[发明专利]超临界二氧化碳透平阶梯轮盘及其设计方法

说明书

本发明公开了一种用于中小功率等级的超临界二氧化碳透平阶梯轮盘及设计方法，包括轮盘主体、轮盘阶梯、主轴、梳齿密封，通过借助轮盘两侧的高压冷却气体，在轮盘两侧采用不同半径的阶梯结构，使得轮盘两侧受到的高压气体的作用面积不同，因而产生一种由轮盘低压侧指向轮盘高压侧的轴向推力，通过设计两侧阶梯半径的大小可以实现透平转子轴向力平衡，从而不需要添加推力盘平衡轴向推力，即可实现降低轴向推力对推力轴承的作用载荷，提高透平系统的安全性，同时减少了因添加推力盘而使透平系统带来的摩擦损耗和冷气损耗，提高了中小功率等级超临界二氧化碳透平的安全性和冷气利用效率。

技术领域

本发明涉及一种透平转子轴向推力平衡方案，尤其涉及一种带有冷却气体和密封气的中小功率等级超临界二氧化碳透平阶梯轮盘及其设计方法。

背景技术

在中小功率等级的超临界二氧化碳透平的设计过程中，存在透平轴向压力过大的情况，且轴向压力超过了推力轴承的承受极限，且启动工况和紧急事故工况透平轴向推力变化剧烈，给中小功率等级的超临界二氧化碳透平在设计工况和紧急事故工况带来了严重的安全隐患。现有推力盘方案会可以作为上述方案的解决方案之一，但由于其将增大转动摩擦和消耗更多的冷气，降低了中小功率等级的超临界二氧化碳透平的经济性。现有技术无法既解除中小功率等级的超临界二氧化碳透平的轴向推力带来的安全隐患，又能降低摩擦损耗和冷气损耗。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于中小功率等级的超临界二氧化碳透平阶梯轮盘及其设计方法。

为达到上述目的，本发明的超临界二氧化碳透平阶梯轮盘包括与转子主轴相连的转子轮盘主体，转子轮盘主体的外侧与动叶片相连，所述动叶片顶端安装有动叶护环，静叶片的上端与机匣相连，且靠近高压侧的第一级静叶片的下端与机匣相连，除第一级静叶片外的其他静叶片的下端均与静叶护环相连，静叶护环与轮盘主体之间设置有间隙，动叶护环外侧与机匣之间设置有间隙，在轮盘主体的一侧或两侧设置有轮盘阶梯,在轮盘阶梯的外侧为与轮盘阶梯的结构相对应的轮盘静子，轮盘阶梯与轮盘静子之间设置有间隙，且静叶护环与轮盘主体之间的间隙、动叶护环外侧与机匣之间的间隙及轮盘阶梯与轮盘静子之间的间隙均设置有梳齿密封结构。

所述的轮盘主体的两侧均设置有轮盘阶梯，低压侧轮盘阶梯的半径大于高压侧轮盘阶梯的半径。

所述的轮盘阶梯采用多个阶梯结构。

本发明的超临界二氧化碳透平轮盘两侧存在高压冷却气体，轮盘的低压侧阶梯的半径大于轮盘高压侧的阶梯半径，轮盘低压侧阶梯的受到冷气作用的面积大于轮盘高压侧阶梯的受到冷气作用的面积，高压冷气在轮盘低压侧的作用力减去在轮盘高压侧的作用力可以平衡超临界二氧化碳透平的轴向推力。轮盘的一侧或两侧各有多个阶梯结构，其中与压力最高冷气接触的轮盘表面在平衡转子轴向推力中起主要作用，其余轮盘阶梯表面与静子侧的阶梯、阶梯间梳齿密封等结构即具有起减压作用，同时也具有平衡轴向推力的作用。

本发明的超临界二氧化碳透平阶梯轮盘的设计方法如下：轮盘阶梯的半径和阶梯数通过以下方式确定：