一种基于气体轴承的氢透平膨胀装置及方法

技术领域

本发明属于氢能应用技术领域，具体涉及一种基于气体轴承的氢透平膨胀装置及方法。

背景技术

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。

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。

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。

现有技术中也有在透平膨胀机中使用气体轴承的相关设计，从系统回路中抽取高压氢气对轴承进行供气。但是当氢气作为轴承气进入系统与转子轴接触时，转子轴的高机械强度材料在氢气环境中会产生氢脆问题，并且氢的密度和粘度比空气、氦气和其他常见气体都低，导致基于氢的气体轴承承载力较低，无法满足透平膨胀机的要求。

因此，如何设计一种气体轴承承载力强且能有效避免氢脆和驱动气污染问题的氢透平膨胀装置成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于气体轴承的氢透平膨胀装置及方法，通过非氢气体作为转子系统的润滑，保障氢透平膨胀装置运行，气体轴承承载力强且能有效避免氢脆和驱动气污染问题，氢气液化效果好。

第一方面，本发明提供了一种基于气体轴承的氢透平膨胀装置，其特征在于，包括气体轴承组件、密封组件和转子系统，所述转子系统包裹于所述气体轴承组件和所述密封组件之内；

所述转子系统包括驱动轮、转子主轴和制动部，所述驱动轮和所述制动部分别设置于所述转子主轴的两端，所述驱动轮通过氢气驱动气进行驱动；

所述气体轴承组件与所述转子主轴配合，向所述气体轴承组件中通入轴承气，以在所述气体轴承组件与所述转子主轴之间形成气膜，所述密封组件设置在所述转子主轴靠近所述驱动轮的一端，向所述密封组件中通入氢气密封气，以隔绝所述轴承气与所述氢气驱动气混合的途径，其中，所述轴承气为所述转子主轴的耐受气体。

进一步地，所述气体轴承组件包括至少一个止推轴承、至少一个止推径向混合轴承和至少一个径向轴承；

所述转子主轴包括依次相互连接的驱动轮轴颈、至少两个径向轴、至少一个止推盘和制动部轴颈，相邻两个所述径向轴之间设有连接轴；所述密封组件与所述驱动轮轴颈配合固定，所述止推轴承与所述制动部轴颈配合固定，所述径向轴承与所述径向轴配合固定，在靠近所述止推盘的所述径向轴上采用所述止推径向混合轴承进行配合固定。

进一步地，所述氢透平膨胀装置靠近所述驱动轮设有驱动气入口和驱动气出口，靠近所述气体轴承组件设有轴承气入口和轴承气出口；

所述气体轴承组件上贯穿设有第一节流器件，包括第一节流器件入口和第一节流器件出口，所述第一节流器件入口设置在气体轴承组件靠近轴承气入口一侧的表面，所述第一节流器件出口设置在气体轴承组件靠近转子主轴一侧的表面。

进一步地，所述第一节流器件包括径向节流器件、止推节流器件和混合节流器件；

所述径向轴承上沿其周向均匀分布有多个径向贯穿的径向节流器件，所述径向节流器件包括收口部和圆柱管；所述收口部为一端口径大于另一端口径的收口通道，口径较大的一端开口为径向节流器件入口，设于所述径向轴承靠近轴承气入口一侧的表面；另一端连接所述圆柱管，所述圆柱管远离所述收口部的一端开口为径向节流器件出口，设于所述径向轴承靠近径向轴一侧的表面；

所述止推轴承上沿其周向均匀分布有多个贯穿的止推节流器件，所述止推节流器件包括相互连接的沿径向设置的径向圆柱管和沿轴向设置的轴向圆柱管；所述径向圆柱管远离所述轴向圆柱管的一端开口为止推节流器件入口，设于所述止推轴承靠近轴承气入口一侧的表面；所述轴向圆柱管远离所述径向圆柱管的一端开口为止推节流器件出口，设于所述止推轴承靠近止推盘一侧的表面；

所述止推径向混合轴承上沿其周向均匀分布有多个贯穿的混合节流器件，所述混合节流器件包括沿径向设置的混合收口部、沿径向设置的混合径向圆柱管和沿轴向设置的混合轴向圆柱管，所述混合收口部为一端口径大于另一端口径的收口通道，口径较大的一端开口为混合节流器件入口，设于所述止推径向混合轴承靠近轴承气入口一侧的表面，另一端连接所述混合径向圆柱管；所述混合径向圆柱管远离所述混合收口部的一端开口为混合节流器件第一出口，设于所述止推径向混合轴承靠近径向轴一侧的表面；所述混合径向圆柱管靠近所述混合收口部的一侧分出一路连接所述混合轴向圆柱管，所述混合轴向圆柱管远离所述混合径向圆柱管的一端开口为混合节流器件第二出口，设于所述止推径向混合轴承靠近止推盘一侧的表面。

进一步地，所述密封组件包括驱动轮轴颈盖板、驱动轮轴颈迷宫槽和密封气入口；

所述驱动轮轴颈的表面设有驱动轮轴颈迷宫槽，所述驱动轮轴颈盖板设置于所述驱动轮轴颈外部，所述驱动轮轴颈盖板上贯穿设有第二节流器件，所述第二节流器件入口为所述密封气入口，所述第二节流器件出口设置在驱动轮轴颈盖板靠近所述驱动轮轴颈迷宫槽一侧的表面；

氢气密封气经所述密封气入口通入所述驱动轮轴颈盖板并经所述节流器件出口流至所述驱动轮轴颈，经驱动轮轴颈迷宫槽表面流出，并在所述驱动轮轴颈和所述径向轴的连接处与轴承气汇合，经轴承气出口排出，轴颈迷宫槽表面的氢气密封气压力大于驱动轮轴颈与径向轴连接处的轴承气压力。

进一步地，所述装置还包括转速感应组件所述转速感应组件包括转速传感器、转速处理器和转速感应模块；

所述转速感应模块环绕设置于所述转子主轴中部外表面，所述转速传感器靠近所述转速感应模块设置，并用于感受所述转子主轴的速度信号。

进一步地，所述转速感应模块为反光材料，所述转速传感器为光电传感器，所述转速处理器通过如下公式计算所述转子主轴的转速：

其中，v为转子主轴转动角速度，t为转速监测时间段，N为监测时间段内光路变化的次数。

进一步地，所述转速传感器和转速仪表采用防爆设计，所述转速传感器信号线外包裹有防爆管套。

进一步地，所述驱动轮轴颈采用中空结构，所述制动部轴颈采用实心结构，所述驱动轮轴颈长度大于所述制动部轴颈。

第二方面，本发明还提供一种采用上述装置的氢透平膨胀方法，其特征在于，包括如下步骤：

通入氢气密封气，控制密封组件开始工作；

将轴承气通入装置使转子系统悬浮；

将低温高压的氢气驱动气通入驱动轮，使驱动轮旋转带动转子系统旋转做功；

低温低压的驱动气排出装置。

与现有技术相比，本发明提供的基于气体轴承的氢透平膨胀装置具有以下有益效果：

1.通过采用高承载力且不会产生氢脆问题的气体作为轴承气，避免了氢脆问题，提高了气体轴承的承载力，从而提高了氢透平膨胀装置的工作性能和使用耐久度。

2.通过控制氢气密封气压力大于从节流器件流出的轴承气压力，从而避免轴承气回流至驱动轮附近污染氢气驱动气，有效保护氢气不被污染，提高了氢气液化的效率。

3.通过转速感应组件监控转子系统的转速，从而避免装置转速长时间处于气体轴承的低速共振频率，维持装置平稳运行，提高了装置的安全性和稳定性。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1是示出根据本发明第一实施例的基于气体轴承的氢透平膨胀装置的结构示意图；

图2示出根据本发明实施例的氢透平膨胀装置中转子系统的结构示意图；

图3是示出根据本发明第二实施例的基于气体轴承的氢透平膨胀装置的结构示意图；

图4是示出根据本发明实施例的基于气体轴承的氢透平膨胀方法的流程图。

附图标记说明：1-转子系统，2-止推轴承，21-径向圆柱管，22-轴向圆柱管，3-止推径向混合轴承，31-混合收口部，32-混合径向圆柱管，33-混合轴向圆柱管，4-径向轴承，41-收口部，42-圆柱管，5-驱动气入口，6-驱动气出口，7-轴承气入口，8-轴承气出口，9-第一节流器件，10-驱动轮轴颈盖板，11-驱动轮，12-转子主轴，121-驱动轮轴颈，122-第一径向轴，123-连接轴，124-第二径向轴，125-止推盘，126-制动部轴颈，127-驱动轮轴颈迷宫槽，13-制动部，14-密封气入口，15-转速感应组件，151-转速传感器，152-转速传感器信号线，153-转速处理器，154-转速感应模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。

下面结合具体实施例对本发明进行详细阐述。

参见图1和图2所示，本发明实施例提供一种基于气体轴承的氢透平膨胀装置，其特征在于，包括气体轴承组件、密封组件和转子系统1，转子系统1包裹于气体轴承组件和密封组件之内；

转子系统1具体包括如下几个部分：驱动轮11、转子主轴12和制动部13，驱动轮11和制动部13分别设置于转子主轴12的两端，驱动轮11通过氢气驱动气进行驱动；

气体轴承组件与转子主轴12配合，密封组件设置在转子主轴12靠近驱动轮11的一端，气体轴承组件中通入轴承气，在通入氢气密封气的密封组件隔绝下，轴承气在气体轴承组件与转子主轴12之间形成气膜，其中，轴承气为转子主轴12的耐受气体。耐受气体能够对转子系统1提供较高的承载力且不会产生氢脆问题。优选的，轴承气选用空气。

优选的，驱动轮11采用膨胀叶轮。

优选的，制动部13采用制动叶轮或电涡流制动组件。

气体轴承组件具体包括如下几个部分：止推轴承2、止推径向混合轴承3和径向轴承4。

转子主轴12包括依次相互连接的驱动轮轴颈121、第一径向轴122、第二径向轴124、止推盘125和制动部轴颈126，第一径向轴122和第二径向轴124之间设有连接轴123，止推盘125与第二径向轴124连接，驱动轮轴颈121与第一径向轴122连接。

第一径向轴122和第二径向轴124径向直径长度接近，止推盘125径向直径长度大于径向轴直径长度，连接轴123径向直径长度小于径向轴直径长度，将止推盘125设置于靠近制动部13一侧，第一径向轴122、连接轴123和第二径向轴124各自外侧的长度接近，使得整个转子系统1的动力学特性较好。

密封组件与驱动轮轴颈121配合固定，止推轴承2与制动部轴颈126配合固定，径向轴承4与径向轴配合固定，在靠近止推盘125的径向轴上选用止推径向混合轴承3进行配合固定。

靠近驱动轮11设有驱动气入口5和驱动气出口6，靠近气体轴承组件设有轴承气入口7和轴承气出口8；

待膨胀的氢气驱动气从驱动气入口5通入装置，带动驱动轮11进行工作，完成膨胀后从驱动气出口6排出。

优选的，驱动气入口5沿驱动轮11径向设置，驱动气出口6沿驱动轮11轴向设置，并与转子主轴12轴线重合。

气体轴承组件上贯穿设有第一节流器件9，包括第一节流器件入口和第一节流器件出口，第一节流器件入口设置在气体轴承组件靠近轴承气入口7一侧的表面，第一节流器件出口设置在气体轴承组件靠近转子主轴12一侧的表面。

第一节流器件9根据轴承种类的不同具体分为以下几种：径向节流器件、止推节流器件和混合节流器件。

所述径向轴承4上沿其周向均匀分布有多个径向贯穿的径向节流器件，所述径向节流器件包括收口部41和圆柱管42；所述收口部41为一端口径大于另一端口径的收口通道，口径较大的一端开口为径向节流器件入口，设于所述径向轴承4靠近轴承气入口7一侧的表面；另一端连接所述圆柱管42，所述圆柱管42远离所述收口部41的一端开口为径向节流器件出口，设于所述径向轴承4靠近径向轴一侧的表面；

所述止推轴承2上沿其周向均匀分布有多个贯穿的止推节流器件，所述止推节流器件包括相互连接的沿径向设置的径向圆柱管21和沿轴向设置的轴向圆柱管22；所述径向圆柱管21远离所述轴向圆柱管22的一端开口为止推节流器件入口，设于所述止推轴承2靠近轴承气入口7一侧的表面；所述轴向圆柱管22远离所述径向圆柱管21的一端开口为止推节流器件出口，设于所述止推轴承2靠近止推盘125一侧的表面；

所述止推径向混合轴承3上沿其周向均匀分布有多个贯穿的混合节流器件，所述混合节流器件包括沿径向设置的混合收口部31、沿径向设置的混合径向圆柱管32和沿轴向设置的混合轴向圆柱管33，所述混合收口部31为一端口径大于另一端口径的收口通道，口径较大的一端开口为混合节流器件入口，设于所述止推径向混合轴承3靠近轴承气入口7一侧的表面，另一端连接所述混合径向圆柱管32；所述混合径向圆柱管32远离所述混合收口部31的一端开口为混合节流器件第一出口，设于所述止推径向混合轴承3靠近径向轴一侧的表面；所述混合径向圆柱管32靠近所述混合收口部31的一侧分出一路连接所述混合轴向圆柱管33，所述混合轴向圆柱管33远离所述混合径向圆柱管32的一端开口为混合节流器件第二出口，设于所述止推径向混合轴承3靠近止推盘125一侧的表面。

第一节流器件9设置为入口口径大于出口口径的结构，目的在于控制节流器件内的压降，使得转子主轴12、气体轴承组件之间间隙中的压降与节流器件内的压降相匹配，让轴承气能够更好地工作。

密封组件包括驱动轮轴颈盖板10、驱动轮轴颈迷宫槽127和密封气入口14；

驱动轮轴颈121的表面设有驱动轮轴颈迷宫槽127，用于形成迷宫密封；

驱动轮轴颈盖板10设置于驱动轮轴颈121外部，驱动轮轴颈盖板10上贯穿设有第二节流器件，第二节流器件入口为密封气入口14，第二节流器件出口设置在驱动轮轴颈盖板10靠近驱动轮轴颈迷宫槽127一侧的表面；

氢气密封气经密封气入口14通入驱动轮轴颈盖板10并经节流器件出口流至驱动轮轴颈121，经驱动轮轴颈迷宫槽127表面流出，并在驱动轮轴颈121和径向轴的连接处与轴承气汇合，经轴承气出口8排出。

轴颈迷宫槽表面的氢气密封气压力大于驱动轮轴颈121与径向轴连接处的轴承气压力，目的在于形成转子主轴12表面与汇合处的压力差，驱动密封气从转子主轴12表面流向驱动轮轴颈121和径向轴的连接处，进而在轴承气出口8与轴承气汇合流出，从而避免轴承气反流至驱动轮11污染氢气环境。

优选的，氢气驱动气压力大于从节流器件流出的轴承气压力，避免轴承气回流至驱动轮11污染氢气环境。

优选的，驱动轮轴颈121采用中空结构，用于减小低温的驱动轮11与常温的第一径向轴122之间的导热损失，制动部轴颈126采用实心结构，驱动轮轴颈121长度大于制动部轴颈126。

本发明实施例为了便于本领域技术人员更好的理解该技术方案，对应提供了另一种能够对转子转速进行监控并加入防爆设计的氢透平膨胀装置。参见图3所示，本装置包括机壳、气体轴承组件、密封组件、转子系统1和转速感应组件15，转子系统1包裹于气体轴承组件和密封组件之内，气体轴承组件、转子系统1、密封组件和转速感应组件15设置于机壳内，转速感应组件15包括转速传感器151、转速传感器信号线152、转速处理器153和转速感应模块154。

参见图2所示，转速感应模块154环绕镶嵌设置于转子主轴12中部外表面，转速传感器151对应设置于机壳上，转速传感器151靠近转速感应模块154设置，并用于获取转子主轴12的速度信号。其中，感受速度信号可以采用以下方式获得：

第一，转速感应模块154为特殊的反光材料，转速传感器151为光电传感器，转速处理器153通过如下公式计算转子主轴12的转速：

其中，v为转子主轴12转动角速度，t为转速监测时间段，N为监测时间段内光路变化的次数。

第二，转速感应模块154为定向充磁的永磁体，转速传感器151为非接触式磁场检测传感器，转子系统1开始旋转后，通过检测磁场的变化频率计算转子旋转的角速度，转速处理器153通过如下公式计算转子主轴12的转速：

其中，v为转子主轴12转动角速度，t’为转速监测时间段，N’为监测时间段内磁场变化的次数。

转速是气体轴承膨胀装置的关键参数，其一，气体轴承存在低速下的共振频率，需要调整转速以快速通过该转速区域，避免装置出现运行问题；其二，轴承组件有安全的转速上限值，不能无限制的超速运行，需要控制装置转速小于该上限值；其三，装置转速通过临界转速时，需要调整刚度以改变装置的转子动力学特性，以便装置能够通过临界转速。

转速传感器信号线152一端连接转速传感器151，另一端连接转速仪表，转速仪表布置在机壳之外的仪表柜中，用于监控装置运行状态。

转速传感器151和转速仪表采用防爆设计，转速传感器信号线152外包裹有防爆管套。

具体地，防爆设计采用限制转速传感器151的电压、电流等参数的方式实现。

优选的，装置还包括温度传感器、压力传感器和位移(振动)传感器等。上述传感器用于监测膨胀装置的运行状态，以确保膨胀装置的运行没有超出气体轴承组件要求的范围，避免出现安全隐患。

工作时，高压的氢气密封气经密封气入口14通入装置中，经驱动轮轴颈盖板10流至驱动轮轴颈121表面，氢气密封气填入驱动轮轴颈迷宫槽127内加强迷宫槽的迷宫密封作用，氢气密封气经过驱动轮轴颈121后绕过气体轴承组件流至轴承气出口8，与轴承气汇合后经轴承气出口8流出。至此，氢气密封气配合密封组件开始起到隔绝作用，隔断从驱动轮11轮背起沿驱动轮11轮轴颈通向第一径向轴122附近的气体通路。在氢气密封气的隔绝作用下，避免轴承气流入氢气驱动气中污染系统，也避免氢气驱动气流入轴承气中引起转子主轴12发生氢脆问题。氢气密封气压力大于从节流器件流出的轴承气压力，从而避免轴承气回流进驱动轮11附近污染氢气驱动气。

工作时，轴承气从轴承气入口7通入装置中，分流至止推轴承2、止推径向混合轴承3和径向轴承4表面，并经各个轴承的节流器件流至转子主轴12表面，节流后的轴承气在第一径向轴122、第二径向轴124和止推盘125表面形成气膜，支撑转子系统1悬浮，减小摩擦。

工作时，低压高温的氢气驱动气从驱动气入口5通入装置中，氢气驱动气沿驱动轮11的半径方向进入驱动轮11，以使驱动轮11旋转，氢气驱动气对外膨胀做功，驱动轮11带动转子系统1高速旋转，膨胀后的低温低压氢气驱动气经驱动气出口6排出装置。氢气驱动气的压力能和热能转化为轴功，从而获得低温低压的氢气，以此获得冷量。工作过程中产生的轴功被制动部13消耗，以使膨胀机维持正常工作。

在通入氢气驱动气之前启动转速感应组件15工作，转动感应组件对转子系统1的转速进行实时监控，从而避免装置转速长时间处于气体轴承的低速共振频率，维持装置平稳运行，提高装置的安全性和稳定性。

参见图4所示，本发明实施例还提供一种基于气体轴承的氢透平膨胀方法，可以包括如下步骤：

S1、通入氢气密封气，控制密封组件开始工作；

S2、将轴承气通入装置使转子系统1悬浮；

S3、将低温高压的氢气驱动气通入驱动轮11，使驱动轮11旋转带动转子系统1旋转做功；

S4、低温低压的驱动气排出装置。

本实施例提供的基于气体轴承的氢透平膨胀装置及方法，通过采用高承载力且不会产生氢脆问题的气体作为轴承气，避免了氢脆问题，提高了气体轴承的承载力，从而提高了氢透平膨胀装置的工作性能和使用耐久度；通过控制氢气密封气压力大于从节流器件流出的轴承气压力，从而避免轴承气回流至驱动轮附近污染氢气驱动气，有效保护氢气不被污染，提高了氢气液化的效率；通过转速感应组件监控转子系统的转速，从而避免装置转速长时间处于气体轴承的低速共振频率，维持装置平稳运行，提高了装置的安全性和稳定性。

以上介绍了本发明的较佳实施方式，旨在使得本发明的精神更加清楚和便于理解，并不是为了限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的修改、替换、改进，均应包含在本发明所附的权利要求概括的保护范围之内。