一种电磁约束式二氧化碳透平的轴端密封装置及方法与流程

1.本发明涉及超临界二氧化碳循环发电技术领域，特别涉及一种电磁约束式二氧化碳透平的轴端密封装置及方法。


背景技术：

2.随着近些年来发电技术的发展，研究表明发电机组采用超临界二氧化碳代替水蒸气作为循环工质，在一定的功率范围内具有循环效率高、设备结构紧凑、基建初投资小等优点，因此超临界二氧化碳循环发电系统是一项非常具有技术前景的发电方式。


技术实现要素：

3.基于以上考虑，本发明的目的在于提供一种电磁约束式二氧化碳透平的轴端密封装置及方法，该方法的主要优点在于通过在密封腔室内构建能够产生“磁镜效应”的汇聚型磁场，并采用强电场将高温高压工质电离成等离子体，当等离子体被磁场捕获后，磁镜效应会将等离子体约束在汇聚型磁场内部，从而降低或彻底消除工质泄露。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
5.一种电磁约束式二氧化碳透平的轴端密封装置，包括转子轴头1、静子轴套2、转子齿牙电极3、静子齿牙电极4、转子永磁体5、转子永磁体碳纤维护环6、静子永磁体7、密封腔室8和电刷9；转子轴头1通过螺纹或键连接固定在转轴上，转子齿牙电极3直接加工在转子轴头1上；静子轴套2通过螺栓固定在机壳上，静子齿牙电极4直接加工在静子轴套2上；转子轴头1与静子轴套2安装定位后，转子齿牙电极3、静子齿牙电极4、转子轴头1外壁、静子轴套2内壁、及齿牙间隙构成密封腔室8；静子永磁体7镶嵌在静子轴套2内部，其内侧与静子轴套2内壁平齐；转子永磁体5镶嵌在转子轴头1内部，其外壁紧箍一圈转子永磁体碳纤维护环6，转子永磁体碳纤维护环6外壁与转子轴头1外壁相平齐；转子齿牙电极3与电刷9接触，静子齿牙电极4与导体相连接，转子齿牙电极3与静子齿牙电极4分别接通高压直流电源的正负极。
6.转子轴头1转轴之间保持绝缘；静子轴套2与机壳保持绝缘；静子轴套2和转子轴头1均采用导电能力强但导磁能力差的材料制成。
7.转子齿牙电极3与静子齿牙电极4径向高度10～20mm，轴向厚度为1～3mm；转子齿牙电极3和静子齿牙电极4采用导电能力强但导磁能力差的材料制成。
8.转子齿牙电极3与静子齿牙电极4间轴向距离为10～20mm，转子齿牙电极3距离静子轴套2内壁齿牙间隙为0.5～1mm，静子齿牙电极4距离转子轴头1外壁的齿牙间隙为0.5～1mm。
9.转子永磁体5及静子永磁体7的轴向宽度相同，为3mm～5mm；转子永磁体5轴向位置位于密封腔室8内部但靠近其出口附近，其轴向靠近静子齿牙电极4并与其保持1～2mm轴向距离；静子永磁体7位于密封腔室8内部但靠近入口附近，其轴向靠近转子齿牙电极3并与其保持1～2mm轴向距离。
10.转子永磁体5外侧磁极与静子永磁体7内侧磁极相反，当转子永磁体5外侧磁极为n，则静子永磁体7内侧磁极为s，则磁力线从转子永磁体5外侧磁极发源，汇聚于静子永磁体7内侧磁极；磁场在密封腔室8内部分布规律为，磁场强度在密封腔室8进出口附近分布最为强烈，而在密封腔室8内部则较微弱，进出口附近磁场强度与密封腔室8中心线上磁场强度的比值至少大于5，从而形成了一个两端即转子齿牙电极3齿牙间隙与静子齿牙电极4齿牙间隙磁场强度高，中间即密封腔室8内部磁场强度低的会聚型磁场。
11.转子永磁体5外壁紧箍一圈转子永磁体碳纤维护环6，其作用是对永磁体施加一定程度的预紧力，提升转子永磁体5的机械强度。
12.所述的一种电磁约束式二氧化碳透平的轴端密封装置的轴端密封方法，转子齿牙电极3与静子齿牙电极4接通高压直流电源后，在转子齿牙电极3与静子齿牙电极4之间形成强电场，强电场的作用在于击穿动静齿牙之间的高温高压二氧化碳工质，形成稳定的等离子体流，等离子体流在压力驱动下在密封腔室8内部流动，流动方向从转子齿牙电极3齿牙间隙指向静子齿牙电极4齿牙间隙，由于带电等离子体在密封腔室8内部的流动方向不会与转子永磁体5及静子永磁体7形成的会聚型磁场方向完全平行，因此等离子体流的运动分解为平行于磁场方向的运动速度v
∥
与垂直于磁场方向的运动速度v
⊥
，在洛伦茨力的影响下等离子体流沿螺旋线继续向会聚型磁场一端运动，随着磁场越来越强，洛伦茨力及能量守恒的双重作用使垂直于磁场方向的运动速度v
⊥
越来越大而平行于磁场方向的运动速度v
∥
越来越小直至为0，使等离子体流又折返至密封腔室内部，如此往复循环，最终等离子体流被约束在密封腔室内部无法逃脱，从而达到轴端密封的效果。
13.和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
14.1)提出了采用电磁密封的方式对现有二氧化碳透平设备进行轴端密封，避免了现有机械密封的干气密封的缺点；
15.2)若强电场和会聚型磁场设置得当，理论上可以实现轴端零泄露；
16.3)为下一代新型密封装置提供了理论指导。
附图说明
17.图1为本发明的沿轴线剖面图。
18.图2为密封腔室内电场线分布图。
19.图3为密封腔室内磁力线分布图。
20.图4为密封腔室内工质泄露方向图。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
22.本发明提出了一种电磁约束式二氧化碳透平的轴端密封装置，包括转子轴头1、静子轴套2、转子齿牙电极3、静子齿牙电极4、转子永磁体5、转子永磁体碳纤维护环6、静子永磁体7、密封腔室8、电刷9。各部件间的具体连接与位置关系如下：
23.转子轴头1通过螺纹或键连接固定在转轴上，转子齿牙电极3直接加工在转子轴头1上；静子轴套2通过螺栓固定在机壳上，静子齿牙电极4直接加工在静子轴套2上；转子轴头1与静子轴套2安装定位后，转子齿牙电极3、静子齿牙电极4、转子轴头1外壁、静子轴套2内
壁、及齿牙间隙构成密封腔室8；静子永磁体7镶嵌在静子轴套2内部，其内侧与静子轴套2内壁平齐；转子永磁体5镶嵌在转子轴头1内部，其外壁紧箍一圈转子永磁体碳纤维护环6，转子永磁体碳纤维护环6外壁与转子轴头1外壁相平齐；转子齿牙电极3与电刷9接触，静子齿牙电极4与导体相连接，转子齿牙电极3与静子齿牙电极4分别接通高压直流电源的正负极。各部件位置关系如图1所示。
24.作为本发明的优选实施方式，转子轴头1转轴之间保持绝缘；静子轴套2与机壳保持绝缘；静子轴套2和转子轴头1均采用导电能力强但导磁能力差的材料制成。
25.作为本发明的优选实施方式，转子齿牙电极3与静子齿牙电极4径向高度10～20mm，轴向厚度为1～3mm；转子齿牙电极3和静子齿牙电极4采用导电能力强但导磁能力差的材料制成。
26.作为本发明的优选实施方式，转子齿牙电极3与静子齿牙电极4间轴向距离为10～20mm，转子齿牙电极3距离静子轴套2内壁齿牙间隙为0.5～1mm，静子齿牙电极4距离转子轴头1外壁的齿牙间隙为0.5～1mm。
27.作为本发明的优选实施方式，转子永磁体5及静子永磁体7的轴向宽度相同，为3mm～5mm；转子永磁体5轴向位置位于密封腔室8内部但靠近其出口附近，其轴向靠近静子齿牙电极4并与其保持1～2mm轴向距离；静子永磁体7位于密封腔室8内部但靠近入口附近，其轴向靠近转子齿牙电极3并与其保持1～2mm轴向距离。
28.作为本发明的优选实施方式，转子永磁体5外侧磁极与静子永磁体7内侧磁极相反，当转子永磁体5外侧磁极为n，则静子永磁体7内侧磁极为s，则磁力线从转子永磁体5外侧磁极发源，汇聚于静子永磁体7内侧磁极；磁场在密封腔室8内部分布规律为，磁场强度在密封腔室8进出口附近分布最为强烈，而在密封腔室8内部则较微弱，进出口附近磁场强度与密封腔室8中心线上磁场强度的比值至少大于5，从而形成了一个两端(转子齿牙电极3齿牙间隙与静子齿牙电极4齿牙间隙)磁场强度高，中间(密封腔室8内部)磁场强度低的会聚型磁场。磁场分布如图3所示。
29.作为本发明的优选实施方式，转子永磁体5外壁紧箍一圈转子永磁体碳纤维护环6，其作用是对永磁体施加一定程度的预紧力，提升转子永磁体5的机械强度。
30.本发明电磁约束式二氧化碳透平的轴端密封装置的轴端密封方法，转子齿牙电极3与静子齿牙电极4接通高压直流电源后，在转子齿牙电极3与静子齿牙电极4之间形成强电场(如图2所示)，强电场的作用在于击穿动静齿牙之间的高温高压二氧化碳工质，形成稳定的等离子体流，等离子体流在压力驱动下在密封腔室8内部流动(如图4所示)，流动方向从转子齿牙电极3齿牙间隙指向静子齿牙电极4齿牙间隙，由于带电等离子体在密封腔室8内部的流动方向不会与转子永磁体5及静子永磁体7形成的会聚型磁场方向完全平行，因此等离子体的运动可以分解为平行于磁场方向的运动速度v∥与垂直于磁场方向的运动速度v
⊥
，在洛伦茨力的影响下等离子体沿螺旋线继续向会聚型磁场一端运动，随着磁场越来越强，洛伦茨力及能量守恒的双重作用使v
⊥
越来越大而v∥越来越小直至为0，使等离子体又折返至密封腔室内部，如此往复循环，最终等离子体被约束在密封腔室内部无法逃脱，从而达到轴端密封的效果。
31.9、本发明中所展示的转子齿牙电极3、静子齿牙电极4、及密封腔室8仅展示了单级布置方式，实际中可以采用多级布置的方式，提升密封效果。
32.本发明的物理学原理为：当带电粒子进入磁场时，带电粒子的速度可以分解为与磁场垂直的速度v
⊥
和与磁场平行的速度v∥，v
⊥
会使带电粒子承受洛伦茨力，洛伦磁力的方向垂直于v
⊥
及磁力线，从而使带电粒子沿螺旋式轨道前进。
33.当磁场为会聚型空间分布式，即类似于橄榄球式的两端磁力线密集，中间磁力线稀疏的磁场分布，带电粒子在该磁场内部从中间向两头螺旋式轨道前进时，所遭遇的磁场会越来越强，从而在洛伦茨力的作用下v
⊥
会越来越大，由于洛伦磁力不做功，在能量守恒的条件下v
⊥
的增大是以v∥的减小为补偿的，随着v∥的逐渐减小至0，带电粒子如同撞到一面镜子一样又沿着螺旋式轨道退回磁场较弱的区域，因此这种汇聚型磁场两端如同一面镜子一样，将带电粒子反射回磁场的中心区域，这便是汇聚型磁场的“磁镜效应”。