專利名稱：一種復(fù)合式透平膨脹機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及膨脹機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)合式透平膨脹機(jī)。
背景技術(shù)：
透平膨脹機(jī)是利用工質(zhì)流動(dòng)時(shí)速度的變化來進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化的。工 質(zhì)在透平膨脹機(jī)的通流部分中膨脹獲得動(dòng)能，由工作輪軸輸出外功， 因而降低了出口工質(zhì)的內(nèi)能和溫度。在當(dāng)代工業(yè)中，透平膨脹機(jī)主要 用于制冷和能量回收。按工質(zhì)在透平膨脹機(jī)中的流動(dòng)方向分類，主要 有徑流、軸流兩種類型。按照工質(zhì)從外周向中心或從中心向外周的流 動(dòng)方向，徑流式又有向心式和離心式。由于離心式工作輪的流動(dòng)損失 大，因此只有向心式透平膨脹機(jī)才有價(jià)值。
向心式透平膨脹機(jī)適用于小流量，單級(jí)膨脹比高的應(yīng)用場合，優(yōu) 點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，制造工藝簡單，成本低；可調(diào)導(dǎo)葉運(yùn)行范圍 寬，甚至可以反向轉(zhuǎn)動(dòng)；動(dòng)葉表面積垢對(duì)機(jī)組運(yùn)行影響不大，主要應(yīng) 用領(lǐng)域是中、小功率燃?xì)廨啓C(jī)的透平、汽油機(jī)和柴油機(jī)廢氣渦輪增壓 器；制冷裝置和天然氣液化裝置的膨脹機(jī)；航空航天飛行器動(dòng)力輔助 裝置等。其缺點(diǎn)是徑向尺寸較大，轉(zhuǎn)速較高，對(duì)軸承和傳動(dòng)要求高， 多級(jí)和功率較大時(shí)不易實(shí)現(xiàn)等。
軸流式膨脹機(jī)適用于大流量、大功率的應(yīng)用場合，優(yōu)點(diǎn)是效率高，
重量輕，采用可調(diào)導(dǎo)葉運(yùn)行范圍寬；主要的應(yīng)用領(lǐng)域是高爐煤氣差壓
透平膨脹機(jī)、催化裂化煙氣透平膨脹機(jī)、化工尾氣透平膨脹機(jī)等。其 缺點(diǎn)是單級(jí)膨脹比小。
目前對(duì)于小流量，高膨脹比的透平膨脹機(jī)， 一般采用齒輪組裝式 向心透平，其優(yōu)點(diǎn)是每級(jí)葉輪都可以工作在最佳轉(zhuǎn)速，但該結(jié)構(gòu)存在 高速輕載齒輪嚙合軸系激振的缺點(diǎn)。目前這種小流量，高膨脹比的透
平膨脹機(jī)研究開發(fā)還有相當(dāng)?shù)拈_發(fā)難度，具體有以下難題
一、 作為一種高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力機(jī)械設(shè)備，旋轉(zhuǎn)部件的強(qiáng)度校核和 機(jī)組的振動(dòng)分析顯得格外重要。
二、 齒輪轉(zhuǎn)速比在10 20之間，齒輪周速達(dá)到120 150m/s , 軸承周速也超過80m/s 。這種高速比的高速齒輪和軸承在設(shè)計(jì)和制 造上是有相當(dāng)難度的，因此齒輪技術(shù)的研究也是組裝式透平機(jī)的一個(gè) 重要課題。
三、 結(jié)構(gòu)布置必須非常緊湊。既要保證零部件本身的使用功能可 靠,又要考慮到旋轉(zhuǎn)零部件的應(yīng)力、應(yīng)變和轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性、軸系的 振動(dòng)特性等，是一個(gè)與多學(xué)科相關(guān)的復(fù)雜問題。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種 效率高、結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護(hù)方便的復(fù)合式透平膨脹機(jī)，具有首級(jí)入 口容積流量小、膨脹比大、效率高、安裝檢修方便、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是 一種復(fù)合式
透平膨脹機(jī)，包括有轉(zhuǎn)子9，轉(zhuǎn)子9安裝在由高壓段機(jī)殼6與低壓端
機(jī)殼11組成的殼體內(nèi)，在高壓段機(jī)殼6上設(shè)有進(jìn)氣管15和與進(jìn)氣管
15相連通的進(jìn)氣蝸室17，進(jìn)氣蝸室17再與配置在高壓段機(jī)殼6上的 可調(diào)噴嘴8相連通，在轉(zhuǎn)子9的高壓段25上設(shè)置有與可調(diào)噴嘴8相 連通的徑向葉輪18;低壓段機(jī)殼11上設(shè)置有葉片承缸
10，在葉片承 缸10的出口設(shè)置有導(dǎo)流圈12，葉片承缸10上設(shè)置有靜葉23，在低 壓段機(jī)殼11上還設(shè)置有與導(dǎo)流圈12相連通的排氣蝸室20、和再與 排氣蝸室20相連通的排氣管22，轉(zhuǎn)子9的低壓段26上設(shè)有動(dòng)葉24， 一級(jí)靜葉23與一級(jí)動(dòng)葉24組成軸流級(jí)19，軸流級(jí)19連通徑向葉輪 18與導(dǎo)流圈12。轉(zhuǎn)子9的低壓段26末端還設(shè)有平衡盤21，高壓平 衡管道7將進(jìn)氣蝸室17與低壓段26末端的平衡盤21進(jìn)氣口相連通。 所說的可調(diào)噴嘴8與徑向葉輪18組成了向心級(jí)。 本實(shí)用新型采用復(fù)合式透平結(jié)構(gòu)，即透平由一級(jí)向心級(jí)與至少一 級(jí)以上的軸流級(jí)組成。工質(zhì)通過一級(jí)向心級(jí)，壓力降低，容積流量增 大，剛好適合緊跟其后的軸流級(jí)，同時(shí)工質(zhì)由周向轉(zhuǎn)成軸向，非常順 暢的進(jìn)入軸流級(jí)，流動(dòng)損失較小。這種復(fù)合式透平膨脹機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡 單、首級(jí)入口容積流量小、膨脹比大、安裝檢修方便、運(yùn)行穩(wěn)定、效 率高等優(yōu)點(diǎn)。

附圖為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作進(jìn)一步詳 細(xì)說明。
參見附圖， 一種復(fù)合式透平膨脹機(jī)，包括有轉(zhuǎn)子9，轉(zhuǎn)子9安裝 在由高壓段機(jī)殼6與低壓側(cè)機(jī)殼11組成的殼體內(nèi)，轉(zhuǎn)子9兩端分別 由支撐止推軸承3和支撐軸承14支撐，支撐止推軸承3安裝在軸承 箱體2中，軸承箱體2中還設(shè)有油封4，軸承箱體2通過螺栓與端蓋 1相連，端蓋1通過螺栓與高壓段機(jī)殼6相連，在轉(zhuǎn)子9與端蓋1之 間設(shè)置有高壓側(cè)軸端密封5，在高壓段機(jī)殼6上設(shè)有進(jìn)氣管15和進(jìn) 氣蝸室17，進(jìn)氣管15、進(jìn)氣蝸室17與配置在高壓段機(jī)殼6上的可調(diào) 噴嘴8相連通，在轉(zhuǎn)子9的高壓段25上設(shè)置有與可調(diào)噴嘴8相連通 的徑向葉輪18，低壓段機(jī)殼11上設(shè)置有低壓側(cè)軸端密封13、葉片承 缸10，在葉片承缸10的出口設(shè)置有導(dǎo)流圈12，葉片承缸10上設(shè)置 有靜葉23，在低壓段機(jī)殼11上還設(shè)置有與導(dǎo)流圈12相連通的排氣 蝸室20和再與排氣蝸室20相連通的排氣管22，轉(zhuǎn)子9的低壓段26 上設(shè)有動(dòng)葉24， 一級(jí)靜葉23與一級(jí)動(dòng)葉24組成軸流級(jí)19，軸流級(jí) 19連通徑向葉輪18與導(dǎo)流圈12，轉(zhuǎn)子9的低壓段26上還設(shè)有平衡 盤21,高壓平衡管道7將進(jìn)氣蝸室17與低壓段26末端的平衡盤21 進(jìn)氣口相連通，將部分高壓工質(zhì)引到平衡盤21，可以抵銷部分軸向 推力，減小支撐止推軸承3的負(fù)荷。
所說的可調(diào)噴嘴8與徑向葉輪18組成了向心級(jí)。
本實(shí)用新型的工作原理是
當(dāng)復(fù)合式透平膨脹機(jī)工作時(shí)，高溫高壓的工質(zhì)從進(jìn)氣管15周向 進(jìn)入進(jìn)氣蝸室17，然后由進(jìn)氣蝸室17進(jìn)入可調(diào)噴嘴8，通過可調(diào)噴 嘴8進(jìn)入徑向葉輪18，通過徑向葉輪18后的工質(zhì)流動(dòng)方向轉(zhuǎn)為軸向，
進(jìn)入軸流級(jí)19，再通過導(dǎo)流圈12進(jìn)入排氣蝸室20，最后進(jìn)入排氣管 22，由排氣管22周向排出膨脹機(jī)進(jìn)入后序的工作管網(wǎng)。
本實(shí)用新型的工作原理涉及徑流和軸流兩部分。徑流部分主要在 高壓段25進(jìn)行，軸流部分主要在低壓段26進(jìn)行。
1)工作過程
在徑流部分工作時(shí)其總溫為《、總壓為/^的工質(zhì)以一定的速度 c。流入膨脹機(jī)的進(jìn)氣管15。氣體進(jìn)入膨脹機(jī)后首先在可調(diào)噴嘴8中 膨脹加速。在可調(diào)噴嘴8的出口工質(zhì)的速度增大到q，其壓力和溫度
分別降低到A和7 。繼之氣流以^的相對(duì)速度流入到高速旋轉(zhuǎn)的徑向 葉輪18。徑向葉輪18的輪周速度為^，工質(zhì)在徑向葉輪18內(nèi)繼續(xù) 膨脹并作功。在徑向葉輪18的出口工質(zhì)的壓力降到^，溫度為S。 在徑向葉輪18出口的中徑/)2上氣流的相對(duì)流速為^2，其絕對(duì)速度c^ 為該點(diǎn)的牽連速度"2與％的向量和。最后，工質(zhì)流動(dòng)方向轉(zhuǎn)為接近 軸向進(jìn)入膨脹機(jī)的軸流部分。
在軸流部分工質(zhì)由級(jí)的進(jìn)口到出口總的流動(dòng)方向是沿軸的方向。 它的基本單位是"軸流級(jí)"，是由葉片承缸10上的一級(jí)靜葉23加低 壓段26轉(zhuǎn)子9上的一級(jí)動(dòng)葉24組成。工質(zhì)依次軸向流經(jīng)軸流級(jí)19 及相應(yīng)的葉片承缸10內(nèi)壁和轉(zhuǎn)子9外廓組成軸流段的通流部分。
工質(zhì)在徑向葉輪18和軸流級(jí)19的進(jìn)口、出口的流動(dòng)情況可用速 度三角形來表示。
<formula>formula see original document page 8</formula>
當(dāng)復(fù)合式透平工作時(shí)，在徑流部分，氣流沿角ai所給定的方向 流出噴嘴，以相對(duì)速度w進(jìn)入徑向葉輪，并按&角流出葉輪，以絕
對(duì)速度C2進(jìn)入緊跟其后的軸流級(jí)靜葉；在軸流部分，氣流沿角0H所 給定的方向流出靜葉，以相對(duì)速度W進(jìn)入動(dòng)葉，并按p2角流出動(dòng)葉， 以絕對(duì)速度C2進(jìn)入下一級(jí)靜葉23。
2) 力矩
氣流運(yùn)動(dòng)過程中工質(zhì)的動(dòng)量矩發(fā)生了變化，根據(jù)動(dòng)量矩定律可 知，作用于這塊工質(zhì)上的力矩等于其動(dòng)量矩的變化率。 單位質(zhì)量流量的工質(zhì)所產(chǎn)生的力矩為
<formula>formula see original document page 8</formula>
3) 輪周功
每公斤工質(zhì)在葉輪/動(dòng)葉中所做的功// 稱為輪周功，即所得到的 有用的那一部分功。其中包括工質(zhì)帶來的動(dòng)能差和工質(zhì)在葉輪/動(dòng)葉 中的熱能轉(zhuǎn)換而得到的動(dòng)能。
<formula>formula see original document page 8</formula>將上述兩個(gè)公式相比較，就可以看到，徑流的輪周功公式中，多
了一項(xiàng)izii。從物理意義來講，這一項(xiàng)表示氣流在旋轉(zhuǎn)葉輪的離
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心力場內(nèi)為了克服離心力每公斤工質(zhì)所作的功。并且這一部分功是無 損失直接地轉(zhuǎn)變過來的。這也可以解釋為什么向心透平有可能獲得較 高的輪周效率。
4) 反動(dòng)度
反動(dòng)度Q反映了透平的等熵焓降在級(jí)內(nèi)的分配情況。
Q= =(《-Wl2) + ("12 - "22)
為透平設(shè)置一定的反動(dòng)度是為了獲得一定數(shù)量的葉輪/動(dòng)葉等熵 功A,12 。
在軸流式透平級(jí)中流道中徑變化不太大， 一般認(rèn)為Ul-u2。動(dòng)葉
絕熱降h2s在總絕熱降《中所占的百分?jǐn)?shù)就叫作級(jí)的反動(dòng)度。在純沖
動(dòng)軸流級(jí)中，Q-0,A-^。而在向心式徑流級(jí)中，由于離心力場的存 在，A必須大于^，工質(zhì)才能在A/7zp^^的壓差之下克服離心力通 過動(dòng)葉，也就是說，在向心級(jí)中，即使動(dòng)葉相對(duì)速度不增加，向心級(jí) 的反動(dòng)度永遠(yuǎn)是大于零的。
5) 效率 ①輪周效率
復(fù)合式透平膨脹機(jī)的等熵膨脹功/Z^是指從理論上來講可能轉(zhuǎn) 變成為功的工質(zhì)所具有的總的能量；輪周功// 是指所得到的有用的 那一部分功，于是// 與//^的比值就稱為輪周效率<formula>formula see original document page 10</formula>
C。為假想膨脹速度。
② 內(nèi)效率
如果考慮了輪盤的摩擦鼓風(fēng)損失hf、漏氣損失和部分進(jìn)氣損失， 則得到的將是透平的內(nèi)效率nj.
<formula>formula see original document page 10</formula>
式中nj——部分進(jìn)氣損失系數(shù)。當(dāng)全周進(jìn)氣時(shí)nr=1
n(delta)——漏氣損失系數(shù)， 一般n(delta)=1-Gs/G
③ 有效效率(軸效率)nT
如果在內(nèi)效率的基礎(chǔ)上又考慮了軸承中的摩擦損失，則得到的是 透平的有效效率。
<formula>formula see original document page 10</formula>
nm ——機(jī)械效率
權(quán)利要求1、一種復(fù)合式透平膨脹機(jī)，包括有轉(zhuǎn)子(9)，其特征在于，轉(zhuǎn)子(9)安裝在由高壓段機(jī)殼(6)與低壓端機(jī)殼(11)組成的殼體內(nèi)，在高壓段機(jī)殼(6)上設(shè)有進(jìn)氣管(15)和與進(jìn)氣管(15)相連通的進(jìn)氣蝸室(17)，進(jìn)氣蝸室(17)與配置在高壓段機(jī)殼(6)上的可調(diào)噴嘴(8)連通，在轉(zhuǎn)子(9)的高壓段(25)上設(shè)置有與可調(diào)噴嘴(8)相連通的徑向葉輪(18)，低壓段機(jī)殼(11)上設(shè)置有葉片承缸(10)，在葉片承缸(10)的出口設(shè)置有導(dǎo)流圈(12)，葉片承缸(10)上設(shè)置有靜葉(23)，在低壓段機(jī)殼(11)上還設(shè)置有與導(dǎo)流圈(12)相連通的排氣蝸室(20)和再與排氣蝸室(20)相連通的排氣管(22)，轉(zhuǎn)子(9)的低壓段(26)上設(shè)有動(dòng)葉(24)，一級(jí)靜葉(23)與一級(jí)動(dòng)葉(24)組成軸流級(jí)(19)，軸流級(jí)(19)連通徑向葉輪(18)與導(dǎo)流圈(12)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合式透平膨脹機(jī)，其特征在于， 所說的轉(zhuǎn)子(9)的低壓段(26)上還設(shè)有平衡盤(21)，高壓平衡管 道(7)將進(jìn)氣蝸室(17)與平衡盤(21)進(jìn)氣口相連通。
專利摘要一種復(fù)合式透平膨脹機(jī)，包括有轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子安裝在高壓段機(jī)殼與低壓端機(jī)殼組成的殼體內(nèi)，高壓段機(jī)殼上設(shè)有進(jìn)氣管，進(jìn)氣管通過進(jìn)氣蝸室與可調(diào)噴嘴相連通，在轉(zhuǎn)子的高壓段上設(shè)有與可調(diào)噴嘴相連通的徑向葉輪，低壓段機(jī)殼上設(shè)有葉片承缸，葉片承缸的出口設(shè)有導(dǎo)流圈，葉片承缸上設(shè)有靜葉，低壓段機(jī)殼上還設(shè)有排氣蝸室和排氣管，轉(zhuǎn)子的低壓段上設(shè)有動(dòng)葉，一級(jí)靜葉與一級(jí)動(dòng)葉組成軸流級(jí)，軸流級(jí)連通徑向葉輪與導(dǎo)流圈，工質(zhì)通過一級(jí)向心級(jí)，壓力降低，容積流量增大后由周向轉(zhuǎn)成軸向，進(jìn)入軸流級(jí)，具有結(jié)構(gòu)簡單、首級(jí)入口容積流量小、膨脹比大、膨脹效率高、安裝檢修方便、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F01D25/00GK201190583SQ20082002897
公開日2009年2月4日 申請(qǐng)日期2008年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月30日
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