CN110966051B - 透平膨胀机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种透平膨胀机，包括透平壳体、固定连接于透平壳体一端的蜗壳、收容于透平壳体与蜗壳中的转轴、固定连接于转轴一端并收容于蜗壳中的涡轮组件以及同时套于转轴远离涡轮组件一端并固定连接于透平壳体的磁悬浮轴承组件与发电机组件；磁悬浮轴承组件包括至少两个径向磁悬浮轴承组件及轴向磁悬浮轴承组件；蜗壳包括扩压管及喷嘴组件，涡轮组件收容于扩压管靠近喷嘴组件的一端，气体经喷嘴组件进入涡轮组件并膨胀做功、降温，进而带动转轴转动，发电机组件在转轴的带动下产生电能。本发明提供的透平膨胀机，制造简单、可靠性好且控制方便。

Description

透平膨胀机

【技术领域】

本发明涉及制冷及低温工程领域，尤其涉及一种透平膨胀机。

【背景技术】

透平膨胀机，是空气分离设备及天然气(石油气)液化分离设备和低温粉碎设备等获取冷量所必需的关键部机，是保证整套设备稳定运行的心脏。

透平膨胀机作为一种旋转机械，轴承的支撑必不可少。现有透平膨胀机通常采用气体轴承，气体轴承主要分为静压气体轴承和动压气体轴承两大类。对于静压气体轴承其工作时需要时刻从***回路中抽取高压氢气对轴承供气，维持悬浮力，会增加装置的复杂性，并造成整个大型液化流程工艺气体损失，降低***效率，提高氢液化过程的成本。对于动压气体轴承，虽然不需要额外供气，但气浮轴承工质为氢气，粘度密度都很低，其承载能力有限，稳定性较差，不适用于较大质量的轴系支撑。虽然箔片式动压气体轴承能够解决承载力不足、稳定性差问题，但内部箔片在启动与降速过程存在与轴摩擦磨损问题，加工困难，一段时间需要定期维护。同时，小分子氢气在大压差下极易泄漏，对气浮轴承为防止工作气体泄漏需要设置更长的密封段，这类密封结构是强烈的非线性振动激励源，对轴系设计与整机结构布局影响较大。

另外气体轴承加工制造精度要求高，加工精度将很大程度影响气浮轴承***的可用性与稳定性。对于静压气体轴承为提供足够悬浮力与稳定性，通常其转子与轴承间间隙在20μm以下，轴承气孔直径在100μm左右，整体加工精度希望保证在1μm以下。对于动压气体轴承来说其箔片结构和制造工艺十分复杂，表面耐磨涂层要求苛刻，我国目前相关技术积累较弱。此外，气体轴承要求配合间隙小，装配精度非常高，保养装配维修不便，工作阶段一旦出现失稳转轴易抱死，造成不可挽回损失。

鉴于此，实有必要提供一种新的透平膨胀机以克服上述缺陷。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种制造简单、可靠性好且控制方便的透平膨胀机。

为了实现上述目的，本发明提供一种透平膨胀机，包括透平壳体、固定连接于所述透平壳体一端的蜗壳、收容于所述透平壳体与所述蜗壳中的转轴、固定连接于所述转轴一端并收容于所述蜗壳中的涡轮组件以及同时套于所述转轴远离所述涡轮组件一端并固定连接于所述透平壳体的磁悬浮轴承组件与发电机组件；所述磁悬浮轴承组件包括至少两个径向磁悬浮轴承组件及轴向磁悬浮轴承组件；所述蜗壳包括扩压管及喷嘴组件，所述涡轮组件收容于所述扩压管靠近所述喷嘴组件的一端，气体经喷嘴组件进入涡轮组件并膨胀做功、降温，进而带动所述转轴转动，发电机组件在所述转轴的带动下产生电能。

在一个优选实施方式中，所述径向磁悬浮轴承组件的数量为两个，所述两个径向磁悬浮轴承组件分别位于转轴的两端；所述透平壳体内设有收容腔，所述收容腔的内壁凸起形成间隔设置上径向轴承固定凸台与下径向轴承固定凸台，所述两个径向磁悬浮轴承组件分别固定于所述上径向轴承固定凸台与所述下径向轴承固定凸台上。

在一个优选实施方式中，每个径向磁悬浮轴承组件包括传感器转子、轴承转子、分别对应并套于所述传感器转子、轴承转子的传感器定子、径向轴承定子以及径向轴承支架；所述传感器转子、所述轴承转子分别套于所述转轴上并与所述转轴过盈配合，所述传感器定子、所述径向轴承定子分别与对应的传感器转子、轴承转子间隔设置；所述径向轴承支架用于夹持固定所述传感器定子与所述径向轴承定子；所述两个径向磁悬浮轴承组件对应的径向轴承支架分别抵接于上径向轴承固定凸台与下径向轴承固定凸台，并通过连接件将所述径向轴承固定与对应的上径向轴承固定凸台与下径向轴承固定凸台固定连接。

在一个优选实施方式中，所述轴向磁悬浮轴承组件夹于所述两个径向磁悬浮轴承组件之间，所述收容腔的内壁凸起形成夹于所述上径向轴承固定凸台与所述下径向轴承固定凸台之间的轴向轴承固定凸台；所述轴向磁悬浮轴承组件固定于所述轴向轴承固定凸台上。

在一个优选实施方式中，所述轴向磁悬浮轴承组件包括间隔相对设置的两个轴向轴承定子以及用于固定所述两个轴向轴承定子的轴向磁悬支架；所述转轴包括一体成型的主轴及固定于所述主轴上的止推盘，所述止推盘夹于所述两个轴向轴承定子之间；所述轴向磁悬浮轴承组件的轴向轴承支架抵接于所述轴向轴承固定凸台，并通过连接件将所述轴向轴承支架与所述轴向轴承固定凸台固定连接。

在一个优选实施方式中，所述发电机组件包括发电机转子及套于所述发电机转子上的发电机定子，所述发电机定子收容于所述收容腔中并与所述透平壳体固定。

在一个优选实施方式中，所述透平膨胀机还包括绝热材料；所述绝热材料填充于所述蜗壳靠近所述透平壳体的一端；所述转轴穿过所述绝热材料，且所述涡轮组件位于所述绝热材料靠近所述蜗壳的一侧，所述磁悬浮轴承组件与发电机组件位于所述绝热材料背离所述涡轮组件的一侧。

在一个优选实施方式中，所述主轴靠近涡轮组件的一端表面设置有螺旋状凸起结构，所述凸起结构与所述绝热材料密封配合。

在一个优选实施方式中，所述绝热材料内设有第一密封气体流道，所述壳体上设置有连通所述第一密封气体流道的第二密封气体流道。

在一个优选实施方式中，所述透平壳体呈圆筒状，所述透平壳体上设置有螺旋形的冷却水道。

在一个优选实施方式中，所述主轴为中空。

本发明的透平膨胀机，使用磁悬浮轴承组件替代传统的气体轴承，降低了轴承加工制造的难度，增加了轴承的承载力和刚度，提高了转子***的可靠性；另外采用所述发电机制动，相对于传统的风机轮和增压轮，调节响应更加迅速，更加容易精准控制转速，且该制动方式省去制动端密封，减少了制动气体回路，使整体结构简化，降低了工艺气体的损失，同时也实现了制动功的回收，符合节能减排的要求，尤其在透平功率较大时，价值更加明显。此外，所述主轴为中空轴，大幅减少了轴向导热系数，避免了低温端的冷量损失和热变形。

【附图说明】

图1为本发明提供的透平膨胀机的立体图。

图2为图1所示的透平膨胀机的剖视图。

图3为图2所示的透平膨胀机中转轴与传感器转子、轴承转子、发电机转子及涡轮组件配合的剖视图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。

请参照图1及图2，本发明提供一种透平膨胀机100，包括透平壳体10、固定连接于所述透平壳体10一端的蜗壳20、收容于所述透平壳体10与所述蜗壳20中的转轴30、固定连接于所述转轴30一端并收容于所述蜗壳10中的涡轮组件40以及同时套于所述转轴30远离所述涡轮组件40一端并固定连接于所述透平壳体10的磁悬浮轴承组件50与发电机组件60。

其中，所述磁悬浮轴承组件50包括至少一个径向磁悬浮轴承组件51及轴向磁悬浮轴承组件52。所述蜗壳20包括扩压管21及喷嘴组件22，所述涡轮组件40收容于所述扩压管21靠近所述喷嘴组件22的一端，气体带动所述涡轮组件40转动，进而带动所述转轴30转动，发电机组件60在所述转轴30的带动下产生电能。

请一并参照图3，本实施例中，所述径向磁悬浮轴承组件51的数量为两个，所述两个径向磁悬浮轴承组件51分别位于转轴30的两端，进而使得所述转轴30能够平稳的转动，防止所述转轴30发生偏振。所述透平壳体10内设有收容腔101，所述收容腔101的内壁凸起形成间隔设置上径向轴承固定凸台1011与下径向轴承固定凸台1012，所述两个径向磁悬浮轴承组件51分别固定于所述上径向轴承固定凸台1011与所述下径向轴承固定凸台1012上。所述上径向轴承固定凸台1011与所述下径向轴承固定凸台1012的设置，方便所述两个径向磁悬浮轴承组件51与所述透平壳体10固定连接。

进一步的，每个径向磁悬浮轴承组件51包括传感器转子511、轴承转子512、分别对应并套于所述传感器转子511、轴承转子512的传感器定子513、径向轴承定子514以及径向固定支架515。所述传感器转子511、所述轴承转子512分别套于所述转轴30上并与所述转轴30过盈配合，用于防止所述传感器转子511、所述轴承转子512与所述转轴30发生相对转动。所述传感器定子513、所述径向轴承定子514分别与对应的传感器转子511、轴承转子512间隔设置，防止所述传感器定子513、所述径向轴承定子514分别与对应的传感器转子511、轴承转子512发生接触或者摩擦，进而减少传感器定子513与对应传感器转子511的摩擦、所述轴承转子512与对应的径向轴承定子514的摩擦。

所述径向固定支架515用于夹持固定所述传感器定子513与所述径向轴承定子514。所述两个径向磁悬浮轴承组件51对应的径向固定支架515分别抵接于上径向轴承固定凸台1011与下径向轴承固定凸台1012，并通过连接件将所述径向固定支架515与对应的上径向轴承固定凸台1011与下径向轴承固定凸台1012固定连接。

更进一步的，所述径向固定支架515包括依次堆叠的径向磁轴承支架5151、径向传感器支架5152与辅助轴承支架5153，所述径向磁轴承支架5151与所述径向传感器支架5152围成用于收容固定所述径向轴承定子514的第一固定腔5154，径向传感器支架5152与所述辅助轴承支架5153围成用于收容固定所述传感器定子513的第二固定腔5155。所述径向磁轴承支架5151、径向传感器支架5152与辅助轴承支架5153通过连接件譬如销钉连接固定，所述径向固定支架515与所述上径向轴承固定凸台1011或者下径向轴承固定凸台1012的连接亦通过连接件譬如销钉连接固定，进而实现所述径向磁悬浮轴承组件51与透平壳体10的紧固固定。

每个辅助轴承支架5153上分别设置有辅助轴承5156，所述转轴30穿过所述辅助轴承5156。当所述磁悬浮轴承组件50无法提供所述转轴30需要的承载力时，所述辅助轴承5156发挥支撑作用，保护所述磁悬浮轴承组件50及所述涡轮组件40不受损坏。

本实施例中，所述轴向磁悬浮轴承组件52夹于所述两个径向磁悬浮轴承组件51之间，用于向所述转轴30提供轴向作用力，使得所述转轴30在轴向方向保持平衡，进而减小所述转轴30与所述辅助轴承5156之间的相互作用力。所述收容腔101的内壁凸起形成夹于所述上径向轴承固定凸台1011与所述下径向轴承固定凸台1012之间的轴向固定凸台1013，所述轴向磁悬浮轴承组件52固定于所述轴向固定凸台1013上，从而尽可能的使所述转轴30整体受力均衡。

进一步的，所述轴向磁悬浮轴承组件52包括间隔相对设置的两个轴向轴承定子521以及用于固定所述两个轴向轴承定子521的轴向轴承支架522。所述转轴30包括一体成型的主轴31及固定于所述主轴31上的止推盘32，所述止推盘32夹于所述两个轴向轴承定子521之间并在所述两个轴向轴承定子521的作用下保持平衡。所述轴向磁悬浮轴承组件52的轴向轴承支架522抵接于所述轴向固定凸台1013，并通过连接件将所述轴向轴承支架522与所述轴向固定凸台1013固定连接。

更进一步的，所述径向固定支架522包括呈环形的筒体5221及固定于所述筒体5221上的卡板5222，所述筒体5221内壁设置有间隔相对设置的两个固定环5223，每个轴向轴承定子521收容于一个固定环5223。所述止推盘32夹于所述两个固定环5223之间。所述卡板5222抵接于所述轴向固定凸台1013并通过连接件譬如销钉实现所述透平壳体10的固定连接。

本实施方式中，所述主轴31为中空轴，大幅减少了轴向导热系数，有效的降低了常温段向冷端传热，降低冷量损失。

本实施例中，所述发电机组件60包括发电机转子61及套于所述发电机转子61上的发电机定子62。所述发电机转子61套于所述转轴30上并与所述转轴30过盈配合，所述发电机定子62收容于所述收容腔101中并与所述透平壳体10固定。所述发电机组件60夹于所述两个径向磁悬浮轴承组件51之间。工作时，发电机组件60产生电磁制动力矩平衡所述主轴31的转矩，将轴功转变为电能，带走所述透平膨胀机100发出的功率。

所述透平膨胀机100还包括绝热材料70。所述绝热材料70填充于所述蜗壳20靠近所述透平壳体10的一端，用于隔绝所述透平壳体10与所述蜗壳20之间的热量传递。具体的，所述转轴30穿过所述绝热材料70，且所述涡轮组件40位于所述绝热材料70靠近所述蜗壳20的一侧，所述磁悬浮轴承组件50与发电机组件60位于所述绝热材料70背离所述涡轮组件40的一侧。

其中，所述主轴31靠近涡轮组件40的一端表面设置有螺旋状凸起结构(图未示)，所述凸起结构与所述绝热材料密封配合，不仅使得所述主轴31与所述绝热材料70的固定更加牢固，而且使所述主轴31与所述绝热材料70密封效果更好。

更进一步的，所述绝热材料70内设有第一密封气体流道71，所述壳体10上设置有连通所述第一密封气体流道71的第二密封气体流道102，用于防止工艺气体从所述蜗壳20泄露进入所述透平壳体10从而损失冷量。所述透平膨胀机100工作时，密封工艺气体通入第一密封气体流道71与所述第2密封气体流道102，降低冷量泄露。密封工艺气体的压力和温度根据工艺气体的工质参数计算得到。

本实施例中，所述透平壳体10呈圆筒状，所述透平壳体10上设置有螺旋形的冷却水道103，用于冷却所述磁悬浮轴承组件50与所述发电机组件60工作时产生的热。

所述喷嘴组件22包括导流器221与喷嘴222。所述蜗壳20内设有进气腔201，所述进气腔201与所述导流器221连通，气体在所述进气腔201中汇集并在导流器221的导流作用下进入所述喷嘴222内，使得所述进入喷嘴222中的气体的流速、方向保持相对一致。

所述扩压管21呈圆形漏斗状且直径自所述喷嘴222的一端向另一端逐渐变大，使得经所述扩压管21的气体压力变大、速度降低。本实施方式中，所述扩压管21与所述主轴31同轴设置。

所述透平膨胀机100还包括上端盖80，所述上端盖80设置于所述透平壳体10远离所述蜗壳20的一端。所述上端盖80与所述蜗壳20分别设置于所述透平壳体10的两端，将所述透平壳体10围成***述转轴30、磁悬浮轴承组件50与发电机组件60的密封空间。

所述上端盖80上还开设有磁悬浮轴承接线口81、传感器接线口82及发电机接线口83。电连接于所述径向轴承定子514、所述轴向轴承定子521的电线穿过所述磁悬浮轴承接线口81与电源连通；电连接于所述传感器定子513的电线穿过所述传感器接线口82与电源连通；电连接所述发电机组件60的电线穿过所述发电机接线口83与储能设备或者用电设备连通。

本发明的透平膨胀机100，使用磁悬浮轴承组件50替代传统的气体轴承，降低了轴承加工制造的难度，增加了轴承的承载力和刚度，提高了转子***的可靠性；另外采用所述发电机组件60制动，相对于传统的风机轮和增压轮，调节响应更加迅速，更加容易精准控制转速，且该制动方式省去制动端密封，减少了制动气体回路，使整体结构简化，降低了工艺气体的损失，同时也实现了制动功的回收，符合节能减排的要求，尤其在透平功率较大时，价值更加明显。此外，所述主轴31为中空轴，大幅减少了轴向导热系数，避免了低温端的冷量损失和热变形。

本发明并不仅仅限于说明书和实施方式中所描述，因此对于熟悉领域的人员而言可容易地实现另外的优点和修改，故在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念的精神和范围的情况下，本发明并不限于特定的细节、代表性的设备和这里示出与描述的图示示例。

Claims (10)

1.一种透平膨胀机，其特征在于：包括透平壳体、固定连接于所述透平壳体一端的蜗壳、收容于所述透平壳体与所述蜗壳中的转轴、固定连接于所述转轴一端并收容于所述蜗壳中的涡轮组件以及同时套于所述转轴远离所述涡轮组件一端并固定连接于所述透平壳体的磁悬浮轴承组件与发电机组件；所述磁悬浮轴承组件包括至少两个径向磁悬浮轴承组件及轴向磁悬浮轴承组件；所述蜗壳包括扩压管及喷嘴组件，所述涡轮组件收容于所述扩压管靠近所述喷嘴组件的一端，气体经喷嘴组件进入涡轮组件并膨胀做功、降温，进而带动所述转轴转动，发电机组件在所述转轴的带动下产生电能；

每个径向磁悬浮轴承组件包括传感器转子、轴承转子、分别对应并套于所述传感器转子、轴承转子的传感器定子、径向轴承定子以及径向轴承支架；所述传感器转子、所述轴承转子分别套于所述转轴上并与所述转轴过盈配合，所述传感器定子、所述径向轴承定子分别与对应的传感器转子、轴承转子间隔设置；所述径向轴承支架用于夹持固定所述传感器定子与所述径向轴承定子；所述两个径向磁悬浮轴承组件对应的径向轴承支架分别抵接于上径向轴承固定凸台与下径向轴承固定凸台，并通过连接件将所述径向轴承支架与对应的上径向轴承固定凸台与下径向轴承固定凸台固定连接。

2.如权利要求1所述的透平膨胀机，其特征在于：所述径向磁悬浮轴承组件的数量为两个，所述两个径向磁悬浮轴承组件分别位于转轴的两端；所述透平壳体内设有收容腔，所述收容腔的内壁凸起形成间隔设置上径向轴承固定凸台与下径向轴承固定凸台，所述两个径向磁悬浮轴承组件分别固定于所述上径向轴承固定凸台与所述下径向轴承固定凸台上。

3.如权利要求2所述的透平膨胀机，其特征在于：所述轴向磁悬浮轴承组件夹于所述两个径向磁悬浮轴承组件之间，所述收容腔的内壁凸起形成夹于所述上径向轴承固定凸台与所述下径向轴承固定凸台之间的轴向轴承固定凸台；所述轴向磁悬浮轴承组件固定于所述轴向轴承固定凸台上。

4.如权利要求3所述的透平膨胀机，其特征在于：所述轴向磁悬浮轴承组件包括间隔相对设置的两个轴向轴承定子以及用于固定所述轴向轴承定子的轴向轴承支架；所述转轴包括一体成型的主轴及固定于所述主轴上的止推盘，所述止推盘夹于所述两个轴向轴承定子之间；所述轴向磁悬浮轴承组件支架抵接于所述轴向轴承固定凸台，并通过连接件将所述轴向轴承支架与所述轴向轴承固定凸台固定连接。

5.如权利要求4所述的透平膨胀机，其特征在于：所述发电机组件包括发电机转子及套于所述发电机转子上的发电机定子，所述发电机定子收容于所述收容腔中并与所述透平壳体固定。

6.如权利要求5所述的透平膨胀机，其特征在于：还包括绝热材料；所述绝热材料填充于所述蜗壳靠近所述透平壳体的一端；所述转轴穿过所述绝热材料，且所述涡轮组件位于所述绝热材料靠近所述蜗壳的一侧，所述磁悬浮轴承组件与发电机组件位于所述绝热材料背离所述涡轮组件的一侧。

7.如权利要求6所述的透平膨胀机，其特征在于：所述主轴靠近涡轮组件的一端表面设置有螺旋状凸起结构，所述凸起结构与所述绝热材料密封配合。

8.如权利要求6所述的透平膨胀机，其特征在于：所述绝热材料内设有第一密封气体流道，所述壳体上设置有连通所述第一密封气体流道的第二密封气体流道。

9.如权利要求1所述的透平膨胀机，其特征在于：所述透平壳体呈圆筒状，所述透平壳体上设置有螺旋形的冷却水道。

10.如权利要求4所述的透平膨胀机，其特征在于：所述主轴中空设置。

Images