CN113863996A - 一种多轴透平压缩膨胀机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多轴透平压缩膨胀机，包括一级离心压缩机（1）、二级离心压缩机（2）、三级离心压缩机（3）和向心透平膨胀机（4），所述一级离心压缩机（1）与二级离心压缩机（2）通过齿轮箱（5）进行轴连接，所述三级离心压缩机（3）与向心透平膨胀机（4）也通过齿轮箱（5）进行轴连接；所述一级离心压缩机（1）、二级离心压缩机（2）和三级离心压缩机（3）之间通过管道组件相连通。本发明具有布置更紧凑，管路系统简化，降低阻力，同时提升膨胀机效率的优点。
Description
技术领域
本发明涉及气体处理以及能量回收领域，尤其涉及一种多轴透平压缩膨胀机。
背景技术
在带有膨胀机的低温制冷流程里，透平膨胀机是为整个装置提供冷量的，气体工质在里面实现接近绝热等熵膨胀过程的，膨胀过程获得低温，同时对外作功，因此对于膨胀机的应用包含两个效果：获得低温冷量和回收能量（对外作的功），膨胀机也广泛应用于能量回收领域；无论哪一种应用类型的膨胀机都需要制动端，将膨胀机输出的功吸收同时控制膨胀机运行转速。目前，透平膨胀机制动端有透平压缩机（增压）、发电机、油制动器、风机制动器等，一般为了能量的充分利用，大多会采用透平压缩机作为制动端即增压制动，采用单轴双悬臂转子形式。
另一方面，低温制冷装置里的离心压缩机和气体压缩应用里，气体工质流经高速旋转的叶轮，受到离心力的作用获得运动速度和一定的压力，再经由扩压器、蜗壳等扩张通道后，速度降低而使气体压力得到提高。受旋转速度限制，通常离心压缩机为多级压缩，气体工质压力一级级提高，为制冷循环提供动力。
目前的低温制冷装置里，离心压缩机、透平膨胀机都是分别独立的机组，分别配有各自的供油系统，占地面积大、设备布置和管路系统都十分复杂，因此在有限布置空间里，传统的这种动设备组织方式无法满足要求；除此之外增压透平膨胀机还存在增压与膨胀的功率、流量、膨胀比、增压比的匹配问题，即使匹配的很好，在变工况条件下，增压端、膨胀端的效率都下降，机组转速也会不同程度降低，导致膨胀端偏离最佳运行转速，效率会明显降低。
另外能量回收领域的发电透平膨胀机通过发电机回收能量转化为电能，这存在发电机的转化效率，同样气体压缩领域的离心压缩机驱动电机将电能转化为机械功输入离心压缩机组，也存在电机的转化效率，如果在同时使用压缩机、膨胀机的场合，由于电机、发电机双重的利用效率问题，大大降低了能量利用效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种紧凑、美观、高效的多轴透平压缩膨胀机，使得能够更好的满足狭小安装空间。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种多轴透平压缩膨胀机，包括：
一级离心压缩机1、二级离心压缩机2、三级离心压缩机3和向心透平膨胀机4，所述一级离心压缩机1与二级离心压缩机2通过齿轮箱5进行轴连接，所述三级离心压缩机3与向心透平膨胀机4也通过齿轮箱5进行轴连接；所述一级离心压缩机1、二级离心压缩机2和三级离心压缩机3之间通过管道组件相连通。
进一步的，所述一级离心压缩机1与二级离心压缩机2分别与齿轮箱5内第一高速轴6的两端进行轴连接；所述三级离心压缩机3与向心透平膨胀机4分别与齿轮箱5内第二高速轴7的两端进行轴连接。
进一步的，所述管道组件包括连通一级离心压缩机1与二级离心压缩机2的第一管道8，所述第一管道8的中部安装有一级中间冷却器9。
进一步的，所述管道组件还包括连通二级离心压缩机2与三级离心压缩机3的第二管道22，所述第二管道22的中部安装有二级中间冷却器10。
进一步的，所述管道组件还包括连通三级离心压缩机3与向心透平膨胀机4的第三管道11，所述第三管道11的中部安装有末级中间冷却器12。
进一步的，所述第三管道11上还安装有制冷模块，所述制冷模块为低温冷箱13。
进一步的，所述齿轮箱5还连接有驱动组件，所述驱动组件为驱动电机14。
进一步的，所述末级中间冷却器12连通在三级离心压缩机3的出口端；所述齿轮箱5还连接有回收能量组件，所述回收能量组件为发电机23。
更进一步的，所述齿轮箱5内具有至少一个低速轴21，所述驱动电机14或发电机23通过低速联轴器15连接于低速轴21的一端，所述低速轴21的另一端轴连接有轴头油泵16。
更进一步的，所述一级离心压缩机1与第一高速轴6之间通过一级高速联轴器17进行轴连接，所述二级离心压缩机2与第一高速轴6之间通过二级高速联轴器18进行轴连接；所述三级离心压缩机3与第二高速轴7之间通过三级高速联轴器19进行轴连接，所述向心透平膨胀机4与第二高速轴7之间通过末级高速联轴器20进行轴连接。
本发明的有益效果：
本发明提出的一种多轴透平压缩膨胀机通过将离心压缩机和向心透平膨胀机两种完全相反的热力过程，不同类型的机械设备集成为一台机组，缩小了原本机组的空间布置，简化了管路配置，机组紧凑美观，并且优化了膨胀机的全工况下的运行曲线；本发明将多级离心压缩机与低温向心透平膨胀机集成在一台机组上，使得低温装置压缩机组与膨胀机组的布置更加紧凑，管路系统简化，阻力降低，同时膨胀机效率大大提升。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是实施例三的结构示意图。
图中，1-离心压缩机、2-二级离心压缩机、3-三级离心压缩机、4-向心透平膨胀机、5-齿轮箱、6-第一高速轴、7-第二高速轴、8第一管道、9-一级中间冷却器、10-二级中间冷却器、11-第三管道、12-末级中间冷却器、13-低温冷箱、14-驱动电机、15-低速联轴器、16-轴头油泵、17-一级高速联轴器、18-二级高速联轴器、19-三级高速联轴器、20-末级高速联轴器、21-低速轴、22-第二管道、23-发电机。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
实施例一、本实施例中，如图1至图2所示，一种多轴透平压缩膨胀机包括一级离心压缩机1、二级离心压缩机2、三级离心压缩机3和向心透平膨胀机4，所述一级离心压缩机1与二级离心压缩机2通过齿轮箱5进行轴连接，所述三级离心压缩机3与向心透平膨胀机4也通过齿轮箱5进行轴连接；所述一级离心压缩机1、二级离心压缩机2和三级离心压缩机3之间通过管道组件相连通。
本发明进一步设置为：所述一级离心压缩机1与二级离心压缩机2分别与齿轮箱5内第一高速轴6的两端进行轴连接；所述三级离心压缩机3与向心透平膨胀机4分别与齿轮箱5内第二高速轴7的两端进行轴连接。
本实施例中，所述齿轮箱5包括多个高速轴，此处具体为第一高速轴6和第二高速轴7，所述第一高速轴6和第二高速轴7通过轴承安装在齿轮箱5的支撑面上；所述高速轴安装联接向心透平膨胀机4和驱动组件的轴侧为轴输入端，安装一级离心压缩机1、二级离心压缩机2、三级离心压缩机3和轴头油泵16的轴侧为轴输出端，轴输入端与轴输出端的机械功是通过齿轮箱5内的齿轮啮合进行传递的。
本发明进一步设置为：所述管道组件包括连通一级离心压缩机1与二级离心压缩机2的第一管道8，所述第一管道8的中部安装有一级中间冷却器9。
本发明进一步设置为：所述管道组件还包括连通二级离心压缩机2与三级离心压缩机3的第二管道22，所述第二管道22的中部安装有二级中间冷却器10。
所述管道组件还包括连通三级离心压缩机3与向心透平膨胀机4的第三管道11，所述第三管道11的中部安装有末级中间冷却器12。
本实施例中，所述一级离心压缩机1、二级离心压缩机2和三级离心压缩机3会依据压缩后的气体温度设置有一级中间冷却器9、二级中间冷却器10和末级中间冷却器12来降低下一级压缩进气温度，以此降低下一级压缩功耗，一级中间冷却器9、二级中间冷却器10和末级中间冷却器12使用水冷、风冷或其他冷源作为冷却介质，换热器的形式为绕管式、管壳式、板式或板翅式。
所述一级中间冷却器9、二级中间冷却器10、末级中间冷却器12、一级中间冷却器9、二级中间冷却器10和末级中间冷却器12的机组位置并不固定，根据实际的详细设计布置确定，工艺气体通过管道依次串联每一级，得到高压、常温的工艺气体。
本发明进一步设置为：所述第三管道11上还安装有制冷模块，所述制冷模块为低温冷箱13，所述低温冷箱13为外置制冷模块或与一体机为一体结构。
本发明进一步设置为：所述齿轮箱5还连接有驱动组件，所述驱动组件为驱动电机14。
本发明进一步设置为：所述齿轮箱5内具有至少一个低速轴21，所述驱动电机14通过低速联轴器15连接于低速轴21的一端，所述低速轴21的另一端轴连接有轴头油泵16。
本实施例中，通过轴头油泵的设置， 使得齿轮变速箱5运行时可为机组自身供油。
本发明进一步设置为：所述一级离心压缩机1与第一高速轴6之间通过一级高速联轴器17进行轴连接，所述二级离心压缩机2与第一高速轴6之间通过二级高速联轴器18进行轴连接；所述三级离心压缩机3与第二高速轴7之间通过三级高速联轴器19进行轴连接，所述向心透平膨胀机4与第二高速轴7之间通过末级高速联轴器20进行轴连接。
实施例二、本实施例提供了一种多轴透平压缩膨胀机，包括一级离心压缩机1、二级离心压缩机2、三级离心压缩机3和向心透平膨胀机4，所述一级离心压缩机1与二级离心压缩机2通过齿轮箱5进行轴连接，所述三级离心压缩机3与向心透平膨胀机4也通过齿轮箱5进行轴连接；所述齿轮箱5通过回收能量组件进行驱动；所述一级离心压缩机1、二级离心压缩机2、三级离心压缩机3和向心透平膨胀机4之间通过管道组件相连通。
本发明进一步设置为：所述一级离心压缩机1与二级离心压缩机2分别与齿轮箱5内第一高速轴6的两端进行轴连接；所述三级离心压缩机3与向心透平膨胀机4分别与齿轮箱5内第二高速轴7的两端进行轴连接。
本实施例中，高速轴根据离心压缩机和向心透平膨胀机4总的级数实际布置，或者某一根高速轴的一端均不安装，处于空置状态；所述齿轮箱5高速轴两端，除了空置端，所有轴端由齿轮箱5箱体穿出形成轴伸，离心压缩机或向心透平膨胀机4直接安装于此轴伸上。
本发明进一步设置为：所述管道组件包括连通一级离心压缩机1与二级离心压缩机2的第一管道8，所述第一管道8的中部安装有一级中间冷却器9。
本发明进一步设置为：所述管道组件还包括连通二级离心压缩机2与三级离心压缩机3的第二管道22，所述第二管道22的中部安装有二级中间冷却器10。
本发明进一步设置为：所述三级离心压缩机3的出口端安装有末级中间冷却器12；所述齿轮箱5还连接有回收能量组件，所述回收能量组件为发电机23。
本实施例中，所述一级离心压缩机1、二级离心压缩机2和三级离心压缩机3会依据压缩后的气体温度设置有一级中间冷却器9、二级中间冷却器10和末级中间冷却器12来降低下一级压缩进气温度，以此降低下一级压缩功耗，一级中间冷却器9、二级中间冷却器10和末级中间冷却器12使用水冷、风冷或其他冷源作为冷却介质，换热器的形式为绕管式、管壳式、板式或板翅式。
所述一级中间冷却器9、二级中间冷却器10、末级中间冷却器12、一级中间冷却器9、二级中间冷却器10和末级中间冷却器12的机组位置并不固定，根据实际的详细设计布置确定，工艺气体通过管道依次串联每一级，得到高压、常温的工艺气体。
本发明进一步设置为：所述回收能量组件为发电机；所述齿轮箱5内具有至少一个低速轴21，所述发电机23通过低速联轴器15连接于低速轴21的一端，所述低速轴21的另一端轴连接有轴头油泵16。
本实施例中，通过轴头油泵的设置，使得齿轮变速箱5运行时可为机组自身供油。
本实施例中，所述低速轴21、第一高速轴6与第二高速轴7为平行布置，所述低速轴21输入端通过低速联轴器15与发电机联接，另一侧的输出端安装有轴头油泵16；每根高速轴的两端安装有离心压缩机和向心透平膨胀机4，或者其中一根高速轴只有一端安装有离心压缩机或向心透平膨胀机4，安装有向心透平膨胀机4的轴端为机械功输入端，安装有离心压缩机的轴端为机械功输出端，输入端输出端位置并无固定，根据详细设计需求如配管方位、轴向力等因素确定。
所述齿轮箱5至少具有一根低速轴21，机组输入总功率大于输出总功率和损耗时，低速轴21安装发电机；机组输出总功率大于输入总功率，低速轴21安装驱动电机；驱动电机或发电机均通过低速联轴器15与低速轴21由齿轮箱5箱体穿出的轴伸联接完成动力传递。
本发明进一步设置为：所述一级离心压缩机1与第一高速轴6之间通过一级高速联轴器17进行轴连接，所述二级离心压缩机2与第一高速轴6之间通过二级高速联轴器18进行轴连接；所述三级离心压缩机3与第二高速轴7之间通过三级高速联轴器19进行轴连接，所述向心透平膨胀机4与第二高速轴7之间通过末级高速联轴器20进行轴连接。
通过增加高速轴的数量来扩大离心压缩机或向心透平膨胀机4的级数，从而满足不同条件的原始设计工况；设计工况里，当向心透平膨胀机4的输出功超出离心压缩机的输入功时，机组里的驱动电机14改配成发电机，当向心透平膨胀机4的输出功与离心压缩机输入功相当时，机组可不配置驱动发电机和低速联轴器 15，当向心透平膨胀机4的输出功低于离心压缩机的输入功时，机组设置驱动电机13补偿剩余所需的功耗。
齿轮变速箱上有2～5个离心压缩机的输出端，1～2个向心透平膨胀机4的输入端，低速轴21上一端联接发电机输入机械功以及另一端的轴头油泵16，每个输出端安装有离心压缩机将机械功转变为气体的压力能，高速轴的输入端安装有向心透平膨胀机4将气体膨胀功输入进齿轮箱5同时气体膨胀降温产生冷量，作为离心压缩机、向心透平膨胀机4的输入输出端可采用悬臂结构或联轴器联接的双支撑结构。
实施例三，与实施例一、实施例二的不同之处在于：如图3所示：不设置驱动组件或回收能量组件，使得提供一种输入输出功率平衡的多轴透平压缩膨胀机；实施例二与实施例三中，向心透平膨胀机4与三级离心压缩机3不通过管道进行连通。
所有实施例中，所述一级离心压缩机1、二级离心压缩机2、三级离心压缩机3、向心透平膨胀机4和齿轮箱5内通过的工质气体可以为同一股流体、同一种介质或不同种介质，其工质气体为空气、氮气、碳氢化合物气体、二氧化碳、水蒸气、氟利昂的其中一种或多种混合气体。
上述三个实施例，是将H型多级离心压缩机与单级或多级透平膨胀机集成起来一体机组，该机组应用于液化时采用实施案例一，在应用于其他场合时就采用实施例二和实施例三，这时就没有低温冷箱，压缩膨胀也就不一定是同一股气。
本发明工作原理：
本发明在启动前，机组的供油系统上电动辅助油泵运行，已开始对齿轮箱5轴承、齿轮箱5的啮合齿轮、离心压缩机轴承、向心透平膨胀机4轴承进行供油，启动后，各轴承形成油膜托起轴进入平稳运转状态下，轴头油泵16也进入正常工作状态，此时形成供油系统双油泵运行情形，手动或自动关闭电动辅助油泵即完成机组正常启动过程；工质气体通过一级离心压缩机1的进口进入到一级离心压缩机1内并通过吸收叶轮输出功后，在出口处获得压力升高、温度升高的工质气体，然后通过一级中间冷却器9降至一定温度，然后通过二级离心压缩机2继续压缩工质气体，再得到压力升高、温度升高的工质气体，通过二级中间冷却器10再次降低温度，然后通过三级离心压缩机3进一步压缩，工质气体进一步压力升高、温度升高，然后通过末级中间冷却器12进一步降低温度后，工质气体进入到低温冷箱13降至工艺系统所需的温度，工质气体再进入到向心透平膨胀机4内进行膨胀做功，随后工质气体压力降低，温度降低，获得了更低的气体冷源，再由向心透平膨胀机4的出口进入到工艺系统的下个设备中。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种多轴透平压缩膨胀机，其特征在于，包括：
一级离心压缩机（1）、二级离心压缩机（2）、三级离心压缩机（3）和向心透平膨胀机（4），所述一级离心压缩机（1）与二级离心压缩机（2）通过齿轮箱（5）进行轴连接，所述三级离心压缩机（3）与向心透平膨胀机（4）也通过齿轮箱（5）进行轴连接；所述一级离心压缩机（1）、二级离心压缩机（2）和三级离心压缩机（3）之间通过管道组件相连通。
2.根据权利要求1所述的一种多轴透平压缩膨胀机，其特征在于：所述一级离心压缩机（1）与二级离心压缩机（2）分别与齿轮箱（5）内第一高速轴（6）的两端进行轴连接；所述三级离心压缩机（3）与向心透平膨胀机（4）分别与齿轮箱（5）内第二高速轴（7）的两端进行轴连接。
3.根据权利要求2所述的一种多轴透平压缩膨胀机，其特征在于：所述管道组件包括连通一级离心压缩机（1）与二级离心压缩机（2）的第一管道（8），所述第一管道（8）的中部安装有一级中间冷却器（9）。
4.根据权利要求3所述的一种多轴透平压缩膨胀机，其特征在于：所述管道组件还包括连通二级离心压缩机（2）与三级离心压缩机（3）的第二管道（22），所述第二管道（22）的中部安装有二级中间冷却器（10）。
5.根据权利要求4所述的一种多轴透平压缩膨胀机，其特征在于：所述管道组件还包括连通三级离心压缩机（3）与向心透平膨胀机（4）的第三管道（11），所述第三管道（11）的中部安装有末级中间冷却器（12）。
6.根据权利要求5所述的一种多轴透平压缩膨胀机，其特征在于：所述第三管道（11）上还安装有制冷模块，所述制冷模块为低温冷箱（13）。
7.根据权利要求6所述的一种多轴透平压缩膨胀机，其特征在于：所述齿轮箱（5）还连接有驱动组件，所述驱动组件为驱动电机（14）。
8.根据权利要求5所述的一种多轴透平压缩膨胀机，其特征在于：所述末级中间冷却器（12）连通在三级离心压缩机（3）的出口端；所述齿轮箱（5）还连接有回收能量组件，所述回收能量组件为发电机（23）。
9.根据权利要求7或8所述的一种多轴透平压缩膨胀机，其特征在于：所述齿轮箱（5）内具有至少一个低速轴（21），所述驱动电机（14）或发电机（23）通过低速联轴器（15）连接于低速轴（21）的一端，所述低速轴（21）的另一端轴连接有轴头油泵（16）。
10.根据权利要求2所述的一种多轴透平压缩膨胀机，其特征在于：所述一级离心压缩机（1）与第一高速轴（6）之间通过一级高速联轴器（17）进行轴连接，所述二级离心压缩机（2）与第一高速轴（6）之间通过二级高速联轴器（18）进行轴连接；所述三级离心压缩机（3）与第二高速轴（7）之间通过三级高速联轴器（19）进行轴连接，所述向心透平膨胀机（4）与第二高速轴（7）之间通过末级高速联轴器（20）进行轴连接。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116792329A (zh) * | 2023-08-22 | 2023-09-22 | 江苏海拓宾未来工业科技集团有限公司 | 整体齿轮式无油变频离心压缩机及其制备工艺 |
| CN118623558A (zh) * | 2024-08-12 | 2024-09-10 | 中科富海(杭州)气体工程科技有限公司 | 空分系统及空气分离方法 |
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