一种透平膨胀机制造技术

一种透平膨胀机，包括工作叶轮组件、主轴、磁悬浮轴承、电磁涡流制动器和壳体；主轴的一端穿出壳体与工作叶轮组件固定连接；磁悬浮轴承包括定子组件与转子组件，转子组件固定于主轴上，定子组件固定设于壳体内，且定子组件与转子组件对应设置；电磁涡流制动器设于主轴的一端。上述透平膨胀机，采用磁悬浮轴承作为转子支撑系统，与传统轴承相比，磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损、高速度、高精度、低功耗等一系列独特性能，降低了功率损失。通过在主轴上设置电磁涡流制动器进行制动，结构紧凑且避免了气体的外漏和污染，同时解决了其轮周速度过高、轴上制动力矩调节困难等难题。

A turbine expander

【技术实现步骤摘要】
一种透平膨胀机
本专利技术涉及低温液化装置
，尤其涉及一种透平膨胀机。
技术介绍
我国能源供给具有‘富煤、缺气、少油’的特点，在一次能源消费结构中，煤炭消费占比比重超过60％，而我国的石油，天然气等能源对进口依存度较高，其中原油的依存度最为严重，从2005年的39.5％上升到了2015年的60.69％。随着社会经济的发展，我国能源需求总量还将进一步上升，如不能及时对能源结构做出调整，能源对外依存度还将继续上升，国家能源结构构成以及能源供应安全将面临严峻挑战。特别是近年来，我国大气环境问题日益突出，传统化石燃料燃烧排放被证实是大气污染、雾霾和温室效应等问题的首要因素，采用高效清洁能源已经迫在眉睫。因此在保证经济平稳增速、资源环境约束趋紧的新常态下，能源结构调整、绿色转型要求日益迫切，这也要求我国大力发展低碳能源经济，尽早进入新能源替代化石能源的更替期。在新能源领域我国近年来发展迅猛，风能、光伏等可再生能源大量应用，但是这类新能源存在不可控间隙性、能量密度低、直接转化效率低等问题，大规模替代目前成熟的化石能源的潜力不足。因此美国、日本、德国等发达国家已纷纷将研究推广重点放在更具潜力的氢能源上，并将氢能源研究应用上升到国家战略高度。氢能是一种清洁高效的二次能源，作为重要的能源载体其燃烧热值约为汽油的3倍，且排放物清洁无污染，且能够广泛的应用于燃料电池车辆、储能以及掺入天然气用于工业和民用燃气等领域，在短期内十分有望替代部分石油和天然气，成为我国能源消费结构的重要组成部分。目前，我国政府出台多项政策都有力的推动了我国氢能的发展，如2016年国家发改委和国家能源局《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》规划了能源技术革命重点创新行动路线图，将氢能纳入我国的能源战略；在《中国制造2025》规划纲要规划了到2030年要实现百万辆氢燃料电池车辆的商业化应用以及建成1000座制氢/加氢等配套设施的发展目标。但是，目前我国在氢能源产业的供给端相关基础研究、技术开发以及相关基础设施的建设方面与发达国家差距明显。为实现大规模的氢能的经济稳定供给，急需解决氢能源产业供给端问题，包括氢能源制备、存储以及运输等多个环节。特别是在现阶段氢能源制备后的存储与输运环节技术难题极大限制了氢能源高效经济供给用户的落地应用。目前，在氢能源制备后的存储方面主要有三种方式：分别是高压存储气态氢气、金属固态储氢以及低温存储液态氢。相对应氢能源输运方面主要有四种方式：分别是高压氢气长管拖车、氢气管道、金属固态氢以及低温液氢运输。其中氢气的高压存储运输目前应用最为成熟，但其存在氢气单位体积存储密度低，存储压力高等问题，其在35Mpa下密度仅为23kg/m3。对于液态氢来说，标况下液氢的密度仅为气氢的1/788左右，单位体积储存氢密度高，能较好满足氢能源的长距离大规模运输的经济与快速的需求。美国、日本等国正在积极开展氢能源的低温液态储存与输运，该种方式也是未来20到30年内最具发展潜力的储存输运方式之一。氢的沸点-253℃，其大规模液化流程采用液氮预冷的修正克劳特循环，通过多级透平膨胀机的膨胀做功降低氢气温度，最终通过节流装置将低温氢气节流制备液氢。可以说在整套氢液化装置中，氢透平膨胀机是整个系统获得冷量所必须的关键部件，是保证整套设备稳定运行的心脏。其主要原理是通入一定压力的高压氢气在透平膨胀机内进行绝热膨胀，将气体的内能转变为转子机械能，过程中氢气焓值不断减少，从而使气体本身温度降低，达到制冷获取冷量的目的。相比于其他工质的透平膨胀机，氢气透平膨胀机工质为氢气，具有工质分子量小，声速较低等特点。且一般从低温液氢系统效率考虑，要求透平单级膨胀比较大，造成设计透平反动度较高，且单级焓降较大。同时为尽量提高透平膨胀机效率，则需达到叶轮最优速比，进而造成叶轮工作转速达到50000rpm以上，工作轮叶轮外圈线速度大于300m/s，对于透平膨胀机的设计造成很大的困难。另一方面在大规模液氢系统中，透平整体质量流量提高，轴系转矩与轴向力较大，接近甚至达到现有常用气体悬浮支撑系统的承载力极限。传统的低温透平膨胀机一般包括一个中间壳体，在壳体一端安装透平工作轮蜗壳及透平喷嘴，在壳体另一端安装透平制动轮蜗壳。中间壳体内设有转子，转子两端分别安装透平膨胀工作轮和制动风机轮或增压轮。两端叶轮采用转轴连接传递扭矩，轴两端设有必要密封。从减小转子摩擦，防止污染等方面考虑，应用气体悬浮轴承作为转轴支撑系统。但采用该种结构的氢透平膨胀机在设计及制造装配过程将面临四类问题。1、气浮轴承在氢透平适用性较差；2、加工制造精度要求高，装配维修困难；3、制动轮调节响应慢，调节精度差。4、冷量损失严重问题。现有气浮轴承主要分为静压气体轴承和动压气体轴承两大类。对于静压气体轴承其工作时需要时刻从系统回路中抽取高压氢气对轴承供气，维持悬浮力，会增加装置的复杂性，并造成整个大型液化流程工艺气体损失，降低系统效率，提高氢液化过程的成本。对于动压气体轴承，虽然不需要额外供气，但气浮轴承工质为氢气，粘度密度都很低，其承载能力有限，稳定性较差，不适用于较大质量的轴系支撑。虽然箔片式动压气体轴承能解决承载力不足、稳定性差问题，但内部箔片在启动与降速过程存在与轴摩擦磨损问题，加工困难，一段时间需要定期维护。同时，小分子氢气在大压差下极易泄漏，对气浮轴承为防止工作气体泄漏需要设置更长的密封段，这类密封结构是强烈的非线性振动激励源，对轴系设计与整机结构布局影响较大。气浮轴承加工制造精度要求高，加工精度将很大程度影响气浮轴承系统的可用性与稳定性。对于静压气体轴承为提供足够悬浮力与稳定性，通常其转子与轴承间间隙在20μm以下，轴承气孔直径在100μm左右，整体加工精度希望保证在1μm以下。对于动压气体轴承来说其箔片结构和制造工艺十分复杂，表面耐磨涂层要求苛刻，我国目前相关技术积累较弱。此外，气体轴承要求配合间隙小，装配精度非常高，保养装配维修不便，工作阶段一旦出现失稳转轴易抱死，造成不可挽回损失。氢气透平膨胀机传统结构中制动端多采用制动轮或增压轮将转子上轴功传输到制动气体，将功消耗。但对于大型氢透平膨胀机来说，轴功较大，风机轮工作过程中气体温度显著升高。当温度过高时，显著增加制动端与膨胀端的间温差，导致转子轴向导热比较严重，引起透平冷量的流失，降低透平效率。转子轴上温升过高会使透平转子热胀冷缩不均，对整体结构稳定造成影响。同时，透平膨胀机工作时不同时刻存在负载变化可能，需根据负载变化动态调节透平的工作转速。对于常规结构的透平膨胀机转速调节，一般是改变进排气阀门的开度，调节制动端吸气量及排气压力，以平衡轴上转矩。但单单依靠阀门调节气量和压力的方式虽然能起到调节效果，但存在阀门控制精度低、阀门响应慢、制动轮气量改变易引起轴向力失稳等问题。且制动轮轮周转速往往大于驱动轮，给材料的选型以及加工制造带来一定的难题。
技术实现思路
鉴于此，有必要提供一种制备难度小、精度高、磨损小、冷量损失小的透平膨胀机。一种透平膨胀机，包括工作叶轮组件、主轴、磁悬浮轴承、电磁涡流制动器和壳体；...

【技术保护点】
1.一种透平膨胀机，其特征在于，包括工作叶轮组件、主轴、磁悬浮轴承、电磁涡流制动器和壳体；/n所述主轴的一端穿出所述壳体与所述工作叶轮组件固定连接；/n所述磁悬浮轴承包括定子组件与转子组件，所述转子组件设于所述主轴上；/n所述定子组件固定设于所述壳体内，且所述定子组件与所述转子组件对应设置；/n所述电磁涡流制动器设于所述主轴的一端。/n

【技术特征摘要】
1.一种透平膨胀机，其特征在于，包括工作叶轮组件、主轴、磁悬浮轴承、电磁涡流制动器和壳体；
所述主轴的一端穿出所述壳体与所述工作叶轮组件固定连接；
所述磁悬浮轴承包括定子组件与转子组件，所述转子组件设于所述主轴上；
所述定子组件固定设于所述壳体内，且所述定子组件与所述转子组件对应设置；
所述电磁涡流制动器设于所述主轴的一端。


2.如权利要求1所述的透平膨胀机，其特征在于，所述电磁涡流制动器包括电涡流制动器定子和爪盘，电涡流制动器定子包括电磁涡流制动器定子支架和电磁涡流制动器励磁线圈，所述电磁涡流制动器定子支架包括内壁、外壁、第一端壁和第二端壁，所述第一端壁的内圆周连接所述内壁的一端，所述第一端壁的外圆周连接所述外壁的一端，所述第二端壁的内圆周连接所述内壁的另一端，所述第二端壁的外圆周连接所述外壁的另一端，所述内壁、所述外壁、所述第一端壁和所述第二端壁之间形成一个腔体结构，所述第二端壁向内凹陷形成有凹槽，所述电磁涡流制动器励磁线圈设于所述凹槽内；
所述爪盘设于所述主轴上，所述电磁涡流制动器定子支架和所述爪盘相对设置，所述爪盘设于所述凹槽内。


3.如权利要求2所述的透平膨胀机，其特征在于，所述电磁涡流制动器定子支架开设有冷却液入口和冷却液出口，所述腔体结构内设有冷却液体流道，所述冷却液入口和所述冷却液出口分别与所述冷却液体流道的两端连通。


4.如权利要求1所述的透平膨胀机，其特征在于，所述转子组件包括径向磁轴承转子单元和轴向止推磁悬浮轴承转子，所述径向磁轴承转子单元和所述轴向止推磁悬浮轴承转子均设于所述主轴上；
所述定子组件包括径向磁悬浮轴承定子单元和轴向止推磁悬浮轴承定子，所述径向磁悬浮轴承定子单元和所述径向磁轴承转子单元对应设置，所述轴向止推磁悬浮轴承定子和所述轴向止推磁悬浮轴承转子对应设置。


5.如权利要求4所述的透平膨胀机，其特征在于，所述轴向止推磁悬浮轴承定子包括环形筒状壳体、上轴向磁轴承绕组和下轴向磁轴承绕组，所述环形筒状壳体内设有平行设置的上环形腔体和下环形腔体，所述环形筒状壳体...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍继浩，吕翠，陈俊屹，龚领会，李青，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11