[发明专利]一种喷嘴及低温透平膨胀机

说明书

本发明提供的喷嘴，包括进口段、主体段和出口段，气体工质经所述进口段导入所述主体段，再在所述主体段中膨胀后经所述出口段流出，其中：气体工质在流道内由结构为矩形截面通道的所述进口段过渡到圆锥形通道的所述主体段，本发明提供的喷嘴改用圆锥型通道的喷管代替原有的叶型喷嘴，同时结合直线圆弧叶型喷嘴的优点，在进口处采用直线圆弧叶型，并过渡成圆锥形通道。与原有叶型的矩形截面通道相比，在截面面积相同、通道长度相同、流量相同的情况下，圆锥形通道的沿程损失系数小，能量损失小，可以有效的提高喷嘴的速度系数，使透平膨胀机等熵效率增高。此外，本发明还提供了一种包括上述喷嘴的低温透平膨胀机。

技术领域

本发明涉及低温液化装置技术领域，特别涉及一种喷嘴及低温透平膨胀机。

背景技术

自然界为我们的生产生活提供了大量的气态原材料，如大气中的氧气、氮气，在地表下的天然气和氦气，这些气体能源的消费利用量是社会科技进步的一个重要指标。为了有效利用这些气体资源，我们需要对这些气体进行处理和储存。由于气体密度低，所以气体液化对于气体的运输和储存而言是很必要的。绝热等熵膨胀是获得低温的重要手段，而透平膨胀机是实现接近绝热等熵膨胀过程的有效机械，在一些大型低温系统，如空气液化分离装备、及极低温氢、氦液化装置系统中，发挥了重要作用。

透平膨胀机作为实现接近绝热等熵膨胀过程的一种有效机械，应用相当广泛。除了被广泛应用于气体分离和液化领域，在其他各种领域也发挥着至关重要的作用。如在制冷领域，透平膨胀机可用于飞机的空调系统中。在石化领域，透平膨胀机用于天然气中的丙烷和更重的碳氢化合物的分离。透平膨胀机还可以应用于天然气的能量回收、低温流程装置的有机朗肯循环、造纸或其它工业的污气能量回收以及混合气体的除杂等领域。

而随着核聚变、高能物理、超导应用及宇宙探测等前沿领域的快速发展，大型低温制冷设备特别是氢氦温区制冷设备被广泛应用，已成为其不可或缺的基础支撑设施，而低温氦透平膨胀机是整个低温制冷系统的关键部件。

透平膨胀机中，气体工质在通流部分进行膨胀降温过程，工质从管道进入蜗壳，把气流均匀地分配给喷嘴，在喷嘴中进行第一次膨胀，把一部分比焓降转换为气流的动能，气流压力下降，温度降低，速度增加，然后推动工作轮，输出外功。气流在工作轮中继续膨胀，进一步降低比焓降，转化为外功输出，压力、温度继续下降，气流速度因工作轮输出外功而减小，因此，喷嘴是透平膨胀机中完成能量转换的关键部件。

现有的喷嘴型式有叶型喷嘴和轴对称喷嘴两类。叶型喷嘴一般由两个相似的叶片和上下两个端面组成通道；轴对称喷嘴又称喷管，它由圆锥形通道组成。

由于应用于低温技术邻域的透平膨胀机尺寸较小，出于制造上的方便，目前在低温领域一般都采用平行子午面和直线圆弧叶型的喷嘴，这种喷嘴是矩形截面，叶型的流动损失大，速度系数低，流道效率低。

发明内容

有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种可以有效的提高喷嘴的速度系数，使透平膨胀机等熵效率增高的喷嘴以及低温透平膨胀机。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一方面，本发明提供了一种喷嘴，包括：进口段、主体段和出口段，气体工质经所述进口段导入所述主体段，再在所述主体段中膨胀后经所述出口段流出，其中：气体工质在矩形截面的所述进口段过渡到圆锥形通道的主体段。

在一些较佳的实施例中，所述喷嘴的入口采用直线圆弧叶型，所述气体工质经所述入口进入所述进口段。

在一些较佳的实施例中，所述圆锥形通道的锥角a为9-13度。

另一方面，本发明还提供了一种低温透平膨胀机，包括喷嘴，所述喷嘴包括进口段、主体段和出口段，气体工质经所述进口段导入所述主体段，再在所述主体段中膨胀后经所述出口段流出，其中：气体工质在流道内由结构为矩形截面通道的所述进口段过渡到圆锥形通道的所述主体段。