专利名称：带增压器的中压氮气透平膨胀机的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种制冷系统中的气体膨胀机，特别是中压氮、氧液压化系统中的气体膨胀机。它适用于空气分离(液化)行业。
现有的用于中压氮、氧液化系统中的气体膨胀机是往复式活塞压缩机。它的缺点是1)因运动部件速度低且处于低温(－100℃以下)状态工作，所以磨损厉害，易引起气体窜流使性能下降、工作不稳定，甚至发生故障。它的故障率较高，不仅影响生产而且维修费用很大。2)由于活塞膨胀机转速低，势必引起体积庞大，因此它的占地面积较大；3)噪音较大。
本实用新型的目的是要克服上述的现有技术中存在的缺点，提供一种工作稳定可靠、效率高且结构紧凑体积小、噪音小的带增压器的中压氮气透平膨胀机。
本实用新型是通过引用一种到目前为止仅能用于低压的带增压器的透平膨胀机，并对它进行改进来达到上述的目的。该机不能从低压系统直接移用到中压系统的原因是1)它的膨胀机喷咀是渐缩型，出口气流速度只能低于音速而中压系统气体因压力高、膨胀比大，要求喷咀流道出口的气流速度提高到超音速(约为音速的1.5倍)，否则焓降量(亦即制冷量)达不到要求值，因此需要改变喷咀的结构形状；2)压力提高之后叶轮的不平衡轴向力很大，以致主轴上的止推轴承不能承受。因此，改进主要是从喷咀和平衡叶轮的轴向力两方面进行。
本实用新型带增压器的中压氮气透平膨胀机包含有在同一壳体内安装的透平式膨胀机和离心式增压器，并且它们的叶轮同轴安装；整个壳体可分成相互密闭的三个部分，壳体两端分别是增压器和膨胀机，壳体中间则安装了用以支承主轴的三油叶轴承并容纳了能使主轴稳定地浮在轴承的油膜中运转的润滑油。壳体的三个部分可由螺栓连接，连接处带有气封环、油封环，并且在与膨胀机连接的壳体上，带有能防止冷损失的保温装置。
增压器为离心式，它包含了一个在主轴轴端上安装的增压叶轮和壳体内带有的蜗形气流管道、壳体侧壁上带有的气流出口管、壳体端壁中心带有的气流进口管。
膨胀机为透平式，它包含有一个在主轴另轴端上安装的膨胀叶轮和该端壳体内的蜗形气流通道、壳体侧壁上的气流进口管、壳体端壁中心的气流出口管，以及在其叶轮同壳体气流通道入口处之间安装的超音速喷咀。
本实用新型的改进结构有1、在增压器上带有轴向力平衡机构。该机构包含有设置在壳体上的用以连通蜗形管道的高压气流空间同叶轮背部空间的孔道；设置在壳体同增压叶轮背部之间的用以防止高压气体漏到叶轮出口处的迷宫式密封圈。
2、膨胀机带有的超音速喷咀包含有——固定在壳体上的一个其端面上带有固定销、外圆柱面上带有定位销的固定盘和一个与固定盘共平面且活套在固定盘外圆柱面上的其端面上带传动销的转盘；转盘外圆柱面上带有凸耳，内圆柱面上带有能与定位销啮合的圆环形槽，以使转盘在凸耳上有外力作用时能沿圆周方向作轴向定位的滑动；——一组叶片，其每一个叶片上均带有长槽孔和圆孔，并通过圆孔可铰接在固定盘的固定销上，又通过长槽孔活套在转盘的传动销上；叶片的周边形状应使它在安装后，每相邻两叶片之间形成一个两边侧宽大而中间窄小的流线形的缩放型间隙；——安装在叶片外侧端面上的盖板；——用以压紧盖板以使叶片端面无气流窜漏又使叶片在转盘绕固定盘作周向滑动时能自由转动的弹性压紧机构；该机构可包含有一个在壳体上安装的固定环、一个与盖板连接并活套在固定环上的滑套环、一组其两端分别顶紧在固定环和滑套环之间的带定位螺钉的弹簧。
下面将通过实施例并对照附图，对本实用新型作进一步叙述。附图内容有
图1是带增压器的中压氮气透平膨胀机的正剖视图；图2是膨胀机的超音速喷咀结构图，其中(a)是它的正视图、(b)是它的A－A旋转剖视图；图3是喷咀上的弹性压紧机构的结构图，其中(c)是正剖视图、(d)是(c)图中的节点F放大图；图4是
图1中的增压器上带有的轴向力平衡机构的放大图5是本实用新型膨胀机在中压氮气液化系统中应用时的系统示意图。
从
图1上可以看到本实用新型膨胀机的壳体可以用假想线划分成I、Ⅱ、Ⅲ三个部分，其中I为透平式膨胀机、Ⅲ为增压器、Ⅱ为壳体贮油箱。
贮油箱部分的壳体底部带出油管16，壳体中间横贯的主轴15由两个三油叶轴承14支承，轴承油在其内产生的动压力可使主轴稳定地浮在轴承的油膜中运转。油封环13用以防止油向轴外侧泄漏，气封环18用以防止气流从轴向窜流。在与膨胀机相连的壳体上带有保温装置12。
增压器为离心式，其增压叶轮20安装在主轴右端，它的壳体内带有蜗形气流管道21、端壁中心上有气流进口管24、侧壁上的气流出口管(在
图1中未能表示出来)，以及轴向力平衡机构。
增压器的轴向力平衡机构可从
图1和图4上可看到，在壳体蜗形管道21的高压气流空间G同叶轮背部空间E之间设置了连通该两空间的孔道19；在壳体同增压叶轮背部之间，即图中的B处，设置了迷宫式密封圈25。从孔道19向叶轮背部引入的高压气流被密封圈25封闭在叶轮背部的空间内，从而在叶轮两端面上形成了足够大的压力差使主轴上的轴向力得到平衡。
膨胀机为透平式，它包含有在主轴15的左端安装的膨胀叶轮4和壳体内的蜗形气流通道22、壳体侧壁上的气流进口管(图中未予以表示)、壳体端壁中心的气流出口管23，以及在膨胀机的叶轮同壳体蜗形通道入口之间安装的超音速喷咀。
膨胀机的超音速喷咀还可从图2上看到。固定盘9安装在壳体的气封环18上，其端面上带有八个固定销8、周向表面上装有定位销41，与其位于同平面内且活套在其周向的转盘6带有凸耳61和八个传动销7，且周向表面设置了可与定位销41相啮合的圆环形槽(图中未能予以表示)。如拨动凸耳61，则转盘通过其上的圆环形槽可沿着定位销所限定的轴向位置作圆周方向的滑动。
叶片5的数量为八，它通过其上的圆孔铰接在固定销8上，又通过其上的长槽孔51活套在传动销7上。在转盘相对于固定盘转动一个角度时，叶片可绕固定销转动而长槽孔在传动销上滑动。每相邻两叶片之间均留有间隙，而且叶片的外形使该间隙成为流线形的缩放型，即喷咀进口P到喉部Q是逐渐缩小、从喉部Q到喷咀出口R是逐渐扩大。拨转凸耳使转盘转动一个角度，则叶片转动，该缩放型间隙的大小即可发生变化，以实现膨胀机制冷量的调节。
叶片外侧端面上的盖板3由喷咀的弹性压紧机构压紧；该机构还可从图3上看到，它包含有固定环1、与盖板连接并活套在固定环上的滑套环2、紧固在滑套环上的定位螺钉10、顶紧在固定环和滑套环两端面之间的碟形弹簧11。调节弹簧的予紧力可使叶片两端面密闭而且叶片可在调节制冷量时自由转动。
本实用新型带增压器的中压氮气透平膨胀机的应用实例可从图5的系统示意图中看到。
压力为2.7兆帕、温度为308K的气流氮气进入增压器Ⅲ的中心气流进口管，由增压器压缩到3.63兆帕，并自其侧壁上的出口管流出，由冷却部Ⅳ冷却到308K，再经热交换器V冷却到175K后以3.63兆帕压力进入膨胀机I的侧壁上的气流进口管，膨胀到0.025兆帕压力进行制冷，膨胀后的低温气体作为返流气，自中心气流出口管进入热交换器V中释放冷量。
调节制冷量是通过凸耳转动转盘使叶片转动，以达到喷咀上的气流通道截面积变化来实现。
本实用新型膨胀机中近一半的焓降在喷咀中膨胀而产生超音速气流，同时压力下降、温度下降；其余的焓降在叶轮中膨胀，并连同喷咀出口的气体动能一起转变为叶轮旋转的机械功，同时温度和压力进一步下降，膨胀机产生机械功的同时即获得等量的制冷量(即焓降)。此过程中，主轴转速可达到40000转／分，并且机械功被同轴安装的增压器Ⅲ吸收，使增压器可对气流进行增压，以降低气源压缩机的出口压力。
本实用新型的优点是1)往复式活塞膨胀机经常需要更换易磨损件或维修，折合年停机耽误生产的时间为54天，而本实新型膨胀机只要按正常检查年停机五天即可，每年增产液氮600吨，并且工作效率高、性能稳定；2)每年用于购置易损件需11万元人民币，本实用新型膨胀机基本上不需要；3)由于膨胀机带增压器，使气源压力可由原来的3.9兆帕降为2.7兆帕，该项可以年节电67.2万度；4)占地面积由活塞膨胀机的60M2减小到6M2；5、噪音由原来的90分贝降低到85分贝以下。
权利要求1.一种带增压器的中压氮气透平膨胀机，在它的壳体内安装了透平式膨胀机和离心式增压器，并且它们的叶轮同轴安装；整个壳体可分成相互密闭的三个部分；壳体两端分别是增压器Ⅲ和膨胀机Ⅰ，壳体中间安装了支承主轴(15)的三油叶轴承(14)，并容纳了能使主轴(15)稳定地浮在轴承油膜中运转的润滑油；壳体的三个部分可由螺栓连接，连接处带有气封环(18)、油封环(13)，并且在与膨胀机连接的壳体上带有保温装置(12)；增压器包含有在主轴轴端上安装的增压叶轮(20)，在壳体内带有的蜗形气流管道(21)、壳体侧壁上带有的气流出口管、壳体端壁中心带有的气流进口管(24)；膨胀机包含有在主轴另端上安装的膨胀叶轮(4)和壳体内的气流通道(22)、壳体侧壁上的进口管和壳体端壁中心的气流出口管(23)，以及在膨胀叶轮同壳体气流通道入口处之间的超音速喷咀；本实用新型的特征是1.)在增压器上带有轴向力平衡机构，该机构包含有设置在壳体上的用以连通蜗形管道的高压气流空间G同增压叶轮背部空间E之间的连通用的孔道(19)和设置在壳体同增压叶轮背部B处的迷宫式密封圈(25)。2.)膨胀机带有的超音速喷咀包含有固定在壳体上的一个其端面上带固定销(8)、外圆柱面上带有定位销(41)的固定盘(9)和一个与固定盘共平面且活套在固定盘外圆柱面上的其端面上带有传动销(7)、外圆柱面上带凸耳(61)、内圆柱面上带有能与定位销(41)啮合以使其能作轴向定位的周向滑动的转盘(6)；一组叶片(5)，其中每一个叶片上带有一个长槽孔(51)和圆孔，并通过圆孔使其铰接在固定销(8)上，又通过长槽孔活套在传动销(7)上，叶片周边的形状应使它在安装之后，每相邻两叶片之间均有间隙，该间隙为流线形的缩放型，即喷咀进口P到喉部Q是逐渐缩小、从喉部Q到喷咀出口R是逐渐扩大；一个安装在叶片外侧端面上的盖板(3)，以及用以压紧盖板使叶片端面无气流窜漏且叶片又能自由转动的弹性压紧机构。
2.如权利要求1所述的带增压器的中压氮气透平膨胀机，其特征是所说的用以压紧盖板的弹性压紧机构可包含有在壳体上安装的固定环(1)、与盖板连接并活套在固定环上的滑套环(2)、一组其两端分别顶紧在固定环和滑套环之间的带定位螺钉(10)的弹簧(11)。
专利摘要用于中压氮、氧液化系统的气体膨胀机。它含有共轴安装的离心式增压器和透平式膨胀机；增压器上带有一个包含有能连通壳体高压空间和叶轮背部空间的孔道和设置在壳体同叶轮背部的迷宫式密封圈的轴向力平衡机构；膨胀机喷嘴上的叶片带有能使其安装后相邻叶片间形成流线形的缩放型间隙的外形；叶片端面的盖板带有弹性压紧机构。本实用新型解决了现有活塞式膨胀机工作不稳定、效率低、故障高且占地大、噪音较大等问题。
文档编号F25B9/06GK2212173SQ9424365
公开日1995年11月8日 申请日期1994年10月20日 优先权日1994年10月20日
发明者樊光荣 申请人:杭州制氧机集团公司