CN220203971U - 大气量增压的气体轴承透平膨胀机、空分设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种大气量增压的气体轴承透平膨胀机，包括膨胀轮、增压轮和转子，所述膨胀轮和增压轮安装在所述转子两端，所述转子上套设有两个气体推力轴承，分别用于支撑所述膨胀轮和增压轮，所述转子两侧的主轴止推为台阶结构，所述主轴止推内形成有贯通的、且一端承接止推面处轴承气的第一排气孔，用于排放承载摩擦后的热气体。能够提高气体轴承的可靠性和稳定性，便于实现大气量增压。还提供了一种空分设备，包含所述一种大气量增压的气体轴承透平膨胀机。
Description
技术领域
本实用新型属于透平膨胀机领域，具体涉及一种大气量增压的气体轴承透平膨胀机以及一种包含上述大气量增压的气体轴承透平膨胀机的空分设备。
背景技术
透平膨胀机作为空分产品的核心设备，基本上提供了空分设备的所有冷量，其性能直接决定了整套产品的技术水平。目前透平膨胀机主要有两种润滑方式：一种为气体轴承润滑，另一种为油轴承润滑。油轴承承载力大、适用气量大、运行稳定，但附件多、体积大、重量重，特别是当轴封失效时，润滑油可能被带入工艺气体中，造成严重的安全事故。气体轴承速度高、摩阻低、摩擦功耗低、温升低、噪音小、无污染、适应温度范围大、结构简单、体积小、重量轻、安装操作维护方便，寿命长、节省电耗、油耗，操作费用低，经济性高。综合对比油轴承和气体轴承透平膨胀机可以发现，气体轴承透平膨胀机性价比很高，具有非常大的发展前景和优势，在尽可能满足成套设备要求的情况下，优先选用气体轴承。
目前国内气体轴承透平膨胀机适用范围为：进口压力在0.1-2MPa，进口温度-270-200℃，输出功率范围0.5-50kW，转速范围为10000-200000r/min，工作介质为空气、氧气、氮气、氦气、天然气，其进口状态下的流量范围10-600m3/h，折算成标准气量范围为50～3000Nm3/h，膨胀轮和增压轮直径一般小于140毫米，风机轮直径一般小于180毫米。现有技术方案只能应用于气量不大于3000Nm3/h的中小型气体轴承膨胀机，无法实现大气量膨胀、大气量增压的工况。
实用新型内容
鉴于以上所述现有技术的全部或部分不足，本实用新型的目的在于：提供一种大气量增压的气体轴承透平膨胀机以及一种包含上述大气量增压的气体轴承透平膨胀机的空分设备，能够提高气体轴承的可靠性和稳定性，便于实现大气量增压。
为实现上述实用新型目的，本实用新型提供以下技术方案：
本实用新型提供了一种大气量增压的气体轴承透平膨胀机，包括膨胀轮、增压轮和转子，所述膨胀轮和增压轮安装在所述转子两端，所述转子上套设有两个气体推力轴承，分别用于支撑所述膨胀轮和增压轮，所述转子两侧的主轴止推为台阶结构，所述主轴止推内形成有贯通的、且一端承接止推面处轴承气的第一排气孔，用于排放承载摩擦后的热气体。大气量增压是指增压端进口状态下的体积流量比膨胀端进口状态下的体积流量大1倍以上，并且膨胀流量大于3000Nm3/h以上，增压流量大于6000Nm3/h以上，这样会造成膨胀轮和增压轮外径均超过140毫米，由于增压流量很大，增压比就很小，增压叶片很高，容易颤振，影响膨胀机的稳定运行。本实用新型通过第一排气孔将转子与气体推力轴承之间的热空气从止推面排出至机身空腔中，随后再从机身空腔中排出至机身外，通过提升排气散热能力，减少气体推力轴承受热膨胀量(受热膨胀将破坏配合间隙)，继而提高了气体推力轴承的承载力和稳定性，可以承受较大的轴向和径向载荷，适应外形较大的膨胀轮和增压轮、整体轴向力较大的转子，达到大气量增压透平膨胀机对气体轴承承载力和稳定性的要求。
所述第一排气孔呈倾斜设置；所述主轴止推内开设有均匀分布的若干所述第一排气孔。设置若干第一排气孔可以进一步提升轴承的排气散热能力，提高承载力和稳定性。
所述气体推力轴承内设有环形槽，以及与所述环形槽连通的若干轴向排气孔和若干径向排气孔。若干轴向排气孔和径向排气孔可以进一步提升轴承的排气散热能力，提高承载力和稳定性。
两个所述气体推力轴承连接不同的轴承供气管道，根据轴承计算，确定转子的总轴向力，不同的轴承供气管道分别设置单独的供气压力，可以提高轴承的承载能力。所述轴承供气管道内安装有筒式精过滤器，由传统的镍片精密过滤器改为筒式精过滤器，大大提高了轴承气的流量和压力。
所述气体推力轴承包括与所述轴承供气管道相连的至少一排轴向止推孔、至少一排径向切向孔，所述径向切向孔的一端承接所述气体推力轴承的内孔。径向切向孔可以提高轴承的承载能力，优选设置两排以上的轴向止推孔以进一步提高承载能力。
所述膨胀轮为闭式径轴流向心反动型式，所述增压轮为闭式前倾后弯三元流型式，膨胀机喷嘴为气动TCP-3超音速叶型。膨胀轮、增压轮和喷嘴均选用高效率型式。
所述膨胀轮和增压轮的轮背均轴向装配有轮盖齿迷宫密封的气体密封副，密封结构可以减少内漏，提高效率，采用整体轴向装配结构便于拆卸修理密封副。所述增压轮的轮背设有压力测点，根据其数值采取将增压轮背后的压力气体回流到增压轮进口或提高增压轮背后的密封气压力，以平衡转子的轴向力。
所述气体推力轴承为静压气体切向供气带O型圈支撑的止推径向复合型轴承，具有较高的稳定性。所述转子的主轴端面与所述气体推力轴承端面之间设有限位套，可强迫抑制轴承端面的膨胀，提高轴承的承载能力。
所述膨胀轮的轮背设有密封绝热套，可以提高膨胀机的效率，减少漏气，防止膨胀轮的低温气体接触气体推力轴承导致该气体推力轴承受冷收缩而破坏间隙配合。所述增压轮的轮背设有环氧玻璃布板制成的隔热板，可以减少增压后的高压高温气体通过热传导使轴承膨胀，影响运转稳定性。
本实用新型还提供一种空分设备，包含上述任一技术方案中所述的大气量增压的气体轴承透平膨胀机。本实用新型提供的大气量增压的气体轴承透平膨胀机可以作为深冷空气分离设备中透平膨胀机的单机。
与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：本实用新型通过第一排气孔将转子与气体推力轴承之间的热空气从止推面排出至机身空腔中，随后再从机身空腔中排出至机身外，通过提升排气散热能力，减少气体推力轴承受热膨胀量(受热膨胀将破坏配合间隙)，继而提高了气体推力轴承的承载力和稳定性，可以承受较大的轴向和径向载荷，适应外形较大的膨胀轮和增压轮、整体轴向力较大的转子，达到大气量增压透平膨胀机对气体轴承承载力和稳定性的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例1提供的一种大气量增压的气体轴承透平膨胀机的剖面示意图；
图2是图1中A区的放大图；
图3是实施例1中膨胀端的气体推力轴承的剖面示意图(增压端的气体推力轴承沿转子主轴与膨胀端的气体推力轴承对称设置)；
图4是图3中沿A-A剖面线和B-B剖面线的剖面示意图；
图5是图3中沿C-C剖面线的剖面示意图。
附图标记：1-膨胀轮；2-增压轮；3-转子；31-主轴止推；310-第一排气孔；4-气体推力轴承；410-环形槽；411-轴向排气孔；412-径向排气孔；42-轴承供气管道；420-轴向止推孔；421-径向切向孔；5-限位套；6-密封绝热套；7-隔热板。
具体实施方式
下面将对本实用新型具体实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例1
提供了一种大气量增压的气体轴承透平膨胀机，参照图1，包括膨胀轮1、增压轮2和转子3，膨胀轮1和增压轮2安装在转子3两端，转子3上套设有两个气体推力轴承4，分别用于支撑膨胀轮1和增压轮2。其具体的安装连接关系为现有技术，不做详细介绍。膨胀轮1采用高效率的闭式径轴流向心反动型式，增压轮2采用高效率的闭式前倾后弯三元流型式，可以提高通流能力和效率，达到增效节能的目的。膨胀机上的喷嘴为高效率的气动TCP-3超音速叶型，采用径向TCP-3叶片，具有很好的变工况适应性，在变工况操作时，绝热效率变化较小，而且能满足从超音速到亚音速的型线要求。膨胀轮1和增压轮2的壳体内均钻有4-Φ12排气孔，以提高膨胀轮1和增压轮2仪表废气的排放能力。膨胀轮1和增压轮2的内孔均攻有螺纹孔，便于拆卸。
参照图2，转子3两侧的主轴止推31为台阶结构，将主轴止推31的常规圆柱体改为台阶型圆柱体形状，可以减少转子3的重量，从而减少转子3的径向载荷。主轴止推31内形成有贯通的、且一端承接止推面处轴承气的若干第一排气孔310，用于排放承载摩擦后的热气体。在本实施例中，第一排气孔310呈倾斜设置，12只Φ3斜向排气孔均匀分布在主轴止推31内部。通过第一排气孔310将转子3与气体推力轴承4之间的热空气从止推面排出至机身空腔中，随后再从机身空腔中排出至机身外，提升了排气散热能力，继而提高了气体推力轴承4的承载力和稳定性。参照图3和图5，气体推力轴承4内设有环形槽410，以及与环形槽410连通的8只Φ4(8-Φ4)轴向排气孔411和12只Φ2.5(12-Φ2.5)径向排气孔412。轴向排气孔411将承载摩擦后的热气体通过环形槽410，再引到径向排气孔412，最终排放到机身空腔中，进一步提升气体推力轴承4的排气散热能力，提高承载力和稳定性。
参照图1，两个气体推力轴承4连接不同的轴承供气管道42，不同的轴承供气管道42设置单独的、不同的供气压力，膨胀气体与增压气体各成一路，增压气体采用高纯度氮气(可以降低原料空压机的排气压力，并可以回收膨胀机的能量，增压比更大，能量利用更高，实现节能减排)，增压端的密封气和轴承气也应用氮气。从产品氮气中引一路作为仪表气，该氮气压力较高，作为轴承气可以提高轴承的承载能力，以提高可靠性；且该气体作为密封气，不会污染增压氮气。轴承供气管道42由常规的Φ14×2增大到Φ18×2，降低了流速，减少了压力损失。轴承供气管道42内安装有筒式精过滤器，由传统的镍片精密过滤器改为筒式精过滤器，大大提高了轴承气的流量和压力。参照图2和图4，气体推力轴承4包括与轴承供气管道42相连的双排轴向止推孔420和四排径向切向孔421，轴向止推孔420的一端承接气体推力轴承4的止推外圆，径向切向孔421的一端承接气体推力轴承4的内孔，轴承气进入轴向止推孔420和径向切向孔421。气体推力轴承4的内孔直径为45毫米，止推外圆直径为130毫米，轴向长度为68毫米，是目前国内最大的空分配套膨胀机气体轴承外形规格，通过增大内孔、止推面面积以及设置多排孔，以提高气体推力轴承4的承载能力，可承载径向载荷20kgf和轴向载荷140kgf。
膨胀轮1和增压轮2的轮背均轴向装配有轮盖齿迷宫密封的气体密封副，可以密封膨胀端和增压端的低温或高温轮背气体，以防轴承受冷收缩或受热膨胀而破坏配合间隙。通过密封结构可以减少内漏，提高膨胀机的效率。采用整体轴向装配结构，无需设备停车扒珠光砂，即可从冷箱外拆卸修理叶轮的密封副，在膨胀机运行时，经常会发生叶轮与密封盖接触摩擦的故障，因此将密封盖设计成可以从常温端进行拆卸的结构。轮背密封外圆的尺寸根据转子3的轴向力计算决定，以保证转子3具有较小的轴向力。采用双密封气和双轴承气，根据增压轮2轮背的压力来调节密封气和轴承气的压力，以平衡转子3的轴向力，从而提高膨胀机运行的稳定性。增压轮2的轮背设有压力测点，根据其数值采取将增压轮2后的压力气体回流到增压轮2进口或提高增压轮2背后的密封气压力，以平衡转子3的轴向力。
气体推力轴承4为静压气体切向供气带O型圈支撑的止推径向复合型轴承，具有较高的稳定性。转子3的主轴端面与气体推力轴承4端面之间设有限位套5，可以提高气体推力轴承4的承载能力。限位套5的两端面与左右轴承的端面相接触，限位套5外圆与膨胀机中间壳体的内孔相配合。在增压膨胀机运行时，很容易发生增压轮2轮背的高压高温气体沿着主轴向轴承处流动，从而使轴承受热膨胀，使其与主轴的端面间隙变小，发生抱轴或卡死现象，当在轴承端面与主轴端面增加一个限位套5后，可强迫抑制端面的膨胀，以保证装配间隙。膨胀轮1的轮背设有密封绝热套6，可以提高膨胀机的效率，减少漏气，防止膨胀轮1的低温气体接触气体推力轴承4，导致该气体推力轴承4受冷收缩而破坏间隙配合。装配间隙对膨胀机的效率具有很大的影响，装配后一定要保证达到设计间隙，应有可靠的测量装置来测量装配间隙。增压轮2的轮背设有环氧玻璃布板制成的隔热板7，可以减少增压后的高压高温气体通过热传导使轴承膨胀，影响运转稳定性。导流器端面一面固定在膨胀轮1密封盖端面，另一端面由密封绝热套6端面压紧，导流器端面圆环上攻了两个螺孔，可以用螺钉拧入后进行拆卸。将原测速位置从制冷端进口管处移至转子3中部，从而将测速探头由SZMB-1型改为SZMB-9型，消除了因测速信号线引出而容易断线的危险，同时消除了从测速信号线处泄漏的气体。
实施例2
一种空分设备，包含上述任一技术方案中所述的一种大气量增压的气体轴承透平膨胀机。本实用新型提供的气体轴承透平膨胀机可以作为深冷空气分离设备中透平膨胀机的单机。
通过采用上述诸多的创新设计思路和结构，既保证了膨胀机的高效率，又保证了运转时的高稳定性，且膨胀机结构可靠，装拆方便。本实用新型提供的膨胀机的膨胀气量已经达到常规气体轴承增压膨胀机的使用极限，而增压气量更是大大超过了常规气体轴承增压膨胀机的使用极限。进行机械性能和模拟热力试验，该膨胀机平均等熵效率达到85％，增压机等熵效率达到72％。该气体轴承膨胀机与油轴承膨胀机相比，其设计更优化，轴损耗更小，能量利用更彻底，且不会造成油带入工艺气体中而造成严重的安全事故。
得到一种安全可靠、运行稳定、效率较高、大气量增压的气体轴承透平膨胀机，今后在设计膨胀量为5000Nm3/h、增压量为8000Nm3/h以下的膨胀机时，可以考虑用气体轴承增压膨胀机取代油轴承增压膨胀机，该机结构简单，比油轴承膨胀机相当于减少90％以上的重量，可节省4/5以上的成本，且维护方便，也节省了用户的维护成本。膨胀轮1直径可达180毫米，增压轮2直径也可达到180毫米，通过优化的热力和结构设计，可以将膨胀轮1和增压轮2的尺寸优化匹配，保证轴承能承受转子3的径向和轴向载荷，并保证整套机器的热力性能。可以消除油轴承膨胀机中油汽对大气的排放而污染空气的现象，还可以节省油轴承膨胀机中的油泵和电加热器的能耗，可节约能量在10kW，消除对环境的污染，还能达到节能减排的目的。节能效果明显，整套空分综合能耗也下降了，经济性提高。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求保护的范围内。
Claims (10)
1.大气量增压的气体轴承透平膨胀机，包括膨胀轮(1)、增压轮(2)和转子(3)，所述膨胀轮(1)和增压轮(2)安装在所述转子(3)两端，所述转子(3)上套设有两个气体推力轴承(4)，分别用于支撑所述膨胀轮(1)和增压轮(2)，其特征在于，所述转子(3)两侧的主轴止推(31)为台阶结构，所述主轴止推(31)内形成有贯通的、且一端承接止推面处轴承气的第一排气孔(310)，用于排放承载摩擦后的热气体。
2.根据权利要求1所述的气体轴承透平膨胀机，其特征在于，所述第一排气孔(310)呈倾斜设置；所述主轴止推(31)内开设有均匀分布的若干所述第一排气孔(310)。
3.根据权利要求1或2所述的气体轴承透平膨胀机，其特征在于，所述气体推力轴承(4)内设有环形槽(410)，以及与所述环形槽(410)连通的若干轴向排气孔(411)和若干径向排气孔(412)。
4.根据权利要求1所述的气体轴承透平膨胀机，其特征在于，两个所述气体推力轴承(4)连接不同的轴承供气管道(42)；所述轴承供气管道(42)内安装有筒式精过滤器。
5.根据权利要求4所述的气体轴承透平膨胀机，其特征在于，所述气体推力轴承(4)包括与所述轴承供气管道(42)相连的至少一排轴向止推孔(420)、至少一排径向切向孔(421)，所述径向切向孔(421)的一端承接所述气体推力轴承(4)的内孔。
6.根据权利要求1所述的气体轴承透平膨胀机，其特征在于，所述膨胀轮(1)为闭式径轴流向心反动型式，所述增压轮(2)为闭式前倾后弯三元流型式，膨胀机喷嘴为气动TCP-3超音速叶型。
7.根据权利要求1所述的气体轴承透平膨胀机，其特征在于，所述膨胀轮(1)和增压轮(2)的轮背均轴向装配有轮盖齿迷宫密封的气体密封副；所述增压轮(2)的轮背设有压力测点。
8.根据权利要求1所述的气体轴承透平膨胀机，其特征在于，所述气体推力轴承(4)为静压气体切向供气带O型圈支撑的止推径向复合型轴承；所述转子(3)的主轴端面与所述气体推力轴承(4)端面之间设有限位套(5)。
9.根据权利要求1所述的气体轴承透平膨胀机，其特征在于，所述膨胀轮(1)的轮背设有密封绝热套(6)，所述增压轮(2)的轮背设有环氧玻璃布板制成的隔热板(7)。
10.一种空分设备，其特征在于，包含上述权利要求1-9任一项所述的大气量增压的气体轴承透平膨胀机。
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| CN202321883275.5U Active CN220203971U (zh) | 2023-07-18 | 2023-07-18 | 大气量增压的气体轴承透平膨胀机、空分设备 |
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| CN (1) | CN220203971U (zh) |
-
2023
- 2023-07-18 CN CN202321883275.5U patent/CN220203971U/zh active Active
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| GR01 | Patent grant | ||
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