CN201205523Y - 转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，属于能源动力工程领域。将该装置的空气进口段固定在外机匣前端，内机匣外壁通过滚动轴承支承在外机匣内侧，内机匣内侧设有转毂筒，首级工作叶片和内机匣上工作叶片安装在内机匣内壁，转毂上工作叶片安装在转毂筒外壁，内机匣与转毂筒旋向相反，内机匣上工作叶片和转毂上工作叶片为对转反旋式结构。本实用新型解决了高性能高难度的动静子对转反旋结构设计方案实现问题，既能高效率地压缩空气，又同时能分离空气和漩流空气，从而可同时实现富氧燃烧和漩流燃烧，如用于高速大流量生产富氧富氮产品，则能充分利用地球大气层中丰富的空气氧氮资源，达到高效增产、节电节能环保的效果。

Description

转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置

技术领域

本实用新型涉及一种转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，属于能源动力工程领域。

背景技术

迄今为止，各种冶金炉、工业窑炉、燃气轮机等热能动力装置，一直都以大气中的自然空气为氧化剂进行燃烧，而真正起氧化作用的氧气其体积只占20.95％，仅占空气的1/5，而占78％的氮气对燃烧不起助燃作用，相反对燃烧起窒息、钝化和惰性作用，约占4/5的氮气还随烟气带走了大量热量，是造成热能效率低下的主因，而且氮气在燃烧中产生有害废气，如氮氧化物(NO_X)，造成环境污染、热效率低下(如：效率最高只有8％的燃煤蒸汽机车已被淘汰，小型低效燃煤锅炉已被大批关闭)。

目前，已有的富氧富氮制备方法主要有：

1、低温液化空气蒸馏法，利用氧(-183℃)、氮(-196℃)的沸点之差制氧制氮，优点是氧氮产品纯度高，但设备庞大复杂，耗能大，成本高。

2、富氧膜法生产富氧已投入使用，但产氧速度低，流量小，满足不了大流量连续、快速的聚氧聚氮要求，仅适宜小规模和超小规模，流量小于100m³/h。

3、通过变压吸附法(PSA法)或变温吸附法(TSA法)也可排氧吸氮，比深冷法经济性好，但所需专门设备重量大，产速较慢，适于中小规模制氧，流量1～1000m³/h。

4、采用含氧的化学物质，如氧化亚氮(N₂O)或亚硝酸钾(KNO_X)，通过加热进行化学分解产氧，消耗化工原料大，成本高，而且产率低。如：熔盐法产率只有1.89立升/分。

5、电解水制氧法需要消耗较多电能，成本高，每生产1m³的氧气，耗电8～10kw.h，能耗太高。

6、磁化法聚氧聚氮是很有前途的可选方法，但需要满足高梯度强磁场要求，需具备特殊磁路设计的专用设备，但目前尚未见到磁化法大流量工程应用实例。

7、还有用紫外线激发臭氧、光学聚氧法，目前技术尚未成熟。

综合以上各种聚氧聚氮或制氧制氮法，均不能充分满足热能动力工程或制氧制氮厂大流量、高速度、低成本的聚氧聚氮要求，特别是利用现有的传统空气压缩机，不作结构重新设计是无法实现氧氮分离的，空气流基本是轴向流动，径向离心力最强只有惯性流动力的5％，既不能实现富氧燃烧，也不能实现漩流燃烧。

如图1～图3所示，现有技术中传统的转毂式叶轮单向旋转轴流式压气机结构主要包括：首级工作叶片1、空气进口段2、静止机匣3、转毂上工作叶片4、机匣上整流叶片5、末级整流叶片6、主轴动力源7、径向滚动轴承8、锥形转毂体9、动静叶轮间隙10、空心式主轴11、止推滚动轴承12。空气进口段2固定在静止机匣3前端，静止机匣3内设锥形转毂体9，锥形转毂体9通过加强筋与空心式主轴11牢固地连接在一起，空心式主轴11两端分别安装径向滚动轴承8和止推滚动轴承12，主轴动力源7可以带动空心式主轴11旋转。首级工作叶片1和转毂上工作叶片4通过榫槽安装在锥形转毂体9外壁，机匣上整流叶片5和末级整流叶片6通过榫槽安装在静止机匣3内壁，首级工作叶片1和转毂上工作叶片4与机匣上整流叶片5和末级整流叶片6交错设置，相邻叶片之间设有动静叶轮间隙10。其不足之处在于：涡流损失较大，装置效率较低，稳定性、可靠性差，当巨大离心力使有故障叶片甩出时，有时会造成机毁人伤。单转向压气机还有陀螺效应，功能单一，只能压缩空气。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，解决了高性能高难度的动静子对转反旋结构设计方案实现问题，既能作为高性能的空气压缩机，又能作空气氧氮分离机，也能兼作离心燃烧的漩流机，从而可同时实现富氧燃烧和漩流燃烧这两种高效节能的强化燃烧方式，如用于高速大流量生产富氧富氮产品，则能充分利用地球丰富的空气氧氮资源，达到高效节电节能环保的效果。

本实用新型的技术方案是：

一种转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，该装置设有首级工作叶片、空气进口段、外机匣、内机匣、转毂上工作叶片、内机匣上工作叶片、转毂筒，空气进口段固定在外机匣前端，内机匣外壁通过轴承支承在外机匣内侧，内机匣内侧设有转毂筒，首级工作叶片和内机匣上工作叶片安装在内机匣内壁，转毂上工作叶片安装在转毂筒外壁，内机匣与转毂筒旋向相反，内机匣上工作叶片和转毂上工作叶片交错布置，为对转反旋式结构。

所述的转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，相邻内机匣上工作叶片和转毂上工作叶片之间设有间隙。

所述的转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，转毂上工作叶片之间的间隙部位开设富氮进气流通孔，转毂筒内、外的环形通道形成富氮出口。

所述的转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，外机匣后端安装富氧收集器。

所述的转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，内机匣上的首级工作叶片是双臂固定结构。

所述的转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，内机匣后端通过叶片环与可旋转动力环连接。

所述的转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，内机匣和外机匣之间的轴承位于与内机匣上工作叶片对应处。

所述的转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，内机匣和外机匣之间的轴承为陶瓷滚动轴承，或采用流体动压静压轴承或磁浮轴承。

所述的转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，转毂筒前端固定整流罩。

所述的转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，空气进口段采用开放形喇叭进口，或采用平行直筒进口。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的首级和末级工作叶片是双臂固定结构，改变了原有进口叶片单悬臂结构，提高了叶片防振动和外物撞击能力，减少故障，提高可靠性。

2、本实用新型空气进口段形状采用的是柔性化设计，根据用途不同选择不同形状，制氧厂或锅炉送风可采用开放形喇叭进口，一般中小流量用户可采用平行直筒进口。

3、本实用新型双重机匣结构具有双重保险功能。原有单层机匣当巨大离心力使有故障叶片甩出，有时造成机毁人伤，现在有内外双重机匣保护，当有故障叶片飞出时，具有可靠的保险，绝对不会发生伤人事故。

4、本实用新型前后排叶轮对转反旋结构提高级压比，涡流损失小，装置效率至少提高20％，在级数相同条件下，对比传统单向旋转压气机总压比提高，如果总压比相同条件下，可以减少叶轮级数，具有缩体减重优点，对民航燃气轮机性能升级具有技术突破性的重大意义。本实用新型采用内机匣上工作叶片与转毂上工作叶片对转反旋，是一种新型的动静子反旋结构设计，不同于套轴式涡轮叶片对转反旋，而是新颖的转匣式叶轮对转。

5、本实用新型取消原有压气机末级整流叶片，以安装在机匣上末级旋流叶片代替，一是减少了轴向气流阻力，二是减小叶片重量，三是末级工作叶片可以产生漩流，变成了漩流器，实现漩流燃烧，漩流燃烧具有一系列优点和优势。

6、本实用新型增设的带工作叶片的内机匣带动空气产生巨大的离心作用，使氧氮分离，压气机兼备离心机，压气机和离心机设计一体化。从整体看，本实用新型既是轴流式压气机，又是离心式压气机，内机匣及其壁内侧的工作叶片则是空气离心机，又是实现漩流燃烧进口气流的漩流机。

7、本实用新型采用的陶瓷滚动轴承结构，一是重量轻，二是勿需润滑，陶瓷滚动轴承位于内机匣叶片处，以支承环形安装的内机匣工作叶片产生的离心力。外机匣支承处制成加强筋结构，也可以设计成流体动压静压轴承或磁浮轴承。

8、本实用新型可采用对转式涡轮机或带有双向旋转机构的电动机带动。

9、本实用新型产生的富氧产物进入外环形燃烧室或环形富氧收集室，供制氧使用。富氮产物通过转毂筒内、外的环形通道进行收集，转毂筒上叶片之间的间隙部位开设富氮进气流通孔。

10、本实用新型如用于燃气轮机进口压气机，富氧富氮产量供气量可达50～200m³/s，相当于18×10⁴m³/h～72×10⁴m³/h，完全能满足高速大流量生产富氧富氮要求。

本实用新型充分利用离心式压气机、轴流式压气机和转筒式离心机的特点，吸收三机的优点，而去其缺陷，进行创新优化设计，利用原有轴流式压气机改型、增减机构，达到既能“随机聚氧”、又能“借机生氮”的目的，同时又能显著地提高原有压气机的性能，从而既能实现富氧燃烧，又能实现漩流燃烧(也叫离心燃烧)，它比富氧燃烧更有一系列优点。据日本石川岛播磨公司对离心燃烧的开发研究报道，离心燃烧使燃烧效率几乎达到100％，燃烧室体积缩小2/3，测试结果功率明显增加。

其中，富氧燃烧的益处是：

1、富氧燃烧是一种高效节能环保的先进技术，富氧助燃可提高火焰温度，富氧浓度每提高1％，燃烧温度可提高35～50℃，从而提高了卡诺循环效率( $\mathrm{\η}=1-\frac{T_2}{T_1}$ )，T₂是出口绝对温度，T₁是燃烧绝对温度。因而，可提高锅炉、窑炉或热力发动机的燃烧效率和循环效率。

2、富氧技术用于高炉冶炼、玻璃、水泥、陶瓷等窑炉，用于汽油机、柴油机、船舶动力、电厂锅炉、燃气轮机等，可降低燃料消耗量10％到25％，减少废气热损失，降低废气排放量，以有关文献中介绍的富氧炼铜为例，最高节能达50％。

3、富氧燃烧技术不但高效节能，而且还能节电，计算表明，如自然空气燃烧1千克重油需要14立方米空气，而采用30％浓度的富氧空气只需供给9.78立方米气源，空气量减少33％，使工厂、企业的鼓风量、引风量减少约三分之一，明显地节约了工厂、企业或用户的用电量，同时节省了一次能源煤炭和二次能源电能，从而降低了热能动力装置的运行费用。

4、富氧燃烧还能提高多种新型代用燃烧的热值，延缓一次能源煤炭、石油、天然气、可燃冰(水合物)等消耗速度，富氧燃烧可使劣质煤燃烧热值达到优质煤水平。进而，达到以煤代油，而且能解决和弥补诸如水煤浆、奥里油、二甲醚、乙醇汽油等新型代用燃料，虽然环保性能较好，但热值偏低，点火又困难的缺憾。

其中，漩流燃烧的益处是：

1、利用漩流“离心效应”组织起的强化燃烧是燃烧技术一项重大突破。漩流燃烧将给燃烧室带来一系列有机联系相互促进的收益。首先使燃烧室长度减半，体积缩小，直接效益是重量减轻，不仅降低电厂燃气轮机燃烧室成本，特别是航空、航天、航海燃气轮机的减重，具有重大的意义。

2、漩流燃烧是通过浮力作用控制了燃烧，高温区位于中心带，而低温区位于外壁周围，特别有利于燃烧室外壁面的冷却和热防护。

3、漩流燃烧的最大优点是火焰传播速度高，当离心加速度ag达到500～3500g时，漩流火焰焰泡速度 $U_f\≈1.25\sqrt{\mathrm{ag}}=28～74m/s,$ 比常规层流火焰、紊流火焰传播速度高一个数量级。

4、漩流燃烧的效率高，除轴向湍流脉动，还同时伴有周向螺旋运动和径向浮力运动形成了三维高速率强参混反应，可使燃烧室的燃烧效率η接近100％，而常规燃烧均低于此值。

5、火焰的驻定能力强，因为漩流度强使火焰传播速度提高，因此可允许的进气速度加大，可使扩压器长度缩短，减少了扩压损失和结构重量，高速气流又有利于采用气雾喷嘴。

6、漩流燃烧时增大高温燃气回流，相当于增强了连续点火源，由于离心效应形成径向压力梯度，中心产生环状低压区，因而漩流强度愈高，漩流系数S愈大，所形成的回流区愈强大，即强漩流形成强回流，这极有利于火焰驻定。

漩流燃烧的一系列优点就是将自然界的龙卷风原理应用于新型的强化燃烧技术中。各种试验和测试均证明漩流燃烧是一种先进的强化燃烧方式。

本实用新型离心工作原理：

利用氧氮分子量的差异，在高转速的叶轮筒形容器中，空气因粘性和叶轮兜带作用随筒旋转，受强大的惯性离心力作用，重组份的氧(分子量32)在内机匣的内壁附近富集，轻组份的氮(分子量28)则在内机匣中心区富集，利用气流轴向流动惯性，即可将分离后氧氮分流，收集为富氧富氮产品。离心分离条件是分离因数Fr＝V²/rg＝ω²r/g＝1.118×10^-3.r.n²的值达到60000左右，其中：V代表机匣的圆周线速度(m/s)，ω代表角速度(弧度/秒)，g代表重力常数，n代表转速(转/分)。相当于要受到6万倍重力加速度，计算表明，米级直径机匣，只要机匣和叶传轮旋转速度8000转/分以上，空气即可达到分离。

附图说明

图1为现有技术中传统的转毂式叶轮单向旋转轴流式压气机结构示意图。

图2为图1中A-A的剖视图。

图3为图1中B-B的剖视图。

图1～图3中，1 首级工作叶片；2 空气进口段；3 静止机匣；4 转毂上工作叶片；5 机匣上整流叶片；6 末级整流叶片；7 主轴动力源；8 径向滚动轴承；9 锥形转毂体；10 动静叶轮间隙；11 空心式主轴；12 止推滚动轴承。

图4为本实用新型转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置结构示意图。

图5为图4中C-C的剖视图。

图6为图4中D-D的剖视图。

图4～图6中，13 首级工作叶片；14 空气进口段；15 外机匣；16 内机匣；17陶瓷滚动轴承；18 转毂上工作叶片；19 内机匣上工作叶片；20 富氧收集器；21径向滚动轴承；22 富氮出口；23 动力环；24 叶片环；25 主轴动力源；26 对转反旋工作叶片之间的间隙；27 转毂筒；28 空心式主轴；29 止推滚动轴承；30 整流罩。

具体实施方式

如图4～图6所示，本实用新型转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置主要包括：首级工作叶片13、空气进口段14、外机匣15、内机匣16、陶瓷滚动轴承17、转毂上工作叶片18、内机匣上工作叶片19、富氧收集器20、径向滚动轴承21、富氮出口22、动力环23、叶片环24、主轴动力源25、对转反旋工作叶片之间的间隙26、转毂筒27、空心式主轴28、止推滚动轴承29、整流罩30等。空气进口段14和整流罩30分别固定在外机匣15前端和内机匣16内侧的转毂筒27前端，外机匣15后端安装富氧收集器20。内机匣16外壁通过陶瓷滚动轴承17支承在外机匣15内侧，陶瓷滚动轴承17位于与内机匣上工作叶片19对应处，内机匣16可作高速旋转，内机匣16后端通过叶片环24与可旋转动力环23连接，其旋转方向要求与转毂筒27旋向相反，转毂上工作叶片18通过榫槽安装在转毂筒27外壁，叶尖向外，转毂上工作叶片18之间的间隙部位开设富氮进气流通孔，转毂筒27内、外的环形通道形成富氮出口，内机匣上工作叶片19通过榫槽安装在内机匣16内壁，叶尖指向中心，内机匣上的首级工作叶片13和末级工作叶片是双臂固定结构。内机匣上工作叶片19和转毂上工作叶片18交错布置，为对转反旋式结构，相邻内机匣上工作叶片19和转毂上工作叶片18之间设有对转反旋工作叶片之间的间隙26。空心式主轴28在结构上通过加强壁板与转毂筒27牢固地连接在一起，空心式主轴28两端分别安装径向滚动轴承21和止推滚动轴承29，主轴动力源25可以带动空心式主轴28旋转。

本实用新型通过高转速的内机匣使空气受到巨大惯性离心力的作用，重组份氧趋向筒壁附近，轻组分氮滞留于转毂附近，富氮收集用于制氮，富氧流向富氧收集器，富氧呈径向漩流状态，故可同时实现富氧燃烧和漩流燃烧，这两种强化燃烧方式可大大提高热能动力装置的性能。由于内机匣上工作叶片和转毂上工作叶片是对转反旋结构，因而带来了级压比提高，压气效率高和涡流损失小、压气机可缩体减重，无陀螺效应，内机匣进口处的首级工作叶片两端固定，提高了压气机可靠性、稳定性等系列优势。

本实用新型转匣式压气机的新结构是压气机的第三次重大变革，将离心压气机、轴流压气机和转筒离心机创新地组合在一起，实现了既能压缩空气，又能离心空气和漩流空气三功能，达到增产高效、节电节能、环保的目的。

Claims (10)

1、一种转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，其特征在于：该装置设有首级工作叶片(13)、空气进口段(14)、外机匣(15)、内机匣(16)、转毂上工作叶片(18)、内机匣上工作叶片(19)、转毂筒(27)，空气进口段(14)固定在外机匣(15)前端，内机匣(16)外壁通过轴承支承在外机匣(15)内侧，内机匣(16)内侧设有转毂筒(27)，首级工作叶片(13)和内机匣上工作叶片(19)安装在内机匣(16)内壁，转毂上工作叶片(18)安装在转毂筒(27)外壁，内机匣(16)与转毂筒(27)旋向相反，内机匣上工作叶片(19)和转毂上工作叶片(18)交错布置，为对转反旋式结构。

2、按照权利要求1所述的转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，其特征在于：相邻内机匣上工作叶片(19)和转毂上工作叶片(18)之间设有间隙。

3、按照权利要求1所述的转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，其特征在于：转毂上工作叶片(18)之间的间隙部位开设富氮进气流通孔，转毂筒(27)内、外的环形通道形成富氮出口。

4、按照权利要求1所述的转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，其特征在于：外机匣(15)后端安装富氧收集器(20)。

5、按照权利要求1所述的转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，其特征在于：内机匣上的首级工作叶片(13)是双臂固定结构。

6、按照权利要求1所述的转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，其特征在于：内机匣(16)后端通过叶片环(24)与可旋转动力环(23)连接。

7、按照权利要求1所述的转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，其特征在于：内机匣(16)和外机匣(15)之间的轴承位于与内机匣上工作叶片(19)对应处。

8、按照权利要求1所述的转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，其特征在于：内机匣(16)和外机匣(15)之间的轴承为陶瓷滚动轴承，或采用流体动压静压轴承或磁浮轴承。

9、按照权利要求1所述的转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，其特征在于：转毂筒(27)前端固定整流罩(30)。

10、按照权利要求1所述的转匣式叶轮对转反旋离心分离空气聚氧聚氮装置，其特征在于：空气进口段(14)采用开放形喇叭进口，或采用平行直筒进口。

Images