CN110966055A - 一种透平膨胀机 - Google Patents

Abstract

一种透平膨胀机，包括工作叶轮组件、主轴、磁悬浮轴承、电磁涡流制动器和壳体；主轴的一端穿出壳体与工作叶轮组件固定连接；磁悬浮轴承包括定子组件与转子组件，转子组件固定于主轴上，定子组件固定设于壳体内，且定子组件与转子组件对应设置；电磁涡流制动器设于主轴的一端。上述透平膨胀机，采用磁悬浮轴承作为转子支撑系统，与传统轴承相比，磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损、高速度、高精度、低功耗等一系列独特性能，降低了功率损失。通过在主轴上设置电磁涡流制动器进行制动，结构紧凑且避免了气体的外漏和污染，同时解决了其轮周速度过高、轴上制动力矩调节困难等难题。

Description

一种透平膨胀机

技术领域

本发明涉及低温液化装置技术领域，尤其涉及一种透平膨胀机。

背景技术

我国能源供给具有‘富煤、缺气、少油’的特点，在一次能源消费结构中，煤炭消费占比比重超过60％，而我国的石油，天然气等能源对进口依存度较高，其中原油的依存度最为严重，从2005年的39.5％上升到了2015年的60.69％。随着社会经济的发展，我国能源需求总量还将进一步上升，如不能及时对能源结构做出调整，能源对外依存度还将继续上升，国家能源结构构成以及能源供应安全将面临严峻挑战。特别是近年来，我国大气环境问题日益突出，传统化石燃料燃烧排放被证实是大气污染、雾霾和温室效应等问题的首要因素，采用高效清洁能源已经迫在眉睫。因此在保证经济平稳增速、资源环境约束趋紧的新常态下，能源结构调整、绿色转型要求日益迫切，这也要求我国大力发展低碳能源经济，尽早进入新能源替代化石能源的更替期。在新能源领域我国近年来发展迅猛，风能、光伏等可再生能源大量应用，但是这类新能源存在不可控间隙性、能量密度低、直接转化效率低等问题，大规模替代目前成熟的化石能源的潜力不足。因此美国、日本、德国等发达国家已纷纷将研究推广重点放在更具潜力的氢能源上，并将氢能源研究应用上升到国家战略高度。

氢能是一种清洁高效的二次能源，作为重要的能源载体其燃烧热值约为汽油的3倍，且排放物清洁无污染，且能够广泛的应用于燃料电池车辆、储能以及掺入天然气用于工业和民用燃气等领域，在短期内十分有望替代部分石油和天然气，成为我国能源消费结构的重要组成部分。目前，我国政府出台多项政策都有力的推动了我国氢能的发展，如2016年国家发改委和国家能源局《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》规划了能源技术革命重点创新行动路线图，将氢能纳入我国的能源战略；在《中国制造2025》规划纲要规划了到2030年要实现百万辆氢燃料电池车辆的商业化应用以及建成1000座制氢/加氢等配套设施的发展目标。但是，目前我国在氢能源产业的供给端相关基础研究、技术开发以及相关基础设施的建设方面与发达国家差距明显。为实现大规模的氢能的经济稳定供给，急需解决氢能源产业供给端问题，包括氢能源制备、存储以及运输等多个环节。特别是在现阶段氢能源制备后的存储与输运环节技术难题极大限制了氢能源高效经济供给用户的落地应用。

目前，在氢能源制备后的存储方面主要有三种方式：分别是高压存储气态氢气、金属固态储氢以及低温存储液态氢。相对应氢能源输运方面主要有四种方式：分别是高压氢气长管拖车、氢气管道、金属固态氢以及低温液氢运输。其中氢气的高压存储运输目前应用最为成熟，但其存在氢气单位体积存储密度低，存储压力高等问题，其在35Mpa下密度仅为23kg/m³。对于液态氢来说，标况下液氢的密度仅为气氢的1/788左右，单位体积储存氢密度高，能较好满足氢能源的长距离大规模运输的经济与快速的需求。美国、日本等国正在积极开展氢能源的低温液态储存与输运，该种方式也是未来20到30年内最具发展潜力的储存输运方式之一。

氢的沸点-253℃，其大规模液化流程采用液氮预冷的修正克劳特循环，通过多级透平膨胀机的膨胀做功降低氢气温度，最终通过节流装置将低温氢气节流制备液氢。可以说在整套氢液化装置中，氢透平膨胀机是整个系统获得冷量所必须的关键部件，是保证整套设备稳定运行的心脏。其主要原理是通入一定压力的高压氢气在透平膨胀机内进行绝热膨胀，将气体的内能转变为转子机械能，过程中氢气焓值不断减少，从而使气体本身温度降低，达到制冷获取冷量的目的。相比于其他工质的透平膨胀机，氢气透平膨胀机工质为氢气，具有工质分子量小，声速较低等特点。且一般从低温液氢系统效率考虑，要求透平单级膨胀比较大，造成设计透平反动度较高，且单级焓降较大。同时为尽量提高透平膨胀机效率，则需达到叶轮最优速比，进而造成叶轮工作转速达到50000rpm以上，工作轮叶轮外圈线速度大于300m/s，对于透平膨胀机的设计造成很大的困难。另一方面在大规模液氢系统中，透平整体质量流量提高，轴系转矩与轴向力较大，接近甚至达到现有常用气体悬浮支撑系统的承载力极限。

传统的低温透平膨胀机一般包括一个中间壳体，在壳体一端安装透平工作轮蜗壳及透平喷嘴，在壳体另一端安装透平制动轮蜗壳。中间壳体内设有转子，转子两端分别安装透平膨胀工作轮和制动风机轮或增压轮。两端叶轮采用转轴连接传递扭矩，轴两端设有必要密封。从减小转子摩擦，防止污染等方面考虑，应用气体悬浮轴承作为转轴支撑系统。但采用该种结构的氢透平膨胀机在设计及制造装配过程将面临四类问题。1、气浮轴承在氢透平适用性较差；2、加工制造精度要求高，装配维修困难；3、制动轮调节响应慢，调节精度差。4、冷量损失严重问题。

现有气浮轴承主要分为静压气体轴承和动压气体轴承两大类。对于静压气体轴承其工作时需要时刻从系统回路中抽取高压氢气对轴承供气，维持悬浮力，会增加装置的复杂性，并造成整个大型液化流程工艺气体损失，降低系统效率，提高氢液化过程的成本。对于动压气体轴承，虽然不需要额外供气，但气浮轴承工质为氢气，粘度密度都很低，其承载能力有限，稳定性较差，不适用于较大质量的轴系支撑。虽然箔片式动压气体轴承能解决承载力不足、稳定性差问题，但内部箔片在启动与降速过程存在与轴摩擦磨损问题，加工困难，一段时间需要定期维护。同时，小分子氢气在大压差下极易泄漏，对气浮轴承为防止工作气体泄漏需要设置更长的密封段，这类密封结构是强烈的非线性振动激励源，对轴系设计与整机结构布局影响较大。

气浮轴承加工制造精度要求高，加工精度将很大程度影响气浮轴承系统的可用性与稳定性。对于静压气体轴承为提供足够悬浮力与稳定性，通常其转子与轴承间间隙在20μm以下，轴承气孔直径在100μm左右，整体加工精度希望保证在1μm以下。对于动压气体轴承来说其箔片结构和制造工艺十分复杂，表面耐磨涂层要求苛刻，我国目前相关技术积累较弱。此外，气体轴承要求配合间隙小，装配精度非常高，保养装配维修不便，工作阶段一旦出现失稳转轴易抱死，造成不可挽回损失。

氢气透平膨胀机传统结构中制动端多采用制动轮或增压轮将转子上轴功传输到制动气体，将功消耗。但对于大型氢透平膨胀机来说，轴功较大，风机轮工作过程中气体温度显著升高。当温度过高时，显著增加制动端与膨胀端的间温差，导致转子轴向导热比较严重，引起透平冷量的流失，降低透平效率。转子轴上温升过高会使透平转子热胀冷缩不均，对整体结构稳定造成影响。同时，透平膨胀机工作时不同时刻存在负载变化可能，需根据负载变化动态调节透平的工作转速。对于常规结构的透平膨胀机转速调节，一般是改变进排气阀门的开度，调节制动端吸气量及排气压力，以平衡轴上转矩。但单单依靠阀门调节气量和压力的方式虽然能起到调节效果，但存在阀门控制精度低、阀门响应慢、制动轮气量改变易引起轴向力失稳等问题。且制动轮轮周转速往往大于驱动轮，给材料的选型以及加工制造带来一定的难题。

发明内容

鉴于此，有必要提供一种制备难度小、精度高、磨损小、冷量损失小的透平膨胀机。

一种透平膨胀机，包括工作叶轮组件、主轴、磁悬浮轴承、电磁涡流制动器和壳体；

所述主轴的一端穿出所述壳体与所述工作叶轮组件固定连接；

所述磁悬浮轴承包括定子组件与转子组件，所述转子组件设于所述主轴上；所述定子组件固定设于所述壳体内，且所述定子组件与所述转子组件对应设置；

所述电磁涡流制动器设于所述主轴的一端。

在一个实施例中，所述电磁涡流制动器包括电涡流制动器定子和爪盘，电涡流制动器定子包括电磁涡流制动器定子支架和电磁涡流制动器励磁线圈，所述电磁涡流制动器定子支架包括内壁、外壁、第一端壁和第二端壁，所述第一端壁的内圆周连接所述内壁的一端，所述第一端壁的外圆周连接所述外壁的一端，所述第二端壁的内圆周连接所述内壁的另一端，所述第二端壁的外圆周连接所述外壁的另一端，所述内壁、所述外壁、所述第一端壁和所述第二端壁之间形成一个腔体结构，所述第二端壁向内凹陷形成有凹槽，所述电磁涡流制动器励磁线圈设于所述凹槽内；

所述爪盘套设于所述主轴上，所述电磁涡流制动器定子支架和所述爪盘相对设置，所述爪盘设于所述凹槽内。

在一个实施例中，所述电磁涡流制动器定子支架开设有冷却液入口和冷却液出口，所述腔体结构内设有冷却液体流道，所述冷却液入口和所述冷却液出口分别与所述冷却液体流道的两端连通。

所述转子组件包括径向磁轴承转子单元和轴向止推磁悬浮轴承转子，所述径向磁轴承转子单元和所述轴向止推磁悬浮轴承转子均设于所述主轴上；

所述定子组件包括径向磁悬浮轴承定子单元和轴向止推磁悬浮轴承定子，所述径向磁悬浮轴承定子单元和所述径向磁轴承转子单元对应设置，所述轴向止推磁悬浮轴承定子和所述轴向止推磁悬浮轴承转子对应设置。

在一个实施例中，所述轴向止推磁悬浮轴承定子包括环形筒状壳体、上轴向磁轴承绕组和下轴向磁轴承绕组，所述环形筒状壳体内设有平行设置的上环形腔体和下环形腔体，所述环形筒状壳体的内壁向内凹陷形成有容纳槽，所述容纳槽位于所述上环形腔体和所述下环形腔体之间，所述上轴向磁轴承绕组和下轴向磁轴承绕组分别设于所述上环形腔体和所述下环形腔体内；

所述轴向止推磁悬浮轴承转子为套设于所述主轴上的止推推盘，所述轴向止推磁悬浮轴承定子和所述止推推盘对应设置，所述止推推盘设于所述容纳槽内。

在一个实施例中，所述环形筒状壳体包括环形腔结构组件和整体压盖，所述整体压盖设于所述环形腔结构组件的外侧，所述环形腔结构组件包括平行设置的上环形腔壳体和下环形腔壳体，上环形腔壳体、下环形腔壳体和整体压盖之间形成有所述容纳槽，所述上环形腔壳体包括上轴向轴承压盖和上轴向轴承支架，所述上轴向轴承压盖和上轴向轴承支架之间形成有所述上环形腔体，所述下环形腔壳体包括下轴向轴承支架和下轴向轴承压盖，所述下轴向轴承支架和所述下轴向轴承压盖之间形成有所述下环形腔体。

在一个实施例中，所述径向磁悬浮轴承定子单元包括两个结构相同的径向磁悬浮轴承定子构件，两个所述径向磁悬浮轴承定子构件分别位于所述轴向止推磁悬浮轴承定子的两侧；

所述径向磁悬浮轴承定子构件包括传感器定子和磁轴承定子；

所述径向磁轴承转子单元包括两个结构相同的径向磁轴承转子构件，两个所述径向磁轴承转子构件分别位于所述轴向止推磁悬浮轴承转子的两侧；

所述径向磁轴承转子构件包括设于所述主轴上的径向磁轴承传感器转子和径向磁轴承转子；

所述传感器定子和径向磁轴承传感器转子对应设置，所述磁轴承定子和所述径向磁轴承转子对应设置。

在一个实施例中，所述工作叶轮组件包括工作叶轮、工作轮锁紧螺母和透平蜗壳，所述工作叶轮设于所述透平蜗壳内，所述工作轮锁紧螺母将所述工作叶轮固定于所述主轴的一端。

在一个实施例中，所述工作叶轮组件与轴承壳体之间填充有绝热材料。

在一个实施例中，所述透平膨胀机壳体的内部设有螺旋型冷却流道。

上述透平膨胀机，采用磁悬浮轴承代替气浮轴承作为转子支撑系统，与传统轴承相比，磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损、高速度、高精度、低功耗等一系列独特性能，可以在深冷、超低温及真空等恶劣环境下正常运转，降低了功率损失。将上述透平膨胀机用于氢气的液化降温工艺中，无需润滑和密封，不损失工艺气体，可以提高整个循环的效率，降低氢液化过程的成本。通过在主轴上设置电磁涡流制动器代替风机进行制动，整个结构紧凑且避免了工艺气体的外漏和污染，同时解决了其轮周速度过高、轴上制动力矩调节困难等带来的一系列难题。上述透平膨胀机制备难度小、精度高、磨损小、冷量损失小。

附图说明

图1为一实施方式的透平膨胀机的立体结构示意图；

图2为图1所示的透平膨胀机的剖面结构示意图；

图3为一实施方式的主轴和转子组件的剖面结构示意图；

图4为一实施方式的下径向磁悬浮定子结构的立体结构示意图；

图5为一实施方式的轴向止推磁悬浮轴承定子的立体结构示意图；

图6为图5所示的轴向止推磁悬浮轴承定子的剖面结构示意图；

图7为电磁涡流制动器的立体结构示意图；

图8为图7所示的电磁涡流制动器的剖面结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明中所说的固定连接，包括直接固定连接和间接固定。

本发明提供一实施方式的透平膨胀机100，该种结构的透平膨胀机100作为关键核心部件能广泛应用于大型氢制冷液化系统，用以解决现有传统形式氢气透平膨胀机承载力、加工困难、动态调节能力差、冷量损失大等缺点，可以有效替代传统的高速透平膨胀机，使得整个设备与大型低温系统在效率与可靠性上能得到更好保障。

请参考图1、图2和图3，一实施方式的透平膨胀机100，包括工作叶轮组件、主轴、磁悬浮轴承、电磁涡流制动器和壳体。

主轴91的一端穿出壳体与工作叶轮组件固定连接。

磁悬浮轴承包括定子组件与转子组件，转子组件设于主轴91上。

定子组件固定设于壳体内，且定子组件与转子组件对应设置。

电磁涡流制动器13设于主轴91的一端。

上述透平膨胀机100，采用磁悬浮轴承代替气浮轴承作为转子支撑系统，与传统轴承相比，磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损、高速度、高精度、低功耗等一系列独特性能，可以在深冷、超低温及真空等恶劣环境下正常运转，降低了功率损失。将上述透平膨胀机100用于氢气的液化降温工艺中，无需润滑和密封，不损失工艺气体，可以提高整个循环的效率，降低氢液化过程的成本。通过在主轴91上设置电磁涡流制动器13代替风机进行制动，整个结构紧凑且避免了工艺气体的外漏和污染，同时解决了其轮周速度过高、轴上制动力矩调节困难等带来的一系列难题。

请同时参考图1和图2，壳体包括壳体上端盖17、中间壳体8和壳体下端盖6，壳体上端盖17和壳体下端盖6分别设于中间壳体8的两端。主轴91从壳体下端盖6穿出壳体。壳体下端盖6的一端固定设于安装支撑壳法兰总体7上。

在一个实施例中，请参考图2，中间壳体8内部设有螺旋型冷却水流道，冷却水流道的两端分别由第一冷却水接头141和第二冷却水接头142连接。螺旋型冷却水流道采用下方入、上放出的方式。用以冷却中间壳体8并带走透平膨胀机100内部主动控制磁悬浮轴承工作时的涡流与磁滞损耗发热。冷却水流道的内流体的冷却参数，包括入口温度，入口流量等参数需根据损耗发热情况计算得出。

请同时参考图1和图2，在一个实施例中，工作叶轮组件包括工作叶轮1、工作轮锁紧螺母2和透平蜗壳3，工作叶轮1设于透平蜗壳3内，工作轮锁紧螺母2将工作叶轮1固定于主轴91的一端。

工作叶轮1为反动式向心膨胀叶轮。工作叶轮1采用三维成型设计方案，提高了透平膨胀机100工作端的效率。所谓反动式，指透平膨胀机中的气流在喷嘴内进行部分膨胀，随后以一定的速度进入工作叶轮。在工作叶轮中气流进一步膨胀，气体产生的反冲力进一步推动工作叶轮旋转对外做功。这种结构的工作叶轮能有效解决传统冲动式透平叶轮流损较高等问题，克服氢气分子量小、声速低的不利条件，既满足氢气透平膨胀机单级冷量大要求，同时保证其效率在较优水平。

透平蜗壳3为非对称式蜗壳。喷嘴导流器(图未示)采用高效气动外形。为简化结构，减小蜗壳喷嘴内的泄漏损失，将喷嘴与透平蜗壳3集成一体。安装支撑法兰7的竖直段在满足强度要求前提下设计为薄壁结构。透平蜗壳3的下端及喷嘴固定设于安装支撑法兰7远离壳体的一端。透平蜗壳3采用安装支撑法兰7固定于壳体上，避免了使用过多定位与连接的分体式设计，保证常温轴承支撑端不深入冷箱内部，减小潜在漏热风险。同时使得工作端的蜗壳结构不通过定位与支撑直接与处于常温的轴承壳体直接接触，进而减少大部分直接接触带来的冷量泄漏。

在一个实施例中，工作叶轮组件与壳体之间填充有绝热材料。进一步的，透平蜗壳3的下端、壳体下端盖6和安装支撑法兰7形成的腔体之间填充有绝热材料。

上述透平膨胀机100用于氢气的液化工艺时，整机工质为氢气，工作时整个透平膨胀机100的机壳内部充满高压氢气。工作叶轮1处工质氢气压力较高，且氢气爆炸范围较广，整机密封要求极高，所以在设计时应充分考虑密封因素，将整个透平膨胀机100的机壳构成一个密封腔体。基于此，将透平膨胀机100整机上端轴系支撑部分与下端工作轮部分需安装在同一氢气联通回路内。具体做法是，中间机壳8上端由壳体上端盖17盖紧，采用o圈密封，并利用螺栓紧固。下端通过安装支撑法兰7连接中间机壳8，密封面间采用o圈密封，周向螺栓紧固方式。上述透平膨胀机100通过安装支撑法兰7与冷箱法兰定位，采用o圈密封，螺栓锁紧。

进一步的，在一个实施例中，转子组件包括径向磁轴承转子单元和轴向止推磁悬浮轴承转子，径向磁轴承转子单元和轴向止推磁悬浮轴承转子均设于主轴91上。

定子组件包括两个径向磁悬浮轴承定子单元和轴向止推磁悬浮轴承定子，径向磁悬浮轴承定子单元和径向磁轴承转子单元对应设置，轴向止推磁悬浮轴承定子和轴向止推磁悬浮轴承转子对应设置。

请参考图5和图6，在一个实施例中，轴向止推磁悬浮轴承定子11包括环形筒状壳体、上轴向磁轴承绕组116和下轴向磁轴承绕组117。环形筒状壳体内设有平行设置的上环形腔体和下环形腔体，环形筒状壳体的内壁向内凹陷形成有容纳槽，容纳槽位于上环形腔体和下环形腔体之间。上轴向磁轴承绕组116和下轴向磁轴承绕组117分别设于上环形腔体和下环形腔体内。

轴向止推磁悬浮轴承转子为套设于主轴91上止推推盘94，轴向止推磁悬浮轴承定子11和止推推盘94对应设置，止推推盘94设于容纳槽内。

进一步的，环形筒状壳体包括环形腔结构组件和整体压盖113，整体压盖113设于环形腔结构组件的外侧，环形腔结构组件包括平行设置的上环形腔壳体和下环形腔壳体，上环形腔壳体、下环形腔壳体和整体压盖113之间形成有容纳槽，上环形腔壳体包括上轴向轴承压盖114和上轴向轴承支架115，上轴向轴承压盖114和上轴向轴承支架115之间形成有上环形腔体，下环形腔壳体包括下轴向轴承支架111和下轴向轴承压盖112，下轴向轴承支架111和下轴向轴承压盖112之间形成有下环形腔体。

对于轴向止推磁悬浮轴承定子11，包含上下两组绕组，即上轴向磁轴承绕组116和下轴向磁轴承绕组117。工作时，两组绕组在轴向上同时吸引转子组件9上的止推推盘94。当透平膨胀机100整机竖直布置时，考虑转子组件9本身质量影响，下轴向磁轴承绕组117对止推推盘94吸引力需要小于上轴向磁轴承绕组116的吸引力。此时可将轴向止推磁悬浮轴承定子设计为非对称形式，即将上轴向磁轴承绕组116设计略大，下轴向磁轴承绕组117设计略小。该种设计方式在保证承载力平衡的情况下，能有效减少轴向止推磁悬浮轴承定子11发热。

在一个实施例中，径向磁悬浮轴承定子单元包括两个结构相同的径向磁悬浮轴承定子构件，两个径向磁悬浮轴承定子构件分别位于轴向止推磁悬浮轴承定子的两侧。径向磁悬浮轴承定子构件包括传感器定子和磁轴承定子。具体的，请参考图2，两个径向磁悬浮轴承定子构件分别为上径向磁悬浮轴承定子构件12和下径向磁悬浮轴承定子构件10。

径向磁轴承转子单元包括两个结构相同的径向磁轴承转子构件，两个径向磁轴承转子构件分别位于轴向止推磁悬浮轴承转子的两侧。径向磁轴承转子构件包括设于主轴上的径向磁轴承传感器转子和径向磁轴承转子。具体的，两个径向磁轴承转子构件分别为上径向磁轴承转子构件和下径向磁轴承转子构件。

传感器定子和径向磁轴承传感器转子对应设置，磁轴承定子和径向磁轴承转子对应设置。

具体的，上径向磁轴承转子构件包括上径向磁轴承转子96和上径向磁轴承传感器转子97。下径向磁轴承转子构件包括下径向磁轴承传感器转子92和下径向磁轴承转子93。

具体的，请同时参考图3，转子组件9包括下径向磁轴承传感器转子92、下径向磁轴承转子93、止推推盘94、止推盘轴套95、上径向磁轴承转子96、上径向磁轴承传感器转子97、爪盘98和爪盘轴套99。下径向磁轴承传感器转子92、下径向磁轴承转子93、止推推盘94、止推盘轴套95、上径向磁轴承转子96、上径向磁轴承传感器转子97、爪盘98和爪盘轴套99均通过过盈装配的方式装配在主轴91上。定子组件和转子组件9之间的间隙可以根据设计进行调节，远低于气浮轴承加工与装配精度。

其中，下径向磁轴承传感器转子92和上径向磁轴承传感器转子97的结构和材料相同。下径向磁轴承传感器转子92和上径向磁轴承传感器转子97均包括硅钢片和隔磁轴套。下径向磁轴承转子93和上径向磁轴承转子96分别分布在止推推盘94的两侧。止推推盘94采用导磁材料制成。

爪盘98远离工作叶轮1的一端配以爪盘轴套99定位。爪盘98上设有导磁齿，导磁齿用于切割励磁线圈产生交变感生磁场，产生相应制动力矩。为使整机结构紧凑，提升转子组件9的稳定性，将轴向止推磁悬浮轴承定子11及止推推盘94布置于透平膨胀机100整机的中段，并将电磁涡流制动器13和爪盘98设于转子组件9远离工作叶轮1的一端。经转子组件9动力学验证，此种设计能提升转子组件9的部分临界转速。该种设计方案，也能同时减小电涡流制动产生的部分制动热经由转子组件9传递到工作叶轮工作端，减小整机冷量损失。

上径向磁悬浮轴承定子构件12和下径向磁悬浮轴承定子构件10中，将传感器与轴承绕组线圈设计为一体化的布置方案，可以提高整机结构的紧凑性。

上径向磁悬浮轴承定子构件12和下径向磁悬浮轴承定子构件10中，通过设置传感器可以同时采集转子组件9的径向位移、轴向位移的变化情况，输出到外界控制器中进行反馈调节。具体的，传感器形式为环状非接触式电感式传感器，在与转子组件9转速相适应的频率响应范围内具有高灵敏度、信噪比、线性度、温度稳定性、抗干扰能力以及精确重复性等特点，通过引线将位移变化情况输出到外界控制器中起到对磁悬浮轴承进行主动实时监控与动态调节作用。

在一个实施例中，请同时参考图2，上径向磁悬浮轴承定子构件12、下径向磁悬浮轴承定子构件10和轴向止推磁悬浮轴承定子11均设于转子组件9的外侧。轴向止推磁悬浮轴承定子11设于上径向磁悬浮轴承定子构件12和下径向磁悬浮轴承定子构件10之间。

上径向磁悬浮轴承定子构件12、下径向磁悬浮轴承定子构件10和轴向止推磁悬浮轴承定子11均采用止口定位，过渡配合，螺栓紧固方式安装在中间壳体8的内部。尽量保证各定子的外壁与中间壳体8的内壁紧密接触。此时接触面热阻较小，方便各定子的损耗发热能有效通过中间壳体8和各定子之间的壁面间接触经过固体导热经冷却水流道带走。

上述透平膨胀机100，采用磁悬浮轴承，具有能有效适应透平膨胀机100的轴系高转速、承载力大的特点。相比于气浮轴承，其本身最大优势是完全依靠电子机械部件支撑转子组件9，工作时不需要从外界额外引入轴承气，能有效减小外界气体与工作叶轮1工作气体间相互泄漏风险。此外，采用磁悬浮轴承的透平膨胀机100，可以考虑将低温段与常温段间的密封段，如迷宫密封等去掉，减小整体设计的加工难度，同时削减这类密封结构本身作为强烈的非线性振动激励源对转子轴系的影响。

为保护磁悬浮轴承，在主轴91的上下两端分别设置磁轴承下保护轴承51和磁轴承上保护轴承52，磁轴承下保护轴承51和磁轴承上保护轴承52分别由壳体下端盖6与辅助轴承压帽16固定。

上述透平膨胀机100的整机轴系支撑部分采用磁悬浮轴承。磁悬浮轴承还包括控制器和功率放大器。传感器定子片及绕组101和控制器连接，控制器和功率放大器连接，功率放大器和各绕组连接。

磁悬浮轴承具体采用两个径向磁悬浮及一个轴向磁悬浮共提供5个自由度的支撑。即，沿轴向1自由度、在每个径向轴承位置上分别有2个自由度，共5个自由度。其基本原理是用一对对称的功放电路，按差动模式驱动电磁铁。当转子组件9处于磁悬浮轴承的几何中心位置时，在上下的绕组线圈中通相等的电流，使磁悬浮定子产生相同强度磁场，同时吸引转子组件9，使转子组件9保持在其几何中心。当在处于工作状态的转子组件9发生偏移时，传感器将测得的转子组件9的位置与参考位置的差值信号输出到控制器，控制器根据预设的控制算法输出控制信号，再经过功率放大器产生相应的控制电流输入至各绕组，产生变化磁场，改变转子组件9的受力情况，使转子组件9克服干扰力重新回到参考位置。

对于透平膨胀机来说，其在工作时工作端氢气的焓降带来的轴功最终通过主轴输出到制动端。此时制动端进行轴功到其他形式能量转换，向主轴输出与工作叶轮相反的转矩，维持透平膨胀机工作在特定转速范围内。常规的透平膨胀机往往采用制动轮或增压轮作为制动端，依靠工作叶轮对气体做功将轴功一部分转换为气体动能，引起制动气体速度或压力升高，另一部转为气体内能，引起制动气体温度升高。制动轮作为旋转部件，对其很难直接冷却。其运转时还需要额外从外界引入制动气体，增加泄漏风险，而过高的温升会引起制动轮侧温度升高，与工作叶轮端温差增大，造成较大冷量损失。对于制动轮本身而言，其制动轮设计时为增加驱动效率，其叶片厚度较薄，轮盘直径大于驱动端直径，离心力作用下，其叶轮结构强度较难达到安全要求。

请参考图1和图2，上述透平膨胀机100采用电磁涡流制动代替传统风机轮或增压轮制动。电磁涡流制动器13设于主轴91远离工作叶轮1的一端。工作时，电磁涡流制动器13产生电涡流制动力矩平衡主轴91的转矩，将轴功转变为电涡流发热，消耗透平膨胀机100发出的功率。

请参考图7和图8，在一个实施例中，电磁涡流制动器13包括电涡流制动器定子和爪盘98。电涡流制动器定子包括电磁涡流制动器定子支架131和电磁涡流制动器励磁线圈134。电磁涡流制动器定子支架131包括内壁、外壁、第一端壁和第二端壁，第一端壁的内圆周连接内壁的一端，第一端壁的外圆周连接外壁的一端，第二端壁的内圆周连接内壁的另一端，第二端壁的外圆周连接外壁的另一端，内壁、外壁、第一端壁和第二端壁形成一个腔体结构。第二端壁向内凹陷形成凹槽136。电磁涡流制动器励磁线圈134设于凹槽136内。具体的，电磁涡流制动器励磁线圈134绕制于凹槽136内。爪盘98设于主轴91上，电磁涡流制动器定子支架131和爪盘98相对设置，爪盘98设于凹槽136内。

上述透平膨胀机100工作时，电磁涡流制动器励磁线圈134通过外部控制器控制，通电后其周围形成环形磁路，其上获得励磁能力。当主轴91上的爪盘98随主轴91旋转时，电磁涡流制动器13凹槽两侧的内外两层结构相对爪盘98的运动切割磁感线，在电磁涡流制动器13外层内表面与内层外表面同时产生感应电涡流，电涡流效应随之产生感生磁场，并随之产生阻碍爪盘98的阻力矩。该力矩由爪盘98最终施加到主轴91，形成对主轴91的非接触控制效果。爪盘98为实心导磁材料，结构设计难度相对制动轮较低，可选用屈服强度较高材料，突破制动轮轮周速度限制，满足全工况制动需求。

请参考图2，将电磁涡流制动器13布置于主轴91远离工作叶轮的一端。可以减小爪盘98的部分发热通过主轴91传递到低温端，减小透平冷量损失。请参考图8，进一步的，电磁涡流制动器13设有腔体结构，腔体结构内设有冷却液体流道。电磁涡流制动器定子支架131开设有冷却液入口1331和冷却液出口1332，冷却液入口1331和冷却液出口1332分别与冷却液体流道的两端连通。冷却液体流道设于凹槽136的两侧。冷却液体在冷却液体流道内流动可以时刻带走制动过程电涡流效应产生的热量。冷却参数根据制动参数计算并调整。具体的，冷却液入口1331和冷却液出口1332均开设于第一端壁上。冷却液入口1331与电涡流制动器冷却液入口接头151连通，冷却液出口1332与电涡流制动器冷却液出口接头152连通。

大型低温系统时刻面临负荷调控情况，这要求透平膨胀机100工作时根据不同时刻负载变化动态调节透平膨胀机100的工作转速。对于常规结构的透平膨胀机转速调节，一般是改变制动端进排气阀门的开度，调节制动端吸气量及排气压力，以平衡轴上转矩。这种调节虽然能起到调节效果，但存在气体制动延后效应的问题，较难平衡制动端与工作端转矩，其想达到较好变工况性能需依靠高精度的阀门控制与快速度的阀门响应。而采用电磁涡流制动器13时，电控原件响应速度快，控制精度高。根据透平膨胀机100负载冷量要求，通过外界控制器动态调节电磁涡流制动器励磁线圈134上的电流大小，进而改变其周围磁场强度，实现爪盘98上制动力矩的改变，以匹配调节转子组件9的转速，实现不同冷量负载下最优速比。

在一个实施例中，上述透平膨胀机100的三个磁悬浮定子内部与机壳内关键位置预置有温度传感器，温度传感器用于检测磁悬浮轴承运行时稳定性以及机壳内温度变化情况，实时为中间壳体8的冷却系统以及电磁涡流制动器13的冷却系统的冷却参数提供必要依据。

在一个实施例中，壳体上端盖17留有标准真空贯穿插件接口，透平膨胀机100内部磁悬浮轴承与电磁涡流制动器13的驱动引线及其内部传感器引线通过壳体上端盖17上的真空贯穿插件18连接。内部采集数据主要有机壳内部转子转速，5个自由度的位移信息等必要采集参数，经控制器输入信号，导入外部控制器用以透平膨胀机100整机控制。

上述用于大规模氢液化装置的透平膨胀机100，解决了传统的透平膨胀机存在的以下问题：1、气浮轴承在氢气透平膨胀机的适用性较差；2、加工制造精度要求高，装配维修困难；3、制动轮调节响应慢，调节精度差。4、冷量损失严重。

上述透平膨胀机100，在轴系支撑端采用磁悬浮轴承替代气浮轴承，使得其在轴承支撑端提供足够承载力，保证整机稳定性。不需要工艺气体即可实现稳定悬浮，并且主动磁悬浮轴承还具有自适应控制和自我诊断功能，在运转过程中能时刻反馈出转子动态信息，并基于此修改外在控制逻辑对转子组件的刚度、阻尼时刻修正。充分改善传统的气浮轴承加工装配困难的问题。在制动端，采用涡流制动代替原有的风机制动形式，对高转速过程提供所需的制动力，避免了制动风机轮高转速情况下的遇到的材料、应力、稳定性方面的一系列难题，且可有效缩短制动响应时间，实现精准控制，方便系统的调节匹配。对整机进行适应性布局与结构设计，减小整机冷量损失。以上改进措施，可以提高系统效率、稳定性，降低系统的制氢成本，为大规模氢能的推广应用提供支撑，因此，上述透平膨胀机100各方面的优异性为以后氢气透平膨胀机、氢气液化及氢能源存储输运领域的发展奠定了一个里程碑式的基础。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种透平膨胀机，其特征在于，包括工作叶轮组件、主轴、磁悬浮轴承、电磁涡流制动器和壳体；

所述主轴的一端穿出所述壳体与所述工作叶轮组件固定连接；

所述磁悬浮轴承包括定子组件与转子组件，所述转子组件设于所述主轴上；

所述定子组件固定设于所述壳体内，且所述定子组件与所述转子组件对应设置；

所述电磁涡流制动器设于所述主轴的一端。

2.如权利要求1所述的透平膨胀机，其特征在于，所述电磁涡流制动器包括电涡流制动器定子和爪盘，电涡流制动器定子包括电磁涡流制动器定子支架和电磁涡流制动器励磁线圈，所述电磁涡流制动器定子支架包括内壁、外壁、第一端壁和第二端壁，所述第一端壁的内圆周连接所述内壁的一端，所述第一端壁的外圆周连接所述外壁的一端，所述第二端壁的内圆周连接所述内壁的另一端，所述第二端壁的外圆周连接所述外壁的另一端，所述内壁、所述外壁、所述第一端壁和所述第二端壁之间形成一个腔体结构，所述第二端壁向内凹陷形成有凹槽，所述电磁涡流制动器励磁线圈设于所述凹槽内；

所述爪盘设于所述主轴上，所述电磁涡流制动器定子支架和所述爪盘相对设置，所述爪盘设于所述凹槽内。

3.如权利要求2所述的透平膨胀机，其特征在于，所述电磁涡流制动器定子支架开设有冷却液入口和冷却液出口，所述腔体结构内设有冷却液体流道，所述冷却液入口和所述冷却液出口分别与所述冷却液体流道的两端连通。

4.如权利要求1所述的透平膨胀机，其特征在于，所述转子组件包括径向磁轴承转子单元和轴向止推磁悬浮轴承转子，所述径向磁轴承转子单元和所述轴向止推磁悬浮轴承转子均设于所述主轴上；

所述定子组件包括径向磁悬浮轴承定子单元和轴向止推磁悬浮轴承定子，所述径向磁悬浮轴承定子单元和所述径向磁轴承转子单元对应设置，所述轴向止推磁悬浮轴承定子和所述轴向止推磁悬浮轴承转子对应设置。

5.如权利要求4所述的透平膨胀机，其特征在于，所述轴向止推磁悬浮轴承定子包括环形筒状壳体、上轴向磁轴承绕组和下轴向磁轴承绕组，所述环形筒状壳体内设有平行设置的上环形腔体和下环形腔体，所述环形筒状壳体的内壁向内凹陷形成有容纳槽，所述容纳槽位于所述上环形腔体和所述下环形腔体之间，所述上轴向磁轴承绕组和下轴向磁轴承绕组分别设于所述上环形腔体和所述下环形腔体内；

所述轴向止推磁悬浮轴承转子为套设于所述主轴上的止推推盘，所述轴向止推磁悬浮轴承定子和所述止推推盘对应设置，所述止推推盘设于所述容纳槽内。

6.如权利要求5所述的透平膨胀机，其特征在于，所述环形筒状壳体包括环形腔结构组件和整体压盖，所述整体压盖设于所述环形腔结构组件的外侧，所述环形腔结构组件包括平行设置的上环形腔壳体和下环形腔壳体，上环形腔壳体、下环形腔壳体和整体压盖之间形成有所述容纳槽，所述上环形腔壳体包括上轴向轴承压盖和上轴向轴承支架，所述上轴向轴承压盖和上轴向轴承支架之间形成有所述上环形腔体，所述下环形腔壳体包括下轴向轴承支架和下轴向轴承压盖，所述下轴向轴承支架和所述下轴向轴承压盖之间形成有所述下环形腔体。

7.如权利要求4所述的透平膨胀机，其特征在于，所述径向磁悬浮轴承定子单元包括两个结构相同的径向磁悬浮轴承定子构件，两个所述径向磁悬浮轴承定子构件分别位于所述轴向止推磁悬浮轴承定子的两侧；

所述径向磁悬浮轴承定子构件包括传感器定子和磁轴承定子；

所述径向磁轴承转子单元包括两个结构相同的径向磁轴承转子构件，两个所述径向磁轴承转子构件分别位于所述轴向止推磁悬浮轴承转子的两侧；

所述径向磁轴承转子构件包括设于所述主轴上的径向磁轴承传感器转子和径向磁轴承转子；

所述传感器定子和径向磁轴承传感器转子对应设置，所述磁轴承定子和所述径向磁轴承转子对应设置。

8.如权利要求1所述的透平膨胀机，其特征在于，所述工作叶轮组件包括工作叶轮、工作轮锁紧螺母和透平蜗壳，所述工作叶轮设于所述透平蜗壳内，所述工作轮锁紧螺母将所述工作叶轮固定于所述主轴的一端。

9.如权利要求1所述的透平膨胀机，其特征在于，所述工作叶轮组件与轴承壳体之间填充有绝热材料。

10.如权利要求1所述的透平膨胀机，其特征在于，所述透平膨胀机壳体的内部设有螺旋型冷却流道。

Images