專(zhuān)利名稱(chēng)：用于深低溫精餾系統(tǒng)的透平膨脹機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般說(shuō)來(lái)涉及透平膨脹機(jī)，更具體地說(shuō)，涉及一種用于制冷或用于對(duì)原料空氣進(jìn)行深低溫精餾以便生產(chǎn)氮?dú)夂推渌鼩怏w的透平膨脹機(jī)。
諸如氮?dú)夂脱鯕獾裙I(yè)氣體在商業(yè)上是通過(guò)對(duì)原料空氣進(jìn)行深低溫精餾而大量地生產(chǎn)出來(lái)的。進(jìn)行深低溫精餾所需的制冷是由經(jīng)壓縮的生產(chǎn)流體的透平膨脹來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一般說(shuō)來(lái)，此生產(chǎn)流體或者是被壓縮的原料空氣流，或者是從精餾塔中提取的高壓氣流。就運(yùn)行和維修而言，空氣分離工廠(chǎng)中的透平膨脹機(jī)是一個(gè)昂貴的設(shè)備，因此，人們希望能降低這些費(fèi)用。
實(shí)際上，氮?dú)馍a(chǎn)設(shè)備中所采用的透平膨脹機(jī)的原始成本占工廠(chǎng)本身的投資成本的可觀(guān)一部分。對(duì)于一個(gè)小規(guī)模工廠(chǎng)而言，透平的費(fèi)用約為全部工廠(chǎng)成本的10％。因此，為了提高整個(gè)工廠(chǎng)的經(jīng)費(fèi)利用率，希望能降低此類(lèi)應(yīng)用中透平膨脹機(jī)的原始成本。另一方面，也不能忽視透平膨脹機(jī)性能或效率的相對(duì)重要性。所以，這變成一個(gè)性能價(jià)格比的傳統(tǒng)問(wèn)題。從理論上講，人們渴望有一種高性能低費(fèi)用的機(jī)器，較為現(xiàn)實(shí)的是在費(fèi)用和性能之間取一折衷。本發(fā)明通過(guò)提供一種低費(fèi)用且性能良好的機(jī)器、即效率高達(dá)85％左右(mid-tighties percent)的機(jī)器來(lái)解決此難題。
通過(guò)深低溫精餾分離空氣生產(chǎn)氮?dú)饣蜓鯕饩托枰捎蒙畹蜏赝钙脚蛎洐C(jī)，就其功能而言，這種膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)與透平增壓器的結(jié)構(gòu)非常類(lèi)似。例如，二者的使用都需要一個(gè)透平機(jī)級(jí)和一個(gè)壓縮機(jī)級(jí)，上述透平機(jī)級(jí)和壓縮機(jī)級(jí)由安裝在軸承箱中的旋轉(zhuǎn)軸相連接。但是，透平增壓器不同于深低溫透平膨脹機(jī)，它通常是在高溫條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。這是自然的，因?yàn)橥钙皆鰤浩鞑捎脧膬?nèi)燃機(jī)中排出的廢氣作為推動(dòng)氣體，以使裝于軸的一端的透平輪轉(zhuǎn)動(dòng)。將壓縮機(jī)輪安裝在軸的另一端，它由透平輪來(lái)驅(qū)動(dòng)，以便壓縮空氣，然后將上述壓縮空氣送入內(nèi)燃機(jī)中，借此，向內(nèi)燃機(jī)提供加壓空氣，以便提高內(nèi)燃機(jī)的性能。由于批量生產(chǎn)的優(yōu)越性，使用在內(nèi)燃機(jī)的典型透平增壓器的原始成本較低。反之，深低溫透平膨脹機(jī)的原始成本通常要高1至2個(gè)數(shù)量級(jí)。
以往，除了通過(guò)市場(chǎng)上的供求壓力外，從技術(shù)入手來(lái)解決費(fèi)用問(wèn)題沒(méi)有作明顯的努力。確立現(xiàn)有的深低溫透平膨脹機(jī)賣(mài)方的則是這類(lèi)機(jī)器的供應(yīng)商。更具體地說(shuō)，人們從賣(mài)方那里能夠得到的是一種效率較低但價(jià)格適中的機(jī)器，或者是價(jià)格昂貴的高效率機(jī)器。本發(fā)明欲提供另外一種有吸引力的價(jià)格低廉的且具有適中至高性能的機(jī)器。
如上所述，透平機(jī)的原始成本過(guò)高，例如，對(duì)于一個(gè)日產(chǎn)約25噸氮?dú)獾男⌒蜕a(chǎn)廠(chǎng)而言，透平機(jī)的原始成本可能占工廠(chǎng)總建造費(fèi)用的10％以上。由于現(xiàn)有機(jī)器或者性能好但價(jià)高，或者價(jià)格適中但性能差，所以，先有技術(shù)對(duì)此問(wèn)題的解決辦法在技術(shù)上是有缺陷的。一種性能適中但價(jià)格低廉的機(jī)器市場(chǎng)上目前還買(mǎi)不到。
為了建造用于深低溫空氣分離工廠(chǎng)的效率不錯(cuò)且費(fèi)用低的透平膨脹機(jī)，人們已考慮使用批量生產(chǎn)的部件。這一途徑導(dǎo)致采用改進(jìn)了的柴油機(jī)透平增壓機(jī)作為價(jià)廉物美的深低溫透平膨脹機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)透平增壓機(jī)包括一個(gè)透平機(jī)級(jí)，轉(zhuǎn)子，軸承，殼體和一個(gè)壓縮機(jī)級(jí)。對(duì)于深低溫空氣分離應(yīng)用而言，至少必須對(duì)透平增壓器的透平機(jī)級(jí)進(jìn)行改造，使之適于低溫(深低溫)運(yùn)行。通常，透平增壓器被設(shè)計(jì)成借助內(nèi)燃機(jī)的熱排氣(1000°F以上)進(jìn)行工作。而當(dāng)將其用作深低溫透平膨脹機(jī)時(shí)，工作溫度非常低(低于-200°F)，由于構(gòu)件的材料、密封及其它限制，這種應(yīng)用不僅不是顯而易見(jiàn)的，而且被認(rèn)為是不可能的。
本發(fā)明主要的優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)器的原始成本低，它比目前市售的現(xiàn)有技術(shù)透平膨脹機(jī)相比低一個(gè)數(shù)量級(jí)。由于批量生產(chǎn)透平增壓器的優(yōu)越性，這種低成本是可能的。但是，若沒(méi)有本文所公開(kāi)的適于深低溫應(yīng)用的具體改造措施，現(xiàn)有的透平增壓器是不能使用的。本發(fā)明另一優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，以及與此有關(guān)，其性能很可靠。而且作這些改造也不影響透平機(jī)的性能。相反，盡管本發(fā)明的透平膨脹機(jī)的效率不超過(guò)現(xiàn)有的透平膨脹機(jī)，其所達(dá)到的85％左右(mid-eighties percent)的等熵效率是低原始成本和較好的性能之間極佳的組合，其結(jié)果是總費(fèi)用效益超過(guò)現(xiàn)有技術(shù)。此優(yōu)點(diǎn)在利用各種空氣分離循環(huán)的多種不同深低溫工廠(chǎng)中都是有價(jià)值的。
本發(fā)明的主要目的是提供一種可以有效地使用于深低溫生產(chǎn)循環(huán)中的價(jià)格低廉的透平膨脹機(jī)。本發(fā)明的另一目的是提供一種能有效地采用這種效率較高的原始成本低的透平膨脹機(jī)的深低溫生產(chǎn)循環(huán)。
正如所簡(jiǎn)述的那樣，本發(fā)明的深低溫透平膨脹機(jī)是一種耐用的機(jī)器，它的原始成本及維修費(fèi)用均低，而且可靠性高。帶有改進(jìn)的透平輪(modified turbine wheel)的透平膨脹機(jī)的工作效率適于帶有廢氣膨脹或空氣膨脹的氮?dú)馍a(chǎn)工廠(chǎng)。某些應(yīng)用(如生產(chǎn)氧氣的空氣分離工廠(chǎng)，或者更小型的氮?dú)馍a(chǎn)廠(chǎng)可能需要采用按現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的透平輪，這種輪被裝于轉(zhuǎn)子上，而不是安裝在原有的透平增壓器的修整過(guò)的膨脹機(jī)輪上，由于透平膨脹機(jī)的效率極低，后一種裝法可能是被禁止的。然而，即使在這種情況，人們?nèi)阅艿玫綑C(jī)器成本低、維修費(fèi)用低的好處。
本發(fā)明的低成本透平膨脹機(jī)可用于通過(guò)深低溫精餾分離空氣來(lái)生產(chǎn)氧和/或氮的工廠(chǎng)和循環(huán)中。該機(jī)器尤其適用于帶有廢氣膨脹循環(huán)或帶有空氣膨脹循環(huán)的深低溫精餾的空氣分離的氮?dú)馍a(chǎn)工廠(chǎng)。它也可用于其它深低溫生產(chǎn)，如需要投資成本低并具有較好性能的膨脹機(jī)的氫氣深低溫生產(chǎn)，天然氣深低溫生產(chǎn)，或類(lèi)似的化學(xué)生產(chǎn)。
一種能制冷的透平膨脹機(jī)，其包括一個(gè)在第一端和第二端之間延伸的中心殼體；一個(gè)安裝在中心殼體的第一端的透平殼體；一根具有縱向軸線(xiàn)、安裝于中心殼體上繞軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的軸，軸的一第一端延伸到透平殼體之中，它的一第二端支承一個(gè)負(fù)載；一個(gè)帶有外周緣、安裝在軸的第一端上并處于透平殼體內(nèi)與軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的透平輪，透平輪上加工有若干個(gè)沿圓周方向間隔開(kāi)的透平葉片，每個(gè)透平葉片在靠近透平輪的外圓周的位置與靠近縱向軸線(xiàn)的位置之間延伸；透平殼體限定在遠(yuǎn)離所述縱向軸線(xiàn)的一個(gè)區(qū)域接受生產(chǎn)流體并將生產(chǎn)流體朝透平葉片排出的入口裝置；并限定位于入口裝置和透平輪的中間并包圍透平輪的環(huán)形噴嘴裝置，用來(lái)把生產(chǎn)流體從入口裝置引向并通過(guò)透平葉片，噴嘴裝置包括若干個(gè)導(dǎo)流葉片，每個(gè)導(dǎo)流葉片在離透平輪較遠(yuǎn)的進(jìn)氣邊和離透平輪較近的出氣邊之間伸展，導(dǎo)流葉片的出氣邊和透平輪的外周緣之間的距離約在透平輪半徑的1％至4％的范圍。導(dǎo)流葉片的進(jìn)氣邊和出氣邊之間的距離為一條弦；且弦長(zhǎng)約為透平輪直徑的5％至15％的范圍。每個(gè)導(dǎo)流葉片在進(jìn)氣邊和出氣邊之間大體不是等高的(uncontoured)，而且進(jìn)氣邊大體上比出氣邊厚。導(dǎo)流葉片在進(jìn)氣邊處的厚度約在0.05英寸至0.15英寸的范圍；而每片導(dǎo)流葉片在出氣邊處的厚度約在0.01英寸至0.10英寸的范圍。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，通過(guò)這些描述，將對(duì)本發(fā)明的其它特點(diǎn)、優(yōu)越性和效益認(rèn)識(shí)得更清楚。顯然，上面所作的一般性描述和下面將要進(jìn)行的詳細(xì)描述只是示例性和解釋性說(shuō)明，并非是對(duì)本發(fā)明的限制。結(jié)合在一起并構(gòu)成發(fā)明的一部分的附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，這些附圖與所進(jìn)行的描述一起用來(lái)概括性地解釋本發(fā)明的原理。在全部公開(kāi)文件中相同的標(biāo)號(hào)代表相同的部件。


圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的深低溫透平膨脹機(jī)的橫截面組裝圖；圖2為沿圖1中的2-2線(xiàn)截取的詳細(xì)的剖面圖，它示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的噴嘴導(dǎo)流葉片組件和透平輪的細(xì)節(jié)；圖3為剖面示意圖，它示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的深低溫透平膨脹機(jī)的軸封系統(tǒng)的細(xì)節(jié)；圖4示意性地表示出采用圖1和圖3的透平膨脹機(jī)的廢氣膨脹深低溫生產(chǎn)氮?dú)庀到y(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，其為本發(fā)明的另一實(shí)施例；圖5是與圖4類(lèi)似的示意圖，它描繪出一個(gè)采用空氣膨脹循環(huán)的空氣膨脹深低溫生產(chǎn)氮?dú)庀到y(tǒng)，其為本發(fā)明的又一實(shí)施例；圖6是與圖4和圖5類(lèi)似的示意圖，它描繪出一個(gè)采用圖1和/或圖3的透平膨脹機(jī)的氧氣和氮?dú)獾纳a(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)施例，其為本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例；以及圖7，圖8和圖9均為曲線(xiàn)圖，它反映出將圖1所示的透平膨脹機(jī)用于深低溫空氣分高系統(tǒng)中時(shí)，在成本方面的優(yōu)越性。
下面參見(jiàn)附圖，首先參見(jiàn)圖1，其為本發(fā)明的深低溫透平膨脹機(jī)的截面組裝圖。
機(jī)器的轉(zhuǎn)子或軸1在軸承箱4中轉(zhuǎn)動(dòng)，上述軸承箱還卡持住透平端部軸封3，壓縮機(jī)端部軸封10，噴嘴導(dǎo)流葉片2和隔熱屏7。透平輪5可以是軸1整體的一部分，或者也可以將其加工成單獨(dú)的部分而象安裝在軸的另一端的壓縮機(jī)輪6一樣安裝在該軸上。噴嘴導(dǎo)流葉片2是位于圓周方向上且緊靠透平輪5，并固定在隔熱屏7上的作成一體的一個(gè)環(huán)形部分。
隔熱屏7設(shè)置成用來(lái)把冷的透平輪區(qū)(和生產(chǎn)氣體)與軸承箱的熱區(qū)隔離開(kāi)。由于下述兩個(gè)原因這是必要的第一，為了使軸承中的潤(rùn)滑劑不凍結(jié)，而這種凍結(jié)會(huì)危及機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)；第二，為了防止熱泄漏到生產(chǎn)流體中，而這會(huì)使透平膨脹機(jī)的效率和性能不必要地降低。為了維持低成本，可以通過(guò)修整原有的透平輪外徑和其頂端流線(xiàn)而從該原有的透平輪獲得本發(fā)明的透平輪，然后，使之與固定殼體8配合，殼體8經(jīng)過(guò)用作噴嘴導(dǎo)流葉片2的環(huán)和隔熱屏7也固定到軸承箱4上。
透平膨脹機(jī)殼體9設(shè)有引入生產(chǎn)流體以及使之從在此描述的透平膨脹機(jī)中排出的機(jī)構(gòu)。透平膨脹機(jī)的負(fù)載為壓縮機(jī)輪6和壓縮機(jī)級(jí)，此壓縮機(jī)級(jí)在一個(gè)排熱回路中運(yùn)行，在該回路中通常將壓縮功經(jīng)熱交換器排入到工廠(chǎng)冷卻系統(tǒng)中。在某些情況中，將透平膨脹機(jī)作的功隨著工藝過(guò)程積累起來(lái)而加以利用(例如通過(guò)壓縮氮?dú)猱a(chǎn)品或生產(chǎn)循環(huán)的其它氣流)更為有利。
圖2示出了圖1中所示噴嘴導(dǎo)流葉片組件2的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。該噴嘴導(dǎo)流葉片是在一個(gè)環(huán)上加工而成的，該環(huán)緊靠著透平膨脹機(jī)輪的外圓周。環(huán)的作用是把推進(jìn)氣體幾乎沿著葉輪的切向引導(dǎo)而導(dǎo)入透平膨脹機(jī)輪。在噴嘴中，推進(jìn)氣體被加速到絕對(duì)速度為C，該速度的切向分量為U，徑向分量為W。
雖然可以采用各種不同的噴嘴，但這樣做并不是必需的。事實(shí)上，為了使成本降低，最好采用整體地加工出的并處于葉輪四周的環(huán)上的非常簡(jiǎn)單的導(dǎo)流葉片。根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)熟練人員的一般常識(shí)，現(xiàn)有設(shè)計(jì)的作法是建議將由噴嘴后沿(出氣邊)半徑和輪半徑之差值限定的無(wú)葉片間隙g(如圖2所示)設(shè)計(jì)為透平膨脹機(jī)輪半徑的5％至7％的量級(jí)。這樣做可使氣體流道足夠長(zhǎng)，以便氣體在葉輪上的進(jìn)入點(diǎn)處的流動(dòng)交得更均勻。另一方面，此間隙又不應(yīng)太大，這是因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域是表面摩擦損失最大的區(qū)域(由于在無(wú)葉片噴嘴空間氣體的絕對(duì)速度最高，并且上述損失隨氣體速度的平方增長(zhǎng))。
事實(shí)上，如本領(lǐng)域技術(shù)熟練人員可以理解的那樣，在噴嘴后沿(出氣邊)半徑比輪直徑大5.4％之處所得到的效率最高，參見(jiàn)惠菲爾德(A。Whitfield)和巴納斯(N.C.Baines)撰寫(xiě)的由英國(guó)郎曼(Longman)科學(xué)與技術(shù)出版公司出版的“徑向透平機(jī)的設(shè)計(jì)”第178頁(yè)，式4.52)。與這種現(xiàn)有設(shè)計(jì)不同的是本發(fā)明的噴嘴出氣邊半徑約比透平膨脹機(jī)輪直徑大1％至4％，最好約大2％至3％。經(jīng)這樣特殊設(shè)計(jì)出的噴嘴出氣邊半徑與比現(xiàn)有設(shè)計(jì)所推薦的長(zhǎng)度要短的噴嘴弦長(zhǎng)(nozzle chord length)配合起來(lái)，其性能既滿(mǎn)足要求又結(jié)構(gòu)緊湊。圖2所示的簡(jiǎn)單的噴嘴環(huán)結(jié)構(gòu)與更為傳統(tǒng)的較昂貴的各種噴嘴結(jié)構(gòu)相比可以以較低的成本更容易地提供更多的噴嘴導(dǎo)流葉片。噴嘴的數(shù)量較多還可以以較低的成本使機(jī)器更緊湊。
為了適應(yīng)上述用途所要求的規(guī)定參數(shù)尺寸，把傳統(tǒng)的市售透平增壓器中使用的部件及其尺寸作了改進(jìn)。人們發(fā)現(xiàn)這些改造措施對(duì)最后得到的透平膨脹機(jī)的性能的提高是出乎預(yù)料的。這些性能的提高在下面參考了圖8和圖9并結(jié)合說(shuō)明書(shū)的描述之后將看得更加清楚。然而，在這里，相信希望能給出透平膨脹機(jī)輪的直徑與噴嘴導(dǎo)流葉片2的弦長(zhǎng)(此處的弦長(zhǎng)是進(jìn)氣邊和出氣邊之間的距離)之間的各種常規(guī)關(guān)系。下面的表1給出了本發(fā)明的透平膨脹機(jī)的一些這樣的常規(guī)關(guān)系及尺寸。
表1
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)希望弦長(zhǎng)大約為輪直徑的5％至15％的范圍，最好為8％至14％，而導(dǎo)流葉片2的出氣邊和透平輪5的外邊緣之間的間隙g大約為透平膨脹機(jī)輪半徑的1％至4％的范圍，最好為2％至3％。間隙g可以改變，例如根據(jù)透平膨脹機(jī)輪半徑的長(zhǎng)度，它可以在0.05英寸和0.50英寸之間變化。
對(duì)于機(jī)器的流量控制(從而控制機(jī)器的容量)而言，噴嘴導(dǎo)流葉片之間的喉道面積t的大小是主要的變量。圖2示出的噴嘴葉片具有一種極簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，盡管如果可以以足夠低的成本得到這種結(jié)構(gòu)的話(huà)，也可以采用常規(guī)的更復(fù)雜的噴嘴結(jié)構(gòu)。
圖3為本發(fā)明的深低溫透平膨脹機(jī)的軸封系統(tǒng)的細(xì)節(jié)的橫截面示意圖，上述軸封系統(tǒng)使得它能有效地用于深低溫精餾工廠(chǎng)或空氣分離循環(huán)中。參見(jiàn)圖3，本透平膨脹機(jī)包括一個(gè)透平輪5，它與軸1的一端構(gòu)成一整體或裝于軸1的一端。壓縮機(jī)輪6安裝于軸1的另一端。上述連接透平輪和壓縮機(jī)輪的軸在兩個(gè)軸承50中旋轉(zhuǎn)，上述兩軸承緊靠著每一個(gè)輪，并由兩個(gè)軸封將它們分別與兩個(gè)輪子分開(kāi)。
油之類(lèi)的潤(rùn)滑劑通過(guò)管路51供給到軸承50中。借助于圖3所示的軸封系統(tǒng)可防止軸承潤(rùn)滑劑滲入到冷的生產(chǎn)流體中。為了在軸的四周容納密封氣體，設(shè)有合適的密封系統(tǒng)。通常，該密封系統(tǒng)包括迷宮式密封3，此迷宮式密封沿軸1方向產(chǎn)生一系列的局部壓力增高，同時(shí)阻止?jié)櫥瑒妮S承流向葉輪5，并阻止冷的流程氣體從透平輪流向軸承。這就有效地將軸承與生產(chǎn)流體隔離開(kāi)，從而可確保透平膨脹機(jī)可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)，而油潤(rùn)滑劑又不會(huì)在軸承中凍結(jié)。
可以將密封氣體送入密封系統(tǒng)，最好密封氣體與生產(chǎn)流體為同一種氣體(例如刻氮?dú)饣蛟峡諝?。在圖3所示的結(jié)構(gòu)中，使在管路53中的通常處在40°F到150°F范圍的溫度適中的密封氣體經(jīng)閥54流過(guò)。調(diào)節(jié)器55檢測(cè)靠近透平輪的密封氣體進(jìn)入點(diǎn)的壓力，并調(diào)節(jié)密封氣流量。將密封氣體送入軸承箱與靠近箱體的軸承(the bearing proximate the housing)之間的密封系統(tǒng)?！翱拷潴w”指的是靠近箱體比靠近隔熱屏與箱體之間的軸承更近。密封氣體隨著返回的潤(rùn)滑劑排出。密封氣體的適中溫度還用來(lái)防止存留在軸上的潤(rùn)滑劑因生產(chǎn)流體的溫度很低而凍結(jié)。一些熱的密封氣體可能會(huì)流入透平膨脹機(jī)殼體9。當(dāng)其與冷的生產(chǎn)流體混合時(shí)會(huì)引起效率損失。然而，如果在本說(shuō)明中考慮本發(fā)明所提供的最終獲益，這種效率損失還是可接受的。
對(duì)本技術(shù)熟悉的人員可以想到，對(duì)密封氣體這樣安排只是在這種深低溫透平膨脹機(jī)的透平端才是必要的。在另一端，即軸1的壓縮機(jī)端不需要密封氣體。實(shí)際上，可允許壓縮機(jī)回路生產(chǎn)氣體(如空氣或氮?dú)?通過(guò)類(lèi)似的迷宮式軸封10泄漏。
圖4示出了廢氣膨脹深低溫氮?dú)馍a(chǎn)系統(tǒng)的一個(gè)具體實(shí)施例，以便進(jìn)行說(shuō)明。本發(fā)明可以與任何合適的深低溫特餾工廠(chǎng)一起使用。它尤其適用于廢氣膨脹深低溫氮?dú)馍a(chǎn)循環(huán)，在該循環(huán)中，為了進(jìn)行制冷，使從精餾塔流出的廢氣流膨脹，膨脹后的廢氣流與流入的原料空氣進(jìn)行間接熱交換以冷卻原料空氣，從而，向精餾塔系統(tǒng)提供制冷，以便進(jìn)行精餾。
參見(jiàn)圖4，原料空氣101在主要負(fù)載原料空氣壓縮機(jī)102中被壓縮，然后流過(guò)主熱交換器103。在主熱交換器103中，壓縮后的原料氣體通過(guò)與膨脹后的廢氣流進(jìn)行間接熱交換而被冷卻，正如下面將要更詳細(xì)地描述的那樣。接著將除去了如水蒸汽和二氧化碳之類(lèi)的高沸點(diǎn)雜質(zhì)的被壓縮和經(jīng)冷卻的原料氣體作為氣流105通入深低溫精餾塔系統(tǒng)。
圖4中示出的深低溫精餾塔系統(tǒng)包括一個(gè)單塔106和一個(gè)頂部冷凝器108。雖然也可采用包括多于一個(gè)塔的裝置，在本發(fā)明的實(shí)踐過(guò)程中，深低溫精餾裝置最好包括一個(gè)塔。塔106最好在從40磅/英寸2到140磅/英寸2的壓力范圍下工作。
在塔106中，原料空氣通過(guò)深低溫精餾被分離成氮蒸氣產(chǎn)品和含氮液體。從塔106的頂部抽出的氮蒸氣產(chǎn)品通常其純度范圍為含氮98％到99.9999％，或純度更高。管道109中氮蒸氣產(chǎn)品的一部分氣流126流入頂部冷凝器108，并在其中被含氮液體冷凝，然后作為流液117當(dāng)作回流液返回到塔106中。如果需要，可以提取液流117的部分液流120作為液氮?dú)馄吠ㄟ^(guò)管道118回收。氮濃度范圍通常為60％至70％的含氮液體作為液流107從塔106的下部流出，經(jīng)閥134減壓，并作為流體127進(jìn)入頂部冷凝器108，在該冷凝器中沸騰，以使流體126冷凝。
在管道109中的被抽出的氮蒸氣產(chǎn)品經(jīng)通過(guò)主熱交換器103與原料氣進(jìn)行間接熱交換而變熱，借此冷卻原料氣體。之后，變熱的氮蒸氣產(chǎn)品經(jīng)管道123被回收。如果需要，也可用一臺(tái)壓縮機(jī)壓縮變熱的氮?dú)猱a(chǎn)品，然后，可以回收所得到的高壓氮?dú)猱a(chǎn)品。
從精餾塔系統(tǒng)的頂部冷凝器108中排出作為液流112的含氮的廢流體，然后液流112局部地通過(guò)主熱交換器103，其再通過(guò)改造了的透平膨脹機(jī)113而膨脹，按照本發(fā)明，膨脹后流體的壓力范圍從20磅/英寸2至大氣壓力。如果采用了氮產(chǎn)品壓縮機(jī)，則透平膨脹機(jī)113可以與此壓縮機(jī)相連。在這類(lèi)直接耦合的透平——壓縮機(jī)系統(tǒng)中，兩臺(tái)設(shè)備可以用齒輪系或不用齒輪系實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接，所以，從膨脹氣流中汲取的能量可以直接由透平經(jīng)壓縮機(jī)傳給被壓縮的產(chǎn)品氮?dú)?。這種安排可使與從透平經(jīng)中間步驟(例如發(fā)電)到壓縮機(jī)的間接能量傳遞有關(guān)的額外損失和基建費(fèi)用降至最低。當(dāng)廢流體112經(jīng)過(guò)透平膨脹機(jī)113時(shí)，它驅(qū)動(dòng)透平膨脹機(jī)，然后，該透平膨脹機(jī)再驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。同時(shí)，由于通過(guò)透平膨脹機(jī)113而使膨脹的廢流體冷卻。
然后經(jīng)冷卻、膨脹的廢流體114通過(guò)流經(jīng)主熱交換器103與原料氣體進(jìn)行間接熱交換而變熱，并使原料氣體冷卻，從而通過(guò)原料氣體向深低溫精餾塔系統(tǒng)提供制冷，以便驅(qū)動(dòng)或?qū)崿F(xiàn)深低溫精餾。所得到的已變熱的廢流體作為液流116從主熱交換器103中流出。
圖5示出了一種空氣膨脹循環(huán)。圖5中的標(biāo)號(hào)一般與圖4中的標(biāo)號(hào)相對(duì)應(yīng)，但用200序列的標(biāo)號(hào)來(lái)代替100序列的標(biāo)號(hào)，兩個(gè)循環(huán)中共有的部件此處不再贅述。
參見(jiàn)圖5，廢流體212從頂部冷凝器208中排出，通過(guò)閥232減壓，且所得到的流體240經(jīng)通過(guò)主熱交換器203與壓縮后的原料空氣進(jìn)行間接熱交換而變熱，然后作為流體241從系統(tǒng)中流出。被冷卻和壓縮的原料空氣205至少部分地經(jīng)過(guò)按照本發(fā)明改造過(guò)的透平膨脹機(jī)213。在圖5所示的實(shí)施例中，使經(jīng)冷卻和壓縮的原料空氣的一部分208直接流入塔206中，而另一部分230部分地橫流過(guò)主熱交換器203，然后通過(guò)透平膨脹機(jī)213使之膨脹。經(jīng)透平膨脹機(jī)213膨脹的此部分被冷卻和壓縮的原料空氣可以是被冷卻和壓縮的原料空氣的90％至100％。在100％的被冷卻和壓縮的原料空氣流過(guò)透平膨脹機(jī)213的情況下，圖5中所示的流體208就不存在了。
當(dāng)原料空氣流過(guò)透平膨脹機(jī)213時(shí)，它驅(qū)動(dòng)透平，然后，上述透平驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，以壓縮氮產(chǎn)品。同時(shí)，通過(guò)流經(jīng)透平膨脹機(jī)213使膨脹原料空氣冷卻。被冷卻和膨脹的原料空氣242再?gòu)耐钙脚蛎洐C(jī)213流入深低溫精餾工廠(chǎng)的塔206中，從而，向深低溫精餾工廠(chǎng)提供了制冷，以驅(qū)動(dòng)或?qū)崿F(xiàn)深低溫精餾。
圖6說(shuō)明性地示出了氣態(tài)氧生產(chǎn)循環(huán)的一個(gè)具體實(shí)施例。本發(fā)明可以與任何適合的深低溫精餾工廠(chǎng)結(jié)合使用。它尤其適用于或者帶有上塔空氣膨脹或者帶有如圖6所示的廢氮膨脹的氧氣生產(chǎn)裝置。在帶有廢氮膨脹的氧氣生產(chǎn)裝置中，為了制冷，使從精餾塔流出的廢氮流膨脹。上述膨脹后的廢氮流體與流入的原料空氣進(jìn)行間接熱交換而使原料空氣冷卻，從而為精餾塔系統(tǒng)提供制冷，以實(shí)現(xiàn)精餾。
參見(jiàn)圖6，原料空氣301在主負(fù)載進(jìn)氣壓縮機(jī)302中被壓縮，并在預(yù)清潔器303中除去雜質(zhì)，然后流過(guò)主熱交換器304。在主熱交換器304中，上述被壓縮的原料空氣與產(chǎn)品氣和其它回流的冷的流體進(jìn)行間接熱交換而被冷卻，對(duì)此部分內(nèi)容下面將作更詳細(xì)的描述。然后，使被壓縮并冷卻的原料空氣305流入深低溫精餾塔系統(tǒng)的下塔306。
圖6所示的深低溫精餾塔系統(tǒng)包括下塔306，上塔315以及主冷凝器311。下塔306的工作壓力范圍最好從40磅/英寸2到140磅/英寸2。在下塔306中，通過(guò)深低溫精餾作用將原料空氣分離成廢氮蒸氣和富含氧液體。氮蒸氣的一部分310流入主冷凝器311的頂部，在該主冷凝器中，它與上塔的沸騰液態(tài)氧逆向流動(dòng)而被冷凝，然后將此股液流312作為回流液送回到下塔306。
氮濃度通常在60％至70％的含氮液體316從下塔306的底部流出，再進(jìn)入熱交換器317與產(chǎn)品氮液流或廢氮流320逆向流動(dòng)而變熱，減壓后作為流體318流入上塔315。上塔的工作壓力范圍最好為15磅/英寸2到25磅/英寸2。從主冷凝器中流出的氧產(chǎn)品為液流321，它在主熱交換器304中與原料空氣逆向流動(dòng)而被加熱，然后作為氣態(tài)氧產(chǎn)品液流322被提取。
從主冷凝器311的再循環(huán)高壓蒸氣流中排出廢氮流307，使之在主熱交換器304的一條流道中被原料空氣部分加熱，然后在透平膨脹機(jī)308中膨脹，以便產(chǎn)生維持精餾過(guò)程所需要的制冷。被冷卻且膨脹的廢流體再通過(guò)流經(jīng)主熱交換器304與原料空氣進(jìn)行間接熱交換的過(guò)程中變熱，從而冷卻原料空氣，以驅(qū)動(dòng)或?qū)崿F(xiàn)深低溫精餾。所產(chǎn)生的熱氮液流從主熱交換器304中流出，并作為廢流309排走。
從來(lái)自主冷凝器的返回的氮冷凝液流312中排出另一股氮液流313，使其在熱交換器314的部分變熱后作為回流液注入上塔的蓋帽部中。為了使上部的低壓精餾塔能生產(chǎn)高純度氮和氧產(chǎn)品，必需要有上述回流液。
通過(guò)采用本發(fā)明經(jīng)改造過(guò)的透平膨脹機(jī)，人們可以用低加工成本和低運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用的深低溫精餾過(guò)程來(lái)生產(chǎn)氮或氧，而不必為了得到適中的效率而承擔(dān)高的費(fèi)用。
圖7顯示了本發(fā)明的低成本機(jī)器的優(yōu)越性，它反映的是采用通過(guò)透平膨脹機(jī)的廢氣膨脹用來(lái)產(chǎn)生維持自身運(yùn)行所需冷量的氮?dú)馍a(chǎn)工廠(chǎng)的低成本優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于如圖4所示的循環(huán)而言，沒(méi)有附加的動(dòng)力投資成本，也沒(méi)有與透平膨脹機(jī)效率低有關(guān)的代價(jià)。事實(shí)上，對(duì)于這類(lèi)氮?dú)馍a(chǎn)工廠(chǎng)而言，透平膨脹機(jī)的效率降低到40％也能提供足夠的制冷來(lái)維持循環(huán)運(yùn)行。
由此得出，具有低核定投資額(即原始成本加上運(yùn)行費(fèi)用之和)的透平膨脹機(jī)比同樣效率或效率較高的更貴的透平膨脹機(jī)要顯出費(fèi)用上的優(yōu)越性。圖7給出的曲線(xiàn)是針對(duì)日產(chǎn)50噸氮?dú)獾牡獨(dú)馍a(chǎn)工廠(chǎng)而言的。從曲線(xiàn)中可看出，透平膨脹機(jī)效率為50％時(shí)，低費(fèi)用的透平膨脹機(jī)(用帶菱形數(shù)據(jù)點(diǎn)的直線(xiàn)LCE表示)比較高費(fèi)用的機(jī)器(用帶方形數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲線(xiàn)HCE表示)節(jié)約費(fèi)用大約達(dá)73％。當(dāng)透平膨脹機(jī)的效率為85％時(shí)，費(fèi)用方面的好處提高到83％。此外，如圖7，圖8和圖9以及下表2所表示的那樣，人們可以發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)低效率范圍，在此范圍中，本發(fā)明的透平膨脹機(jī)可以比現(xiàn)有技術(shù)的透平膨脹機(jī)的運(yùn)行更有利。
表2
圖8所示的曲線(xiàn)表示了在日產(chǎn)50噸的氮?dú)馍a(chǎn)工廠(chǎng)中采用空氣膨脹循環(huán)用于產(chǎn)生維持自身運(yùn)行所需制冷的低成本透平膨脹機(jī)在經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)越性。與圖8的曲線(xiàn)相關(guān)的裝置循環(huán)在圖5中已給出。正如所看到的那樣，在空氣膨脹循環(huán)中，當(dāng)透平膨脹機(jī)效率從100％降至40％時(shí)，核定投資額劇增。
圖7，圖8和圖9中透平膨脹機(jī)效率100％點(diǎn)的核定投資額表示為了生產(chǎn)維持工廠(chǎng)運(yùn)行所需的制冷所需要作為液體加入工廠(chǎng)中的進(jìn)口液氮的美元值(與液體等量的每100立方英尺氣體為25美分)。在圖8所示的空氣膨脹循環(huán)的情況中，本發(fā)明的低成本透平膨脹機(jī)仍用帶菱形數(shù)據(jù)點(diǎn)的直線(xiàn)LCE表示，而現(xiàn)有技術(shù)的高成本的機(jī)器用帶方形數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲線(xiàn)HCE表示。帶雪花狀數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲線(xiàn)CPC表示與相應(yīng)于用液氮附加制冷的工廠(chǎng)運(yùn)行時(shí)在透平膨脹機(jī)效率為100％的參考點(diǎn)處使工廠(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的動(dòng)力相比，以空氣膨脹循環(huán)運(yùn)行所需的附加的動(dòng)力核定投資額。
繼續(xù)參見(jiàn)圖8，帶三角形數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲線(xiàn)S1被看作是高透平膨脹機(jī)費(fèi)用(曲線(xiàn)HCE，帶方形數(shù)據(jù)點(diǎn))與附加動(dòng)力核定投資額(曲線(xiàn)CPC，帶雪花狀數(shù)據(jù)點(diǎn))之和。曲線(xiàn)S1表示與在如圖5所示的帶空氣膨脹循環(huán)的氮?dú)馍a(chǎn)工廠(chǎng)中采用現(xiàn)有技術(shù)的高性能透平膨脹機(jī)有關(guān)的總費(fèi)用。正如所看到的那樣，對(duì)于此種情況，最佳及費(fèi)用最低的運(yùn)行對(duì)應(yīng)于透平膨脹機(jī)的效率是在70％到80％的范圍。另一方面，帶圓形數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲線(xiàn)S2表示本發(fā)明的低費(fèi)用透平膨脹機(jī)(用帶菱形數(shù)據(jù)點(diǎn)的直線(xiàn)LCE表示)和附加動(dòng)力核定投資額(曲線(xiàn)CPC，帶雪花狀數(shù)據(jù)點(diǎn))之和。
正如所見(jiàn)到的那樣，采用本發(fā)明的低費(fèi)用機(jī)器(如曲線(xiàn)S2表示的那樣)與現(xiàn)有技術(shù)的高費(fèi)用透平膨脹機(jī)相比在費(fèi)用上有明顯的優(yōu)越性。在效率40％到85％的整個(gè)范圍內(nèi)都能體現(xiàn)出這種費(fèi)用方面的優(yōu)越性。盡管這種節(jié)省隨透平膨脹機(jī)效率降低而減少，在效率為80％的最佳點(diǎn)(與使用較高費(fèi)用的機(jī)器的最低核定投資額相對(duì)應(yīng))，本發(fā)明比較高費(fèi)用的膨脹機(jī)約節(jié)省70％的費(fèi)用。
圖9所示的曲線(xiàn)表示與生產(chǎn)氧氣的另一類(lèi)深低溫空氣分離工廠(chǎng)有關(guān)的低費(fèi)用透平膨脹機(jī)在經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)越性。這是一種日產(chǎn)20噸的氣態(tài)氧生產(chǎn)廠(chǎng)。有關(guān)的生產(chǎn)循環(huán)如圖6所示。正如所看到的那樣，當(dāng)透平膨脹機(jī)的效率從100％降至40％時(shí)，這種氧生產(chǎn)工廠(chǎng)的特點(diǎn)是由于透平膨脹機(jī)的效率低，附加核定投資額增長(zhǎng)更快。
與圖8一樣，圖9中的透平膨脹機(jī)效率100％點(diǎn)的核定投資額表示為了生產(chǎn)維持這種帶氧氣生產(chǎn)循環(huán)的工廠(chǎng)運(yùn)行所需的制冷而需要作為液體加入工廠(chǎng)中的進(jìn)口液氮的美元值(與液體等量的每100立方英尺氣體為25美分)。圖中，本發(fā)明的低費(fèi)用透平膨脹機(jī)仍用帶菱形數(shù)據(jù)點(diǎn)的直線(xiàn)LCE表示，而現(xiàn)有技術(shù)的較高費(fèi)用的機(jī)器用帶方形數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲線(xiàn)HCE表示。帶雪花狀數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲線(xiàn)CPC表示相應(yīng)于用添加液氮制冷的工廠(chǎng)運(yùn)行時(shí)在透平膨脹機(jī)效率為100％的參考點(diǎn)處維持工廠(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的電力以外，使氧生產(chǎn)循環(huán)運(yùn)行所需的附加動(dòng)力核定投資額。
繼續(xù)參照?qǐng)D9，帶三角形數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲線(xiàn)S1表示高透平膨脹機(jī)費(fèi)用(曲線(xiàn)HCE，方形數(shù)據(jù)點(diǎn))和附加動(dòng)力核定投資額(曲線(xiàn)CPC，雪花狀數(shù)據(jù)點(diǎn))之和。曲線(xiàn)S1表示與在帶有如圖6所示的熱力學(xué)循環(huán)的氧氣生產(chǎn)工廠(chǎng)中采用現(xiàn)有的高性能透平膨脹機(jī)有關(guān)的總費(fèi)用。正如所看到的那樣，在這種情況中，最佳及費(fèi)用最低的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)應(yīng)于透平膨脹機(jī)的效率是在80％到90％的范圍。另一方面，帶圓形數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲線(xiàn)S2表示本發(fā)明的低費(fèi)用透平膨脹機(jī)(用帶菱形數(shù)據(jù)點(diǎn)的直線(xiàn)LCE表示)和附加動(dòng)力核定投資額(曲線(xiàn)CPC，雪花狀數(shù)據(jù)點(diǎn))之和。
正如所看到的那樣，采用本發(fā)明的低費(fèi)用機(jī)器(由曲線(xiàn)S2表示)與現(xiàn)有技術(shù)的高費(fèi)用透平膨脹機(jī)相比在費(fèi)用上有明顯的優(yōu)越性。在效率約為85％的最佳點(diǎn)(與采用高費(fèi)用機(jī)器的最低核算投資額相對(duì)應(yīng))，本發(fā)明比較高費(fèi)用膨脹機(jī)總費(fèi)用約節(jié)省70％。然而，這種節(jié)約隨透平膨脹機(jī)效率降低而減少。本發(fā)明的低費(fèi)用機(jī)器雖然效率適中，如果透平膨脹機(jī)的效率在65％以上，則是一種較好的替代方案。與采用效率達(dá)85％以上的較高費(fèi)用機(jī)器(也就是說(shuō)，當(dāng)較高費(fèi)用的機(jī)器在其最佳的最低費(fèi)用點(diǎn)運(yùn)行時(shí))相比，在透平膨脹機(jī)的效率為65％這一點(diǎn)使用低費(fèi)用機(jī)器沒(méi)有優(yōu)越性。
盡管對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施進(jìn)行了詳細(xì)描述，但對(duì)本技術(shù)熟悉的人員應(yīng)當(dāng)懂得，在不超出說(shuō)明書(shū)中所描述的以及權(quán)利要求書(shū)中所限定的本發(fā)明的構(gòu)思的前提下，可以對(duì)所說(shuō)明的實(shí)施例作出多種其它變型。
權(quán)利要求
1.一種能制冷的透平膨脹機(jī)，其包括—個(gè)在第一端和第二端之間延伸的中心殼體；一個(gè)安裝在所述中心殼體的所述第一端的透平殼體；一根具有縱向軸線(xiàn)、安裝于所述中心殼體上繞所述軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的軸，所述軸的一第一端延伸到所述透平殼體之中，它的一第二端支承一個(gè)負(fù)載；一個(gè)帶有外周緣、安裝在所述軸的所述第一端上并處于透平殼體內(nèi)與所述軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的透平輪，所述透平輪上加工有若干個(gè)沿圓周方向間隔開(kāi)的透平葉片，每個(gè)所述透平葉片在靠近所述透平輪的外周緣的位置與靠近所述縱向軸線(xiàn)的位置之間延伸；所述透平殼體限定在遠(yuǎn)離所述縱向軸線(xiàn)的一個(gè)區(qū)域接受生產(chǎn)流體并將生產(chǎn)流體朝所述透平葉片排出的入口裝置；并限定位于所述入口裝置和所述透平輪的中間并包圍所述透平輪的環(huán)形噴嘴裝置，用來(lái)把生產(chǎn)流體從所述入口裝置引向并通過(guò)所述透平葉片，所述噴嘴裝置包括若干個(gè)導(dǎo)流葉片，每個(gè)所述導(dǎo)流葉片在離所述透平輪較遠(yuǎn)的進(jìn)氣邊和離所述透平輪較近的出氣邊之間伸展，所述導(dǎo)流葉片的所述出氣邊和所述透平輪的所述外周緣之間的距離約在透平輪半徑的1％至4％的范圍。
2.如權(quán)利要求1所述的透平膨脹機(jī)，其中所述導(dǎo)流葉片的所述進(jìn)氣邊和所述出氣邊之間的距離為一條弦；且所述弦長(zhǎng)約為透平輪直徑的5％至15％的范圍。
3.如權(quán)利要求2所述的透平膨脹機(jī)，其中所述每個(gè)導(dǎo)流葉片在所述進(jìn)氣邊和所述出氣邊之間大體不是等高的(uncontoured)，而且所述進(jìn)氣邊大體上比所述出氣邊厚。
4.如權(quán)利要求3所述的透平膨脹機(jī)，其中每個(gè)所述導(dǎo)流葉片在所述進(jìn)氣邊處的厚度約在0.05英寸至0.15英寸的范圍；而每片所述導(dǎo)流葉片在所述出氣邊處的厚度約在0.01英寸至0.10英寸的范圍。
5.如權(quán)利要求1所述的透平膨脹機(jī)，其還包括安裝在所述中心殼體上用于支承所述軸并使其可旋轉(zhuǎn)的軸承裝置；用于將潤(rùn)滑劑供給到所述軸承裝置及使?jié)櫥瑒钠渲须x開(kāi)的裝置；以及隔熱屏裝置，用以使所述透平殼體和所述透平殼體中的生產(chǎn)流體與所述中心殼體和所述中心殼體中的潤(rùn)滑劑隔熱。
6.如權(quán)利要求5所述的透平膨脹機(jī)，其包括沿著所述軸承裝置和所述透平殼體之間的所述軸的長(zhǎng)度方向設(shè)置的迷宮式密封裝置，以阻止?jié)櫥瑒┭厮鲚S流入所述透平殼體中，同時(shí)阻止生產(chǎn)流體沿所述軸流出所述透平殼體并流入所述中心殼體。
7.如權(quán)利要求6所述的透平膨脹機(jī)，其包括用來(lái)給所述迷宮式密封裝置提供密封氣體的裝置以及從所述迷宮式密封裝置中排出密封氣體的裝置，作為一種附加措施來(lái)阻止?jié)櫥瑒┭厮鲚S流入所述透平殼體，同時(shí)也阻止生產(chǎn)流體沿所述軸流出所述透平殼體并流入所述中心殼體。
8.如權(quán)利要求1所述的透平膨脹機(jī)，其包括設(shè)置在所述中心殼體的所述第二端上的一個(gè)壓縮機(jī)殼體，所述軸的所述第二端伸入所述壓縮機(jī)殼體中；以及安裝于所述軸的所述第二端上并位于所述壓縮機(jī)殼體內(nèi)與所述軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)壓縮機(jī)輪。
9.如權(quán)利要求1所速的透平膨脹機(jī)，其包括與所述中心殼體的所述第二端相連的負(fù)載裝置殼體，所述軸的所述第二端伸入該負(fù)載裝置殼體中。
10.一種能制冷的透平膨脹機(jī)，其包括一個(gè)在第一端和第二端之間延伸的中心殼體；一個(gè)裝于所述中心殼體的所述第一端上的透平殼體；一根具有縱向軸線(xiàn)、安裝于所述中心殼體上用以繞所述軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的軸，所述軸具有伸入所述透平殼體中的一第一端和支承負(fù)載的一第二端；一個(gè)帶有外周緣、安裝在所述軸的所述第一端上并處于所述透平殼體內(nèi)與所述軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的透平輪，所述透平輪上加工有若干個(gè)沿圓周方向間隔開(kāi)的透平葉片，每個(gè)所述透平葉片在靠近所述透平輪的所述外周緣的位置與靠近所述縱向軸線(xiàn)的位置之間延伸；所述透平殼體限定在遠(yuǎn)離所述縱向軸線(xiàn)的一個(gè)區(qū)域接受生產(chǎn)流體并將生產(chǎn)流體朝所述透平葉片排出的入口裝置；以及位于所述入口裝置和所述透平輪的中間并包圍所述透平輪的環(huán)形噴嘴裝置，用來(lái)把生產(chǎn)流體從所述入口裝置引向并通過(guò)所述透平葉片，上述噴嘴裝置包括若干個(gè)導(dǎo)流葉片，每個(gè)所述導(dǎo)流葉片在離所述透平輪較遠(yuǎn)的進(jìn)氣邊和離所述透平輪較近的出氣邊之間延伸，所述進(jìn)氣邊和出氣邊之間的距離為一條弦，所述弦的長(zhǎng)度約為透平輪直徑的5％至15％的范圍。
11.一個(gè)系統(tǒng)，其包括(a)一個(gè)主熱交換器；和(b)一個(gè)與所述主熱交換器流體連通的透平膨脹機(jī)，其中，所述透平膨脹機(jī)包括一個(gè)在第一端和第二端之間延伸的中心殼體；一個(gè)安裝在所述中心殼體的所述第一端的透平殼體；一根具有縱向軸線(xiàn)、安裝于所述中心殼體上用以繞所述縱向軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的軸，所述軸具有伸入所述透平殼體的一第一端和支承一個(gè)負(fù)載的一第二端；一個(gè)帶外周緣、安裝在所述軸的所述第一端上并處于所述透平殼體內(nèi)用以與所述軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的透平輪，所述透平輪上加工有若干個(gè)沿圓周方向間隔開(kāi)的透平葉片，每個(gè)所述透平葉片在靠近所述透平輪的所述外周緣的位置與靠近所述縱向軸線(xiàn)的位置之間延伸；所述透平殼體限定在遠(yuǎn)離所述縱向軸線(xiàn)的一個(gè)區(qū)域接受生產(chǎn)流體并將生產(chǎn)流體朝所述透平葉片排出的入口裝置；以及位于所述入口裝置和所述透平輪的中間并包圍所述透平輪的環(huán)形噴嘴裝置，用來(lái)把生產(chǎn)流體從所述入口裝置引向并通過(guò)所述透平葉片，所述噴嘴裝置包括若干導(dǎo)流葉片，每個(gè)所述導(dǎo)流葉片在離所述透平輪較遠(yuǎn)的進(jìn)氣邊和離所述透平輪較近的出氣邊之間延伸，所述導(dǎo)流葉片的所述出氣邊與所述透平輪的所述外周緣之間的距離約為透平輪半徑的1％至4％的范圍。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述進(jìn)氣邊和出氣邊之間的距離是一條弦；該弦的長(zhǎng)度約為透平輪直徑的5％至15％的范圍。
13.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其包括一個(gè)精餾塔系統(tǒng)；用于使流體從所述透平膨脹機(jī)流向所述精餾塔系統(tǒng)的裝置；以及用于從所述精餾塔系統(tǒng)回收產(chǎn)品的裝置。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其包括用于使廢流體從所述精餾塔流到所述主熱交換器的裝置；以及用于從所述主熱交換器中排出廢流體的裝置。
15.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其包括一個(gè)精餾塔系統(tǒng)；用于使流體從所述主熱交換器流向所述精餾塔系統(tǒng)的裝置；用于從所述精餾塔系統(tǒng)中回收產(chǎn)品的裝置；用于使廢流體從所述精餾塔系統(tǒng)流到所述主熱交換器或所述透平膨脹機(jī)的裝置；以及用于使流體或廢流體從所述透平膨脹機(jī)流到所述主熱交換器的裝置。
16.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其包括一個(gè)位于所述主熱交換器與所述透平膨脹機(jī)之間的一個(gè)精餾塔系統(tǒng)，用以接收來(lái)自所述主熱交換器的原料流體，并將廢流體送至所述透平膨脹機(jī)；用于從所述精餾塔系統(tǒng)回收產(chǎn)品的裝置；以及用于將廢流體從所述透平膨脹機(jī)送至所述主熱交換器或所述精餾塔中的裝置。
全文摘要
一種適用于深低溫精餾系統(tǒng)的透平膨脹機(jī)，它包括可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承一長(zhǎng)軸的中心殼體，軸兩端分別裝有透平輪和壓縮機(jī)輪。透平輪上在圓周上加工有隔開(kāi)的透平葉片。將生產(chǎn)流體引入使其流過(guò)圍繞透平輪的導(dǎo)向葉片。導(dǎo)向葉片引導(dǎo)生產(chǎn)流體流過(guò)透平葉片，每個(gè)導(dǎo)向葉片在離透平輪較遠(yuǎn)的進(jìn)氣邊和離透平輪較近的出氣邊之間延伸，進(jìn)氣邊大體比出氣邊厚。隔熱屏使透平殼體和透平殼體中的生產(chǎn)流體與中心殼體和中心殼體中的潤(rùn)滑劑隔熱。沿軸向設(shè)有迷宮式密封件可阻止?jié)櫥瑒┭剌S流入透平殼體，同時(shí)也阻止生產(chǎn)流體沿軸流出透平殼體并流入中心殼體。
文檔編號(hào)F01D9/04GK1118429SQ9510656
公開(kāi)日1996年3月13日 申請(qǐng)日期1995年6月13日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月14日
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