專利名稱：帶增壓器的中壓氮氣透平膨脹機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種制冷系統(tǒng)中的氣體膨脹機，特別是中壓氮、氧液壓化系統(tǒng)中的氣體膨脹機。它適用于空氣分離(液化)行業(yè)。
現(xiàn)有的用于中壓氮、氧液化系統(tǒng)中的氣體膨脹機是往復(fù)式活塞壓縮機。它的缺點是1)因運動部件速度低且處于低溫(－100℃以下)狀態(tài)工作，所以磨損厲害，易引起氣體竄流使性能下降、工作不穩(wěn)定，甚至發(fā)生故障。它的故障率較高，不僅影響生產(chǎn)而且維修費用很大。2)由于活塞膨脹機轉(zhuǎn)速低，勢必引起體積龐大，因此它的占地面積較大；3)噪音較大。
本實用新型的目的是要克服上述的現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點，提供一種工作穩(wěn)定可靠、效率高且結(jié)構(gòu)緊湊體積小、噪音小的帶增壓器的中壓氮氣透平膨脹機。
本實用新型是通過引用一種到目前為止僅能用于低壓的帶增壓器的透平膨脹機，并對它進(jìn)行改進(jìn)來達(dá)到上述的目的。該機不能從低壓系統(tǒng)直接移用到中壓系統(tǒng)的原因是1)它的膨脹機噴咀是漸縮型，出口氣流速度只能低于音速而中壓系統(tǒng)氣體因壓力高、膨脹比大，要求噴咀流道出口的氣流速度提高到超音速(約為音速的1.5倍)，否則焓降量(亦即制冷量)達(dá)不到要求值，因此需要改變噴咀的結(jié)構(gòu)形狀；2)壓力提高之后葉輪的不平衡軸向力很大，以致主軸上的止推軸承不能承受。因此，改進(jìn)主要是從噴咀和平衡葉輪的軸向力兩方面進(jìn)行。
本實用新型帶增壓器的中壓氮氣透平膨脹機包含有在同一殼體內(nèi)安裝的透平式膨脹機和離心式增壓器，并且它們的葉輪同軸安裝；整個殼體可分成相互密閉的三個部分，殼體兩端分別是增壓器和膨脹機，殼體中間則安裝了用以支承主軸的三油葉軸承并容納了能使主軸穩(wěn)定地浮在軸承的油膜中運轉(zhuǎn)的潤滑油。殼體的三個部分可由螺栓連接，連接處帶有氣封環(huán)、油封環(huán)，并且在與膨脹機連接的殼體上，帶有能防止冷損失的保溫裝置。
增壓器為離心式，它包含了一個在主軸軸端上安裝的增壓葉輪和殼體內(nèi)帶有的蝸形氣流管道、殼體側(cè)壁上帶有的氣流出口管、殼體端壁中心帶有的氣流進(jìn)口管。
膨脹機為透平式，它包含有一個在主軸另軸端上安裝的膨脹葉輪和該端殼體內(nèi)的蝸形氣流通道、殼體側(cè)壁上的氣流進(jìn)口管、殼體端壁中心的氣流出口管，以及在其葉輪同殼體氣流通道入口處之間安裝的超音速噴咀。
本實用新型的改進(jìn)結(jié)構(gòu)有1、在增壓器上帶有軸向力平衡機構(gòu)。該機構(gòu)包含有設(shè)置在殼體上的用以連通蝸形管道的高壓氣流空間同葉輪背部空間的孔道；設(shè)置在殼體同增壓葉輪背部之間的用以防止高壓氣體漏到葉輪出口處的迷宮式密封圈。
2、膨脹機帶有的超音速噴咀包含有——固定在殼體上的一個其端面上帶有固定銷、外圓柱面上帶有定位銷的固定盤和一個與固定盤共平面且活套在固定盤外圓柱面上的其端面上帶傳動銷的轉(zhuǎn)盤；轉(zhuǎn)盤外圓柱面上帶有凸耳，內(nèi)圓柱面上帶有能與定位銷嚙合的圓環(huán)形槽，以使轉(zhuǎn)盤在凸耳上有外力作用時能沿圓周方向作軸向定位的滑動；——一組葉片，其每一個葉片上均帶有長槽孔和圓孔，并通過圓孔可鉸接在固定盤的固定銷上，又通過長槽孔活套在轉(zhuǎn)盤的傳動銷上；葉片的周邊形狀應(yīng)使它在安裝后，每相鄰兩葉片之間形成一個兩邊側(cè)寬大而中間窄小的流線形的縮放型間隙；——安裝在葉片外側(cè)端面上的蓋板；——用以壓緊蓋板以使葉片端面無氣流竄漏又使葉片在轉(zhuǎn)盤繞固定盤作周向滑動時能自由轉(zhuǎn)動的彈性壓緊機構(gòu)；該機構(gòu)可包含有一個在殼體上安裝的固定環(huán)、一個與蓋板連接并活套在固定環(huán)上的滑套環(huán)、一組其兩端分別頂緊在固定環(huán)和滑套環(huán)之間的帶定位螺釘?shù)膹椈伞?br> 下面將通過實施例并對照附圖，對本實用新型作進(jìn)一步敘述。附圖內(nèi)容有


圖1是帶增壓器的中壓氮氣透平膨脹機的正剖視圖；圖2是膨脹機的超音速噴咀結(jié)構(gòu)圖，其中(a)是它的正視圖、(b)是它的A－A旋轉(zhuǎn)剖視圖；圖3是噴咀上的彈性壓緊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖，其中(c)是正剖視圖、(d)是(c)圖中的節(jié)點F放大圖；圖4是
圖1中的增壓器上帶有的軸向力平衡機構(gòu)的放大圖5是本實用新型膨脹機在中壓氮氣液化系統(tǒng)中應(yīng)用時的系統(tǒng)示意圖。
從
圖1上可以看到本實用新型膨脹機的殼體可以用假想線劃分成I、Ⅱ、Ⅲ三個部分，其中I為透平式膨脹機、Ⅲ為增壓器、Ⅱ為殼體貯油箱。
貯油箱部分的殼體底部帶出油管16，殼體中間橫貫的主軸15由兩個三油葉軸承14支承，軸承油在其內(nèi)產(chǎn)生的動壓力可使主軸穩(wěn)定地浮在軸承的油膜中運轉(zhuǎn)。油封環(huán)13用以防止油向軸外側(cè)泄漏，氣封環(huán)18用以防止氣流從軸向竄流。在與膨脹機相連的殼體上帶有保溫裝置12。
增壓器為離心式，其增壓葉輪20安裝在主軸右端，它的殼體內(nèi)帶有蝸形氣流管道21、端壁中心上有氣流進(jìn)口管24、側(cè)壁上的氣流出口管(在
圖1中未能表示出來)，以及軸向力平衡機構(gòu)。
增壓器的軸向力平衡機構(gòu)可從
圖1和圖4上可看到，在殼體蝸形管道21的高壓氣流空間G同葉輪背部空間E之間設(shè)置了連通該兩空間的孔道19；在殼體同增壓葉輪背部之間，即圖中的B處，設(shè)置了迷宮式密封圈25。從孔道19向葉輪背部引入的高壓氣流被密封圈25封閉在葉輪背部的空間內(nèi)，從而在葉輪兩端面上形成了足夠大的壓力差使主軸上的軸向力得到平衡。
膨脹機為透平式，它包含有在主軸15的左端安裝的膨脹葉輪4和殼體內(nèi)的蝸形氣流通道22、殼體側(cè)壁上的氣流進(jìn)口管(圖中未予以表示)、殼體端壁中心的氣流出口管23，以及在膨脹機的葉輪同殼體蝸形通道入口之間安裝的超音速噴咀。
膨脹機的超音速噴咀還可從圖2上看到。固定盤9安裝在殼體的氣封環(huán)18上，其端面上帶有八個固定銷8、周向表面上裝有定位銷41，與其位于同平面內(nèi)且活套在其周向的轉(zhuǎn)盤6帶有凸耳61和八個傳動銷7，且周向表面設(shè)置了可與定位銷41相嚙合的圓環(huán)形槽(圖中未能予以表示)。如撥動凸耳61，則轉(zhuǎn)盤通過其上的圓環(huán)形槽可沿著定位銷所限定的軸向位置作圓周方向的滑動。
葉片5的數(shù)量為八，它通過其上的圓孔鉸接在固定銷8上，又通過其上的長槽孔51活套在傳動銷7上。在轉(zhuǎn)盤相對于固定盤轉(zhuǎn)動一個角度時，葉片可繞固定銷轉(zhuǎn)動而長槽孔在傳動銷上滑動。每相鄰兩葉片之間均留有間隙，而且葉片的外形使該間隙成為流線形的縮放型，即噴咀進(jìn)口P到喉部Q是逐漸縮小、從喉部Q到噴咀出口R是逐漸擴大。撥轉(zhuǎn)凸耳使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動一個角度，則葉片轉(zhuǎn)動，該縮放型間隙的大小即可發(fā)生變化，以實現(xiàn)膨脹機制冷量的調(diào)節(jié)。
葉片外側(cè)端面上的蓋板3由噴咀的彈性壓緊機構(gòu)壓緊；該機構(gòu)還可從圖3上看到，它包含有固定環(huán)1、與蓋板連接并活套在固定環(huán)上的滑套環(huán)2、緊固在滑套環(huán)上的定位螺釘10、頂緊在固定環(huán)和滑套環(huán)兩端面之間的碟形彈簧11。調(diào)節(jié)彈簧的予緊力可使葉片兩端面密閉而且葉片可在調(diào)節(jié)制冷量時自由轉(zhuǎn)動。
本實用新型帶增壓器的中壓氮氣透平膨脹機的應(yīng)用實例可從圖5的系統(tǒng)示意圖中看到。
壓力為2.7兆帕、溫度為308K的氣流氮氣進(jìn)入增壓器Ⅲ的中心氣流進(jìn)口管，由增壓器壓縮到3.63兆帕，并自其側(cè)壁上的出口管流出，由冷卻部Ⅳ冷卻到308K，再經(jīng)熱交換器V冷卻到175K后以3.63兆帕壓力進(jìn)入膨脹機I的側(cè)壁上的氣流進(jìn)口管，膨脹到0.025兆帕壓力進(jìn)行制冷，膨脹后的低溫氣體作為返流氣，自中心氣流出口管進(jìn)入熱交換器V中釋放冷量。
調(diào)節(jié)制冷量是通過凸耳轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤使葉片轉(zhuǎn)動，以達(dá)到噴咀上的氣流通道截面積變化來實現(xiàn)。
本實用新型膨脹機中近一半的焓降在噴咀中膨脹而產(chǎn)生超音速氣流，同時壓力下降、溫度下降；其余的焓降在葉輪中膨脹，并連同噴咀出口的氣體動能一起轉(zhuǎn)變?yōu)槿~輪旋轉(zhuǎn)的機械功，同時溫度和壓力進(jìn)一步下降，膨脹機產(chǎn)生機械功的同時即獲得等量的制冷量(即焓降)。此過程中，主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)到40000轉(zhuǎn)／分，并且機械功被同軸安裝的增壓器Ⅲ吸收，使增壓器可對氣流進(jìn)行增壓，以降低氣源壓縮機的出口壓力。
本實用新型的優(yōu)點是1)往復(fù)式活塞膨脹機經(jīng)常需要更換易磨損件或維修，折合年停機耽誤生產(chǎn)的時間為54天，而本實新型膨脹機只要按正常檢查年停機五天即可，每年增產(chǎn)液氮600噸，并且工作效率高、性能穩(wěn)定；2)每年用于購置易損件需11萬元人民幣，本實用新型膨脹機基本上不需要；3)由于膨脹機帶增壓器，使氣源壓力可由原來的3.9兆帕降為2.7兆帕，該項可以年節(jié)電67.2萬度；4)占地面積由活塞膨脹機的60M2減小到6M2；5、噪音由原來的90分貝降低到85分貝以下。
權(quán)利要求1.一種帶增壓器的中壓氮氣透平膨脹機，在它的殼體內(nèi)安裝了透平式膨脹機和離心式增壓器，并且它們的葉輪同軸安裝；整個殼體可分成相互密閉的三個部分；殼體兩端分別是增壓器Ⅲ和膨脹機Ⅰ，殼體中間安裝了支承主軸(15)的三油葉軸承(14)，并容納了能使主軸(15)穩(wěn)定地浮在軸承油膜中運轉(zhuǎn)的潤滑油；殼體的三個部分可由螺栓連接，連接處帶有氣封環(huán)(18)、油封環(huán)(13)，并且在與膨脹機連接的殼體上帶有保溫裝置(12)；增壓器包含有在主軸軸端上安裝的增壓葉輪(20)，在殼體內(nèi)帶有的蝸形氣流管道(21)、殼體側(cè)壁上帶有的氣流出口管、殼體端壁中心帶有的氣流進(jìn)口管(24)；膨脹機包含有在主軸另端上安裝的膨脹葉輪(4)和殼體內(nèi)的氣流通道(22)、殼體側(cè)壁上的進(jìn)口管和殼體端壁中心的氣流出口管(23)，以及在膨脹葉輪同殼體氣流通道入口處之間的超音速噴咀；本實用新型的特征是1.)在增壓器上帶有軸向力平衡機構(gòu)，該機構(gòu)包含有設(shè)置在殼體上的用以連通蝸形管道的高壓氣流空間G同增壓葉輪背部空間E之間的連通用的孔道(19)和設(shè)置在殼體同增壓葉輪背部B處的迷宮式密封圈(25)。2.)膨脹機帶有的超音速噴咀包含有固定在殼體上的一個其端面上帶固定銷(8)、外圓柱面上帶有定位銷(41)的固定盤(9)和一個與固定盤共平面且活套在固定盤外圓柱面上的其端面上帶有傳動銷(7)、外圓柱面上帶凸耳(61)、內(nèi)圓柱面上帶有能與定位銷(41)嚙合以使其能作軸向定位的周向滑動的轉(zhuǎn)盤(6)；一組葉片(5)，其中每一個葉片上帶有一個長槽孔(51)和圓孔，并通過圓孔使其鉸接在固定銷(8)上，又通過長槽孔活套在傳動銷(7)上，葉片周邊的形狀應(yīng)使它在安裝之后，每相鄰兩葉片之間均有間隙，該間隙為流線形的縮放型，即噴咀進(jìn)口P到喉部Q是逐漸縮小、從喉部Q到噴咀出口R是逐漸擴大；一個安裝在葉片外側(cè)端面上的蓋板(3)，以及用以壓緊蓋板使葉片端面無氣流竄漏且葉片又能自由轉(zhuǎn)動的彈性壓緊機構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的帶增壓器的中壓氮氣透平膨脹機，其特征是所說的用以壓緊蓋板的彈性壓緊機構(gòu)可包含有在殼體上安裝的固定環(huán)(1)、與蓋板連接并活套在固定環(huán)上的滑套環(huán)(2)、一組其兩端分別頂緊在固定環(huán)和滑套環(huán)之間的帶定位螺釘(10)的彈簧(11)。
專利摘要用于中壓氮、氧液化系統(tǒng)的氣體膨脹機。它含有共軸安裝的離心式增壓器和透平式膨脹機；增壓器上帶有一個包含有能連通殼體高壓空間和葉輪背部空間的孔道和設(shè)置在殼體同葉輪背部的迷宮式密封圈的軸向力平衡機構(gòu)；膨脹機噴嘴上的葉片帶有能使其安裝后相鄰葉片間形成流線形的縮放型間隙的外形；葉片端面的蓋板帶有彈性壓緊機構(gòu)。本實用新型解決了現(xiàn)有活塞式膨脹機工作不穩(wěn)定、效率低、故障高且占地大、噪音較大等問題。
文檔編號F25B9/06GK2212173SQ9424365
公開日1995年11月8日 申請日期1994年10月20日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月20日
發(fā)明者樊光榮 申請人:杭州制氧機集團(tuán)公司