CN104136767A - 低温液体膨胀涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种低温液体膨胀涡轮机具有涡轮机叶轮(6)、至少一个径向进口(12)和干气体密封装置(30)，所述涡轮机叶轮(6)安装在旋转轴(8)上，所述至少一个径向进口(12)用于要在膨胀涡轮机(20、22)中膨胀的低温液体，用于旋转轴，所述干气体密封装置(30)沿着该旋转轴(8)位于该涡轮机叶轮(6)与该轴承(20和22)之间的位置处。在该涡轮机叶轮(6)与该干气体密封装置(30)之间存在隔热构件(70)，在该隔热构件(70)的干气体密封装置(30)侧上存在气体腔室(76)，并且存在至所述气体腔室(76)的用于低温气体的进口(78)。

Description

低温液体膨胀涡轮机

技术领域

本发明涉及一种低温液体膨胀涡轮机。

背景技术

低温液体涡轮机在某些环境下作为Joule-Thomson阀的替换物或附件而在低温工程领域中是众所周知的。

虽然这种涡轮机在低温温度下操作，但是该机器典型地具有轴向布置的部件，这些部件在环境温度处或环境温度以上操作，特别是用于支撑安装有涡轮机叶轮的旋转轴的一个或更多个轴承。理论上，热力学效率最高的低温液体膨胀涡轮机是那些采用径向流体流入的涡轮机。然而，实践中存在产生如下效果的趋势，由闪蒸引起不合需要的热流或形成第二蒸汽相，或者不能容易地在低温温度处的零件与更高温度处的零件之间的轴承处获得满足需要的密封，从而导致选择膨胀涡轮机或Joule-Thomson阀的替换形式而非径向进口液体膨胀涡轮机。

发明内容

根据本发明，提供一种低温液体膨胀涡轮机，其具有涡轮机叶轮、至少一个径向进口、至少一个轴承和干气体密封装置，所述涡轮机叶轮安装在旋转轴上，所述至少一个径向进口用于要在该膨胀涡轮机中膨胀的低温液体，所述至少一个轴承用于该旋转轴，所述干气体密封装置沿着旋转轴位于该涡轮机叶轮与所述轴承之间的位置处，其特征在于，在该涡轮机叶轮与该干气体密封装置之间存在隔热构件，在该隔热构件的干气体密封装置侧上存在气体腔室，并且存在至所述气体腔室的用于低温气体的进口。

典型地，除了用于低温气体的所述进口之外，该干气体密封装置还具有用于非低温干气体的进口。

该涡轮机叶轮可以适合于允许低温液体在其膨胀期间闪蒸。

在根据本发明的闪蒸低温液体涡轮机中，典型地，该涡轮机叶轮的向前的面是有缺口的(scalloped)。涡轮机叶轮的这种配置被认为降低了叶轮上的液体摩擦。

典型地，该气体腔室具有至所述涡轮机叶轮的用于低温气体的第一出口。

典型地，所述第一出口穿过第一迷宫式密封件，从而限制穿过其中的气体流。

典型地，该气体腔室还具有用于低温气体的第二出口，所述第二出口经由第二迷宫式密封件与该干气体密封装置连通。

典型地，该干气体密封装置是干气体密封件，例如，单个干气体密封件或串联干气体密封件。

典型地，存在来自该干气体密封装置的与喇叭口连通的第一通气口。替代地，该第一通气口可以与外部大气或与气体回收装置连通。此外，可以存在来自该干气体密封装置的与外部大气连通的第二通气口。

在一个优选实施例中，该轴承是含油轴承，并且，通过包括多个轴向间隔的碳环的另一轴密封装置保护该干气体密封装置免受油蒸气。典型地，所述碳环之间的空间与非低温干气体源连通。在其它实施例中，该轴承是气体轴承或磁性轴承。

根据本发明的低温液体涡轮机可以联接到发电机或机械制动器。该机械制动器能够为任何便利的形式，例如，压缩机叶轮或油制动器。

本发明还提供一种操作所述低温液体涡轮机的方法，其中，一部分低温液体蒸发从而形成所述低温气体。

典型地，在该气体腔室中维持的压力在5至10巴的范围内。

典型地，该低温液体是天然气，但是能够替代地为另一低温液体，例如液氮或液态空气。

典型地，如果该低温液体是天然气，那么在该气体腔室中维持的温度在-100℃至-150℃的范围内。该温度可以调节至最小值，或稍高于该最小值，在该温度处，腔室中的流体在腔室的操作压力下完全是气态的。

典型地，所述低温气体的至少90％离开该气体腔室至该涡轮机叶轮。

附图说明

现在将参照附图以实例的方式描述根据本发明的低温液体膨胀涡轮机，在这些附图中：

图1是根据本发明的闪蒸低温液体膨胀涡轮机的局部为横截面的示意性侧视图；

图2是图1中示出的涡轮机中的密封装置的更详细视图；以及

图3是图1和2中示出的涡轮机的涡轮机叶轮的示意性立体图。

这些附图不是按比例的。

具体实施方式

参照图1，示出一种低温液体膨胀涡轮机，其以一部分液体闪蒸成蒸气操作。该涡轮机具有进口法兰2，该进口法兰2连接到与要膨胀的低温液体源(未示出)连通的管(未示出)。该涡轮机还具有出口法兰4，该出口法兰4连接到排出管(未示出)以引导膨胀后的低温流体离开涡轮机。

该膨胀涡轮机具有安装到旋转轴8的一端的涡轮机叶轮6。轴8的另一端在其上安装有联轴器10，通过该联轴器10，涡轮机可以例如联接到例如发电机(未示出)。膨胀的低温液体促使涡轮机叶轮以高转速旋转该轴并且能够例如通过发电做功。膨胀涡轮机具有由进口导向叶片按照本领域公知的方式限定的一系列径向进口12，从而使要膨胀的低温液体的流加速。操作时，来自进口12的液体流在涡轮机叶轮6的向前的旋转面14上膨胀，并且穿过面14与固定罩16之间限定的通道到达与出口法兰4连通的固定扩散器18。进口导向叶片能够由气动致动器(未示出)经由杠杆系统(未示出)以常规方式操作。

在操作中，在涡轮机叶轮6的向前的面14上流动的低温液体被引起闪蒸。(向前的面是在涡轮机的出口侧上的面。)液体闪蒸是因为它快速地膨胀至低于饱和液态线压力的压力。闪蒸液体涡轮机提供的优势是，能够使液体膨胀至更低的压力和/或在进口处需要的低温液体的过冷却(sub-cooling)少于没有闪蒸的液体涡轮机膨胀器。当涡轮机内部发生闪蒸时，从流体到机器的抽取功显著增大。气体出口温度更低，并且可能实现更高的功率回收。例如，可以安装发电机(未示出)，并且在发电机的末端回收功率。

图3中示出典型的涡轮机叶轮6。涡轮机叶轮典型地具有十六个常规形式的静叶片。涡轮机叶轮6的面14在每对叶片300之间具有凹槽302。凹槽302为涡轮机叶轮6提供有缺口的外观。开缺口能够降低涡轮机叶轮6在使用中的共振和疲劳断裂的风险。开缺口还在出现两种相时提高涡轮机叶轮6的机械性能，并且还在设计阶段使得轴向推力的数值可预测。

现在再参照图1，含油轴承所在的区域在图1中由附图标记23示出。该区域位于涡轮机叶轮6与联轴器10之间的中间位置处。轴8在该区域23处设有一对含油轴承(未示出)。一个含油轴承是可倾瓦含油轴承。可倾瓦含油轴承提供了具有长操作寿命的优势。另一个含油轴承是斜面式推力含油轴承。可倾瓦含油轴承是径向轴承，而斜面式推力含油轴承是轴向轴承。油(或其它润滑剂)经由喷射器通道24从膨胀涡轮机外部的贮油器(未示出)供应到这些轴承。油喷射器通道24形成在轴承座26中，该轴承座26形成涡轮机壳体28的一部分。

气体密封件所在的区域在图1中由附图标记21表示。气体密封件在图2中示出。参照图2，串联干气体密封件30位于轴8周围，并且将涡轮机叶轮6与施用到轴承的油或其它润滑剂隔开。因此，不容许油蒸气或替代的润滑剂沿着轴8从轴承通到涡轮机叶轮6的向前的面14。因此，串联干气体密封件使机器的低温部分(低温液体在该处膨胀和闪蒸)与油润滑轴承所在的温热部分分离。(不必使用油润滑的轴承。它们能够替代地为气体轴承或磁性轴承。)

干气体密封件是包括配对的旋转环和主静止环的非接触的、干燥运行的机械面密封件。在操作时，旋转环中的凹槽产生流体动力，促使静止环(或套筒)与旋转环分离，由此在旋转环与静止环之间产生间隙。该间隙能被填入适当的气体，该气体是不反应的，例如氮气。密封件中的压力阻止油蒸气移动到涡轮机叶轮。旋转环中的凹槽将气体向内引向无凹槽部分。在图2中，个体密封件36和38基本上彼此相同。旋转环(其中的凹槽没有示出)分别由附图标记40和42表示，而静止环分别由附图标记32和34表示。密封气体来自两个不同的源。首先，干气态氮从膨胀涡轮机外部的源(未示出)沿着密封座单元46中的内通道33以大约环境温度(例如20℃)供应。该气体为干气体密封件38提供密封气体。一些气体经由密封座单元46中的另一通道48从密封件排出。不同于密封件38，干气体密封件36采用低温气体。气体也经由密封座单元46中的又一内通道50从密封件36排出。通道50与外喇叭口(未示出)连通，该喇叭口能够以安全方式处理排出的天然气。在通道50的上游，天然气被来自干气体密封件38的一些密封氮气稀释，该密封氮气渗透穿过这两个密封件36与38中间的迷宫式密封件52。

串联干气体密封件30的其它部分本文不做描述，基本上是常规的配置和功能。

膨胀涡轮机的轴8在串联干气体密封件30与含油轴承20和22之间的位置处设有另一气体密封件54。该另一气体密封件54用于在干气体密封件30发生故障的情况下使油蒸气向涡轮机在低温温度处操作的零件的泄露保持最小。该另一气体密封件包括一对轴向设置的碳环56和58。环56与58之间的径向空间经由密封座单元中的与氮气的外部源(未示出)连通的通道60供给，典型地是以大约环境温度(例如20℃)。至少一些氮气可以经由通道48从气体密封件54排出。

典型地，含油轴承在约60℃的温度处操作。通过将低温气体供应到串联干气体密封件30，使低温涡轮机与相对较高温度的轴承热隔离，由此利于低温涡轮机的高效操作。按照本发明，由于低导热率材料的环形体形式的径向隔热构件70的存在，机器的低温和非低温零件的热分离被增强。隔热构件70通过螺钉72或类似构件固定到壳体74的用于低温干气体密封件36的那部分。隔热构件70形成腔室76的壁，用于干气体密封件36的低温气体流过该壁，低温气体从外部源(未示出)经由密封座单元46中的另一内通道78供应。隔热构件70的内面通过另一迷宫式密封件(未示出)接合轴8上的套筒80的对应表面。该布置使得供应到腔室76的低温气体存在两条出口路线。一条是穿过设在隔热构件70与套筒80之间并且导向涡轮机叶轮6的背部的迷宫式(labyrinthine)密封件。采取这条出口路线的任何气体越过涡轮机叶轮6的外周边，并且通过涡轮机的操作而加入正在膨胀的低温液体成为一体。另一条出口路线是穿过迷宫式密封件82到达低温干气体密封件36。在操作中，气体密封件36中的压力维持得足够高，使吸入腔室76的大部分(典型地大约95％)低温气体经由设在隔热构件70与套筒80之间的迷宫式密封件通到涡轮机叶轮6。如果该气体由要在涡轮机中膨胀的工艺液体蒸发形成，那么就缩减了工艺液体的蒸气穿过串联干气体密封件30的损失。典型地，工艺液体是液化天然气，并且腔室76中的温度在操作中能够维持在-100℃至-150℃的范围内的温度处。在典型实例中，天然气蒸气以约-145℃的温度供应到腔室76。来自腔室76的一些气体渗透经过迷宫式密封件82到达低温干气体密封件36。在压力下引入腔室76中的工艺气体的压力和温度受到控制并且保持(稍)高于露点以避免对干气体密封面36的任何损坏。

隔热构件的存在降低了来自低温干气体密封件36的热损失率，并且因此避免低温气体在低温干气体密封件36的面之间的任何再冷凝。隔热构件70还有助于在起动时的机器冷却期间限制冷的热冲击。

涡轮机叶轮6典型地由合适的铝合金(即，铝基合金)铸造而成，但是也可以由钛或钛合金制成，特别是在存在腐蚀风险的情况下，或者在涡轮机要与高扭矩变速器一起操作或存在高水平闪蒸的情况下。

涡轮机叶轮6可以通过Hirth联轴器连接到轴8。轴8自身可以由适合于承受低至-196℃的温度的马氏体不锈钢形成。其它部件，例如轴承座26、密封座单元46和壳体74，可以由具有必要工程强度且能够经承受它们在使用过程中经受的温度范围的材料制成。不锈钢或钛是用于制造这些部件的材料的典型选择。

隔热构件70典型地由特别是低导热率(例如，约0.5W/m/℃)的材料形成，例如，具有适当机械特性和热特性的环氧树脂薄片。替代的材料包括低导热率的石墨浸渍树脂。

根据本发明的低温液体膨胀涡轮机能够采用单级膨胀，并且比已知的多级膨胀有优势，原因有许多。第一，来自轴承的热及其它摩擦损失没有传到工艺流体上。该热源的消除可以使得来自涡轮机的排出温度更低，并且使得性能总体上得到提高。第二，涡轮机叶轮能够以固定或预定速度旋转。第三，进口导向叶片能够以本领域公知的方式进行配置，以允许穿过膨胀涡轮机的流的大变化，同时维持相当高的效率。第四，膨胀涡轮机能够采用操作可靠性高的大量标准部件。第五，涡轮机叶轮能够处理宽范围的不同膨胀率。第六，单级低温涡轮机根本上具有比多级涡轮机更好的操作效率，这是因为，由于穿过机器的流动路径更短，因此前者的功能损失更小。

根据本发明的低温液体膨胀涡轮机还具有优于Joule-Thomson阀的优点，因为能够从前者回收功，但不容易从后者回收功，并且因为对于给定的进口温度，低温液体膨胀涡轮机将获得更低的出口温度。

如果期望，根据本发明的低温液体膨胀涡轮机可以与Joule-Thomson阀并行操作，例如，在天然气液化站，从而实现获得增大的工艺效率的可能性并且在涡轮机联接到发电机时获得对电力的额外回收。

在典型的操作中，低温液体可以在选自例如10至80巴的宽范围的压力下供应。取决于进口压力，出口压力可以是1至10巴。这些范围是典型的，且能够扩大。

Claims (21)

1.一种低温液体膨胀涡轮机，具有涡轮机叶轮、至少一个径向进口、至少一个轴承和干气体密封装置，所述涡轮机叶轮安装在旋转轴上，所述至少一个径向进口用于要在所述膨胀涡轮机中膨胀的低温液体，所述至少一个轴承用于所述旋转轴，所述干气体密封装置沿着所述旋转轴位于所述涡轮机叶轮与所述轴承之间的位置处，其特征在于，在所述涡轮机叶轮与所述干气体密封装置之间存在隔热构件，在所述隔热构件的干气体密封装置侧上存在气体腔室，并且存在至所述气体腔室的用于低温气体的进口。

2.根据权利要求1所述的低温液体涡轮机，其中，除了用于低温气体的所述进口之外，所述干气体密封装置还具有用于非低温干气体的进口。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的低温液体涡轮机，其中，所述涡轮机叶轮适合于允许低温液体在其膨胀期间闪蒸。

4.根据权利要求3所述的低温液体涡轮机，其中，所述涡轮机叶轮是有缺口的。

5.根据在前任一项权利要求所述的低温液体涡轮机，其中，所述气体腔室具有至所述涡轮机叶轮的用于低温气体的第一出口。

6.根据权利要求5所述的低温液体涡轮机，其中，所述第一出口穿过第一迷宫式密封件。

7.根据在前任一项权利要求所述的低温液体涡轮机，其中，所述气体腔室具有用于低温气体的第二出口，所述第二出口经由第二迷宫式密封件与所述干气体密封装置连通。

8.根据在前任一项权利要求所述的低温液体涡轮机，其中，所述干气体密封装置是干气体密封件。

9.根据权利要求8所述的低温液体涡轮机，其中，所述干气体密封装置是串联干气体密封件。

10.根据权利要求8所述的低温液体涡轮机，其中，所述干气体密封装置是单个干气体密封件。

11.根据在前任一项权利要求所述的低温液体涡轮机，其中，存在来自所述干气体密封装置的第一通气口，所述第一通气口与喇叭口、外部大气或气体回收装置连通。

12.根据权利要求11所述的低温液体涡轮机，其中，存在来自所述干气体密封装置的第二通气口，所述第二通气口与外部大气连通。

13.根据在前任一项权利要求所述的低温液体涡轮机，其中，所述轴承是含油轴承，并且，通过包括多个轴向间隔的碳环的另一轴密封装置保护所述干气体密封装置免受油蒸气。

14.根据在前任一项权利要求所述的低温液体涡轮机，其中，所述轴承是含油轴承或气体轴承。

15.根据权利要求13所述的低温液体涡轮机，其中，所述碳环之间的空间与非低温干气体源连通。

16.根据在前任一项权利要求所述的低温液体涡轮机，此时，所述低温液体涡轮机联接到发电机或制动装置。

17.一种操作低温液体涡轮机的方法，所述低温液体涡轮机是根据在前任一项权利要求所述的低温液体涡轮机，其中，一部分低温液体蒸发从而形成所述低温气体。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，在所述气体腔室中维持的压力在5巴至10巴的范围内。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，调节所述低温气体的温度以在该气体腔室中维持单个气相。

20.根据权利要求17至19任一项所述的方法，其中，所述低温液体是天然气、液氮或液态空气。

21.根据权利要求17至20任一项所述的方法，其中，所述低温气体的至少90％离开所述气体腔室至所述涡轮机叶轮。