專利名稱：增壓透平膨脹機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種增壓透平膨脹機，尤其是一種使用氣體軸承的增壓透 平膨脹機。
背景技術：
增壓透平膨脹機是空氣分離設備及天然氣石油氣液化分離設備和低 溫粉碎設備等獲取冷量所必需的關鍵部機，是保證整套設備穩定運行的心 臟。其主要原理是利用有一定壓力的氣體在透平膨脹機內進行絕熱膨脹對 外做功而消耗氣體本身的內能，從而使氣體自身強烈地冷卻而達到制冷的 目的。透平膨脹機輸出的能量由同軸壓縮機回收或制動風機消耗。
增壓透平膨脹機包括一個中間殼體，中間殼體的左端安裝透平蝸殼、 右端安裝有增壓機蝸殼，中間殼體內設有轉子，在轉子的兩端分別在透平 蝸殼和增壓機蝸殼內設置有膨脹輪和增壓輪。目前的增壓透平膨脹機用于 支撐膨脹輪和增壓輪的一般采用油軸承，而這種結構會帶來很多的不便。 由于油軸承的工作介質是潤滑油，而在膨脹機的工作過程中潤滑油有可能 從膨脹端的出口處泄露出來，此時潤滑油就和空氣接觸，就有可能有燃燒
的危險；另外，由于需要對油軸承提供潤滑油，所以一般在膨脹機的工作 系統中還需要增加一套供油系統，這就會增加整套膨脹機系統的成本及結 構的復雜度。
目前增壓透平膨脹機使用的膨脹輪和增壓輪一般是由鋁鑄造而成，這 樣得到的膨脹輪和增壓輪都較為粗糙，影響整個膨脹機的性能。另外，由 于目前的膨脹輪和增壓輪葉片的形狀緣故，導致其工作效率也不是很高。
發明內容
本發明的目的在于解決上述的技術問題，提供一種安全性能好、成本低、結構簡單、能耗較小而效率較高的增壓透平膨脹機。 本發明的目的通過以下技術方案來實現
一種增壓透平膨脹機，包括-一個中間殼體，所述中間殼體的左端安裝 透平蝸殼、右端安裝有增壓機蝸殼，所述中間殼體內可轉動地設置有轉子， 在所述轉子的兩端分別在透平蝸殼和增壓機蝸殼內設置有膨脹輪和增壓 輪，在所述轉子上套設有左氣體軸承和右氣體軸承，所述左氣體軸承用來 支撐膨脹輪，所述的左氣體軸承與膨脹輪之間設有密封套，所述右氣體軸 承用來支撐增壓輪，所述的右氣體軸承與增壓輪之間設有限位密封板，所 述的中間殼體上連接有4個接頭組件，分別為左、右氣體軸承提供軸承氣， 以及為密封套和限位密封板提供密封氣。
進一步地，所述的左氣體軸承和右氣體軸承之間設有軸承限位套，所 述的軸承限位套套設在轉子外、并與中間殼體配合。
所述的膨脹輪包括相互固定的輪盤和輪蓋，所述的輪盤上均布有葉 片，所述的葉片呈圓柱拋物面設置。所述膨脹輪的輪盤和輪蓋之間為釬焊 接固定。所述膨脹輪的輪蓋的表面設有5個環齒。
所述的增壓輪包括相互固定的輪盤和輪蓋，所述的輪盤上設有葉片， 所述的葉片呈螺旋線設置，且葉片的相對的兩個面的橫截面為同心圓。所 述增壓輪的輪盤和輪蓋之間為釬焊接固定。所述增壓輪的輪蓋的表面設有 5個環齒。
再進一步地，所述增壓輪的輪盤的葉片的葉片寬度和葉片高度之比為
20 25之間。所述增壓輪的氣流進口角度為30 35度之間，氣流出口角 度為35 40度之間。
更進一步地，所述的透平蝸殼與膨脹輪之間設置有導流器，氣體由透 平蝸殼入口進入后，經導流器平均分配后再流經膨脹輪。
再進一步地，所述的中間殼體上設有接頭組件，與增壓機蝸殼相連的 端蓋體上也設有接頭組件，所述的兩個接頭組件之間連接有平衡閥。
本發明的有益效果主要體現在結構簡單，軸損耗小，能量利用徹底， 價格只有同樣參數油軸承膨脹機的1/6-1/8左右；安全性能好，不會有燃 燒的危險；而且可以減少油軸承膨脹機中油汽的排放，減少了對環境的污 染。另外，使用數控銑床加工簡單膨脹輪和增壓輪，且在兩者的輪盤上都 焊接有輪蓋，使整個增壓透平膨脹機的工作效率得到進一步提高。
下面結合附圖對本發明技術方案作進一步說明
圖l:本發明增壓透平膨脹機的主視圖。
圖2:圖1中沿H-H方向的剖視圖。
圖3:本發明增壓透平膨脹機的膨脹輪的剖示圖。
圖4:本發明增壓透平膨脹機的膨脹輪的俯視圖。
圖5:圖3中A部分的放大圖。
圖6:本發明增壓透平膨脹機的增壓輪的剖示圖。 圖7:本發明增壓透平膨脹機的增壓輪的俯視圖。 圖8:圖6中B部分的放大圖。 圖9:圖6中C部分的放大圖。
圖10:本發明增壓透平膨脹機的導流器的俯視圖。 其中
1透平蝸殼2中間殼體3增壓機蝸殼
4膨脹輪5密封套6左氣體軸承
7軸承限位套8轉子9右氣體軸承
10隔熱套11限位密封板12增壓輪
13擴壓器14內擴壓器15導流器
16絕熱板17連接套19端蓋體
20平衡閥41輪盤42輪蓋
43葉片44環齒121輪盤
122輪蓋123葉片124環齒
D葉片寬度H葉片高度a氣流進口角度
氣流出口角度膨脹氣入口b膨脹氣出口
c增壓氣入口d增壓氣出口
18a、18b、 18c、 18d、18e、18f、 18g接頭組件
具體實施例方式
如圖1和圖2所示，本發明揭示了一種氣體軸承增壓透平膨脹機，與 現有技術一樣，包括一個中間殼體2，所述中間殼體2的左端安裝透平蝸 殼1、右端安裝有增壓機蝸殼3，所述中間殼體2內可轉動地設置有轉子8， 在所述轉子8的兩端分別在透平蝸殼1和增壓機蝸殼3內設置有膨脹輪4 和增壓輪12。與現有技術區別在于，在所述轉子8上套設有左氣體軸承6 和右氣體軸承9，所述左氣體軸承6用來支撐膨脹輪4，所述右氣體軸承9 用來支撐增壓輪12。
由于氣體軸承的潤滑劑為空氣，所以不用擔心是否會燃燒的問題。另 外，氣體軸承還有以下特點。①摩阻極低由于氣體粘度比液體低得多， 在室溫下空氣粘度僅為10號機械油的五千分之一，而軸承的摩阻與粘度 成正比，所以氣體軸承的摩阻比液體潤滑軸承低。②適用速度范圍大氣
體軸承的摩阻低，溫升低。③適用溫度范圍廣氣體能在極大的溫度范圍
內保持氣態，其粘度受溫度影響很小。因此在使用氣體軸承后，能量能利 用的更徹底。
在增壓透平膨脹機運行時，很容易發生增壓輪背的高壓高溫氣體沿著 主軸向軸承處流動，從而使軸承受熱膨脹，使其與主軸的端面間隙變小，
發生抱軸或卡死現象，本發明在左氣體軸承6和右氣體軸承9之間設有軸 承限位套7，所述的軸承限位套7套設在轉子8外、并與中間殼體2固定。
這樣的設計提高了軸承的承載能力，它可以強迫抑制軸承端面的膨脹，以 保證裝配間隙。
本發明的透平蝸殼1的左端連接有擴壓器13，與擴壓器13相聯通有 一個內擴壓器14，所述的內擴壓器14設置在透平蝸殼1的內部。透平蝸 殼1的右端連接有絕熱板16和連接套17，套接于中間殼體2之上。所述 的透平蝸殼1與膨脹輪4之間設置有導流器15，如圖10所示，導流器15 的表面均布有一圈起氣體導向作用的突起。氣體由透平蝸殼1入口進入后， 經導流器15平均分配后再流經膨脹輪4。
所述的左氣體軸承6與膨脹輪4之間設有密封套5，所述的右氣體軸 承9與增壓輪12之間設有隔熱套10和限位密封板11。這樣，使得氣體外 漏量控制在最小的范圍內，在密封套5和限位密封板11內還可充入常溫 密封氣(干燥空氣或氮氣)以阻止流經膨脹機的低溫氣體外泄。
如圖2所示，在中間殼體2上設有4個接頭組件，分別連接氣源從而 提供軸承氣和密封氣。其中，接頭組件18a為左氣體軸承6提供軸承氣， 接頭組件18b為右氣體軸承9提供軸承氣，接頭組件18c為限位密封板11 提供密封氣，接頭組件18d為密封套5提供密封氣。這樣就不需要象現有 技術一樣需給膨脹機提供一個供油系統，所以本發明的結構簡單，成本低 廉，而且提高了膨脹機運行的穩定性。
另外，中間殼體2上還設有一個連接轉速表的接頭組件18e，接頭組 件18e內部的接觸點抵接到轉子8上，用于在膨脹輪工作中測量轉子的轉 速。
結合圖1和圖2所示，中間殼體2上設有接頭組件18f，與增壓機蝸 殼3相連的端蓋體19上也設有接頭組件18g，所述的兩個接頭組件之間連 接有平衡閥20。這樣設計的原因是為了使增壓輪背的壓力回流，只需要擰 動平衡閥20即可，簡單安全，而且平衡了轉子的軸向力。
如圖3、 4、 5所示，本發明的膨脹輪包括相互固定的輪盤41和輪蓋
42，在本優選實施例中輪盤41和輪蓋42之間為釬焊接固定，當然本發明 不排除其他的固定連接方式。所述的輪盤41上均布有葉片43，所述的葉 片43呈圓柱拋物線設置，且葉片43的相對的兩個面的圓柱橫截面為拋物 面，即用同心圓柱面剖切葉片的兩個表面，形成的截交面為拋物面。這樣 的設置，使氣體沿透平蝸殼1經導流器平均分配后，速度可達200米/秒以 上，氣流與膨脹輪的葉片成一定的夾角，沖擊膨脹輪使其高速轉動，氣流 然后沿葉片的半徑方向進入到膨脹輪，在膨脹輪中改變其方向后，沿膨脹 輪的軸線方向流出，即此時氣體為向心徑軸向流動。
本發明最重要的特征為膨脹輪采用反動式葉輪。所謂反動式，指膨脹 機中的氣流在噴嘴內只進行部分膨脹，便以一定的速度進入膨脹輪，推動 膨脹輪旋轉。氣流進入膨脹輪后還進一步膨脹，氣流的進一步膨脹所產生 的反沖力進一步推動膨脹輪旋轉對外做功。這個反沖力正像從火箭發動機 尾部噴出的高速氣流推動火箭前進一樣。對反動式膨脹機來說，壓力分成 在導流器和膨脹輪中的兩次降落。氣體的焓值變化也是如此，即在導流器 中轉換一部分能量，到膨脹輪中又轉換一部分能量。通常把透平膨脹機在 膨脹輪內能量轉換的多少(即焓值的降低數值)與通過導流器和葉輪整個級 內能量轉換的數量(總焓降)之比稱為透平膨脹機的反動度。顯然，對傳統 的沖擊式透平膨脹機來說，反動度為零，對反動式透平膨脹饑，反動度一 般在0.5左右。由于在沖擊式透平膨脹機中氣流在噴嘴內的壓降很大，一 般從0.55MPa(絕對壓力)左右降至0.135MPa(絕對壓力)左右，噴嘴出口氣 流的速度很高，流動損失大，因而效率較低，效率一般只有68%—72%。 對于反動式透平膨脹機，在噴嘴中的壓力降一般是從0.55MPa降至 0.27MPa左右，噴嘴出口氣流速度相對較低，流動損失也較小。膨脹機效 率一般可達80%— 90%。因此，反動式膨脹機相對傳統的沖擊式透平膨 脹機來說，工作效率提高了很多。
進一步，所述的輪蓋42的表面設有5個環齒44，與內擴壓器14的表
面配合形成迷宮式密封，使整個膨脹機的密封效果更好，減少了氣體內漏
流量。另外，輪盤41和輪蓋42均為鍛鋁機加工而成。本優選實施例為數 控銑床加工而成，輸入坐標值就能加工出本發明的膨脹輪，簡單方便。
如圖6 9所示，本發明的增壓輪12包括相互固定的輪盤121和輪蓋 122，在本優選實施例中輪盤121和輪蓋122之間為釬悍接固定，當然本 發明不排除其他的固定連接方式。所述的輪盤121上設有葉片123，所述 的葉片123呈螺旋線設置，且葉片123的相對的兩個面的橫截面為同心圓。
本優選實施例中，葉片123的葉片寬度D和葉片高度H之比為20 25 之間，氣流進口角度a為30 35度之間，氣流出口角度3為35 120度 之間。這樣的結構，使整個增壓輪的效率得到進一步地提升。
進一步，所述的輪盤121的表面設有5個環齒124，與端蓋體19的表 面配合形成迷宮式密封；所述的輪蓋122的表面同樣設有5個環齒124， 與限位密封板11的表面配合形成迷宮式密封，這樣使整個膨脹機的密封 效果更好，保證氣體內泄漏流量減少。另外，輪盤121和輪蓋122均為鍛 鋁機加工而成。本優選實施例為數控銑床加工而成，輸入坐標值就能加工 出本發明的增壓輪，簡單方便。
下面參照圖l介紹一下本發明膨脹機的氣體流動方向。在膨脹端，氣 體沿a方向從透平蝸殼1的入口進入，經導流器15平均分配后再流經膨 脹輪4，然后沿b方向從擴壓器13端流出。在增壓端，氣體沿c方向從端 蓋體19的入口進入，流經增壓輪12，然后沿d方向從增壓機蝸殼3的出 口流出。本發明的膨脹比達到5.67，增壓比為1.25。另外，對于膨脹機 來說，最經濟最好的調節性能的方法是改變噴嘴葉片高度，當膨脹機處于 不同工況時，需要的冷量可能是不一樣的，這時就可以采取用不同葉片高 度的噴嘴來調節膨脹氣量。
本發明尚有多種具體的實施方式，凡采用等同替換或者等效變換而形 成的所有技術方案，均落在本發明要求保護的范圍之內。
權利要求
1.一種增壓透平膨脹機，包括一個中間殼體(2)，所述中間殼體(2)的左端安裝透平蝸殼(1)、右端安裝有增壓機蝸殼(3)，所述中間殼體(2)內可轉動地設置有轉子(8)，在所述轉子(8)的兩端分別在透平蝸殼(1)和增壓機蝸殼(3)內設置有膨脹輪(4)和增壓輪(12)，其特征在于在所述轉子(8)上套設有左氣體軸承(6)和右氣體軸承(9)，所述左氣體軸承(6)用來支撐膨脹輪(4)，所述的左氣體軸承(6)與膨脹輪(4)之間設有密封套(5)，所述右氣體軸承(9)用來支撐增壓輪(12)，所述的右氣體軸承(9)與增壓輪(12)之間設有限位密封板(11)，所述的中間殼體(2)上連接有4個接頭組件，分別為左、右氣體軸承(6、9)提供軸承氣，以及為密封套(5)和限位密封板(11)提供密封氣。
2. 根據權利要求1所述的增壓透平膨脹機，其特征在于所述的左 氣體軸承(6)和右氣體軸承(9)之間設有軸承限位套(7)，所述的軸承 限位套(7)套設在轉子(8)夕卜、并與中間殼體(2)配合。
3. 根據權利要求1所述的增壓透平膨脹機，其特征在于所述的膨 脹輪(4)包括相互固定的輪盤(41)和輪蓋(42)，所述的輪盤(41)上 均布有葉片(43)，所述的葉片(43)呈圓柱拋物面設置。
4. 根據權利要求3所述的增壓透平膨脹機，其特征在于所述膨脹 輪(4)的輪盤(41)和輪蓋(42)之間為釬焊接固定。
5. 根據權利要求4所述的增壓透平膨脹機，其特征在于所述膨脹 輪(4)的輪蓋(42)的表面設有5個環齒(44)。
6. 根據權利要求1所述的增壓透平膨脹機，其特征在于所述的增 壓輪(12)包括相互固定的輪盤(121)和輪蓋(122)，所述的輪盤(121) 上設有葉片(123)，所述的葉片(123)呈螺旋線設置，且葉片(123)的 相對的兩個面的橫截面為同心圓。
7. 根據權利要求6所述的增壓透平膨脹機，其特征在于所述增壓輪(12)的輪盤(121)和輪蓋(122)之間為釬焊接固定。
8. 根據權利要求7所述的增壓透平膨脹機，其特征在于所述增壓輪(12)的輪蓋(122)的表面設有5個環齒(124)。
9. 根據權利要求6所述的增壓透平膨脹機，其特征在于所述增壓 輪(12)的輪盤(121)的葉片(123)的葉片寬度(D)和葉片高度(H) 之比為20 25之間。
10. 根據權利要求6所述的增壓透平膨脹機，其特征在于所述增壓 輪(12)的氣流進口角度(a)為30 35度之間，氣流出口角度(P) 為35 40度之間。
11. 根據權利要求1所述的增壓透平膨脹機，其特征在于所述的透 平蝸殼(1)與膨脹輪(4)之間設置有導流器(15)，氣體由透平蝸殼(1) 入口進入后，經導流器(15)平均分配后再流經膨脹輪(4)。
12. 根據權利要求1所述的增壓透平膨脹機，其特征在于所述的中 間殼體(2)上設有接頭組件(18f )，與增壓機蝸殼(3)相連的端蓋體(19) 上也設有接頭組件(18g)，所述的兩個接頭組件之間連接有平衡閥(20)。
全文摘要
本發明提供了一種氣體軸承增壓透平膨脹機，包括一個中間殼體，所述中間殼體的左端安裝透平蝸殼、右端安裝有增壓機蝸殼，所述中間殼體內可轉動地設置有轉子，在所述轉子的兩端分別設置有膨脹輪和增壓輪，在所述轉子上套設有兩個氣體軸承，用來支撐膨脹輪和增壓輪。本發明的有益效果主要體現在結構簡單，軸損耗小，成本低廉；安全性能好，而且可以減少油軸承膨脹機中油汽的排放，減少了對環境的污染。該膨脹機的優異性將為增壓透平膨脹機的發展奠定了一個里程碑式的基礎。
文檔編號F04D29/30GK101363330SQ200810157098
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月18日 優先權日2008年9月18日
發明者史銀根, 張家雷, 徐友亮 申請人:蘇州制氧機有限責任公司