CN113982698B - 一种低温有机工质膨胀机平衡气及轴承座保温系统 - Google Patents

一种低温有机工质膨胀机平衡气及轴承座保温系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及透平膨胀机领域，具体涉及一种低温有机工质膨胀机平衡气及轴承座保温系统，进气壳的进气口中进气，然后通过多级涡轮膨胀，压力逐渐降低，进气口侧的高压工质可以经过减压后通过平衡气封进入前平衡腔，并在压力的作用下通过平衡气孔进入后平衡腔，再经隔离件上的通气孔进入到隔离腔，隔离腔将排气流道与轴承座隔离，减小了轴承座热量散失，随后经隔离腔出口进入主流道并与主流混合。多级涡轮后与前平衡腔之间压差产生的轴向力与涡轮盘方向相反，平衡了大部轴向推力，降低了轴承功耗，减小推力轴承设计难度。前平衡腔与后平衡腔压差较小，减小了第一机械密封的密封压力，降低了泄漏风险。

Description

一种低温有机工质膨胀机平衡气及轴承座保温系统
技术领域
本发明涉及透平膨胀机领域，尤其涉及一种低温有机工质膨胀机平衡气及轴承座保温系统。
背景技术
采用有机朗肯循环发电系统是高效利用LNG冷能的方式之一，有机工质低温膨胀机是有机朗肯循环发电系统核心设备。通过提高反动度来提升轴流涡轮等熵效率可能会导致转子轴向力过大的问题，采用引气的方式可以平衡轴向力。现有平衡气引气方式通常为外部平衡气管引气，这导致机组外围管路十分复杂，且增加了泄漏的风险。由于LNG冷能温度极低，相应降低了有机朗肯循环系统的冷凝温度。在一种系统中，膨胀机进口温度为20～30℃，膨胀机出口温度约为-80～-60℃，膨胀比达到55，膨胀机出口温度远低于机械密封使用温度，传统结构布置形式无法满足效率要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低温有机工质膨胀机平衡气及轴承座保温系统，旨在平衡轴向推力，降低轴承功耗以及减小前平衡腔与后平衡腔压差，降低泄漏风险。
为实现上述目的，本发明提供了一种低温有机工质膨胀机平衡气及轴承座保温系统，包括进气壳，所述进气壳具有进气口，排气壳具有排气口，所述进气口与所述排气口连通，多级涡轮转动设置在所述进气口和所述排气口之间，所述多级涡轮根部具有平衡气孔，主轴与所述多级涡轮固定连接，并穿过所述进气壳和所述排气壳，在所述多级涡轮的两侧设置第一密封件和第二密封件，所述第一密封件与所述主轴之间形成前平衡腔，所述前平衡腔与所述进气口连通，所述第二密封件与所述主轴之间形成后平衡腔，所述平衡气孔与所述前平衡腔和所述后平衡腔连通，在所述第二密封件上设置有隔离件，所述隔离件具有通气孔，所述通气孔与所述后平衡腔连通，所述隔离件外侧设置有隔离板，所述隔离板与所述隔离件之间形成隔离腔，所述隔离腔与所述通气孔连通。
其中，所述多级涡轮包括多级涡轮本体、喷嘴环座、喷嘴环和锁紧环，所述喷嘴环座固定设置在所述进气壳内，所述喷嘴环固定设置在所述喷嘴环座上，所述多级涡轮本体转动设置在喷嘴环内，并与所述主轴固定，所述锁紧环设置在主轴靠近所述多级涡轮的一侧。
其中，所述第一密封件包括轴承座、第一隔离密封和第一机械密封，所述轴承座固定在所述进气壳上，所述第一机械密封设置在所述轴承座和所述主轴之间，所述第一隔离密封设置在所述第一机械密封靠近所述多级涡轮的一侧。
其中，所述第二密封件包括第二机械密封、密封端轴承和盖板，所述第二机械密封设置在所述排气壳与所述主轴之间，所述密封端轴承设置在所述第二机械密封的一侧，所述盖板设置固定在所述排气壳内靠近所述主轴的一侧。
其中，所述隔离板包括前隔离板、后隔离板和锁紧螺钉，所述前隔离板设置在所述隔离件外侧，所述后隔离板设置在所述盖板的一侧，所述锁紧螺钉穿过所述前隔离板和所述后隔离板，并与所述盖板螺纹连接。
其中，所述隔离板还包括定位环，所述定位环设置在所述锁紧螺钉和所述盖板之间。
本发明的一种低温有机工质膨胀机平衡气及轴承座保温系统，本发明的膨胀机采用径向进气轴向排气，即从所述进气壳的所述进气口中进气，然后从所述排气口轴向排气，工质从所述进气口中进入，然后通过所述多级涡轮膨胀，压力逐渐降低，因此所述多级涡轮进气处的压力大于排气压力，因此，工质可以经过减压后通过所述平衡气封进入前平衡腔，并在压力的作用下通过所述平衡气孔进入所述后平衡腔，再经所述隔离件上的通气孔进入到所述隔离腔，随后经所述隔离腔出口进入主流道并与主流混合。在此过程中，多级涡轮平衡气封处的通流面积最小，其余通流部分面积远大于平衡气封处，具体面积比需通过详细计算得出，需保证前平衡腔与主流道排气口压差小于50kPa，由于多级涡轮后与前平衡腔之间压差产生的轴向力与涡轮盘方向相反，平衡了大部轴向推力，减小了推力轴承设计难度并降低了轴承功耗。所述前平衡腔与所述后平衡腔压差较小，减小了第一密封件的设计压力，降低了泄漏风险。
此外，如图5(T-S图)所示，横坐标为熵、纵坐标为温度，P1、P2分别代表膨胀机进口压力和出口压力，0-1s过程为等熵过程，0-2s过程为等焓过程。假设经所述进气口主流道膨胀至所述排气口的过程为过程1，经进气口、平衡气封、前平衡腔、平衡孔、后平衡腔、隔离腔的过程为过程2。过程1和过程2进口相同，出口压力相同，但经过程1后的工质温度T1远低于经过程2的工质温度T2，这是由于过程1中，工质驱动多级涡轮旋转做功，多级涡轮通过主轴向外输出功，近似于等熵过程，过程2不需对外输出功，近似于等焓过程。根据热力学第一定律，T2＞T1。当工质进入隔离腔后，将做功后的低温主流工质与排气壳内部的轴承座隔离，形成了保温作用，防止排气壳轴承座温度低于第二机械密封和密封端轴承的最低工作温度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种低温有机工质膨胀机平衡气及轴承座保温系统的结构图；
图2是图1细节A的局部放大图；
图3是本发明的排气壳的局部爆炸图；
图4是本发明的工质流通图；
图5为本发明的焓-熵图。
1-进气壳、2-排气壳、3-多级涡轮、4-主轴、5-第一密封件、6-第二密封件、7-平衡气封、8-隔离件、9-隔离板、11-进气口、12-排气口、31-平衡气孔、32-多级涡轮本体、33-喷嘴环座、34-喷嘴环、35-锁紧环、51-前平衡腔、52-轴承座、53-第一隔离密封、54-第一机械密封、61-后平衡腔、62-第二机械密封、63-密封端轴承、64-盖板、81-通气孔、91-隔离腔、92-前隔离板、93-后隔离板、94-锁紧螺钉、95-定位环。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1～图4，本发明提供一种低温有机工质膨胀机平衡气及轴承座保温系统：
包括进气壳1，所述进气壳1具有进气口11，排气壳2具有排气口12，所述进气口11与所述排气口12连通，多级涡轮3转动设置在所述进气口11和所述排气口12之间，所述多级涡轮3具有平衡气孔31，主轴4与所述多级涡轮3固定连接，并穿过所述进气壳1和所述排气壳2，在所述多级涡轮3的两侧设置第一密封件5和第二密封件6，在所述第一密封件5和所述多级涡轮3之间设置有平衡气封7，所述第一密封件5与所述平衡气封7之间形成前平衡腔51，所述前平衡腔51与所述进气口11连通，所述第二密封件6与所述主轴4之间形成后平衡腔61，所述平衡气孔31与所述前平衡腔51和所述后平衡腔61连通，在所述第二密封件6上设置有隔离件8，所述隔离件8具有通气孔81，所述通气孔81与所述后平衡腔61连通，所述隔离件8外侧设置有隔离板9，所述隔离板9与所述隔离件8之间形成隔离腔91，所述隔离腔91与所述通气孔81连通。
在本实施方式中，本发明的膨胀机采用径向进气轴向排气，即从所述进气壳1的所述进气口11中进气，然后从所述排气口12轴向排气，所述多级涡轮3进气处的压力大于排气压力，工质从所述进气口11中进入，然后通过所述多级涡轮3膨胀做功，压力逐渐降低。因此，进气口侧的高压工质可以经过减压后通过所述平衡气封7进入前平衡腔51，并在压力的作用下通过所述平衡气孔31进入所述后平衡腔61，再经所述隔离件8上的通气孔81进入到所述隔离腔91，随后经所述隔离腔91出口进入主流道并与主流混合。在此过程中，多级涡轮3平衡气封进气处的通流面积最小，其余通流部分面积远大于平衡气封7处，具体面积比需通过详细计算得出，需保证前平衡腔51与主流道排气口12压差小于50kPa，由于多级涡轮3后与平衡腔之间压差产生的轴向力与涡轮盘方向相反，平衡了大部轴向推力，减小了推力轴承设计难度并降低了轴承功耗。所述前平衡腔51与所述后平衡腔61压差较小，减小了第一密封件5的设计压力，降低了泄漏风险。
此外，如图5(H-S图)所示，横坐标为熵、纵坐标为焓，Pin、Pout分别代表膨胀机进口压力和出口压力，0-1s过程为等熵过程，0-2s过程为等焓过程。假设经所述进气口11主流道膨胀至所述排气口12的过程为过程1，经进气口11、平衡气封7、前平衡腔51、平衡孔、后平衡腔61、隔离腔91的过程为过程2。过程1和过程2进口相同，出口压力相同，但经过程1后的工质温度T1远低于经过程2的工质温度T2，这是由于过程1中，工质驱动多级涡轮旋转做功，多级涡轮通过主轴向外输出功，近似于等熵过程，过程2不需对外输出功，近似于等焓过程，故H2>H1，在压力相同的情况下，T2>T1。当工质进入隔离腔后，将做功后的低温主流工质与排气壳内部的轴承座隔离，形成了保温作用，防止排气壳轴承座温度低于第二机械密封和密封端轴承的最低工作温度。
进一步的，所述多级涡轮3包括多级涡轮本体32、喷嘴环座33、喷嘴环34和锁紧环35，所述喷嘴环座33固定设置在所述进气壳1内，所述喷嘴环34固定设置在所述喷嘴环座33上，所述多级涡轮本体32转动设置在喷嘴环34内，并与所述主轴4固定，所述锁紧环35设置在主轴4靠近所述多级涡轮3的一侧。
在本实施方式中，所述喷嘴环座33固定在所述进气壳1上，用于支撑多个所述喷嘴环34，多级涡轮3的每级涡轮叶片设置在每两个所述喷嘴环34之间，用于执行工质膨胀过程，通过所述锁紧环35可以将多级涡轮本体32进行固定，使得运转更加稳定。
进一步的，所述第一密封件5包括轴承座52、第一隔离密封53和第一机械密封54，所述轴承座52固定在所述进气壳1上，所述第一机械密封54设置在所述轴承座52和所述主轴4之间，所述第一隔离密封53设置在所述第一机械密封54靠近所述多级涡轮3的一侧。
在本实施方式中，所述轴承座52用于支撑所述第一机械密封54，通过所述第一机械密封54支撑所述主轴4，所述第一隔离密封53用于对润滑油进行隔离，进一步提高密封性能。
进一步的，所述第二密封件6包括第二机械密封62、密封端轴承63和盖板64，所述第二机械密封62设置在所述排气壳2与所述主轴4之间，所述密封端轴承63设置在所述第二机械密封62的一侧，所述盖板64设置固定在所述排气壳2内靠近所述主轴4的一侧。
在本实施方式中，所述第二机械密封62固定在排气壳2上，用于对所述主轴4和所述排气壳2之间的缝隙进行密封，然后通过所述密封端轴承63对所述主轴4进行支撑，所述盖板64用于对所述密封端轴承63进行密封。
进一步的，所述隔离板9包括前隔离板92、后隔离板93和锁紧螺钉94，所述前隔离板92设置在所述隔离件8外侧，所述后隔离板93设置在所述盖板64的一侧，所述锁紧螺钉94穿过所述前隔离板92和所述后隔离板93，并与所述盖板64螺纹连接。
在本实施方式中，通过所述前隔离板92和所述后隔离板93统统形成一个气道，使得气道内的气体流通可以和外部的排气壳2的气流隔离，从而增加保温效果，通过所述锁紧螺钉94便于对所述前隔离板92和所述后隔离板93进行固定支撑。
进一步的，所述隔离板9还包括定位环95，所述定位环95设置在所述锁紧螺钉94和所述盖板64之间。
在本实施方式中，所述定位环95便于调整所述锁紧螺钉94和所述盖板64之间的位置，使得更加方便调整隔离腔91的尺寸。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种包括平衡气及轴承座保温系统的低温有机工质膨胀机，其特征在于，
包括进气壳，所述进气壳具有进气口，排气壳具有排气口，所述进气口与所述排气口连通，多级涡轮转动设置在所述进气口和所述排气口之间，所述多级涡轮根部具有平衡气孔，主轴与所述多级涡轮固定连接，并穿过所述进气壳和所述排气壳，在所述多级涡轮的两侧设置第一密封件和第二密封件，所述第一密封件与所述主轴之间形成前平衡腔，所述前平衡腔与所述进气口连通，所述第二密封件与所述主轴之间形成后平衡腔，所述平衡气孔与所述前平衡腔和所述后平衡腔连通，在所述第二密封件上设置有隔离件，所述隔离件具有通气孔，所述通气孔与所述后平衡腔连通，所述隔离件外侧设置有隔离板，所述隔离板与所述隔离件之间形成隔离腔，所述隔离腔与所述通气孔连通，工质进入隔离腔后，将做功后的低温主流工质与排气壳内部的轴承座隔离，形成保温作用，防止排气壳轴承座温度低于第二机械密封和密封端轴承的最低工作温度；所述多级涡轮包括多级涡轮本体、喷嘴环座、喷嘴环和锁紧环，所述喷嘴环座固定设置在所述进气壳内，所述喷嘴环固定设置在所述喷嘴环座上，所述多级涡轮本体转动设置在喷嘴环内，并与所述主轴固定，所述锁紧环设置在主轴靠近所述多级涡轮的一侧；所述第一密封件包括轴承座、第一隔离密封和第一机械密封，所述轴承座固定在所述进气壳上，所述第一机械密封设置在所述轴承座和所述主轴之间，所述第一隔离密封设置在所述第一机械密封靠近所述多级涡轮的一侧；所述第二密封件包括第二机械密封、密封端轴承和盖板，所述第二机械密封设置在所述排气壳与所述主轴之间，所述密封端轴承设置在所述第二机械密封的一侧，所述盖板设置固定在所述排气壳内靠近所述主轴的一侧。
2.如权利要求1所述的一种包括平衡气及轴承座保温系统的低温有机工质膨胀机，其特征在于，
所述隔离板包括前隔离板、后隔离板和锁紧螺钉，所述前隔离板设置在所述隔离件外侧，所述后隔离板设置在所述盖板的一侧，所述锁紧螺钉穿过所述前隔离板和所述后隔离板，并与所述盖板螺纹连接。
3.如权利要求2所述的一种包括平衡气及轴承座保温系统的低温有机工质膨胀机，其特征在于，
所述隔离板还包括定位环，所述定位环设置在所述锁紧螺钉和所述盖板之间。
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高空模拟试车台动静架新型篦齿密封结构研究;邹宜霖;艾延廷;苏金友;;燃气涡轮试验与研究(第03期);全文 *

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CN113982698A (zh) 2022-01-28

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