一种内置驱动液压平衡的双层喷嘴双排管气波制冷机

摘要

一种内置驱动液压平衡的双层喷嘴双排管气波制冷机,属于压力气体膨胀制冷技术领域。本发明通过在气波机主轴上安装的双层喷嘴以向对应的双排振荡接受管中射气，以达到接受管数量增加一倍，处理量加大的目的。通过建立液压平衡装置以抵消、克服和平衡由轴向进气而引发的轴向力大增的不利，可有效解决这一导致机器寿命缩短的难题；在本机中段嵌入式内置了传动装置并由电机驱动，很好解决了机器两端被占用的矛盾；为防止制冷前后的气体掺混及外泄，以提高制冷效率，本机除了使用了迷宫密封、螺旋密封之外，主要选用了多个单端面机械密封，机械密封能够比较好的适应气波制冷机的生产工况，可以保证设备长寿命且稳定安全地运转。

说明书

技术领域

本发明涉及一种内置驱动液压平衡的双层喷嘴双排管气波制冷机,属于压力气体膨胀制冷技术领域。

背景技术

自上世纪八十年代始,大连理工大学研制了的气波制冷机(专利号89213744.4)、多级气波制冷机(96115022.X)、阻尼对冲气波制冷机（ZL200810011255.2）、引流平衡型顶装内嵌式气波制冷机（ZL201410061539.8）、一种接触式密封倒置型气波制冷机（ZL201410119687.0）等，这些气波制冷机的共同之处是：均是依靠电机驱动或利用装置进出口气体的压力差使主轴及气体分配器自旋，并以一定的旋转速度将压力介质气体依次对环周向的各末端封闭的振荡接受管进行射流，对管内的潴留气做不定常膨胀功。即带有压力的进口来料气体通过喷嘴膨胀加速，由喷嘴出口高速喷出，依次间歇地射入前方辐射排布的多根末端封闭的振荡接受管中，在周期性激振作用下管内气体接受射入气体的压力能，并通过波系──激波、压缩波和膨胀波的相互作用完成不定常膨胀做功和能量转换，将压力能转化为热能后再通过管壁散出，入射气体因膨胀做功消耗自身能量，并消除反射激波的不利影响使温度降低而实现气体制冷。它们都分别属于一次或多次的不定常膨胀制冷。

利用压力气体进行膨胀制冷，可以获得比用工质循环制冷更低的低温。上述各种气波制冷机均能够在比较低的转速下较高效地工作。差异除了各自结构上有所不同外，所反映的机理也各有其某些创新之处。

气波制冷技术在以气体为介质的制冷场合已广泛应用，尤其在石油天然气开发处理和军工科研领域中极具实用价值。目前已广泛应用于石油气中轻烃回收、天然气脱水和液化、混合气体的液化分离、低温冷气流源以及为国防和航空航天提供低温冷气源必备条件等技术领域。该类制冷机械一般都具有结构简单、制造及运行成本低、节省能源、操作维护简便、可靠性高等优点。前述的各种气波制冷机的制冷效率虽均较高，但可以说远未达到能够达到的程度，即仍有非常大的效率提升空间。

该类制冷机在设计工况范围内制冷效率一般均较高，由于气波制冷机的制冷效率以及运行的可靠性如何是其性能最为关键的两项内容，而影响制冷等熵效率的因素非常多，如：转速、压力、膨胀比、管长、管径、喷嘴口径形状与尺寸、密封结构形式与尺寸、带液运行性能、制冷机的设计结构等等。其设计结构及制造技术的优劣都关系和决定着该设备的可靠性。传统式气波制冷机结构和机理一般都较为复杂，内部转动件较多，为防止制冷前后的气体掺混及外泄，一般都设置有多种形式的动密封及静密封，拆装较为繁琐。

目前气波制冷机在实际应用中虽具有在低转速下高效率的特点，但在实际运转使用过程中普遍存在的问题有：（1）转速虽然较低，但机器效率随转速和密封性能的影响均较大，其上下波动的范围都在10%~30%左右；（2）由于机器内部有许多转动件和密封件，故结构一般较为复杂且拆装不太方便。

单级或多级气波制冷机的结构通常是单层喷嘴对应一排振荡接受管，而每台机器往往必受规模、装配、运输等方面的限制，如：主机体直径加上接受管的尺寸不得超过运输车辆的高度和宽度，这就造成了气波机对处理量的很大限制，并且每台机器接受管的数量也直接关系到制冷效率的高低，研究结果证实接受管数量多会大大好于数量少，可以显著改善和提高制冷效率，还可以增大处理量，但是管子数量多则机体的外圆直径就大，且机体的内径及喷嘴的直径随着也要增大，而机体的外圆通常是一定要受限制的，不能无限制地放得很大。这样如何能够解决这样一个矛盾问题。通过在一台机器的主轴上安装双层喷嘴以对应双排接受管，以此使接受管的数量增加一倍，达到加大流量的目的。对于机器轴向由一端进气而言，随着处理量的增加，作用在主轴上的轴向力又会有很大的增加，如何解决轴向力的平衡是一定要考虑的问题；为克服轴向力大的问题若要引入液压平衡装置的话，卧式机器的两端将会被占用的，这样一来电机驱动怎样安装。而为提高制冷机效率转速是需要通过电机来调控的，此时电机如何安装。

发明内容

本发明的目的是提供一种内置驱动液压平衡的双层喷嘴双排管气波制冷机, 该气波制冷机是一种结构上可实现主轴带动平行布置的二层喷嘴对应双排接受管、通过液压平衡装置去平衡和抵消由此产生和增大的轴向力及布设置由电机驱动的传动装置，能有效解决由高压引发的轴向力过大导致机器寿命缩短的难题，并且结构较为简单、操作维护简便，承压能力强，运转稳定可靠，适用于处理各种气体介质的内置驱动液压平衡的双层喷嘴双排管气波制冷机。

为了防止制冷前后的气体掺混及外泄，制冷机内多处设置了各种形式的动密封及外密封，动密封可以说是气波机不可或缺的零部件，本机除了使用了迷宫密封、螺旋密封之外，主要选用了多个单端面机械密封，机械密封属于接触式密封，虽具有密封性能好，泄漏量极小，耐振性强，使用寿命长，不需经常调整，摩擦功耗小等优点，机械密封能够比较好的适应气波制冷机的生产工况，可以保证设备长寿命且稳定安全地运转。

本发明采用的技术方案是：一种内置驱动液压平衡的双层喷嘴双排管气波制冷机，它包括左机体、左端盖、主机体、右机体、右端盖和主轴，它还包括双层喷嘴、喷嘴压板和振荡接受管，所述气波制冷机采用卧式结构，机体包含左机体、主机体和右机体，再加之左端盖和右端盖一起构成本机的整个外壳；所述机体内部的主轴为一个左半轴为实心轴、右半轴为空心轴结构，主轴上安装有两边各用一个喷嘴压板压紧的双层喷嘴；所述双层喷嘴采用双层结构，其每层的中心与双排振荡接受管的中心对中，双层喷嘴随主轴同步旋转，并向对应的双排振荡接受管中连续射气，进入气波制冷机的原料气是经进气管和右端盖后进入主轴的空心轴段，然后再进入双层喷嘴从喷孔口向外射气并旋转着分配气体；所述气波制冷机采用右侧轴向进气，并在主轴左半实心轴上施加液压平衡力，以抵消来自右侧的轴向力,在机器的左端设置了一个平衡装置，平衡装置包含液压缸体、液压心轴、密封圈、轴承、活塞和活塞环，轴承在液压缸体内支撑起液压心轴，用液压心轴的顶尖顶住主轴左半实心轴的左端部中心，液压缸体以组件形式嵌入到左机体的端部，并用左端盖封闭，另通过油泵将油箱中的机油送进平衡装置，使其中的活塞产生向右的推力，向右的推力与轴上向左的轴向力相抵消；所述气波制冷机上分别安装有不同的密封，在主轴空心轴段的入口处装有一种单端面机械密封Ⅱ，电机设置在机器的中间位置，并通过设置安装在主轴中间的皮带轮以拖动其转动，在皮带轮的两边设置密封，其中在双层喷嘴、排气管和皮带轮之间选取了径向梳齿迷宫密封，而在进气管与皮带轮之间则选用了一种单端面机械密封Ⅱ；此外轴承作为主轴在机体内的支撑分别设在轴的二端，分别在机器的两边设置轴承箱，右侧的轴承箱是一个嵌入右轴承座，左侧的轴承箱在左机体中，由于气波制冷机左端采用了液压平衡装置，所用的机油同时供给轴承润滑，在主轴上设有防止机油流入气路系统的双向螺旋密封，在主轴上靠近气体排出处设有一种单端面机械密封Ⅰ；所述气波制冷机在机体外沿周向选择三点构成的一个面上，间隔120°的三个丝孔处，通过三个前部带锥度的螺栓顶丝来顶紧固定封盖。

所述双层喷嘴上的喷孔出口有圆形、方形和矩形，喷孔出口为1-9个；双层喷嘴的喷孔出口与位于主机体上安装振荡接受管的管孔相配合；每层喷嘴对应的机体上的振荡接受管为20-130根，每根振荡接受管的尾部都连接1个激波吸收腔，机体右端入口处设有1个进气管，主机体上设1-10个排气管，且排气管分设在双层喷嘴的两侧，出机器后再汇总。所述主机体上双层喷嘴所对的管孔直径为5-55mm，管孔的偏角为0-25度，固定连接在管孔上的振荡接受管长度为1500-12000mm。

本发明的有益效果是：

1.通过液压平衡气压的方式能够解决气体大流量和高压工况下轴向力超大的平衡问题，可显著提高机器易损件轴承以及机器的使用寿命；同时对克服运转中产生的振动和噪音难题，对解决和避免接受管断裂均有益处。

2.机器左端的液压平衡装置与旁边的支撑轴承、右端的支撑轴承与旁边的单端面机械密封均各自可共用一个机油循环系统，可简化复杂的配套系统；

3.将主轴与螺旋密封加工于一体，可减少加工及装配环节，制造加工精度得以提高；

4.选取机械密封作为主要密封，可以最大程度地减小气体泄漏影响，显著提高制冷等熵膨胀效率；

5.机内两边分别设置内置嵌入式的轴承座和液压缸体，均对拆卸安装更换大有益处。

附图说明

图1是一种内置驱动液压平衡的双层喷嘴双排管气波制冷机的结构图。

图2是内置驱动液压平衡的双层喷嘴双排管气波制冷机的左半部分结构图。

图3是内置驱动液压平衡的双层喷嘴双排管气波制冷机的右半部分结构图。

图4是图1中的A-A视图。

图5是气波制冷机双层喷嘴的结构图。

图6是双层喷嘴的主视图。

图7是图6中的的A向视图。

图8是图6中的的B向视图。

图9是双层喷嘴压板的主视图。

图10是双层喷嘴压板的侧视图。

图中：1、左机体，2、左端盖，3、液压心轴，4、液压油进口管，5、液压缸体， 6、O形密封圈，7、轴承，8、活塞，9、活塞环，10、轴承内圈压紧螺母，11、轴承外圈压帽，12、轴承，13、活接头，14、双头螺柱，15、O形密封圈，16、主机体，17、单端面机械密封Ⅰ，18、挡板，19、双层喷嘴，20、衬套，21、喷嘴压板，22、主轴，22a、双向螺旋密封，23、密封动环，24、密封静环，25、动环O形圈，26、排气管，27、密封静环压紧螺帽，28、振荡接受管，29、皮带轮，30、三角带，31、测速传感器，32、挡盘盖，33、活接头，34、单端面机械密封Ⅱ，35、右机体，36、轴承，37、轴承内圈压紧螺帽，38、内嵌右轴承座，39、O形密封圈，40、右端盖，41、双头螺柱，42、激波吸收腔，43、活接头，44、进气管，45、电机，46、管接头，47、喷嘴O形圈，48、螺栓顶丝，49、油泵，50、油箱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步详细的描述。

图１、2、3、4示出了一种内置驱动液压平衡的双层喷嘴双排管气波制冷机的结构图。图中，该机由左机体1、左端盖2、液压心轴3、液压油进口管4、液压缸体5、主机体16、单端面机械密封Ⅰ17、双层喷嘴19、衬套20、喷嘴压板21、主轴22、振荡接受管28、皮带轮29、右机体35、内嵌右轴承座38、右端盖40等组成；机器呈卧式结构，机体即机壳由左机体1、主机体16和右机体35构成，再加之左端盖2和右端盖40一起构成本机的整个外壳。机体内部的主轴22为一左半轴为实心轴而右半轴为空心轴形式，主轴22上安装有双层喷嘴19和两边各一件的喷嘴压板21，三件一起被压紧；所述双层喷嘴19的结构是特殊的双层结构，双层喷嘴19中每层的中心与双排振荡接受管28的中心严格对中，双层喷嘴19随主轴22同步旋转，并向对应的双排振荡接受管28中连续射气，进入本机的原料气是经进气管44和右端盖40后进入主轴22空心轴段的，然后再进入双层喷嘴19从喷孔口向外射气，旋转地分配气体；

在主轴22上根据位置的需要分别装有不同的密封等零部件，在主轴22空心轴段的入口处装有一种单端面机械密封Ⅱ34，由于本机进气采用轴向进气，轴向进气不同于侧向进气可以在轴的内部平衡掉相当大一部分轴向力，它的轴向合力只会向一个方向—左侧去作用，如果不去设法抵消平衡掉这部分作用力，则轴承12将承受其中绝大部分的受力，其寿命将大大缩短。为减小和避免这种情况出现，本机采取在主轴左半实心轴上施加液压平衡力的方法，以抵消抗衡来自右侧的这部分力。所述的方法即是在主轴22的左端设置一个类似液压千斤顶的装置，此装置包括液压缸体5、液压心轴3、密封圈6、轴承7、活塞8、活塞环9等件，二套轴承7在液压缸体5内支撑起液压心轴3，用液压心轴3的顶尖顶住主轴22左半实心轴的左端部中心，液压缸体5是以组件形式嵌入到左机体1的端部，然后用左端盖2封住，通过油泵将油箱中的油打进这一液压装置，使其中的活塞产生向右的推动力，其推力去与轴上向左的轴向力平衡相抵消。由于机器左右两端均被占用，而机器运转一般情况下是离不开电机拖动的，在此种情况下电机怎么装。本机将皮带轮及测速齿轮一起设置安装在主轴中间，这同时亦属于内嵌在机体内，对轴而言，此种受力要好于驱动力来自一端。由于皮带要伸出，故为防止和避免气体泄漏，需要在带轮的两边设置密封，本机在双层喷嘴19、排气管26和皮带轮29之间选取了径向梳齿迷宫密封，而在进气管与带轮之间则选用了一种单端面机械密封Ⅱ34；二套轴承12作为主轴22在机体内的支撑分别设置在轴的二端，为了更换轴承方便，分别在机器的两边设置有轴承箱，右侧的轴承箱是一个嵌入右轴承座38，左侧的轴承箱在本机中即为左机体1，由于本机左端采用了液压顶力系统，所用的机油同时就可供给轴承润滑，为防止机油流入气路系统，在轴上它们二者之间设有双向螺旋密封22a，机器开机主轴22在转动过程中螺旋密封会将液相机油和气相工作介质分别向两边推，并且还在轴上靠近气体排出处设有一种单端面机械密封Ⅰ17；此单端面机械密封的一端封盖由于必须压紧，又由于在机体内部无法操作实施，本机采用了一种从机体外部用于调节压紧机器内部封盖的方法，即是在机体外沿周向选择三点构成的一个面上，间隔120°的三个丝孔处，通过三个前部带锥度的螺栓来顶紧封盖。

图5、6、7、8、9、10示出了气波制冷机双层喷嘴的结构图。双层喷嘴19上的喷孔出口有圆形、方形和矩形，一般为1-9个；双层喷嘴的喷孔出口与位于主机体上安装振荡接受管的管孔依次对位相配合。每层喷嘴对应的机体上的振荡接受管为20-130根，每根振荡接受管的尾部都连接1个激波吸收腔，机器主体上设有1个进气管和1-10个排气管，且排气管分设在双层喷嘴19的两侧，待离开机器后再汇总外输。主机体16上双层喷嘴19所对的管孔直径为5-55mm，管孔的偏角为0-25度，固定连接在管孔上的振荡接受管长度为1500-12000mm。