水，储水箱中水温过高时通过排水口排水，水位过低时通过进水口进水。