CN113931705A - 一种透平转子装置及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种透平转子装置及其运行方法，所述透平转子装置包括转轴：沿所述转轴的轴向方向依次包括有第一干气密封、第一气浮轴承、换热段、第二气浮轴承和第二干气密封；在所述第一干气密封与所述第一气浮轴承之间设置有第一气体进口；在所述第二气浮轴承和第二干气密封之间设置有第二气体进口；在所述换热段，沿所述转轴的轴向方向靠近所述第一气浮轴承处，设置有第一气体出口；在所述换热段，沿所述转轴的轴向方向靠近所述第二气浮轴承处，设置有第二气体出口。所述透平转子装置采用气浮轴承气做转子的冷却气，装置结构紧凑，缩短了轴距，提高了透平运行的安全性。

Description

一种透平转子装置及其运行方法
技术领域
本发明涉及透平旋转技术领域，尤其涉及一种透平转子装置及其运行方法。
背景技术
超临界二氧化碳透平转子是适用于发电设备的转子，如CN112253259A中公开了一种透平转子系统，所述透平转子系统包括转轴，沿转轴的轴向依次设有第一低温区、高温区和第二低温区；平衡盘设于转轴的第一低温区，平衡盘上套设有第一密封；第一进气口设于转轴的第一低温区，第一进气口连接冷却气源冷却以第一密封；透平转子设于转轴的高温区，透平转子的外周设有叶片；第二进气口设于转轴的高温区，第二进气口用于提供高温气体驱动叶片带动转轴转动。
在设计常规透平转子时，常规蒸汽循环的转子布置方案将油轴承安排在干气密封外，干气密封内再布置有冷却段。该布置方法需要设计很长的轴向跨距，结构松散，系统复杂。
因此，需要开发一种新的透平转子装置。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种透平转子装置及其运行方法，所述透平转子装置通过将干气密封设置在气浮轴承的外侧，气浮轴承的冷气能够同时起到冷却转子和缸体的作用，因此转子本身无需单独设置冷却段，大大缩小了轴的整体长度，显著提高了系统的安全性。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种透平转子装置，所述透平转子装置包括转轴；
沿所述转轴的轴向方向依次包括有第一干气密封、第一气浮轴承、换热段、第二气浮轴承和第二干气密封；
在所述第一干气密封与所述第一气浮轴承之间设置有第一气体进口；在所述第二气浮轴承和第二干气密封之间设置有第二气体进口；
在所述换热段，沿所述转轴的轴向方向靠近所述第一气浮轴承处，设置有第一气体出口；
在所述换热段，沿所述转轴的轴向方向靠近所述第二气浮轴承处，设置有第二气体出口。
本发明所述透平转子装置通过先将常规的油轴承替换为气浮轴承，然后将气浮轴承设置在干气密封的内侧，从而充分利用气浮轴承原本的冷却气实现对转子和透平工质的冷却；转子的冷却系统无需单独设计，而且没有润滑油系统时干气密封也就无需设计隔离气防止油气泄露至干气密封中，显著降低了系统的复杂性；且减少单独的冷却系统后能够大大缩小轴的整体长度，整体结构紧凑。本发明中所述第一气体进口进入的气体流经第一气浮轴承后再从第一气体出口流出；所述第二气体进口进入的气体流经第二气浮轴承后再从第二气体出口流出。
优选地，所述第一气体进口和所述第二气体进口连通气浮轴承气源装置。
优选地，在所述第一气浮轴承与所述第一气体出口之间设置有第一密封部件。在所述第二气浮轴承与所述第二气体出口之间设置有第二密封部件。所述第一气体进口进入的气体依次流经第一气浮轴承和第一密封部件后再从第一气体出口流出；所述第二气体进口进入的气体依次流经第二气浮轴承和第二密封部件后再从第二气体出口流出。
优选地，所述第一气浮轴承和第二气浮轴承各自独立地为空气轴承。
优选地，所述第一密封部件和第二密封部件各自独立地为齿式密封部件。
优选地，沿所述转轴的轴向方向靠近所述第一密封部件设置有平衡盘，在所述平衡盘的外周设置有第三密封部件。
优选地，在所述平衡盘和所述第一密封部件之间设置第一气体出口。
优选地，所述第一气体进口通过所述转轴和所述第一密封部件之间的间隙向所述第一气体出口泄漏。
优选地，沿所述转轴的轴向方向靠近所述平衡盘设置有透平转子。
优选地，所述透平转子的转速在3万转以上。
优选地，在所述透平转子的外周设置有叶片。
优选地，所述叶片与所述平衡盘之间设置有第三气体进口。
优选地，所述第三气体进口的一侧通过间隙向第一气体出口泄漏，另一侧通过叶片做功后由第二气体出口排出。从第三气体进口流入的气体分为两股气流，其中一股流经平衡盘和第三密封部件后从第一气体出口泄漏；另一股流经叶片后从第二气体出口流出。
优选地，所述第二气体出口设置在所述叶片与所述第二密封部件之间。
优选地，所述第二气体进口通过所述转轴和所述第二密封部件之间的间隙向所述第二气体出口泄漏。
优选地，所述第一气体进口与第二气体出口通过缸体的内外夹层相连通。
优选地，所述透平转子装置还包括与所述第一气体进口相连的调温调压系统。
优选地，所述透平转子装置还包括与所述第二气体进口相连的调温调压系统。
第二方面，本发明提供一种根据第一方面所述的透平转子装置的运行方法，所述运行方法包括：气浮轴承气分为两股，第一股气自第一气体进口流入，从换热段的第一气体出口排出。第二股自第二气体进口流入，从换热段的第二气体出口排出，同时对透平转子和缸体进行冷却。
本发明通过所述透平转子装置能够实现气浮轴承同时对透平转子的冷却，缩短了轴的长度，提高了系统安全性。
优选地，所述运行方法还包括：透平工质自第三气体进口流入，经叶片通流做功后从第二气体出口排出。
优选地，所述透平工质中泄露气体经平衡盘和第三密封部件后从第一气体出口溢出。
优选地，所述透平工质包括二氧化碳。
优选地，所述第一股气自第一气体进口流入后，先经第一气浮轴承和第一密封后再从第一气体出口排出。
优选地，所述第二股气自第二气体进口流入后，先经第二气浮轴承和第二密封后再从第二气体出口排出。
作为本发明优选地技术方案，所述运行方法包括：
气浮轴承气分为两股，第一股气自第一气体进口流入后，先经第一气浮轴承和第一密封后再从第一气体出口排出；第二股气自第二气体进口流入后，先经第二气浮轴承和第二密封后再从第二气体出口排出，同时对透平转子进行冷却。
透平工质自第三气体进口流入，经叶片通流做功后从第二气体出口排出；所述透平工质中泄露气体经平衡盘和第三密封部件后从第一气体出口溢出。
其中，所述第一股气自高压侧进入，进气工况为P2，T2。第二股气自低压侧进入，进气工况为P2，T2。所述第一股气和第二股气通过调温调压系统调节后通入。本发明对所述P2，T2没有特殊限定，可根据系统轴系的承载重量、空气轴承的运行需要确定。
自第三气体进口流入的透平工质的工况为P0，T0，属于透平进气参数；自第二气体出口排出的气体工况为P1，T1，属于透平排气参数；本发明对所述透平进气参数和透平排气参数不做特殊限定，可根据透平系统自身需要确定。进一步优选地，所述透平工质的工况属于高温高压工况，具体温度一般为450～800℃，例如可以是450℃、480℃、500℃、520℃、550℃、580℃、600℃、650℃、700℃、750℃或800℃等，压力一般为16～30MPa，例如可以是16MPa、18MPa、20MPa、22MPa、25MPa、28MPa或30MPa等。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的透平转子装置通过布置气浮轴承在干气密封内侧，气浮轴承地冷气能同时起到冷却气体作用，本透平转子无需布置冷却段，通过气浮轴承的气流冷却转子及外缸，转子和缸体的温度均能降低到干气密封的运行温度要求；
(2)能够大大缩小轴的整体长度，长度可缩短至1820mm以下，较原有系统的长度下降了20％以上，整体结构紧凑，很大地提高了系统地安全性；
(3)本发明提供的透平转子装置中冷却气系统无需单独设计，同时没有润滑油系统干气密封无需在设计隔离气防止油气往干气密封内泄露，很好地降低了系统的复杂性；
(4)本发明提供的透平转子装置采用空气轴承能提高透平机组轴承部件运行寿命，降低透平转动的机械损失，提高系统效率。
附图说明
图1是本发明具体实施方式提供的透平转子装置示意图。
图2是本发明实施例1中干气密封和冷却原理示意图。
图中：1-第一干气密封；2-第一气浮轴承；3-第一密封部件；4-平衡盘；5-第二密封部件；6-第二气浮轴承；7-第二干气密封；8-第二气体进口；9-第二气体出口；10-叶片；11-第三气体进口；12-第三密封部件；13-第一气体出口；14-第一气体进口；15-外缸；16-转子。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本领域技术人员理应了解的是，本发明中必然包括用于实现工艺完整的必要管线、常规阀门和通用泵设备，但以上内容不属于本发明的主要发明点，本领域技术人员可以基于工艺流程和设备结构选型进可以自行增设布局，本发明对此不做特殊要求和具体限定。
作为本发明的一个具体实施方式，提供一种透平转子装置，如图1所示，所述透平转子装置包括转轴；沿所述转轴的轴向方向依次包括有第一干气密封1、第一气浮轴承2、换热段、第二气浮轴承6和第二干气密封7。
在所述第一干气密封1与所述第一气浮轴承2之间设置有第一气体进口14；在所述第二气浮轴承6和第二干气密封7之间设置有第二气体进口8；
在所述换热段，沿所述转轴的轴向方向靠近所述第一气浮轴承2处，设置有第一气体出口13；在所述换热段，沿所述转轴的轴向方向靠近所述第二气浮轴承6处，设置有第二气体出口9。
所述第一气体进口14和所述第二气体进口8连通气浮轴承气源装置。在所述第一气浮轴承2与所述第一气体出口13之间设置有第一密封部件3。在所述第二气浮轴承6与所述第二气体出口9之间设置有第二密封部件4；所述第一密封部件3和第二密封部件4各自独立地为齿式密封部件。
沿所述转轴的轴向方向靠近所述第一密封部件3设置有平衡盘4，在所述平衡盘4的外周设置有第三密封部件12。在所述平衡盘4和所述第一密封部件3之间设置第一气体出口13。所述第一气体进口14通过所述转轴和所述第一密封部件3之间的间隙向所述第一气体出口13泄漏。
沿所述转轴的轴向方向靠近所述平衡盘4设置有透平转子。在所述透平转子的外周设置有叶片10。所述叶片10与所述平衡盘4之间设置有第三气体进口11。所述第三气体进口11一侧通过间隙向第一气体出口13泄漏，另一侧通过叶片10做功后由第二气体出口8排出。所述第二气体出口9设置在所述叶片10与所述第二密封部件4之间。所述第二气体进口8通过所述转轴和所述第二密封部件3之间的间隙向所述第二气体出口9泄漏。所述第一气体出口13与所述第二气体出口9通过缸体的夹层相连通。
所述透平转子装置还包括与所述第一气体进口14相连的调温调压系统。所述透平转子装置还包括与所述第二气体进口8相连的调温调压系统。
作为本发明的另一个具体实施方式，还提供上述透平转子装置的运行方法，所述运行方法包括：
气浮轴承气分为两股，第一股气自第一气体进口14流入后，先经第一气浮轴承2和第一密封后再从第一气体出口13排出；第二股气自第二气体进口8流入后，先经第二气浮轴承6和第二密封后再从第二气体出口9排出，同时对透平转子和缸体进行冷却。
透平工质自第三气体进口11流入，经叶片10通流做功后从第二气体出口9排出；所述透平工质中泄露气体经平衡盘4和第三密封部件12后从第一气体出口13溢出。
其中，所述第一股气自高压侧进入，进气工况为P2，T2。第二股气自低压侧进入，进气工况为P2，T2。所述第一股气和第二股气通过调温调压系统调节后通入。本发明对所述P2，T2没有特殊限定，可根据系统轴系的承载重量、空气轴承的运行需要确定。
自第三气体进口11流入的透平工质的工况为P0，T0，属于透平进气参数；自第二气体出口9排出的气体工况为P1，T1，属于透平排气参数；本发明对所述透平进气参数和透平排气参数不做特殊限定，可根据透平系统自身需要确定。
以下以具体实施例进行说明。
实施例1
本实施例提供一种透平转子装置，所述透平转子装置包括转轴；沿所述转轴的轴向方向依次包括有第一干气密封1、第一空气轴承、换热段、第二空气轴承和第二干气密封7。
在所述第一干气密封1与所述第一空气轴承之间设置有第一气体进口14；在所述第二空气轴承和第二干气密封7之间设置有第二气体进口8；
在所述换热段，沿所述转轴的轴向方向靠近所述第一空气轴承处，设置有与第一气体出口13；在所述换热段，沿所述转轴的轴向方向靠近所述第二空气轴承处，设置有第二气体出口9。
所述第一气体进口14和所述第二气体进口8连通空气轴承气源装置。在所述第一空气轴承与所述第一气体出口13之间设置有第一密封部件3。在所述第二空气轴承与所述第二气体出口9之间设置有第二密封部件4；所述第一密封部件3和第二密封部件4均为齿式密封部件。
沿所述转轴的轴向方向靠近所述第一密封部件3设置有平衡盘4，在所述平衡盘4的外周设置有第三密封部件12，所述第三密封部件12为齿式密封部件。在所述平衡盘4和所述第一密封部件3之间设置第一气体出口13。所述第一气体进口14所述转轴和所述第一密封部件3之间的间隙向所述第一气体出口13泄漏。
沿所述转轴的轴向方向靠近所述平衡盘4设置有透平转子。在所述透平转子的外周设置有叶片10。所述叶片10与所述平衡盘4之间设置有第三气体进口11。所述第三气体进口11的一侧通过间隙向第一气体出口13泄漏，另一侧通过叶片10做功后由第二气体出口8排出。所述第二气体出口9设置在所述叶片10与所述第二密封部件4之间。所述第二气体进口8通过所述转轴和所述第二密封部件4之间的间隙向所述第二气体出口9泄漏。所述第一气体出口13与所述第二气体出口9通过缸体的夹层相连通。
所述透平转子装置还包括与所述第一气体进口14相连的调温调压系统。所述透平转子装置还包括与所述第二气体进口8相连的调温调压系统。
所述20MW等级透平转子装置中转轴的长度总共仅为1820mm。
作为本发明的另一个具体实施方式，还提供上述透平转子装置的运行方法，所述运行方法包括：
如图2所示，图2中a为外缸冷却区，b为转子冷却区，c为排气区，空气轴承气分为两股，通过调温调压系统调节温度为110～130℃压力为8～10MPa的第一股空气自第一气体进口14流入后，先经第一空气轴承和第一密封后再从第一气体出口13排出；温度为300～500℃，压力为7～9MPa，第二股空气自第二气体进口8流入后，先经第二空气轴承和第二密封后再从第二气体出口9排出，同时对透平转子和缸体进行冷却。
温度为600℃压力为24MPa的透平工质(二氧化碳)自第三气体进口11流入，经叶片10通流做功后从第二气体出口9排出(排出气体的温度为430℃，压力为8.9MPa)；所述透平工质中泄露气体经平衡盘4和第三密封部件12后从第一气体出口13溢出。
对比例1
本对比例提供一种透平转子装置，所述透平转子装置除将空气轴承设置在干气密封外侧，并增设转子的冷却系统外，其余均与实施例1相同。
本对比例中透平转子装置中转轴的长度总共为2420mm。
综上所述，本发明提供的透平转子装置及其运行方法，通过采用气浮轴承气做转子的冷却气，装置结构紧凑，缩短了轴距，提高了透平运行的安全性。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种透平转子装置，其特征在于，所述透平转子装置包括转轴；
沿所述转轴的轴向方向依次包括有第一干气密封、第一气浮轴承、换热段、第二气浮轴承和第二干气密封；
在所述第一干气密封与所述第一气浮轴承之间设置有第一气体进口；在所述第二气浮轴承和第二干气密封之间设置有第二气体进口；
在所述换热段，沿所述转轴的轴向方向靠近所述第一气浮轴承处，设置有第一气体出口；
在所述换热段，沿所述转轴的轴向方向靠近所述第二气浮轴承处，设置有第二气体出口。
2.根据权利要求1所述的透平转子装置，其特征在于，在所述第一气浮轴承与所述第一气体出口之间设置有第一密封部件；在所述第二气浮轴承与所述第二气体出口之间设置有第二密封部件；
优选地，所述第一密封部件和第二密封部件各自独立地为齿式密封部件。
3.根据权利要求2所述的透平转子装置，其特征在于，沿所述转轴的轴向方向靠近所述第一密封部件设置有平衡盘，在所述平衡盘的外周设置有第三密封部件。
4.根据权利要求3所述的透平转子装置，其特征在于，所述第一气体进口通过所述转轴和所述第一密封部件之间的间隙向所述第一气体出口泄漏。
5.根据权利要求3或4所述的透平转子装置，其特征在于，沿所述转轴的轴向方向靠近所述平衡盘设置有透平转子；
优选地，在所述透平转子的外周设置有叶片。
6.根据权利要求5所述的透平转子装置，其特征在于，所述叶片与所述平衡盘之间设置有第三气体进口；
优选地，所述第三气体进口的一侧通过间隙向第一气体出口泄漏，另一侧通过叶片做功后由第二气体出口排出。
7.根据权利要求5所述的透平转子装置，其特征在于，所述第二气体出口设置在所述叶片与所述第二密封部件之间；
优选地，所述第二气体进口通过所述转轴和所述第二密封部件之间的间隙向所述第二气体出口泄漏；
优选地，所述第一气体出口与所述第二气体出口通过缸体的夹层相连通。
8.根据权利要求1～7任一项所述的透平转子装置，其特征在于，所述透平转子装置还包括与所述第一气体进口相连的调温调压系统；
优选地，所述透平转子装置还包括与所述第二气体进口相连的调温调压系统。
9.一种根据权利要求1～8任一项所述的透平转子装置的运行方法，其特征在于，所述运行方法包括：
气浮轴承气分为两股，第一股气自第一气体进口流入，从换热段的第一气体出口排出；第二股自第二气体进口流入，从换热段的第二气体出口排出，同时对透平转子和缸体进行冷却。
10.根据权利要求9所述的运行方法，其特征在于，所述运行方法还包括：透平工质自第三气体进口流入，经叶片通流做功后从第二气体出口排出；
优选地，所述透平工质中泄露气体经平衡盘和第三密封部件后从第一气体出口溢出；
优选地，所述第一股气自第一气体进口流入后，先经第一气浮轴承和第一密封后再从第一气体出口排出；
优选地，所述第二股气自第二气体进口流入后，先经第二气浮轴承和第二密封后再从第二气体出口排出。
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