CN113153455B - 径流透平轴向力自适应调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供径流透平轴向力自适应调控方法，若透平背面环形腔室压力较小，则推力方向指向电机侧；若透平背面环形腔室压力较大，则推力方向指向透平侧。通过实时监测透平入口压力、透平出口压力、透平背面环形腔室压力的数值，计算径流透平轴向力。若轴向力指向电机侧，且数值超过预警值，则开启引流控制阀，轴向力逐渐减小到允许值；若轴向力指向透平侧，且数值超过预警值，则关闭引流控制阀，并开启抽气泵，轴向力逐渐减小到允许值。本发明采用主动控制透平背面环形腔室压力的方法，以达到主动调控轴向力的目的，可平衡90％以上的轴向力，大大降低了高速推力轴承的设计难度。

Description

径流透平轴向力自适应调控方法

技术领域

本发明涉及的是一种透平控制方法，具体地说是透平轴向力控制方法。

背景技术

近年来，在有机朗肯循环(ORC)、S-CO₂布雷顿循环、Kalina循环及余压余能等发电装置中，高速一体化集成发电机组以其体积小、重量轻、功率密度大、效率高、工质零泄漏等特点得到越来越广泛的应用。高速一体化集成发电机组主要由高速主轴、径流透平、高速发电机、高速磁悬浮/气浮轴承等部件组成。由于主轴转速很高，推力轴承的推力盘直径大小受风磨损失、材料强度、转子动平衡性能等影响有所限制，而推力轴承的承载能力与推力盘大小直接相关。

由于推力轴承的承载能力有限，而径流透平两侧压差产生的轴向力总是大于推力轴承的承载能力，因此必须采取其它措施来平衡轴向力，目前行业内多采用平衡孔或平衡盘等方法。

平衡孔是指在叶轮的后盖板上靠近轮毂的地方开一圈小孔，以减小叶轮背面环形室与叶轮流道之间的压差，从而减小轴向力。但是，在叶轮上开平衡孔不仅降低了叶轮的强度，而且气流从平衡孔流入或流出叶轮流道时会影响流场，增大流道损失，降低气动效率和抗汽蚀性能。

平衡盘安装在主轴上，可利用两侧气体的压差产生的轴向推力来部分抵消转子轴向力，但是平衡盘的设置既增加风磨损耗，又增大了主轴长度和重量，降低了刚度。

可以看出，不管是平衡孔还是平衡盘，都会对机组带来诸多负面影响，而且只能抵消部分轴向力，同时其变工况适应性差，不能主动调控。

发明内容

本发明的目的在于提供在不改变叶轮及主轴结构的情况下，实时监测轴向力大小，通过在叶轮背面环形腔室主动引入或导出气流来改变叶轮两侧压差，达到主动调控轴向力目的的径流透平轴向力自适应调控方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明径流透平轴向力自适应调控方法，其特征是：采用如下径流透平轴向力自适应调控系统，包括径流透平、发电机、热端换热器、冷端换热器、储液罐、增压泵、PLC，所述增压泵的两端分别连接储液罐的出口和热端换热器的入口，热端换热器的出口连接透平进气口，透平出气口连接冷端换热器的入口，冷端换热器的出口连接储液罐，径流透平连接发电机；所述径流透平包括透平壳体、透平气封，所述发电机包括电机壳体、电机气封，电机壳体和透平壳体之间设置透平气封，透平气封的两侧分别为透平主流道和叶轮背面环形腔室，电机壳体里设置电机气封，电机气封的两侧分别为叶轮背面环形腔室和电机内部腔室，叶轮背面环形腔室所处电机壳体上设置引流进气口和导流出气口，电机内部腔室壳体上设置电机泄流口；热端换热器的出口连接透平进气口的管路上支出引流控制管，引流控制管连接引流进气口，引流控制管上设置引流控制阀；导流出气口连接导流出气管，导流出气管连接冷端换热器的进口，导流出气管上安装抽气泵、止回阀；电机泄流口通过电机泄流阀连接止回阀前的导流出气管；热端换热器的出口连接透平进气口的管路上设置叶轮进气口测压装置，导流出气管上设置叶轮背面环形腔室测压装置，透平出气口与冷端换热器的入口之间的管路上设置叶轮出气口测压装置，叶轮进气口测压装置、叶轮背面环形腔室测压装置和叶轮出气口测压装置均连接PLC，叶轮进气口测压装置测得透平入口压力P_i，叶轮背面环形腔室测压装置测得透平背面环形腔室压力P_b，叶轮出气口测压装置测得透平出口压力P_o，径流透平的轴向力F_t为0时的叶轮背面压力为P_b0，若P_b＜P_b0，则F_t＞0，轴向推力方向指向电机侧；若P_b＞P_b0，则F_t＜0，推力方向指向透平侧；实时监测P_i、P_o、P_b的数值，根据经验公式计算，以得到径流透平轴向力大小，以之作为判断依据，调整P_b值来调控轴向推力的大小和方向；

径流透平的轴向力按以下经验公式计算：

透平侧轴向力：

其中，

电机侧轴向力：

其中r_i为叶轮入口半径，r_os为叶轮出口轮缘半径，r_oh为叶轮出口轮毂半径，r_b为叶轮背面轮毂半径，r为叶轮半径；

由透平内气流动量变化产生的轴向力：

F₃＝Q_mc₂

其中Q_m为流过叶轮流道的介质流量，c₂为叶轮出口处介质流速；

则透平产生的轴向推力为：

F_t＝F₁+F₃-F₂。

本发明还可以包括：

1、轴向力指向电机侧，且数值超过预警值F_w ⁺时，则PLC给出指令开启引流控制阀，使热端换热器出口的高压气态工质经引流进气口进入透平背面环形腔室，使压力P_b增大，则轴向力F值逐渐减小到允许值；

轴向力指向透平侧，且数值超过预警值F_w-时，则PLC给出指令关闭引流控制阀，并依次开启抽气泵控制阀、抽气泵，将透平背面环形腔室中的工质从导流出气口中抽走送入冷端换热器，使腔室压力P_b减小，则轴向力F值逐渐减小到允许值。

本发明的优势在于：本发明针对高速一体化集成发电机组中径流透平轴向力较大，致使推力轴承设计比较困难等问题，通过设置合理的密封结构，采用主动控制透平背面环形腔室压力的方法，以达到主动调控轴向力的目的，可平衡90％以上的轴向力，大大降低了高速推力轴承的设计难度。

附图说明

图1为本发明径流透平轴向力自适应调控系统示意图；

图2为高速一体化集成发电机组结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-2，本实施例为ORC发电装置中高速一体化集成发电机组径流透平轴向力的自适应调控系统，包括增压泵1-1、径流透平1-2、热端换热器1-3、PLC1-4、引流控制阀1-5、叶轮进气口测压装置1-6、叶轮背面环形腔室测压装置1-7、抽气泵1-8、抽气控制阀1-9、高速发电机1-10、电机泄流阀1-11、止回阀1-12、冷端换热器1-13、叶轮出气口测压装置1-14、储液/气罐1-15等。

增压泵1-1、热端换热器1-3、径流透平1-2、冷端换热器1-13、储液罐1-15等由金属管道依次串联连接，为ORC主热力循环系统；

引流控制阀1-5一端连接在热端换热器1-3出口管路，另一端连接在引流进气口N2，为引流管路；

导流出气口N3、抽气泵1-8、抽气控制阀1-9、止回阀1-12依次串联连接，并接入冷端换热器1-13入口管路，为抽气管路；

电机泄流阀1-11一端连接在电机泄流口N4，另一端并入抽气管路止回阀1-12之前、抽气控制阀1-9之后管路，为电机泄流管路；

叶轮进气口测压装置1-6布置在紧邻透平进气口N1前主管路上，叶轮背面环形腔室测压装置1-7布置在紧邻导流出气口N3后管路上，叶轮出气口测压装置1-14布置在紧邻透平出气口N5后管路上，为测压模块。

测压装置1-6、1-7、1-14及控制阀1-5、1-9、1-11依次用控制电缆将信号接入PLC1-4，在PLC 1-4中进行数据处理与分析，为控制模块；

结合图2说明本发明所述高速一体化集成发电机组的部分结构，主要包括透平气封2-1、电机壳体2-2、电机气封2-3、轴承座2-4、主轴2-5、透平叶轮2-6、透平壳体2-7。

透平气封2-1将透平主流道与叶轮背面环形腔室隔离开，电机气封2-3将叶轮背面环形腔室与电机内部腔室隔离开，形成一个压力可调可控的空间；

透平进气口N1、透平出气口N5布置在透平壳体2-7上，引流进气口N2、导流出气口N3布置在叶轮背面环形腔室所处电机壳体2-2上，电机泄流口N4布置在电机内部腔室壳体2-2上。

透平汽封2-1、透平壳体2-7、电机壳体2-2、电机气封2-3、2-4轴承座等静止部件之间的连接处均布置有O型圈等静密封；

本实施例中径流透平轴向力的自适应调控方法：由牛顿第一定律，径流透平产生的轴向力与推力轴承施加的反作用力大小相等、方向相反，通过监测高速发电机推力轴承施加的反作用力，可实时监测径流透平的轴向力大小。此外，根据试验经验，径流透平的轴向力大小与透平入口压力P_i、透平出口压力P_o及透平背面环形腔室压力P_b有关。轴向力可按以下经验公式计算：

透平侧轴向力：

其中：

电机侧轴向力：

其中，r_i——叶轮入口半径；

r_os-—叶轮出口轮缘半径；

r_oh——叶轮出口轮毂半径；

r_b——叶轮背面轮毂半径；

r——叶轮半径；

由于透平内气流动量变化产生的轴向力：

F₃＝Q_mc₂

其中，Q_m——流过叶轮流道的介质流量；

c₂——叶轮出口处介质流速。

则透平产生的轴向推力为：

F_t＝F₁+F₃-F₂

对一台给定的透平在任意稳定流动状态运行时，r_i、r_os、r_oh、Q_m、r_b、c₂等均保持变，即F₁、F₃为常数，轴向推力F_t的大小和方向只与F₂也即P_b有关。设轴向力F_t＝0时对应的叶轮背面压力为P_b0，若P_b＜P_b0，则F_t＞0，轴向推力方向指向电机侧；若P_b＞P_b0，则F_t＜0，推力方向指向透平侧。因此可通过实时监测P_i、P_o、P_b的数值，根据经验公式计算，或监测推力轴承反作用力，以得到径流透平轴向力大小，以之作为判断依据，适当调整P_b值来调控轴向推力的大小和方向。以经验公式法为例，说明具体操作方法如下：

增压泵1-1启动，使液态工质增压后流入热端换热器1-3中加热变为高压气态；高压气态工质经透平进气口N1流入透平叶轮膨胀做功，压力减小、温度降低，然后由透平出气口N5流出；从透平出气口N5流出的乏汽流入冷凝器1-13中冷却为液态并储存到1-15储液罐中；然后又增压泵1-1加压送入热端换热器1-3完成一个循环。

径流透平1-2由于高压气体从透平进气口N1进入流道后，由于透平汽封2-1的阻隔，使径流透平1-2的通流面与背面环形腔室之间产生压差，在这个压差的作用下，便产生了轴向力。通过测压装置1-6、1-14、1-7分别测得P_i、P_o、P_b的大小，测量结果传入PLC1-4中进行分析计算得到轴向力F_t。

轴向力若指向电机侧，且数值超过预警值F_t ⁺，则PLC给出指令开启控制阀1-5，使热端换热器1-3出口的高压气态工质经引流进气口N2进入透平背面环形腔室，使其压力P_b增大，则轴向力F_t值逐渐减小到允许值；

轴向力若指向透平侧，且数值超过预警值F_t ^-，则PLC给出指令关闭控制阀1-5，并依次开启控制阀1-9、抽气泵1-8，将透平背面环形腔室中的工质从导流出气口N3中抽走送入冷端换热器1-13，使腔室压力P_b减小，则轴向力F_t值逐渐减小到允许值。

所述电机气封2-3将透平背面环形腔室与电机腔体之间阻隔，从电机气封2-3漏入电机中的工质可经过电机泄流口N4流出，控制阀1-11可实时控制从电机泄漏出来的流量。

所述止回阀1-12用以防止气流从冷端换热器入口管路中回流入电机。

Claims (1)

1.径流透平轴向力自适应调控方法，其特征是：采用如下径流透平轴向力自适应调控系统，包括径流透平、发电机、热端换热器、冷端换热器、储液罐、增压泵、PLC，所述增压泵的两端分别连接储液罐的出口和热端换热器的入口，热端换热器的出口连接透平进气口，透平出气口连接冷端换热器的入口，冷端换热器的出口连接储液罐，径流透平连接发电机；所述径流透平包括透平壳体、透平气封，所述发电机包括电机壳体、电机气封，电机壳体和透平壳体之间设置透平气封，透平气封的两侧分别为透平主流道和叶轮背面环形腔室，电机壳体里设置电机气封，电机气封的两侧分别为叶轮背面环形腔室和电机内部腔室，叶轮背面环形腔室所处电机壳体上设置引流进气口和导流出气口，电机内部腔室壳体上设置电机泄流口；热端换热器的出口连接透平进气口的管路上支出引流控制管，引流控制管连接引流进气口，引流控制管上设置引流控制阀；导流出气口连接导流出气管，导流出气管连接冷端换热器的进口，导流出气管上安装抽气泵、止回阀；电机泄流口通过电机泄流阀连接止回阀前的导流出气管；热端换热器的出口连接透平进气口的管路上设置叶轮进气口测压装置，导流出气管上设置叶轮背面环形腔室测压装置，透平出气口与冷端换热器的入口之间的管路上设置叶轮出气口测压装置，叶轮进气口测压装置、叶轮背面环形腔室测压装置和叶轮出气口测压装置均连接PLC，叶轮进气口测压装置测得透平入口压力P_i，叶轮背面环形腔室测压装置测得透平背面环形腔室压力P_b，叶轮出气口测压装置测得透平出口压力P_o，径流透平的轴向力F_t为0时的叶轮背面压力为P_b0，若B_b＜P_b0，则F_t＞0，轴向推力方向指向电机侧；若P_b＞P_b0，则F_t＜0，推力方向指向透平侧；实时监测P_i、P_o、P_b的数值，根据经验公式计算，以得到径流透平轴向力大小，以之作为判断依据，调整P_b值来调控轴向推力的大小和方向；

径流透平的轴向力按以下经验公式计算：

透平侧轴向力：

其中，

电机侧轴向力：

其中r_i为叶轮入口半径，r_os为叶轮出口轮缘半径，r_oh为叶轮出口轮毂半径，r_b为叶轮背面轮毂半径，r为叶轮半径；

由透平内气流动量变化产生的轴向力：

F₃＝Q_mc₂

其中Q_m为流过叶轮流道的介质流量，c₂为叶轮出口处介质流速；

则透平产生的轴向推力为：

F_t＝F₁+F₃-F₂；

轴向力指向电机侧，且数值超过预警值F_w ⁺时，则PLC给出指令开启引流控制阀，使热端换热器出口的高压气态工质经引流进气口进入透平背面环形腔室，使压力P_b增大，则轴向力F值逐渐减小到允许值；

轴向力指向透平侧，且数值超过预警值F_w-时，则PLC给出指令关闭引流控制阀，并依次开启抽气泵控制阀、抽气泵，将透平背面环形腔室中的工质从导流出气口中抽走送入冷端换热器，使腔室压力P_b减小，则轴向力F值逐渐减小到允许值。

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