CN108488391A - 一种适用于高压差环境下的动封严结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高压差环境下的动封严结构，用于高压差环境中的转子和静子之间的动密封，静子具有第一静子和第二静子，转子上设置有止推定位块，止推定位块位于第一静子和第二静子之间的径向凹槽中，包括径向电磁轴承、止推电磁轴承和磁流体密封装置，径向电磁轴承套设在静子上且位于静子和转子之间，磁流体密封装置套设在静子上且位于静子和转子之间，止推电磁轴承设置在静子上且位于径向凹槽中。由于引入的电磁轴承技术取消了常规轴承油脂润滑等问题，避免了油气污染高压工质等问题，同时采用磁流体密封技术，保证整个高压系统中高压工质的零泄漏或具有很小的泄漏量，达到对高压系统内转子支承与对高压差条件下转子静子间动封严的目的。

Description

一种适用于高压差环境下的动封严结构

技术领域

本发明涉及高压差环境下的支承动封严结构布局技术领域，尤其涉及一种适用于高压差环境下的动封严结构。

背景技术

能量的高效合理利用，一直以来都是能源动力领域的关注热点。而高压闭式循环系统由于具备循环效率高、能量管理综合能力强、结构紧凑、体积小、重量轻等特点，已经引起了国内外的高度关注，并拟用于地面发电、舰船/潜艇综合电力系统、高超声速飞行器动力系统、高超声速飞行器能量综合管理系统等领域。

在地面发电、舰船/潜艇综合电力系统中使用的超临界二氧化碳/水循环发电系统在相同条件下循环热效率远高于现有燃气轮机并且结构紧凑、体积小、重量轻；在高超声速飞行器和单级入轨航天器动力上采用的超临界氦闭式循环系统具有强大的能量综合管理能力，能够保证高超声速飞行器和单级入轨航天器动力在全速域/全空域范围内具有优异的性能，从而实现高超声速飞行器和单级入轨航天器的水平起降重复使用。在现有各种闭式循环系统中，为保证闭式循环系统的运转，在闭式循环系统中需要采用循环泵进行增压，这就需要对循环泵转子进行支承以及对循环泵转、静间进行动封严。同时，为保证循环性能循环系统中的工质压力很高，使得转、静间动封严两侧的压差很大，约为几十到几百个大气压，对转、静间进行动封严的同时实现对循环泵转子的可靠支承十分困难，目前尚未见到可行的方案。

现有高压系统的支承和封严方案主要用于地面设备，大多采用滑动/滚动轴承实现对转子的支承，并采用传统的干气密封进行封严。在这种方案中，由于采用滑动/滚动轴承，需要对轴承腔进行单独的封严，以确保滑油不会泄漏到系统中造成污染，同时为了确保动封严的可靠性，还需要从外界引入多级高压密封气进行密封，甚至有些情况下还允许封严气微量泄漏到高压系统中。因此，这种传统的布局方式存在结构复杂、轴向长度长、重量大、封严气存在向高压系统微量泄漏等问题，无法满足发动机要求的结构简单、重量轻、始终保证闭式循环系统中为纯净的超临界状态氦、确保闭式循环系统中超临界状态氦泄漏量很低甚至零泄漏的要求。

因此，如何提供一种适用于高压差环境下的动封严结构，以实现克服现有高压系统内转子利用常规滑动/滚动轴承进行支承而带来的冷却与润滑困难以及支承动封严结构复杂的问题，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于高压差环境下的动封严结构，以实现克服现有高压系统内转子利用常规滑动/滚动轴承进行支承而带来的冷却与润滑困难以及支承动封严结构复杂的问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于高压差环境下的动封严结构，用于高压差环境中的转子和静子之间的动密封，所述静子具有第一静子和第二静子，所述转子上设置有止推定位块，所述止推定位块位于所述第一静子和所述第二静子之间的径向凹槽中，

包括径向电磁轴承、止推电磁轴承和磁流体密封装置，

所述径向电磁轴承套设在所述静子上且位于所述静子和所述转子之间，

所述磁流体密封装置套设在所述静子上且位于所述静子和所述转子之间，

所述止推电磁轴承设置在所述静子上且位于所述径向凹槽中。

优选地，上述的适用于高压差环境下的动封严结构还包括设置在所述静子上的用于监测所述转子的径向位置的第一传感器、设置在所述径向凹槽中的用于监测所述转子的轴向位置的第二传感器以及与所述第一传感器和所述第二传感器通信连接的控制器，所述控制器根据所述第一传感器和所述第二传感器的位置信号控制所述径向电磁轴承和所述止推电磁轴承。

优选地，上述径向电磁轴承和所述止推电磁轴承各为多极结构或者单级结构。

优选地，上述径向电磁轴承和所述止推电磁轴承各为一个或者多个串联设置。

优选地，上述磁流体密封装置为一级或者多级串联设置。

优选地，上述第二静子和所述转子之间还设置有密封装置，所述密封装置为接触密封装置或者非接触密封装置。

优选地，上述径向电磁轴承套设在所述第一静子上且位于所述第一静子和所述转子之间，

所述磁流体密封装置套设在所述第二静子上且位于所述第二静子和所述转子之间，

所述止推电磁轴承为两个，其中一个设置在所述第一静子上位于所述径向凹槽中，

另外一个设置在所述第二静子上且位于所述径向凹槽中，

所述第二静子和所述转子之间还设置有密封装置，所述密封装置为接触密封装置或者非接触密封装置，所述密封装置位于所述止推定位块和所述磁流体密封装置之间。

优选地，上述径向电磁轴承套设在所述第一静子上且位于所述第一静子和所述转子之间，

所述磁流体密封装置套设在所述第二静子上且位于所述第二静子和所述转子之间，

所述止推电磁轴承设置在所述第二静子上且位于所述径向凹槽中，

所述第二静子和所述转子之间还设置有密封装置，所述密封装置为接触密封装置或者非接触密封装置，所述密封装置位于所述止推定位块和所述磁流体密封装置之间。

优选地，上述径向电磁轴承套设在所述第一静子上且位于所述第一静子和所述转子之间，

所述磁流体密封装置为两个串联套设在所述第二静子上且位于所述第二静子和所述转子之间，

所述止推电磁轴承设置在所述第二静子上且位于所述径向凹槽中，

优选地，上述第一静子和所述第二静子之间以及所述第二静子和所述转子之间均设置有二次密封圈。

本发明提供的适用于高压差环境下的动封严结构，用于高压差环境中的转子和静子之间的动密封，所述静子具有第一静子和第二静子，所述转子上设置有止推定位块，所述止推定位块位于所述第一静子和所述第二静子之间的径向凹槽中，包括径向电磁轴承、止推电磁轴承和磁流体密封装置，所述径向电磁轴承套设在所述静子上且位于所述静子和所述转子之间，所述磁流体密封装置套设在所述静子上且位于所述静子和所述转子之间，所述止推电磁轴承设置在所述静子上且位于所述径向凹槽中。

由于引入的电磁轴承技术取消了常规轴承油脂润滑等问题，避免了油气污染高压工质等问题，与此同时采用磁流体密封技术，以保证整个高压系统中高压工质的零泄漏或具有很小的泄漏量，从而同时达到对高压系统内转子支承与对高压差条件下转子静子间动封严的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的适用于高压差环境下的动封严结构的第一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的适用于高压差环境下的动封严结构的第二种具体实施方式的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的适用于高压差环境下的动封严结构的第三种具体实施方式的结构示意图。

上图1-3中：

高压系统1、高压工质2、第一静子3、径向电磁轴承4、放大器5、转子6、控制器7、第一传感器8、止推电磁轴承9、第二传感器10、磁流体密封装置11、密封装置12、外界低压环境13、前外环锁紧螺母14、励磁线圈15、二次密封圈16、止推定位块17、径向定位器18、第二静子19、励磁线圈20、二次密封圈21、励磁线圈22、极靴23、后外环锁紧螺母24、轴承锁紧螺母25、二次密封圈26、另一个磁流体密封装置27、励磁线圈28、极靴29、另一个后外环锁紧螺母30、二次密封圈31。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1-图3，图1为本发明实施例提供的适用于高压差环境下的动封严结构的第一种具体实施方式的结构示意图；图2为本发明实施例提供的适用于高压差环境下的动封严结构的第二种具体实施方式的结构示意图；图3为本发明实施例提供的适用于高压差环境下的动封严结构的第三种具体实施方式的结构示意图。

本发明实施例提供的适用于高压差环境下的动封严结构，用于高压差环境中的转子6和静子之间的动密封，静子具有第一静子3和第二静子19，转子6上设置有止推定位块17，止推定位块17位于第一静子3和第二静子19之间的径向凹槽中，本发明实施例提供的适用于高压差环境下的动封严结构包括径向电磁轴承4、止推电磁轴承9和磁流体密封装置11，径向电磁轴承4套设在静子上且位于静子和转子6之间，磁流体密封装置11套设在静子上且位于静子和转子6之间，止推电磁轴承9设置在静子上且位于径向凹槽中。

由于引入的电磁轴承技术取消了常规轴承油脂润滑等问题，避免了油气污染高压工质等问题，与此同时采用磁流体密封技术，以保证整个高压系统1中高压工质的零泄漏或具有很小的泄漏量，从而同时达到对高压系统1内转子支承与对高压差条件下转子静子间动封严的目的。

由于径向电磁轴承4无需润滑，径向电磁轴承4和磁流体密封装置11安装顺序没有要求，既可以是磁流体密封装置11安装在低压侧，径向电磁轴承4安装在高压侧，也可以是磁流体密封装置11安装在高压侧，径向电磁轴承4安装在低压侧。为了方便理解，以下均以磁流体密封装置11安装在低压侧，径向电磁轴承4安装在高压侧进行说明。

其中，本文中的高压工质2为气态或超临界状态，高压差环境即高压系统1的压差环境，是指系统中工质压力高于外界低压环境13压力1～500倍的工作系统，外界低压环境13的压力为0～50MPa。

为了进一步优化上述方案，上述的适用于高压差环境下的动封严结构还包括设置在静子上的用于监测转子6的径向位置的第一传感器8、设置在径向凹槽中的用于监测转子6的轴向位置的第二传感器10以及与第一传感器8和第二传感器10通信连接的控制器7，控制器7根据第一传感器8和第二传感器10的位置信号控制径向电磁轴承4和止推电磁轴承9。具体在使用时，通过第一传感器8和第二传感器10监测转子6的径向和轴向位置并将位置信号传输至控制器7，接受到反馈信号的控制器7发出指令给放大器5，进而控制径向电磁轴承4与止推电磁轴承9的位置。

其中，径向电磁轴承4和止推电磁轴承9各为多极结构或者单级结构。径向电磁轴承4和止推电磁轴承9各为一个或者多个串联设置。磁流体密封装置11为一级或者多级串联设置。

为了进一步优化上述方案，第二静子19和转子6之间还设置有密封装置12，密封装置12为常规的接触密封装置或者非接触密封装置。那么通过在径向电磁轴承4和止推电磁轴承9的外侧，即靠近低压环境的一侧，只利用磁流体密封装置11或着同时利用磁流体密封装置11与常规的接触/非接触密封组合的方式实现对高压工质2的动封严，以有效阻止高压差条件下转子6和静子交界位置处高压工质2向外侧低压环境的泄漏。其中，密封装置12可以为篦齿密封、迷宫密封、浮环密封、螺旋密封、石墨密封、弹性开口环密封、刷式密封。其中，转子6可以为轴。静子3为相对于高压系统1静止的零部件，包括机匣、轴承座、承力结构、机器或设备的壳体。第一静子3和第二静19子之间以及第二静子19和转子6之间均设置有二次密封圈。

具体实施时，是在某超临界二氧化碳循环发电机高压系统上实施的，该高压系统1为闭式循环系统，其中的高压工质2为超临界二氧化碳，高压系统1侧超临界氦的压力为18MPa，温度为550K，高压系统1内循环使用的超临界二氧化碳的流量为70kg/s，外界低压环境13侧压力为0.1MPa。

在第一种具体实施方式中，如图1所示，径向电磁轴承4套设在第一静子3上且位于第一静子3和转子6之间，磁流体密封装置11套设在第二静子19上且位于第二静子19和转子6之间，止推电磁轴承9为两个，其中一个设置在第一静子3上位于径向凹槽中，另外一个设置在第二静子19上且位于径向凹槽中，第二静子19和转子6之间还设置有密封装置12，密封装置12为常规的接触密封装置或者非接触密封装置，密封装置12位于止推定位块17和磁流体密封装置11之间。

此时，止推电磁轴承9为多个串联设置，径向电磁轴承4和磁流体密封装置11为一个，常规的密封装置12为两个，分别位于磁流体密封装置11的前后。

在第二种具体实施方式中，如图2所示，径向电磁轴承4套设在第一静子3上且位于第一静子3和转子6之间，磁流体密封装置11套设在第二静子19上且位于第二静子19和转子6之间，止推电磁轴承9设置在第二静子19上且位于径向凹槽中，第二静子19和转子6之间还设置有密封装置12，密封装置12为常规的接触密封装置或者非接触密封装置，密封装置12位于止推定位块17和磁流体密封装置11之间。

此时，止推电磁轴承9为一个，径向电磁轴承4和磁流体密封装置11为一个。

整个支承与密封结构包括转动部分、静止部分和二次密封圈，支承采用径向电磁轴承4和止推电磁轴承9的方式，密封采用磁流体密封和常规密封组合的方式。其中径向电磁轴承4的静止部分包括：励磁线圈15、第一传感器8；止推电磁轴承9的静止部分包括：励磁线圈20、径向定位器18、第二传感器10；磁流体密封装置11的静止部分包括：励磁线圈22、极靴23；控制器7的静止部分包括：放大器5、控制器本体。二次密封圈包括：位于第一静子3和第二静子19之间的一个二次密封圈16，位于磁流体密封装置11外侧的一个二次密封圈21，位于轴承锁紧螺母与转子之间的一个二次密封圈26。

各零部件布局方式为：径向电磁轴承4安装在转子6和第一静子3之间，并分别通过前外环锁紧螺母14在转子6和第一静子3上定位；止推定位块17通过轴承锁紧螺母25固定在转子6上；止推电磁轴承9通过径向定位器18安装在在第二静子19上，第一静子3和第二静子19之间设有二次密封圈16。常规的密封装置12安装在轴承锁紧螺母25之上。磁流体密封装置11通过后外环锁紧螺母24固定在第二静子19之上。控制器7安装在第一静子3和第二静子19之外。

本实施例的工作原理如下：在转子6转动时，高压系统1中的高压工质2流经径向电磁轴承4和止推电磁轴承9，由于电磁轴承具备较高的承载能力，并且无需润滑冷却，因此，减少了常规布局中滑油冷却系统；在流经径向电磁轴承4和止推电磁轴承9后，高压工质2通过常规的密封装置12，降低后续磁流体封严的压力。最后，高压工质2被阻隔在磁流体密封装置11之前。在本实施例中采用多个二次密封圈，用于密封相对静止的各接触面。由于磁流体密封技术的引入，整个流程中高压工质，可实现无泄漏或者微小泄漏。

在第三种具体实施方式中，如图3所示，径向电磁轴承4套设在第一静子3上且位于第一静子3和转子6之间，磁流体密封装置11为两个串联套设在第二静子19上且位于第二静子19和转子6之间，止推电磁轴承9设置在第二静子19上且位于径向凹槽中。

此时，止推电磁轴承9为一个，径向电磁轴承4为一个，磁流体密封装置11为两个。

支承采用径向电磁轴承4和止推电磁轴承9的方式，密封采用两级磁流体密封的方式，即在原有的密封磁流体装置11的基础上添加另一个磁流体密封装置27。

整个支承与密封结构包括转动部分、静止部分和二次密封圈，转动部分由转子6、止推定位块17和轴承锁紧螺母25组成。静止部分由第一静子3、第二静子19、前外环锁紧螺母14、两个后外环锁紧螺母、径向电磁轴承4、止推电磁轴承9、控制器7、磁流体密封装置11以及另一个磁流体密封装置27的静止部分，其中，径向电磁轴承的4静止部分包括：励磁线圈15、第一传感器8；止推电磁轴承9的静止部分包括：励磁线圈20、径向定位器18、第二传感器10；磁流体密封装置11的静止部分包括：励磁线圈22、极靴23；另一个磁流体密封装置27静止部分包括：励磁线圈28、极靴29；控制器7静止部分包括：放大器5、控制器本体。二次密封圈包括：位于第一静子3和第二静子19之间的一个二次密封圈16，位于磁流体密封装置11外侧的一个二次密封圈21，位于轴承锁紧螺母25与转子6之间的一个二次密封圈26，位于另一个磁流体密封装置27外侧的一个二次密封圈31。

各零部件布局方式为：径向电磁轴承4安装在转子6和第一静子3之间，并分别通过前外环锁紧螺母14在转子6和静子3上定位；止推定位块17通过轴承锁紧螺母25固定在转子6上；止推电磁轴承9通过径向定位器18安装在在第二静子19上，第一静子3和第二静子19之间设有二次密封圈16。常规的密封装置12安装在轴承锁紧螺母25之上。由于采用了两个磁流体密封装置，所以同时需要采用两个后外环锁紧螺母，磁流体密封装置11和另一个磁流体密封装置27分别通过后外环锁紧螺母24和另一个后外环锁紧螺母27固定在第二静子19之上。控制器7安装在第一静子3和第二静子19之外。

本实施例的工作原理如下：在转子6转动时，高压系统1中的高压工质2流经径向电磁轴承4和止推电磁轴承9，由于电磁轴承具备较高的承载能力，并且无需润滑冷却，因此，减少了常规布局中滑油冷却系统；在流经径向电磁轴承4和止推电磁轴承9后，高压工质2通过两个磁流体密封装置。在本实施例中采用多个二次密封圈，用于密封相对静止的各接触面。由于磁流体密封技术的引入，整个流程中高压工质，可实现无泄漏或者微小泄漏。

本发明提供的适用于高压差环境下的动封严结构与现有的技术相比优势在于：

(1)提出了一种适用于高压差环境下的新型支承动封严结构布局，能够同时解决高压系统内转子支承和高压差环境下转静子间动封严的问题，且与现有技术相比可以使高压系统内转子支承和高压差环境下转静子间动封严结构得到大幅度简化、综合性能得到有效提升；

(2)在高压系统侧布置电磁轴承，使得电磁轴承处于高压工作环境中，利用电磁轴承的高承载能力实现对高压系统内转子的可靠支承，从而避免了传统高压系统转子利用常规滑动/滚动轴承进行支承而带来的冷却与润滑困难及结构复杂的问题，使得支承结构大幅度简化；

(3)采用磁流体密封或磁流体密封与常规接触/非接触密封组合的方式对高压系统内高压工质实施动封严，以保证整个高压系统中高压工质的零泄漏或具有很小的泄漏量。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种适用于高压差环境下的动封严结构，用于高压差环境中的转子和静子之间的动密封，所述静子具有第一静子和第二静子，所述转子上设置有止推定位块，所述止推定位块位于所述第一静子和所述第二静子之间的径向凹槽中，

其特征在于，包括径向电磁轴承、止推电磁轴承和磁流体密封装置，

所述径向电磁轴承套设在所述静子上且位于所述静子和所述转子之间，

所述磁流体密封装置套设在所述静子上且位于所述静子和所述转子之间，

所述止推电磁轴承设置在所述静子上且位于所述径向凹槽中。

2.根据权利要求1所述的适用于高压差环境下的动封严结构，其特征在于，还包括设置在所述静子上的用于监测所述转子的径向位置的第一传感器、设置在所述径向凹槽中的用于监测所述转子的轴向位置的第二传感器以及与所述第一传感器和所述第二传感器通信连接的控制器，所述控制器根据所述第一传感器和所述第二传感器的位置信号控制所述径向电磁轴承和所述止推电磁轴承。

3.根据权利要求1所述的适用于高压差环境下的动封严结构，其特征在于，所述径向电磁轴承和所述止推电磁轴承各为多极结构或者单级结构。

4.根据权利要求1所述的适用于高压差环境下的动封严结构，其特征在于，所述径向电磁轴承和所述止推电磁轴承各为一个或者多个串联设置。

5.根据权利要求1所述的适用于高压差环境下的动封严结构，其特征在于，所述磁流体密封装置为一级或者多级串联设置。

6.根据权利要求1所述的适用于高压差环境下的动封严结构，其特征在于，所述第二静子和所述转子之间还设置有密封装置，所述密封装置为接触密封装置或者非接触密封装置。

7.根据权利要求1所述的适用于高压差环境下的动封严结构，其特征在于，所述径向电磁轴承套设在所述第一静子上且位于所述第一静子和所述转子之间，

所述磁流体密封装置套设在所述第二静子上且位于所述第二静子和所述转子之间，

所述止推电磁轴承为两个，其中一个设置在所述第一静子上位于所述径向凹槽中，

另外一个设置在所述第二静子上且位于所述径向凹槽中，

所述第二静子和所述转子之间还设置有密封装置，所述密封装置为接触密封装置或者非接触密封装置，所述密封装置位于所述止推定位块和所述磁流体密封装置之间。

8.根据权利要求1所述的适用于高压差环境下的动封严结构，其特征在于，所述径向电磁轴承套设在所述第一静子上且位于所述第一静子和所述转子之间，

所述磁流体密封装置套设在所述第二静子上且位于所述第二静子和所述转子之间，

所述止推电磁轴承设置在所述第二静子上且位于所述径向凹槽中，

所述第二静子和所述转子之间还设置有接触密封装置或者非接触密封装置，所述接触密封装置或者所述非接触密封装置位于所述止推定位块和所述磁流体密封装置之间。

9.根据权利要求1所述的适用于高压差环境下的动封严结构，其特征在于，所述径向电磁轴承套设在所述第一静子上且位于所述第一静子和所述转子之间，

所述磁流体密封装置为两个串联套设在所述第二静子上且位于所述第二静子和所述转子之间，

所述止推电磁轴承设置在所述第二静子上且位于所述径向凹槽中。

10.根据权利要求1所述的适用于高压差环境下的动封严结构，其特征在于，所述第一静子和所述第二静子之间以及所述第二静子和所述转子之间均设置有二次密封圈。