CN111255528B - 一种千瓦量级超临界二氧化碳透平轴向力的平衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种千瓦量级超临界二氧化碳透平轴向力的平衡装置，包括彼此同轴连接的透平和电机，电机的电机轴贯穿透平，透平的左端设置有透平排气腔，透平排气腔的左端依次连接有第一管接头、连接管、第二管接头、密封端盖和篦齿密封件，篦齿密封件的左端与电机连接，连接管上设置有减压阀，电机轴的左端延伸至透平排气腔内。本发明通过固定于电机轴上且随电机轴旋转的篦齿盘传递与轴向力反向的力，从而抵消透平的轴向力，并且结构简单，便于拆装和维修。

Description

一种千瓦量级超临界二氧化碳透平轴向力的平衡装置

技术领域

本发明涉及发动机余热回收技术领域，更具体地，涉及一种千瓦量级超临界二氧化碳透平轴向力的平衡装置。

背景技术

在发动机余热的回收方式中，以超临界二氧化碳为工质的动力循环因系统效率高、动态响应快、循环污染小、运行成本低等优点受到了广泛关注，其中，超临界二氧化碳透平正是循环中热功转换的关键部件。在此类余热回收领域中，采用的超临界二氧化碳透平的功率通常都为千瓦量级。透平在做功过程中会产生轴向力，千瓦量级蒸汽透平的轴向力用推力轴承就可以抵消，但对于千瓦量级超临界二氧化碳透平，其进出口之间的压差更大，与蒸汽透平相比，超临界二氧化碳透平容易出现轴向力过大、推力轴承不足以平衡轴向力的问题。

目前，用于透平轴向力平衡的方式主要包括在叶轮上开设平衡孔或设置平衡活塞。对于千瓦量级超临界二氧化碳透平，其叶轮直径、叶片高度非常小，加之超临界二氧化碳的流动性强，如果在叶轮上开设平衡孔，超临界二氧化碳非常容易从喷嘴与叶轮之间的间隙进入动叶的流动通道中，对主流流动产生相当大的扰动，从而引起气动效率和做功能力的降低；如果完全依靠平衡活塞的作用来平衡，可能对密封的结构设计产生不利影响，也可能引起效率的降低。此外，以上两种方式，拆装复杂，维修难度大，增加了维护成本。

因此，现有技术中亟需一种结构简单能够平衡轴向力较大的千瓦量级超临界二氧化碳透平的轴向力的技术方案。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种从透平排气腔引出一定压力的二氧化碳到电机末端的密封结构内，并利用固定在电机轴上的篦齿盘传递反向力来平衡轴向力的千瓦量级超临界二氧化碳透平轴向力的平衡装置。

为实现上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：

一种千瓦量级超临界二氧化碳透平轴向力的平衡装置，包括彼此同轴连接的透平和电机，所述电机的电机轴贯穿所述透平，透平的左端设置有透平排气腔，所述透平排气腔的左端依次连接有第一管接头、连接管、第二管接头、密封端盖和篦齿密封件，所述篦齿密封件的左端与电机连接，所述连接管上设置有减压阀，所述电机轴的左端延伸至所述透平排气腔内，所述电机轴的右端设置为阶梯轴，所述阶梯轴的侧壁从左向右依次包括第一外圆面、第二外圆面、第三外圆面和第四外圆面，所述第一外圆面与所述第二外圆面之间的端面为第一台阶面，所述第二外圆面和所述第三外圆面之间的端面为第二台阶面；所述篦齿密封件包括套筒和篦齿盘，所述套筒套设在所述第一外圆面上，所述套筒的左端面与所述电机固定连接，所述套筒的右端面与所述密封端盖的左端面固定连接，所述篦齿盘套设在所述第二外圆面上且位于所述套筒与所述电机轴之间围成的空腔内，所述篦齿盘的篦齿与所述套筒的内壁之间具有间隙，所述篦齿盘的左端面与所述第一台阶面紧贴，所述密封端盖与所述电机轴之间围成的空腔内设置有锁紧螺母，所述锁紧螺母套设在所述第三外圆面上，所述锁紧螺母的左端面与所述篦齿盘的右端面紧贴，所述锁紧螺母的左端面与所述第二台阶面之间具有间隙。

所述第三外圆面设置有外螺纹，所述锁紧螺母内设置有与所述外螺纹相契合的内螺纹。

所述篦齿盘篦齿的前倾角为70°，所述篦齿盘篦齿的后倾角为80°。

所述篦齿盘的篦齿与所述套筒的内壁之间的间隙大小为0.25-0.4mm。

所述锁紧螺母的左端面与所述第二台阶面之间的间隙大小为0.45-0.55mm。

所述套筒的左端面与所述电机右端面上的轴承端盖通过螺钉、螺栓或销固定连接。

所述套筒的右端面与所述密封端盖的左端面通过螺钉、螺栓或销固定连接。

本发明与现有技术相比的有益效果是：通过固定于电机轴上且随电机轴旋转的篦齿盘传递与轴向力反向的力，从而抵消透平的轴向力，并且结构简单，便于拆装和维修。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是密封结构内部结构的剖面图。

图3是电机轴的阶梯轴一端的结构示意图。

附图标记：1-透平，2-电机，3-透平排气腔，4-篦齿密封件，5-密封端盖，6-连接管，7-减压阀，8-第一管接头，9-第二管接头，10-套筒，11-篦齿盘，12-锁紧螺母，13-电机轴，14-第一外圆面，15-第二外圆面，16-第三外圆面，17-第四外圆面，18-第一台阶面，19-第二台阶面。

具体实施方式

如图1-3所示的千瓦量级超临界二氧化碳透平轴向力的平衡装置，包括彼此同轴连接的透平1和电机2，电机2的电机轴13贯穿透平1，透平1的左端设置有透平排气腔3，透平排气腔3的左端依次连接有第一管接头8、连接管6、第二管接头9、密封端盖5和篦齿密封件4，篦齿密封件4和密封端盖5共同构成了本发明的密封结构。

篦齿密封件4的左端与电机2连接，连接管6上设置有减压阀7，电机轴13的左端延伸至透平排气腔3内，电机轴13的右端设置为阶梯轴，阶梯轴的侧壁从左向右依次包括第一外圆面14、第二外圆面15、第三外圆面16和第四外圆面17，第一外圆面14与第二外圆面15之间的端面为第一台阶面18，第二外圆面15和第三外圆面16之间的端面为第二台阶面19。

篦齿密封件4包括套筒10和篦齿盘11，套筒10套设在第一外圆面14上，套筒10的左端面与电机2右端面上的轴承端盖通过螺钉、螺栓或销固定连接。在本实施例中，套筒10的左端面与电机2右端面上的轴承端盖通过销固定连接。套筒10的右端面与密封端盖5的左端面通过螺钉、螺栓或销固定连接。在本实施例中，套筒10的右端面与密封端盖5的左端面通过螺栓固定连接。篦齿盘11套设在第二外圆面15上且位于套筒10与电机轴13之间围成的空腔内，篦齿盘11的篦齿与套筒10的内壁之间具有间隙，篦齿盘11的篦齿与套筒10的内壁之间的间隙大小为0.25-0.4mm，在本实施例中，篦齿盘11的篦齿与套筒10的内壁之间的间隙大小为0.3mm。

篦齿盘11的左端面与第一台阶面18紧贴，密封端盖5与电机轴13之间围成的空腔内设置有锁紧螺母12，锁紧螺母12套设在第三外圆面16上，第三外圆面16设置有外螺纹，锁紧螺母12内设置有与外螺纹相契合的内螺纹，锁紧螺母12刚好套在第三外圆面16上并通过螺纹拧紧，锁紧螺母12的左端面与篦齿盘11的右端面紧贴，锁紧螺母12的左端面与第二台阶面19之间具有间隙，锁紧螺母12的左端面与第二台阶面19之间的间隙大小为0.45-0.55mm，在本实施例中，锁紧螺母12的左端面与第二台阶面19之间的间隙大小为0.5mm。

篦齿盘11的篦齿的前倾角为70°，篦齿盘11的篦齿的后倾角为80°。

本发明的工作方式如下：

透平1出口一侧(即附图1中的左侧)集中了大量超临界二氧化碳工质，其出口处与进口处有很大的压差，导致透平出现向右侧的轴向力。超临界二氧化碳工质进入透平排气腔3并通过第一管接头8排放到连接管6中，减压阀7可以控制二氧化碳压力的降低，超临界二氧化碳降压后通过第二管接头9进入篦齿密封件4和密封端盖5构成的密封结构内，此时超临界二氧化碳的压力在0.1-0.2MPa范围内。篦齿盘11的左端面与第一台阶面18紧贴，篦齿盘11的右端面与锁紧螺母12的左端面紧贴，可以使篦齿盘11相对于电机轴13的位置固定。旋转的篦齿盘11与套筒10之间的缝隙避免了机械磨损，并且非接触式的密封方式，可以满足二氧化碳只有极少量渗漏到电机2中，渗漏的量在可控范围内，并且这部分二氧化碳可通过电机的散热孔直接排出。篦齿盘11的篦齿的倾角设计方式，使篦齿盘11旋转产生的涡旋气流，增加篦齿盘11右端面收到的气体压力，更好地平衡篦齿盘11向右的轴向力。锁紧螺母12的左端面与第二台阶面19之间留有间隙，可以避免电机轴13与锁紧螺母12产生碰撞，保护电机2的安全。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种千瓦量级超临界二氧化碳透平轴向力的平衡装置，包括彼此同轴连接的透平(1)和电机(2)，所述电机(2)的电机轴(13)贯穿所述透平(1)，其特征是，透平(1)的左端设置有透平排气腔(3)，所述透平排气腔(3)的左端依次连接有第一管接头(8)、连接管(6)、第二管接头(9)、密封端盖(5)和篦齿密封件(4)，所述篦齿密封件(4)的左端与电机(2)连接，所述连接管(6)上设置有减压阀(7)，所述电机轴(13)的左端延伸至所述透平排气腔(3)内，所述电机轴(13)的右端设置为阶梯轴，所述阶梯轴的侧壁从左向右依次包括第一外圆面(14)、第二外圆面(15)、第三外圆面(16)和第四外圆面(17)，所述第一外圆面(14)与所述第二外圆面(15)之间的端面为第一台阶面(18)，所述第二外圆面(15)和所述第三外圆面(16)之间的端面为第二台阶面(19)；所述篦齿密封件(4)包括套筒(10)和篦齿盘(11)，所述套筒(10)套设在所述第一外圆面(14)上，所述套筒(10)的左端面与所述电机(2)固定连接，所述套筒(10)的右端面与所述密封端盖(5)的左端面固定连接，所述篦齿盘(11)套设在所述第二外圆面(15)上且位于所述套筒(10)与所述电机轴(13)之间围成的空腔内，所述篦齿盘(11)的篦齿与所述套筒(10)的内壁之间具有间隙，所述篦齿盘(11)的左端面与所述第一台阶面(18)紧贴，所述密封端盖(5)与所述电机轴(13)之间围成的空腔内设置有锁紧螺母(12)，所述锁紧螺母(12)套设在所述第三外圆面(16)上，所述锁紧螺母(12)的左端面与所述篦齿盘(11)的右端面紧贴，所述锁紧螺母(12)的左端面与所述第二台阶面(19)之间具有间隙；所述第三外圆面(16)设置有外螺纹，所述锁紧螺母(12)内设置有与所述外螺纹相契合的内螺纹。

2.根据权利要求1所述的千瓦量级超临界二氧化碳透平轴向力的平衡装置，所述篦齿盘(11)的篦齿与所述套筒(10)的内壁之间的间隙大小为0.25-0.4mm。

3.根据权利要求1所述的千瓦量级超临界二氧化碳透平轴向力的平衡装置，其特征是，所述锁紧螺母(12)的左端面与所述第二台阶面(19)之间的间隙大小为0.45-0.55mm。

4.根据权利要求1所述的千瓦量级超临界二氧化碳透平轴向力的平衡装置，其特征是，所述套筒(10)的左端面与所述电机(2)右端面上的轴承端盖通过螺钉、螺栓或销固定连接。

5.根据权利要求1所述的千瓦量级超临界二氧化碳透平轴向力的平衡装置，其特征是，所述套筒(10)的右端面与所述密封端盖(5)的左端面通过螺钉、螺栓或销固定连接。

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