CN2185339Y - 气体悬浮式陶瓷低温透平膨胀机 - Google Patents

气体悬浮式陶瓷低温透平膨胀机 Download PDF

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叶士禄
邵平
陆云龙
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Abstract

一种气体悬浮式陶瓷低温透平膨胀机，包括一低 温端、高温端、连接低温端及高温端的中间体，中间体 内配置有可以高速旋转的主轴，主轴上配置有低温透 平端陶瓷动静压气体悬浮轴承、制动风机端陶瓷动静 压气体悬浮轴承及四对由陶瓷材料组成的摩擦副，在 各种工况下，具有可靠的高效运转稳定性及高热效 率。

Description

本实用新型涉及一种低温透平膨胀机，特别涉及一种气体悬浮式陶瓷低温透平膨胀机。
近年来，中、小型制氧机采用的低温透平膨胀机，由于进气量小，焓降小，转速高，普遍采用金属材料制成的并由外界提供压力气体的静压气体悬浮轴承，相对于低温活塞式膨胀机而言，虽然具有体积小，重量轻、噪音低、节油、节电等许多优点，但这种轴承在高速下的涡动不稳定性往往是限制其应用的一个严重障碍，也是它致命的缺点。在使用过程中，稍不注意就会出现所谓的“卡机”现象，即静压气体悬浮的高速旋转的轴与轴承在运转过程中，会因为瞬间相互接触而卡住，轻则擦伤轴与轴承，经返修还可使用；重则轴与轴承接触瞬间产生大量摩擦热而造成摩擦表面相互熔合为一体，造成整机报废。
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种气体悬浮式陶瓷低温透平膨胀机，在各种工况下，具有可靠的高速运转稳定性及高热效率。
图1是本实用新型的结构剖视图。
图2是主轴是－－陶瓷动静压气体悬浮轴承组件图。
图3是透平端动静压气体悬浮陶瓷轴承结构图，其中，a是纵剖面图，b是横剖面图。
图4是风机端动静压气体悬浮陶瓷轴承结构图，其中，a是纵剖面图，b是横剖面图。
下面结合附图对本实用新型的结构原理和工作原理作详细的说明。
参照图1，本实用新型包括一低温端、高温端、连接低温端及高温端的中间体，中间体内配置有可以高速旋转的主轴。所说的低温端包括一透平蜗壳2，透平蜗壳2的左端配置一扩压器1，透平蜗壳2的右端和中间体的外筒体10相连接，透平蜗壳2内配置一导流器5、气缸3；所说的高温端包括一风机蜗壳13，风机蜗壳13的右端配置一进气管16，风机蜗壳13的左端和中间体的外筒体10相连接；所说的中间体包括一外筒体10，外筒体10内配置一轴承套11，轴承套11内的两端配置有固定主轴12的气体悬浮轴承8、17，主轴12的两端分别配置有伸进气缸3内的透平轮4和伸进风机蜗壳13内的制动风机轮15。另外，图中，6是绝热板，14是限位器，9是O型圈。
本实用新型采用单级、径流、向心反击式透平膨胀原理，纯净的压缩气体（空气、氮气、稀有气体或混合气体等）由透平蜗壳2经导流器5进入透平轮4作绝热膨胀，流经气缸3及扩压器1产生冷量获得低温，输送至气体分离设备，满足冷量的要求。
纯净的压缩气体经导流器5进入透平轮4绝热膨胀产生冷量的同时，由于气流对叶轮的冲动使主轴12高速旋转，为了支撑高速旋转的主轴，本实用新型采用动静压气体悬浮陶瓷轴承。
参照图2，主轴－－陶瓷动静压气体悬浮轴承组件包括主轴12，主轴12上配置的低温透平端陶瓷动静压气体悬浮轴承8、制动风机端陶瓷动静压气体悬浮轴承17及四对由陶瓷材料组成的摩 擦副18、19、20、21。透平轮4的通流部份线型按三元流原理设计，基体材料为LD5超级硬铝，在其表面采用等离子喷镀或激光喷镀氮化硅、碳化硅、氧化锆等陶瓷材料，复合形成0.3－0.7毫米左右的陶瓷外壳，经研磨达到精度要求。高速旋转的主轴12基体材料为3Cr13，在摩擦副止推面18、19及摩擦副主轴颈20、21处同样采用等离子喷镀或激光喷镀氮化硅、碳化硅、氧化锆等陶瓷材料复合形成0.3－0.7毫米左右的陶瓷外壳，然后经研磨达到精度要求。低温透平端陶瓷动静压气体悬浮轴承8及制动风机端陶瓷动静压气体悬浮轴承17基体材料为氮化硅烧结型陶瓷。制动风机轮15为直叶片型，基体材料为LD5超级硬铝，表面用上述同样的方法喷镀同种陶瓷，经研磨达到精度要求。
参照图3、4，透平端动静压气体悬浮陶瓷轴承（见图3）和风机端动静压气体悬浮陶瓷轴承（见图4）结构形状互相对称，径向钻有与中心线呈50－90°、孔径为0.1－0.4毫米小孔22两至四排，每排6－10孔均布，工作时，由外界提供0.1－0.3MPa的纯净气体使主轴悬浮，轴向止推面，刻有后弯式等速、对数螺旋槽线型23。
当气体悬浮式陶瓷低温透平膨胀机工作时，主轴12由通过陶瓷动静压气体悬浮轴承的径向小孔的压力气体所悬浮，而轴向的止推则依靠陶瓷止推面18、19上的后弯等速、对数螺旋槽线型，随着转子转速的不断提高，使周围的环境气体因泵入作用进入止推空间，迅速建立起有压力梯度的气膜将摩擦副推开，从而起到轴向止推作用。随着主轴12转速的不断提高，径向静压轴承中，主轴12的几何旋转中心与径向轴承的几何中心实际是不同的，而存在着一定的偏心距，形成收敛楔口，在主轴12的高速旋转带动下，由于气体的粘性，气体也随之运动，由偏心的大楔口流向偏心的小楔口，形成动态压力，从而使主轴与轴承也产生起浮效应。由于这种偏心所造成的起浮效应即可使原来的径向轴承的供气压力降低，可以做到当主轴12的转速接近或达到低温透平膨胀机工作转速时，径向静压轴承无需再由外界供气。
本实用新型经过多次反复试验证明：轴承间隙能永运保持设计规定的最佳值，当达到低温透平膨胀机额定转速时，即使不再向气体轴承供气，也仍然能平稳运行。

Claims (2)

1、气体悬浮式陶瓷低温透平膨胀机，包括一低温端、高温端、连接低温端及高温端的中间体，所说的中间体包括一外筒体(10)、外筒体(10)内配置一轴承套(11)，轴承套(11)内的两端配置有固定主轴(12)的气体悬浮轴承(8)、(17)，主轴(12)的两端分别配置有伸进气缸(3)的透平轮(4)和伸进风机蜗壳(13)内的制动风机轮(15)，本实用新型的特征是，所说的透平轮(4)基体材料为LD5超级硬铝，其表面复合0.3-0.7毫米的陶瓷外壳，所说的主轴(12)基体材料为3Cr13，其摩擦副止推面(18、19)及摩擦副主轴颈(20、21)处表面复合0.3-0.7毫米的陶瓷外壳，所说的气体悬浮轴承(8)及(17)的基体材料为氮化硅烧结型陶瓷，所说的制动风机轮(15)基体材料为LD5超级硬铝，其表面复合0.3-0.7毫米的陶瓷外壳。
2、根据权利要求1    所述的透平膨胀机，其特征在于，所说的气体悬浮轴承（8）与气体悬浮轴承（17）的结构形状互相对称，其径向钻有与中心线呈50－90°、孔径为0.1－0.4毫米的小孔（22）2－4排，每排6－10孔均布。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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