CN113047911A - 一种推力平衡结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种推力平衡结构，包括气缸，气缸内设置转子，转子上依次设置向心叶轮和多组动叶栅；气管包括连接气管、进气管、叶轮气管和多个叶栅气管，进气管、叶轮气管和多个叶栅气管通过连接气管连通；电动调节阀分别设置于进气管及叶栅气管上；环腔包括具有环状腔道的叶轮环腔和多个叶栅环腔，设置于气缸上，分别与叶轮气管和多个叶栅气管连通；多孔通道，包括叶轮通道和多个叶栅通道，多孔通道包括周向上设置的多个通孔；叶轮通道的一端通过环腔与叶轮气管连通，另一端连通向心叶轮的背部腔室；叶栅通道的一端分别通过环腔与叶栅气管连通，另一端分别连通动叶栅的后腔室。采用本发明的一种推力平衡结构，可实时控制机组转动部件的推力值。

Description

一种推力平衡结构
技术领域
本发明涉及一种推力平衡结构，属于能源发电技术领域。
背景技术
透平机组的转动部件在进排气压差作用下总会产生一定的轴向推力，为了平衡这一部分推力，往往需要配置推力轴承，推力值越大，推力轴承设计选型越大，产生的功耗也越大。在高速旋转透平领域，越来越多的设备开始运用噪音小、损耗低的电磁轴承、气浮轴承等作为机组的推力轴承，但是电磁轴承、气浮轴承面临的共同问题就是其轴向推力承载能力较差，即使采用目前普遍使用的转子平衡盘结构也只能从一定程度上降低机组额定工况时的推力值，无法将机组在变工况或全工况下的推力值控制在较低的范围内，这极大的限制了电磁轴承、气浮轴承在高压力、高转速、大功率机组中的运用，同时如果采用油轴承又会增大机组的损耗。因此需要设计一种推力平衡结构，用于减小机组转动部件的推力值，使得其能满足透平机组全工况范围内电磁轴承、气浮轴承安全稳定运行以及油轴承第损耗的使用要求。
透平机组启动后，转动部件内开始有带压力工质流过，工质分别经过向心叶轮、动叶栅等后推动转子旋转，旋转后的转子在轴向产生一定的推力，随着进气工质压力不同、机组转速不同、机组功率不同，产生的轴向推力值大小及方向也不同。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种推力平衡结构，本发明可实时控制机组转动部件的推力值。
本发明采用的技术方案如下：
一种推力平衡结构，包括气缸，所述气缸内设置转子，所述转子上依次设置向心叶轮和多组动叶栅；
气管，包括连接气管、进气管、叶轮气管和多个叶栅气管，所述进气管、叶轮气管和多个叶栅气管通过连接气管连通；
多个电动调节阀，分别设置于进气管及叶栅气管上；
环腔，所述环腔包括具有环状腔道的叶轮环腔和多个叶栅环腔，设置于气缸上，分别与叶轮气管和多个叶栅气管连通；
多孔通道，包括叶轮通道和多个叶栅通道，所述多孔通道包括周向上设置的多个通孔；叶轮通道的一端通过环腔与叶轮气管连通，另一端连通向心叶轮的背部腔室；叶栅通道的一端分别通过环腔与叶栅气管连通，另一端分别连通动叶栅的后腔室。
在本发明中，进气管与主蒸气管道连通，通过控制不同电动调节阀的开启关闭，使向心叶轮的背部腔室分别与多个叶栅气管的后腔室或主蒸汽管道连通调节向心叶轮背部的压力；通过开启电动调节阀的顺序及调节开度调整向心叶轮背部的压力分布，从而控制转子上的推力值。
作为优选，所述叶栅气管、叶栅环腔、叶栅通道的数量为三个；所述叶栅气管包括第一叶栅气管、第二叶栅气管和第三叶栅气管；叶栅通道包括对应的第一叶栅通道、第二叶栅通道和第三叶栅通道；叶栅环腔包括第一叶栅环腔、第二叶栅环腔、第三叶栅环腔；电动调节阀包括对应的第一电动调节阀、第二电动调节阀、第三电动调节阀，及设置于进气管的主电动调节阀；动叶栅包括第一动叶栅、第二动叶栅和第三动叶栅。
作为优选，所述叶栅气管和叶栅通道的直径沿工质排出方向依次增大。
作为优选，所述环腔通过焊接固定在气缸的外圆面上。
在上述方案中，环腔单独设置使得制造方便，并通过焊接与气缸固定。
作为优选，多个所述叶栅通道之间的间距相同。
作为优选，所述多孔通道包括周向上均匀设置的多个通孔。
在上述方案中，通过均匀设置通孔，在调整机组推力时，能够减小平衡气源对转子的不平衡激振力。
作为优选，所述通孔的数量大于等于6个。
在上述方案中，需要一定数量的通孔，才能满足工质均匀的流通。
作为优选，所述通孔垂直于转子，位于转子的径向方向。
作为优选，所述叶轮气管和叶栅气管的直径大于通孔的直径，更优选地，叶轮气管的截面积等于叶轮通道多个通孔截面积之和，叶栅气管的截面积等于叶栅通道多个通孔截面积之和。
在上述方案中，通孔直径小避免从叶轮气管或叶栅气管过来的工质直接从一个通孔通过来到背部腔室或后腔室，使工质通过多个通孔均匀进入背部腔室或后腔室，保证压力稳定性。
作为优选，所述电动调节阀与控制系统连接。
在上述方案中，电动调节阀与控制系统连接，通过控制系统控制电动调节阀的开关使得调整能够自动化进行。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、周向均匀设置多个通孔，在调整机组推力时，减小平衡气源对转子的不平衡激振力；
2、采用多股工作平衡气源，可实现转子推力调整的范围更大，适应机组变参数、变工况能力更强；
3、采用多段电动调节阀，通过各段阀门间的配合，可自动调整转子的推力；
4、通过采用实时调整向心叶轮背部的压力分布，降低转子全工况范围内的推力值，能更好适应机组轴承选型以及降低机组损耗，增加机组运行的安全性、经济性；
5、能满足透平机组全工况范围内电磁轴承、气浮轴承安全稳定运行的使用要求，而对于采用油轴承的机组可极大的降低其摩擦损耗。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是推力平衡结构的示意图；
图2是多孔通道的示意图；
图3-6是推力平衡结构的运行路线图。
图中标记：1-气缸、2-转子、3-向心叶轮、31-背部腔室、4-动叶栅、4a-第一动叶栅、4b-第二动叶栅、4c-第三动叶栅、41-后腔室、51-连接气管、52-进气管、53-叶轮气管、54-叶栅气管、54a-第一叶栅气管、54b-第二叶栅气管、54c-第三叶栅气管、6-电动调节阀、61-主电动调节阀、6a-第一电动调节阀、6b-第二电动调节阀、6c-第三电动调节阀、71-叶轮环腔、72-叶栅环腔、72a-第一叶栅环腔、72b-第二叶栅环腔、72c-第三叶栅环腔、81-叶轮通道、82-叶栅通道、82a-第一叶栅通道、82b-第二叶栅通道、82c-第三叶栅通道。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。下面所述的工质可以为氦气、空气、CO2、水蒸汽等多种气体。
实施例1
如图1-2所示，本实施例的一种推力平衡结构，包括气缸1，气缸1内设置转子2，转子2上依次设置向心叶轮3、第一动叶栅4a、第二动叶栅4b和第三动叶栅4c；
通过连接气管51连通进气管52、叶轮气管53、第一叶栅气管54a、第二叶栅气管54b和第三叶栅气管54c；进气管52与主蒸气管道连通，进气管52上设置主电动调节阀61，第一叶栅气管54a、第二叶栅气管54b、第三叶栅气管54c上分别设置第一电动调节阀6a、第二电动调节阀6b、第三电动调节阀6c；
叶轮气管53、第一叶栅气管54a、第二叶栅气管54b、第三叶栅气管54c分别同具有环状腔道的叶轮环腔71、第一叶栅环腔72a、第二叶栅环腔72b、第三叶栅环腔72c连通；
叶轮通道81、第一叶栅通道82a、第二叶栅通道82b和第三叶栅通道82c包括周向上设置的六个通孔；向心叶轮3的背部腔室31、叶轮通道81、叶轮环腔71、叶轮气管53依次连通，第一动叶栅4a的后腔室41、第一叶栅通道82a、第一叶栅环腔72a、第一叶栅气管54a依次连通，第二动叶栅4b的后腔室41、第二叶栅通道82b、第二叶栅环腔72b、第二叶栅气管54b依次连通，第三动叶栅4c的后腔室41、第三叶栅通道82c、第三叶栅环腔72c、第三叶栅气管54c依次连通。
本实施例中，设定系统工作推力限制值为a，透平机组启动后，转动部件内开始有带压力工质流过，工质分别经过向心叶轮3、动叶栅4后推动转子2旋转，旋转后的转子2在轴向产生一定的推力。
在启动初期，电动调节阀6均处于关闭状态，随着机组转速、进气压力升高，转子2上产生的轴向力增大，当转子2上朝左(图1中朝左)的轴向力增大到a值时，如图3所示，逐渐开启第一电动调节阀6a，向心叶轮3的背部腔室31将逐渐和第一动叶栅4a的后腔室41相连通，向心叶轮3背部的工质将通过叶轮气管53、第一叶栅气管54a和第一叶栅通道82a直接来到第一动叶栅4a的后腔室41，从而向心叶轮3背部的压力随着第一电动调节阀6a开度增大而减小，作用在转子2上朝左的轴向力因此减小，从而起到初调机组推力的效果；
当第一电动调节阀6a全开后，随着机组变参数运行，如果转子2上朝左的轴向力再次大于a值时，如图4所示，开启第二电动调节阀6b，向心叶轮3背部的压力将进一步降低，作用在转子2上朝左的轴向力再次减小，在开启第二电动调节阀6b过程中逐步关闭第一电动调节阀6a，当第二电动调节阀6b全开后，第一电动调节阀6a处于全关状态，起到中度调机组推力的效果；
随着机组的持续运行，当转子2上朝左的轴向力再次大于a值时，如图5所示，开启第三电动调节阀6c，向心叶轮3背部的压力将再一次降低，作用在转子2上朝左的轴向力也再次减小，在开启第三电动调节阀6c过程中逐步关闭第二电动调节阀6b，当第三电动调节阀6c全开后，第三电动调节阀6c处于全关状态，起到深度调机组推力的效果；
如果机组变工况运行过程中，转子2上朝左的推力值逐步减小，直至朝右的推力值增大到a值时，则逐步关闭第三电动调节阀6c，同时开启第二电动调节阀6b，向心叶轮3背部的压力逐渐增大，朝右的推力值将逐渐减小，如第三电动调节阀6c全关，第二电动调节阀6b全开，仍不满足转子2上朝右的推力值小于a值时，则逐步关闭第二电动调节阀6b，同时开启第一电动调节阀6a，当第二电动调节阀6b全关时，第一电动调节阀6a全开，如此时仍不满足朝右的推力值小于a值，则全关第一电动调节阀6a，如图6所示，然后再逐步开启主电动调节阀61，向心叶轮3背部的腔室将逐步和主蒸气管道相连通，主蒸汽管道的蒸汽来到背部腔室31使得向心叶轮3背部的压力因此逐步增大，通过控制主电动调节阀61开度将转子2上朝右的推力值最终控制在a值以内。
需要说明的是，工作时向心叶轮使沿工质流经方向(图1中从右至左)气缸1内的气压依次降低，使得向心叶轮3的背部腔室31与第一动叶栅4a、第二动叶栅4b、第三动叶栅4c的后腔室41之间的压力差依次增大，因此通过连通不同动叶栅4的后腔室41可以达到不同的推力调节量。
本实施例中叶栅气管54、叶栅环腔72和叶栅通道82的数量为三个，当然在其他的实施例中设置其他的数量以适应不同的调节需求。
作为上述实施例的可选方式，在其他实施例中，叶栅气管54和叶栅通道82的直径沿工质排出方向依次增大，以适应压力差的增大，调节更大的压力差。
作为上述实施例的可选方式，在其他实施例中，环腔通过焊接固定在气缸1的外圆面上，环腔单独设置使得制造方便，并通过焊接与气缸1固定。
作为上述实施例的可选方式，在其他实施例中，多个叶栅通道82之间的间距相同。
作为上述实施例的可选方式，在其他实施例中，多孔通道包括周向上均匀设置的多个通孔，在调整机组推力时，能够减小平衡气源对转子2的不平衡激振力。
作为上述实施例的可选方式，在其他实施例中，通孔的数量可以是大于等于6个的其他数量，需要一定数量的通孔，使工质通过通孔均匀进入背部腔室31或后腔室41周向各处，使得内部压力稳定，数量过少会使周向压力不稳定。
作为上述实施例的可选方式，在其他实施例中，通孔垂直于转子2，位于转子2的径向方向。
作为上述实施例的可选方式，在其他实施例中，叶轮气管53和叶栅气管54的直径大于通孔的直径；作为更有的可选方式，叶轮气管53的截面积等于叶轮通道81多个通孔截面积之和，叶栅气管54的截面积等于叶栅通道82多个通孔截面积之和，避免从叶轮气管53或叶栅气管54过来的工质直接从一个通孔通过来到背部腔室31或后腔室41，使工质通过多个通孔均匀进入背部腔室31或后腔室41，保证压力稳定性。
作为上述实施例的可选方式，在其他实施例中，电动调节阀6与控制系统连接，通过控制系统控制电动调节阀6的开关使得调整能够自动化进行。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种推力平衡结构，其特征在于：包括气缸(1)，所述气缸(1)内设置转子(2)，所述转子(2)上依次设置向心叶轮(3)和多组动叶栅(4)；气管，包括连接气管(51)、进气管(52)、叶轮气管(53)和多个叶栅气管(54)，所述进气管(52)、叶轮气管(53)和多个叶栅气管(54)通过连接气管(51)连通；
多个电动调节阀(6)，分别设置于进气管(52)及叶栅气管(54)上；环腔，所述环腔包括具有环状腔道的叶轮环腔(71)和多个叶栅环腔(72)，设置于气缸(1)上，分别与叶轮气管(53)和多个叶栅气管(54)连通；多孔通道，包括叶轮通道(81)和多个叶栅通道(82)，所述多孔通道包括周向上设置的多个通孔；叶轮通道(81)的一端通过环腔与叶轮气管(53)连通，另一端连通向心叶轮(3)的背部腔室(31)；叶栅通道(82)的一端分别通过环腔与叶栅气管(54)连通，另一端分别连通动叶栅(4)的后腔室(41)。
2.如权利要求1所述的推力平衡结构，其特征在于：所述叶栅气管(54)、叶栅环腔(72)、叶栅通道(82)的数量为三个；电动调节阀(6)包括对应的第一电动调节阀(6a)、第二电动调节阀(6b)、第三电动调节阀(6c)，及设置于进气管(52)的主电动调节阀(61)。
3.如权利要求1所述的推力平衡结构，其特征在于：所述叶栅气管(54)和叶栅通道(82)的直径沿工质排出方向依次增大。
4.如权利要求1所述的推力平衡结构，其特征在于：所述环腔通过焊接固定在气缸(1)的外圆面上。
5.如权利要求1所述的推力平衡结构，其特征在于：多个所述叶栅通道(82)之间的间距相同。
6.如权利要求1所述的推力平衡结构，其特征在于：所述多孔通道包括周向上均匀设置的多个通孔。
7.如权利要求1所述的推力平衡结构，其特征在于：所述通孔的数量大于等于6个。
8.如权利要求1所述的推力平衡结构，其特征在于：所述通孔垂直于转子(2)。
9.如权利要求1所述的推力平衡结构，其特征在于：所述叶轮气管(53)和叶栅气管(54)的直径大于通孔的直径。
10.如权利要求1所述的推力平衡结构，其特征在于：所述电动调节阀(6)与控制系统连接。
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