CN115419471A - 一种涡轮系统及推力平衡方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供的一种涡轮系统及推力平衡方法，包括电机、两个旋转组件和密封组件，电机包括电机主体以及与电机主体连接并向电机主体的两端延伸的转子；两个旋转组件分别设置于转子的两端；密封组件设置于每个旋转组件靠近电机主体的一侧，密封组件包括壳体和密封环，壳体套设于每个转子的外周，壳体的内部形成有二氧化碳工质腔，二氧化碳工质腔被密封环分隔为高压区和低压区，位于电机主体两侧的密封组件的密封环沿转子的径向与低压区的接触面积不相同；从而导致位于电机主体两侧的密封组件中的低压区对密封环产生的轴向闭合力不相同，从而产生大小不同且方向相反的轴向推力，并最终形成一定的轴向合力对涡轮系统所受到的推力进行平衡。

Description

一种涡轮系统及推力平衡方法

技术领域

本申请属于涡轮设备技术领域，尤其涉及一种涡轮系统及推力平衡方法。

背景技术

超临界二氧化碳涡轮系统以超临界二氧化碳为工质，具备能量密度高、结构紧凑的特点，其工作在高转速、高压力运行环境下，致使涡轮系统需承受高密度高压超临界工质带来的大推力，因而保证涡轮系统轴向的推力平衡是确保系统安全可靠运行的关键。

目前，在超临界二氧化碳涡轮系统中，通常主要通过设置推力轴承来平衡系统所受到的推力。但是，推力轴承本身的承载能力受线速度限制，考虑到推力轴承的结构强度问题，推力轴承的线速度应控制在合理的范围内。尤其对于超临界二氧化碳涡轮系统，由于其运行转速高，导致推力盘尺寸受限，直接影响了推力轴承的承载能力。在涡轮系统运行过程中，对推力的控制与平衡非常重要，尤其是在变工况运行时，推力情况变化复杂、控制难度大，可能出现推力轴承承载能力无法满足涡轮系统轴向负载，造成部件或设备的物理损坏甚至导致安全事故的发生。

因此，亟需一种新型的涡轮系统，以解决上述问题。

发明内容

本申请实施例提供一种涡轮系统及推力平衡方法，处于超临界二氧化碳环境中，能够对其所受到的推力进行灵活的调节。

第一方面，本申请实施例提供一种涡轮系统，包括：电机，包括电机主体以及与电机主体连接并向电机主体的两端延伸的转子；两个旋转组件，分别设置于转子的两端；密封组件，设置于每个旋转组件靠近电机主体的一侧，密封组件包括壳体和密封环，壳体套设于每个转子的外周，壳体的内部形成有二氧化碳工质腔，二氧化碳工质腔被密封环分隔为高压区和低压区，位于电机主体两侧的密封组件的密封环沿转子的径向与低压区的接触面积不相同。

作为一个具体的实施方式，壳体对应高压区的位置开设有注气口，壳体对应低压区的位置开设有泄漏口。

作为一个具体的实施方式，在转子的作业状态下，位于电机主体两侧的密封组件的注气口的注气压力不相同。

作为一个具体的实施方式，涡轮系统还包括固定设置于密封组件的注气口的流量检测器及压力检测器(图未示出)。

作为一个具体的实施方式，密封环包括配合设置的动环137、静环和补偿环，动环和静环之间形成气压间隙，气压间隙远离转子的一端与高压区连通，气压间隙靠近转子的一端与低压区连通，位于电机主体两侧的密封组件的静环沿转子的径向与低压区的接触面积不相同。

作为一个具体的实施方式，静环靠近转子的表面包括第一表面、第二表面和第三表面，第一表面与第二表面相交，第二表面与第三表面相交，且第一表面与第三表面平行，位于电机主体两侧的密封组件的静环的第二表面的面积不同。

作为一个具体的实施方式，补偿环包括弹簧座、推环和弹簧，弹簧座与静环远离动环的一侧面围合形成补偿腔，推环设置于补偿腔中，推环的一侧连接于静环，推环的另一侧通过弹簧连接于弹簧座。

作为一个具体的实施方式，密封组件还包括静环密封圈和动环密封圈，静环密封圈设置于静环和推环之间，动环密封圈设置于动环远离静环的一侧。

作为一个具体的实施方式，旋转组件包括旋转本体和设置于旋转本体内的主动轴承，主动轴承用于在转子处于停止状态时承受密封组件产生的轴向推力。

第二方面，本申请实施例还提供一种推力平衡方法，用于在如上述任意一项所述的涡轮系统中平衡所述涡轮系统受到的推力，该方法包括：

检测涡轮系统所受到的推力；

根据推力的大小和方向设置位于电机主体两侧的密封组件；

向位于电机主体两侧的密封组件分别注入超临界二氧化碳，以产生轴向合力并平衡涡轮系统受到的推力。

本申请实施例提供的一种涡轮系统，通过在电机主体与每个旋转组件之间设置密封组件，同时设置密封组件中形成的二氧化碳工质腔被密封环分隔为高压区和低压区，从而使二氧化碳工质腔中的高压区对密封环产生预设的轴向开合力，低压区对密封环产生相反方向的轴向闭合力，最终在该密封组件中产生一定的轴向推力，并且，由于位于电机主体两侧的密封组件的密封环沿转子的径向与低压区的接触面积不相同，使位于电机主体两侧的密封组件中的低压区对密封环产生的轴向闭合力不相同，从而使位于电机主体两侧的密封组件中产生的轴向推力大小不同且方向相反，并最终形成一定的轴向合力以对涡轮系统所受到的推力进行平衡；并且，在涡轮系统的作业过程中还可以通过调节位于电机主体两侧的密封组件中的注气压力以对其产生的轴向推力进行调节，从而更好的平衡涡轮系统所受到的推力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，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是本申请实施例提供的涡轮系统的一个结构示意图；

图2是本申请实施例提供的涡轮系统中的密封组件的一个结构示意图；

图3是本申请实施例提供的涡轮系统中密封组件的密封环的一个结构示意图；

图4是本申请实施例提供的密封组件中的静环的一个受力分析图；

图5是本申请实施例提供的涡轮系统中具有多个密封组件的一个结构示意图；

图6为本申请实施例提供的涡轮系统中的又一个结构示意图。

附图标记说明：

100、涡轮系统；

110、电机；111、电机主体；112、转子；

120、旋转组件；

130、密封组件；131壳体；132、密封环；133、高压区；134、低压区；135、注气口；136、泄漏口；137、动环；138、静环；139、补偿环；140、气压间隙；141、第一表面；142、第二表面；143、第三表面；144、弹簧座；145、推环；146、弹簧；147、补偿腔；148、静环密封圈；149、动环密封圈；F1、轴向开合力；F2、轴向闭合力；F3、弹簧力；

150、支撑轴承；

160、推力轴承。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本申请进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本申请，并不被配置为限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

如图1和图2所示，本申请实施例提供了一种涡轮系统100，包括：电机110，包括电机主体111以及与电机主体111连接并向电机主体111的两端延伸的转子112；两个旋转组件120，设置于转子112的两端；密封组件130，设置于每个旋转组件120靠近电机主体111的一侧，密封组件130包括壳体131和密封环132，壳体131套设于每个转子112的外周，壳体131的内部形成有二氧化碳工质腔，二氧化碳工质腔被密封环132分隔为高压区133和低压区134，位于电机主体111两侧的密封组件130的密封环132沿转子112的径向与低压区134的接触面积不相同。

电机110可以为各种发电机，也可以为电动机，可以理解的是，为了配合电机110进行工作，当涡轮系统100中的电机110为发电机时，对应的旋转组件120可以为透平、气轮机等做功设备，当涡轮系统100中的电机110为电动机时，对应的旋转组件120可以为压缩机等耗功设备。

当然，位于电机110两侧的旋转组件120可以相同，也可以不同。具体的，位于电机110两侧的旋转组件120可以为透平和气轮机等做功设备的组合，例如，电机110的一侧为透平，电机110的另一侧为气轮机，或者，位于电机110一侧的旋转组件120可以做功设备，位于电机110另一侧的旋转组件120可以为耗功设备，例如，位于电机110一侧的旋转组件120为透平，位于电机110另一侧的旋转组件120为压缩机。

在申请实施例提供的一种涡轮系统100中，通过在电机主体111与每个旋转组件120之间设置密封组件130，同时设置密封组件130的壳体131的内部形成有二氧化碳工质腔，且二氧化碳工质腔被密封环132分隔为高压区133和低压区134，从而使二氧化碳工质腔中的高压区133对密封环132产生预设的轴向开合力F1，低压区134对密封环132产生相反方向的轴向闭合力F2，最终与补偿环139产生的弹簧力F3共同作用，在该密封组件130中产生一定的轴向推力，且该轴向推力的方向指向电机主体111；由于位于电机主体111两侧的密封组件130的密封环132沿转子112的径向与低压区134的接触面积不相同，使位于电机主体111两侧的密封组件130中的低压区134对密封环132产生的轴向闭合力F2不相同，从而使位于电机主体111两侧的密封组件130中产生的轴向推力大小不同且方向相反，从而在涡轮系统100中形成最终的轴向合力并用于对该系统所受到的推力进行平衡。

作为一个具体的实施方式，壳体131对应高压区133的位置开设有注气口135，壳体131对应低压区134的位置开设有泄漏口136。具体地，在密封组件130中，超临界二氧化碳通过注气口135不停注入高压区133，并在高压区133对密封环132产生一定的轴向开合力F1，作用后的超临界二氧化碳部分泄露至低压区134并在低压区134对静环产生一定的轴向闭合力F2，最终通过低压区134的泄漏口136流出密封组件130。

作为一个具体的实施方式，在转子112的作业状态下，位于电机主体111两侧的密封组件130的注气口135的注气压力不相同。

可以理解的是，在涡轮系统100中最终形成的轴向合力的方向可以根据该系统所受到的推力的方向灵活调节。具体地，以涡轮系统100受到的推力的方向为正向，在涡轮系统100中的转子112处于停止状态时，通过调节密封组件130中的密封环132沿转子112的径向与低压区134的接触面积，使位于电机主体111一侧的密封组件130产生的轴向推力为负向，位于电机主体111另一侧的密封组件130产生的轴向推力为正向，且该负向的轴向推力大于该正向的轴向推力，从而使涡轮系统100产生一定的负向的轴向合力；在涡轮系统100的作业状态下，在涡轮系统100作业之前所产生的轴向合力的基础上，通过对位于电机主体111两侧的密封组件130注入的超临界二氧化碳的压力进行调节，使位于电机主体111两侧的密封组件130中的高压区133对密封环132产生大小不同的轴向开合力F1，更进一步的对密封组件130中产生的轴向推力进行调节，从而更加灵活的控制涡轮系统100产生的轴向合力，更好的平衡涡轮系统100所受到的推力。

作为一个具体的实施方式，涡轮系统100还包括固定设置于密封组件130的注气口135的流量检测器（图未示出）及压力检测器（图未示出）。可以理解的是，该流量检测器用于对密封组件130中注入的气体流量进行实时监控，压力检测器用于对密封组件130中注入的气体压力进行实时监控，以防止过量的超临界二氧化碳被注入密封组件130中，影响密封组件130的密封效果和平衡效果。

如图3所示，作为一个具体的实施方式，密封环132包括配合设置的动环137、静环138和补偿环139，动环137和静环138之间形成气压间隙140，气压间隙远离转子112的一端与高压区133连通，气压间隙靠近转子112的一端与低压区134连通，位于电机主体111两侧的密封组件130的静环138沿转子112的径向与低压区134的接触面积不相同。

如图4所示，以静环138为受力分析对象，在密封组件130中，高压区133对静环138产生指向电机主体111的轴向开合力F1，同时，低压区134对静环138产生与该轴向开合力F1反向的轴向闭合力F2，补偿环139对静环138产生与该轴向开合理反向的弹簧力F3，因此，在密封组件130中，轴向开合力F1、轴向闭合力F2和弹簧力F3共同作用并最终产生一定的轴向推力；并且，由于位于电机主体111两侧的密封组件130的静环138沿转子112的径向与低压区134的接触面积不同，所以电机主体111两侧的密封组件130中的低压区134对静环138产生的轴向闭合力F2不相同，因此，电机主体111两侧的密封组件130所最终产生的轴向推力大小不同，从而在涡轮系统100中形成最终的一定方向的轴向合力以平衡该系统中所受到的推力。

如图2所示，作为一个具体的实施方式，静环138靠近转子112的表面包括第一表面141、第二表面142和第三表面143，第一表面141与第二表面142相交，第二表面142与第三表面143相交，且第一表面141与第三表面143平行，位于电机主体111两侧的密封组件130的静环138的第二表面142的面积不同。在本实施例中，通过设置电机主体111两侧的密封组件130的静环138的第二表面142在转子112的径向延伸方向的尺寸不同，使电机主体111两侧的密封组件130中的静环138的第二表面142与对应的低压区134接触的面积不同，从而调节位于电机主体111两侧的密封组件130中的低压区134对静环138产生的轴向闭合力F2不同，以使位于电机主体111两侧的轴向推力的大小不同，从而在该涡轮系统100中产生一定方向的轴向合力，以平衡系统受到的推力。

作为一个具体的示例，当位于电机主体111一侧的密封组件130中的静环138的第二表面142在转子112的径向延伸方向的尺寸大于位于电机主体111另一侧的密封组件130中的静环138的第二表面142在转子112的径向延伸方向的尺寸时，第二表面142较大的密封组件130中的静环138沿转子112的径向与低压区134的接触面积大于第二表面142较小的密封组件130中的静环138沿转子112的径向与低压区134的接触面积，从而使第二表面142较大的密封组件130中产生的轴向闭合力F2大于第二表面142较小的密封组件130中产生的轴向闭合力F2，在位于电机主体111两侧的密封组件130中的轴向开合力F1和弹簧力F3相同的情况下，第二表面142较大的密封组件130中产生的轴向推力小于第二表面142较小的密封组件130中产生的轴向推力，从而使涡轮系统100中产生的轴向合力的方向指向该第二面积142较大的密封组件130。

作为一个具体的实施方式，补偿环139包括弹簧座144、推环145和弹簧146，弹簧座144与静环138远离动环137的一侧面围合形成补偿腔147，推环145设置于补偿腔147中，推环145的一侧连接于静环138，推环145的另一侧通过弹簧146连接于弹簧座144。在本实施例中，弹簧146在弹簧座144的抵持下向推环145施加一定的弹簧力F3，该弹簧力F3通过推环145传递至静环138，并与对应的密封组件130中的高压区133对静环138产生的轴向开合力F1和低压区134对静环138产生的轴向闭合力F2共同作用，在密封组件130中产生指向电机主体111方向的轴向推力。

作为一个具体的实施方式，密封组件130还包括静环密封圈148和动环密封圈149，静环密封圈148设置于静环138和推环145之间，动环密封圈149设置于动环137远离静环138的一侧。可以理解的是，密封组件130中的静环密封圈148通常采用合成橡胶或聚四氟乙烯制成的O形圈、V形圈及其他形状的密封圈，其作用是为了防止静环138与壳体131之间发生泄漏，并使静环138具有一定浮动性； 动环密封圈149可以采用与静密封圈相同的密封圈，其作用是为了防止介质从动环137与转子112之间的间隙中产生泄漏，并使动环137具有一定的浮动性。

如图5所示，作为一个具体的实施方式，旋转组件120为多个，多个旋转组件120通过转子112与电机主体111连接，每个旋转组件120靠近电机主体111的一侧设置有密封组件130。例如，在电机主体111的一侧设置三个旋转组件120，在电机主体111的另一侧设置两个旋转组件120，位于电机主体111同一侧的每个旋转组件120的密封组件130均产生指向电机主体111方向的轴向推力，从而使分别位于电机主体111两侧的多个旋转组件120的密封组件130所产生的指向电机主体111方向的轴向推力共同作用，形成一定的轴向合力以更好的平衡该涡轮系统100所受到的推力。

如图6所示，作为一个具体的实施方式，涡轮系统100中还包括设置于电机主体111与每个密封组件130之间的支撑轴承150。可以理解的是，涡轮系统100由于处于高密度、高压力的超临界二氧化碳环境中而承受巨大的压力，该压力可以被近似分解为轴向推力和径向推力，因此，为了防止涡轮系统100中的旋转组件120产生一定的径向位移，在电机主体111和每个密封组件130之间设置支撑轴承150，以平衡该涡轮系统100所受到的径向推力，从而避免涡轮系统100中的各旋转组件120产生径向位移，从而提高了涡轮系统100在生产作业过程中的安全性。

作为一个具体的实施方式，设置与电机主体111与每个密封组件130之间的支撑轴承150可以为多个，从而更好的对涡轮系统100所受的径向推力进行平衡，进一步的避免涡轮系统100中的旋转组件120因受到径向推力而发生径向位移，从而保证涡轮系统100的生产作业安全。

作为一个具体的实施方式，涡轮系统100还包括设置于电机主体111和旋转组件120之间的推力轴承160。可以理解的是，推力轴承160用于对涡轮系统100中产生的推力进行平衡，推力轴承160一般采用电磁轴承，从而使涡轮系统100在转子112处于停止状态时也可承受来自密封组件130产生的轴向合力，避免涡轮系统100中的其他设备因受到该轴向合力而产生影响。

作为一个具体的实施方式，旋转组件120包括但不限于压缩机、透平中的一种或多种。

作为一个具体的实施方式，旋转组件120包括旋转本体图未示出和设置于旋转本体内的主动轴承（图未示出），主动轴承用于在转子112处于停止状态时承受密封组件130产生的轴向推力。可以理解的是，主动轴承一般为电磁轴承，其与其他的被动轴承相比，具有在转子112处于停止状态时也可承受轴向力的特点。而在实施例中，当涡轮系统100的转子112处于停止状态时，通过位于电机主体111两侧的密封组件130的共同作用使系统产生一定的轴向合力，为了防止此时涡轮系统100中产生的轴向合力对涡轮系统100中的其他设备产生影响，因此设置主动轴承以承受该轴向合力。

第二方面，本申请实施例还提供一种推力平衡方法，用于在如上述任意一项所述的涡轮系统100中平衡涡轮系统100受到的推力，该方法包括：

检测涡轮系统100所受到的推力；

根据推力的大小和方向设置位于电机主体111两侧的密封组件130；

向位于电机主体111两侧的密封组件130分别注入超临界二氧化碳，以产生轴向合力并平衡涡轮系统100受到的推力。

在本申请实施例提供的推力平衡方法中，预先检测涡轮系统100所受到的推力的大小和方向，并根据该推力的大小和方向在电机主体111的两侧分别设置密封组件130，使位于电机主体111的两侧的密封组件130的密封环132沿转子112的径向与低压区134的接触面积不相同，在向位于电机主体111两侧的密封组件130中分别注入超临界二氧化碳后，密封组件130中的高压区133对密封环132产生预设的轴向开合力F1，低压区134对密封环132产生相反方向的轴向闭合力F2，最终在该密封组件130中产生一定的轴向推力，并且，由于位于电机主体111两侧的密封组件130的密封环132沿转子112的径向与低压区134的接触面积不相同，使位于电机主体111两侧的密封组件130中的低压区134对密封环132产生的轴向闭合力F2不相同，从而使位于电机主体111两侧的密封组件130中产生的轴向推力大小不同且方向相反，并最终形成一定的轴向合力以对涡轮系统100所受到的推力进行平衡。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种涡轮系统，其特征在于，包括：

电机，包括电机主体以及与所述电机主体连接并向所述电机主体的两端延伸的转子；

两个旋转组件，分别设置于所述转子的两端；

密封组件，设置于每个所述旋转组件靠近所述电机主体的一侧，所述密封组件包括壳体和密封环，所述壳体套设于所述每个转子的外周，所述壳体的内部形成有二氧化碳工质腔，所述二氧化碳工质腔被所述密封环分隔为高压区和低压区，位于所述电机主体两侧的所述密封组件的所述密封环沿所述转子的径向与所述低压区的接触面积不相同。

2.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述壳体对应所述高压区的位置开设有注气口，所述壳体对应所述低压区的位置开设有泄漏口。

3.根据权利要求2所述的涡轮系统，其特征在于，在所述转子的作业状态下，位于电机两侧的所述密封组件的所述注气口的注气压力不相同。

4.根据权利要求3所述的涡轮系统，其特征在于，所述涡轮系统还包括固定设置于所述密封组件的所述注气口的流量检测器与压力检测器。

5.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述密封环包括配合设置的动环、静环和补偿环，所述动环和所述静环之间形成气压间隙，所述气压间隙远离所述转子的一端与所述高压区连通，所述气压间隙靠近所述转子的一端与所述低压区连通，位于所述电机主体两侧的所述密封组件的所述静环沿所述转子的径向与所述低压区的接触面积不相同。

6.根据权利要求5所述的涡轮系统，其特征在于，所述静环靠近所述转子的表面包括依次连接的第一表面、第二表面和第三表面，所述第一表面与所述第三表面平行，位于电机主体两侧的所述密封组件的所述静环的所述第二表面的面积不同。

7.根据权利要求5所述的涡轮系统，其特征在于，所述补偿环包括弹簧座、推环和弹簧，所述弹簧座与所述静环远离所述动环的一侧面围合形成补偿腔，所述推环设置于所述补偿腔中，所述推环的一侧连接于所述静环，所述推环的另一侧通过所述弹簧连接于所述弹簧座。

8.根据权利要求7所述的涡轮系统，其特征在于，所述密封组件还包括静环密封圈和动环密封圈，所述静环密封圈设置于所述静环和所述推环之间，所述动环密封圈设置于所述动环远离所述静环的一侧。

9.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述旋转组件包括旋转本体和设置于所述旋转本体内的主动轴承，所述主动轴承用于在所述转子处于停止状态时承受所述密封组件产生的轴向推力。

10.一种推力平衡方法，用于在如权利要求1~9任意一项所述的涡轮系统中平衡所述涡轮系统受到的推力，其特征在于，所述方法包括：

检测所述涡轮系统所受到的推力；

根据推力的大小和方向设置位于电机主体两侧的密封组件；

向位于所述电机主体两侧的所述密封组件分别注入超临界二氧化碳，以产生轴向合力并平衡所述涡轮系统受到的推力。

Images