CN111535884B - 一种惰性混合气体轴承高效膨胀装置 - Google Patents

一种惰性混合气体轴承高效膨胀装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种惰性混合气体轴承高效膨胀装置，其包括：进排气系统、转子系统、轴承支承系统、止推轴承和径向轴承；进排气系统通过第二六角头螺栓和第二垫片与轴承支承系统连接，转子系统装在进排气系统和轴承支承系统内，在转子系统与轴承支承系统中间安装前止推轴承、后止推轴承、前径向轴承和后径向轴承；转子系统在进排气系统和轴承支承系统内旋转，径向力通过前径向轴承和后径向轴承传递至轴承支承系统，轴向力通过前止推轴承和后止推轴承传递至轴承支承系统。本发明可使一定流量惰性混合气体压力降低到初始压力的1/1.5～1/2.5，转速50000r/min～100000r/min，能量转换效率88％。

Description

一种惰性混合气体轴承高效膨胀装置
技术领域
本发明属于涡轮技术领域，涉及一种惰性混合气体轴承高效膨胀装置。
背景技术
膨胀装置是将气体的热能转化为动能和机械能，从而获得低温气体或输出轴功的一类装置。一般膨胀装置由导向装置、转子系统、轴承支承系统和润滑系统等组成。导向装置将高温高压的低速气体转变为高速气体，并为转子提供合适的入口气流角，高速气体吹动转子旋转输出轴功，获得相对低温气体，完成能量转换。轴承支承系统为转子提供径向支承并承受转子的轴向力。润滑系统为轴承提供润滑，带走轴承旋转摩擦产生的热量，保证转子可靠安全运转。
一般膨胀装置的工质是空气、燃气、二氧化碳等，也有用氦气等惰性气体。轴承一般采用浮动轴承或滚动轴承等油润滑轴承，也有采用气体轴承。
一般膨胀装置在直接使用惰性混合气体时，导向装置、转子的叶片气动型面和气流通道内存在一定流动分离，产生能量损失，因而能量转换效率较低。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种惰性混合气体轴承高效膨胀装置，按惰性混合气体工质特性设计导向装置、转子的叶片气动型面和气流通道，通过导向装置、转子系统、气体轴承和支承系统的结构设计及空气系统设计，从而获得轴功，实现惰性混合气体的能量转换。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种惰性混合气体轴承高效膨胀装置，其包括：进排气系统、转子系统、轴承支承系统、止推轴承和径向轴承；进排气系统通过第二六角头螺栓17和第二垫片18与轴承支承系统连接，转子系统装在进排气系统和轴承支承系统内，在转子系统与轴承支承系统中间安装前止推轴承5、后止推轴承8、前径向轴承13和后径向轴承15；转子系统在进排气系统和轴承支承系统内旋转，径向力通过前径向轴承13和后径向轴承15传递至轴承支承系统，轴向力通过前止推轴承5和后止推轴承8传递至轴承支承系统。
其中，所述进排气系统包括涡轮蜗壳23、导向器组件、涡轮机匣25，导向器组件由导向器22和隔热盘21钎焊而成；导向器22的安装端面开设安装台阶，涡轮机匣25的安装端面开设安装台阶，导向器22和涡轮机匣25的安装端面相对后，导向器22位于左端，涡轮机匣25位于右端，两个安装台阶形成的安装槽内安装涡轮蜗壳23；进排气系统采用惰性混合气体工质，惰性混合气体由涡轮蜗壳法兰面进气，在涡轮蜗壳内腔沿周向和径向均匀进气，最后在涡轮机匣轴向排出。
其中，所述涡轮蜗壳6两侧端面上开设有凹槽，凹槽内分别安装第三金属O型密封圈20和第四金属O型密封圈24。
其中，所述导向器22和涡轮蜗壳23之间通过第二六角头螺栓17固定连接，第二六角头螺栓17与导向器22端面之间还设置有第二垫片18；涡轮机匣25和涡轮蜗壳23之间通过第三六角头螺栓26固定连接，第三六角头螺栓26与涡轮机匣25端面之间还设置有第三垫片27。
其中，所述转子系统包括主轴1和涡轮转子组件28，涡轮转子组件28由涡轮转子和芯轴摩擦焊接而成；将主轴1加热处理，将涡轮转子组件28冷却处理，涡轮转子组件28从右端插入主轴1右端内孔，实现过盈连接，形成一个刚性转子。
其中，所述轴承支承系统包括扩压器4、中介机匣16、弹性垫圈3、压力盘2、弹性挡圈11、波形垫圈12、止推轴承定位环7、径向轴承定位环14；在中介机匣16两侧法兰面分别开凹槽安装第一金属O型密封圈6和第二金属O型密封圈19，中介机匣16从右端插入导向器组件，通过止口定心，由螺栓17和垫片18连接到进排气系统，并压缩金属O型密封圈19实现密封，同时将隔热盘21压变形以隔离热气；中介机匣内孔前端开凹槽设置弹性挡圈11，通过波形垫圈12将前径向轴承13、径向轴承定位环14、后径向轴承15与中介机匣16压紧；前径向轴承13、径向轴承定位环14、后径向轴承15分别开槽，通过1个销钉实现与中介机匣16周向定位；在止推轴承定位环7、中介机匣16左侧端面和压力盘2右侧端面的相同周向和径向位置，分别开3个通孔、盲孔和盲孔。在止推轴承定位环7通孔中安装销钉，通过销钉在其两侧分别安装前止推轴承5和后止推轴承8，并由销钉安装在中介机匣16左侧端面，再将压力盘2由销钉安装在止推轴承定位环7左侧，通过销钉实现压力盘2、止推轴承定位环7与中介机匣16的定心；弹性垫圈11和扩压器4通过第一六角头螺栓9和第一垫片10安装在中介机匣16左侧，通过止口定心，并第二压缩金属O型密封圈19实现密封，同时弹性垫圈3变形，将压力盘2、前止推轴承5、止推轴承定位环7、后止推轴承8与中介机匣16压紧。
其中，所述涡轮蜗壳型线采用梨形，上半部分为半圆形，下半部分为梯形，梯形角度为30°。
其中，所述涡轮蜗壳出口宽度6.06mm，内径Φ126mm。
其中，所述涡轮转子子午型面中，入口外径Φ85.3mm，入口宽度6.06mm，出口外径Φ59.7mm，出口内径Φ20.3mm，轴向宽度29.9mm。
其中，所述涡轮转子叶片数为10。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的惰性混合气体轴承高效膨胀装置，按惰性混合气体工质特性设计导向装置、转子的叶片气动型面和气流通道，通过导向装置、转子系统、气体轴承和支承系统的结构设计及空气系统设计，经过实验，可使一定流量惰性混合气体压力降低到初始压力的1/1.5～1/2.5，转速50000r/min～100000r/min，能量转换效率88％。
附图说明
图1惰性混合气体轴承高效膨胀装置结构示意图。
图2进排气系统剖视图。
图3气体轴承向心涡轮膨胀装置空气系统流路。
图4涡轮蜗壳型线。
图5涡轮转子子午型面。
图中，1-主轴，2-压力盘，3-弹性垫圈，4-扩压器，5-前止推轴承，6-第一金属O型密封圈，7-止推轴承定位环，8-后止推轴承，9-第一六角头螺栓，10-第一垫片，11-弹性挡圈，12-波形垫圈，13-前径向轴承，14-径向轴承定位环，15-后径向轴承，16-中介机匣，17-第二六角头螺栓，18-第二垫片，19-第二金属O型密封圈，20-第三金属O型密封圈，21-隔热盘，22-导向器，23-涡轮蜗壳，24-第四金属O型密封圈，25-涡轮机匣，26-第三六角头螺栓，27-第三垫片，28-涡轮转子组件。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，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。
如图1所示，本发明惰性混合气体轴承高效膨胀装置包括：进排气系统、转子系统、轴承支承系统、止推轴承和径向轴承；进排气系统通过第二六角头螺栓17和第二垫片18与轴承支承系统连接，转子系统装在进排气系统和轴承支承系统内，在转子系统与轴承支承系统中间安装前止推轴承5、后止推轴承8、前径向轴承13和后径向轴承15；转子系统在进排气系统和轴承支承系统内旋转，径向力通过前径向轴承13和后径向轴承15传递至轴承支承系统，轴向力通过前止推轴承5和后止推轴承8传递至轴承支承系统。
进排气系统包括涡轮蜗壳23、导向器组件、涡轮机匣25，导向器组件由导向器22和隔热盘21钎焊而成。导向器22的安装端面开设安装台阶，涡轮机匣25的安装端面开设安装台阶，导向器22和涡轮机匣25的安装端面相对后，导向器22位于左端，涡轮机匣25位于右端，两个安装台阶形成的安装槽内安装涡轮蜗壳23；进排气系统采用惰性混合气体工质，惰性混合气体由涡轮蜗壳法兰面进气，在涡轮蜗壳内腔沿周向和径向均匀进气，最后在涡轮机匣轴向排出。
涡轮蜗壳6两侧端面上开设有凹槽，凹槽内分别安装第三金属O型密封圈20和第四金属O型密封圈24，实现导向器22、涡轮机匣25与涡轮蜗壳23之间的密封。
导向器22和涡轮蜗壳23之间通过第二六角头螺栓17固定连接，第二六角头螺栓17与导向器22端面之间还设置有第二垫片18；涡轮机匣25和涡轮蜗壳23之间通过第三六角头螺栓26固定连接，第三六角头螺栓26与涡轮机匣25端面之间还设置有第三垫片27。
安装时，导向器组件从一侧插入涡轮蜗壳内孔，通过第二六角头螺栓17和第二垫片18连接到涡轮蜗壳23，并压缩第三金属O型密封圈20以密封惰性混合气体。涡轮机匣25从另一侧插入涡轮蜗壳内孔，通过第三六角头螺栓26和第三垫片27连接到涡轮蜗壳23，并压缩第四金属O型密封圈24实现密封。
转子系统包括主轴1和涡轮转子组件28，涡轮转子组件28由涡轮转子和芯轴摩擦焊接而成。将主轴1加热到一定温度，并将涡轮转子组件28冷却到一定温度，涡轮转子组件28从右端插入主轴1右端内孔，实现过盈连接，从而形成一个刚性转子。
轴承支承系统包括扩压器4、中介机匣16、弹性垫圈3、压力盘2、弹性挡圈11、波形垫圈12、止推轴承定位环7、径向轴承定位环14。在中介机匣16两侧法兰面分别开凹槽安装第一金属O型密封圈6和第二金属O型密封圈19。中介机匣16从右端插入导向器组件，通过止口定心，由螺栓17和垫片18连接到进排气系统，并压缩金属O型密封圈19实现密封，同时将隔热盘压变形以隔离热气。在中介机匣内孔前端开凹槽设置弹性挡圈11，通过波形垫圈12将前径向轴承13、径向轴承定位环14、后径向轴承15与中介机匣16压紧。前径向轴承13、径向轴承定位环14、后径向轴承15分别开槽，通过1个销钉实现与中介机匣16周向定位。在止推轴承定位环7、中介机匣16左侧端面和压力盘2右侧端面的相同周向和径向位置，分别开3个通孔、盲孔和盲孔。在止推轴承定位环7通孔中安装销钉，通过销钉在其两侧分别安装前止推轴承5和后止推轴承8，并由销钉安装在中介机匣16左侧端面，再将压力盘2由销钉安装在止推轴承定位环7左侧，通过销钉实现压力盘2、止推轴承定位环7与中介机匣16的定心。弹性垫圈11和扩压器4通过第一六角头螺栓9和第一垫片10安装在中介机匣16左侧，通过止口定心，并第二压缩金属O型密封圈19实现密封，同时弹性垫圈3变形，将压力盘2、前止推轴承5、止推轴承定位环7、后止推轴承8与中介机匣16压紧。
进排气系统剖视图如图2，惰性混合气体由涡轮蜗壳法兰面进气，在涡轮蜗壳内腔沿周向和径向均匀进气，最后在涡轮机匣轴向排出。
为保证气体轴承正常工作，本发明设计了气体系统，如图3，在扩压器4左侧端面沿周向均匀开5个通孔①，在中介机匣16左侧端面沿周向均匀开5个通孔②，在中介机匣16内三个支板中间各开1个斜孔③。
从气源引三股惰性混合气体，引气1从扩压器通孔①进入腔(1)，其中一路从压力盘2的径向孔进入压力盘篦齿封严腔(2)，与引气2汇合，经前止推轴承5、主轴外缘篦齿，一路从通孔②进入中介机匣内腔(3)再从隔热盘21内孔流入涡轮转子盘腔(4)，一路从后止推轴承8流入前径向轴承13，与腔(1)另一路气流入中介机匣斜孔③汇合，经过后止推轴承8流入涡轮转子盘腔(4)，实现止推轴承和径向轴承的运转与冷却。引气3从涡轮转子芯轴流入涡轮转子盘腔(4)，实现芯轴与主轴的冷却。
本发明按惰性混合气体工质特性设计了涡轮蜗壳、导向器、涡轮机匣的流道型面及涡轮转子的叶型。涡轮蜗壳型线采用梨形，如图4所示，上半部分为圆形，下半部分为梯形，梯形角度为30°，出口宽度6.06mm，内径Φ126mm。涡轮转子子午型面结构尺寸如图5，入口外径Φ85.3mm，入口宽度6.06mm，出口外径Φ59.7mm，出口内径Φ20.3mm，轴向宽度29.9mm。叶片数为10。
以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种惰性混合气体轴承高效膨胀装置，其特征在于，包括：进排气系统、转子系统、轴承支承系统、止推轴承和径向轴承；进排气系统通过第二六角头螺栓（17）和第二垫片（18）与轴承支承系统连接，转子系统装在进排气系统和轴承支承系统内，在转子系统与轴承支承系统中间安装前止推轴承（5）、后止推轴承（8）、前径向轴承（13）和后径向轴承（15）；转子系统在进排气系统和轴承支承系统内旋转，径向力通过前径向轴承（13）和后径向轴承（15）传递至轴承支承系统，轴向力通过前止推轴承（5）和后止推轴承（8）传递至轴承支承系统；
所述进排气系统包括涡轮蜗壳（23）、导向器组件、涡轮机匣（25），导向器组件由导向器（22）和隔热盘（21）钎焊而成；导向器（22）的安装端面开设安装台阶，涡轮机匣（25）的安装端面开设安装台阶，导向器（22）和涡轮机匣（25）的安装端面相对后，导向器（22）位于左端，涡轮机匣（25）位于右端，两个安装台阶形成的安装槽内安装涡轮蜗壳（23）；进排气系统采用惰性混合气体工质，惰性混合气体由涡轮蜗壳法兰面进气，在涡轮蜗壳内腔沿周向和径向均匀进气，最后在涡轮机匣轴向排出。
2.如权利要求1所述的惰性混合气体轴承高效膨胀装置，其特征在于，所述涡轮蜗壳（23）两侧端面上开设有凹槽，凹槽内分别安装第三金属O型密封圈（20）和第四金属O型密封圈（24）。
3.如权利要求2所述的惰性混合气体轴承高效膨胀装置，其特征在于，所述导向器（22）和涡轮蜗壳（23）之间通过第二六角头螺栓（17）固定连接，第二六角头螺栓（17）与导向器（22）端面之间还设置有第二垫片（18）；涡轮机匣（25）和涡轮蜗壳（23）之间通过第三六角头螺栓（26）固定连接，第三六角头螺栓（26）与涡轮机匣（25）端面之间还设置有第三垫片（27）。
4.如权利要求3所述的惰性混合气体轴承高效膨胀装置，其特征在于，所述转子系统包括主轴（1）和涡轮转子组件（28），涡轮转子组件（28）由涡轮转子和芯轴摩擦焊接而成；将主轴（1）加热处理，将涡轮转子组件（28）冷却处理，涡轮转子组件（28）从右端插入主轴（1）右端内孔，实现过盈连接，形成一个刚性转子。
5.如权利要求4所述的惰性混合气体轴承高效膨胀装置，其特征在于，所述轴承支承系统包括扩压器（4）、中介机匣（16）、弹性垫圈（3）、压力盘（2）、弹性挡圈（11）、波形垫圈（12）、止推轴承定位环（7）、径向轴承定位环（14）；在中介机匣（16）两侧法兰面分别开凹槽安装第一金属O型密封圈（6）和第二金属O型密封圈（19），中介机匣（16）从右端插入导向器组件，通过止口定心，由第二六角头螺栓（17）和第二垫片（18）连接到进排气系统，并压缩第二金属O型密封圈（19）实现密封，同时将隔热盘（21）压变形以隔离热气；中介机匣内孔前端开凹槽设置弹性挡圈（11），通过波形垫圈（12）将前径向轴承（13）、径向轴承定位环（14）、后径向轴承（15）与中介机匣（16）压紧；前径向轴承（13）、径向轴承定位环（14）、后径向轴承（15）分别开槽，通过1个销钉实现与中介机匣（16）周向定位；在止推轴承定位环（7）、中介机匣（16）左侧端面和压力盘（2）右侧端面的相同周向和径向位置，分别开3个通孔、盲孔和盲孔；在止推轴承定位环（7）通孔中安装销钉，通过销钉在其两侧分别安装前止推轴承（5）和后止推轴承（8），并由销钉安装在中介机匣（16）左侧端面，再将压力盘（2）由销钉安装在止推轴承定位环（7）左侧，通过销钉实现压力盘（2）、止推轴承定位环（7）与中介机匣（16）的定心；弹性挡圈（11）和扩压器（4）通过第一六角头螺栓（9）和第一垫片（10）安装在中介机匣（16）左侧，通过止口定心，并压缩第二金属O型密封圈（19）实现密封，同时弹性垫圈（3）变形，将压力盘（2）、前止推轴承（5）、止推轴承定位环（7）、后止推轴承（8）与中介机匣（16）压紧。
6.如权利要求5所述的惰性混合气体轴承高效膨胀装置，其特征在于，所述涡轮蜗壳型线采用梨形，上半部分为半圆形，下半部分为梯形，梯形角度为30°。
7.如权利要求6所述的惰性混合气体轴承高效膨胀装置，其特征在于，所述涡轮蜗壳出口宽度6.06mm，内径Φ126mm。
8.如权利要求7所述的惰性混合气体轴承高效膨胀装置，其特征在于，所述涡轮转子子午型面中，入口外径Φ85.3mm，入口宽度6.06mm，出口外径Φ59.7mm，出口内径Φ20.3mm，轴向宽度29.9mm。
9.如权利要求8所述的惰性混合气体轴承高效膨胀装置，其特征在于，所述涡轮转子叶片数为10。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060040916A (ko) * 2004-11-08 2006-05-11 현대중공업 주식회사 베어링의 배열과 선정을 통한 중형 터보차저 베어링부의구조
CN105927294A (zh) * 2016-05-18 2016-09-07 中国北方发动机研究所(天津) 废气涡轮发电装置
CN106026517A (zh) * 2015-05-19 2016-10-12 罗立峰 一种超高速涡轮发电机

Patent Citations (3)

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