CN106062316B - 涡轮机组件 - Google Patents

Abstract

一种涡轮机组件（1）包括：‑轴（10）；‑径向气体膨胀机（2），其支承在轴（10）上位于至少一个第一轴承（11）和第二轴承（12）之间；‑压缩机（3），其支承在轴（10）上处于邻近所述第一轴承和第二轴承中的一个或另一个的外悬位置；‑所述压缩机（3）包括多个可动入口喷嘴（20）以及所述径向气体膨胀机（2）包括多个可动导向翼片（5a，b）。

Description

涡轮机组件

技术领域

本发明涉及涡轮机组件，具体为一体的涡轮压缩机-涡轮膨胀机组件。

背景技术

涡轮膨胀机广泛地用于工业制冷、油气加工以及用于低温处理中。在一些已知应用中，涡轮膨胀机用于有机兰金循环（ORC）。

当在机械驱动应用中采用有机兰金循环时，涡轮膨胀机通常连接至用于压缩过程气体的涡轮压缩机。该连接要求在兰金循环中的操作气体与在涡轮压缩机中循环的过程气体分离。此外，涡轮膨胀机和涡轮压缩机通常以不同的速度操作。由于这些原因，涡轮压缩机要求高速轴借助于齿轮箱或能够改变速度比的液压联接器来连接至涡轮膨胀机轴。这两个分离的轴允许两种气体保持分离，也即齿轮箱（或液压联接器）允许涡轮压缩机的速度不同于涡轮膨胀机的速度。

这种方案的主要缺点在于两个轴托架（mounting）和它们之间的连接通常意味着大量的轴承、密封件、复杂构件（例如(大)齿轮）和附件，从而使损耗和成本上升。

由于齿轮箱必然的功率和大小限制，齿轮箱构造也在功率方面受到限制。

因此，期望的是修改已知的涡轮压缩机-涡轮膨胀机组件以便通过降低总体组件复杂性（尤其是在构件总数方面）来获得较低的损耗和成本而不会减损组件总体性能。

发明内容

根据第一实施例，本发明通过提供一种涡轮机组件来实现此目的，该涡轮机组件包括：

-轴，

-径向气体膨胀机，其在至少一个第一轴承和至少第二轴承之间支承在轴上，

-压缩机，其在邻近所述第一和第二轴承中的一个或另一个的外悬位置中支承在轴上，

-所述压缩机包括多个可动入口喷嘴以及所述径向气体膨胀机包括多个可动导向翼片。

可动喷嘴和翼片用于调控总体过程和最大限度地提高在所有操作状态中机器的效率。这可独立于膨胀机和压缩机来进行，因而容许压缩机和膨胀机以不同的速度操作，且因此克服对在它们之间的齿轮箱或液压联接器的需求。

本发明的另外的优点利用根据从属权利要求得到的涡轮机组件来获得。例如，在膨胀机和压缩机叶轮之间插入密封件到轴上容许通过它们来操作两种不同的气体。

附图说明

本发明的其它对象特征和优点将根据下文对本发明实施例的描述并结合以下附图而变得明显，附图中：

-图1为根据本发明的涡轮机组件的截面侧视图；

-图2为图1的涡轮机的示意图；

-图3为图1的涡轮机根据本发明的可能变体的示意图。

具体实施方式

参照附图，涡轮机组件1包括：

-具有旋转轴线Y的轴10，

-径向气体膨胀机2，其在第一组轴承11和第二组轴承12之间支承在轴10上，

-离心压缩机3，其支承在轴10上处于外悬位置。

在本发明的典型实施例中，径向气体膨胀机2包含在操作适合的有机气体例如环戊烷的有机兰金循环中。然而，本发明不限于有机兰金循环或不限于由径向气体膨胀机2所操作的特定气体。

涡轮膨胀机2包括第一高压级2a和第二低压级2b。工作流体进入涡轮膨胀机2的第一高压级2a，离开第一涡轮膨胀机级2a以经由级间路径16传送至涡轮膨胀机2的第二低压级2b的入口。路径16包括多个支柱（strut）17用于引导来自第一级2a的气流通向第二级2b以便优化效率。

参看图1和图2，操作气体沿径向进入高压级2a，流经第一组可动入口导向翼片5a且然后通过高压级2a的叶轮。操作气体沿轴向离开高压级2a并且由级间路径16引导以在流经第二组可动入口导向翼片5b之后沿径向进入低压级2b。操作气体沿轴向离开低压级2b并且通过轴向出口8引向涡轮膨胀机2外。

作为备选（图3），操作气体沿轴向离开低压级2b并且通过径向出口9引向涡轮膨胀机2外。

根据本发明的不同实施例（未示出），涡轮膨胀机2为单一级涡轮膨胀机或者具有三个或更多级的多级涡轮膨胀机。

根据本发明的不同实施例（未示出），涡轮膨胀机2为多级涡轮膨胀机，其中一些级包括可动入口导向翼片而其它级包括固定入口导向翼片。

在本发明的所有可能实施例中，涡轮膨胀机级中至少之一包括一组可动的入口导向翼片。

径向气体膨胀机2在邻近高压级2a的第一组轴承11和邻近低压级2b的第二组轴承12之间支承在轴10上。成组的轴承11、12在本领域是常规和已知的，并且它们中的每个均可包括磁性、气体或润滑类型或者其组合的一个或更多个轴承。

参看图1和图2，离心压缩机3支承在轴10上处于邻近第一组轴承11的外悬位置。

作为备选（图3），离心压缩机3支承在轴10上处于邻近第二组轴承12的外悬位置。

在图2和图3的两个实施例中，过程气体轴向地进入涡轮压缩机3，流经多个可动入口喷嘴20，然后经过叶轮并且最终径向地离开涡轮压缩机3。

一般来讲，根据本发明，该多个可动入口喷嘴20是可选的，而存在并不包括它们的实施例也是可能的。

然而，本发明并不限于特定类型的涡轮压缩机，例如代替单流压缩机也可采用双流压缩机。

离心压缩机3处理例如LNG系统中的制冷流体或者将在管线中运送的气体。

作为另一备选实施例（未示出），当涡轮膨胀机2相比于单一涡轮压缩机所需产生更多动力时，涡轮机组件1包括分别邻近第一和第二组轴承11、12的两个外悬涡轮压缩机。作为最后实施例的变体，涡轮机组件1包括分别邻近第一和第二组轴承11、12的一个外悬涡轮压缩机和一个外悬发电机。

在所有实施例中，压缩机都安装在涡轮膨胀机2的同一轴10上，以涡轮膨胀机2的相同速度n操作。速度n的值可以为恒定的或者可变的。

图2和图3的实施例都能够以恒定的速度操作。在此类实施例中，入口导向翼片5a、5b和入口喷嘴20允许分别改变涡轮膨胀机2和涡轮压缩机3的操作点，以便改变例如涡轮膨胀机2中和涡轮压缩机3中各个气体的入口/出口压力或者质量流率。涡轮膨胀机2和涡轮压缩机3的操作点因此独立于彼此改变而无需区分相关速度，因此容许单一轴用于涡轮膨胀机2和涡轮压缩机3这两者。

在其它实施例（未示出）中，其中存在可动入口喷嘴20，涡轮压缩机的操作点可通过变化轴10的旋转速度n来改变，而涡轮膨胀机2的操作点相应地通过操作入口导向翼片5a、5b来改变。涡轮膨胀机2和涡轮压缩机3的操作点因此在这些实施例中同样独立地改变。

在径向气体涡轮膨胀机2和涡轮压缩机3之间，涡轮机组件1包括两个密封件15，其提供在轴10上位于邻近涡轮膨胀机级的涡轮压缩机的叶轮的相应位置，该涡轮膨胀机级较接近涡轮压缩机（图2的实施例中的高压级，图3的实施例中的低压级）。密封件15在本领域中是常规和已知的，允许分别在涡轮膨胀机2中和涡轮压缩机3中流动的两个气体彼此隔开，从而容许在涡轮膨胀机2中和涡轮压缩机3中使用不同的气体。

参看图2和图3，在轴10的与涡轮压缩机3相反的轴向端部，涡轮机组件1还包括平衡鼓19以补偿（或抵消）在操作中由涡轮膨胀机2和涡轮压缩机3所产生的轴向推力的总和。

尽管文中所述主题的公开实施例已在图中示出和在上文结合若干示例性实施例精确和详细地全面描述，但本领域普通技术人员将清楚的是许多修正、变化和省略也是可能的而实质上并不脱离发明 教导内容、文中所述原理和概念，以及在所附权利要求中所记载主题的优点。因此，所公开新发明的正确范围应仅由所附权利要求的最广义解释来确定以便涵盖所有此类修正、变化和省略。

Claims (8)

1.一种涡轮机组件（1），包括：

-轴（10）；

-径向气体膨胀机（2），其支承在所述轴（10）上位于至少一个第一轴承（11）和至少第二轴承（12）之间；

-压缩机（3），其支承在所述轴（10）上处于邻近所述第一轴承（11）和第二轴承（12）中的一个或另一个的外悬位置；

-所述径向气体膨胀机（2）包括多个可动导向翼片（5a，5b）；

其中，所述压缩机（3）包括多个可动入口喷嘴（20）；

其中，所述可动入口喷嘴和所述可动导向翼片允许分别改变所述径向气体膨胀机和所述压缩机的操作点，由此所述径向气体膨胀机和所述压缩机的操作点可独立于彼此改变；

其中，所述径向气体膨胀机的操作气体不同于所述压缩机的过程气体；以及

其中，至少一密封件（15）提供在所述轴（10）上位于所述压缩机（3）和所述径向气体膨胀机（2）之间以将所述径向气体膨胀机的操作气体与所述压缩机的过程气体隔开。

2.根据权利要求1所述的涡轮机组件（1），其特征在于，所述径向气体膨胀机（2）包括至少两个径向级（2a，2b）。

3.根据权利要求2所述的涡轮机组件（1），其特征在于，径向级（2a，2b）中至少之一包括一组可动的入口导向翼片（5a，5b）。

4.根据权利要求3所述的涡轮机组件（1），其特征在于，每个径向级（2a，2b）均包括相应的一组可动入口导向翼片（5a，5b），每一组均独立于另一组被致动。

5.根据权利要求1所述的涡轮机组件（1），其特征在于，第一处理气体在所述压缩机（3）中压缩以及第二操作气体在所述径向气体膨胀机（2）中膨胀。

6.根据权利要求1所述的涡轮机组件（1），其特征在于，所述径向气体膨胀机（2）为有机兰金循环的一部分。

7.根据权利要求1所述的涡轮机组件（1），其特征在于，所述轴（10）以可变的速度操作。

8.根据权利要求1所述的涡轮机组件（1），其特征在于，所述轴（10）以恒定的速度操作。