CN215058271U - 一种应用于大流量大膨胀比的高速透平结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于流体机械领域和制冷低温技术领域，涉及一种应用于大流量大膨胀比的高速透平结构，其前向压缩蜗壳、后向压缩蜗壳、中间壳体和膨胀蜗壳依次连接，中间壳体和膨胀蜗壳之间设有喷嘴盖板；主轴穿过前向压缩蜗壳、后向压缩蜗壳、中间壳体和膨胀蜗壳，主轴的一端设有一对背靠背安装的压缩叶轮，另一端设有膨胀叶轮；背靠背安装的压缩叶轮分别位于前向压缩蜗壳、后向压缩蜗壳内，膨胀叶轮位于膨胀蜗壳内。本实用新型两个背靠背的压缩叶轮在主轴的一侧，通过分配不同的流量或者压比，可以使得两个压缩叶轮产生的轴向力方向与主轴另一端膨胀叶轮产生的轴向力方向相反，甚至完全抵消，有效解决由于轴向力不平衡而引起的故障。

Description

一种应用于大流量大膨胀比的高速透平结构

技术领域

本实用新型属于流体机械领域和制冷低温技术领域，涉及一种应用于大流量大膨胀比的高速透平结构。

背景技术

透平膨胀机是空分设备及天然气液化分离设备、余热回收等设备获取冷量、回收膨胀功所必需的关键部件。在透平膨胀机中，工质绝热膨胀时工质的温度、压力降低同时对外输出膨胀功。透平膨胀机输出的膨胀功可以由同轴布置的制动风机消耗，也可由同轴布置的离心压缩机高效回收利用。

在一些制冷系统或者能量回收系统中膨胀机的膨胀比相对于离心压缩机的压比较高，特别地，在大膨胀比等大焓降的工况下，膨胀机的输出功较大，导致压缩轮的流量需要很大才能与膨胀叶轮的输出功匹配。常规设计方法设计出的离心压缩叶轮往往比膨胀叶轮大20％以上，这容易导致轴向力不平衡以及整机结构尺寸较大的问题，另外对于单个大气量的离心压缩叶轮，压缩轮效率会很低，导致膨胀叶轮的输出功大部分被浪费掉。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种应用于大流量大膨胀比的高速透平结构，以克服上述现有技术的缺陷。

本实用新型解决上述问题的技术方案是：一种应用于大流量大膨胀比的高速透平结构，其特殊之处在于，包括：

主轴、前向压缩蜗壳、后向压缩蜗壳、中间壳体和膨胀蜗壳；

所述前向压缩蜗壳、后向压缩蜗壳、中间壳体和膨胀蜗壳依次连接，所述中间壳体和膨胀蜗壳之间设有喷嘴盖板；

所述主轴穿过前向压缩蜗壳、后向压缩蜗壳、中间壳体和膨胀蜗壳，主轴的一端设有一对背靠背安装的压缩叶轮，主轴的另一端设有膨胀叶轮；

一对背靠背安装的压缩叶轮分别位于前向压缩蜗壳、后向压缩蜗壳内，膨胀叶轮位于膨胀蜗壳内。

进一步地，上述中间壳体上靠近后向压缩蜗壳处设有第二流体进口，前向压缩蜗壳上设有第三流体进口和第二流体出口。

进一步地，上述前向压缩蜗壳、后向压缩蜗壳之间设有扩压器，所述后向压缩蜗壳上设有第三流体出口，该第三流体出口通过管道与前向压缩蜗壳的第三流体进口连接。

进一步地，上述膨胀蜗壳包括第一流体入口和第一流体出口。流体从第一流体入口进入后，经过膨胀蜗壳的气流通道后又分别流入喷嘴盖板。流体在喷嘴的流道内流速加快，压力降低。随后，流体由喷嘴的出口均匀的流经膨胀叶轮，在膨胀叶轮中继续膨胀并对膨胀叶轮做功，从而驱动膨胀叶轮旋转，膨胀后的流体经由膨胀蜗壳上的第一流体出口流出。

进一步地，上述膨胀蜗壳的第一流体出口处内径由里到外逐渐增大，对流经第一流体出口的流体起到扩压减速作用。

进一步地，上述中间壳体内设有前轴承座盖板和后轴承座盖板。

进一步地，上述中间壳体的内部布置有一对气体径向轴承和一对气体止推轴承，一对气体径向轴承包括前径向轴承、后径向轴承；一对气体止推轴承包括前止推轴承和后止推轴承；

前径向轴承和前止推轴承布置于前轴承座盖板上，后径向轴承和后止推轴承布置于后轴承座盖板上。

进一步地，上述气体止推轴承和气体径向轴承可以是动压气体轴承，也可以是静压气体轴承。

进一步地，上述中间壳体上位于后轴承座盖板和喷嘴盖板之间设有小孔，前轴承座盖板、后轴承座盖板上分别设有通孔，

气体可以通过所述小孔，然后经所述后轴承盖板和所述前轴承盖板上的通孔被所述后向压缩叶轮吸入，气体经过轴承盖板时可以冷却盖板上安装的气体轴承，提高轴承的承载力和稳定性。

本实用新型的优点：

1)本实用新型所提供的高速透平机械工作时，由于两个背靠背的压缩叶轮在主轴的一侧，通过分配不同的流量或者压比，可以使得两个压缩叶轮产生的轴向力方向与主轴另一端膨胀叶轮产生的轴向力方向相反，甚至完全抵消，因此可以有效解决由于轴向力不平衡而引起的故障。

2)结构紧凑、效率高。本实用新型所提供的高速透平机械采用两个背靠背的叶轮回收大气量大膨胀比的膨胀功，不仅可以有效减小叶轮直径实现结构紧凑的布置，而且可以达到高效回收的目的，这样不仅降低了成本同时提高了回收的收益。

3)本实用新型所提供的背靠背压缩叶轮结构的高速透平机械的两种技术方案，可以根据实际情况选择串联压缩或者并联压缩，实现输出小压比大流量气体或者大压比小流量气体的功能。

4)长寿命和高可靠性。本实用新型所述的高速透平机械采用气体轴承包括动压气体轴承和静压气体轴承。无磨损，维护成本低，而且利用压缩叶轮吸气对气体轴承冷却，提高轴承承载力和稳定性。同时，整机可以实现完全无油化，避免了油润滑轴承污染工质的隐患。

附图说明

图1为本实用新型并联压缩技术方案高速透平机械的结构示意图。

图2为本实用新型串联压缩技术方案高速透平机械的结构示意图。

其中：1、第一前向压缩蜗壳，2、第二流体出口，3、主轴，4、第一前向压缩叶轮，5、第一后向压缩叶轮，6、第一后向压缩蜗壳，7、前轴承座盖板，8、后轴承座盖板，9、中间壳体，10、喷嘴盖板，11、膨胀叶轮，12、膨胀蜗壳，13、第一流体入口，14、第二前向压缩蜗壳，15、第二前向压缩叶轮，16、第二后向压缩叶轮，17、扩压器，18、第二后向压缩蜗壳，19、第二流体进口，20、第三流体进口，21、第三流体出口，22、第一流体出口，23、小孔。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。

一种应用于大流量大膨胀比的高速透平结构，包括主轴3、前向压缩蜗壳、后向压缩蜗壳、中间壳体9和膨胀蜗壳12；所述前向压缩蜗壳、后向压缩蜗壳、中间壳体9和膨胀蜗壳12依次连接，所述中间壳体9和膨胀蜗壳12之间设有喷嘴盖板10；所述主轴3穿过前向压缩蜗壳、后向压缩蜗壳、中间壳体9和膨胀蜗壳12，主轴3的一端设有一对背靠背安装的压缩叶轮，主轴3的另一端设有膨胀叶轮11；一对背靠背安装的压缩叶轮分别位于前向压缩蜗壳、后向压缩蜗壳内，膨胀叶轮11位于膨胀蜗壳12内。

作为本实用新型的一个优选实施例，所述中间壳体9上靠近后向压缩蜗壳处设有第二流体进口19，前向压缩蜗壳上设有第三流体进口20和第二流体出口2。

作为本实用新型的一个优选实施例，所述前向压缩蜗壳、后向压缩蜗壳之间设有扩压器17，所述后向压缩蜗壳上设有第三流体出口21，该第三流体出口21通过管道与前向压缩蜗壳的第三流体进口20连接。

作为本实用新型的一个优选实施例，所述膨胀蜗壳12包括第一流体入口13和第一流体出口22。

作为本实用新型的一个优选实施例，所述膨胀蜗壳12的第一流体出口22处内径由里到外逐渐增大，对流经第一流体出口22的流体起到扩压减速作用。

作为本实用新型的一个优选实施例，所述中间壳体9内设有前轴承座盖板7和后轴承座盖板8。

作为本实用新型的一个优选实施例，所述中间壳体9的内部布置有一对气体径向轴承和一对气体止推轴承，一对气体径向轴承包括前径向轴承、后径向轴承；一对气体止推轴承包括前止推轴承和后止推轴承；前径向轴承和前止推轴承布置于前轴承座盖板7上，后径向轴承和后止推轴承布置于后轴承座盖板8上。

作为本实用新型的一个优选实施例，所述气体止推轴承和气体径向轴承是动压气体轴承或者静压气体轴承。

作为本实用新型的一个优选实施例，所述中间壳体9上位于后轴承座盖板8和喷嘴盖板10之间设有小孔23，前轴承座盖板7、后轴承座盖板8上分别设有通孔。

实施例1：

参见图1，一种应用于大流量大膨胀比的高速透平结构，包含中间壳体9、主轴3、安装在所述主轴3上一端的膨胀叶轮11，与所述膨胀叶轮11配合并安装在所述中间壳体9上的膨胀蜗壳12、安装在所述主轴3另一端的两个背靠背的压缩叶轮(第一前向压缩叶轮4，第一后向压缩叶轮5)以及安装在所述中间壳体9上的第一后向压缩蜗壳6，安装在所述第一后向压缩蜗壳6上的第一前向压缩蜗壳1。

两个背靠背的压缩叶轮的安装位置位于后向压缩蜗壳6的中心位置。所述第一前向压缩轮4在周向与第一前向压缩蜗壳1的入口相配合，所述第一后向压缩叶轮5在周向与第一后向压缩蜗壳6的入口相配合。所述膨胀叶轮11的安装位置位于膨胀蜗壳12的轴中心位置。所述膨胀叶轮11在周向与喷嘴盖板10的出口相配合。

所述膨胀蜗壳11内部布置有扩压器，扩压器的入口与膨胀叶轮11的出口相配合。所述第一前向压缩蜗壳1内部布置有第一压缩进口段(第三流体进口20)，第一压缩进口段的出口与第一前向压缩叶轮4的入口相配合。所述后向压缩蜗壳6内部布置有第二压缩进口段，第二压缩进口段的出口与后向压缩叶轮5的入口相配合。

所述中间壳体9的内部布置有一对气体径向轴承和一对气体止推轴承。前径向轴承和前止推轴承布置于前轴承座盖板7上，后径向轴承和后止推轴承布置于后轴承座盖板8上。所述气体止推轴承和气体径向轴承可以是动压气体轴承，也可以是静压气体轴承。

气体可以通过所述中间壳体9上开的小孔23，然后经所述后轴承盖板8和所述前轴承盖板7上的通孔后被所述第一后向压缩叶轮5吸入，气体经过轴承盖板时可以冷却所述盖板上安装的气体轴承，提高轴承的承载力和稳定性。

本实用新型实施例的工作原理为：

本实施例为并联压缩工况，在膨胀叶轮11侧，带有一定速度和压力的流体由膨胀蜗壳12上安装的第一流体入口13流入，经过膨胀蜗壳的气流通道后又分别流入喷嘴盖板10。流体在喷嘴的流道内流速加快，压力降低。随后，流体由喷嘴的出口均匀的流经膨胀叶轮11，在膨胀叶轮中继续膨胀并对膨胀叶轮做功，从而驱动膨胀叶轮11旋转。膨胀后的流体经由膨胀蜗壳12上的第一流体出口22(扩压段)进行扩压减速后流出。膨胀叶轮11的旋转将带动主轴3转动，进而带动主轴3另一端两个背靠背的第一前向压缩叶轮4、第一后向压缩叶轮5旋转。

低压气体分别被第一前向离心压缩叶轮4从第一前向压缩蜗壳1上的入口(第三流体进口20)、第一后向离心压缩叶轮5从安装在中间壳体9上的入口(第二流体进口19)吸入，在第一前向压缩叶轮4、第一后向压缩叶轮5中流速加快，压力升高然后进入共同的扩压器，压力升高，速度降低，排入共同的压缩蜗壳1，最后从安装在压缩蜗壳1上的出口(第二流体出口2)排出。

本实用新型中背靠背叶轮包括但不限于两个相同的叶轮，只要排气压力相同便于共同排气即可，两个叶轮的流量可以不同，通过分配不同的流量实现叶轮轴向力的调节以平衡膨胀叶轮侧的轴向力。另外为了保证两个叶轮直径一样，需要调节叶轮出口叶高、叶轮出口叶片角等结构参数，从而便于背靠背叶轮结构的布置。

实施例2：

参见图2，一种应用于大流量大膨胀比的高速透平结构，包含中间壳体9、主轴3、安装在所述主轴3上一端的膨胀叶轮11，与所述膨胀叶轮11配合并安装在所述中间壳体9上的膨胀蜗壳12、安装在所述主轴3另一端的两个背靠背的压缩叶轮(第二前向压缩叶轮15，第二后向压缩叶轮16)以及安装在所述中间壳体9上的第一后向压缩蜗壳6，安装在所述第一后向压缩蜗壳6上的第一前向压缩蜗壳1。

两个背靠背的压缩叶轮的安装位置位于后向压缩蜗壳6的中心位置。所述第一前向压缩轮4在周向与第二前向压缩蜗壳14的入口相配合，所述第二后向压缩叶轮16在周向与第二后向压缩蜗壳18的入口相配合。所述膨胀叶轮11的安装位置位于膨胀蜗壳12的轴中心位置。所述膨胀叶轮11在周向与喷嘴盖板10的出口相配合。所述前向压缩蜗壳、后向压缩蜗壳之间设有扩压器17，所述后向压缩蜗壳上设有第三流体出口21，该第三流体出口21通过管道与前向压缩蜗壳的第三流体进口20连接。

所述膨胀蜗壳11内部布置有扩压段，扩压段的入口与膨胀叶轮11的出口相配合。所述第二前向压缩蜗壳14内部布置有第一压缩进口段(第三流体进口20)，第一压缩进口段的出口与第二前向压缩叶轮15的入口相配合。所述第二后向压缩蜗壳18内部布置有第二压缩进口段，第二压缩进口段的出口与第二后向压缩叶轮16的入口相配合。

所述中间壳体9的内部布置有一对气体径向轴承和一对气体止推轴承。前径向轴承和前止推轴承布置于前轴承座盖板7上，后径向轴承和后止推轴承布置于后轴承座盖板8上。所述气体止推轴承和气体径向轴承可以是动压气体轴承，也可以是静压气体轴承。

气体可以通过所述中间壳体9上开的小孔23，然后经所述后轴承盖板8和所述前轴承盖板7上的通孔后被所述第二后向压缩叶轮16吸入，气体经过轴承盖板时可以冷却所述盖板上安装的气体轴承，提高轴承的承载力和稳定性。

本实施例的工作原理为：

本实施例为串联压缩工况，在膨胀叶轮11侧，带有一定速度和压力的流体由膨胀蜗壳12上安装的第一流体入口13流入，经过膨胀蜗壳的气流通道后又分别流入喷嘴盖板10。流体在喷嘴的流道内流速加快，压力降低。随后，流体由喷嘴的出口均匀的流经膨胀叶轮11，在膨胀叶轮中继续膨胀并对膨胀叶轮做功，从而驱动膨胀叶轮11旋转。膨胀后的流体经由膨胀蜗壳12上的第一流体出口22(扩压段)进行扩压减速后流出。膨胀叶轮11的旋转将带动主轴3转动，进而带动主轴3另一端两个背靠背的第二前向压缩叶轮15、第二后向压缩叶轮16旋转。

低压气体被第二后向离心压缩叶轮16从中间壳体9上的入口(第二流体进口19)吸入，在叶轮中压缩，流速加快，压力升高然后进入的扩压器17，压力升高，速度降低，排入第二后向压缩蜗壳18；通过管道进入第二前向压缩蜗壳14的入口，再进入第二前向压缩叶轮15中，压力升高，流速加快，然后进入扩压器17，压力升高，速度降低，排入第二前向压缩蜗壳14，最后从第二前向压缩蜗壳上的出口(第二流体出口2)排出高压气体，达到高效回收膨胀功的目的。两个叶轮的压比可以不同，通过分配不同的压比实现叶轮轴向力的调节以平衡膨胀叶轮侧的轴向力。

本实用新型采用两个背靠背叶轮回收膨胀功，不仅叶轮直径小、结构紧凑，而且两个叶轮可以选择串联压缩或者并联压缩应用，实现输出不同流量、压力气体的功能。同时通过在并联压缩工况下分配两个叶轮不同的流量和选择合适进口压力，在串联压缩工况下分配两个叶轮不同的压比，可以调节这一侧两个叶轮的轴向力从而使膨胀机整体的轴向力达到自平衡。

采用两个背靠背离心压缩叶轮回收膨胀功，大流量大膨胀比的膨胀叶轮输出功较大，单独一个压缩叶轮回收需要很大的流量和轮径，导致单个叶轮的效率不高，压缩侧零件尺寸也会很大。采用两个背靠背叶轮回收膨胀功可以减小叶轮直径，在保证紧凑性的基础上实现高效率的回收膨胀功。

根据实际使用需求，两个背靠背压缩叶轮可以采用并联压缩或者串联压缩方案；并联压缩时，两个叶轮的进气压力根据实际需求确定。进气压力高，叶轮的制动功大，叶轮直径可以减小。串联压缩时，相比于并联压缩，叶轮的总压比高，流量小。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非以此限制本实用新型的保护范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种应用于大流量大膨胀比的高速透平结构，其特征在于：

包括主轴(3)、前向压缩蜗壳、后向压缩蜗壳、中间壳体(9)和膨胀蜗壳(12)；

所述前向压缩蜗壳、后向压缩蜗壳、中间壳体(9)和膨胀蜗壳(12)依次连接，所述中间壳体(9)和膨胀蜗壳(12)之间设有喷嘴盖板(10)；

所述主轴(3)穿过前向压缩蜗壳、后向压缩蜗壳、中间壳体(9)和膨胀蜗壳(12)，主轴(3)的一端设有一对背靠背安装的压缩叶轮，主轴(3)的另一端设有膨胀叶轮(11)；

一对背靠背安装的压缩叶轮分别位于前向压缩蜗壳、后向压缩蜗壳内，膨胀叶轮(11)位于膨胀蜗壳(12)内。

2.根据权利要求1所述的一种应用于大流量大膨胀比的高速透平结构，其特征在于：

所述中间壳体(9)上靠近后向压缩蜗壳处设有第二流体进口(19)，前向压缩蜗壳上设有第三流体进口(20)和第二流体出口(2)。

3.根据权利要求1所述的一种应用于大流量大膨胀比的高速透平结构，其特征在于：

所述前向压缩蜗壳、后向压缩蜗壳之间设有扩压器(17)，所述后向压缩蜗壳上设有第三流体出口(21)，该第三流体出口(21)通过管道与前向压缩蜗壳的第三流体进口(20)连接。

4.根据权利要求2或3所述的一种应用于大流量大膨胀比的高速透平结构，其特征在于：

所述膨胀蜗壳(12)包括第一流体入口(13)和第一流体出口(22)。

5.根据权利要求4所述的一种应用于大流量大膨胀比的高速透平结构，其特征在于：

所述膨胀蜗壳(12)的第一流体出口(22)处内径由里到外逐渐增大，对流经第一流体出口(22)的流体起到扩压减速作用。

6.根据权利要求5所述的一种应用于大流量大膨胀比的高速透平结构，其特征在于：

所述中间壳体(9)内设有前轴承座盖板(7)和后轴承座盖板(8)。

7.根据权利要求6所述的一种应用于大流量大膨胀比的高速透平结构，其特征在于：

所述中间壳体(9)的内部布置有一对气体径向轴承和一对气体止推轴承，一对气体径向轴承包括前径向轴承、后径向轴承；一对气体止推轴承包括前止推轴承和后止推轴承；前径向轴承和前止推轴承布置于前轴承座盖板(7)上，后径向轴承和后止推轴承布置于后轴承座盖板(8)上。

8.根据权利要求7所述的一种应用于大流量大膨胀比的高速透平结构，其特征在于：

所述气体止推轴承和气体径向轴承是动压气体轴承或者静压气体轴承。

9.根据权利要求8所述的一种应用于大流量大膨胀比的高速透平结构，其特征在于：

所述中间壳体(9)上位于后轴承座盖板(8)和喷嘴盖板(10)之间设有小孔(23)，前轴承座盖板(7)、后轴承座盖板(8)上分别设有通孔。

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