[发明专利]一种透平压缩机的自平衡冷却系统及方法

说明书

本发明公开了一种通过冷却系统平衡轴向力的透平压缩机的自平衡冷却系统及方法。通过控制高压低温冷却气体的流动，既能对轴冷却，也能平衡轴向力。冷却系统包括：轴以及在轴上依次设置的轴、低压端密封、低压段冷却区、低压端压力平衡腔、低压侧推力形成面、低压端机械密封、动静叶区、高压侧推力形成面、高压端压力平衡腔、高压端机械密封、高压段冷却区、高压端密封，所述高压端机械密封、高压段冷却区之间设置冷却气进口，用于连接冷却气源，所述高压段冷却区、高压端密封之间设置冷却气出口，所述冷却气出口通过结构通道连接低压端压力平衡腔，所述低压端密封、低压段冷却区之间设置冷却气排气口，用于排出冷却气。

技术领域

本发明涉及高温高压透平及高温高压压缩机领域，具体涉及一种高温高压透机组或高温高压压缩机组轴冷却系统平衡轴向力的方法。

背景技术

为了提高透平机组及压缩机组的整体效率，越来越多新工作介质被用到透平机组及压缩机中，如超临界CO2、超超临界CO2、氦气等，这些介质普遍具有高压力、高温度的特点。因此，导致透平机组及压缩机组轴承受极大的轴向力和超高的温度。常规解决方案是通过冷却系统对透平机组轴进行冷却，再通过增大推力轴承的承载能力平衡机组轴向推力。这种方法虽然在一定压力和温度范围内可以解决问题，但随着温度压力的不断提高满足条件的推力轴承不但设计和加工难度都非常高，而且价格特别昂贵，甚至于无法设计出满足技术要求的推力轴承。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过冷却系统平衡轴向力的透平压缩机的自平衡冷却系统及方法。本发明通过控制高压低温冷却气体的流动，既能满足对轴冷却要求，同时也能实现平衡轴向力的目的。

本发明的目的是这样实现的：

一种透平压缩机的自平衡冷却系统，包括：轴以及在轴上依次设置的低压端密封、低压段冷却区、低压端机械密封、动静叶区、高压端机械密封、高压段冷却区、高压端密封，所述轴上设有一段直径增大的大径段，所述低压端机械密封、动静叶区设置在该大径段上，所述大径段低压端轴肩为低压侧压力形成面，所述大径段的高压端轴肩为高压侧推力形成面，所述低压侧压力形成面、高压侧推力形成面的面积相等，所述低压段冷却区、低压侧压力形成面之间设置低压端压力平衡腔，所述高压侧推力形成面、高压端机械密封之间设置高压端压力平衡腔，所述高压端压力平衡腔与动静叶区的内腔连通，使高压端压力平衡腔内的压力与动静叶区内的压力相等；

所述高压端机械密封、高压段冷却区之间设置冷却气进口，用于连接冷却气源，所述高压段冷却区、高压端密封之间设置冷却气出口，所述冷却气出口通过结构通道连接低压端压力平衡腔，所述低压端密封、低压段冷却区之间设置冷却气排气口，用于排出冷却气。

一种透平压缩机的自平衡冷却方法，包括自平衡冷却系统，冷却气进口连接冷却气源，冷却气源的气压等于高压端压力平衡腔内的工质压力；

所述冷却气体从冷却气源首先引入到高压端机械密封外侧，阻止高压端压力平衡腔内部的工质气体向外泄露，同时，所述冷却气体进入高压段冷却区与轴之间的冷却通道对轴的高压段进行冷却；

然后，再通过结构通道将所述冷却气体引入低压端压力平衡腔，低压端压力平衡腔内的冷却气体进入低压段冷却区和轴之间的冷却通道对轴进行冷却，随后排出冷却系统；

冷却过程中，低压端压力平衡腔内的冷却气体压力与高压端压力平衡腔内的工质气体的压力相等，由于低压侧压力形成面、高压侧推力形成面的面积相等，因此，在低压侧推力形成面和高压侧推力形成面上的轴向力大小相等，方向相反，互相抵消，实现了轴冷却的同时平衡轴向力。

由于采用了上述技术方案，本发明能满足高温高压透平机组对轴的冷却，同时也能非常有效的平衡高温高压透平机组和高温高压压缩机组的轴向力，从而降低机组对轴向推力轴承的要求。冷却气体的控制方法可根据轴对冷却系统的需求进行设计。由于现有的透平机组和压缩机组的布置形式基本相同，所以本专利申请既能适应压缩机也能适应透平机。