CN107605538A - 超临界二氧化碳透平阶梯轮盘及其设计方法 - Google Patents
超临界二氧化碳透平阶梯轮盘及其设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107605538A CN107605538A CN201710936400.7A CN201710936400A CN107605538A CN 107605538 A CN107605538 A CN 107605538A CN 201710936400 A CN201710936400 A CN 201710936400A CN 107605538 A CN107605538 A CN 107605538A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mrow
- wheel disc
- ladder
- msubsup
- pressure side
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
本发明公开了一种用于中小功率等级的超临界二氧化碳透平阶梯轮盘及设计方法，包括轮盘主体、轮盘阶梯、主轴、梳齿密封，通过借助轮盘两侧的高压冷却气体，在轮盘两侧采用不同半径的阶梯结构，使得轮盘两侧受到的高压气体的作用面积不同，因而产生一种由轮盘低压侧指向轮盘高压侧的轴向推力，通过设计两侧阶梯半径的大小可以实现透平转子轴向力平衡，从而不需要添加推力盘平衡轴向推力，即可实现降低轴向推力对推力轴承的作用载荷，提高透平系统的安全性，同时减少了因添加推力盘而使透平系统带来的摩擦损耗和冷气损耗，提高了中小功率等级超临界二氧化碳透平的安全性和冷气利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种透平转子轴向推力平衡方案，尤其涉及一种带有冷却气体和密封气的中小功率等级超临界二氧化碳透平阶梯轮盘及其设计方法。
背景技术
在中小功率等级的超临界二氧化碳透平的设计过程中，存在透平轴向压力过大的情况，且轴向压力超过了推力轴承的承受极限，且启动工况和紧急事故工况透平轴向推力变化剧烈，给中小功率等级的超临界二氧化碳透平在设计工况和紧急事故工况带来了严重的安全隐患。现有推力盘方案会可以作为上述方案的解决方案之一，但由于其将增大转动摩擦和消耗更多的冷气，降低了中小功率等级的超临界二氧化碳透平的经济性。现有技术无法既解除中小功率等级的超临界二氧化碳透平的轴向推力带来的安全隐患，又能降低摩擦损耗和冷气损耗。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于中小功率等级的超临界二氧化碳透平阶梯轮盘及其设计方法。
为达到上述目的，本发明的超临界二氧化碳透平阶梯轮盘包括与转子主轴相连的转子轮盘主体，转子轮盘主体的外侧与动叶片相连，所述动叶片顶端安装有动叶护环，静叶片的上端与机匣相连，且靠近高压侧的第一级静叶片的下端与机匣相连，除第一级静叶片外的其他静叶片的下端均与静叶护环相连，静叶护环与轮盘主体之间设置有间隙，动叶护环外侧与机匣之间设置有间隙，在轮盘主体的一侧或两侧设置有轮盘阶梯,在轮盘阶梯的外侧为与轮盘阶梯的结构相对应的轮盘静子，轮盘阶梯与轮盘静子之间设置有间隙，且静叶护环与轮盘主体之间的间隙、动叶护环外侧与机匣之间的间隙及轮盘阶梯与轮盘静子之间的间隙均设置有梳齿密封结构。
所述的轮盘主体的两侧均设置有轮盘阶梯，低压侧轮盘阶梯的半径大于高压侧轮盘阶梯的半径。
所述的轮盘阶梯采用多个阶梯结构。
本发明的超临界二氧化碳透平轮盘两侧存在高压冷却气体，轮盘的低压侧阶梯的半径大于轮盘高压侧的阶梯半径，轮盘低压侧阶梯的受到冷气作用的面积大于轮盘高压侧阶梯的受到冷气作用的面积，高压冷气在轮盘低压侧的作用力减去在轮盘高压侧的作用力可以平衡超临界二氧化碳透平的轴向推力。轮盘的一侧或两侧各有多个阶梯结构，其中与压力最高冷气接触的轮盘表面在平衡转子轴向推力中起主要作用，其余轮盘阶梯表面与静子侧的阶梯、阶梯间梳齿密封等结构即具有起减压作用，同时也具有平衡轴向推力的作用。
本发明的超临界二氧化碳透平阶梯轮盘的设计方法如下：轮盘阶梯的半径和阶梯数通过以下方式确定：
其中，n为高压侧轮盘的阶梯数，Ra0为高压侧轮盘根部位置处的转子轮盘主体半径，Rai为高压侧轮盘第i级阶梯的半径，Ra(n+1)为第一级动叶片进口处下端壁半径，Pa0为高压侧轮盘根部位置处的静压，Pai为高压侧轮盘从第i级阶梯至第i+1级阶梯位置处的静压，Pan为第一级静叶片和第一级动叶片的动静间隙内的静压，j为低压侧轮盘的阶梯数，Rb0为低压侧轮盘根部位置处的转子轮盘主体半径，Rbj为低压侧轮盘第j级阶梯的半径，Rb(m+1)为末级动叶片出口处下端壁半径，Pb0为低压侧轮盘根部位置处的静压，Pbj为低压侧轮盘从第j级阶梯至第j+1级阶梯位置处的静压，Pbm为末级动叶片的出口静压，n可以为0，m大于或等于1。
本发明的有益效果在于：
本发明用于中小功率等级超临界二氧化碳透平阶梯轮盘通过借助轮盘两侧的高压冷却气体，在轮盘两侧采用不同半径的阶梯结构，使得轮盘两侧受到的高压气体的作用面积不同，因而产生一种由轮盘低压侧指向轮盘高压侧的轴向推力，通过设计两侧阶梯半径的大小可以实现透平转子轴向力平衡，同时不增加额外摩擦损耗和冷气损耗，提高了中小功率等级超临界二氧化碳透平的安全性和冷气利用效率。
附图说明
图1是本发明所述超临界二氧化碳透平阶梯轮盘的示意图
图2是本发明所述超临界二氧化碳透平阶梯轮盘的局部阶梯间隙示意图
图中，1a转子主轴；1b转子轮盘主体；1c低压侧轮盘阶梯；1d高压侧轮盘阶梯，2轮盘静子；3a动叶片；3b动叶护环；4a静叶片；4b静叶护环；6梳齿密封。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1，2所示，本发明包括与转子主轴1a相连的转子轮盘主体1b，转子轮盘主体1b的外侧与动叶片3a相连，所述动叶片3a顶端安装有动叶护环3b，静叶片4a的上端与机匣相连，且靠近高压侧的第一级静叶片4c的下端与机匣相连，除第一级静叶片4c外的其他静叶片的下端均与静叶护环4b相连，静叶护环4b与转子轮盘主体1b之间设置有间隙，动叶护环3b外侧与机匣之间设置有间隙，在转子轮盘主体1b的两侧均设置有多个阶梯结构的轮盘阶梯，且低压侧轮盘阶梯1c的半径大于高压侧轮盘阶梯1d的半径，在轮盘阶梯的外侧为与轮盘阶梯的结构相对应的轮盘静子2，轮盘阶梯与轮盘静子之间设置有间隙，且静叶护环4b与轮盘主体1b之间的间隙、动叶护环3b外侧与机匣之间的间隙及轮盘阶梯与轮盘静子之间的间隙均设置有梳齿密封结构6。
上述轮盘阶梯的半径和阶梯数通过以下方式确定：
其中，n为高压侧轮盘的阶梯数，Ra0为高压侧轮盘根部位置处的转子轮盘主体半径，Rai为高压侧轮盘第i级阶梯的半径，Ra(n+1)为第一级动叶片进口处下端壁半径，Pa0为高压侧轮盘根部位置处的静压，Pai为高压侧轮盘从第i级阶梯至第i+1级阶梯位置处的静压，Pan为第一级静叶片和第一级动叶片的动静间隙内的静压，j为低压侧轮盘的阶梯数，Rb0为低压侧轮盘根部位置处的转子轮盘主体半径，Rbj为低压侧轮盘第j级阶梯的半径，Rb(m+1)为末级动叶片出口处下端壁半径，Pb0为低压侧轮盘根部位置处的静压，Pbj为低压侧轮盘从第j级阶梯至第j+1级阶梯位置处的静压，Pbm为末级动叶片的出口静压，n可以为0，m大于或等于1。
本发明超临界二氧化碳透平轮盘两侧存在高压冷却气体，轮盘的低压侧阶梯的半径大于轮盘高压侧的阶梯半径，轮盘低压侧阶梯的受到冷气作用的面积大于轮盘高压侧阶梯的受到冷气作用的面积，上述高压冷气在轮盘低压侧的作用力减去在轮盘高压侧的作用力可以平衡超临界二氧化碳透平的轴向推力。轮盘的一侧或两侧各有多个阶梯结构，其中与压力最高冷气接触的轮盘表面在平衡转子轴向推力中起主要作用，其余轮盘阶梯表面与静子侧的阶梯、阶梯间梳齿密封等结构即具有起减压作用，同时也具有平衡轴向推力的作用。
在工作时，超临界二氧化碳透平阶梯轮盘两侧受到高压冷气的作用，通过计算轮盘高压侧表面受到的沿轴向向后的力和轮盘低压侧受到的沿轴向向前的力的差值，设计轮盘两侧阶梯各个阶梯的半径，通过调整轮盘高压侧和轮盘低压侧高压冷气作用面积的大小，实现超临界二氧化碳透平两侧推力平衡，从而不需要添加推力盘平衡轴向推力，实现了降低轴向推力对推力轴承的作用载荷，提高透平系统的安全性，同时减少了透平系统的摩擦损耗和冷气损耗。
Claims (4)
1.一种超临界二氧化碳透平阶梯轮盘，其特征在于：包括与转子主轴(1a)相连的转子轮盘主体(1b)，转子轮盘主体(1b)的外侧与动叶片(3a)相连，所述动叶片(3a)顶端安装有动叶护环(3b)，静叶片(4a)的上端与机匣相连，且靠近高压侧的第一级静叶片(4c)的下端与机匣相连，除第一级静叶片(4c)外的其他静叶片的下端均与静叶护环(4b)相连，静叶护环(4b)与轮盘主体(1b)之间设置有间隙，动叶护环(3b)外侧与机匣之间设置有间隙，在轮盘主体(1b)的一侧或两侧设置有轮盘阶梯,在轮盘阶梯的外侧为与轮盘阶梯的结构相对应的轮盘静子(2)，轮盘阶梯与轮盘静子之间设置有间隙，且静叶护环(4b)与轮盘主体(1b)之间的间隙、动叶护环(3b)外侧与机匣之间的间隙及轮盘阶梯与轮盘静子之间的间隙均设置有梳齿密封结构(6)。
2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳透平阶梯轮盘，其特征在于：所述的轮盘主体(1b)的两侧均设置有轮盘阶梯，低压侧轮盘阶梯(1c)的半径大于高压侧轮盘阶梯(1d)的半径。
3.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳透平阶梯轮盘，其特征在于：所述的轮盘阶梯采用多个阶梯结构。
4.一种如权利要求1所述的超临界二氧化碳透平阶梯轮盘的设计方法，其特征在于：轮盘阶梯的半径和阶梯数通过以下方式确定：
<mrow>
<msub>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>a</mi>
<mn>0</mn>
</mrow>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msubsup>
<mi>R</mi>
<mrow>
<mi>a</mi>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>-</mo>
<msubsup>
<mi>R</mi>
<mrow>
<mi>a</mi>
<mn>0</mn>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<mo>...</mo>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>a</mi>
<mi>i</mi>
</mrow>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msubsup>
<mi>R</mi>
<mrow>
<mi>a</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>i</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>-</mo>
<msubsup>
<mi>R</mi>
<mrow>
<mi>a</mi>
<mi>i</mi>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<mo>...</mo>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>a</mi>
<mi>n</mi>
</mrow>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msubsup>
<mi>R</mi>
<mrow>
<mi>a</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>n</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>-</mo>
<msubsup>
<mi>R</mi>
<mrow>
<mi>a</mi>
<mi>n</mi>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>b</mi>
<mn>0</mn>
</mrow>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msubsup>
<mi>R</mi>
<mrow>
<mi>b</mi>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>-</mo>
<msubsup>
<mi>R</mi>
<mrow>
<mi>b</mi>
<mn>0</mn>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<mo>...</mo>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>b</mi>
<mi>j</mi>
</mrow>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msubsup>
<mi>R</mi>
<mrow>
<mi>b</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>j</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>-</mo>
<msubsup>
<mi>R</mi>
<mrow>
<mi>b</mi>
<mi>j</mi>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<mo>...</mo>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>b</mi>
<mi>m</mi>
</mrow>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msubsup>
<mi>R</mi>
<mrow>
<mi>b</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>m</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>-</mo>
<msubsup>
<mi>R</mi>
<mrow>
<mi>b</mi>
<mi>m</mi>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，n为高压侧轮盘的阶梯数，Ra0为高压侧轮盘根部位置处的转子轮盘主体半径，Rai为高压侧轮盘第i级阶梯的半径，Ra(n+1)为第一级动叶片进口处下端壁半径，Pa0为高压侧轮盘根部位置处的静压，Pai为高压侧轮盘从第i级阶梯至第i+1级阶梯位置处的静压，Pan为第一级静叶片和第一级动叶片的动静间隙内的静压，j为低压侧轮盘的阶梯数，Rb0为低压侧轮盘根部位置处的转子轮盘主体半径，Rbj为低压侧轮盘第j级阶梯的半径，Rb(m+1)为末级动叶片出口处下端壁半径，Pb0为低压侧轮盘根部位置处的静压，Pbj为低压侧轮盘从第j级阶梯至第j+1级阶梯位置处的静压，Pbm为末级动叶片的出口静压，n可以为0，m大于或等于1。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710936400.7A CN107605538B (zh) | 2017-10-10 | 2017-10-10 | 超临界二氧化碳透平阶梯轮盘及其设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710936400.7A CN107605538B (zh) | 2017-10-10 | 2017-10-10 | 超临界二氧化碳透平阶梯轮盘及其设计方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107605538A true CN107605538A (zh) | 2018-01-19 |
| CN107605538B CN107605538B (zh) | 2023-09-15 |
Family
ID=61068694
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710936400.7A Active CN107605538B (zh) | 2017-10-10 | 2017-10-10 | 超临界二氧化碳透平阶梯轮盘及其设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107605538B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109029991A (zh) * | 2018-10-11 | 2018-12-18 | 西安热工研究院有限公司 | 流体热源超临界工质透平主轴冷却实验装置 |
| CN110130998A (zh) * | 2019-06-28 | 2019-08-16 | 重庆江增船舶重工有限公司 | 一种透平压缩机的自平衡冷却系统及方法 |
| CN110130998B (zh) * | 2019-06-28 | 2024-06-07 | 重庆江增船舶重工有限公司 | 一种透平压缩机的自平衡冷却系统及方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57151025A (en) * | 1981-03-12 | 1982-09-18 | Agency Of Ind Science & Technol | Thrust balance piston in two-shaft gas turbine |
| CN103541776A (zh) * | 2013-10-15 | 2014-01-29 | 北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司 | 一种燃气轮机轮盘间的轴向密封结构 |
| JP2014227853A (ja) * | 2013-05-20 | 2014-12-08 | 三菱重工業株式会社 | 圧縮機及びガスタービン |
| CN207315450U (zh) * | 2017-10-10 | 2018-05-04 | 华能国际电力股份有限公司 | 超临界二氧化碳透平阶梯轮盘 |
-
2017
- 2017-10-10 CN CN201710936400.7A patent/CN107605538B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57151025A (en) * | 1981-03-12 | 1982-09-18 | Agency Of Ind Science & Technol | Thrust balance piston in two-shaft gas turbine |
| JP2014227853A (ja) * | 2013-05-20 | 2014-12-08 | 三菱重工業株式会社 | 圧縮機及びガスタービン |
| CN103541776A (zh) * | 2013-10-15 | 2014-01-29 | 北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司 | 一种燃气轮机轮盘间的轴向密封结构 |
| CN207315450U (zh) * | 2017-10-10 | 2018-05-04 | 华能国际电力股份有限公司 | 超临界二氧化碳透平阶梯轮盘 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109029991A (zh) * | 2018-10-11 | 2018-12-18 | 西安热工研究院有限公司 | 流体热源超临界工质透平主轴冷却实验装置 |
| CN109029991B (zh) * | 2018-10-11 | 2023-12-22 | 西安热工研究院有限公司 | 流体热源超临界工质透平主轴冷却实验装置 |
| CN110130998A (zh) * | 2019-06-28 | 2019-08-16 | 重庆江增船舶重工有限公司 | 一种透平压缩机的自平衡冷却系统及方法 |
| CN110130998B (zh) * | 2019-06-28 | 2024-06-07 | 重庆江增船舶重工有限公司 | 一种透平压缩机的自平衡冷却系统及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107605538B (zh) | 2023-09-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2623722A1 (en) | Turbine | |
| Rautenberg et al. | Influence of heat transfer between turbine and compressor on the performance of small turbochargers | |
| CN110206592A (zh) | 一种适用于径流式叶轮机械的耐高温高压一体式叶轮-密封结构 | |
| CN107605538A (zh) | 超临界二氧化碳透平阶梯轮盘及其设计方法 | |
| CN207315450U (zh) | 超临界二氧化碳透平阶梯轮盘 | |
| CN105156687A (zh) | 一种干气密封装置 | |
| CN110094236A (zh) | 一种氦气涡轮机轴系结构 | |
| JP2015096729A (ja) | タービン | |
| CN113090337A (zh) | 一种用于双转子航空发动机的反转轴间密封装置 | |
| CN111365201A (zh) | 一种大型风力发电机组主轴系统 | |
| CN203395035U (zh) | 一种轴承布置结构以及一种减速机 | |
| CN105257344B (zh) | 一种汽轮机单流高压缸前汽封的密封方法 | |
| CN210829412U (zh) | 一种径向式汽轮机主轴端部轴承结构 | |
| CN112555026B (zh) | 平衡轴向力的多推力盘燃气轮机 | |
| CN212155059U (zh) | 一种大型风力发电机组主轴系统 | |
| CN108223568A (zh) | 一种燃气轮机用长寿命复合轴承 | |
| CN204716308U (zh) | 一种透平端轴承座空气系统 | |
| Aso et al. | Bearing resistance of wind turbine generator system | |
| CN201609868U (zh) | 立式动静压电主轴 | |
| CN212004201U (zh) | 一种混合驱动风电齿轮箱 | |
| CN218407613U (zh) | 一种适用于高温烟气轮机的新型轴承支撑位轴承箱 | |
| CN220929770U (zh) | 一种采用自引气冷却的燃料电池空压机 | |
| CN111946661A (zh) | 合成气压缩机 | |
| JP7211877B2 (ja) | 蒸気タービンロータ及び蒸気タービン | |
| CN210890111U (zh) | 一种风力发电机组主轴专用密封装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |