CN117449913B - 一种新型氢透平膨胀机 - Google Patents

Abstract

本发明适用于气体液化低温膨胀机技术领域，提供了一种新型氢透平膨胀机，包括膨胀组件、轴承组件和制动组件，所述膨胀组件和制动组件分别连接在轴承组件的两侧，所述膨胀组件包括涡壳和出口流道冷壳。本装置通过引入结合电磁和动压箔片轴承的复合轴承技术，提高了轴承的承载能力，这种复合轴承设计将轴承的负载分散到磁力轴承和箔片轴承之间，并结合二者的优点，从而提高了轴承的性能和可靠性，同时，将轴承体改进为两片式设计，便于这种复合轴承的安装并减少维护和更换的难度；在原有的篦齿密封的基础上，增加了双活塞密封环结构，进一步提高密封的性能，防止了泄漏带来的冷热氢气混合，从而提高膨胀制冷系统的制冷量和效率。

Description

一种新型氢透平膨胀机

技术领域

本发明属于气体液化低温膨胀机技术领域，尤其涉及一种新型氢透平膨胀机。

背景技术

在氢能应用中，液氢的储存与运输因其更大的运量、高纯度、快速充装和占地面积较小等优点，正逐渐成为满足未来不断增长的加氢需求的首选方案。然而，尽管液氢技术在国际上已有广泛应用，我国的民用液氢领域在长期内一直发展较为缓慢，与国际水平相比存在显著的差距。近年来，随着国家对液氢项目的加大支持和政策的不断出台，我国的液氢产业开始进入蓄势待发的阶段。

氢透平膨胀机作为大型氢气液化循环的核心组件，在我国尚缺乏可靠的本土制造产品。该机器在整个氢气液化系统中扮演着至关重要的角色，该机器的工作原理是通过让高压气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀，从而对外做功，同时消耗气体本身的内能，使气体迅速冷却以实现制冷效果，其主要用于提供系统所需的制冷量，其热力性能和力学性能的优劣直接影响了设备的经济性和长期运行的可靠性，因此，氢透平膨胀机成为了整个系统中技术含量高、研制难度大的关键组件之一。

现有的氦透平膨胀机是一种利用氦气进行膨胀的机器。它主要由三个部分组成：膨胀机通流部分、制动组件部分和机体，其中，膨胀机通流部分包括涡壳、喷嘴、膨胀组件和扩压器；制动组件部分是透平膨胀机功率消耗元件；机体起着传递、支撑和隔热的作用；透平膨胀机将来自上游的高压气体膨胀为低压气流，连续不断地将动能转化为机械能，高速气流使叶轮旋转，再通过由轴承支撑的转轴将机械能传递给制动组件进行消耗。

目前，现有技术中缺少适用于氢气的膨胀机技术方案，而现有的氦膨胀机并不能直接适用于氢气的膨胀，这主要有以下几个问题：

1.轴承承载力不足：大型氢液化系统提高了工艺管路的压力，对轴承的轴向承载力需求陡增，同时为了防止主管路氢气被污染，轴承承载气需要由原来的氦气或空气换为氢气，氢气本身的承载能力又比氦气和空气低，所以，现有的轴承设计无法满足氢气膨胀机的高轴向推力需求；

2.承载气体泄露：氢气作为承载气时，要考虑氢气的密封，因为高温的承载氢气泄露到膨胀端之后会与低温膨胀氢气掺混，影响膨胀端的降温能力，进而减低整个膨胀制冷系统的制冷量与制冷效率，而现有的篦齿密封结构很难保证氢气的封压。

因此，我们需要专门的技术研究和创新，以克服这些挑战，为大型氢气液化工艺过程提供更高效、可靠和安全的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型氢透平膨胀机，旨在解决上述技术问题。

本发明是这样实现的，一种新型氢透平膨胀机，包括膨胀组件、轴承组件和制动组件，所述膨胀组件和制动组件分别连接在轴承组件的两侧，所述膨胀组件包括涡壳和出口流道冷壳，所述涡壳和出口流道冷壳上均安装有保温夹层，所述轴承组件包括复合轴承、转子、轴承体以及密封结构，所述复合轴承固定安装在轴承体内部，所述轴承体安装在转子上，所述密封结构安装在转子和轴承体上；

所述复合轴承包括两个轴承座、两个电磁轴承、两个箔片轴承、中隔环、推力盘以及两个侧隔环，所述推力盘和两个箔片轴承均设置在两个轴承座之间，两个所述箔片轴承分别设置在推力盘的两侧，两个所述电磁轴承分别安装在两个轴承座上，所述中隔环位于两个轴承座之间，且中隔环套设在推力盘的外侧，两个所述侧隔环分别安装在两个轴承座上；

所述密封结构包括一个篦齿密封和两个双活塞密封环，两个所述双活塞密封环分别安装在转子的两端，所述篦齿密封安装在转子靠近膨胀组件的一端。

进一步的技术方案，所述保温夹层由尼龙绝热材料制作而成。

进一步的技术方案，位于所述涡壳外围的保温夹层的外部还设置有外壳。

进一步的技术方案，两个所述轴承座上均设置有定位销。

进一步的技术方案，所述轴承体为双片式。

进一步的技术方案，所述膨胀组件还包括喷嘴、喷嘴安装座以及保温密封板，所述喷嘴安装在喷嘴安装座上，所述喷嘴安装座以及保温密封板均安装在轴承体上。

相较于现有技术，本发明的有益效果如下：

1.本装置通过引入结合电磁和动压箔片轴承的复合轴承技术，提高了轴承的承载能力，这种复合轴承设计将轴承的负载分散到磁力轴承和箔片轴承之间，并结合二者的优点，从而提高了轴承的性能和可靠性，同时，将轴承体改进为两片式设计，便于这种复合轴承的安装并减少维护和更换的难度；

2.在原有的篦齿密封的基础上，增加了双活塞密封环结构，进一步提高密封的性能，防止了泄漏带来的冷热氢气混合，从而提高膨胀制冷系统的制冷量和效率；

3.通过增加尼龙绝热保温材料制作而成的保温夹层，并结合薄壁不锈钢外壳，完成新的保冷结构设计，从而在保证强度的前提下提高了该装置的制冷效果。

附图说明

图1为本发明的正视截面结构示意图；

图2为本发明的膨胀组件中涡壳的正视截面结构示意图；

图3为本发明的轴承组件的正视截面结构示意图；

图4为本发明的转子立体结构示意图；

图5为本发明的复合轴承正视截面结构示意图。

附图中：1、膨胀组件；2、轴承组件；3、制动组件；4、涡壳；5、出口流道冷壳；6、喷嘴；7、喷嘴安装座；8、保温密封板；9、转子；10、复合轴承；101a、左轴承座；101b、右轴承座；102a、左电磁轴承；102b、右电磁轴承；103a、左箔片轴承；103b、右箔片轴承；104、推力盘；105、中隔环；106a、左侧隔环；106b、右侧隔环；107、定位销；11、两片式轴承体；111a、左中间壳体；111b、右中间壳体；12a、一号保温夹层；12b、二号保温夹层；13、外壳；14、篦齿密封；15a、左双活塞密封环；15b、右双活塞密封环；16、工装。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

如图1-图5所示，为本发明提供的一种新型氢透平膨胀机。

图1显示了此氢膨胀机的系统图，从左到右依次是膨胀组件1，轴承组件2和制动组件3。此发明主要对氦膨胀机膨胀端的膨胀组件和轴承组件进行改进。

在图1中，膨胀机的膨胀组件1包括涡壳4、出口流道冷壳5、喷嘴6和喷嘴安装座7等，它是氢膨胀机通流部分的重要组成部分，其用于将高速氢气转换为低速氢气，从而有效地降低氢气的温度，轴承组件2包括转子9、复合轴承10和两片式轴承体11，复合轴承10安装在转子9上，膨胀组件1和制动组件3分别安装在转子9的两端。

在图2中，我们描述了膨胀组件1的涡壳4的设计细节，出口流道冷壳5设置在涡壳4的内部，在涡壳4和出口流道冷壳5上均安装保温夹层（分别记作一号保温夹层12a和二号保温夹层12b)，其中，出口流道冷壳5靠近轴承组件2的一端材料较厚，以承受最高5MPa的工作压力，并在其处添加由尼龙绝热保温材料制作而成的一号保温夹层12a，二号保温夹层12b设置在涡壳4的外壳面（标记为12a和12b的深色阴影部分），这些保温材料具有非常低的热导率，可以有效地减缓了热量的传导，这一设计有助于内部管道中的流体更容易地维持自身的温度，为了防止膨胀机在室温（300K）条件下流失冷量，二号保温夹层12b外部还设计了一层较薄的不锈钢外壳13，以控制其向室温处的热传导，这样的设计结合了绝热材料的使用和外壳13的设计，其将减缓温度传导，有助于降低热量损失，维持内部温度，并提高系统的能效。

安装时，保温夹层由低温真空胶固定，通过在一号保温夹层12a的内侧和二号保温夹层12b的内外两侧均涂抹低温真空胶，使其可以紧密地粘接在出口流道冷壳5和涡壳4的内部。根据测试，涡壳4、出口流道冷壳5和保温夹层形成的复合结构可以提供出色的保温和承压功能。

图3和图5详细描述了轴承组件2，其包括复合轴承10、转子9以及两片式轴承体11，复合轴承10包括两个轴承座、两个电磁轴承和两个箔片轴承，两个电磁轴承分别安装在两个轴承座的内部，两个轴承座之间设置有推力盘104，两个箔片轴承分别安装在推力盘104的两侧，两个轴承座之间还安装有一个中隔环105，中隔环105位于两个箔片轴承之间，且中隔环105设置在推力盘104的外侧，两个轴承座上均安装有两个侧隔环，侧隔环设置在箔片轴承和轴承座之间，两个轴承座上均设置有定位销107，便于箔片轴承、中隔环105以及侧隔环进行轴向定位。

两个轴承座分别记作左轴承座101a和右轴承座101b，两个电磁轴承分别记作左电磁轴承102a和右电磁轴承102b，两个箔片轴承分别记作左箔片轴承103a和右箔片轴承103b，两个侧隔环分别记作左侧隔环106a和右侧隔环106b。相比于氦透平膨胀机，新型膨胀机在轴承类型、轴承气体选择、轴承密封和轴承体结构设计等四个方面进行了调整。与单一的箔片轴承或电磁轴承不同，本发明采用电磁-动压箔片复合轴承10技术，箔片轴承的工作原理为：当转子9高速运转时，转子9与复合轴承10顶部的波纹箔片间产生相对运动，从而形成楔形空间，以空气等气体作为润滑介质，转子9在楔形空间中不断挤压粘性气体，使波纹箔片发生弹性变形，从而形成的具有刚度和阻尼的润滑气膜支撑负载的一种动压无油润滑轴承；电磁轴承的工作原理为：其是通过无机械接触电磁力和电子控制实现对轴向方向的承载，使转子9悬浮的一种无接触式轴承。控制器根据转子9的位移信号控制磁极线圈中电流的大小，使转子9稳定运转并悬浮于某一位置，因此，电磁轴承的刚度和阻尼是可调控的，可以实时的动态控制转子9的位置，电磁轴承和箔片轴承串联布置以控制膨胀机总长度，通过这些设计成功实现了电磁轴承和箔片轴承的复合使用，电磁轴承在膨胀机启动和停机状态中介入，解决了箔片轴承中动压箔片的启停磨损问题，两种轴承的同时协同工作也使这种复合轴承10具有承载力大、精度高和稳定性好的优点，保证了氢气膨胀机的可靠运行。

同时，为了方便安装复合轴承10并减少维护更换的难度，我们将原有的单片式轴承体改进为两片式轴承体11，两片式轴承体11包括左中间壳体111a和右中间壳体111b。

组装复合轴承10时，先将右电磁轴承102b安装到右轴承座101b上，再将右箔片轴承103b放置在右轴承座101b表面，右箔片轴承103b上的定位孔穿过定位销107做径向定位，再在右轴承座101b上安装右侧隔环106b，由右侧隔环106b对右箔片轴承103b进行轴向定位，然后放置推力盘104，推力盘104压在右箔片轴承103b上，再放入中隔环105，中隔环105套在推力盘104的外侧，且中隔环105通过定位销107做径向定位，然后再放置左箔片轴承103a，左箔片轴承103a通过定位销107实现径向定位，并通过中隔环105控制推力盘104与左箔片轴承103a的间隙，将左侧隔环106a压在左箔片轴承103a上，通过定位销107实现径向定位，将左电磁轴承102a安装入左轴承座101a内，并使用螺钉将左轴承座101a固定在左中间壳体111a上，之后将左中间壳体111a与右中间壳体111b固定，从而使得左轴承座101a压在左侧隔环106a上，实现复合轴承10的轴向位置固定，复合轴承10安装完毕；最后，将复合轴承10和两片式轴承体11再安装到转子9上即可。

图3所示，轴承组件2还包括改进后的膨胀机密封结构，密封结构包括一个篦齿密封14和两个双活塞密封环（分别记作左双活塞密封环15a和右双活塞密封环15b），膨胀端的密封结构在原有篦齿密封14的基础上，增加了左双活塞密封环15a，特殊抗氢脆材料的左双活塞密封环15a相比篦齿密封14，有更小的泄露面积，可以大幅减小泄露量，双环的密封效果相比单个环密封效果更好；而在制动组件3一端，为了控制转子9总长度，取消了原有的篦齿结构，改为使用右双活塞密封环15b；通过这些设计，提高了轴承密封的性能，避免污染的同时，阻止了冷热氢气混合，降低泄漏风险，从而提高膨胀机的效率和可靠性。

图4展示了双活塞密封环的安装位置和工装16结构，位于复合轴承10两侧的双活塞密封环嵌套在转子9上，并通过一端可套入转子9的特制工装16进行安装，工装16由圆筒定制而成，在圆筒的一端设置有圆锥面，而圆筒的内径和转子9安装双活塞密封环的一端直径相同。

密封结构安装过程：先将可伸缩的双活塞密封环套入工装16较窄的一端，推动双活塞密封环，其能够通过工装16的光滑表面滑入转子9上相对应的凹槽内。

轴承组件2的两侧还安装有保温密封板8，在安装时，将保温密封板8安装在转子9上，并通过螺钉将保温密封板8安装到两片式轴承体11上，然后依次再在转子9上套装喷嘴安装座7，并通过螺钉将喷嘴安装座7安装到左中间壳体111a，再将喷嘴6安装到喷嘴安装座7上，最后将涡壳4安装到左中间壳体111a上，喷嘴6位于出口流道冷壳5内部。

双活塞密封环安装在保温密封板8的内侧，其可以防止氢气通过转子9和保温密封板8之间的缝隙，篦齿密封14位于保温密封板8的内侧。

工作原理与过程: 膨胀机安装好之后，首先，通过控制器给电磁轴承通直流电，电磁轴承先开始工作，其悬浮起来，箔片轴承不受力，这样可以很好的改善箔片轴承的启停磨损、功耗与稳定性问题；然后，低温高压气体通过膨胀机壳入口进入，吹动膨胀组件1，同时双活塞密封环有效阻止了各段气动的相互泄露，再结合保冷涡壳4，有效减少了冷量流失，当转子9转速达到箔片轴承开始工作需要的转速后，电磁轴承控制励磁电流减少功耗和载荷，箔片轴承开始慢慢介入工作，承担载荷直到系统平稳运行；最后，当转子9转速进一步提高，承载力需求更高，快超出箔片轴承的载荷极限时，通过电磁轴承的控制器提高励磁电流，增大电磁轴承的承载力，电磁轴承和箔片轴承同时工作，保证设备的高速安全运转；降速过程与前述升速过程运行控制顺序相反。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种新型氢透平膨胀机，包括膨胀组件、轴承组件和制动组件，所述膨胀组件和制动组件分别连接在轴承组件的两侧，其特征在于，所述膨胀组件包括涡壳和出口流道冷壳，所述涡壳和出口流道冷壳上均安装有保温夹层，所述轴承组件包括复合轴承、转子、轴承体以及密封结构，所述复合轴承固定安装在轴承体内部，所述轴承体安装在转子上，所述密封结构安装在转子和轴承体上；

所述复合轴承包括两个轴承座、两个电磁轴承、两个箔片轴承、中隔环、推力盘以及两个侧隔环，所述推力盘和两个箔片轴承均设置在两个轴承座之间，两个所述箔片轴承分别设置在推力盘的两侧，两个所述电磁轴承分别安装在两个轴承座上，所述中隔环位于两个轴承座之间，且中隔环套设在推力盘的外侧，两个所述侧隔环分别安装在两个轴承座上；

所述密封结构包括一个篦齿密封和两个双活塞密封环，两个所述双活塞密封环分别安装在转子的两端，所述篦齿密封安装在转子靠近膨胀组件的一端；

所述电磁轴承和箔片轴承串联布置；

组装复合轴承时，先将右电磁轴承安装到右轴承座上，再将右箔片轴承放置在右轴承座表面，右箔片轴承上的定位孔穿过定位销做径向定位，再在右轴承座上安装右侧隔环，由右侧隔环对右箔片轴承进行轴向定位，然后放置推力盘，推力盘压在右箔片轴承上，再放入中隔环，中隔环套在推力盘的外侧，且中隔环通过定位销做径向定位，然后再放置左箔片轴承，左箔片轴承通过定位销实现径向定位，并通过中隔环控制推力盘与左箔片轴承的间隙，将左侧隔环压在左箔片轴承上，通过定位销实现径向定位，将左电磁轴承安装入左轴承座内，并使用螺钉将左轴承座固定在左中间壳体上，之后将左中间壳体与右中间壳体固定，从而使得左轴承座压在左侧隔环上，实现复合轴承的轴向位置固定，复合轴承安装完毕。

2.根据权利要求1所述的新型氢透平膨胀机，其特征在于，所述保温夹层由尼龙绝热材料制作而成。

3.根据权利要求1所述的新型氢透平膨胀机，其特征在于，所述膨胀组件还包括喷嘴、喷嘴安装座以及保温密封板，所述喷嘴安装在喷嘴安装座上，所述喷嘴安装座以及保温密封板均安装在轴承体上。

4.根据权利要求1所述的新型氢透平膨胀机，其特征在于，所述两个所述轴承座上均设置有定位销。

5.根据权利要求3所述的新型氢透平膨胀机，其特征在于，所述轴承体为双片式。

6.根据权利要求1所述的新型氢透平膨胀机，其特征在于，位于所述涡壳上的保温夹层的外部还设置有外壳。

7.根据权利要求6所述的新型氢透平膨胀机，其特征在于，所述外壳由不锈钢材料制作而成。