两级悬臂式轴流膨胀机的制作方法

本实用新型涉及余压和余热发电系统中的膨胀机技术领域，特别是一种两级悬臂式轴流膨胀机。

背景技术：

目前我国天然气输配管网的压力调节均采用阀门泄压，压力能量都没有得到利用，造成了大量的能量浪费。我国天然气年消耗量约2000亿立方米，其中自采1300多亿立方米，进口600多亿立方米。从采气口到用户均存在不同程度的调压环节，采用膨胀机代替调压阀降压，可以对浪费的压力能量进行回收，转化为机械能用于发电

天然气属于易燃易爆气体，一旦泄漏，就存在很大的安全隐患。目前我国已建成的几个天然气压差发电示范项目，均存在许多的问题，最主要的问题就是天然气的泄漏。传统的方法是在膨胀机输出轴上安装轴端密封。采用的密封主要有涨圈、机械密封和干气密封。涨圈密封价格便宜，结构简单，但是密封性能较差，常伴有小量的天然气泄漏。机械密封需要高压油站配合，利用高压滑油来封气，会有少量滑油渗入膨胀机内，进而附着在下游设备上。另外，机械密封寿命短机组维修、保养频繁。干气密封系统复杂，成本高，使用过程中需消耗大量高压氮气，即使在机组停机后，仍然需要长时间消耗高压氮气，运行成本高，适合在兆瓦级以上的大功率设备上使用。

另外，发电机组如果采用油润滑，滑油泄漏进入天然气管道后，会对下游的输配气造成影响。

天然气压差发电系统中，工质压力高，气体密度大，使得机组在加大质量流量的情况下，体积流量任然很小，功率密度非常大。目前小流量膨胀机多采用向心涡轮，但是单级向心涡轮转速很高，多级向心涡轮管道复杂，管道连接法兰多，潜在的泄漏点较多。向心涡轮由于叶轮自身几何形状的限制，设计时对转速的适应范围较小，降低转速的空间非常有限。使得机组转速较高，电机功率很难满足设计要求。

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle简称ORC)发电与天然气压差发电，有很多相同的地方。工质都是烃类有机物，都需要采用膨胀机将压力能转化成电能，所面临的问题基本一致。

天然气压差发电系统和ORC发电系统中，膨胀机的工作压力都较高，大部分机组工作压力都在兆帕级。由于气压较高，膨胀机轴向推力都非常大。即使发电功率100kW左右的机组，如果不对轴向推力进行专门调整，部分机组轴向推力可以达到10000牛以上。如果采用磁悬浮或空气悬浮轴承等无油润滑技术，机组能承受的轴向推力非常有限，通常需要控制在1000牛以下，所以单从膨胀机叶片设计的角度去降低轴向推力，经常无法满足设计要求。

综上所述，现有的膨胀机应用到天然气和有机朗肯循环系统中，主要存在以下几个问题：

1、密封问题；

2、滑油对工质气造成污染；

3、机组转速高可靠性差；

4、膨胀机轴向推力都非常大，机组能承受的轴向推力非常有限；

5、寿命短，维修、保养频繁；

6、系统复杂，造价高。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种两级悬臂式轴流膨胀机，膨胀机采用两级轴流叶轮，分别悬挂与电机两端，采用悬臂式连接，与电机同轴。利用两级轴流，可以有效降低膨胀机转速，提升电机、变频器的可靠性和效率，并获得较高的能量转化率。利用动叶出口气体对电机壳体进行冷却，提升冷却效率。采用无油润滑轴承，可完全杜绝滑油渗入管道内，影响下游设施、设备。机组无转动部件与外界相连，只有法兰位置的静密封与外界接触，没有与外界连接的动密封，可实现工质零泄漏。

本实用新型采用的技术方案是：

一种两级悬臂式轴流膨胀机，包括第一级膨胀机、第二级膨胀机和电机；所述第一级膨胀机包括进气壳体、第一级喷嘴环和第一级转子叶轮；所述第二膨胀机包括机组外壳体、第二级喷嘴环和第二级转子叶轮；所述电机包括电机转子和定子绕组；所述进气壳体与机组外壳体相对设置形成空腔，所述电机转子沿空腔的轴心设于空腔内，所述电机转子外沿进气壳体至机组外壳体的方向依次设有辅推轴承壳、电机壳体和第二级导流壳体，所述电机转子靠近进气壳体的端面同轴设置有第一级输入端，所述电机转子靠近机组外壳体的端面同轴设置有第二级输入端，所述定子绕组安装于电机壳体内侧；所述第一级喷嘴环安装于进气壳体内，所述第一级转子叶轮安装于第一级输入端上；所述第二级喷嘴环设于第二级导流壳体上，所述第二级转子叶轮设于第二级输入端上；所述电机转子靠近进气壳体的一端套设有转子推力盘和第一级侧径向轴承，所述转子推力盘的两侧设有推力轴承，所述第一级侧径向轴承位于转子推力盘远离进气壳体的一侧，所述电机转子靠近机组外壳体的一端套设有第二级侧径向轴承；所述进气壳体远离机组外壳体的一端设有进气口，所述机组外壳体远离进气壳体的一端设有出气口。

利用两级轴流，可以有效降低膨胀机转速，提升电机、变频器的可靠性和效率，并获得较高的能量转化率。

由于高压力的天然气膨胀发电和ORC发电机组功率密度都非常大，300kW以下的机组转速都非常高。特别是采用单级向心涡轮，在保证膨胀机高性能的情况下，需要的转速非常高，使得电机很难满足使用要求。为了保证电机能稳定运行，需要通过牺牲膨胀机效率来强行降低转速。采用本实用新型，可以使用更低的转速获得较高的气动性能。

机组无动密封与外界相连，只需通过法兰与输气管道连接，可实现发电系统零泄漏，机组运行安全、可靠。

优选地，所述推力轴承为静压气浮轴承，所述机组外壳体的一侧设有与该推力轴承连通的进气口，所述推力轴承上设有通向转子推力盘端面的小孔。

推力轴承输入的高压气源通过推力轴承上的小孔流向转子推力盘，形成气膜，起到气体润滑的作用。

气浮轴承运转过程中，转动部件与静止部件无直接接触，摩擦损失小，机械效率高。

本实用新型的机组采用无油润滑，不会有润滑油进入循环系统，对工质造成污染，进而影响下游设备。

现有膨胀机主要采用油润滑轴承或者磁悬浮轴承。油润滑轴承机组在膨胀机输出轴上需采用昂贵的干气密封才能完全解决天然气泄漏。干气密封除密封本体外，还需要复杂的控制系统，国产干气密封约20万元/套，进口的更贵。本实用新型无需采用昂贵的干气密封。虽然气浮轴承相比油润滑轴承造价更高，但是相比干气密封还是要便宜很多。采用磁悬浮轴承的机组，虽然也不需要昂贵的干气密封，但是目前的磁悬浮轴承非常昂贵，且需要专业人员到现场进行安装调试，成本远高于气浮轴承。

优选地，所述推力轴承上还设有与电机内部连通的轴承排气孔。

推力轴承上开有通往电机内部的排气孔，将轴承排出的工质气排往电机内部，用于冷却电机转子磁钢。

优选地，所述第一级侧径向轴承和第二级侧径向轴承为静压或动压气浮轴承。

为解决工质泄漏，防止滑油进入天然气，并降低机械损失，电机轴承采用无油润滑的气悬浮轴承，简称气浮轴承。其中推力轴承采用静压气浮轴承，径向轴承采用静压或动压气浮轴承均可。机组所有转动部件全部密封在壳体内部，无任何位置与外界环境接触。

优选地，所述第一级喷嘴环与第一级转子叶轮之间加工有迷宫式密封；所述电机转子的中部设有与定子绕组对应的磁钢，所述电机转子的两端为空心结构，所述第一级输入端的轴心处设有通孔，该通孔与电机转子靠近进气壳体一端的中空部分连通，且该中空部分的侧壁上设有多个推力调节排气孔，所述推力调节排气孔绕电机转子的轴心均匀分布。

第一级喷嘴环与第一级转子叶轮之间加工有迷宫式密封，结合第一级输入端和电机转子的中空部分的推力调节排气孔形成轴向推力调节装置，用于调节电机转子轴向推力，并将轴向推力调节装置排出的气体引入电机内部，加强电机转子磁钢的冷却。

在电机转子靠近进气壳体一端的中空部分的侧壁上均布的排气孔，电机转子在高速旋转下，起到泵气的效果，对靠近进气壳体一端的工质气进行抽吸。通过对排气孔数量，孔径和偏心量的调节，可以起到不同的抽吸效果。排气孔在抽气时，第一级喷嘴环与第一级转子叶轮之间的高压气体会通过喷嘴环和叶轮之间的间隙流向电机转子，所以第一级喷嘴环与第一级转子叶轮之间安装有密封结构，使喷嘴环和叶轮之间的高压气体在流向电机转子时，压力下降，排气孔的抽吸效果不同，则气体压力的下降量不同。

优选地，所述电机转子靠近机组外壳体一端的中空部分的侧壁上设有多个电机冷却排气孔，所述电机冷却排气孔绕电机转子的轴心均匀分布，所述第二级输入端的轴心处设有通孔，该通孔与电机转子靠近机组外壳体一端的中空部分连通。

电机内部冷却气通过电机冷却排气孔，由第二级输入端上的通孔排到出口管道中。

电机壳体与机组外壳体之间的空腔，作为工质气由第一级流向第二级的通道。

优选地，所述电机壳体的外侧沿其轴向安装或者铣制有多个翅片。

通过翅片增加换热面积，利用第一级出口工质气对定子绕组进行散热。翅片与电机转子的轴线方向相同，即能降低工质气流动损失，又能起到整流的作用。

本实用新型的有益效果是：

1、机组与外界环境之间无动密封，可实现零泄漏；

2、机组采用无油润滑，不会有润滑油进入循环系统，对工质气造成污染，进而影响下游设备；

3、更高的整体性能：采用本实用新型，可以使用更低的转速获得较高的气动性能，气浮轴承运转过程中，转动部件与静止部件无直接接触，摩擦损失小，机械效率高；

4、更低的工作转速，提升机组可靠性：采用本实用新型，在确保气动性能的情况下，工作转速更低，可使机组运行在一阶弯曲模态以下，提升机组运行的可靠性；

5、通过空心轴上均布的排气孔，结合喷嘴环和叶轮之间的密封，来降低叶轮轮盘静压，从而降低转子的轴向推力；

6、控制系统简单：膨胀机轴向推力随进口气压上升而增大，接近正比关系，采用膨胀机进口管道的工质气作为轴承气源，无需复杂的控制系统，轴承承载能力随进口气压的上升而自动增加，使机组能在较大的进口压力波动下正常运行；

7、更低的制造成本：本实用新型无需采用昂贵的干气密封，虽然气浮轴承相比油润滑轴承造价更高，但是相比干气密封还是要便宜很多；采用磁悬浮轴承的机组，虽然也不需要昂贵的干气密封，但是目前的磁悬浮轴承非常昂贵，且需要专业人员到现场进行安装调试，成本远高于气浮轴承；

8、使用寿命长：机组达到工作转速后，转动部件与静止部件不接触，无磨损，机组可长年运行。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为图1中截面A的结构示意图；

图3为图2中截面B的结构示意图；

附图标记：11-第一级喷嘴环，12-第一级转子叶轮，1112-迷宫式密封，121-第一级输入端，13-进气壳体，21-第二级喷嘴环，22-第二级转子叶轮，221-第二级输入端，23-机组外壳体，31-电机转子，32-定子绕组，33-电机壳体，34-辅推轴承壳，35-推力轴承，36-第一级侧径向轴承，37-轴承壳，38-第二级导流壳体，39-第二级侧径向轴承，361-轴承排气孔，311-转子推力盘，312-推力调节排气孔，313-电机冷却排气孔。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。

实施例

如图1、图2所示，一种两级悬臂式轴流膨胀机，包括第一级膨胀机、第二级膨胀机和电机；所述第一级膨胀机包括进气壳体13、第一级喷嘴环11和第一级转子叶轮12；所述第二膨胀机包括机组外壳体23、第二级喷嘴环21和第二级转子叶轮22；所述电机包括电机转子31和定子绕组32；所述进气壳体13与机组外壳体23相对设置形成空腔，所述电机转子31沿空腔的轴心设于空腔内，所述电机转子31外沿进气壳体13至机组外壳体23的方向依次设有辅推轴承壳34、电机壳体33和第二级导流壳体38，所述电机转子31靠近进气壳体13的端面同轴设置有第一级输入端121，所述电机转子31靠近机组外壳体23的端面同轴设置有第二级输入端221，所述定子绕组32安装于电机壳体33内侧；所述第一级喷嘴环11安装于进气壳体13内，所述第一级转子叶轮13安装于第一级输入端121上；所述第二级喷嘴环21设于第二级导流壳体38上，所述第二级转子叶轮22设于第二级输入端221上；所述电机转子31靠近进气壳体13的一端套设有转子推力盘311和第一级侧径向轴承36，所述第一级侧径向轴承36外设有轴承壳37，用以将电机壳体33的内部与电机转子31的端部隔离，所述转子推力盘311的两侧设有推力轴承35，所述第一级侧径向轴承36位于转子推力盘311远离进气壳体13的一侧，所述电机转子31靠近机组外壳体23的一端套设有第二级侧径向轴承39，所述电机壳体33靠近机组外壳体23的一端设有向电机转子31延伸的隔离部，用以将电机壳体33的内部与电机转子31的端部隔离；所述进气壳体13远离机组外壳体23的一端设有进气口，所述机组外壳体23远离进气壳体13的一端设有出气口。

利用两级轴流，可以有效降低膨胀机转速，提升电机、变频器的可靠性和效率，并获得较高的能量转化率。

由于高压力的天然气膨胀发电和ORC发电机组功率密度都非常大，300kW以下的机组转速都非常高。特别是采用单级向心涡轮，在保证膨胀机高性能的情况下，需要的转速非常高，使得电机很难满足使用要求。为了保证电机能稳定运行，需要通过牺牲膨胀机效率来强行降低转速。采用本实用新型，可以使用更低的转速获得较高的气动性能。

机组无动密封与外界相连，只需通过法兰与输气管道连接，可实现发电系统零泄漏，机组运行安全、可靠。

在其中一个实施例中，所述推力轴承35为静压气浮轴承，所述机组外壳体23的一侧设有与该推力轴承35连通的进气口，所述推力轴承35上设有通向转子推力盘311端面的小孔。

推力轴承输入的高压气源通过推力轴承上的小孔流向转子推力盘，形成气膜，起到气体润滑的作用。

气浮轴承运转过程中，转动部件与静止部件无直接接触，摩擦损失小，机械效率高。

本实用新型的机组采用无油润滑，不会有润滑油进入循环系统，对工质造成污染，进而影响下游设备。

现有膨胀机主要采用油润滑轴承或者磁悬浮轴承。油润滑轴承机组在膨胀机输出轴上需采用昂贵的干气密封才能完全解决天然气泄漏。干气密封除密封本体外，还需要复杂的控制系统，国产干气密封约20万元/套，进口的更贵。本实用新型无需采用昂贵的干气密封。虽然气浮轴承相比油润滑轴承造价更高，但是相比干气密封还是要便宜很多。采用磁悬浮轴承的机组，虽然也不需要昂贵的干气密封，但是目前的磁悬浮轴承非常昂贵，且需要专业人员到现场进行安装调试，成本远高于气浮轴承。

在另外一个实施例中，所述推力轴承35上还设有与电机内部连通的轴承排气孔361。

推力轴承上开有通往电机内部的排气孔，将轴承排出的工质气排往电机内部，用于冷却电机转子磁钢。

在另外一个实施例中，所述第一级侧径向轴承36和第二级侧径向轴承39为静压或动压气浮轴承。

为解决工质泄漏，防止滑油进入天然气，并降低机械损失，电机轴承采用无油润滑的气悬浮轴承，简称气浮轴承。其中推力轴承采用静压气浮轴承，径向轴承采用静压或动压气浮轴承均可。机组所有转动部件全部密封在壳体内部，无任何位置与外界环境接触。

在另外一个实施例中，所述第一级喷嘴环11与第一级转子叶轮12之间加工有迷宫式密封1112；所述电机转子31的中部设有与定子绕组32对应的磁钢，所述电机转子31的两端为空心结构，所述第一级输入端121的轴心处设有通孔，该通孔与电机转子31靠近进气壳体13一端的中空部分连通，且该中空部分的侧壁上设有多个推力调节排气孔312，所述推力调节排气孔312绕电机转子31的轴心均匀分布，且该推力调节排气孔312位于轴承壳37的外侧。

第一级喷嘴环与第一级转子叶轮之间加工有迷宫式密封，结合第一级输入端和电机转子的中空部分的推力调节排气孔形成轴向推力调节装置，用于调节电机转子轴向推力，并将轴向推力调节装置排出的气体引入电机内部，加强电机转子磁钢的冷却。

在电机转子靠近进气壳体一端的中空部分的侧壁上均布的排气孔，电机转子在高速旋转下，起到泵气的效果，对靠近进气壳体一端的工质气进行抽吸。如图3所示，通过对排气孔数量，孔径Φb和偏心量a的调节，可以起到不同的抽吸效果。排气孔在抽气时，第一级喷嘴环与第一级转子叶轮之间的高压气体会通过喷嘴环和叶轮之间的间隙流向电机转子，所以第一级喷嘴环与第一级转子叶轮之间安装有密封结构，使喷嘴环和叶轮之间的高压气体在流向电机转子时，压力下降，排气孔的抽吸效果不同，则气体压力的下降量不同。

在另外一个实施例中，所述电机转子31靠近机组外壳体23一端的中空部分的侧壁上设有多个电机冷却排气孔313，所述电机冷却排气孔313绕电机转子31的轴心均匀分布，且该电机冷却排气孔313位于隔离部的内侧，所述第二级输入端221的轴心处设有通孔，该通孔与电机转子31靠近机组外壳体23一端的中空部分连通。

电机内部冷却气通过电机冷却排气孔，由第二级输入端上的通孔排到出口管道中。

电机壳体与机组外壳体之间的空腔，作为工质气由第一级流向第二级的通道。

在另外一个实施例中，所述电机壳体33的外侧沿其轴向安装或者铣制有多个翅片。

通过翅片增加换热面积，利用第一级出口工质气对定子绕组进行散热。翅片与电机转子的轴线方向相同，即能降低工质气流动损失，又能起到整流的作用。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。