专利名称：高速高炉煤气余压透平机的制作方法
技术领域：
本发明涉及动力机械工程技术领域，尤其涉及一种高速高炉煤气余压透平机。
背景技术：
高炉煤气余压透平机是利用高炉冶炼的副产品，即高炉炉顶煤气具有的压力能和热能，经过透平膨胀做功来输出机械能的装置，是一种能起到环保节能作用的二次能量回收装置，不仅能回收能量、保护环境，还能为钢铁企业降低成本。目前，通常采用将高炉煤气余压透平机与高炉鼓风机作为同一系统来设计的煤气透平与电机同轴驱动的高炉鼓风能量回收机组(BPRT)，将高炉煤气的压力能和热能转变为机械能后直接驱动高炉鼓风机工作。然而，由于现有的高炉煤气余压透平机的结构限制，其工作转速通常为3000转/分钟(电网50Hz )或3600转/分钟(电网60Hz )。对于BPRT机组来说，由于现有的高炉煤气余压透平机的转速低于高炉鼓风机的工作转速(例如，4800转/分钟)，因此无法与高炉鼓风机直接相连，必须在现有的高炉煤气余压透平机与高炉鼓风机之间连接变速箱，以将转速提升至满足高炉鼓风机要求的较高转速。为BPRT机组增加一台变速箱会带来以下缺点一、BPRT机组配置不合理、系统构成复杂、故障点多、设备维护工作量大；二、轴系设计难度大，对设备的制造、安装要求高；三、经变速箱传递会损失机械能，使整个BPRT机组效率降低；四、BPRT机组设备多、占地面积大， 增加了 BPRT机组造价。因此，需要一种高速高炉煤气余压透平机，以解决上述问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种高速高炉煤气余压透平机，包括底座；外壳，所述外壳连接在所述底座上，且所述外壳包括进气端和排气端；转子，所述转子包括主轴、设置在所述主轴一端的轮盘以及设置在所述轮盘的外圆周的动叶片；轴承组件，所述轴承组件包括设置在所述外壳上的第一轴承和第二轴承，所述主轴的两个端部分别可旋转地设置在所述第一轴承内和所述第二轴承内；静叶片，所述静叶片设置在所述外壳的内表面上且与所述动叶片相对地设置，以与所述动叶片相配合；和气封组件，所述气封组件设置在所述主轴的靠近所述轮盘的一端与所述外壳之间，所述气封组件包括靠近所述轮盘的迷宫密封件和远离所述轮盘的碳环密封件。优选地，所述碳环密封件为多级碳环密封件，且在所述多级碳环密封件之间填充氮气。优选地，所述主轴与所述轮盘为分体结构，所述主轴与所述轮盘通过拉杆连接。优选地，所述动叶片为一级动叶片结构，且所述静叶片为一级静叶片结构。优选地，所述动叶片为二级动叶片结构，且所述静叶片为二级静叶片结构。优选地，所述动叶片是通过纵树形叶根固定在所述轮盘上的。优选地，所述高速高炉煤气余压透平机还包括静叶片驱动装置，用于改变所述静叶片的角度。优选地，所述静叶片和所述动叶片的叶片高度与所述主轴的直径的比值小于等于 0. 2。优选地，所述高速高炉煤气余压透平机的进气端采用轴向进气结构、径向下进气结构或径向上进气结构。优选地，所述高速高炉煤气余压透平机的排气端采用径向下排气结构或径向上排气结构。本发明的高速高炉煤气余压透平机由于采用双径向支撑的悬臂转子结构，因此具有设备结构简单、转速高等优点，进而使高速高炉煤气余压透平机能够与高炉鼓风机的转速相匹配。这样，高速高炉煤气余压透平机可以与高炉鼓风机直接相连，不仅节省了变速箱的能量耗损，也使得整个机组的轴系变得简单合理。此外，采用双径向支撑的悬臂转子结构，仅需在低压端设置气封组件，省去了高压端的密封，因此降低了出现事故的几率，保证设备的可靠性。进一步，由于高速高炉煤气余压透平机可以具有较高的转速，叶栅中的气体流速较高，因此可以缓解积灰问题。在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式
部分中进一步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，
图1是根据本发明一个实施方式的高速高炉煤气余压透平机的剖面图； 图2是根据本发明一个实施方式的转子的示意图； 图3是根据本发明一个实施方式的气封组件的放大视图； 图4是根据本发明另一个实施方式的高速高炉煤气余压透平机的剖面图； 图5A是根据本发明一个实施方式的高速高炉煤气余压透平机的示意图； 图5B是根据本发明一个实施方式的高速高炉煤气余压透平机的示意图；以及图5C是根据本发明一个实施方式的高速高炉煤气余压透平机的示意图。
具体实施例方式在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。图1是根据本发明一个实施方式的高速高炉煤气余压透平机的剖面图，图2是根据本发明一个实施方式的转子的示意图，图3是根据本发明一个实施方式的气封组件的放大视图。在图1-3中相同的部件使用相同的附图标记。下面将结合图1-3对根据本发明的高速高炉煤气余压透平机进行详细描述。如图1所示，高速高炉煤气余压透平机100包括底座110、外壳120、转子130、轴承组件、静叶片150和气封组件160。外壳120连接在底座110上，用于容纳转子130、轴承组件和静叶片150等。外壳 120包括进气端121和排气端122，其中，进气端121用于接收来自高炉的具有较高压力能和热能的高炉煤气，排气端122用于排放已经完成做功且具有较低的压力和温度的高炉煤气。如图2所示，转子130包括主轴131、轮盘132和动叶片133。轮盘132设置在主轴131的一端。优选地，主轴131与轮盘132为分体结构，且主轴131与轮盘132通过拉杆 134连接。将主轴131与轮盘132设置为分体结构可以便于各部件的制造，且能保证两者的强度。动叶片133设置在轮盘132的外圆周上。可以理解的是，动叶片133可以采用现有技术常用的动叶片结构，因此不再详述。为了使转子具有良好的强度储备并适用于高速的工作环境，优选地，动叶片133是通过纵树形叶根固定在轮盘132上的。参照图1和图2，轴承组件包括第一轴承141和第二轴承142。第一轴承141和第二轴承142设置在外壳120上，具体地，第一轴承141和第二轴承142可以直接地设置在外壳120上，也可以通过支撑件设置在外壳120上。主轴131的两个端部分别可旋转地设置在第一轴承141内和第二轴承142内，以对主轴131进行双径向支撑。静叶片150设置在外壳120的内表面上且与动叶片133相对地设置，用于与动叶片133相配合。高炉煤气从外壳120的进气端进入，通过外壳导流使高炉煤气转成轴向进入静叶片和动叶片组成的叶栅中，气体在叶栅的流道中不断膨胀做功，压力和温度逐渐降低，并转化为动能作用于转子使之旋转，进而将高炉煤气的压力能和热能转化为机械能。优选地，高速高炉煤气余压透平机100还包括静叶片驱动装置(未示出)，用于改变静叶片的角度，使流量和压力可以在较宽的范围内调节，进而控制炉顶压力的误差在士5Kpa以内。作为示例，静叶片驱动装置可以为电液执行机构或电动执行机构，其能够带动静叶片150旋转，以调整静叶片150的角度，进而控制流量和压力改变。优选地，静叶片150和动叶片133的叶片高度与主轴131的直径的比值小于等于 0. 2。本发明的动叶片和静叶片采用短叶片设计，可以使叶片的自振频率远高于工作转速下的激振频率，避免共振导致叶片断裂。此外，还可以降低动叶片在高速旋转下的离心拉应力，提高叶片的强度。气封组件160设置在主轴131的靠近轮盘132的一端与外壳120之间。如图3所示，气封组件160包括靠近轮盘132的迷宫密封件161和远离轮盘的碳环密封件162。迷宫密封件161和碳环密封件162可以具有现有技术中常用的结构，因此不再详述。将气封组件160设置为包括迷宫密封件161和碳环密封件162可以降低可燃性气体的泄漏量。优选地，碳环密封件162为多级碳环密封件，且在多级碳环密封件之间填充氮气，以进一步降低泄漏量、保证设备的安全性。本发明的高速高炉煤气余压透平机100由于采用双径向支撑的悬臂转子结构，因此具有设备结构简单、转速高等优点，进而使高速高炉煤气余压透平机100能够与高炉鼓风机的转速相匹配。这样，高速高炉煤气余压透平机100可以与高炉鼓风机直接相连，不仅节省了变速箱的能量耗损，也使得整个机组的轴系变得简单合理。此外，采用双径向支撑的悬臂转子结构，仅需在低压端设置气封组件，省去了高压端的密封，因此降低了出现事故的几率，保证设备的可靠性。进一步，由于高速高炉煤气余压透平机100可以具有较高的转速，叶栅中的气体流速较高，因此可以缓解积灰问题。根据本发明一个实施方式，如图1和图2所示，动叶片133为一级动叶片结构，且静叶片150为一级静叶片结构。采用单级结构不仅使高速高炉煤气余压透平机100具有较高的转速，以适合于与高炉鼓风机同转速的高速场合，而且还具有较高的绝热效率。根据本发明另一个实施方式，如图4所示，动叶片133为二级动叶片结构(即包括动叶片133A和13!3B)，且静叶片150为二级静叶片结构(即包括静叶片150A和150B)。采用双级结构使高速高炉煤气余压透平机100既可以工作在与高炉鼓风机同转速的高速工况， 又可以工作在与发电机或电机相同转速的工况，还使高速高炉煤气余压透平机100具有较高的绝热效率。图5A是根据本发明一个实施方式的高速高炉煤气余压透平机的示意图，图5B是根据本发明一个实施方式的高速高炉煤气余压透平机的示意图，图5C是根据本发明一个实施方式的高速高炉煤气余压透平机的示意图。高速高炉煤气余压透平机500的进气端可以采用轴向进气结构(如图5A所示)、径向下进气结构(如图5B所示)或径向上进气结构(如图5C所示)。高速高炉煤气余压透平机500的排气端可以采用径向下排气结构(如图5A所示) 或径向上排气结构(如图5B所示)。高速高炉煤气余压透平机500采用的进气和排气方式多变，因此可以根据现场的情况，进行单层布置或双层布置，以使管线方位和结构布置都十分灵活。本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
权利要求
1.一种高速高炉煤气余压透平机，其特征在于，包括底座；外壳，所述外壳连接在所述底座上，且所述外壳包括进气端和排气端；转子，所述转子包括主轴、设置在所述主轴一端的轮盘以及设置在所述轮盘的外圆周的动叶片；轴承组件，所述轴承组件包括设置在所述外壳上的第一轴承和第二轴承，所述主轴的两个端部分别可旋转地设置在所述第一轴承内和所述第二轴承内；静叶片，所述静叶片设置在所述外壳的内表面上且与所述动叶片相对地设置，以与所述动叶片相配合；和气封组件，所述气封组件设置在所述主轴的靠近所述轮盘的一端与所述外壳之间，所述气封组件包括靠近所述轮盘的迷宫密封件和远离所述轮盘的碳环密封件。
2.按照权利要求1所述的高速高炉煤气余压透平机，其特征在于，所述碳环密封件为多级碳环密封件，且在所述多级碳环密封件之间填充氮气。
3.按照权利要求1所述的高速高炉煤气余压透平机，其特征在于，所述主轴与所述轮盘为分体结构，所述主轴与所述轮盘通过拉杆连接。
4.按照权利要求1所述的高速高炉煤气余压透平机，其特征在于，所述动叶片为一级动叶片结构，且所述静叶片为一级静叶片结构。
5.按照权利要求1所述的高速高炉煤气余压透平机，其特征在于，所述动叶片为二级动叶片结构，且所述静叶片为二级静叶片结构。
6.按照权利要求1所述的高速高炉煤气余压透平机，其特征在于，所述动叶片是通过纵树形叶根固定在所述轮盘上的。
7.按照权利要求1所述的高速高炉煤气余压透平机，其特征在于，所述高速高炉煤气余压透平机还包括静叶片驱动装置，用于改变所述静叶片的角度。
8.按照权利要求1所述的高速高炉煤气余压透平机，其特征在于，所述静叶片和所述动叶片的叶片高度与所述主轴的直径的比值小于等于0. 2。
9.按照权利要求1所述的高速高炉煤气余压透平机，其特征在于，所述高速高炉煤气余压透平机的进气端采用轴向进气结构、径向下进气结构或径向上进气结构。
10.按照权利要求1所述的高速高炉煤气余压透平机，其特征在于，所述高速高炉煤气余压透平机的排气端采用径向下排气结构或径向上排气结构。
全文摘要
本发明公开一种高速高炉煤气余压透平机，包括底座；连接在底座上且包括进气端和排气端的外壳；包括主轴、轮盘和动叶片的转子；包括设置在所述外壳上的第一轴承和第二轴承的轴承组件，主轴的两个端部分别可旋转地设置在第一轴承内和第二轴承内；在所述外壳的内表面上且与动叶片相对地设置的静叶片；设置在所述主轴的靠近所述轮盘的一端与所述外壳之间的气封组件，气封组件包括靠近轮盘的迷宫密封件和远离轮盘的碳环密封件。本发明的高速高炉煤气余压透平机具有设备结构简单、转速高等优点，进而使高速高炉煤气余压透平机能够与高炉鼓风机的转速相匹配，以与高炉鼓风机直接相连，不仅节省了变速箱的能量耗损，也使得整个机组的轴系变得简单合理。
文档编号C21B5/06GK102363821SQ201110341040
公开日2012年2月29日 申请日期2011年11月2日 优先权日2011年11月2日
发明者丁勤, 史晓云, 李洪平, 邢玉民 申请人:兰州长城机械工程有限公司, 思安新能源股份有限公司