具有背叶片结构的离心透平机械、平衡轴向力的方法与流程

本公开属于流体机械、能源动力装备和发电系统领域，涉及一种具有背叶片结构的离心透平机械、平衡轴向力的方法。

背景技术：

透平机械(turbomachinery)是具有叶片的旋转式流体机械的统称。作为透平机械的一种，压缩机是一种通过使用机械能来增加可压缩流体压力的机器，可以分为轴流式压缩机和离心式压缩机，其中离心式压缩机是一种叶片旋转式压缩机，即透平式压缩机，工质通过压缩机时，被叶轮上高速旋转的叶片带动，在离心力的作用下流通至叶轮边缘，经扩压器实现增压作用，离心压缩机可以分为单级结构和多级结构，其中单级压缩机装配有单个转子，多级压缩机带有串联的多个转子。

当工质通过离心压缩机升高压力的同时，由于工质在压缩机进出口的压差以及由水平方向转到竖直方向的动量变化，会对叶轮产生轴向推力，该轴向推力通常由平衡盘和轴向推力轴承补偿。通常情况下，轴向推力轴承不能承载由工质施加到转子上的全部推力，因此在现有技术中多采用平衡盘的方式补偿大部分推力，而推力轴承仅用于承担剩余的推力。平衡盘是一种装配到转子系统上的旋转盘，其结构见说明书附图图1所示，包括主轴100，平衡盘200，叶轮300，密封结构400和连接结构500，通过调整平衡盘的直径和两侧压差，使平衡盘达到平衡转子轴向力的目的。

然而，在某些诸如轴向力太大而无法实现平衡盘的有效密封，或者由于结构限制无法采用平衡盘的方式来平衡轴向力等情况下，需要寻找一种新的平衡轴向力的方式，设计一种新的离心透平机械，既可以克服现有平衡盘系统使结构复杂甚至出现密封困难等缺点，又可以使该离心透平机械在无法使用平衡盘等平衡轴向力方法的情况下依旧适用。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种具有背叶片结构的离心透平机械、平衡轴向力的方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种具有背叶片结构的离心透平机械，包括：叶轮300；以及背叶片600，设置于叶轮300背部，用于平衡轴向力。

在本公开的一些实施例中，背叶片600设置于叶轮300背部的圆周上。

在本公开的一些实施例中，背叶片600的尺寸包括背叶片外半径re，该背叶片外半径re满足：

其中，fmax为叶轮背叶片所能平衡的最大轴向力；ρ为流体密度；ω为叶轮旋转角速度；re为背叶片外半径；rh为叶轮轮毂半径。

在本公开的一些实施例中，背叶片600的形状为以下一种或几种：矩形截面、平直叶型或弯曲式形状。

在本公开的一些实施例中，背叶片600的数目介于4～8个之间。

在本公开的一些实施例中，具有背叶片结构的离心透平机械还包括：主轴100，叶轮300设置于主轴100的一端；连接结构500，在叶轮300与主轴100之间进行连接；以及至少两个轴承机构700，支承主轴100和主轴100连接的部件。

在本公开的一些实施例中，具有背叶片结构的离心透平机械为主动式透平机械或从动式透平机械及其组合；其中，主动式透平机械或从动式透平机械包括：压缩机、汽轮机、膨胀机、涡轮机；主动式透平机械和从动式透平机械的组合包括：用于流道对称布置的透平机械、压缩机-膨胀机背靠背系统或者压气机-涡轮背靠背系统。

在本公开的一些实施例中，主动式透平机械和从动式透平机械的组合，为一压缩机-膨胀机一体轴连接系统，其中：主轴100连接压缩机和膨胀机；叶轮300包括：压缩机叶轮310和膨胀机叶轮320；其中，压缩机叶轮310，设置于主轴100的一端；膨胀机叶轮320，设置于主轴100的另一端。

在本公开的一些实施例中，压缩机-膨胀机一体轴连接系统中的背叶片600包括：压缩机背叶片610和膨胀机背叶片620；其中，压缩机背叶片610，设置于压缩机叶轮310背部圆周上；膨胀机背叶片620，设置于膨胀机叶轮320背部圆周上；连接结构500包括：压缩机连接件510和膨胀机连接件520；其中，所述压缩机连接件510，在压缩机叶轮310和主轴100之间进行连接；膨胀机连接件520，在膨胀机叶轮320和主轴100之间进行连接。

根据本公开的另一个方面，提供了一种平衡轴向力的方法，采用以上公开的任一种具有背叶片结构的离心透平机械，通过在叶轮背部增加背叶片的结构，实现轴向力的平衡。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的具有背叶片结构的离心透平机械、平衡轴向力的方法，具有以下有益效果：

通过在叶轮背部增加背叶片结构后，当旋转叶轮在对工质加压的过程中，背叶片对叶轮背部的流体产生推动加速作用，背叶片会推动叶轮背部工质产生离心力，将工质反向推动至叶轮边缘，从而降低叶轮背部静压，从而达到平衡轴向力的作用，该离心透平机械可以有效降低转子系统的密封难度，不会出现如采用平衡盘的方案时的额外密封问题，同时背叶片结构简单，与叶轮一起加工，可以降低系统的结构难度。

附图说明

图1为现有技术中平衡盘的结构示意图。

图2为根据本公开实施例具有背叶片结构的离心透平机械的转子系统结构示意图。

图3为根据本公开实施例用于平衡轴向力的背叶片结构示意图。

图4为根据本公开实施例具有背叶片结构的压缩机-膨胀机系统示意图。

【符号说明】

100-主轴；200-平衡盘；

300-叶轮；400-密封结构；

500-连接结构；600-背叶片；

700-轴承机构；

310-压缩机叶轮；320-膨胀机叶轮；

510-压缩机连接件；520-膨胀机连接件；

610-压缩机背叶片；620-膨胀机背叶片。

具体实施方式

本公开提供了一种具有背叶片结构的离心透平机械，并提出了一种通过在叶轮背部增加背叶片结构的方法来平衡轴向力的方法，该离心透平机械可以有效降低转子系统的密封难度，不会出现如采用平衡盘的方案时的额外密封问题，同时背叶片结构简单，与叶轮一起加工，可以降低系统的结构难度。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种具有背叶片结构的离心透平机械。图2为根据本公开实施例具有背叶片结构的离心透平机械的转子系统结构示意图。如图2所示，本公开具有背叶片结构的离心透平机械包括：主轴100；叶轮300，设置于主轴100的一端；连接结构500，在叶轮300与主轴100之间进行连接；至少两个轴承机构700，支承主轴100和主轴100连接的部件；以及背叶片600，设置于叶轮300背部，用于平衡轴向力。

本实施例中，具有背叶片结构的离心透平机械为离心压缩机，包括一个叶轮和两个轴承，其中轴承用于给转子组件提供支承作用；还包括定子和用于轴向力平衡的背叶片，背叶片设置在叶轮背部。该离心压缩机通过放置在轴承处的传感器测量轴承所承受的载荷，通过控制系统保持叶轮背部的工质压力，使其产生的轴向力保证轴承不超负载极限。

下面对本公开具有背叶片结构的离心透平机械的各个部分进行具体介绍。

图3为根据本公开实施例用于平衡轴向力的背叶片结构示意图，如图3所示，背叶片600设置于叶轮300背部的整个圆周上，叶片的数目一般为4～8个，一般取4叶或6叶；背叶片600的厚度与叶片个数对轴向力平衡的效果影响不大，叶片厚度的选择只要满足机械强度即可；

本实施例中，背叶片600采用矩形截面，平直叶型；不公开局限于此种截面形状，还可以为各种弯曲式形状，只要能够对工质施加推力并通过旋转使工质产生离心力作用，起到同样的效果的叶片形状都满足要求。

背叶片600的尺寸与所需平衡的轴向力大小有关，其设计遵循平衡力理论计算公式(斯捷潘诺夫公式)，斯捷潘诺夫公式的表达式如下：

其中，fmax为叶轮背叶片所能平衡的最大轴向力；ρ为流体密度；ω为叶轮旋转角速度；re为背叶片外半径；rh为叶轮轮毂半径；

由公式(1)可知，根据实际需要平衡的轴向力和已知的参数，包括：流体密度、叶轮旋转角速度以及叶轮轮毂半径，便可以得到背叶片外半径：

需要注意的是，基于公式(2)进行对背叶片尺寸的估计具有一定的估算误差，还需要考虑其他影响因素；背叶片与机匣之间会存在间隙，该间隙也会对轴向力的平衡效果存在影响，因此背叶片轴向力平衡效果主要影响因素主要包括：s/t、背叶片外半径和叶轮轮毂直径；其中s为叶轮后盖板至壳体壁的间隙，t为背叶片高度。

本实施例具有背叶片结构的离心透平机械平衡轴向力的原理如下：在压缩机正常运转时，叶轮带动转子系统工作，但由于叶轮背部工质的压力高于来流的压力，使得叶轮需承受与气流的来流方向相反的轴向力，在叶轮背部增加背叶片结构后，当旋转叶轮在对工质加压的过程中，背叶片对叶轮背部的流体产生推动加速作用，背叶片会推动叶轮背部工质产生离心力，将工质反向推动至叶轮边缘，从而降低叶轮背部静压，从而达到平衡轴向力的作用。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种平衡轴向力的方法，通过在叶轮背部增加背叶片结构，如图2所示，并根据所需平衡的轴向力和已知参数对背叶片的尺寸进行设计。

其中已知参数包括：叶轮后盖板至壳体壁的间隙、背叶片高度、背叶片外半径、叶轮轮毂直径、叶轮旋转角速度以及为流体密度等。

本实施例中，背叶片设置于叶轮背部的整个圆周上，叶片的数目一般为4～8个，包含端点值，一般取4叶或6叶，参见图3所示，叶片数目取4叶，且均匀分布于叶轮背部，但需要注意的是，本公开不局限于以上范围的叶片数目，而且叶片可以不是均匀分布，这里背叶片均匀分布是出于成型工艺简单、尺寸设计简便的角度考虑，是较优的实施例；背叶片600的厚度与叶片个数对轴向力平衡的效果影响不大，叶片厚度的选择只要满足机械强度即可。如图3所示，当叶轮按照图3所示方向进行旋转时，对工质会产生加压效果，此时背叶片会对叶轮背部的流体产生推动加速作用，那么背叶片会推动叶轮背部工质产生离心力，将工质反向推动至叶轮边缘，从而降低叶轮背部静压，从而达到平衡轴向力的作用。

需要说明的是，背叶片针对密度大、可压缩性低的工质有着明显的降压和轴向力平衡效果，如超临界二氧化碳(sco2)工质。sco2工质密度接近于液体，粘度接近于气体，sco2压气机出口处压力达20mpa甚至以上，在其叶轮背部布置背叶片结构不仅能起到平衡轴向力的作用，还能起到降低密封压力的作用，具有重要的工程实践意义。

在本公开的第三个示例性实施例中，还提供了一种可用于流道对称布置的具有背叶片结构的透平机械，其基本结构与第一个实施例基本相同，区别之处在于：是由两个具有背叶片结构的透平机械对称连接。

图4为根据本公开实施例具有背叶片结构的压缩机-膨胀机系统示意图。如图4所示，本实施例中具有背叶片结构的压缩机-膨胀机一体轴连接系统内的结构包括：主轴100；压缩机叶轮310，设置于主轴100的一端；膨胀机叶轮320，设置于主轴100的另一端；压缩机连接件510，在压缩机叶轮310和主轴100之间进行连接；膨胀机连接件520，在膨胀机叶轮320和主轴100之间进行连接；压缩机背叶片610，设置于压缩机叶轮310背部圆周上；以及膨胀机背叶片620，设置于膨胀机叶轮320背部圆周上。

参照图4可知，在具有背叶片结构的压缩机-膨胀机一体轴连接系统中，该压缩机-膨胀机一体轴连接系统以超临界二氧化碳(sco2)为工质，在压缩机叶轮310的背部和膨胀机叶轮320的背部分别设计了压缩机背叶片610和膨胀机背叶片620，可以在该压缩机-膨胀机一体轴连接系统系统的运转过程中降低各自位置压力的作用，有利于压缩机和膨胀机的密封。该种对称结构形式下，轴向力已经基本达到平衡，应用背叶片后，可以使系统的轴向力平衡效果更好。

需要补充说明的是，附图的图2和图3所示的实施例只是以压缩机为例，对采用背叶片结构的轴向力平衡方法进行了说明，类似地，本公开采用背叶片结构实现轴向力平衡的方法同样可以用于汽轮机、膨胀机、涡轮等主动式透平机械；具有背叶片结构的离心透平机械除了第一个实施例所示的压缩机之外，还可用于流道对称布置的透平机械，如第三个实施例所示，同时透平机械不局限于主动式，还可以用于主动机与从动机紧密靠在一起的布置方式，比如压缩机-膨胀机背靠背或者压气机-涡轮背靠背等；

综上所述，本公开实施例提供了一种具有背叶片结构的离心透平机械，该离心透平机械通过在叶轮背部设置背叶片结构，可以平衡轴向力，有效降低了转子系统的密封难度，不会出现如采用平衡盘的方案时的额外密封问题，同时背叶片结构简单，与叶轮一起加工，可以降低系统的结构难度；本公开还提出了一种通过在叶轮背部增加背叶片结构的方法来平衡轴向力的方法，可以应用于汽轮机、膨胀机、涡轮等主动式透平机械、流道对称布置的透平机械或者主动机与从动机紧密靠在一起的布置方式等，适用范围广。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

应该注意的是上述实施例对本公开进行说明而不是对本公开进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。