專利名稱：天然氣壓力能回收用螺桿膨脹機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及回轉(zhuǎn)機械類，特別是用于設(shè)計、制造以及氣體或氣、液混合物為工質(zhì)的膨脹機及研制新型的燃氣發(fā)動機。
靠氣體膨脹消耗內(nèi)能來作功的機械叫原動機械或發(fā)動機，如內(nèi)燃機、蒸氣機、燃氣輪機等都是這種機械，實質(zhì)上都是膨脹機，這些動九機械存在已久，技術(shù)已相當成熟。但是，用天然氣膨脹作功來發(fā)電或拖動工作機的膨脹機卻極少，八十年代曾有過12KW的TT12天燃氣透平發(fā)電機問世，但是機器效率特別低，原因是在6至10MPa高壓下進入透平的容積流量只有2M3／min左右，對于如此小的容積流量，速度型的軸流式透平膨脹機欲獲得高效率是辦不到的，目前在天燃氣分離的輕烴回收裝置上出現(xiàn)了一些不同規(guī)格的徑流式透平膨脹機，然而面對小流量欲得高效率同樣束手無策，同時要從每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速度降下來，拖動發(fā)電機，本身又存在問題，況且天燃氣分離的壓力不高，欲用徑流透平回收高壓天燃氣能量，密封和受力也難以解決。近年來國外出現(xiàn)了適合小流量的螺桿膨脹機技術(shù)，用于小規(guī)模廢熱回收發(fā)電或制冷，如1988年日本達支兼一的“螺桿膨脹機基本性能的研究”之文章所述，但工作壓力很低，只有0.3MPa，并未涉及高壓天然氣的領(lǐng)域，不能實現(xiàn)在6至10MPa高壓下的運轉(zhuǎn)。又由于大多數(shù)天然氣井及大小集輸氣站的天然氣壓力大多高于甚至大大高于管道輸氣的要求壓力，對此，一般采用節(jié)流方法，使壓力進行無用膨脹和損失，以便降低下來滿足輸氣要求，這無疑是能量的一種浪費。
本實用新型的目的是針對已有天然氣膨脹機技術(shù)的不足，首先按非常規(guī)方法設(shè)計出一種最新型的螺桿容積式膨脹機，靠容積的膨脹變氣體的內(nèi)能為機械能，對外作功的動力機械，在小容積流量下具有高效率，它在速度型透平膨脹機無力占據(jù)的小容積流量領(lǐng)域內(nèi)顯出獨特的優(yōu)越性，將天然氣壓力能轉(zhuǎn)換成機械能，來帶動發(fā)電機進行能量回收，以解決邊遠地區(qū)氣井，氣站的缺電問題。本實用新型既可用于設(shè)計、制造高壓力、小容積流量、小膨脹比的天然氣膨脹機，代替燃氣透平，作為新型的燃氣發(fā)動機用；還可用于設(shè)計、制造低壓通用螺桿膨脹機，用于低溫制冷；天然氣液化分離；化工尾氣、煙氣及高爐氣和地熱等能量的回收。
天然氣壓力能回收用螺桿膨脹機包含一對轉(zhuǎn)子缸體、軸承、同步齒輪以及密封組件，其特征是陰、陽轉(zhuǎn)子采用超短長徑比的粗短形螺桿，并懸臂于缸體呈“∞”形的缸體中，相互嚙合的螺旋形，陰陽轉(zhuǎn)子平行地置于氣缸中按一定傳動比反向旋轉(zhuǎn)。在節(jié)圓外具有凸齒的轉(zhuǎn)子叫陽轉(zhuǎn)子，在節(jié)圓內(nèi)具有凹齒的轉(zhuǎn)子叫陰轉(zhuǎn)子，陰、陽螺桿和氣缸之間形成的呈“∨”字形的一對齒間容積值隨著轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)而變化，同時其位置在空間也不斷移動，采用小膨脹比，氣體從吸氣孔進入陰、陽螺桿和氣缸之間形成的“∨”字形的齒間容積，推動陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子彼此向背離方向高速旋轉(zhuǎn)，以完成吸氣、膨脹、排氣三個工作過程。螺桿嚙合形成的每對齒間容積里，氣體所進行的上述三個過程是周而復始的，機器便不停地旋轉(zhuǎn)對外作功。
與現(xiàn)有技術(shù)相比本實用新型的優(yōu)點是采用超短長徑比后，螺桿變得短而粗，陰陽轉(zhuǎn)子似如兩個厚餅子，同時因采用小膨脹比，吸排氣壓力差作用在螺桿上的力減小，明顯改善了轉(zhuǎn)子受力狀況。由于螺桿短，便使螺桿壓縮機習慣采用的兩端支承變成為懸臂支承，即在壓力等于排氣壓的軸承腔里充滿的潤滑油，對高壓氣的外泄漏造成一道不可逾越的堵塞障礙，于是高壓帶來的受力和密封問題便得到理想的解決。本實用新型與現(xiàn)有透平膨脹機相比能在吸氣容積流量為0.5～5m3／min(相當于6MPa壓力下，天然氣每一天的標況流量為2～20×104Nm3／d)的小流量下，提高一倍至數(shù)倍的效率，獲得2.5～100KW的發(fā)電功率；甚至在0.125至0.5m3／min(相當于6MPa壓力下，每天天然氣標況流量是0.5～2×104Nm3／d)的特小流量下，透平對外已不能輸出有用功，而本設(shè)計還可提供0.5～2.5KW的電量來。并且本機結(jié)構(gòu)簡單、零件少，易于制造、成本低、轉(zhuǎn)速低，不需高轉(zhuǎn)速比的減速箱，操作運行方便、安全可靠，自動化程度要求低。與容積式的活塞膨脹機相比較結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、零部件少、體積小、重量輕、基本無易損件、可靠性高、運轉(zhuǎn)周期長、操作方便、振動小、工作平穩(wěn)、制造容易、成本低。與容積式的滑片膨脹機相比較易損件少，機械效率高，適合于高壓工作條件。
變工況情況(1)同一臺天然氣螺桿膨脹機既可在設(shè)計吸氣壓力下工作，而且隨著氣井生產(chǎn)時間的增長，在壓力降低的情況下也可照常工作。即對吸氣壓力下降變工況的適應能力強?；蛘哒f，同一規(guī)格型號的膨脹機，可用于低于設(shè)計吸氣壓力小的不同氣井。
(2)同一臺天然氣螺桿膨脹機既可在設(shè)計氣量下工作，且隨著氣井生產(chǎn)時間的增長產(chǎn)氣量的減少，也可正常工作，但發(fā)電量亦呈下降趨勢。
對于吸氣壓力低于1.5MPa的螺桿膨脹機，可方便采用與一般螺桿壓縮機相同的兩端支承結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)。作為制取冷量的氣體或氣、液混合的二相流膨脹機用；作為分離天然氣用；作為回收動力，如化工尾氣、煙氣及高爐氣和地熱等能量的回收用；作為代替柴油機增壓器的廢氣渦輪用如果專門配備燃燒筒，便可代替燃氣輪機的功用了，并且所發(fā)功率小，是一般大氣量、大功率燃氣輪機不便涉腳之地。
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明


圖1為天然氣壓力能回收用螺桿膨脹機吸氣過程圖圖2為天然氣壓力能回收用螺桿膨脹機吸氣過程結(jié)束、膨脹過程開始圖圖3為天然氣壓力能回收用螺桿膨脹機膨脹過程結(jié)束、排氣過程開始圖圖4為天然氣壓力能回收用螺桿膨脹機排氣過程圖圖5為天然氣壓力能回收用螺桿膨脹機水平剖視
圖1.進氣控制圖2.缸體3.軸承4.軸承座5.陽轉(zhuǎn)子6.陰轉(zhuǎn)子7.中間體8.軸承9.葉片泵10.機械密封11.同步齒輪12.齒輪室蓋13.輸出聯(lián)接盤14.端蓋15.固定螺套16.園螺母17.密封圈吸氣過程高壓氣體由吸氣孔口分別進入陰、陽螺桿“∨”字形的齒間容積，推動陰、陽螺桿向彼此背離的方向旋轉(zhuǎn)，且這兩個齒間容積不斷擴大并不斷進氣，當這對齒間容積后面一齒一旦切斷吸氣孔口時，吸氣過程結(jié)束，膨脹過程開始。
膨脹過程在吸氣過程結(jié)束后的齒間容積對里，充滿著高壓氣體，其壓力高于順轉(zhuǎn)向前面一對齒間容積對里氣體壓力，在壓力差的作用下，陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子往相互背離的方向轉(zhuǎn)去，于是氣體膨脹，螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)對外作功。轉(zhuǎn)子繼續(xù)回轉(zhuǎn)，經(jīng)某轉(zhuǎn)角后，陰、陽螺桿齒間容積脫離，再轉(zhuǎn)一個角度，當陰螺桿齒間容積的后齒，從陽螺桿齒間容積中離開時，這時陰、陽齒間容積值達最大值，膨脹結(jié)束，排氣開始。
排氣過程當膨脹過程結(jié)束時，齒間容積與排氣孔口接通，隨著轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)，兩個齒間容積因齒的侵入不斷縮小，將膨脹后的氣體往排氣端推趕而經(jīng)排氣孔口排出，直到齒間容積達最小為止。螺桿嚙合所形成的每對齒間容積里的氣體進行的上述三過程是周而復始的，所以機器便不停地旋轉(zhuǎn)。
由于天然氣井口壓力高，為了減少螺桿膨脹機吸排氣壓差，改善轉(zhuǎn)子受力情況，螺桿膨脹機熱力和螺桿參數(shù)具有如下特點(1)單級膨脹機吸氣壓力可在3至10MPa范圍。如果井口壓力高于10MPa，可考慮節(jié)流后再進入膨脹機，或者多級膨脹機串聯(lián)使用。
(2)可針對產(chǎn)氣量為0.5～20×104Nm3／d的氣井或氣站，將氣量劃分為幾個檔次，設(shè)計出不同規(guī)格的螺桿膨脹機，形成一個系列。
(3)采用π≤3的小膨脹比，也分成幾個檔次以成系列。
(4)采用λ≤0.8的超短長徑比，這樣螺桿變得短而粗，既可滿足小容積流量的實際需要，又改善了轉(zhuǎn)子的受力狀況。
(5)天然氣螺桿膨脹機全系列的發(fā)電范圍為0.5～100KW，甚至更高。如果加注大粘度的潤滑油或潤滑脂等防內(nèi)泄漏措施，則發(fā)電量將大幅度提高。
(6)作為膨脹介質(zhì)的天然氣，允許含油含水。
(7)螺桿扭轉(zhuǎn)角τ1Z，τ2Z較小。
(8)可采用部標螺桿端面型線或其它先進型線。
圖2中的5、6分別是陽轉(zhuǎn)子和陰轉(zhuǎn)子，左端大頭是具嚙合齒形的螺桿部份，陰陽螺桿懸臂于缸體呈“∞”形的缸孔中，右伸軸固定在軸承3和8中，軸承3用圓螺母16和固定螺套15固定，轉(zhuǎn)子軸上裝有機械密封圈17，以防潤滑油和天然氣的泄漏，在轉(zhuǎn)子軸的右端配置一對同步齒輪11，以傳輸功率和保證螺桿的間隙。高壓氣由進氣控制閥1沿軸向吸氣孔口進入氣缸，充滿陰、陽螺桿和氣缸之間構(gòu)成的“∨”字形齒間容積里，由于氣體壓力的作用，使陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子彼此朝相互背離的方向轉(zhuǎn)去，齒間容積變大，氣體膨脹對外作功，通過陽轉(zhuǎn)子最右端的輸出聯(lián)接盤13與發(fā)電機聯(lián)接盤的聯(lián)接，便驅(qū)動發(fā)電機或其它工作機運轉(zhuǎn)，膨脹作功后的氣體由缸體上的徑向排氣孔口，在螺桿遮著的那面排出。齒輪室蓋12所封著的齒輪室里盛著一定的潤滑油，同步齒輪靠飛濺潤滑。另外軸承座4和中間體7，分別起著軸承3和軸承8外圓配合座的作用及構(gòu)成油腔的作用。端蓋14裝著機械密封的靜環(huán)，并伸向里面固定軸承8的外圈。陰陽轉(zhuǎn)子軸承油腔是相通的，潤滑油靠葉片泵9的作用，使之循環(huán)冷卻。排氣壓作用在附屬的注油罐的油面上，而注油罐的油與軸承腔相通，所以軸承腔的油壓與排氣壓相一致。
最佳實施方案或?qū)嵗緦＠l(fā)明人對吸氣壓力Ps＝6MPa，膨脹比π＝2，即排氣壓力Pd＝3MPa，標況流量VN＝1.88×104Nm3／d的天然氣螺桿膨脹機進行了設(shè)計。選用部標陽齒4陰齒6非對稱齒型名義直徑DO＝100mm，陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1＝1500r／min，螺桿長徑比λ＝0.5，即螺桿長L＝50mm。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
設(shè)膨脹機的等熵效率ηS＝60％，其容積效率在下范圍ηV＝40～60％時，則電機輸出電功率為P＝2.5～6.1KW。關(guān)鍵是提高機器的容積效率，比如向螺桿加注大粘度的潤滑油或潤滑脂；在螺桿齒面上噴涂塑料等方法，以減少內(nèi)泄漏便于達到目的。在不采取任何措施的情況下，還可發(fā)出2.5KW的電。這是透平辦不到的。可以試制每日1.88萬標方氣量的天然氣螺桿膨脹機，便可盡快得出與透平膨脹機的對比結(jié)果，展現(xiàn)出優(yōu)越性，以得到普遍推廣的目的。
權(quán)利要求天然氣壓力能回收用螺桿膨脹機，包含一對轉(zhuǎn)子缸體、軸承、同步齒輪以及密封組件，其特征是陰、陽轉(zhuǎn)子采用小膨脹比、超短長徑比的粗短形螺桿，并懸臂于缸體呈“∞”形的缸孔中，相互嚙合的螺旋形陰、陽轉(zhuǎn)子平行地置于氣缸中按一定傳動比反向旋轉(zhuǎn)。
專利摘要天然氣壓力能回收用螺桿膨脹機屬于通用回轉(zhuǎn)機械?？捎糜谠O(shè)計高壓、小容積流量的膨脹機；也可用于設(shè)計通用的低壓膨脹機。包括一對轉(zhuǎn)子缸體，軸承，同步齒輪以及密封組件。本機螺桿部分與螺桿壓縮機相同，但熱物理過程恰恰相反。氣體由吸氣口進入陰陽螺桿齒間容積后，兩螺桿朝背離方向旋轉(zhuǎn)，氣體膨脹對外作功，膨脹后的氣體從排氣口排出。對于小容積流量，壓力大于等于6MP
文檔編號F01C1/00GK2091951SQ91214610
公開日1992年1月1日 申請日期1991年6月12日 優(yōu)先權(quán)日1991年6月12日
發(fā)明者鄭娛泉, 李德祿, 楊永革, 鄭沖濤 申請人:鄭娛泉, 李德祿, 楊永革, 鄭沖濤