一种全低温气体轴承透平膨胀机

1.本发明涉及制冷技术领域，特别涉及一种全低温气体轴承透平膨胀机。


背景技术：

2.低温透平膨胀机是氢氦液化装置、空分装置中的核心关键部件，它是利用工质的流动时速度的变化来进行能量转换的，工质在透平膨胀机的通流部分中膨胀获得动能，并由膨胀轮向外输出功，因而降低了膨胀机出口工质的内能和温度。目前，应用最为广泛的是工作轮为半开式结构的单级向心径轴流式反作用式透平膨胀机，它具有结构简单，允许转速高，级焓降大，热效率较高的特点。
3.由于低温透平膨胀机的运行转速很高，这类膨胀机普遍采用气体轴承作为转子的支撑，而且现有的低温透平膨胀机的气体轴承都是运行在常温环境下的，因此常温的气体轴承就会通过转子的轴颈向工作在低温环境下叶轮漏热，从而造成整个透平膨胀机的热力效率的下降。


技术实现要素：

4.鉴于此，有必要提供一种能够提高透平膨胀机的热力效率的全低温气体轴承透平膨胀机。
5.为解决上述问题，本发明采用下述技术方案：
6.一种全低温气体轴承透平膨胀机，包括：膨胀轮、转子、低温气体轴承及制动器，所述转子的一侧连接有转子轴颈，所述膨胀轮通过所述转子轴颈与所述转子连接，所述转子的另一侧连接所述制动器，所述转子的转轴上固定有转子止推盘，所述转子的转轴与所述转子止推盘形成的区域设置有所述低温气体轴承，所述低温气体轴承与所述转子之间有间隙，所述间隙内形成有气膜，在所述气膜作用下，所述低温气体轴承处于悬浮状态，以使所述低温气体轴承与所述转轴的表面脱离接触。
7.在其中一些实施例中，所述低温气体轴承为低温静压气体轴承，所述低温静压气体轴承利用低温的气体工质作为润滑介质，采用低温高压的气体进入所述间隙，在所述间隙中形成一层具有承载和刚度的润滑气膜，依靠所述润滑气膜的润滑支承作用使所述低温静压气体轴处于悬浮状态。
8.在其中一些实施例中，所述低温静压气体轴承为多个。
9.在其中一些实施例中，所述低温气体轴承为低温动压气体轴承，所述低温动压气体轴承利用所述转轴不断地把具有粘度的低温气体带入所述间隙，由于低温气体在被所述转轴旋转吸入的所述间隙的过程中受到压缩，而产生气膜力，当在载荷方向上气膜力足以能平衡外载荷时，在所述转轴与所述低温动压气体轴承之间就形成了完整的压力气膜，使所述低温动压气体轴承与所述转轴的表面脱离接触，形成纯气体摩擦。
10.在其中一些实施例中，所述低温动压气体轴承为多个。
11.在其中一些实施例中，所述转子止推盘设置在所述转轴的中间。
12.在其中一些实施例中，所述转子止推盘设置在靠近所述转轴的一侧。
13.采用上述技术方案，本发明实现的技术效果如下：
14.本发明提供的全低温气体轴承透平膨胀机，在所述转子的转轴与所述转子止推盘形成的区域设置有所述低温气体轴承，所述低温气体轴承、所述制动器和所述转子也都处于与膨胀轮温度差别不大的低温状态，因此所述转子轴颈两端的温差相比传统的膨胀机减小了很多，进而大大的减小了膨胀轮通过轴颈的漏热，提高了膨胀机的热力效率。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明实施例1提供的全低温气体轴承透平膨胀机的结构示意图；
17.图2为本发明实施例2提供的全低温气体轴承透平膨胀机的结构示意图。
具体实施方式
18.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
19.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
20.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
21.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
22.实施例1
23.请参阅图1，为本发明一实施方式提供的全低温气体轴承透平膨胀机的结构示意图，包括膨胀轮110、转子120、低温气体轴承130及制动器140。以下详细说明各个部件之间的连接关系。
24.进一步地，所述转子120的一侧连接有转子轴颈150，所述膨胀轮110通过所述转子轴颈150与所述转子120连接，所述转子120的另一侧连接所述制动器140，所述转子120的转轴上固定有转子止推盘160，所述转子120的转轴与所述转子止推盘160形成的区域设置有所述低温气体轴承130。
25.具体地，所述低温气体轴承130与所述转子120之间有间隙，所述间隙内形成有气膜，在所述气膜作用下，所述低温气体轴承130处于悬浮状态，以使所述低温气体轴承130与
所述转轴的表面脱离接触。
26.在一些实施例中，所述低温气体轴承130为低温静压气体轴承，所述低温静压气体轴承为两个，每个低温静压气体轴承分布在所述转子止推盘160的两侧，且每个可以提供径向支撑和轴向支撑。优选地，所述转子止推盘160设置在所述转轴的中间。
27.可以理解，所述低温静压气体轴承利用低温的气体工质作为润滑介质，采用低温高压的气体进入所述间隙，在所述间隙中形成一层具有承载和刚度的润滑气膜，依靠所述润滑气膜的润滑支承作用使所述低温静压气体轴处于悬浮状态。
28.由于本实施例采用低温静压气体轴承，其轴承气选择与膨胀轮同一类型的气体工质，从而避免不同介质的轴承气污染膨胀轮中的气体；且轴承气进气经过冷却到低温状态，轴承气进气的冷却交换介质优选外界冷却介质，本实施例选取液氮冷却，而不是采用所在制冷系统内部的正常循环的冷却介质，以提高所在制冷系统的整体制冷量。
29.可以理解，低温静压气体轴承所选用的材料应能承受低温环境，不易发生脆裂；且低温静压气体轴承选用多种材料进行紧密配合时，考虑了低温下的热膨胀情况，避免配合变松，影响正常运行。
30.此外，低温静压气体轴承在设计时的参数选取时，考虑了低温下的热膨胀情况，避免间隙等参数的在低温下的变化。
31.在本实施例中，所述的制动器140也处于低温状态，其主要是对转子120起到制动作用，从而消耗掉膨胀轮上的轴功。
32.进一步地，制动器140从类型上可以分为：低温风机制动器及低温电磁制动器，只要能让制动器运行在低温状态下稳定运行，都可以在本装置中使用。
33.其中，采用低温风机制动器具有以下几个优点：低温风机制动器利用轴带动处于低温状态的风机轮旋转，对风机轮内的流体进行压缩做功；低温风机制动器内的循环气体工质优选与膨胀轮同一类型的气体工质，从而避免不同介质的轴承气污染膨胀轮中的气体；低温风机制动器内的循环气路的发热量需通过外界冷却介质(如液氮、液化天然气等)带走，冷却介质优选回收废弃的冷量。
34.其中，采用低温电磁制动器具有以下几个特征：低温电磁制动器是利用轴带动处于低温状态的磁体或线圈旋转，通过电磁效应，将轴功转化为电能，从而产生制动效果；产生的电能，可以通过导线，将电能传输到常温环境，进行电能利用或耗散。
35.本实施例中的制动器140采用了低温风机制动，风机内的工质选用与膨胀轮内相同的工质，以避免污染；风机将气体进行压缩，再经过换热器冷却，换热器冷却的工质，选用液氮冷却，完成冷却的低温高压气体再经过节流阀进行减压，回到风机进口继续进行循环。
36.本发明提供的全低温气体轴承透平膨胀机，在所述转子的转轴与所述转子止推盘形成的区域设置有所述低温气体轴承，所述低温气体轴承、所述制动器和所述转子也都处于与膨胀轮温度差别不大的低温状态，因此所述转子轴颈两端的温差相比传统的膨胀机减小了很多，进而大大的减小了膨胀轮通过轴颈的漏热，提高了膨胀机的热力效率。
37.实施例2
38.请参阅图2，为本发明一实施方式提供的全低温气体轴承透平膨胀机的结构示意图，包括膨胀轮210、转子220、低温气体轴承230及制动器240。以下详细说明各个部件之间的连接关系。
39.进一步地，所述转子220的一侧连接有转子轴颈250，所述膨胀轮210通过所述转子轴颈250与所述转子220连接，所述转子220的另一侧连接所述制动器240，所述转子220的转轴上固定有转子止推盘260，所述转子220的转轴与所述转子止推盘260形成的区域设置有所述低温气体轴承230。
40.具体地，所述低温气体轴承230与所述转子220之间有间隙，所述间隙内形成有气膜，在所述气膜作用下，所述低温气体轴承230处于悬浮状态，以使所述低温气体轴承230与所述转轴的表面脱离接触。
41.在其中一些实施例中，所述低温气体轴承230为低温动压气体轴承，所述低温动压气体轴承为三个，其中径向轴承可以提供径向支撑，径向止推混合轴承可以径向支撑和轴向支撑，止推轴承可以提供止推支撑。优选地，所述转子止推盘260设置在靠近所述转轴的一侧。
42.可以理解，所述低温动压气体轴承利用所述转轴不断地把具有粘度的低温气体带入所述间隙，由于低温气体在被所述转轴旋转吸入的所述间隙的过程中受到压缩，而产生气膜力，当在载荷方向上气膜力足以能平衡外载荷时，在所述转轴与所述低温动压气体轴承之间就形成了完整的压力气膜，使所述低温动压气体轴承与所述转轴的表面脱离接触，形成纯气体摩擦。
43.由于采用了低温动压气体轴承，动压轴承无需轴承气，但需要考虑转子高速旋转下的风阻摩擦发热，并根据实际情况引入冷却气或添加热锚(anchor)进行散热，保持轴承处于低温状态；低温动压气体轴承的结构形式可以是可倾瓦、螺旋槽、箔片的一种或几种的组合，本实施例采用箔片轴承；
44.可以理解低温动压气体轴承选用的材料能承受低温环境，不易发生脆裂；低温动压气体轴承设计时考虑了轴承与转子的间隙随温度变化；低温动压气体轴承设计时考虑了气膜流体的粘性、密度随温度的变化。
45.在本实施例中，所述的制动器240也处于低温状态，其主要是对转子220起到制动作用，从而消耗掉膨胀轮上的轴功。
46.进一步地，制动器240从类型上可以分为：低温风机制动器及低温电磁制动器，只要能让制动器运行在低温状态下稳定运行，都可以在本装置中使用。
47.其中，采用低温风机制动器具有以下几个优点：低温风机制动器利用轴带动处于低温状态的风机轮旋转，对风机轮内的流体进行压缩做功；低温风机制动器内的循环气体工质优选与膨胀轮同一类型的气体工质，从而避免不同介质的轴承气污染膨胀轮中的气体；低温风机制动器内的循环气路的发热量需通过外界冷却介质(如液氮、液化天然气等)带走，冷却介质优选回收废弃的冷量。
48.其中，采用低温电磁制动器具有以下几个特征：低温电磁制动器是利用轴带动处于低温状态的磁体或线圈旋转，通过电磁效应，将轴功转化为电能，从而产生制动效果；产生的电能，可以通过导线，将电能传输到常温环境，进行电能利用或耗散。
49.本实施例中的制动器采用了低温发电制动，发电机的永磁体部分与转子相连处于低温状态，发电机的线圈部分固定在永磁体外侧，当转子旋转的时候，发电机可以在线圈产生电流，电流通过引线接到常温的可变电阻上，利用可变电阻调节发电机功率从而调节转子的转速。
50.本发明提供的全低温气体轴承透平膨胀机，在所述转子的转轴与所述转子止推盘形成的区域设置有所述低温气体轴承，所述低温气体轴承、所述制动器和所述转子也都处于与膨胀轮温度差别不大的低温状态，因此所述转子轴颈两端的温差相比传统的膨胀机减小了很多，进而大大的减小了膨胀轮通过轴颈的漏热，提高了膨胀机的热力效率。
51.以上仅为本发明的较佳实施例而已，仅具体描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式，均应包含在本发明的保护范围之内。