一种电涡流制动透平膨胀机

技术领域

本发明涉及深冷及大型低温系统领域，特别是大型氦低温系统领域，具体是一种电涡流制动透平膨胀机。

背景技术

在深低温领域、透平机械领域、化工领域、超导、航空航天、大型氢&氦低温系统等对大型深低温有需求的领域，这些领域都有一个共同的特征：需求温区低、制冷量大，特别是大型氦低温系统、大型氢低温系统等。一般情况下，这些大型深低温系统，都需要用到透平膨胀机。透平膨胀机常见的制动方式有：风机制动、油制动等。传统的制动方式具有一定的“延迟性”。这样对透平膨胀机的及时调节与稳定性会有一定的影响，特别是超导核聚变氦低温系统的末级氦透平膨胀机。

电涡流制动技术作为一种电控非接触的制动技术，具有响应快，控制简单等优点。电涡流制动透平膨胀机，可以广泛应用于大中小型氦低温系统中，其制动方式是电涡流，其调节周期非常短，非常灵敏，可以被精确控制；特别适合超导核聚变氦低温系统的末级氦透平膨胀机，可以显著降低超导磁体放电对氦低温系统末级氦透平膨胀机的影响，大大提高氦低温系统的运行稳定性与效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种电涡流制动透平膨胀机结构设计，提供一种透平膨胀机制动结构形式，把电涡流制动技术通过改进后结合应用到氦透平膨胀机上，可以满足多数透平膨胀机的需求，特别适合中小型氦透平膨胀机。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种电涡流制动透平膨胀机，包括：

扩压器、喷嘴、进气外壳、上轴承座、下轴承座、上气体轴承、轴承压盖、保护隔板、线圈、下气体轴承、涡流制动体、主轴、喷嘴底座、出口密封件、间隙调整垫片、膨胀叶轮、紧固螺钉；

上、下冷却水隔板分别与上、下导热体焊接为一个整体A结构，内通道做防腐处理；

内、外导磁环和上、下导热环再焊接为一个整体B结构，然后整体A和整体B再焊接在一起，形成所述涡流制动体；

涡流制动体两端分别有上、下轴承座，上、下轴承座内分别嵌有上、下气体轴承，主轴置于中心，两端上、下气体轴承分别由喷嘴底座和轴承压盖限位；

喷嘴内嵌于喷嘴底座，膨胀叶轮自带锥螺纹与主轴连接；线圈套设在外导磁环外部；

扩压器与喷嘴底座装配连接，通过调整喷嘴与喷嘴底座的间隙调整垫片来调整膨胀叶轮与扩压器的叶顶间隙。

进一步的，冷却水通道需要做防腐处理；

进一步的，所述气体轴承是动压气体轴承或静压气体轴承。

进一步的，所述膨胀叶轮由锻铝材料制成。

进一步的，所有焊接均是毛细管焊接。

进一步的，出口密封件其结构位圆环凸台；安装在进气外壳上，用于密封，隔绝透平膨胀机进排气，保障透平膨胀机进气不泄露到排气端；

进一步的，上、下冷却水隔板结构为回转体，用于隔断冷却水，并形成导热。

进一步的，上、下导热体结构为回转体与曲面结合，并有供水与回水孔，用于吸收电涡流热，并把电涡流热传递给冷却水。

进一步的，上、下导热环结构为回转体，与内导磁环、以及上、下导热体相连；导热环上由于电涡流产生热，其将电涡流热传递给导热体，把热量传出去。

进一步的，内、外导磁环结构均为圆环，内导磁环的外径小于外导磁环的内径，外导磁环套在内导磁环外，线圈套设在外导磁环外部，用于产生磁通路，形成涡流。

有益效果：

首先，采用本发明装置结构，可有省去常规的制动叶轮(透平膨胀机是一个输出功的设备，之前基本采用的是制动叶轮制动，把膨胀功消耗掉，就需要用到制动叶轮)。本发明采用电涡流制动形式，把膨胀功直接通过涡流转化为热，被冷却水带走，可以省去叶轮，可以有效改善转子结构形式，可以大大提高转子的临界转速，对转子的稳定运行有很大的益处。膨胀端的膨胀功转化为电涡流热被冷却水带走，可以大大简化了透平膨胀机本身结构。

其次，由于电涡流制动具有响应快，控制简单等优点。本发明可有效的改善透平膨胀机的制动性能，具有很好的变工况性能，在运行工况改变时，其转速几乎不会受到影响。特别适用超导核聚变低温系统的末级氦透平膨胀机，可以显著降低超导磁体放电对氦低温系统末级氦透平膨胀机的影响，保证氦透平膨胀机运行转速与出口温度几乎不受影响，大大提高氦低温系统的运行稳定性与效率，大大提高超导磁体的安全裕度，有利于超导磁体的稳定运行。本发明具有良好的经济效益与现实效益。

附图说明

图1为本发明的整机结构示意图。

图2为出口密封件结构示意图。

图3为喷嘴底座结构示意图。

图4为喷嘴结构示意图。

图5为下轴承座结构示意图。

图6为下气体轴承结构示意图。

图7为上、下冷却水隔板结构示意图。

图8为上、下导热体结构示意图。

图9为主轴结构示意图。

图10上、下导热环结构示意图。

图11内、外导磁环结构示意图。

图12上气体轴承结构示意图。

图13上气体轴承座结构示意图。

图14轴承压盖结构示意图。

图15为扩压器结构示意图。

图16为进气外壳结构示意图。

图17为A部分结构示意图。

图18为B部分结构示意图。

附图标记说明：1-扩压器、2-喷嘴、3-进气外壳、4-上轴承座、5-下冷却水隔板、6-下导热体、7-内导磁环、8-外导磁环、9-上导热环、10-下轴承座、11-上气体轴承、12-轴承压盖、13-上冷却水隔板、14-下导热体、15-下导热环、16-保护隔板、17-线圈、18-下气体轴承、19-主轴、21-喷嘴底座、22-出口密封件、23-间隙调整垫片、24-膨胀叶轮；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的一个实施例，如图1所示，一种电涡流制动透平膨胀机，包括扩压器1、喷嘴2、进气外壳3、上轴承座4、下冷却水隔板5、下导热体6、内导磁环7、外导磁环8、上导热环9、下轴承座10、上气体轴承11、轴承压盖12、上冷却水隔板13、下导热体14、下导热环15、保护隔板16、线圈17、下气体轴承18、主轴19、喷嘴底座21、出口密封件22、间隙调整垫片23、膨胀叶轮24、紧固螺钉及部分标准件等。

上、下冷却水隔板分别与上、下导热体焊接为一个整体A结构，内通道做防腐处理，如图17所示；

内、外导磁环和上、下导热环再焊接为一个整体B结构，然后整体A和整体B再焊接在一起，形成所述涡流制动体，如图18所示；

涡流制动体两端分别有上、下轴承座，上、下轴承座内分别嵌有上、下气体轴承，主轴置于中心，两端上、下气体轴承分别由喷嘴底座和轴承压盖限位，保证轴向间隙为0.08～0.10mm。

喷嘴内嵌于喷嘴底座，膨胀叶轮自带锥螺纹与主轴连接。

扩压器与喷嘴底座装配连接，通过调整喷嘴与喷嘴底座的调整垫片来调整膨胀叶轮与扩压器的叶顶间隙，保证叶顶间隙在0.2mm～0.25mm。

根据本发明的一个实施例，膨胀叶轮由锻铝材料制成，气体轴承为锡青铜材料，主轴为Q345材料，保护隔板为硬铝材料，喷嘴底座为G10材料。

如图2所示，为出口密封件22结构示意图。其结构位圆环凸台；安装在进气外壳上，用于密封，隔绝透平膨胀机进排气，保障透平膨胀机进气不泄露到排气端；

如图3所示，为喷嘴底座结构示意图，其结构为回转体，上端面设置有沉孔，并有螺纹孔用于固定扩压器，下端有通孔与下轴承体连接；喷嘴底座用于支撑喷嘴，并在内孔与主轴形成迷宫密封；

如图4所示，为喷嘴结构示意图，其结构为回转体，周向设置有叶片，叶片形状各异；用于把高温高压的膨胀工质的压力能转化为气体的动能，并降温。

如图5所示，为下轴承座结构示意图，其结构位回转体，上面设置有沉孔，用于放置喷嘴底座；还开设进气腔，给气体轴承供气。。

如图6所示，为下气体轴承结构示意图，其结构为回转体，径向有2排共8个小孔，止推面有8个供气小孔。该下气体轴承用于支撑主轴，使得主轴能够高速旋转。

如图7所示，为上、下冷却水隔板结构示意图，其结构为回转体。用于隔断冷却水，并形成导热。

如图8所示，为上、下导热体结构示意图，其结构为回转体与曲面结合，并有供水与回水孔。用于吸收电涡流热，并把电涡流热传递给冷却水。

如图9为主轴结构示意图，其结构采用回转体与台阶轴。通过上、下轴承支撑，用于连接膨胀叶轮，并把膨胀功转化为电涡流热输出。

如图10所示，为上、下导热环结构示意图，其结构为回转体，与内导磁环、以及上、下导热体相连；导热环上由于电涡流产生热，其将电涡流热传递给导热体，把热量传出去。

如图11所示，为内、外导磁环结构示意图，其结构均为圆环。内导磁环的外径小于外导磁环的内径，外导磁环套在内导磁环外，线圈套设在外导磁环外部。用于产生磁通路，形成涡流。

如图12所示，为上气体轴承结构示意图，其结构为回转体，径向有2排8个小孔，止推面有8个供气小孔。用于支撑主轴，使得主轴能够高速旋转。

如图13所示，为上气体轴承座结构示意图，其用于支撑上气体轴承，并带有进气腔，用于给气体轴承供气。

如图14为轴承压盖结构示意图，其结构为回转体，带有螺栓通孔。用于压紧上气体轴承，通过调整与上气体轴承座之间的垫片来调整气体轴承止推间隙。

如图15为扩压器结构示意图，其结构为回转体，端面带有螺栓通孔，内圆弧曲面与叶轮外轮廓线配合。保证叶顶间隙，同时把膨胀后的气体降速增压。

如图16为进气外壳结构示意图，其结构为回转体，端面设置有螺栓通孔。用于安装设置膨胀气体进气蜗壳，使得高压气体能够均匀进入透平膨胀机喷嘴。

本发明所述电涡流制动透平膨胀机的安装过程为：

安装电涡流制动体(冷却水隔板、导热体、导磁环、导热环等焊接在一起)两端分别安装上下轴承座(通过紧固螺钉)；

安装上轴承，安装主轴，安装下轴承，安装喷嘴底座，安装膨胀叶轮(安装前，主轴必须单独进行动平衡试验，再与膨胀叶轮一起进行动平衡实验，并保证精度)，安装喷嘴，安装扩压器，安装出口密封件，整体安装到进气外壳上，保证出口密封垫片有被压紧，防止泄露。

安装时要保证扩压器内壁回转面与膨胀轮外轮廓之间的间隙(叶顶间隙)，叶顶间隙可通过喷嘴与喷嘴底座之间的调整垫片来调整。这样本发明的电涡流制动透平膨胀机结构设计就完成了。

本发明的工作原理为：

透平膨胀机工作原理：高压、高温(较出口)气体进入透平膨胀机喷嘴，进行等熵膨胀，把气体的压力能转化为气体的动能，高速气体进入透平膨胀机膨胀叶轮推动叶轮带动转子高速旋转，同时，气体在膨胀叶轮中进一步膨胀做功。高压气体连续不断地将动能转化为机械能。高速气流推动膨胀叶轮高速旋转，工质在透平膨胀机的通流部分中膨胀获得动能，并由工作轮输出外功，从而降低了膨胀机出口工质的内能和温度。根据能量转换和守恒定律可知，气体在透平膨胀机内进行绝热膨张对外作功时，气体的能量焓值一定要减少，从而使气体本身焓值降低，而达到制冷的目的。转子高速旋转对外输出功，一般需要消耗掉，常用的结构形式是风机制动。

本发明用电涡流制动替代风机制动，把气体膨胀输出功通过电涡流直接输出热能。电涡流制动具有相应速度快，具有响应快，控制简单等优点。电涡流制动透平膨胀机，可以广泛应用于大中小型氦低温系统中，其制动方式是电涡流，其调节周期非常短，非常灵敏，可以被精确控制；特别适合超导核聚变氦低温系统的末级氦透平膨胀机，可以显著降低超导磁体放电对氦低温系统末级氦透平膨胀机的影响，大大提高氦低温系统的运行稳定性与效率。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。