[发明专利]一种电磁约束式二氧化碳透平的轴端密封装置及方法

权利要求书

1.一种电磁约束式二氧化碳透平的轴端密封装置，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的一种电磁约束式二氧化碳透平的轴端密封装置，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的一种电磁约束式二氧化碳透平的轴端密封装置，其特征在于，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。

4.根据权利要求1所述的一种电磁约束式二氧化碳透平的轴端密封装置，其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述的一种电磁约束式二氧化碳透平的轴端密封装置，其特征在于，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。

6.根据权利要求1所述的一种电磁约束式二氧化碳透平的轴端密封装置，其特征在于，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。

7.根据权利要求1所述的一种电磁约束式二氧化碳透平的轴端密封装置，其特征在于，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。

8.权利要求1至7任一项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，其特征在于，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。