CN109186986B - 电热源超临界工质透平主轴冷却实验装置 - Google Patents

电热源超临界工质透平主轴冷却实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了电热源超临界工质透平主轴冷却实验装置,该装置包括电加热腔室壳体、低温腔室壳体、低温腔室端部壳体、透平轮盘、主轴、轴端固定环、密封段及其固定环、若干静密封、电源正负极接口、低温腔室进出口、高温导热电阻、接线柱、导线、若干隔热垫片、和温度传感器,该装置通过在一个腔室内用热电阻加热轮盘模拟叶片轮盘实际工况时的热量输入,在另一个腔室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,通过对电源电压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,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

电热源超临界工质透平主轴冷却实验装置
技术领域
本发明涉及一种电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电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、若干隔热段、静密封、高温导热电阻、冷却流体进出口、固定环及壳体,使电功率通过若干高温导热电阻转化的热功率加热轮盘,将轮盘加热至指定实验温度后,将冷却工质引入主轴所在的壳体腔室,使其通过密封段和主轴的间隙,冷却工质对主轴冷却后流出主轴所在的壳体腔室,并在流动过程中带走了主轴的表面热量,通过对电源输入功率的调节、冷却工质的进出口压差的调节、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。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的:
电热源超临界工质透平主轴冷却实验装置,包括电加热腔室壳体1、低温腔室壳体2、低温腔室端部壳体3、透平轮盘4、主轴5、轴端固定环6、密封段7、密封段固定环8、轮盘隔热垫片9、轮盘低温腔室隔热垫片10、主轴低温腔室静密封11、电源正极接口12、电源负极接口13、低温腔室进口14、低温腔室出口15、高温导热电阻16、接线柱17、导线18、高低温腔室隔热垫片19和多个温度传感器,其中电加热腔室壳体1的整体形状为一端面开孔的中空盘状,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,带有中心圆孔的环位于电加热腔室壳体1端面的开孔内,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通过主轴低温腔室静密封11与低温腔室壳体2的带有中心圆孔的环的内表面紧固,透平轮盘4位于加热腔室壳体1内,其中部与主轴5相连,密封段固定环8为环形套筒,密封段固定环8的外壁面与低温腔室壳体2的环形套筒的内壁面为过盈配合,密封段固定环8的内壁面与主轴5的外表面间留有间隙,密封段7固定于密封段固定环8的内壁面,密封段固定环8的内轴向端面由低温腔室壳体2的环形阶梯固定,低温腔室壳体2的环形套筒侧的外端面和密封段固定环8的外轴向端面均由低温腔室端部壳体3固定,主轴5的外端面通过轴端固定环6后由低温腔室端部壳体3固定,低温腔室壳体2的中心圆孔的环的外端面的中部通过轮盘低温腔室隔热密封10与透平轮盘4紧固,低温腔室壳体2的中心圆孔的环的外端面的外部通过高低温腔室隔热垫片19与电加热腔室壳体1的环形径向端面紧固,电加热腔室壳体1与其端面的开孔相对的内端面设置有一个或多个凸起结构,上述凸起结构通过轮盘隔热垫片9与透平轮盘4外端面紧固,电加热腔室壳体1上含有一个或多个电源正极接口12和一个或多个电源负极接口13,高温导热电阻16与透平轮盘4的径向端面相连,接线柱17与高温导热电阻16相连,接线柱17与导线18相连,导线18穿出电源正极接口12或电源负极接口13与实验装置外侧的电源电极相连,多个温度传感器位于透平轮盘4和主轴5上;所述装置具有一个电加热环腔和一个低温环腔,所述电加热环腔由电加热腔室壳体1的内表面、透平轮盘4的外表面、轮盘低温腔室隔热垫片10外表面、高低温腔室隔热垫片19的外表面围成;所述低温环腔由低温腔室壳体2的内表面、主轴5的外表面、密封段7的外表面、密封段固定环8的内外轴向端面和内表面、低温腔室端部壳体3的内表面、轴端固定环6的外表面围成;在电加热环腔内,使电功率通过若干高温导热电阻转化的热功率加热透平轮盘4,通过控制电源正极接口11和电源负极接口12的电压,调节透平轮盘4的热量输入值,透平轮盘4将热量传递给主轴5,在低温环腔内,通过控制低温腔室出口15和低温腔室进口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20,固定支架20与电加热腔室壳体1或低温腔室壳体2或低温腔室端部壳体3的外表面相连。
所述的密封段固定环8的内壁面与主轴5的外表面间的间隙为0.1-5cm。
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。
所述的低温腔室进口14和低温腔室出口15的位置能够互换。
所述的低温腔室出口15和低温腔室进口14位置处均设置有温度传感器、压力传感器、流量传感器。
所述透平轮盘4的径向外缘环面上设置有至少一个第一温度传感器21-1,在透平轮盘4的端面中心处设置有一个第二温度传感器21-2,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21-3,在密封段7中部对应的主轴5表面上均匀设置有多个第四温度传感器21-4,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21-5,在主轴5端部圆形表面的圆心处设置有第六温度传感器21-6。
所述的高温导热电阻16的数量为大于或等于4的偶数,对于任意相邻的三个高温导热电阻16,中间的高温导热电阻16通过与之相连的接线柱17和导线18与加热电源的正极或负极相连,则两侧的两个高温导热电阻16通过与之相连的接线柱17和导线18与加热电源的负极或正极相连。
所述的高温导热电阻16的横截面面积从接线柱17端至透平轮盘4方向的数值变化趋势为先减小后增大或者先减小再稳定后增大。
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。本发明提出了电热源超临界工质透平主轴冷却实验装置,通过在一个密闭腔室内用电热源加热轮盘模拟叶片轮盘实际工况时的热量输入,在另一个密闭腔室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,通过对输入电功率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,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,采用从接线柱17端至透平轮盘4方向的横截面面积数值变化趋势为先减小后增大或者先减小再稳定后增大的形状的高温导热电阻,可以增强高温导热电阻16的产热能力和向透平轮盘的导热能力;低温腔室壳体2的两个端面分别与轮盘低温腔室隔热垫片10和高低温腔室隔热垫片19相连,使电加热腔室壳体1、透平轮盘4、电加热腔室内的高温气体不能向低温腔室壳体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,确保了实验的准确性。
附图说明
图1是本发明电热源超临界工质透平主轴冷却实验装置的示意图。
图2是本发明电热源超临界工质透平主轴冷却实验装置的高温导热电阻及其连接关系示意图。
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和图2所示,本发明电热源超临界工质透平主轴冷却实验装置,包括电加热腔室壳体1、低温腔室壳体2、低温腔室端部壳体3、透平轮盘4、主轴5、轴端固定环6、密封段7、密封段固定环8、轮盘隔热垫片9、轮盘低温腔室隔热垫片10、主轴低温腔室静密封11、电源正极接口12、电源负极接口13、低温腔室进口14、低温腔室出口15、高温导热电阻16、接线柱17、导线18、高低温腔室隔热垫片19和多个温度传感器,其中电加热腔室壳体1的整体形状为一端面开孔的中空盘状,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,带有中心圆孔的环位于电加热腔室壳体1端面的开孔内,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通过主轴低温腔室静密封11与低温腔室壳体2的带有中心圆孔的环的内表面紧固,透平轮盘4位于加热腔室壳体1内,其中部与主轴5相连,密封段固定环8为环形套筒,密封段固定环8的外壁面与低温腔室壳体2的环形套筒的内壁面为过盈配合,密封段固定环8的内壁面与主轴5的外表面间留有间隙,密封段7固定于密封段固定环8的内壁面,密封段固定环8的内轴向端面由低温腔室壳体2的环形阶梯固定,低温腔室壳体2的环形套筒侧的外端面和密封段固定环8的外轴向端面均由低温腔室端部壳体3固定,主轴5的外端面通过轴端固定环6后由低温腔室端部壳体3固定,低温腔室壳体2的中心圆孔的环的外端面的中部通过轮盘低温腔室隔热密封10与透平轮盘4紧固,低温腔室壳体2的中心圆孔的环的外端面的外部通过高低温腔室隔热垫片19与电加热腔室壳体1的环形径向端面紧固,电加热腔室壳体1与其端面的开孔相对的内端面设置有一个或多个凸起结构,上述凸起结构通过轮盘隔热垫片9与透平轮盘4外端面紧固,电加热腔室壳体1上含有一个或多个电源正极接口12和一个或多个电源负极接口13,高温导热电阻16与透平轮盘4的径向端面相连,接线柱17与高温导热电阻16相连,接线柱17与导线18相连,导线18穿出电源正极接口12或电源负极接口13与实验装置外侧的电源电极相连,多个温度传感器位于透平轮盘4和主轴5上;所述装置具有一个电加热环腔和一个低温环腔,所述电加热环腔由电加热腔室壳体1的内表面、透平轮盘4的外表面、轮盘低温腔室隔热垫片10外表面、高低温腔室隔热垫片19的外表面围成;所述低温环腔由低温腔室壳体2的内表面、主轴5的外表面、密封段7的外表面、密封段固定环8的内外轴向端面和内表面、低温腔室端部壳体3的内表面、轴端固定环6的外表面围成;在电加热环腔内,使电功率通过若干高温导热电阻转化的热功率加热透平轮盘4,通过控制电源正极接口11和电源负极接口12的电压,调节透平轮盘4的热量输入值,透平轮盘4将热量传递给主轴5,在低温环腔内,通过控制低温腔室出口15和低温腔室进口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20,固定支架20与电加热腔室壳体1或低温腔室壳体2或低温腔室端部壳体3的外表面相连。
作为本发明的优选实施方式,所述的密封段固定环8的内壁面与主轴5的外表面间的间隙为0.1-5cm。
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,所述的低温腔室进口14和低温腔室出口15的位置能够互换。
作为本发明的优选实施方式,所述的低温腔室出口15和低温腔室进口14位置处均设置有温度传感器、压力传感器、流量传感器。
作为本发明的优选实施方式,所述透平轮盘4的径向外缘环面上设置有至少一个第一温度传感器21-1,在透平轮盘4的端面中心处设置有一个第二温度传感器21-2,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21-3,在密封段7中部对应的主轴5表面上均匀设置有多个第四温度传感器21-4,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21-5,在主轴5端部圆形表面的圆心处设置有第六温度传感器21-6。
作为本发明的优选实施方式,所述的高温导热电阻16的数量为大于或等于4的偶数,对于任意相邻的三个高温导热电阻16,中间的高温导热电阻16通过与之相连的接线柱17和导线18与加热电源的正极或负极相连,则两侧的两个高温导热电阻16通过与之相连的接线柱17和导线18与加热电源的负极或正极相连。
作为本发明的优选实施方式,所述的高温导热电阻16的横截面面积从接线柱17端至透平轮盘4方向的数值变化趋势为先减小后增大或者先减小再稳定后增大,可以增强高温导热电阻16的产热能力和向透平轮盘的导热能力。
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.电热源超临界工质透平主轴冷却实验装置,其特征在于:包括电加热腔室壳体(1)、低温腔室壳体(2)、低温腔室端部壳体(3)、透平轮盘(4)、主轴(5)、轴端固定环(6)、密封段(7)、密封段固定环(8)、轮盘隔热垫片(9)、轮盘低温腔室隔热垫片(10)、主轴低温腔室静密封(11)、电源正极接口(12)、电源负极接口(13)、低温腔室进口(14)、低温腔室出口(15)、高温导热电阻(16)、接线柱(17)、导线(18)、高低温腔室隔热垫片(19)和多个温度传感器,其中电加热腔室壳体(1)的整体形状为一端面开孔的中空盘状,低温腔室壳体(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,带有中心圆孔的环位于电加热腔室壳体(1)端面的开孔内,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,低温腔室壳体(2)上含有一个或多个低温腔室进口(14)和一个或多个低温腔室出口(15),低温腔室出口(15)穿过上述环形阶梯,主轴(5)位于低温腔室壳体(2)的带有中心圆孔的环的内侧,主轴(5)通过主轴低温腔室静密封(11)与低温腔室壳体(2)的带有中心圆孔的环的内表面紧固,透平轮盘(4)位于电加热腔室壳体(1)内,其中部与主轴(5)相连,密封段固定环(8)为环形套筒,密封段固定环(8)的外壁面与低温腔室壳体(2)的环形套筒的内壁面为过盈配合,密封段固定环(8)的内壁面与主轴(5)的外表面间留有间隙,密封段(7)固定于密封段固定环(8)的内壁面,密封段固定环(8)的内轴向端面由低温腔室壳体(2)的环形阶梯固定,低温腔室壳体(2)的环形套筒侧的外端面和密封段固定环(8)的外轴向端面均由低温腔室端部壳体(3)固定,主轴(5)的外端面通过轴端固定环(6)后由低温腔室端部壳体(3)固定,低温腔室壳体(2)的中心圆孔的环的外端面的中部通过轮盘低温腔室隔热垫片(10)与透平轮盘(4)紧固,低温腔室壳体(2)的中心圆孔的环的外端面的外部通过高低温腔室隔热垫片(19)与电加热腔室壳体(1)的环形径向端面紧固,电加热腔室壳体(1)与其端面的开孔相对的内端面设置有一个或多个凸起结构,上述凸起结构通过轮盘隔热垫片(9)与透平轮盘(4)外端面紧固,电加热腔室壳体(1)上含有一个或多个电源正极接口(12)和一个或多个电源负极接口(13),高温导热电阻(16)与透平轮盘(4)的径向端面相连,接线柱(17)与高温导热电阻(16)相连,接线柱(17)与导线(18)相连,导线(18)穿出电源正极接口(12)或电源负极接口(13)与实验装置外侧的电源电极相连,多个温度传感器位于透平轮盘(4)和主轴(5)上;所述装置具有一个电加热环腔和一个低温环腔,所述电加热环腔由电加热腔室壳体(1)的内表面、透平轮盘(4)的外表面、轮盘低温腔室隔热垫片(10)外表面、高低温腔室隔热垫片(19)的外表面围成;所述低温环腔由低温腔室壳体(2)的内表面、主轴(5)的外表面、密封段(7)的外表面、密封段固定环(8)的内外轴向端面和内表面、低温腔室端部壳体(3)的内表面、轴端固定环(6)的外表面围成;在电加热环腔内,使电功率通过若干高温导热电阻转化的热功率加热透平轮盘(4),通过控制电源正极接口(12)和电源负极接口(13)的电压,调节透平轮盘(4)的热量输入值,透平轮盘(4)将热量传递给主轴(5),在低温环腔内,通过控制低温腔室出口(15)和低温腔室进口(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;
所述的低温腔室出口(15)和低温腔室进口(14)位置处均设置有温度传感器、压力传感器、流量传感器。
2.根据权利要求1所述的电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(20),固定支架(20)与电加热腔室壳体(1)或低温腔室壳体(2)或低温腔室端部壳体(3)的外表面相连。
3.根据权利要求1所述的电热源超临界工质透平主轴冷却实验装置,其特征在于:所述的密封段固定环(8)的内壁面与主轴(5)的外表面间的间隙为0.1-5cm。
4.根据权利要求1所述的电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。
5.根据权利要求1所述的电热源超临界工质透平主轴冷却实验装置,其特征在于:所述的低温腔室进口(14)和低温腔室出口(15)的位置能够互换。
6.根据权利要求1所述的电热源超临界工质透平主轴冷却实验装置,其特征在于:所述透平轮盘(4)的径向外缘环面上设置有至少一个第一温度传感器(21-1),在透平轮盘(4)的端面中心处设置有一个第二温度传感器(21-2),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(21-3),在密封段(7)中部对应的主轴(5)表面上均匀设置有多个第四温度传感器(21-4),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(21-5),在主轴(5)端部圆形表面的圆心处设置有第六温度传感器(21-6)。
7.根据权利要求1所述的电热源超临界工质透平主轴冷却实验装置,其特征在于:所述的高温导热电阻(16)的数量为大于或等于4的偶数,对于任意相邻的三个高温导热电阻(16),中间的高温导热电阻(16)通过与之相连的接线柱(17)和导线(18)与加热电源的正极或负极相连,则两侧的两个高温导热电阻(16)通过与之相连的接线柱(17)和导线(18)与加热电源的负极或正极相连。
8.根据权利要求1所述的电热源超临界工质透平主轴冷却实验装置,其特征在于:所述的高温导热电阻(16)的横截面面积从接线柱(17)端至透平轮盘(4)方向的数值变化趋势为先减小后增大或者先减小再稳定后增大。
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