CN109029991A - 流体热源超临界工质透平主轴冷却实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了流体热源超临界工质透平主轴冷却实验装置，包括高温环腔端盖、低温环腔壳体、低温环腔端盖、透平轮盘、主轴、轴端垫片、密封段、密封固定环、端盖隔热垫、隔热密封、主轴环腔静密封、高温环腔进口、高温环腔出口、低温环腔进口、低温环腔出口和多个温度传感器，该装置通过在高温环腔用热源流体加热轮盘模拟叶片轮盘实际工况时的热量输入，在低温环腔内使冷却工质通过密封段和主轴的间隙模拟主轴冷却过程，通过对热源流体和冷却工质的进出口压差调节、密封段和主轴的间隙的选取可实现对超临界工质透平轮盘主轴两侧的真实流动状态的模拟，进而实现对超临界工质透平轮盘主轴各工况温度梯度的计算，本发明为超临界工质透平轮盘主轴冷却实验提供一种有效的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种流体热源超临界工质透平主轴冷却实验装置。
背景技术
在新型中小功率等级的超临界二氧化碳布雷顿循环或Allam循环系统中，为了提高循环效率，在超临界工质透平轮盘工质温度一般在500至1300℃之间，且中小功率等级的超临界工质透平体积小，而主轴的轴端工作温度小于200℃，所以如果透平主轴冷气结构设计不合理，会导致透平主轴断裂并产生严重生产事故。故在中小功率等级的超临界工质透平的主轴的设计过程中，需要其设计方法进行冷却结构的实验验证，以确保主轴的轴端不超温、主轴不存在热应力集中的问题，进而确保中小功率等级的超临界工质透平的主轴设计方案安全可靠。尚无实验装置和技术可以对中小功率等级的超临界工质透平的主轴开展冷却实验。
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流体热源超临界工质透平主轴冷却实验装置，通过设计透平轮盘主轴试验段、密封段、隔热密封、若干静密封、热源流体进出口、冷却流体进出口、固定环及壳体，将热源流体引入透平轮盘所在的高温环腔，对透平轮盘进行加热至指定实验温度，将冷却工质引入主轴所在的壳体环腔，使其通过密封段和主轴的间隙，对主轴冷却后流出主轴所在的低温环腔，冷却工质在流动过程中带走了主轴的表面热量，通过对热源流体和冷却工质的进出口压差调节、密封段和主轴的间隙的选取可实现对超临界工质透平轮盘主轴两侧的真实流动状态的模拟，进而实现对超临界工质透平轮盘主轴各工况温度梯度的计算。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
流体热源超临界工质透平主轴冷却实验装置，包括高温环腔端盖1、低温环腔壳体2、低温环腔端盖3、透平轮盘4、主轴5、轴端垫片6、密封段7、密封固定环8、端盖隔热垫9、隔热密封10、主轴环腔静密封11、高温环腔进口12、高温环腔出口13、低温环腔进口14、低温环腔出口15和多个温度传感器；其中低温环腔壳体2由一个环形套筒、一个带有中心圆孔的环和一个环形阶梯构成，上述环形阶梯位于环形套筒和带有中心圆孔的环的连接位置处的内侧，低温环腔壳体2上含有一个或多个低温环腔进口14和一个或多个低温环腔出口15，低温环腔出口15穿过上述环形阶梯，主轴5位于低温环腔壳体2的带有中心圆孔的环的内侧，主轴5通过主轴环腔静密封11与低温环腔壳体2的带有中心圆孔的环的内表面紧固，透平轮盘4的中部与主轴5相连，密封固定环8为环形套筒，密封固定环8的外壁面与低温环腔壳体2的环形套筒的内壁面为过盈配合，密封固定环8的内壁面与主轴5的外表面间留有间隙，密封段7固定于密封固定环8的内壁面，密封固定环8的内轴向端面由低温环腔壳体2的环形阶梯固定，低温环腔壳体2的环形套筒的外端面、密封固定环8的外轴向端面均由低温环腔端盖3固定，主轴5的外端面通过轴端垫片6后由低温环腔端盖3固定，低温环腔壳体2的中心圆孔的环的外端面的中部通过隔热密封10与透平轮盘4紧固，低温环腔壳体2的中心圆孔的环的外端面的外部通过隔热密封10与高温环腔端盖1的环形外端面紧固，高温环腔端盖1的内端面含有一个或多个凸起结构，上述凸起结构通过端盖隔热垫9与透平轮盘4外端面紧固，高温环腔端盖1上含有一个或多个高温环腔进口12和一个或多个高温环腔出口13，透平轮盘4和主轴5上均设置有温度传感器；该装置具有一个高温环腔和一个低温环腔，所述高温环腔由高温环腔端盖1的内表面、透平轮盘4的外表面、隔热密封10的外表面围成，所述低温环腔由低温环腔壳体2的内表面、主轴5的外表面、密封段7的外表面、密封固定环8的内外轴向端面和内表面、低温环腔端盖3的内表面、轴端固定环6的外表面、密封段7的外表面、密封段固定环8的外表面围成；在高温环腔内，通过控制高温环腔进口12和高温环腔出口13的压差调节流经高温环腔的热源流体质量流量，热源流体将热量传递给透平轮盘4，透平轮盘4将热量传递给主轴5，在低温环腔内，通过控制低温环腔出口15和低温环腔进口14的压差调节流经低温环腔的冷却工质的质量流量，主轴5将热量传递给冷却工质，通过监测透平轮盘4的温度和主轴5的外表面温度获得不同工况下主轴的温度梯度的实验数据。
还包括固定支架17，固定支架17与高温环腔壳体1或低温环腔壳体2或低温环腔端部壳体3的外部相连，起固定作用。
所述密封固定环8的内壁面与主轴5的外表面间的间隙为0.1cm-5cm。
所述高温环腔进口12、高温环腔出口13、低温环腔进口14、低温环腔出口15均为孔状结构。
所述的透平轮盘4和主轴5为一体式加工成型或分体加工套装形式连接成型。
所述的低温环腔进口14和低温环腔出口15的位置能够互换。
所述的高温环腔进口12、高温环腔出口13、低温环腔出口15和低温环腔进口14位置处均设置有温度传感器、压力传感器和流量传感器。
在透平轮盘4的径向外缘环面上设置有至少一个第一温度传感器16-1，在透平轮盘4的端面中心处设置有一个第二温度传感器16-2，在密封段7的一端对应的主轴5表面处设置有第三温度传感器16-3，在密封段7中部对应的主轴5表面上均匀设置有一个或多个第四温度传感器16-4，在密封段7的另一端对应的主轴5表面处设置有第五温度传感器16-5，在主轴5位于临近低温环腔端盖3的端部圆形表面的圆心处设置有第六温度传感器16-6。
本发明的有益效果在于：
目前，尚未见到可以用于解决超临界二氧化碳布雷顿循环或Allam循环系统中超临界工质热源透平轮盘主轴冷却实验难题的有效技术方案。本发明提出了流体热源超临界工质透平主轴冷却实验装置，通过在一个环腔用热源流体加热轮盘模拟叶片轮盘实际工况时的热量输入，在另一个环腔内使冷却工质通过密封段和主轴的间隙模拟主轴冷却过程，通过对热源流体和冷却工质的进出口压差调节、密封段和主轴的间隙的控制可实现对超临界工质透平轮盘主轴两侧的真实流动状态的模拟，进而实现对超临界工质透平轮盘主轴各工况温度梯度的计算，该方案可为超临界工质透平轮盘主轴冷却实验提供一种有效的解决方案。此外，低温环腔壳体2的一个端面设置有隔热密封10，使高温环腔壳体1、透平轮盘4、高温环腔的高温气体不能向低温环腔壳体2进行热量传导，确保了冷气带走的热量均来自透平轮盘4向主轴5的热传导，确保了实验数据的准确性。
附图说明
图1是本发明流体热源超临界工质透平主轴冷却实验装置的示意图。
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所示，本发明流体热源超临界工质透平主轴冷却实验装置，包括高温环腔端盖1、低温环腔壳体2、低温环腔端盖3、透平轮盘4、主轴5、轴端垫片6、密封段7、密封固定环8、端盖隔热垫9、隔热密封10、主轴环腔静密封11、高温环腔进口12、高温环腔出口13、低温环腔进口14、低温环腔出口15和多个温度传感器；其中低温环腔壳体2由一个环形套筒、一个带有中心圆孔的环和一个环形阶梯构成，上述环形阶梯位于环形套筒和带有中心圆孔的环的连接位置处的内侧，低温环腔壳体2上含有一个或多个低温环腔进口14和一个或多个低温环腔出口15，低温环腔出口15穿过上述环形阶梯，主轴5位于低温环腔壳体2的带有中心圆孔的环的内侧，主轴5通过主轴环腔静密封11与低温环腔壳体2的带有中心圆孔的环的内表面紧固，透平轮盘4的中部与主轴5相连，密封固定环8为环形套筒，密封固定环8的外壁面与低温环腔壳体2的环形套筒的内壁面为过盈配合，密封固定环8的内壁面与主轴5的外表面间留有间隙，密封段7固定于密封固定环8的内壁面，密封固定环8的内轴向端面由低温环腔壳体2的环形阶梯固定，低温环腔壳体2的环形套筒的外端面、密封固定环8的外轴向端面均由低温环腔端盖3固定，主轴5的外端面通过轴端垫片6后由低温环腔端盖3固定，低温环腔壳体2的中心圆孔的环的外端面的中部通过隔热密封10与透平轮盘4紧固，低温环腔壳体2的中心圆孔的环的外端面的外部通过隔热密封10与高温环腔端盖1的环形外端面紧固，高温环腔端盖1的内端面含有一个或多个凸起结构，上述凸起结构通过端盖隔热垫9与透平轮盘4外端面紧固，高温环腔端盖1上含有一个或多个高温环腔进口12和一个或多个高温环腔出口13，透平轮盘4和主轴5上均设置有温度传感器；该装置具有一个高温环腔和一个低温环腔，所述高温环腔由高温环腔端盖1的内表面、透平轮盘4的外表面、隔热密封10的外表面围成，所述低温环腔由低温环腔壳体2的内表面、主轴5的外表面、密封段7的外表面、密封固定环8的内外轴向端面和内表面、低温环腔端盖3的内表面、轴端固定环6的外表面、密封段7的外表面、密封段固定环8的外表面围成；在高温环腔内，通过控制高温环腔进口12和高温环腔出口13的压差调节流经高温环腔的热源流体质量流量，热源流体将热量传递给透平轮盘4，透平轮盘4将热量传递给主轴5，在低温环腔内，通过控制低温环腔出口15和低温环腔进口14的压差调节流经低温环腔的冷却工质的质量流量，主轴5将热量传递给冷却工质，通过监测透平轮盘4的温度和主轴5的外表面温度获得不同工况下主轴的温度梯度的实验数据。
作为本发明的优选实施方式，还包括固定支架17，固定支架17与高温环腔壳体1或低温环腔壳体2或低温环腔端部壳体3的外部相连，起固定作用。
作为本发明的优选实施方式，所述密封固定环8的内壁面与主轴5的外表面间的间隙为0.1cm-5cm。
作为本发明的优选实施方式，所述高温环腔进口12、高温环腔出口13、低温环腔进口14、低温环腔出口15均为孔状结构。
作为本发明的优选实施方式，所述的透平轮盘4和主轴5为一体式加工成型或分体加工套装形式连接成型。
作为本发明的优选实施方式，所述的低温环腔进口14和低温环腔出口15的位置能够互换。
作为本发明的优选实施方式，所述的高温环腔进口12、高温环腔出口13、低温环腔出口15和低温环腔进口14位置处均设置有温度传感器、压力传感器和流量传感器。
作为本发明的优选实施方式，在透平轮盘4的径向外缘环面上设置有至少一个第一温度传感器16-1，在透平轮盘4的端面中心处设置有一个第二温度传感器16-2，在密封段7的一端对应的主轴5表面处设置有第三温度传感器16-3，在密封段7中部对应的主轴5表面上均匀设置有一个或多个第四温度传感器16-4，在密封段7的另一端对应的主轴5表面处设置有第五温度传感器16-5，在主轴5位于临近低温环腔端盖3的端部圆形表面的圆心处设置有第六温度传感器16-6。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.流体热源超临界工质透平主轴冷却实验装置，其特征在于：所述装置包括高温环腔端盖(1)、低温环腔壳体(2)、低温环腔端盖(3)、透平轮盘(4)、主轴(5)、轴端垫片(6)、密封段(7)、密封固定环(8)、端盖隔热垫(9)、隔热密封(10)、主轴环腔静密封(11)、高温环腔进口(12)、高温环腔出口(13)、低温环腔进口(14)、低温环腔出口(15)和多个温度传感器；其中低温环腔壳体(2)由一个环形套筒、一个带有中心圆孔的环和一个环形阶梯构成，上述环形阶梯位于环形套筒和带有中心圆孔的环的连接位置处的内侧，低温环腔壳体(2)上含有一个或多个低温环腔进口(14)和一个或多个低温环腔出口(15)，低温环腔出口(15)穿过上述环形阶梯，主轴(5)位于低温环腔壳体(2)的带有中心圆孔的环的内侧，主轴(5)通过主轴环腔静密封(11)与低温环腔壳体(2)的带有中心圆孔的环的内表面紧固，透平轮盘(4)的中部与主轴(5)相连，密封固定环(8)为环形套筒，密封固定环(8)的外壁面与低温环腔壳体(2)的环形套筒的内壁面为过盈配合，密封固定环(8)的内壁面与主轴(5)的外表面间留有间隙，密封段(7)固定于密封固定环(8)的内壁面，密封固定环(8)的内轴向端面由低温环腔壳体(2)的环形阶梯固定，低温环腔壳体(2)的环形套筒的外端面、密封固定环(8)的外轴向端面均由低温环腔端盖(3)固定，主轴(5)的外端面通过轴端垫片(6)后由低温环腔端盖(3)固定，低温环腔壳体(2)的中心圆孔的环的外端面的中部通过隔热密封(10)与透平轮盘(4)紧固，低温环腔壳体(2)的中心圆孔的环的外端面的外部通过隔热密封(10)与高温环腔端盖(1)的环形外端面紧固，高温环腔端盖(1)的内端面含有一个或多个凸起结构，上述凸起结构通过端盖隔热垫(9)与透平轮盘(4)外端面紧固，高温环腔端盖(1)上含有一个或多个高温环腔进口(12)和一个或多个高温环腔出口(13)，透平轮盘(4)和主轴(5)上均设置有温度传感器；该装置具有一个高温环腔和一个低温环腔，所述高温环腔由高温环腔端盖(1)的内表面、透平轮盘(4)的外表面、隔热密封(10)的外表面围成，所述低温环腔由低温环腔壳体(2)的内表面、主轴(5)的外表面、密封段(7)的外表面、密封固定环(8)的内外轴向端面和内表面、低温环腔端盖(3)的内表面、轴端固定环(6)的外表面、密封段(7)的外表面、密封段固定环(8)的外表面围成；在高温环腔内，通过控制高温环腔进口(12)和高温环腔出口(13)的压差调节流经高温环腔的热源流体质量流量，热源流体将热量传递给透平轮盘(4)，透平轮盘(4)将热量传递给主轴(5)，在低温环腔内，通过控制低温环腔出口(15)和低温环腔进口(14)的压差调节流经低温环腔的冷却工质的质量流量，主轴(5)将热量传递给冷却工质，通过监测透平轮盘(4)的温度和主轴(5)的外表面温度获得不同工况下主轴的温度梯度的实验数据。
2.根据权利要求1所述的流体热源超临界工质透平主轴冷却实验装置，其特征在于：还包括固定支架(17)，固定支架(17)与高温环腔壳体(1)或低温环腔壳体(2)或低温环腔端部壳体(3)的外部相连，起固定作用。
3.根据权利要求1所述的流体热源超临界工质透平主轴冷却实验装置，其特征在于：所述密封固定环(8)的内壁面与主轴(5)的外表面间的间隙为0.1cm-5cm。
4.根据权利要求1所述的流体热源超临界工质透平主轴冷却实验装置，其特征在于：所述高温环腔进口(12)、高温环腔出口(13)、低温环腔进口(14)、低温环腔出口(15)均为孔状结构。
5.根据权利要求1所述的流体热源超临界工质透平主轴冷却实验装置，其特征在于：所述的透平轮盘(4)和主轴(5)为一体式加工成型或分体加工套装形式连接成型。
6.根据权利要求1所述的流体热源超临界工质透平主轴冷却实验装置，其特征在于：所述的低温环腔进口(14)和低温环腔出口(15)的位置能够互换。
7.根据权利要求1所述的流体热源超临界工质透平主轴冷却实验装置，其特征在于：所述的高温环腔进口(12)、高温环腔出口(13)、低温环腔出口(15)和低温环腔进口(14)位置处均设置有温度传感器、压力传感器和流量传感器。
8.根据权利要求1所述的流体热源超临界工质透平主轴冷却实验装置，其特征在于：在透平轮盘(4)的径向外缘环面上设置有至少一个第一温度传感器(16-1)，在透平轮盘(4)的端面中心处设置有一个第二温度传感器(16-2)，在密封段(7)的一端对应的主轴(5)表面处设置有第三温度传感器(16-3)，在密封段(7)中部对应的主轴(5)表面上均匀设置有一个或多个第四温度传感器(16-4)，在密封段(7)的另一端对应的主轴(5)表面处设置有第五温度传感器(16-5)，在主轴(5)位于临近低温环腔端盖(3)的端部圆形表面的圆心处设置有第六温度传感器(16-6)。
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