专利名称：增压透平膨胀机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种增压透平膨胀机，尤其是一种使用气体轴承的增压透 平膨胀机。
背景技术：
增压透平膨胀机是空气分离设备及天然气石油气液化分离设备和低 温粉碎设备等获取冷量所必需的关键部机，是保证整套设备稳定运行的心 脏。其主要原理是利用有一定压力的气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀对 外做功而消耗气体本身的内能，从而使气体自身强烈地冷却而达到制冷的 目的。透平膨胀机输出的能量由同轴压縮机回收或制动风机消耗。
增压透平膨胀机包括一个中间壳体，中间壳体的左端安装透平蜗壳、 右端安装有增压机蜗壳，中间壳体内设有转子，在转子的两端分别在透平 蜗壳和增压机蜗壳内设置有膨胀轮和增压轮。目前的增压透平膨胀机用于 支撑膨胀轮和增压轮的一般采用油轴承，而这种结构会带来很多的不便。 由于油轴承的工作介质是润滑油，而在膨胀机的工作过程中润滑油有可能 从膨胀端的出口处泄露出来，此时润滑油就和空气接触，就有可能有燃烧
的危险；另外，由于需要对油轴承提供润滑油，所以一般在膨胀机的工作 系统中还需要增加一套供油系统，这就会增加整套膨胀机系统的成本及结 构的复杂度。
目前增压透平膨胀机使用的膨胀轮和增压轮一般是由铝铸造而成，这 样得到的膨胀轮和增压轮都较为粗糙，影响整个膨胀机的性能。另外，由 于目前的膨胀轮和增压轮叶片的形状缘故，导致其工作效率也不是很高。
发明内容
本发明的目的在于解决上述的技术问题，提供一种安全性能好、成本低、结构简单、能耗较小而效率较高的增压透平膨胀机。 本发明的目的通过以下技术方案来实现
一种增压透平膨胀机，包括-一个中间壳体，所述中间壳体的左端安装 透平蜗壳、右端安装有增压机蜗壳，所述中间壳体内可转动地设置有转子， 在所述转子的两端分别在透平蜗壳和增压机蜗壳内设置有膨胀轮和增压 轮，在所述转子上套设有左气体轴承和右气体轴承，所述左气体轴承用来 支撑膨胀轮，所述的左气体轴承与膨胀轮之间设有密封套，所述右气体轴 承用来支撑增压轮，所述的右气体轴承与增压轮之间设有限位密封板，所 述的中间壳体上连接有4个接头组件，分别为左、右气体轴承提供轴承气， 以及为密封套和限位密封板提供密封气。
进一步地，所述的左气体轴承和右气体轴承之间设有轴承限位套，所 述的轴承限位套套设在转子外、并与中间壳体配合。
所述的膨胀轮包括相互固定的轮盘和轮盖，所述的轮盘上均布有叶 片，所述的叶片呈圆柱抛物面设置。所述膨胀轮的轮盘和轮盖之间为钎焊 接固定。所述膨胀轮的轮盖的表面设有5个环齿。
所述的增压轮包括相互固定的轮盘和轮盖，所述的轮盘上设有叶片， 所述的叶片呈螺旋线设置，且叶片的相对的两个面的横截面为同心圆。所 述增压轮的轮盘和轮盖之间为钎焊接固定。所述增压轮的轮盖的表面设有 5个环齿。
再进一步地，所述增压轮的轮盘的叶片的叶片宽度和叶片高度之比为
20 25之间。所述增压轮的气流进口角度为30 35度之间，气流出口角 度为35 40度之间。
更进一步地，所述的透平蜗壳与膨胀轮之间设置有导流器，气体由透 平蜗壳入口进入后，经导流器平均分配后再流经膨胀轮。
再进一步地，所述的中间壳体上设有接头组件，与增压机蜗壳相连的 端盖体上也设有接头组件，所述的两个接头组件之间连接有平衡阀。
本发明的有益效果主要体现在结构简单，轴损耗小，能量利用彻底， 价格只有同样参数油轴承膨胀机的1/6-1/8左右；安全性能好，不会有燃 烧的危险；而且可以减少油轴承膨胀机中油汽的排放，减少了对环境的污 染。另外，使用数控铣床加工简单膨胀轮和增压轮，且在两者的轮盘上都 焊接有轮盖，使整个增压透平膨胀机的工作效率得到进一步提高。
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明
图l:本发明增压透平膨胀机的主视图。
图2:图1中沿H-H方向的剖视图。
图3:本发明增压透平膨胀机的膨胀轮的剖示图。
图4:本发明增压透平膨胀机的膨胀轮的俯视图。
图5:图3中A部分的放大图。
图6:本发明增压透平膨胀机的增压轮的剖示图。 图7:本发明增压透平膨胀机的增压轮的俯视图。 图8:图6中B部分的放大图。 图9:图6中C部分的放大图。
图10:本发明增压透平膨胀机的导流器的俯视图。 其中
1透平蜗壳2中间壳体3增压机蜗壳
4膨胀轮5密封套6左气体轴承
7轴承限位套8转子9右气体轴承
10隔热套11限位密封板12增压轮
13扩压器14内扩压器15导流器
16绝热板17连接套19端盖体
20平衡阀41轮盘42轮盖
43叶片44环齿121轮盘
122轮盖123叶片124环齿
D叶片宽度H叶片高度a气流进口角度
气流出口角度膨胀气入口b膨胀气出口
c增压气入口d增压气出口
18a、18b、 18c、 18d、18e、18f、 18g接头组件
具体实施例方式
如图1和图2所示，本发明揭示了一种气体轴承增压透平膨胀机，与 现有技术一样，包括一个中间壳体2，所述中间壳体2的左端安装透平蜗 壳1、右端安装有增压机蜗壳3，所述中间壳体2内可转动地设置有转子8， 在所述转子8的两端分别在透平蜗壳1和增压机蜗壳3内设置有膨胀轮4 和增压轮12。与现有技术区别在于，在所述转子8上套设有左气体轴承6 和右气体轴承9，所述左气体轴承6用来支撑膨胀轮4，所述右气体轴承9 用来支撑增压轮12。
由于气体轴承的润滑剂为空气，所以不用担心是否会燃烧的问题。另 外，气体轴承还有以下特点。①摩阻极低由于气体粘度比液体低得多， 在室温下空气粘度仅为10号机械油的五千分之一，而轴承的摩阻与粘度 成正比，所以气体轴承的摩阻比液体润滑轴承低。②适用速度范围大气
体轴承的摩阻低，温升低。③适用温度范围广气体能在极大的温度范围
内保持气态，其粘度受温度影响很小。因此在使用气体轴承后，能量能利 用的更彻底。
在增压透平膨胀机运行时，很容易发生增压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，本发明在左气体轴承6和右气体轴承9之间设有轴 承限位套7，所述的轴承限位套7套设在转子8外、并与中间壳体2固定。
这样的设计提高了轴承的承载能力，它可以强迫抑制轴承端面的膨胀，以 保证装配间隙。
本发明的透平蜗壳1的左端连接有扩压器13，与扩压器13相联通有 一个内扩压器14，所述的内扩压器14设置在透平蜗壳1的内部。透平蜗 壳1的右端连接有绝热板16和连接套17，套接于中间壳体2之上。所述 的透平蜗壳1与膨胀轮4之间设置有导流器15，如图10所示，导流器15 的表面均布有一圈起气体导向作用的突起。气体由透平蜗壳1入口进入后， 经导流器15平均分配后再流经膨胀轮4。
所述的左气体轴承6与膨胀轮4之间设有密封套5，所述的右气体轴 承9与增压轮12之间设有隔热套10和限位密封板11。这样，使得气体外 漏量控制在最小的范围内，在密封套5和限位密封板11内还可充入常温 密封气(干燥空气或氮气)以阻止流经膨胀机的低温气体外泄。
如图2所示，在中间壳体2上设有4个接头组件，分别连接气源从而 提供轴承气和密封气。其中，接头组件18a为左气体轴承6提供轴承气， 接头组件18b为右气体轴承9提供轴承气，接头组件18c为限位密封板11 提供密封气，接头组件18d为密封套5提供密封气。这样就不需要象现有 技术一样需给膨胀机提供一个供油系统，所以本发明的结构简单，成本低 廉，而且提高了膨胀机运行的稳定性。
另外，中间壳体2上还设有一个连接转速表的接头组件18e，接头组 件18e内部的接触点抵接到转子8上，用于在膨胀轮工作中测量转子的转 速。
结合图1和图2所示，中间壳体2上设有接头组件18f，与增压机蜗 壳3相连的端盖体19上也设有接头组件18g，所述的两个接头组件之间连 接有平衡阀20。这样设计的原因是为了使增压轮背的压力回流，只需要拧 动平衡阀20即可，简单安全，而且平衡了转子的轴向力。
如图3、 4、 5所示，本发明的膨胀轮包括相互固定的轮盘41和轮盖
42，在本优选实施例中轮盘41和轮盖42之间为钎焊接固定，当然本发明 不排除其他的固定连接方式。所述的轮盘41上均布有叶片43，所述的叶 片43呈圆柱抛物线设置，且叶片43的相对的两个面的圆柱横截面为抛物 面，即用同心圆柱面剖切叶片的两个表面，形成的截交面为抛物面。这样 的设置，使气体沿透平蜗壳1经导流器平均分配后，速度可达200米/秒以 上，气流与膨胀轮的叶片成一定的夹角，冲击膨胀轮使其高速转动，气流 然后沿叶片的半径方向进入到膨胀轮，在膨胀轮中改变其方向后，沿膨胀 轮的轴线方向流出，即此时气体为向心径轴向流动。
本发明最重要的特征为膨胀轮采用反动式叶轮。所谓反动式，指膨胀 机中的气流在喷嘴内只进行部分膨胀，便以一定的速度进入膨胀轮，推动 膨胀轮旋转。气流进入膨胀轮后还进一步膨胀，气流的进一步膨胀所产生 的反冲力进一步推动膨胀轮旋转对外做功。这个反冲力正像从火箭发动机 尾部喷出的高速气流推动火箭前进一样。对反动式膨胀机来说，压力分成 在导流器和膨胀轮中的两次降落。气体的焓值变化也是如此，即在导流器 中转换一部分能量，到膨胀轮中又转换一部分能量。通常把透平膨胀机在 膨胀轮内能量转换的多少(即焓值的降低数值)与通过导流器和叶轮整个级 内能量转换的数量(总焓降)之比称为透平膨胀机的反动度。显然，对传统 的冲击式透平膨胀机来说，反动度为零，对反动式透平膨胀饥，反动度一 般在0.5左右。由于在冲击式透平膨胀机中气流在喷嘴内的压降很大，一 般从0.55MPa(绝对压力)左右降至0.135MPa(绝对压力)左右，喷嘴出口气 流的速度很高，流动损失大，因而效率较低，效率一般只有68%—72%。 对于反动式透平膨胀机，在喷嘴中的压力降一般是从0.55MPa降至 0.27MPa左右，喷嘴出口气流速度相对较低，流动损失也较小。膨胀机效 率一般可达80%— 90%。因此，反动式膨胀机相对传统的冲击式透平膨 胀机来说，工作效率提高了很多。
进一步，所述的轮盖42的表面设有5个环齿44，与内扩压器14的表
面配合形成迷宫式密封，使整个膨胀机的密封效果更好，减少了气体内漏
流量。另外，轮盘41和轮盖42均为锻铝机加工而成。本优选实施例为数 控铣床加工而成，输入坐标值就能加工出本发明的膨胀轮，简单方便。
如图6 9所示，本发明的增压轮12包括相互固定的轮盘121和轮盖 122，在本优选实施例中轮盘121和轮盖122之间为钎悍接固定，当然本 发明不排除其他的固定连接方式。所述的轮盘121上设有叶片123，所述 的叶片123呈螺旋线设置，且叶片123的相对的两个面的横截面为同心圆。
本优选实施例中，叶片123的叶片宽度D和叶片高度H之比为20 25 之间，气流进口角度a为30 35度之间，气流出口角度3为35 120度 之间。这样的结构，使整个增压轮的效率得到进一步地提升。
进一步，所述的轮盘121的表面设有5个环齿124，与端盖体19的表 面配合形成迷宫式密封；所述的轮盖122的表面同样设有5个环齿124， 与限位密封板11的表面配合形成迷宫式密封，这样使整个膨胀机的密封 效果更好，保证气体内泄漏流量减少。另外，轮盘121和轮盖122均为锻 铝机加工而成。本优选实施例为数控铣床加工而成，输入坐标值就能加工 出本发明的增压轮，简单方便。
下面参照图l介绍一下本发明膨胀机的气体流动方向。在膨胀端，气 体沿a方向从透平蜗壳1的入口进入，经导流器15平均分配后再流经膨 胀轮4，然后沿b方向从扩压器13端流出。在增压端，气体沿c方向从端 盖体19的入口进入，流经增压轮12，然后沿d方向从增压机蜗壳3的出 口流出。本发明的膨胀比达到5.67，增压比为1.25。另外，对于膨胀机 来说，最经济最好的调节性能的方法是改变喷嘴叶片高度，当膨胀机处于 不同工况时，需要的冷量可能是不一样的，这时就可以采取用不同叶片高 度的喷嘴来调节膨胀气量。
本发明尚有多种具体的实施方式，凡采用等同替换或者等效变换而形 成的所有技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
权利要求
1.一种增压透平膨胀机，包括一个中间壳体(2)，所述中间壳体(2)的左端安装透平蜗壳(1)、右端安装有增压机蜗壳(3)，所述中间壳体(2)内可转动地设置有转子(8)，在所述转子(8)的两端分别在透平蜗壳(1)和增压机蜗壳(3)内设置有膨胀轮(4)和增压轮(12)，其特征在于在所述转子(8)上套设有左气体轴承(6)和右气体轴承(9)，所述左气体轴承(6)用来支撑膨胀轮(4)，所述的左气体轴承(6)与膨胀轮(4)之间设有密封套(5)，所述右气体轴承(9)用来支撑增压轮(12)，所述的右气体轴承(9)与增压轮(12)之间设有限位密封板(11)，所述的中间壳体(2)上连接有4个接头组件，分别为左、右气体轴承(6、9)提供轴承气，以及为密封套(5)和限位密封板(11)提供密封气。
2. 根据权利要求1所述的增压透平膨胀机，其特征在于所述的左 气体轴承(6)和右气体轴承(9)之间设有轴承限位套(7)，所述的轴承 限位套(7)套设在转子(8)夕卜、并与中间壳体(2)配合。
3. 根据权利要求1所述的增压透平膨胀机，其特征在于所述的膨 胀轮(4)包括相互固定的轮盘(41)和轮盖(42)，所述的轮盘(41)上 均布有叶片(43)，所述的叶片(43)呈圆柱抛物面设置。
4. 根据权利要求3所述的增压透平膨胀机，其特征在于所述膨胀 轮(4)的轮盘(41)和轮盖(42)之间为钎焊接固定。
5. 根据权利要求4所述的增压透平膨胀机，其特征在于所述膨胀 轮(4)的轮盖(42)的表面设有5个环齿(44)。
6. 根据权利要求1所述的增压透平膨胀机，其特征在于所述的增 压轮(12)包括相互固定的轮盘(121)和轮盖(122)，所述的轮盘(121) 上设有叶片(123)，所述的叶片(123)呈螺旋线设置，且叶片(123)的 相对的两个面的横截面为同心圆。
7. 根据权利要求6所述的增压透平膨胀机，其特征在于所述增压轮(12)的轮盘(121)和轮盖(122)之间为钎焊接固定。
8. 根据权利要求7所述的增压透平膨胀机，其特征在于所述增压轮(12)的轮盖(122)的表面设有5个环齿(124)。
9. 根据权利要求6所述的增压透平膨胀机，其特征在于所述增压 轮(12)的轮盘(121)的叶片(123)的叶片宽度(D)和叶片高度(H) 之比为20 25之间。
10. 根据权利要求6所述的增压透平膨胀机，其特征在于所述增压 轮(12)的气流进口角度(a)为30 35度之间，气流出口角度(P) 为35 40度之间。
11. 根据权利要求1所述的增压透平膨胀机，其特征在于所述的透 平蜗壳(1)与膨胀轮(4)之间设置有导流器(15)，气体由透平蜗壳(1) 入口进入后，经导流器(15)平均分配后再流经膨胀轮(4)。
12. 根据权利要求1所述的增压透平膨胀机，其特征在于所述的中 间壳体(2)上设有接头组件(18f )，与增压机蜗壳(3)相连的端盖体(19) 上也设有接头组件(18g)，所述的两个接头组件之间连接有平衡阀(20)。
全文摘要
本发明提供了一种气体轴承增压透平膨胀机，包括一个中间壳体，所述中间壳体的左端安装透平蜗壳、右端安装有增压机蜗壳，所述中间壳体内可转动地设置有转子，在所述转子的两端分别设置有膨胀轮和增压轮，在所述转子上套设有两个气体轴承，用来支撑膨胀轮和增压轮。本发明的有益效果主要体现在结构简单，轴损耗小，成本低廉；安全性能好，而且可以减少油轴承膨胀机中油汽的排放，减少了对环境的污染。该膨胀机的优异性将为增压透平膨胀机的发展奠定了一个里程碑式的基础。
文档编号F04D29/30GK101363330SQ200810157098
公开日2009年2月11日 申请日期2008年9月18日 优先权日2008年9月18日
发明者史银根, 张家雷, 徐友亮 申请人:苏州制氧机有限责任公司