一种紧凑型高温燃料裂解气发电涡轮密封冷却结构制造技术

本发明专利技术提供了一种紧凑型高温燃料裂解气发电涡轮密封冷却结构，属于发电涡轮技术领域。解决了目前高压高转速涡轮的轴端密封一般使用干气密封，造价高昂结构复杂，需要较大的装配空间以及附属的高压氮气供气装置，但由于材料和技术的限制耐受温度较低；工作于高温工质环境中的涡轮一般使用水循环来带走热量进行冷却，但是对于高超声速飞行器来说冷源有限，而且使用循环水进行冷却会大大增加发电系统体积的问题。它包括电机外壳、涡轮转轴、前端盖、冷却隔热腔、轴向密封、交错迷宫密封和电机冷却系统。本发明专利技术满足机载设备对于空间、质量的要求，有较好密封冷却效果；简化涡轮密封隔热系统且能够有效减少涡轮的泄漏量，保证涡轮发电功率。发电功率。发电功率。

A compact turbine seal cooling structure for high temperature fuel pyrolysis gas power generation

【技术实现步骤摘要】
一种紧凑型高温燃料裂解气发电涡轮密封冷却结构


[0001]本专利技术属于发电涡轮
，尤其是涉及一种紧凑型高温燃料裂解气发电涡轮密封冷却结构。

技术介绍

[0002]吸气式高超声速飞行器的发展取代了含有旋转部件的传统航空发动机，但是同时也导致无法通过转轴发电以供飞行器电子器件的使用，携带电池会给飞行器带来巨大的质量惩罚，因此目前研究热点是利用飞行器自身能源来进行发电，同时解决高超声速来流的预冷和压缩问题。飞行器所携带的碳氢燃料在冷却通道内吸热升温，同时由液态变为超临界状态，并进一步发生裂解生成小分子碳氢化合物构成的油气混合物，高温高压的油气混合物可作为工质驱动发电系统进行发电。
[0003]油气涡轮机是油气发电系统的核心部件，涡轮机入口的油气温度可达500
‑
700℃，压力可达3
‑
5MPa左右。涡轮机处于高温高压的环境下，而电机所允许的最高工作温度为200℃，同时高温高压的油气也会使轴承的密封、润滑失效。
[0004]目前在转轴高压气体密封领域干气密封效果较好，技术较为成熟，在国内外均有应用，但是干气密封需要辅助的供气设备，且对转轴轴径有一定要求，不适合于飞行器对于体积小、结构简单的要求，而接触式密封不适于高转速设备的密封。机载设备对重量尺寸的要求较高，因此如何在保证功能的前提下减轻重量、减小涡轮体积是亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种紧凑型高温燃料裂解气发电涡轮密封冷却结构，以解决目前高压高转速涡轮的轴端密封一般使用干气密封，造价高昂结构复杂，需要较大的装配空间以及附属的高压氮气供气装置，但由于材料和技术的限制耐受温度较低；工作于高温工质环境中的涡轮一般使用水循环来带走热量进行冷却，但是对于高超声速飞行器来说冷源有限，而且使用循环水进行冷却会大大增加发电系统体积的问题，本申请的紧凑型高温燃料裂解气发电涡轮密封冷却系统，满足机载设备对于空间、质量的要求，有较好密封冷却效果；简化涡轮密封隔热系统且能够有效减少涡轮的泄漏量，保证涡轮发电功率。
[0006]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0007]一种紧凑型高温燃料裂解气发电涡轮密封冷却结构，包括电机外壳、涡轮转轴、前端盖、冷却隔热腔、轴向密封、交错迷宫密封和电机冷却系统；
[0008]所述的冷却隔热腔的后端与电机外壳固定连接，前端与前端盖固定连接，在冷却隔热腔的中心外侧设有导流环，冷却隔热腔与前端盖及导流环之间形成工质进气空间，在电机外壳内部安装有定子，所述定子和转子配合，在导流环内部安装叶轮，涡轮转轴依次穿过转子、冷却隔热腔的中心孔与叶轮连接，所述的轴向密封设置在冷却隔热腔的中心孔处，在叶轮背部设有第一梳齿密封，在冷却隔热腔的前端与涡轮转轴配合处设有第二梳齿密封，所述的第一梳齿密封和第二梳齿密封形成交错迷宫密封；
[0009]在所述的冷却隔热腔径向开设有相互垂直的冷却隔热腔腔室低温燃油入口和冷却隔热腔腔室低温燃油出口，在冷却隔热腔的径向还开设相互垂直的第一电涡流传感器安装孔和第二电涡流传感器安装孔，两个电涡流传感器安装孔延伸至涡轮转轴处，在冷却隔热腔的边缘设有径向的密封气入口，所述密封气入口与轴向密封相连通，所述的轴向密封为耐高温碳纤维密封装置，所述的耐高温碳纤维密封装置用于防止燃料的高温裂解气通过涡轮转轴与密封装置之间的间隙进入轴承以及电机；
[0010]所述的冷却隔热腔内部开设有冷却流道，所述的冷却流道与冷却隔热腔腔室低温燃油入口和冷却隔热腔腔室低温燃油出口连通；低温燃油经冷却隔热腔腔室低温燃油入口进入冷却流道并布满冷却流道后由冷却隔热腔腔室低温燃油出口排出对轴承与电机进行隔热；
[0011]所述涡轮转轴由两个轴承支撑，且每个轴承安装在一轴承座内，两个轴承座位于电机外壳的两端，所述的电机冷却系统开设在电机外壳和两个轴承座上，所述的电机冷却系统用于电机冷却和轴承润滑冷却。
[0012]更进一步的，所述的冷却流道包括圆周均布的四个扇环形流道，每个扇环形流道包括对应布置且相互连通的内隔热扇环形空腔和外隔热扇环形空腔，四个扇环形流道的四个外隔热扇环形空腔位于同一平面布置，四个内隔热扇环形空腔位于同一平面布置，且四个内隔热扇环形空腔的所在底平面低于四个外隔热扇环形空腔的底平面，四个内隔热扇环形空腔靠近冷却隔热腔的中心孔布置；
[0013]四个外隔热扇环形空腔分别为隔热空腔a、隔热空腔b、隔热空腔c和隔热空腔d，四个外隔热扇环形空腔分别为隔热空腔e、隔热空腔f、隔热空腔g和隔热空腔h；
[0014]低温燃油通过冷却隔热腔腔室低温燃油入口由径向进入隔热空腔a，隔热空腔a充满后进入隔热空腔e，此时为轴向向涡轮前端流动，通过第二电涡流传感器安装孔(22)前端的通道由隔热空腔e沿周向进入隔热空腔f，隔热空腔f充满后沿轴向向涡轮后端流动进入隔热空腔b，由隔热空腔b沿外侧流道进入隔热空腔c，在隔热空腔c充满后进入隔热空腔g，通过隔热空腔g与隔热空腔h之间的通道进入隔热空腔h，在隔热空腔h充满后沿轴向向涡轮后端流动进入隔热空腔d，最终由冷却隔热腔腔室低温燃油出口排出。
[0015]更进一步的，所述耐高温碳纤维密封装置包括密封体和多组耐高温碳纤维密封环，所述密封体自冷却隔热腔的中心孔的后端插入并通过若干轴向固定螺栓连接，在密封体和冷却隔热腔的中心孔内壁之间设有若干组含有弹簧的石墨密封组件，在密封体内部开设有容纳多组耐高温碳纤维密封环的环形槽，在相邻两组耐高温碳纤维密封环之间设有可轴向压缩弹簧组件，在位于最后端组耐高温碳纤维密封环的最外侧通过卡簧组件定位。
[0016]更进一步的，所述耐高温碳纤维密封环由三瓣环片相互叠加组成，每瓣环片的中心角为126
°
，在每瓣环片上均有一与密封体的环形槽内壁上的径向凸起配合的径向凹槽，每瓣环片的外缘均有一径向压缩弹簧，每组耐高温碳纤维密封环轴向上设有环形挡板，所述环形挡板与相应的可轴向压缩弹簧组件连接。
[0017]更进一步的，所述电机冷却系统包括开设在电机外壳壁上的环绕电机的螺旋流道和两个喷嘴，在电机外壳整部开有径向油气入口，所述径向油气入口与螺旋流道相连通，在每个轴承座内开设有一连通螺旋流道相对应端部的通道，在每个通道内设有一个喷嘴，且每个喷嘴朝向相应侧的轴承布置，在每个轴承座的下方设有一个油气出口，低温油气自径
向油气入口进入螺旋流道内冷却电机，冷却电机后的低温油气通过喷嘴进入相应侧的轴承，对轴承润滑及冷却后经由两个油气出口排出进入高温燃油预热通道。
[0018]更进一步的，所述密封冷却腔外部设有与工质进气空间连通的气体分配器，所述气体分配器包括环形仓，在环形仓上连通有涡轮进气口，所述环形仓通过若干管路与工质进气空间连通，自涡轮进气管口进入的高温工质通过若干管路进入工质进气空间，涡轮做功后自涡轮排气口排出。
[0019]更进一步的，所述第一电涡流传感器安装孔和第二电涡流传感器安装孔均为螺纹孔，电涡流传感器通过螺纹连接方式安装本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种紧凑型高温燃料裂解气发电涡轮密封冷却结构，其特征在于：包括电机外壳(5)、涡轮转轴(4)、前端盖(32)、冷却隔热腔(6)、轴向密封、交错迷宫密封和电机冷却系统；所述的冷却隔热腔(6)的后端与电机外壳(5)固定连接，前端与前端盖(32)固定连接，在冷却隔热腔(6)的中心外侧设有导流环(33)，冷却隔热腔(6)与前端盖(32)及导流环(33)之间形成工质进气空间，在电机外壳(5)内部安装有定子(11)，所述定子(11)和转子(12)配合，在导流环(33)内部安装叶轮(7)，涡轮转轴(4)依次穿过转子(12)、冷却隔热腔(6)的中心孔与叶轮(7)连接，所述的轴向密封设置在冷却隔热腔(6)的中心孔处，在叶轮(7)背部设有第一梳齿密封(9)，在冷却隔热腔(6)的前端与涡轮转轴(4)配合处设有第二梳齿密封(18)，所述的第一梳齿密封(9)和第二梳齿密封(18)形成交错迷宫密封；在所述的冷却隔热腔(6)径向开设有相互垂直的冷却隔热腔腔室低温燃油入口(20)和冷却隔热腔腔室低温燃油出口(21)，在冷却隔热腔(6)的径向还开设相互垂直的第一电涡流传感器安装孔(8)和第二电涡流传感器安装孔(22)，两个电涡流传感器安装孔延伸至涡轮转轴(4)处，在冷却隔热腔(6)的边缘设有径向的密封气入口(23)，所述密封气入口(23)与轴向密封相连通，所述的轴向密封为耐高温碳纤维密封装置(10)，所述的耐高温碳纤维密封装置(10)用于防止燃料的高温裂解气通过涡轮转轴(4)与密封装置之间的间隙进入轴承(3)以及电机；所述的冷却隔热腔(6)内部开设有冷却流道，所述的冷却流道与冷却隔热腔腔室低温燃油入口(20)和冷却隔热腔腔室低温燃油出口(21)连通；低温燃油经冷却隔热腔腔室低温燃油入口(20)进入冷却流道并布满冷却流道后由冷却隔热腔腔室低温燃油出口(21)排出对轴承(3)与电机进行隔热；所述涡轮转轴(4)由两个轴承(3)支撑，且每个轴承(3)安装在一轴承座(35)内，两个轴承座(35)位于电机外壳(5)的两端，所述的电机冷却系统开设在电机外壳和两个轴承座上，所述的电机冷却系统用于电机冷却和轴承(3)润滑冷却。2.根据权利要求1所述的一种紧凑型高温燃料裂解气发电涡轮密封冷却结构，其特征在于：所述冷却流道包括圆周均布的四个扇环形流道，每个扇环形流道包括对应布置且相互连通的内隔热扇环形空腔和外隔热扇环形空腔，四个扇环形流道的四个外隔热扇环形空腔位于同一平面布置，四个内隔热扇环形空腔位于同一平面布置，且四个内隔热扇环形空腔的所在底平面低于四个外隔热扇环形空腔的底平面，四个内隔热扇环形空腔靠近冷却隔热腔(6)的中心孔布置；四个外隔热扇环形空腔分别为隔热空腔a、隔热空腔b、隔热空腔c和隔热空腔d，四个外隔热扇环形空腔分别为隔热空腔e、隔热空腔f、隔热空腔g和隔热空腔h；低温燃油通过冷却隔热腔腔室低温燃油入口(20)由径向进入隔热空腔a，隔热空腔a充满后进入隔热空腔e，此时为轴向向涡轮前端流动，通过第二电涡流传感器安装孔(22)前端的通道由隔热空腔e沿周向进入隔热空腔f，隔热空腔f充满后沿轴向向涡轮后端流动进入隔热空腔b，由隔热空腔b沿外侧流道进入隔热空腔c，在隔热空腔c充满后进入隔热空腔g，通过隔热空腔g与隔热空腔h之间的通道进入隔热空腔h，在隔热空腔h充满后沿轴向向涡轮后端流动进入隔热空腔d，最终由冷却隔热腔腔...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦江，范君浩，党朝磊，王毅琳，程昆林，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：