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一种低鼓 风损失可平衡轴向推力的透平机械 转轴结构

阅读：2发布：2020-09-14

专利汇可以提供一种低鼓风损失可平衡轴向推力的透平机械转轴结构专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种低鼓风损失可平衡轴向推力的透平机械转轴结构，包括转轴，正负压一体化多功能泵等；其中，转轴鼓风段中部开设有环形凹槽；轴承及推力负载传感器背靠在鼓风段两侧端壁；转轴鼓风段端壁侧及凹槽侧均布置有密封齿；机组壳体为剖分式壳体；转轴与机组壳体之间构成轴承腔室、鼓风腔室和轴向平衡腔室；推力平衡臂端壁上布置有密封齿并将平衡腔室分为左、右两个腔室；密封环布置于机组壳体及转轴鼓风段凹槽内，并通过销块固定；压力传感器布置于鼓风腔室，用于实时监测压力，正负压一体式多功能泵的抽气口布置于鼓风腔室，喷气口布置于左、右轴向平衡腔室内。本发明可应用于极端条件，其结构简单、经济可靠，具有广阔的应用前景。，下面是一种低鼓风损失可平衡轴向推力的透平机械转轴结构专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种低鼓风损失可平衡轴向推力的透平机械转轴结构，其特征在于，包括转轴(1)，轴承(2)，机组壳体(3)，密封齿(6)，推力平衡臂(7)，密封环(9)，销块(10)，压力传感器(11)，正负压一体化多功能泵(12)，以及推力负载传感器(14)；其中，
转轴(1)为阶梯状轴，包括两侧轴承段及中间鼓风段三部分，鼓风段中部开设有环形凹槽；转轴(1)的两侧轴承段分别安装有轴承(2)及推力负载传感器(14)，轴承(2)及推力负载传感器(14)成套使用，并背靠在鼓风段两侧端壁；转轴(1)鼓风段端壁侧及凹槽侧均布置有密封齿(6)；机组壳体(3)为剖分式壳体，包括可拆卸的上盖板及下座两部分，并通过外部螺栓装配；转轴(1)与机组壳体(3)之间构成轴承腔室(4)、鼓风腔室(5)和轴向平衡腔室(8)；
推力平衡臂(7)固定于机组壳体(3)上并伸入轴向平衡腔室(8)内，用于将轴向平衡腔室(8)分为左、右两个腔室，推力平衡臂(7)端壁上布置有密封齿(6)；密封环(9)布置于机组壳体(3)及转轴(1)鼓风段凹槽内，并通过销块(10)固定；
压力传感器(11)通过机组壳体(3)上的通孔布置于鼓风腔室(5)，用于实时监测鼓风腔室(5)内压力，正负压一体式多功能泵(12)的抽气口(13)通过机组壳体(3)上的通孔布置于鼓风腔室(5)，喷气口(15)通过推力平衡臂(7)上的通孔布置于左、右轴向平衡腔室(8)内，正负压一体式多功能泵(12)能够实现定向抽气及鼓气。
2.根据权利要求1所述的一种低鼓风损失可平衡轴向推力的透平机械转轴结构，其特征在于，密封齿(6)为圆形齿、三角形齿、抛物线齿、高低齿、纵树齿或斜齿。
3.根据权利要求1所述的一种低鼓风损失可平衡轴向推力的透平机械转轴结构，其特征在于，密封齿(6)布置个数为3～8个，密封齿(6)的齿厚与齿高之比在0.2～1之间。
4.根据权利要求1所述的一种低鼓风损失可平衡轴向推力的透平机械转轴结构，其特征在于，密封环(9)齿数与密封齿(6)齿数相对应，齿厚与齿高之比在0.2～1之间。
5.根据权利要求4所述的一种低鼓风损失可平衡轴向推力的透平机械转轴结构，其特征在于，密封环(9)与密封齿(6)齿形交错排列，共同构成错齿式迷宫密封单元，在密封环(9)和密封齿(6)之间形成多个依次排列的环形气室，增加工质通过该区域的流动阻力。
6.根据权利要求1所述的一种低鼓风损失可平衡轴向推力的透平机械转轴结构，其特征在于，推力平衡臂(7)为圆形构件。
7.根据权利要求1所述的一种低鼓风损失可平衡轴向推力的透平机械转轴结构，其特征在于，转轴(1)运行中，采用压力传感器(11)实时监测鼓风腔室(5)压力值，当鼓风腔室(5)压力值大于设定值时，正负压一体化多功能泵(12)通过抽气口(13)进行抽气，保证鼓风腔室(5)压力值始终维持较低的状态，转轴(1)始终保持较低的鼓风损失。
8.根据权利要求1所述的一种低鼓风损失可平衡轴向推力的透平机械转轴结构，其特征在于，转轴(1)工作过程中，通过推力负载传感器(14)获得转轴所受轴向推力大小及方向，随后正负压一体化多功能泵(12)通过喷气口(15)调节轴向平衡腔室(8)左右两侧腔室的压力，利用轴向平衡腔室(8)左右两侧压差平衡转轴(1)所受轴向推力，使其小于许用轴向推力，其满足关系式如下：
其中，F0为转轴许用轴向推力，为轴向平衡腔室未工作时，转轴所受轴向推力，为轴向平衡腔室平衡力，π为圆周率，r2为鼓风段半径，r1为鼓风段凹槽内半径，Pl为轴向平衡腔室左侧腔室压力，Pr为轴向平衡腔室右侧腔室压力。

说明书全文

一种低鼓风损失可平衡轴向推力的透平机械 转轴结构

技术领域

[0001] 本发明涉及一种透平机械转轴结构，特别涉及一种低鼓风损失可平衡轴向推力的透平机械转轴结构。

背景技术

[0002] 转轴作为透平机械能量转换过程的核心部件之一，工作时不仅需要传递扭矩，还需承受工作区域与非工作区域压差导致的轴向推力等干扰，其动力学特性对系统安全、稳定、高效运行具有重要意义。近年来随着工业领域对于动力系统要求的不断提高，透平机械设备向着大型化、智能化、高转速、高能量密度方向发展。对于转轴而言，其工作负荷不断增加，高转速不仅对于其临界转速、不平衡响应、稳定性方面带来了挑战，同时导致了转系鼓风损失的增加，不利于系统性能的提高。此外，大型化、高能量密度的透平机械也使得转轴所受轴向推力增大，传统转轴材料及平衡轴力的结构设计难以满足日渐增长的轴向推力的要求，这对转轴材料的选取以及运行的安全性带来了新的考验。

[0003] 尽管以前在降低转轴损失、平衡轴向推力方面取得了很大的成就，但目前新的能源形势对透平机械提出了更高的要求，转轴运行条件更加恶劣，提高转轴效率及运行安全性对于透平机械设备高效、稳定运行至关重要。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种运行稳定、损失小、可平衡轴向推力的低鼓风损失可平衡轴向推力的透平机械转轴结构，是一种可应用于高负荷极端运行条件、结构简单、安全性和经济性高的转轴结构，具有广阔的应用前景。

[0005] 为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案来实现：

[0006] 一种低鼓风损失可平衡轴向推力的透平机械转轴结构，包括转轴，轴承，机组壳体，密封齿，推力平衡臂，密封环，销块，压力传感器，正负压一体化多功能泵，以及推力负载传感器；其中，转轴为阶梯状轴，包括两侧轴承段及中间鼓风段三部分，鼓风段中部开设有环形凹槽；转轴的两侧轴承段分别安装有轴承及推力负载传感器，轴承及推力负载传感器成套使用，并背靠在鼓风段两侧端壁；转轴鼓风段端壁侧及凹槽侧均布置有密封齿；机组壳体为剖分式壳体，包括可拆卸的上盖板及下座两部分，并通过外部螺栓装配；转轴与机组壳体(3)之间构成轴承腔室、鼓风腔室和轴向平衡腔室；

[0007] 推力平衡臂固定于机组壳体上并伸入轴向平衡腔室内，用于将轴向平衡腔室分为左、右两个腔室，推力平衡臂端壁上布置有密封齿；密封环布置于机组壳体及转轴鼓风段凹槽内，并通过销块固定；

[0008] 压力传感器通过机组壳体上的通孔布置于鼓风腔室，用于实时监测鼓风腔室内压力，正负压一体式多功能泵的抽气口通过机组壳体上的通孔布置于鼓风腔室，喷气口通过推力平衡臂上的通孔布置于左、右轴向平衡腔室内，正负压一体式多功能泵能够实现定向抽气及鼓气。

[0009] 本发明进一步的改进在于，密封齿为圆形齿、三角形齿、抛物线齿、高低齿、纵树齿或斜齿。

[0010] 本发明进一步的改进在于，密封齿布置个数为3～8个，密封齿的齿厚与齿高之比在0.2～1之间。

[0011] 本发明进一步的改进在于，密封环齿数与密封齿齿数相对应，齿厚与齿高之比在0.2～1之间。

[0012] 本发明进一步的改进在于，密封环与密封齿齿形交错排列，共同构成错齿式迷宫密封单元，在密封环和密封齿之间形成多个依次排列的环形气室，增加工质通过该区域的流动阻力。

[0013] 本发明进一步的改进在于，推力平衡臂为圆形构件。

[0014] 本发明进一步的改进在于，转轴运行中，采用压力传感器实时监测鼓风腔室压力值，当鼓风腔室压力值大于设定值时，正负压一体化多功能泵通过抽气口进行抽气，保证鼓风腔室压力值始终维持较低的状态，转轴始终保持较低的鼓风损失。

[0015] 本发明进一步的改进在于，转轴工作过程中，通过推力负载传感器获得转轴所受轴向推力大小及方向，随后正负压一体化多功能泵通过喷气口调节轴向平衡腔室左右两侧腔室的压力，利用轴向平衡腔室左右两侧压差平衡转轴所受轴向推力，使其小于许用轴向推力，其满足关系式如下：

[0016]

[0017]

[0018] 其中，F0为转轴许用轴向推力，为轴向平衡腔室未工作时，转轴所受轴向推力，为轴向平衡腔室平衡力，π为圆周率，r2为鼓风段半径，r1为鼓风段凹槽内半径，Pl为轴向平衡腔室左侧腔室压力，Pr为轴向平衡腔室右侧腔室压力。

[0019] 本发明至少具有如下有益的技术效果：

[0020] 1、本发明设计合理，结构简单，安装方便，可靠性较好，适应于各种工作环境，提高了转轴的运行效率及安全性；

[0021] 2、鼓风段两侧布置有迷宫密封单元，密封单元增加工质通过该区域的流动阻力，阻止高压泄露流进入鼓风腔室，有效降低了鼓风腔室的鼓风损失，从而提高了转轴效率；

[0022] 3、鼓风腔室内布置有压力传感器及抽气口，压力传感器实时监测鼓风腔室内压力，当涡轮机组处于极端运行工况或故障运行工况导致鼓风腔室压力升高时，正负压一体化多功能泵通过抽气口进行抽气，从而使鼓风腔室内压力值始终维持较低的状态，转轴维持低鼓风损失状态，提高了转轴的稳定性与鲁棒性；

[0023] 4、鼓风段两侧布置有推力负载传感器，中部开设有轴向平衡腔室，并被推力平衡臂分为左右两个腔室。转轴工作过程中，推力负载传感器实时监测转轴所受轴向推力大小及方向，随后正负压一体化多功能泵通过喷气口调节轴向平衡腔室左右两侧腔室的压力，利用轴向平衡腔室左右两侧压差可以有效平衡转轴所受轴向推力，提高转轴运行的安全性、可靠性，也降低了轴承选型的难度；

[0024] 5、密封环采用分体式齿形密封环，便于装卸与更换，密封失效时可以通过简单更换密封环即可恢复密封结构的性能，经济性高。密封环采用石墨或硬度较小的金属材料，相对轴系材料硬度较低，轴系振动导致密封组件碰磨时，相对硬度较低的密封环先发生磨损，转轴不受影响，提高了转轴的安全性。附图说明

[0025] 图1为本发明一种低鼓风损失可平衡轴向推力的透平机械转轴结构的轴向剖视图；

[0026] 附图标记说明：

[0027] 1、转轴，2、轴承，3、机组壳体，4、轴承腔室，5、鼓风腔室，6、密封齿，7、推力平衡臂，8、轴向平衡腔室，9、密封环，10、销块，11、压力传感器，12、正负压一体化多功能泵，13、抽气口，14、推力负载传感器，15、喷气口，A1、A2、B1、B2、C1为不同截面。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0029] 如图1所示，本发明提供的一种低鼓风损失可平衡轴向推力的透平机械转轴结构，包括转轴1，轴承2，机组壳体3，轴承腔室4，鼓风腔室5，密封齿6，推力平衡臂7，轴向平衡腔室8，密封环9，销块10，压力传感器11，正负压一体化多功能泵12，抽气口13，推力负载传感器14，以及喷气口15。

[0030] 其中，转轴1为阶梯状轴，包括两侧轴承段及鼓风段三部分，鼓风段中部开设有环形凹槽；转轴1两侧轴承段分别安装有轴承2及推力负载传感器14，轴承2及推力负载传感器14成套使用，并背靠在鼓风段两侧端壁；转轴1鼓风段端壁侧及凹槽侧均布置有密封齿6。机组壳体3为剖分式壳体，包括可拆卸的上盖板及下座两部分，通过外部螺栓装配。转轴1与机组壳体3之间构成轴承腔室4、鼓风腔室5和轴向平衡腔室8。

[0031] 推力平衡臂7固定于机组壳体3上并伸入轴向平衡腔室8内，用于将轴向平衡腔室8分为左、右两个腔室，推力平衡臂7可以是钢(或其他金属材料)制成的圆形构件，其大小及厚度应当满足承受两侧轴向平衡腔室压力差的要求；推力平衡臂7端壁上同样布置有密封齿6。密封齿6可以为圆形齿、三角形齿、抛物线齿、高低齿、纵树齿、斜齿等多种结构形式，密封齿6布置个数为3～8个，密封齿6的齿厚与齿高之比在0.2～1之间。

[0032] 密封环9布置于机组壳体3及转轴1鼓风段凹槽内，并通过销块10固定，密封环9为分体式齿形密封环，分为上环体与下环体，上下环体通过错齿连接扣连接，密封环9齿数与密封齿6齿数相对应，齿厚与齿高之比在0.2～1之间，采用石墨或硬度较小的金属材料，从而保证密封环9在工作时的强度和耐磨能力。密封环9与密封齿6齿形交错排列，共同构成错齿式迷宫密封单元，在密封环9和密封齿6之间形成多个依次排列的环形气室，增加工质通过该区域的流动阻力。

[0033] 压力传感器11通过机组壳体3上的通孔布置于鼓风腔室5，用于实时监测鼓风腔室5内压力，正负压一体式多功能泵12的抽气口13通过机组壳体3上的通孔布置于鼓风腔室5，喷气口15通过推力平衡臂7上的通孔布置于左、右轴向平衡腔室8内，正负压一体式多功能泵12能够实现定向抽气及鼓气。

[0034] 本发明的原理和过程主要为：

[0035] 转轴1运行中，A或B侧可能存在高温高压的泄露流工质，泄露流工质沿转轴1与机组壳体3所形成的腔室从高压侧向低压侧泄露，使得鼓风腔室5内维持较高的压力，鼓风腔室5的高压状态将导致转轴1产生较大的鼓风损失，降低了透平机械的效率及运行可靠性，理论上为了减小鼓风损失，需要尽量减小鼓风腔室5内的压力。A1、B1截面处的密封齿6及密封环9共同构成错齿式迷宫密封单元，在密封环9和密封齿6之间形成许多依次排列的环形气室，工质经过每个密封齿6与密封环9之间的间隙时，通流面积急剧减小，流速増大，工质的压力能转化成动能，形成射流。随后射流进入环形气室内形成漩涡，使工质的动能部分转化为热能，降低了工质的流动速度。A1、B1截面处的密封单元增加工质通过该区域的流动阻力，阻止高压泄露流进入鼓风腔室5，降低鼓风腔室5内的鼓风损失，从而提高了机组效率。在透平机组启停过程、变工况运行、故障工况时，转轴1会发生振动幅度增大或产生径向位移等情况，导致A1、B1截面处密封效果下降或失效。本发明采用压力传感器11实时监测鼓风腔室5压力值，当鼓风腔室5压力值大于设定值时，正负压一体化多功能泵12通过抽气口13进行抽气，保证鼓风腔室5压力值始终维持较低的状态，转轴1始终保持较低的鼓风损失。

[0036] 透平机械工作过程中，转轴1不仅需要传递扭矩，还需承受工作区域与非工作区域压差导致的轴向推力，轴向推力若得不到良好的平衡会引起转轴1发生轴向位移，致使动静部件之间碰磨，碰磨会导致接触处产生大量热量，使转子局部过热，有可能造成转轴弯曲等严重事故，危害转轴1的安全稳定运行。本发明的转轴1在鼓风段5两侧端面布置有推力负载传感器14，可以随时监测转轴所受轴向推力。鼓风段5中部开设有轴向平衡腔室8，并被推力平衡臂7分为左右两个腔室。转轴1工作过程中，通过推力负载传感器14获得转轴所受轴向推力大小及方向，随后正负压一体化多功能泵12通过喷气口15调节轴向平衡腔室8左右两侧腔室的压力，利用轴向平衡腔室8左右两侧压差平衡转轴1所受轴向推力，使其小于许用轴向推力，其满足关系式如下：

[0037]

[0038]

[0039] 其中，F0为转轴许用轴向推力，为轴向平衡腔室未工作时，转轴所受轴向推力，为轴向平衡腔室平衡力，π为圆周率，r2为鼓风段半径，r1为鼓风段凹槽内半径，Pl为轴向平衡腔室左侧腔室压力，Pr为轴向平衡腔室右侧腔室压力。

[0040] 与此同时，A1、B1截面处布置有迷宫密封单元，防止轴向平衡腔室8内高压气体泄漏至两侧鼓风腔室，保证鼓风腔室5内压力不受轴向平衡腔室8内压力变化的影响。C1截面处迷宫密封单元防止轴向平衡腔室8内高压侧气体向低压侧泄漏，保证轴向平衡腔室8正常稳定发挥作用。

[0041] 此外，密封环9采用石墨或硬度较小的金属材料，相对轴系材料硬度较低，轴系振动导致密封组件碰磨时，相对硬度较低的密封环9先发生磨损，转轴1不受影响，提高了转轴1的安全性；密封环9采用分体式设计，便于装卸与更换，密封失效时可以通过简单更换密封环9即可恢复密封结构的性能。本发明这种低鼓风损失可平衡轴向推力的透平机械转轴结构，能够根据运行工况自动平衡轴向推力，同时减小转轴的鼓风损失，可以保证转轴在极端条件下仍能高效稳定运行，与传统转轴结构相比，该转轴对于进一步提高转轴效率、可靠性和经济性具有重要意义。

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