CN116608154B - 一种氢液化透平膨胀机的轴向力平衡系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明申请涉及一种氢液化透平膨胀机的轴向力平衡系统，其包括壳体和带有膨胀端叶轮和增压端叶轮的叶轮轴，壳体上开设有增压端和膨胀端，膨胀端叶轮位于壳体的膨胀端，增压端叶轮位于壳体的增压端，增压端叶轮将增压端分隔成常压区和增压区；介质气体从常压区经过增压端叶轮的初步增压进入增压区；还包括设置于壳体上且用于检测叶轮轴轴向位移量的位移探头、位于膨胀端叶轮背部的膨胀端密封腔、位于增压端叶轮背部的增压端密封腔和进气模块，进气模块用于控制叶轮轴轴向移动；一种控制方法，该控制方法用于控制上述氢液化透平膨胀机的轴向力平衡系统。本申请具有精确地控制和动态调节叶轮轴的轴向位移的效果。

Description

一种氢液化透平膨胀机的轴向力平衡系统及控制方法

技术领域

本申请涉及膨胀机的领域，尤其是涉及一种氢液化透平膨胀机的轴向力平衡系统及控制方法。

背景技术

透平膨胀机，是空气分离设备及天然气（石油气）液化分离设备和低温粉碎设备等获取冷量所必需的关键部机，是保证整套设备稳定运行的心脏。而透平膨胀机中的核心部件是转子系统，转子系统通过轴承支撑在机壳内，并通过驱动装置（如电机或涡轮）旋转，主要作用是将气体加速并产生动能。

转子系统的重要部件是叶轮和叶轮轴，叶轮经常处于较为恶劣的工作环境，在工作的时候往往会承受气动力、离心力和热应力等不平衡力，所以叶轮在工作的时候，叶轮轴会因为这种不平衡力而出现往左或往右的轴向位移，从而出现轴向窜动的问题。因此叶轮轴向窜动是透平膨胀机实际运行中的常见故障之一。

现有技术往往通过安装止推轴承等方式来限制叶轮轴的轴向位移量，从而避免叶轮轴向位移过大而碰到外壳部件，然而该种方式只能限制叶轮轴的位移，而不能够对叶轮轴的轴向位移进行精确的控制和动态调节。

发明内容

为了对叶轮轴的轴向位移进行精确的控制和动态调节，本申请提供一种氢液化透平膨胀机的轴向力平衡系统及控制方法。

第一方面，本申请提供一种氢液化透平膨胀机的轴向力平衡系统，采用如下的技术方案：

一种氢液化透平膨胀机的轴向力平衡系统，包括壳体和带有膨胀端叶轮和增压端叶轮的叶轮轴，所述壳体上开设有增压端和膨胀端，所述膨胀端叶轮位于所述壳体的膨胀端，所述增压端叶轮位于所述壳体的增压端，所述增压端叶轮将所述增压端分隔成常压区和增压区；介质气体从所述常压区经过增压端叶轮的初步增压进入增压区；还包括设置于壳体上且用于检测叶轮轴轴向位移量的位移探头、位于膨胀端叶轮背部的膨胀端密封腔、位于增压端叶轮背部的增压端密封腔和用于控制叶轮轴轴向移动的进气模块，所述进气模块的输入端与所述增压端的增压区连通，所述进气模块具有与所述膨胀端密封腔连通的膨胀端进气管道和与所述增压端密封腔连通的增压端进气管道；所述膨胀端进气管道内安装有膨胀端进气阀，所述增压端进气管道内安装有增压端进气阀；所述进气模块还具有用于控制所述膨胀端进气阀和所述增压端进气阀开闭的进气开闭单元，进气开闭单元用于使所述膨胀端密封腔和所述增压端密封腔保持一定的预设气压PA_预设，所述进气开闭单元与所述位移探头通电连接；所述进气模块还具有用于检测膨胀端密封腔和增压端密封腔内气压的气压检测单元，所述气压检测单元与所述进气开闭单元通电连接。

通过采用上述技术方案，壳体用于对叶轮轴支撑，膨胀端叶轮作为主动轴，介质气体通过壳体的膨胀端和膨胀端叶轮实现降低气压和温度，从而驱动叶轮轴转动，增压端叶轮作为从动件，将常压区的介质气体进行初步增压使其进入增压区中。位移探头用来检测叶轮轴的轴向位移，进气模块中的气压检测单元用来检测膨胀端密封腔和增压端密封腔内的介质气体的气压，通过判断叶轮轴的位移量和介质气体的气压，让增压区内的介质气体引入至膨胀端密封腔和增压端密封腔内从而通过增加气压的方式来实现叶轮轴轴向位移窜动的精确地控制和动态调节。并且由于膨胀端密封腔和增压端密封腔内的气体和壳体增压端中的介质气体同样为的气体，两者混合不会使气体含量的配比发生变化，可以保证介质气体纯度。

可选的，还包括泄气模块，所述泄气模块的输出端与所述增压端的常压区连通，所述泄气模块具有与所述膨胀端密封腔连通的膨胀端泄气管道和与所述增压端密封腔连通的增压端泄气管道，所述膨胀端泄气管道内安装有膨胀端泄气阀，所述增压端泄气管道内安装有增压端泄气阀；所述泄气模块还具有用于控制所述膨胀端泄气阀和所述增压端泄气阀开闭的泄气开闭单元，所述泄气开闭单元与所述进气开闭单元通电连接并且泄气开闭单元控制膨胀端泄气阀和增压端泄气阀处于常闭状态。

通过采用上述技术方案，泄气模块可以对膨胀端密封腔或增压端密封腔进行泄气降低气压。气开闭单元可以控制膨胀端泄气阀和增压端泄气阀开闭；当对膨胀端密封腔降低气压并且对增压端密封腔增加气压，可以让朝增压端窜动的叶轮轴能够快速复位。当对膨胀端密封腔增加气压并且对增压端密封腔降低气压，可以让朝膨胀端窜动的叶轮轴能够快速复位。

可选的，还包括存气模块，所述存气模块包括存气箱和分别与所述存气箱连通的存气输入管道和存气输出管道，所述存气输入管道一端与所述增压区连通，所述存气输出管道一端与所述膨胀端密封腔连通，所述存气输入管道内安装有存气输入电磁阀，所述存气输出管道内安装有存气输出电磁阀，所述存气箱内设有用于控制所述存气输出电磁阀和所述存气输入电磁阀开闭的存气开闭单元，所述存气开闭单元与所述进气开闭单元通电连接。

通过采用上述技术方案，存气箱用于储存介质气体，当膨胀端密封腔需要增加气压时，可以将存气箱内的气体引入至膨胀端密封腔内，从而实现膨胀端密封腔的增压。

第二方面，本申请提供一种控制系统，该控制方法用于上述氢液化透平膨胀机的轴向力平衡系统中，采用如下的技术方案：

一种控制系统，包括通过增压机将介质气体引入常压区内，常压区内的介质气体为PA_常压；增压端叶轮使增压区内的介质气体进行初步增压达到PA_增压；则PA_增压＞PA_常压；

通过气压检测单元检测出膨胀端密封腔内的气压PA，膨胀端密封腔内的气压PA初始状态时处于预设气压PA_预设；且PA_增压＞PA_预设＞PA_常压；

通过位移探头检测出叶轮轴的轴向位移量X，当叶轮轴初始位移量为零时，定义为X₀；当叶轮轴转动并且朝膨胀端轴向移动时，定义为X_膨胀，当叶轮轴转动并且朝壳体的增压端轴向移动时，定义为X_增压；

初始状态时，膨胀端进气阀和增压端进气阀处于常闭状态；当X₀朝X_膨胀变化时，打开增压端进气阀，将增压区内的介质气体引入增压端密封腔内，从而迫使X_膨胀恢复到X₀；当X₀朝X_增压变化时，打开膨胀端进气阀，将增压区内的介质气体引入膨胀端密封腔内，从而迫使X_增压恢复到X₀。

通过采用上述技术方案，位移探头可以检测叶轮轴的位移量和方向，当叶轮轴往膨胀端方向轴向窜动时，X₀会朝X_膨胀变化，通过增加膨胀端密封腔内的气压和降低增压端密封腔内的气压使X_膨胀复位至X₀。当叶轮轴往增压端方向轴向窜动时，X₀会朝X_增压变化，通过降低膨胀端密封腔内的气压和增加增压端密封腔内的气压使X_增压复位至X₀；从而能够实现轮轴的轴向位移进行精确的控制和动态调节。

可选的，当所述膨胀端密封腔内的气压PA大于或小于预设气压PA_预设时，膨胀端进气阀处于常闭状态，并且增压端进气阀处于常开状态；当X₀朝X_膨胀变化时，泄气开闭单元控制膨胀端泄气阀打开，将增压端密封腔内的介质气体引入常压区内；当X₀朝X_增压变化时，泄气开闭单元控制增压端泄气阀打开，将增压端密封腔内的介质气体引入常压区内。

可选的， 当膨胀端密封腔内的气压PA小于预设气压PA_预设且轴向位移量X保持为X₀时，增压端进气阀保持打开的同时膨胀端泄气阀保持关闭；

当膨胀端密封腔内的气压PA小于预设气压PA_预设且X₀朝X_膨胀变化时，增压端进气阀保持打开的同时膨胀端泄气阀保持打开，使膨胀端密封腔内的介质气体通过膨胀端泄气阀引入常压区内，让膨胀端密封腔内的气压PA进一步小于预设气压PA_预设；

当X_膨胀处于朝X₀复位的过程中时，增压端进气阀关闭且膨胀端泄气阀保持打开；

当X_膨胀位于X₀时，膨胀端进气阀和增压端进气阀处于常闭状态。

可选的，当膨胀端密封腔内的气压PA大于预设气压PA_预设且轴向位移量X保持为X₀时，增压端进气阀保持打开的同时增压端泄气阀关闭；

当膨胀端密封腔内的气压PA大于预设气压PA_预设且X₀朝X_增压变化时，增压端进气阀继续保持打开的同时膨胀端泄气阀保持关闭；

当X_增压处于朝X₀复位的过程中时，增压端进气阀关闭的同时增压端泄气阀打开；

当X_增压位于X₀时，增压端进气阀关闭的同时增压端泄气阀关闭。

可选的，当所述膨胀端密封腔内的气压PA小于预设气压PA_预设时，所述存气开闭单元控制所述存气输入电磁阀打开，使所述增压区内的介质气体引入所述存气箱内，并且当存气箱内的介质气体的气压PA高于阈值PA_存气时关闭存气输入电磁阀；

当膨胀端密封腔内的气压PA大于预设气压PA_预设且X₀朝X_增压变化时，增压端进气阀继续保持打开，膨胀端泄气阀保持关闭的同时，所述存气开闭单元控制所述存气输出电磁阀打开，使所述存气箱内的介质气体通过存气输出管道进入膨胀端密封腔内。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

通过增加或降低膨胀端密封腔内的气压和通过增加或降低增压端内的气压来实现叶轮轴的轴向位移进行精确的控制和动态调节；

膨胀端密封腔和增压端密封腔内的气体和壳体增压端中的介质气体同样为的气体，两者混合不会使气体含量的配比发生变化，可以保证介质气体纯度。

附图说明

图1是实施例一到实施例三的透平膨胀机轴向力平衡系统的具体结构示意图。

图2是为实施例二的电磁阀的开闭状态示意图。

图3是初步调节的初始状态的电磁阀的开闭示意图一。

图4是初步调节的初始状态的电磁阀的开闭示意图二。

图5是进阶调节中X₀朝X_膨胀变化初期的电磁阀开闭示意图。

图6是进阶调节中X₀朝X_膨胀变化过程中的电磁阀开闭示意图。

图7是进阶调节中X₀存气箱存气时的电磁阀开闭示意图。

图8是进阶调节中X_膨胀朝X₀复位过程中的电磁阀开闭示意图。

图9是进阶调节中X_膨胀朝X₀复位后的电磁阀开闭示意图。

图10是进阶调节中X₀朝X_增压变化初期的电磁阀开闭示意图。

图11是进阶调节中X₀朝X_增压变化过程中的电磁阀开闭示意图。

图12是进阶调节中X_增压朝X₀复位过程中的电磁阀开闭示意图。

图13是进阶调节中X_增压朝X₀复位后的电磁阀开闭示意图。

附图标记说明：1、壳体；11、膨胀端叶轮；12、增压端叶轮；13、叶轮轴；14、增压端；141、常压区；142、增压区；15、膨胀端；16、位移探头；17、膨胀端密封腔；18、增压端密封腔；2、进气模块；21、膨胀端进气管道；22、膨胀端进气阀；23、增压端进气管道；24、增压端进气阀；3、泄气模块；31、膨胀端泄气管道；32、膨胀端泄气阀；33、增压端泄气管道；34、增压端泄气阀；4、存气模块；41、存气箱；42、存气输入管道；43、存气输入电磁阀；44、存气输出管道；45、存气输出电磁阀。

具体实施方式

在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应的变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等或类似表述仅用于描述与区分目的，而不能理解为指示或暗示相应的构件的相对重要性。

以下结合附图1-附图13对本申请做进一步详细说明。

本申请实施例公开一种氢液化透平膨胀机的轴向力平衡系统及控制方法。

实施例

参照图1和图2，一种氢液化透平膨胀机的轴向力平衡系统，包括壳体1和叶轮轴13，叶轮轴13可转动地安装于壳体1内，壳体1上开设有增压端14和膨胀端15，增压端14位于叶轮轴13的右边，膨胀端15位于叶轮轴13的左边，叶轮轴13的一端固定连接有膨胀端叶轮11，该膨胀端叶轮11位于壳体1的膨胀端15位置；叶轮轴13的另一端固定连接有增压端叶轮12，该增压端叶轮12位于壳体1的增压端14位置，增压端叶轮12将增压端14分隔成常压区141和增压区142；增压端14与增压机连接，增压机为现有技术在图中未示意。设备在工作时，介质气体从常压区141经过增压端叶轮12的初步增压进入增压区142。介质气体在常压区141的气压PA为PA_常压，当介质气体经过增压端叶轮12初步增压后会进入到增压区142，在增压区142内的被增压的介质气体的气压为PA_增压；PA_增压＞PA_常压，本实施例中的介质气体为氢气，其他实施例中也可以是不同气体如氮气或二氧化碳等气体。

沿叶轮轴13轴线位置且位于壳体1的增压端14处安装有用于检测叶轮轴13轴向位移量的位移探头16，位移探头16用来检测叶轮轴13的轴向位移量X，位移量为距离单位，当设备未启动时，叶轮轴13并未发生位移，此时的位移量为零，将该位置定义为X₀，当设备启动后，此时叶轮轴13会往壳体1的膨胀端15轴向移动或者会往壳体1的增压端14方向轴向移动，从而发生轴向窜动。当叶轮轴13往壳体1的膨胀端15方向轴向窜动时所产生的轴向位移量定义为X_膨胀，当叶轮轴13往壳体1的增压端14方向轴向窜动时所产生的轴向位移量定义为X_增压。当X₀朝X_膨胀或X_增压方向变化时，则叶轮轴13发生轴向窜动。

壳体1设置有用于控制叶轮轴13轴向移动的进气模块2，膨胀端叶轮11背部具有膨胀端密封腔17，增压端叶轮12背部具有增压端密封腔18，进气模块2具有一个输入端，该输入端与增压端14的增压区142连通，进气模块2还具有膨胀端进气管道21和增压端进气管道23，膨胀端进气管道21一端与进气模块2连接，另一端与膨胀端密封腔17连通，膨胀端密封腔17增加气压时，可以推动叶轮轴13往壳体1的膨胀端15方向轴向移动，能够纠正叶轮轴13往壳体1的增压端14方向的轴向窜动；增压端进气管道23一端与进气模块2连接，另一端与增压端密封腔18连通，增压端密封腔18增加气压时，可以推动叶轮轴13往壳体1的增压端14方向轴向移动，能够纠正叶轮轴13往壳体1的膨胀端15方向的轴向窜动。

膨胀端进气管道21内安装有膨胀端进气阀22，增压端进气管道23内安装有增压端进气阀24；进气模块2还具有用于控制膨胀端进气阀22和增压端进气阀24开闭的进气开闭单元，进气开闭单元用于使膨胀端密封腔17和增压端密封腔18保持一定的预设气压，该预设值为PA_预设，并且PA_预设＞PA_常压，值得注意的是PA_常压，并非标准大气压，而是在常压区141内的介质气体的气压，因此PA_常压＞标准大气压；为使增压区142内的介质气体顺利进入膨胀端密封腔17或增压端密封腔18内，需要使PA_增压＞PA_预设，进气开闭单元与位移探头16通电连接；进气模块2还具有用于检测膨胀端密封腔17和增压端密封腔18内气压的气压检测单元，气压检测单元与进气开闭单元和位移探头16通电连接，本实施例中，气压检测单元能让位移探头16附带有检测气压的功能，可以检测出PA_常压和PA_增压。

实施例一的实施原理为：进气模块2利用在增压区142内的介质气体对膨胀端密封腔17或增压端密封腔18进行增压，当X₀朝X_膨胀变化时，则对增压端密封腔18增压，使X_膨胀能够回到X₀；当X₀朝X_增压变化时，则对膨胀端密封腔17增压，使X_增压能够回到X₀。从而能够精确地控制和动态调节轴向位移量。

实施例

参照图1和图2，本实施例与实施例一的不同之处在于，还包括泄气模块3，泄气模块3的输出端与增压端14的常压区141连通，泄气模块3具有膨胀端泄气管道31和增压端泄气管道33，膨胀端泄气管道31的一端与泄气模块3连通，另一端与膨胀端密封腔17连通，膨胀端泄气管道31内安装有膨胀端泄气阀32；增压端泄气管道33的一端与泄气模块3连通，另一端与增压端密封腔18连通，增压端泄气管道33内安装有增压端泄气阀34；泄气模块3还具有泄气开闭单元，泄气开闭单元分别与膨胀端泄气阀32和增压端泄气阀34通电连接，泄气开闭单元用于控制膨胀端泄气阀32和增压端泄气阀34的开闭。泄气开闭单元还与进气开闭单元通电连接，从而使泄气开闭单元和通电开闭单元产生联动。初始状态时，膨胀端泄气阀32和增压端泄气阀34处于常闭状态。

实施例二的实施原理为：参照图2，当X_膨胀过大时，说明此时的叶轮轴13往壳体1膨胀端15的轴线方向移动，进气开闭单元开启增压端进气阀24，让增压端14的增压区142内的介质气体进入增压端密封腔18，使增压端密封腔18的气压变大；并且泄气开闭单元打开膨胀端泄气阀32，让膨胀端密封腔17内的介质气体通过膨胀端泄气管道31进入至增压端14的常压区141。

实施例

参照图2，本实施例与实施例一的不同之处在于，还包括存气模块4，存气模块4包括存气箱41、存气输入管道42和存气输出管道44；存气输入管道42的一端与存气箱41连通，另一端与增压区142连通，存气输入管道42内安装有存气输入电磁阀43；存气输出管道44的一端与存气箱41连通，另一端与膨胀端密封腔17连通，存气输出管道44内安装有存气输出阀；存气箱41内设有存气开闭单元，该存气开闭单元分别与存气输出电磁阀45和存气输入电磁阀43通电连接，用来控制存气输出电磁阀45和存气输入电磁阀43开闭。存气开闭单元与进气开闭单元通电连接。从而使存气开闭单元、泄气开闭单元和通电开闭单元产生三者产生联动。

实施例三的实施原理为：由于增压端14的气压PA_增压在工作的时候不一定是保持恒定的，因此当PA_增压比较高的时候，存气输入电磁阀43会打开，让在增压端14内气压较高的介质气体进入存气箱41内存入备用，需要让X_增压恢复到X₀时，对膨胀端密封腔17内进行增加气压，此时通过存气开闭单元打开存气输出电磁阀45，让存气箱41内的介质气体输入膨胀端密封腔17。

本申请实施例还公开一种控制方法，该方法用于对上述氢液化透平膨胀机的轴向力平衡系统的存气、进气和泄气进行控制，从而实现对叶轮轴13轴向窜动精确控制和动态调节。

本实施例的控制方法包括初步调节和进阶调节。

参照图3，初步调节在未工作的时候，进气开闭单元会先打开膨胀端进气阀22和增压端进气阀24将增压区142内的介质气体引入膨胀端密封腔17和增压端密封腔18，使膨胀端密封腔17和增压端密封腔18内的气压逐渐变成PA_预设，PA_预设为膨胀端密封腔17和增压端密封腔18内的初始气压值，此时PA_增压≥PA_预设＞PA_常压；PA_增压为增压区142中的介质气体的气压，PA_预设介质气体从增压区142中进入膨胀端密封腔17和增压端密封腔18后的气压，随着介质气体进入膨胀端密封腔17和增压端密封腔18，PA_预设会逐渐增大直到PA_预设等于或略小于PA_增压后，PA_预设的气压值停止变化，PA_常压为常压区141中的介质气体的气压；在膨胀端密封腔17和增压端密封腔18内的介质气体的气压PA_预设等于或略小于PA_增压之后，进气开闭单元将膨胀端进气阀22和增压端进气阀24关闭。存气开闭单元将存气输入电磁阀43和存气输出电磁阀45关闭；泄气开闭单元将泄气输入电磁阀和存气输入电磁阀43关闭。此时的膨胀端密封腔17和增压端密封腔18均处于密封状态，通过气体缓冲来降低轴向窜动，此时为初始状态。

参照图3，初步调节在工作的时候，通过位移探头16检测X₀的变化，当X₀朝X_膨胀变化时，进气开闭单元打开增压端进气阀24同时关闭膨胀端进气阀22，将增压区142内的介质气体通过增压端进气管道23引入增压端密封腔18内，从而迫使X_膨胀恢复到X₀。

参照图4，当X₀朝X_增压变化时，进气开闭单元打开打开膨胀端进气阀22同时关闭增压端进气阀24，将增压区142内的介质气体通过膨胀端进气管道21引入膨胀端密封腔17内，从而迫使X_增压恢复到X₀。

当X_增压或X_增压的变化比较大时，说明轴向窜动的范围增大，此时控制方法从初步调节切换至进阶调节。本实施例中的X_增压或X_增压的变化比较大并不具体限定数值，需要工程师在实际工作过程中设定，当轴向窜动比较大时，采用进阶调节的控制方法。进阶调节的具体控制方法如下：

参照图5，叶轮轴13的轴向位移量X朝X_膨胀变化的轴向窜动的过程中：当常压区中PA_常压的气压往增加的趋势变化时，增压区142内的气压PA_增压也往增加的趋势变化，在变化的初期，X处于X₀或接近于X₀，通过控制膨胀端进气阀22关闭、增压端进气阀24打开、膨胀端泄气阀32关闭、增压端泄气阀34关闭；让膨胀端密封腔17处于封闭状态，增压端密封腔18处于和增压区142连通状态，增压端密封腔18会随着增压区142内气压的增加而同步增加，可以在较快的时间内实现气压平衡；膨胀端密封腔17内的介质气体的气压会受到膨胀端叶轮11的拉动而降低，膨胀端密封腔17内的气压降低会延缓膨胀端叶轮11朝膨胀端15方向移动，从而具有降低X₀朝X_膨胀变化趋势的速度。

参照图6，增压区142内的气压PA_增压逐渐变大时，X₀会朝X_膨胀变化；此时膨胀端进气阀22关闭、增压端进气阀24打开、膨胀端泄气阀32打开、增压端泄气阀34关闭；膨胀端密封腔17处于和常压区141连通的状态，膨胀端密封腔17内的介质气体会通过膨胀端泄气管道31进入常压区141中，让膨胀端密封腔17内的气压降低，延缓膨胀端叶轮11朝壳体1的膨胀端15方向移动；增压端密封腔18处于和增压区142连通状态，可以推动增压端叶轮12朝壳体1的增压端14方向运动，从而进一步降低X₀朝X_膨胀变化趋势的速度。

参照图7，再然后存气开闭单元控制存气输入电磁阀43打开，让增压区142内的介质气体通过存气输入管道42进入存气箱41中，当存气输入箱内的介质气体到达或高于阈值PA_存气时，存气输入电磁阀43关闭。存气箱41用于对介质气体的储备，当膨胀端密封腔17内需要增加气压时，将存气箱41内的气体输入至膨胀端密封腔17，PA_存气的具体数值也有工程师实际工作中设定，需满足PA_存气大于膨胀端密封腔17内的介质气体的气压。

参照图8，当X_膨胀到达一定数值时会停止增加，并且会复位至X₀，在X_膨胀朝X₀复位的过程中，膨胀端进气阀22关闭、增压端进气阀24关闭、膨胀端泄气阀32打开、增压端泄气阀34关闭；膨胀端密封腔17继续处于和常压区141连通的状态，膨胀端密封腔17内的介质气体会通过膨胀端泄气管道31进入常压区141中，可以让膨胀端叶轮11朝增压端14方向移动，增压端密封腔18处于密封状态，增压端密封腔18可以让增压端叶轮12朝膨胀端15方向移动，从而矫正叶轮轴13朝膨胀端15方向的窜动，使X_膨胀复位至X₀。

参照图9，当X_膨胀复位至X₀时，膨胀端进气阀22关闭、增压端进气阀24关闭、膨胀端泄气阀32关闭、增压端泄气阀34关闭；膨胀端密封腔17和增压端密封腔18均处于密封状态，最终让叶轮轴13从X₀朝X_膨胀变化后，再从X_膨胀复位至X₀的循环。

参照图10，叶轮轴13的轴向位移量X朝X_增压变化的轴向窜动的过程中：当常压区中PA_常压的气压往减小的趋势变化时，增压区142内的气压PA_增压也往减小的趋势变化，在变化的初期，X处于X₀或接近于X₀；通过膨胀端进气阀22关闭、增压端进气阀24打开、膨胀端泄气阀32关闭、增压端泄气阀34关闭；膨胀端密封腔17处于封闭状态，膨胀端密封腔17处于和增压区142连通状态，增压端密封腔18会随着增压区142内气压的减小而同步减小，可以在较快的时间内实现气压平衡；膨胀端密封腔17内的介质气体的气压会受到膨胀端叶轮11的挤压而增加，膨胀端密封腔17内的气压增加会延缓膨胀端叶轮11朝增压端14方向移动，从而具有降低X₀朝X_增压变化趋势的速度。

参照图11，增压区142内的气压PA_增压逐渐变小时，X₀会朝X_增压变化；此时膨胀端进气阀22关闭、增压端进气阀24关闭、膨胀端泄气阀32关闭、增压端泄气阀34打开；由于增压区142内的气压变小可能会出现不足以将增压区142内的气压引入至膨胀端密封腔17内，此时让存气输出电磁阀45打开，使膨胀端密封腔17与存气箱41连通，在存气箱41内的介质气体会通过存气输出管道44进入膨胀端密封腔17，从而能够提高膨胀端密封腔17内的介质气体的气压，从而能够，可以推动延缓膨胀端叶轮11朝壳体1的膨胀端15方向移动，此时膨胀端进气阀22关闭是为了可以防止膨胀端密封腔17内的介质气体逆流到壳体1的增压区142内；并且增压端密封腔18与壳体1的常压区141连通，可以让增压端密封腔18内的气压降低，能够减缓增压端叶轮12朝壳体1的增压端14方向移动，从而进一步降低或停止X₀朝X_增压变化趋势的速度。

参照图12，在膨胀端密封腔17内气压增加到一定程度后会让，X_增压停止增加，并且会复位至X₀，在X_增压朝X₀复位的过程中，膨胀端进气阀22关闭、增压端进气阀24关闭、膨胀端泄气阀32关闭、增压端泄气阀34打开；膨胀端密封腔17处于密封状态，可以让膨胀端叶轮11朝增压端14方向复位移动，增压端密封腔18处于和常压区141连通状态，增压端密封腔18降低气压可以增加增压端叶轮12朝膨胀端15方向轴向移动的速度，从而矫正叶轮轴13往增压端14方向的窜动，使X_增压复位至X₀。

参照图13，当X_增压复位至X₀时，膨胀端进气阀22关闭、增压端进气阀24关闭、膨胀端泄气阀32关闭、增压端泄气阀34关闭；膨胀端密封腔17和增压端密封腔18均处于密封状态，最终让叶轮轴13从X₀朝X_增压变化后，再从X_增压复位至X₀的循环。

最终实现X₀朝X_增压或X_膨胀变化后复位的循环。

以上均为本申请的较佳实施例，并非以此限制本申请的保护范围；所以，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以上具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。故：凡依本申请的结构、形状、原理所作的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种氢液化透平膨胀机的轴向力平衡系统，包括壳体（1）和带有膨胀端叶轮（11）和增压端叶轮（12）的叶轮轴（13），所述壳体（1）上开设有增压端（14）和膨胀端（15），所述膨胀端叶轮（11）位于所述壳体（1）的膨胀端（15），所述增压端叶轮（12）位于所述壳体（1）的增压端（14），所述增压端叶轮（12）将所述增压端（14）分隔成常压区（141）和增压区（142）；介质气体从所述常压区（141）经过增压端叶轮（12）的初步增压进入增压区（142）；其特征在于：还包括设置于壳体（1）上且用于检测叶轮轴（13）轴向位移量的位移探头（16）、位于膨胀端叶轮（11）背部的膨胀端密封腔（17）、位于增压端叶轮（12）背部的增压端密封腔（18）和用于控制叶轮轴（13）轴向移动的进气模块（2），所述进气模块（2）的输入端与所述增压端（14）的增压区（142）连通，所述进气模块（2）具有与所述膨胀端密封腔（17）连通的膨胀端进气管道（21）和与所述增压端密封腔（18）连通的增压端进气管道（23）；所述膨胀端进气管道（21）内安装有膨胀端进气阀（22），所述增压端进气管道（23）内安装有增压端进气阀（24）；所述进气模块（2）还具有用于控制所述膨胀端进气阀（22）和所述增压端进气阀（24）开闭的进气开闭单元，进气开闭单元用于使所述膨胀端密封腔（17）和所述增压端密封腔（18）保持一定的预设气压PA_预设，所述进气开闭单元与所述位移探头（16）通电连接；所述进气模块（2）还具有用于检测膨胀端密封腔（17）和增压端密封腔（18）内气压的气压检测单元，所述气压检测单元与所述进气开闭单元通电连接；

还包括泄气模块（3），所述泄气模块（3）的输出端与所述增压端（14）的常压区（141）连通，所述泄气模块（3）具有与所述膨胀端密封腔（17）连通的膨胀端泄气管道（31）和与所述增压端密封腔（18）连通的增压端泄气管道（33），所述膨胀端泄气管道（31）内安装有膨胀端泄气阀（32），所述增压端泄气管道（33）内安装有增压端泄气阀（34）；所述泄气模块（3）还具有用于控制所述膨胀端泄气阀（32）和所述增压端泄气阀（34）开闭的泄气开闭单元，所述泄气开闭单元与所述进气开闭单元通电连接并且泄气开闭单元控制膨胀端泄气阀（32）和增压端泄气阀（34）处于常闭状态。

2.根据权利要求1所述的一种氢液化透平膨胀机的轴向力平衡系统，其特征在于：还包括存气模块（4），所述存气模块（4）包括存气箱（41）和分别与所述存气箱（41）连通的存气输入管道（42）和存气输出管道（44），所述存气输入管道（42）一端与所述增压区（142）连通，所述存气输出管道（44）一端与所述膨胀端密封腔（17）连通，所述存气输入管道（42）内安装有存气输入电磁阀（43），所述存气输出管道（44）内安装有存气输出电磁阀（45），所述存气箱（41）内设有用于控制所述存气输出电磁阀（45）和所述存气输入电磁阀（43）开闭的存气开闭单元，所述存气开闭单元与所述进气开闭单元通电连接。

3.一种控制方法，所述控制方法应用于上述权利要求2所述的氢液化透平膨胀机的轴向力平衡系统中，其特征在于：

通过增压机将介质气体引入常压区（141）内，常压区（141）内的介质气体为PA_常压；增压端叶轮（12）使增压区（142）内的介质气体进行初步增压达到PA_增压；则PA_增压＞PA_常压；

通过气压检测单元检测出膨胀端密封腔（17）内的气压PA，膨胀端密封腔（17）内的气压PA初始状态时处于预设气压PA_预设；且PA_增压＞PA_预设＞PA_常压；

通过位移探头（16）检测出叶轮轴（13）的轴向位移量X，当叶轮轴（13）初始位移量为零时，定义为X₀；当叶轮轴（13）转动并且朝膨胀端（15）轴向移动时，定义为X_膨胀，当叶轮轴（13）转动并且朝壳体（1）的增压端（14）轴向移动时，定义为X_增压；

初始状态时，膨胀端进气阀（22）和增压端进气阀（24）处于常闭状态；当X₀朝X_膨胀变化时，打开增压端进气阀（24），将增压区（142）内的介质气体引入增压端密封腔（18）内，从而迫使X_膨胀恢复到X₀；当X₀朝X_增压变化时，打开膨胀端进气阀（22），将增压区（142）内的介质气体引入膨胀端密封腔（17）内，从而迫使X_增压恢复到X₀。

4.根据权利要求3所述的一种控制方法，其特征在于：当所述膨胀端密封腔（17）内的气压PA大于或小于预设气压PA_预设时，膨胀端进气阀（22）处于常闭状态，并且增压端进气阀（24）处于常开状态；当X₀朝X_膨胀变化时，泄气开闭单元控制膨胀端泄气阀（32）打开，将增压端密封腔（18）内的介质气体引入常压区（141）内；当X₀朝X_增压变化时，泄气开闭单元控制增压端泄气阀（34）打开，将增压端密封腔（18）内的介质气体引入常压区（141）内。

5.根据权利要求4所述的一种控制方法，其特征在于：

当膨胀端密封腔（17）内的气压PA小于预设气压PA_预设且轴向位移量X保持为X₀时，增压端进气阀（24）保持打开的同时膨胀端泄气阀（32）保持关闭；

当膨胀端密封腔（17）内的气压PA小于预设气压PA_预设且X₀朝X_膨胀变化时，增压端进气阀（24）保持打开的同时膨胀端泄气阀（32）保持打开，使膨胀端密封腔（17）内的介质气体通过膨胀端泄气阀（32）引入常压区（141）内，让膨胀端密封腔（17）内的气压PA进一步小于预设气压PA_预设；

当X_膨胀处于朝X₀复位的过程中时，增压端进气阀（24）关闭且膨胀端泄气阀（32）保持打开；

当X_膨胀位于X₀时，膨胀端进气阀（22）和增压端进气阀（24）处于常闭状态。

6.根据权利要求4所述的一种控制方法，其特征在于：

当膨胀端密封腔（17）内的气压PA大于预设气压PA_预设且轴向位移量X保持为X₀时，增压端进气阀（24）保持打开的同时增压端泄气阀（34）关闭；

当膨胀端密封腔（17）内的气压PA大于预设气压PA_预设且X₀朝X_增压变化时，增压端进气阀（24）继续保持打开的同时膨胀端泄气阀（32）保持关闭；

当X_增压处于朝X₀复位的过程中时，增压端进气阀（24）关闭的同时增压端泄气阀（34）打开；

当X_增压位于X₀时，增压端进气阀（24）关闭的同时增压端泄气阀（34）关闭。

7.根据权利要求6所述的一种控制方法，其特征在于：

当所述膨胀端密封腔（17）内的气压PA小于预设气压PA_预设时，所述存气开闭单元控制所述存气输入电磁阀（43）打开，使所述增压区（142）内的介质气体引入所述存气箱（41）内，并且当存气箱（41）内的介质气体的气压PA高于阈值PA_存气时关闭存气输入电磁阀（43）；

当膨胀端密封腔（17）内的气压PA大于预设气压PA_预设且X₀朝X_增压变化时，增压端进气阀（24）继续保持打开，膨胀端泄气阀（32）保持关闭的同时，所述存气开闭单元控制所述存气输出电磁阀（45）打开，使所述存气箱（41）内的介质气体通过存气输出管道（44）进入膨胀端密封腔（17）内。