一种磁浮氢透平膨胀装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种磁浮氢透平膨胀装置及方法，装置包括磁浮轴承组件和转子系统，所述转子系统包裹于所述磁浮轴承组件之内；所述转子系统包括转子主轴和分别设置于所述转子主轴两端的第一驱动轮与第二驱动轮，所述转子主轴包括制动电机转子，所述制动电机转子外侧设置相配合的制动电机定子；所述磁浮轴承组件包括径向轴承和轴向轴承，用于通电后形成悬浮固定所述转子系统的承载力。本发明专利技术通过采用磁浮轴承减小摩擦，避免污染氢气驱动气，并且采用制动电子转子和定子对轴功进行消耗，采用双驱动轮对转子系统进行驱动，装置运行效率高，能源利用率较高。利用率较高。利用率较高。

【技术实现步骤摘要】
一种磁浮氢透平膨胀装置及方法


[0001]本专利技术属于氢能应用
，具体涉及一种磁浮氢透平膨胀装置及方法。

技术介绍

[0002]氢透平膨胀装置是氢液化装置的核心关键部件，该设备利用工质流动时速度的变化来进行能量转换，工质在透平膨胀机的通流部分中膨胀获得动能，并由膨胀轮向外输出功，降低膨胀机出口工质的内能和温度。国内现有正在运行的液氢生产装置大都是基于氦气制冷循环的，由于氦物性与氢物性相差很大，存在较大的换热损失，氦气制冷循环装置的效率整体不高，因而采用氢透平膨胀机是液氢生产装置未来的发展方向。
[0003]在透平膨胀机运转的过程中，现有技术大多采用油路系统为轴承提供润滑，以保障膨胀机的正常运行。例如，专利文献CN108759146A中公开了一种氢透平膨胀装置，该装置通过氢气膨胀做功进行制冷，为氢液化提供足够深度的冷量需求，将循环氢气从涡轮的氢气入口通入涡轮，通过循环氢气对涡轮内的叶轮做功而实现对循环氢气的透平膨胀，其中采用循环油路对各轴承循环提供润滑油，以减小摩擦。
[0004]该装置能够更好地提供氢气液化需要的冷量，但是轴承润滑采用的润滑油容易泄露进入系统，造成系统污染难以处理，而且润滑油系统复杂，不利于技术发展。
[0005]现有技术中也有在氢透平膨胀机中使用磁浮轴承的相关设计。例如，专利文献CN214501885U中公开了一种全低温循环氢液化器，基于磁悬浮轴承技术的透平压缩和膨胀技术，采用低温循环降低漏热和耗功，采用冷压缩机代替常温压缩机，采用非接触磁悬浮轴承代替机械轴承和气体轴承实现轴承长时间无损运转，从而提高了运行稳定性。
[0006]但是，由于制作转子的材料对机械强度的要求较高，目前适合做轴的材料在氢气环境中都存在氢脆问题，而没有氢脆问题的材料大多都不适合做轴的材料，因此，氢气驱动气通入该装置时容易引起氢脆问题，导致装置使用耐久度和稳定性较差。且上述方案中采用制动的方式消耗轴功，能源利用率低，同时这导致转子系统只能采用单个驱动轮进行驱动，装置工作效率不够高。
[0007]因此，如何设计一种工作效率高且能源利用率高的磁浮氢透平膨胀装置成为本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

[0008]针对上述现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种磁浮氢透平膨胀装置及方法，采用磁浮轴承减小摩擦，避免污染氢气驱动气，并且采用制动电机转子和定子对轴功进行消耗，采用双驱动轮对转子系统进行驱动，装置运行效率高，能源利用率较高。
[0009]第一方面，本专利技术提供了一种磁浮氢透平膨胀装置，包括磁浮轴承组件和转子系统，所述转子系统包裹于所述磁浮轴承组件之内；
[0010]所述转子系统包括转子主轴和分别设置于所述转子主轴两端的第一驱动轮与第二驱动轮，所述转子主轴包括制动电机转子，所述制动电机转子外侧设置相配合的制动电
机定子，用于将轴功以电能的形式转出；
[0011]所述磁浮轴承组件包括径向轴承和轴向轴承，用于通电后形成悬浮固定所述转子系统的承载力。
[0012]进一步地，所述转子主轴还包括与其同轴设置的止推盘，所述轴向轴承包括分设在止推盘两侧的第一轴向轴承和第二轴向轴承，第一轴向轴承和第二轴向轴承内分别包裹有第一轴向线圈和第二轴向线圈，所述第一轴向线圈与所述第二轴向线圈相对设置；
[0013]所述径向轴承包括分设在制动电机转子两侧的第一径向轴承和第二径向轴承，第一径向轴承和第二径向轴承内设有沿周向均匀分布的偶数个磁极，每两个磁极用于调整所述径向轴承沿一个方向的磁力。
[0014]进一步地，所述止推盘至少一侧设有多个第一动压槽，第一径向轴承和/或第二径向轴承靠近转子主轴一侧的表面设有沿轴向均匀分布的多组第二动压槽，每组包含沿周向均匀分布的多个第二动压槽；所述第一动压槽沿所述止推盘的轴向剖面结构为螺旋形，所述第二动压槽沿所述转子主轴的径向展开结构为人字型、八字型、π型中的至少一种。
[0015]进一步地，所述装置还包括至少两个保护轴承，所述保护轴承与所述径向轴承相邻设置，所述径向轴承与转子主轴的间隙大于所述保护轴承与转子主轴的间隙。
[0016]进一步地，所述转子主轴还包括第一轴颈和第二轴颈，所述第一轴颈设置于转子主轴靠近第一驱动轮的一端并与所述第一驱动轮连接，所述第二轴颈设置于转子主轴靠近第二驱动轮的一端并与所述第二驱动轮连接。
[0017]进一步地，所述制动电机转子位于所述第一轴颈与所述第二轴颈之间，所述第一轴颈远离所述第一驱动轮的一端与所述止推盘连接，所述止推盘的另一端连接所述制动电机转子；
[0018]所述第一轴向轴承、止推盘、第二轴向轴承、第一保护轴承、第一径向轴承、制动电机定子、第二径向轴承、第二保护轴承依次同轴设置于所述第一轴颈与所述第二轴颈之间。
[0019]进一步地，所述磁浮氢透平膨胀装置还包括转速监控组件，所述转速监控组件包括电磁感应转速计和设置于转子系统上的凸台或凹槽。
[0020]进一步地，所述第一驱动轮与所述第二驱动轮采用相同的镜像形状，通入所述第一驱动轮与所述第二驱动轮的氢气驱动气具有相同的流量和状态，所述第一轴颈与所述第二轴颈都采用中空结构。
[0021]进一步地，所述防氢脆涂层处理采用阻氢陶瓷材料，所述防氢脆涂层厚度为10
‑
1000纳米，所述阻氢陶瓷材料包括氧化铝。
[0022]第二方面，本专利技术还提供一种采用上述装置的磁浮氢透平膨胀方法，包括如下步骤：
[0023]对磁浮轴承组件进行通电，形成承载力以悬浮固定转子系统；
[0024]将氢气驱动气通入第一驱动轮和第二驱动轮，驱动所述第一驱动轮和所述第二驱动轮旋转以带动转子系统旋转做功；
[0025]转子主轴上的制动电机转子旋转以在制动电机定子内产生电流；
[0026]经过膨胀后的氢气驱动气排出装置。
[0027]与现有技术相比，本专利技术提供的磁浮氢透平膨胀装置及方法具有以下有益效果：
[0028]1.采用磁浮轴承减小氢透平装置的摩擦，有效避免润滑油或润滑气污染氢气系统
的问题，并且对容易发生氢脆问题的部件进行防氢脆涂层处理，有效避免暴露在氢气工作环境中的装置产生氢脆问题，装置耐久度好；
[0029]2.在转子主轴中部设置制动电机定子和转子，在维持装置持续运行的同时实现了发电功能，对于装置能源的利用率更高，并且对止推盘和径向轴承表面采用动压槽设计，利用动压效应对转子系统提供额外的承载力，使磁浮组件可以在较小的功率下维持装置稳定高效运行，节约了能源；
[0030]3.采用电磁感应转速计对转速进行监控，并采用位移传感器辅助调节径向轴承的磁极电磁力，使得装置调节更加精确，工作效率更高。
[0031]以上介绍了本专利技术的较佳实施方式，旨在使得本专利技术的精神更加清楚和便于理解，并不是为了限制本专利技术，凡在本专利技术的精神和原则之内，所做的修改、替换、改进，均应包含在本专利技术所附的权利要求概括的保护范围之内。
附图说明...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁浮氢透平膨胀装置，其特征在于，包括磁浮轴承组件和转子系统，所述转子系统包裹于所述磁浮轴承组件之内；所述转子系统包括转子主轴和分别设置于所述转子主轴两端的第一驱动轮与第二驱动轮，所述转子主轴包括制动电机转子，所述制动电机转子外侧设置相配合的制动电机定子，用于将轴功以电能的形式转出；所述磁浮轴承组件包括径向轴承和轴向轴承，用于通电后形成悬浮固定所述转子系统的承载力。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转子主轴还包括与其同轴设置的止推盘，所述轴向轴承包括分设在止推盘两侧的第一轴向轴承和第二轴向轴承，第一轴向轴承和第二轴向轴承内分别包裹有第一轴向线圈和第二轴向线圈，所述第一轴向线圈与所述第二轴向线圈相对设置；所述径向轴承包括分设在制动电机转子两侧的第一径向轴承和第二径向轴承，第一径向轴承和第二径向轴承内设有沿周向均匀分布的偶数个磁极，每两个磁极用于调整所述径向轴承沿一个方向的磁力。3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述止推盘至少一侧设有多个第一动压槽，第一径向轴承和/或第二径向轴承靠近所述转子主轴一侧的表面设有沿轴向均匀分布的多组第二动压槽，每组包含沿周向均匀分布的多个第二动压槽；所述第一动压槽沿所述止推盘的轴向剖面结构为螺旋形，所述第二动压槽沿所述转子主轴的径向展开结构为人字型、八字型、π型中的至少一种。4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括至少两个保护轴承，所述保护轴承与所述径向轴承相邻设置，所述径向轴承与转子主轴的间隙大于所述保护轴承与转子主轴的间隙。5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述转子主轴还包括第一轴颈和第二轴颈，所述第一轴颈设置于转子主轴靠近第一驱动轮...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙耕，
申请(专利权)人：北京大臻科技有限公司，
类型：发明
国别省市：