專利名稱：一種復合式透平膨脹機的制作方法
技術領域：
本發明涉及膨脹機技術領域，具體涉及一種復合式透平膨脹機。
技術背景透平膨脹機是利用工質流動時速度的變化來進行能量轉化的。工 質在透平膨脹機的通流部分中膨脹獲得動能，由工作輪軸輸出外功， 因而降低了出口工質的內能和溫度。在當代工業中，透平膨脹機主要 用于制冷和能量回收。按工質在透平膨脹機中的流動方向分類，主要 有徑流、軸流兩種類型。按照工質從外周向中心或從中心向外周的流 動方向，徑流式又有向心式和離心式。由于離心式工作輪的流動損失 大，因此只有向心式透平膨脹機才有價值。向心式透平膨脹機適用于小流量，單級膨脹比高的應用場合，優 點是結構緊湊，重量輕，制造工藝簡單，成本低；可調導葉運行范圍 寬，甚至可以反向轉動；動葉表面積垢對機組運行影響不大，主要應 用領域是中、小功率燃氣輪機的透平、汽油機和柴油機廢氣渦輪增壓 器；制冷裝置和天然氣液化裝置的膨脹機；航空航天飛行器動力輔助 裝置等。其缺點是徑向尺寸較大，轉速較高，對軸承和傳動要求高， 多級和功率較大時不易實現等。軸流式膨脹機適用于大流量、大功率的應用場合，優點是效率高， 重量輕，采用可調導葉運行范圍寬；主要的應用領域是高爐煤氣差壓透平膨脹機、催化裂化煙氣透平膨脹機、化工尾氣透平膨脹機等。其 缺點是單級膨脹比小。目前對于小流量，高膨脹比的透平膨脹機， 一般采用齒輪組裝式 向心透平，其優點是每級葉輪都可以工作在最佳轉速，但該結構存在 高速輕載齒輪嚙合軸系激振的缺點。目前這種小流量，高膨脹比的透 平膨脹機研究開發還有相當的開發難度，具體有以下難題一、 作為一種高速旋轉的動力機械設備，旋轉部件的強度校核和 機組的振動分析顯得格外重要。二、 齒輪轉速比在10 20之間，齒輪周速達到120 150m/s ， 軸承周速也超過80m/s 。這種高速比的高速齒輪和軸承在設計和制 造上是有相當難度的，因此齒輪技術的研究也是組裝式透平機的一個 重要i果題。三、 結構布置必須非常緊湊。既要保證零部件本身的使用功能可 靠，又要考慮到旋轉零部件的應力、應變和轉子的振動特性、軸系的 振動特性等,是一個與多學科相關的復雜問題。發明內容本發明的目的是為了克服上述現有技術的不足，提出了一種效率 高、結構簡單、安裝維護方便的復合式透平膨脹機，具有首級入口容 積流量小、膨脹比大、效率高、安裝檢修方便、運行穩定的優點。為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是 一種復合式透平膨脹機，包括有轉子9，轉子9安裝在由高壓段機殼6與低壓端機殼 11組成的殼體內，在高壓段機殼6上設有進氣管15和與進氣管15相連通的進氣蝸室17，進氣蝸室17再與配置在高壓段機殼6上的可 調噴嘴8相連通，在轉子9的高壓段25上設置有與可調噴嘴8相連 通的徑向葉輪18;低壓段機殼11上設置有葉片承缸10，在葉片承缸 10的出口設置有導流圈12，葉片承缸10上設置有靜葉23，在低壓 段機殼11上還設置有與導流圈12相連通的排氣蝸室20、和再與排 氣蝸室20相連通的排氣管22，轉子9的低壓段26上設有動葉24， 一級靜葉23與一級動葉24組成軸流級19，軸流級19連通徑向葉輪 18與導流圈12。轉子9的低壓段26末端還設有平衡盤21，高壓平 衡管道7將進氣蝸室17與低壓段26末端的平衡盤21進氣口相連通。 所說的可調噴嘴8與徑向葉輪18組成了向心級。 本發明采用復合式透平結構，即透平由一級向心級與至少一級以 上的軸流級組成。工質通過一級向心級，壓力降低，容積流量增大， 剛好適合緊跟其后的軸流級，同時工質由周向轉成軸向，非常順暢的 進入軸流級，流動損失較小。這種復合式透平膨脹機具有結構簡單、 首級入口容積流量小、膨脹比大、安裝檢修方便、運行穩定、效率高 等優點。
附圖為本發明的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作進一步詳細說明。參見附圖， 一種復合式透平膨脹機，包括有轉子9，轉子9安裝c 在由高壓段機殼6與低壓側機殼11組成的殼體內，轉子9兩端分別 由支撐止推軸承3和支撐軸承14支撐，支撐止推軸承3安裝在軸承 箱體2中，軸承箱體2中還設有油封4，軸承箱體2通過螺栓與端蓋 1相連，端蓋1通過螺栓與高壓段機殼6相連，在轉子9與端蓋1之 間設置有高壓側軸端密封5，在高壓段機殼6上設有進氣管15和進 氣蝸室17，進氣管15、進氣蝸室17與配置在高壓段機殼6上的可調 噴嘴8相連通，在轉子9的高壓段25上設置有與可調噴嘴8相連通 的徑向葉輪18，低壓段機殼11上設置有低壓側軸端密封13、葉片承 缸10，在葉片承缸10的出口設置有導流圈12，葉片承缸10上設置 有靜葉23，在低壓段機殼11上還設置有與導流圈12相連通的排氣 蝸室20和再與排氣蝸室20相連通的排氣管22，轉子9的低壓段26 上設有動葉24， 一級靜葉23與一級動葉24組成軸流級19，軸流級 19連通徑向葉輪18與導流圈12,轉子9的低壓段26上還設有平衡 盤21 ，高壓平衡管道7將進氣蝸室17與低壓段26末端的平衡盤21 進氣口相連通，將部分高壓工質引到平衡盤21，可以抵銷部分軸向 推力，減小支撐止推軸承3的負荷。所說的可調噴嘴8與徑向葉輪18組成了向心級。本發明的工作原理是當復合式透平膨脹機工作時，高溫高壓的工質從進氣管15周向 進入進氣蝸室17，然后由進氣蝸室17進入可調噴嘴8，通過可調噴 嘴8進入徑向葉輪18 ，通過徑向葉輪18后的工質流動方向轉為軸向， 進入軸流級19，再通過導流圈12進入排氣蝸室20，最后進入排氣管22，由排氣管22周向排出膨脹機進入后序的工作管網。本發明的工作原理涉及徑流和軸流兩部分。徑流部分主要在高壓段25進行，軸流部分主要在低壓段26進行。 1)工作過程在徑流部分工作時其總溫為K、總壓為/^的工質以一定的速度 c。流入膨脹機的進氣管15。氣體進入膨脹機后首先在可調噴嘴8中 膨脹加速。在可調噴嘴8的出口工質的速度增大到q，其壓力和溫度 分別降低到A和7;。繼之氣流以^的相對速度流入到高速旋轉的徑向 葉輪18。徑向葉輪18的輪周速度為",，工質在徑向葉輪18內繼續 膨脹并作功。在徑向葉輪18的出口工質的壓力降到A，溫度為r" 在徑向葉輪18出口的中徑/)2上氣流的相對流速為％，其絕對速度c^ 為該點的牽連速度"2與6;2的向量和。最后，工質流動方向轉為接近 軸向進入膨脹機的軸流部分。在軸流部分工質由級的進口到出口總的流動方向是沿軸的方向。 它的基本單位是"軸流級"，是由葉片承缸10上的一級靜葉23加低 壓段26轉子9上的一級動葉24組成。工質依次軸向流經軸流級19 及相應的葉片承缸10內壁和轉子9外廓組成軸流段的通流部分。工質在徑向葉輪18和軸流級19的進口、出口的流動情況可用速 度三角形來表示。<formula>formula see original document page 8</formula>當復合式透平工作時，在徑流部分，氣流沿角al所給定的方向流出噴嘴，以相對速度w進入徑向葉輪，并按(32角流出葉輪，以絕對速度C2進入緊跟其后的軸流級靜葉；在軸流部分，氣流沿角(X,所 給定的方向流出靜葉，以相對速度W進入動葉，并按|32角流出動葉，以絕對速度C2進入下一級靜葉23。2) 力矩氣流運動過程中工質的動量矩發生了變化，根據動量矩定律可 知，作用于這塊工質上的力矩等于其動量矩的變化率。單位質量流量的工質所產生的力矩為 <formula>formula see original document page 8</formula>3) 輪周功每公斤工質在葉輪/動葉中所做的功// 稱為輪周功，即所得到的 有用的那一部分功。其中包括工質帶來的動能差和工質在葉輪/動葉 中的熱能轉換而得到的動能。<formula>formula see original document page 8</formula>將上述兩個公式相比較，就可以看到，徑流的輪周功公式中，多了一項!1L^。從物理意義來講，這一項表示氣流在旋轉葉輪的離2心力場內為了克服離心力每公斤工質所作的功。并且這一部分功是無 損失直接地轉變過來的。這也可以解釋為什么向心透平有可能獲得較 高的輪周效率。4) 反動度反動度Q反映了透平的等熵焓降在級內的分配情況。Q = A"=(《- W,2 ) + (",2 - "22 )為透平設置一定的反動度是為了獲得一定數量的葉輪/動葉等熵 功。在軸流式透平級中流道中徑變化不太大， 一般認為Ul=ai2。動葉絕熱降h2s在總絕熱降/2:中所占的百分數就叫作級的反動度。在純沖 動軸流級中，Q-0,A-A。而在向心式徑流級中，由于離心力場的存在，A必須大于/v工質才能在Ap二A-^的壓差之下克服離心力通過動葉，也就是說，在向心級中，即使動葉相對速度不增加，向心級 的反動度永遠是大于零的。5) 效率①輪周效率復合式透平膨脹機的等熵膨脹功/z^是指從理論上來講可能轉變成為功的工質所具有的總的能量；輪周功// 是指所得到的有用的 那一部分功，于是// 與//^的比值就稱為輪周效率C。為假想膨脹速度。② 內效率如果考慮了輪盤的摩擦鼓風損失^ 、漏氣損失和部分進氣損失，則得到的將是透平的內效率;;,。 A，r式中77P——部分進氣損失系數。當全周進氣時77「=1 ;/A——漏氣損失系數， 一般^=1-^③ 有效效率(軸效率)w如果在內效率的基礎上又考慮了軸承中的摩擦損失，則得到的是透平的有效效率。"r,廣》)M力附 77w——機械效率
權利要求
1. 一種復合式透平膨脹機，包括有轉子(9)，其特征在于，轉子(9)安裝在由高壓段機殼(6)與低壓端機殼(11)組成的殼體內，在高壓段機殼(6)上設有進氣管(15)和與進氣管(15)相連通的進氣蝸室(17)，進氣蝸室(17)與配置在高壓段機殼(6)上的可調噴嘴(8)連通，在轉子(9)的高壓段(25)上設置有與可調噴嘴(8)相連通的徑向葉輪(18)，低壓段機殼(11)上設置有葉片承缸(10)，在葉片承缸(10)的出口設置有導流圈(12)，葉片承缸(10)上設置有靜葉(23)，在低壓段機殼(11)上還設置有與導流圈(12)相連通的排氣蝸室(20)和再與排氣蝸室(20)相連通的排氣管(22)，轉子(9)的低壓段(26)上設有動葉(24)，一級靜葉(23)與一級動葉(24)組成軸流級(19)，軸流級(19)連通徑向葉輪(18)與導流圈(12)。
2、 根據權利要求1所述的一種復合式透平膨脹機，其特征在于， 所說的轉子(9)的低壓段(26)上還設有平衡盤(21)，高壓平衡管 道(7)將進氣蝸室(17)與平衡盤(21)進氣口相連通。
全文摘要
一種復合式透平膨脹機，包括有轉子，轉子安裝在高壓段機殼與低壓端機殼組成的殼體內，高壓段機殼上設有進氣管，進氣管通過進氣蝸室與可調噴嘴相連通，在轉子的高壓段上設有與可調噴嘴相連通的徑向葉輪，低壓段機殼上設有葉片承缸，葉片承缸的出口設有導流圈，葉片承缸上設有靜葉，低壓段機殼上還設有排氣蝸室和排氣管，轉子的低壓段上設有動葉，一級靜葉與一級動葉組成軸流級，軸流級連通徑向葉輪與導流圈，工質通過一級向心級，壓力降低，容積流量增大后由周向轉成軸向，進入軸流級，具有結構簡單、首級入口容積流量小、膨脹比大、膨脹效率高、安裝檢修方便、運行穩定等優點。
文檔編號F01D25/00GK101265814SQ200810018100
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月30日 優先權日2008年4月30日
發明者江 冀, 史嘵云 申請人:冀 江;西安思安新能源有限公司