CN109983204A - 涡轮膨胀机的低摩擦入口喷嘴 - Google Patents

Abstract

提供了一种涡轮膨胀机的低摩擦入口喷嘴(100)。该入口喷嘴包括：喷嘴盖环(101)，该喷嘴盖环包括面(102)；一组喷嘴叶片(105)，其中，每个喷嘴叶片(105)包括面(107)；一组压力弹簧(112)；以及一组轴向加载螺栓(113)。该轴向加载螺栓(113)可以被配置用于接受该组压力弹簧(112)在该喷嘴盖环(101)与这些喷嘴叶片(105)的面之间引起的全部或至少一部分力，由此使该喷嘴叶片(105)的第一面位于离该喷嘴盖环(101)的面预定距离处。该预定距离可能在0.02mm与0.04mm之间。

Description

涡轮膨胀机的低摩擦入口喷嘴

背景技术

最近，对于从高温或高压气体中回收能量的关注有所增加。然而，可用装置并不是尽可能高效的并且受到某些限制，这些稍后进行讨论。由于任何高温或高压气体都是能量回收的潜在资源，装有发电机的膨胀机、涡轮机或涡轮膨胀机可以被定制成对工艺中可用的大量有用能量进行回收。

涡轮膨胀机发挥作用的一个领域是废热回收。单独地使用涡轮膨胀机-发电机或作为更复杂的系统中的部件，可以将废热转变成有用的能量。潜在的热源包括来自工业熔炉或燃烧发动机的尾气、来自工业炉或燃烧发动机的废蒸气、来自化学和石油化工过程的废蒸气、以及来自平面反射镜或抛物面反射镜的太阳热。废气是热的并且可以包含溶剂或催化剂。膨胀机不仅可以回收能量并且使排到大气中的废气冷却，它还可以分离溶剂或催化剂。

可使用涡轮膨胀机的另一领域是在压力泄放应用中提取有用功。在诸如在不同压力下或在气体分布系统的域门处合并两个传输管线等压力泄放应用中，涡轮膨胀机-发电机可以在以电力形式回收能量的同时减小体积较大的气体流的压力。因此，膨胀机可以是对诸如控制阀和调节器等其他压力调节设备的有利替换。

涡轮膨胀机，也被称为涡轮膨胀机或膨胀式涡轮机，是离心式或轴流式涡轮机，通过该涡轮膨胀机，高压气体被膨胀以产生经常用来驱动压缩机的功。由于功是从膨胀的高压气体中提取的，气体膨胀可以接近等熵过程(即，恒定熵过程)，并且来自涡轮机的低压废气处于较低温度，有时低至-90摄氏度或更低。

由于所产生的低温，涡轮膨胀机在诸如从天然气中提取乙烷并形成液化天然气(NGL)、气体(例如氧气、氮气、氦气、氩气和氪气)的液化以及其他低温过程等工业过程中被广泛用作制冷源。

图1和图2示出了涡轮膨胀机的代表性但非限制性的实例，这是美国专利号5,851,104的重现，该专利的全部内容通过援引并入本文。图1示出了安排在径向流入式涡轮机中的可变喷嘴。固定环109被定位在环形入口114的一侧。喷嘴调节系统设置在环形入口114的同一侧。调节环115安排在固定环109的径向外侧。调节环115能够围绕固定环109旋转，防止该固定环通过锚定在固定环109中的喷嘴枢轴销106旋转。

入口喷嘴105位于环形入口114周围。这些叶片105一侧定位在固定环109与调节环115之间、并且另一侧定位在固定环与喷嘴盖环101之间。叶片105被配置成在叶片之间提供改进的流动路径。该路径可以基于叶片105的旋转位置增大或减小截面面积。叶片105枢转地安装在喷嘴枢轴销106周围。通过图2中叠加的假想线展示了叶片105相对于喷嘴盖环101的相对定位。膨胀机轮118接收压缩气流，该压缩气流被引导穿过环形入口114并且穿过叶片105。该压缩气流使膨胀机轮118膨胀并使其旋转，由此产生功。

在专利5,851,104中，喷嘴调节机构包括凸轮和凸轮从动件机构。凸轮从动件116分别从销106的轴线侧向移位并且通过轴固定在叶片105中，如图2所示。凸轮从动件116围绕这些轴自由旋转。为了与凸轮从动件116配合，凸轮以偏置槽117的形式安排在调节环115中(图2中未示出)。它们的尺寸被设定成接收凸轮从动件116以便在调节环115旋转时允许自由滚动运动。

叶片105、凸轮从动件116、偏置槽117和调节环115的上述安排使得叶片105的开口与调节环115的旋转线性相关。换言之，给定的调节环115旋转产生了叶片105的相同的预定旋转，而与叶片105是否靠近打开位置、是否处于打开位置、是否靠近关闭位置或是否处于关闭位置无关。随着调节环115的旋转，叶片105的这种等速旋转不允许在对叶片105的位置进行调节时灵敏度有任何变化。

在传统的涡轮膨胀机中，调节环典型地在叶片上直接滑动，这样产生摩擦并且可能损坏调节环和/或叶片的一部分。相同的滑动运动可能过早地磨损调节环和/或叶片。具体的但非限制性的实例将会是Atlas Copco ETB类型的膨胀机喷嘴。该喷嘴具有如上限定的相同的基本设计，并且典型地可靠性较差。工业上可见由入口引导叶片(喷嘴)粘附而致使的高失效频率。典型地，在这种失效之后，进行整体全面检查，但是鉴于基本设计没有改变，这些喷嘴可以在可以预期到另一次失效之前只进行短时间操作。

因此，在工业上需要提供避免上述问题的解决方案。

发明内容

提供了一种用于涡轮膨胀机的低摩擦入口喷嘴，该低摩擦入口喷嘴包括喷嘴盖环、一组喷嘴叶片、一组压力弹簧以及一组轴向加载螺栓。该轴向加载螺栓可以被配置用于接受该组压力弹簧在该喷嘴盖环与这些喷嘴叶片的面之间引起的全部或至少一部分力，由此使该喷嘴叶片的第一面位于离该喷嘴盖环的面预定距离处。该预定距离可能在0.02mm与0.04mm之间。

附图说明

图1示意性地展示了如现有技术已知的典型的涡轮膨胀机的截面。

图2示意性地展示了如现有技术已知的入口引导叶片(喷嘴叶片)的细节。

图3示意性地展示了根据本发明的一个实施例的涡轮膨胀机的分解截面。

图4示意性地展示了根据本发明的一个实施例的涡轮膨胀机的截面。

具体实施方式

以下描述了本发明的说明性实施例。虽然本发明易受各种修改和替代形式的影响，但其具体实施例已通过举例在附图中示出并且在本文中详细描述。然而，应理解的是，本文中对具体实施例的说明不旨在将本发明限于所披露的具体形式，而是相反地，其意图是涵盖落入如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效物以及替代物。

当然，将了解的是，在任何这类实际实施例的研制中，必须做出许多对实现方式特定的决策来实现开发者的特定目标(例如，遵守与系统相关及与商业相关的约束)，这些特定目标将随实现方式的不同而变化。此外，将了解的是，这样的研制努力可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本披露的本领域普通技术人员而言仍然是例行的尝试。

附图元件：

100＝涡轮膨胀机

101＝喷嘴盖环

102＝喷嘴盖环面

103＝喷嘴盖环第一枢轴销孔口

104＝喷嘴盖环轴向加载螺栓孔口

105＝入口喷嘴

106＝喷嘴枢轴销

107＝喷嘴第一面

108＝喷嘴第二面

109＝固定环

110＝固定环面

111＝固定环第二枢轴销孔口

112＝固定环压力弹簧

113＝固定环轴向加载螺栓

114＝环形入口

115＝调节环

116＝凸轮从动件

117＝喷嘴偏置槽

118＝膨胀机叶轮

关于以上确定的问题，在分析和测试之后，发现许多喷嘴失效的根本原因是喷嘴的移动件之间的大量摩擦。本发明的多个不同的实施例减小了这种摩擦、可能减小到零。

由于本发明的意图是就地解决这些问题，对于现有的涡轮膨胀机设施而言，必须可能多地保持原始设计。在本发明一些实施例中，利用轴向加载螺栓113来减小预加载、可能减小到零。

转到图3，提供了根据本发明的一个实施例的涡轮膨胀机的低摩擦入口喷嘴100的分解视图。该喷嘴包括喷嘴盖环101，其中，喷嘴盖环101包括面102、第一枢轴销孔口103以及轴向加载螺栓孔口104。该喷嘴还包括一组喷嘴叶片105，其中，每个喷嘴叶片105包括枢轴销106、第一面107以及第二面108。还包括固定环109、一组压力弹簧112以及一组轴向加载螺栓113，其中，该固定环包括面110和第二枢轴销孔口111。轴向加载螺栓113的数量将取决于涡轮膨胀机的尺寸和设计，但是在本发明的一个实施例中，可以存在8个轴向加载螺栓113。

转到图4，为了一致性和清晰度，保留前面附图的元件编号，轴向加载螺栓113被配置用于接受这组压力弹簧112在喷嘴盖环101与喷嘴叶片105的第一面107之间引起的全部或至少一部分力。并且喷嘴叶片105的第一面107位于离喷嘴盖环101的面102预定距离处。由于由压力弹簧112产生的预加载力已经减小到零，所以不再迫使每个喷嘴叶片105的第二面108与固定环109的面110接触。

本发明者发现，主要摩擦源是沿喷嘴盖环101、喷嘴叶片105和固定环109的接触表面产生的。这导致在喷嘴叶片105上产生滑动摩擦。滑动摩擦的前提条件是接触表面(压力)“Fn”、粗糙度“μ”和滑动。每个叶片的摩擦力是F＝Fn*μ。从该等式可以清楚地看出，为了减小摩擦“F”，必须减小预加载“Fn”或表面粗糙度“μ”。在本发明的多个不同的实施例中，预加载“Fn”减小。

在本发明的一个实施例中，压力弹簧112施加在喷嘴叶片105上的预加载是F，如图4所指示的。对轴向加载螺栓113进行调节，以通过将盖环101拉向左边(如图4所指示的)并因此远离喷嘴叶片105而减小该预加载。一旦预加载已经减小到零，对轴向加载螺栓113的进一步的调节在喷嘴盖环101与喷嘴叶片105之间产生间隙。一旦该间隙到达预定距离，就完成设定。该预定距离可能在0.02mm与0.04mm之间。

因此，喷嘴盖环101与喷嘴叶片105之间的摩擦已经减小到零。并且，在喷嘴叶片105与固定环109之间的摩擦已经减小到零。

Claims (2)

1.一种涡轮膨胀机的低摩擦入口喷嘴，该低摩擦入口喷嘴包括：

喷嘴盖环，其中，该喷嘴盖环包括面，

一组喷嘴叶片，其中，每个喷嘴叶片包括面，

一组压力弹簧，以及

一组轴向加载螺栓

其中，该轴向加载螺栓被配置用于接受该组压力弹簧在该喷嘴盖环与这些喷嘴叶片的面之间引起的全部或至少一部分力，

由此使喷嘴叶片的第一面位于离喷嘴盖环的面预定距离处。

2.如权利要求1所述的低摩擦入口喷嘴，其中，该预定距离在0.02mm与0.04mm之间。