一种防气体回流的结构及包含该防气体回流的结构的磁悬浮式压缩机及透平电机系统的制作方法

1.本发明的实施例涉及透平电机系统领域，特别涉及一种防气体回流的结构及包含该防气体回流的结构的磁悬浮式压缩机及透平电机系统。


背景技术：

2.径流式叶轮在透平电机系统领域应用广泛，透平电机系统包括压缩机、膨胀机、输送流体的泵等。特别在磁悬浮式压缩机领域，采用径流式叶轮的压缩机相比轴流式压缩机，具有轴向长度小，稳定工作范围大且构造简单，制造方便等优势。磁悬浮式压缩机工作时，转轴带动叶轮进行高速旋转，气体从叶轮中心处吸入,流向叶轮外缘。叶轮对气体作功，流通到叶轮外缘的是高温高压气体。通常，高温高压气体将沿叶轮外缘进入所述蜗壳进行降速扩压。由于叶轮与电机隔板存在间隙，且高速旋转的叶轮中心气压很低，高温高压气体会从叶轮外缘处通过间隙流向机体内部。高温高压气体进入电机内部将导致机体内部温度过高，造成电机故障。
3.上述可得，高温高压气体回流进入电机内部的问题降低了磁悬浮式压缩机工作效率的同时破坏了磁悬浮式压缩机的可靠性。
4.为解决上述高温高压气体回流问题，现有技术广泛采用迷宫密封（指转动零件和固定零件之间有许多曲折的小室使泄漏减小的密封）与干气密封（主要通过在机械密封动环上增开了动压槽以及随之相应设置了辅助系统而实现密封端面的非接触运行）两种方法。
5.迷宫密封由于直通效应的存在，无法做到完全密封。不适用于叶轮长时间高速旋转下工作的磁悬浮式压缩机。进一步地，迷宫密封的泄漏量与节流齿隙的大小成正相关。节流齿隙越小，密封性越好，气体动能损耗越高；节流齿隙越大，密封性越差，气体动能损耗越低。因此若为了提高密封性，需缩小节流齿隙。这会增加气体动能损失，降低磁悬浮式压缩机工作效率。且节流齿隙设计的过小，在临界转速下转轴可能会与迷宫密封的梳齿摩擦，导致节流梳齿被折断，失去密封性，这增加了磁悬浮式压缩机的故障率。如果扩大节流间隙，那么将无法阻止高温高压气体的回流。
6.干气密封比迷宫密封泄漏量低，但干气密封必须存在密封运转气体。干气密封的密封端面打开后，间隙通常只有3
µ
m左右，若密封气体带有颗粒，会在端面上造成划痕，导致泄漏量增大甚至失去密封性这就需要相对昂贵的密封辅助系统,因此，整体制造成本高。


技术实现要素：

7.本发明的实施例针对现有技术的不足，提供了一种防气体回流的结构和包含该结构的磁悬浮式压缩机及透平电机系统，该结构可以防止高温高压气体回流进电机或透平电机系统内部，造成对电机和透平电机系统的损坏。本发明的防气体回流的结构和透平电机系统在防止气体回流的同时，对设备的工作效率影响较小甚至可以做到没有影响的优点。
并且防气体回流的结构和系统制造和维护成本低，结构安全可靠。
8.根据本公开的至少一个实施例，提供一种防气体回流的结构， 包含：叶轮，蜗壳，转轴，以及隔板，其中，所述隔板与叶轮(1)的背部相对的一面设置有漩涡状凸起。
9.例如，所述隔板中心处设置有圆孔，所述转轴从所述圆孔穿过所述隔板。
10.例如，所述漩涡状凸起以所述圆孔的圆心为中心，设置在所述圆孔的外圆圆周与凹槽的内壁之间。
11.例如，所述漩涡状凸起沿所述圆孔的圆周分布。
12.例如，所述漩涡状凸起包括多条凸起条。
13.例如，所述漩涡状凸起条纹的圆弧的圆心角度数在0
°
~90
°
之间。
14.例如，所述漩涡状凸起与所述叶轮背部的距离为叶轮半径的0.1%
‑
3%。
15.例如，所述漩涡状凸起的凸起条形状包括矩形凸起条、梯形凸起条、圆柱形凸起条、三角柱形凸起条。
16.例如，所述漩涡状凸起可与所述凹槽整体加工在所述隔板上，也可将所述漩涡状凸起加工后安装在所述隔板上并与所述隔板相应侧壁形成所述凹槽，组成可拆卸结构。
17.例如，采用所述可拆卸结构时，所述漩涡状凸起可通过紧固件与所述隔板固定连接。
18.例如，所述凹槽内的所述漩涡状凸起包含金属铜、石墨、钴基金属和非金属纤维至少之一。
19.例如，所述漩涡状凸起的面积小于所述凹槽内的非凸起部分的面积。
20.例如，所述漩涡状凸起包含一种或一种以上相同或不同凸起条纹形状。
21.例如，所述漩涡状凸起的旋向与所述叶轮的旋向相同。
22.例如，所述叶轮和所述漩涡状凸起的旋向都是顺时针旋向的或逆时针旋向的。
23.根据本公开的至少一个实施例，提供一种磁悬浮压缩机，所述磁悬浮压缩机包括任一所述防气体回流的结构。
24.例如，所述磁悬浮式压缩机还包括：壳体，以及电机定子，所述防气体回流的结构设置在远离所述电机定子的两端。
25.根据本公开的至少一个实施例，还提供一种透平电机系统，包括任一所述磁悬浮式压缩机。
附图说明
26.图1a为本发明实施例提供的一种防气体回流的结构的剖视图。
27.图1b为图1的凸起部分附近结构的局部放大图；图2a为凹槽上带有一种防气体回流的结构的凸起条纹的隔板主视图；图2b为凹槽上带有两种防气体回流的结构的凸起条纹的隔板主视图；图3 为防气体回流的结构的凸起为矩形凸起的示意图；图4 为防气体回流的结构的凸起为梯形凸起的示意图；图5 为防气体回流的结构的凸起为圆柱形凸起的示意图；图6 为防气体回流的结构的凸起为三角柱形凸起的示意图；图7 a为防气体回流的结构的凸起的一种可拆卸结构示意图;以及
图7b为图7a中虚线框部分的放大图。
28.图8为带有防气体回流的结构的磁悬浮压缩机的结构示意图。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本公开一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在无需做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
30.除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。。
31.此外，图中各元件或部分的尺寸和大小不反应实际元件或部分的尺寸和大小，而仅是示意性的。
32.本发明的实施例公开了一种防气体回流的结构。如图1a
‑
1b所示，所述结构包括：叶轮1，蜗壳2，转轴3，以及隔板4。
33.所述防气体回流的结构可应用于透平电机系统（例如压缩机、膨胀机、输送流体的泵等）中。
34.例如，所述可能回流的气体为磁悬浮式压缩机中的叶轮1转动产生的高温高压气体。
35.所述高温高压气体的温度与压强是相对于磁悬浮式压缩机入口处气体的温度与压强，因为一定质量的气体，其压强上升的同时其温度也上升，气体的温度和压强由理想气体方程pv = nrt 获得，其中，p是指理想气体的压强，v为理想气体的体积，n表示气体物质的量，t表示理想气体的热力学温度，r为理想气体常数。
36.例如，对于普通空气压缩机，压缩机入口处的空气的温度是25
°
左右，经叶轮做功加压后，出口处的气体可达80
°
左右。此时出口处80
°
的气体相对入口处25
°
的气体压强与温度都得到提升，因此出口处的气体即可被称为高温高压气体。
37.又例如，对于水蒸气压缩机，压缩机入口处的空气的温度是80
°
左右，经叶轮做功加压后，出口处的气体的温度可达120
°
左右。此时出口处120
°
的气体相对入口处80
°
的气体压强与温度都得到提升，因此出口处的气体即可被称为高温高压气体。本发明的实施例中，压缩机入口处的气体经由叶轮1对其做功，压强提升的同时温度也被提升。
38.因此，本文中，高温高压气体指的是经过叶轮1做功后的气体。例如，本文中的高温高压气体指从压缩机入口处流入叶轮1的中心后在叶轮1离心力作用下，被甩到叶轮边缘处的气体。
39.如图2所示，所述隔板4中心处有圆孔30，所述转轴3从所述圆孔30穿过隔板4。所述圆孔30外圈有圆形凹槽40，所述圆形凹槽40直径略大于所述叶轮1最大外径。所述叶轮1部
分设置在所述隔板4的凹槽40内，叶轮外缘与所述凹槽40形成气体回流通道10。所述凹槽40上设置有漩涡状凸起50。所述漩涡状凸起50是从所述圆孔30中心开始沿所述圆孔30的圆周均匀分布并连接至圆形凹槽40内径的。
40.结合图1a
‑
1b和图2，所述叶轮高速旋转时，叶轮背部的气体沿着所述凹槽40上的漩涡状凸起50从叶轮背部中心流向叶轮背部边缘，通过所述气体回流通道10流向电机外部，并在所述气体回流通道10处形成高压区。
41.例如，结合所述叶轮本身高速旋转产生的向电机外部的离心力，所述从叶轮背部中心向叶轮背部外缘流动的高压气体可防止叶轮正面旋转产生的高温高压气体回流进入电机内部。
42.所述凹槽40上的漩涡状凸起50的高度，可结合叶轮背部11与凹槽底部的距离进行调整，通过控制漩涡状凸起50与叶轮背部11的距离20，使漩涡状凸起50起到密封作用，图中距离20的长度仅为示意，例如，如图1b。
43.本公开的实施例还提供一种磁悬浮式压缩机，包括所述防气体回流的结构。在一个实施例中，当磁悬浮式压缩机工作时，通过调整所述漩涡状凸起50的各项参数（例如，漩涡状凸起50的凸起条个数，圆弧度数等等）可改变叶轮背部中心流向叶轮背部外缘的气体压强。结合叶轮边缘本身的离心力作用，可完全防止叶轮正面产生的高温高压气体回流。因此，本发明实施例的磁悬浮式压缩机不会因为密封问题产生高压气体的动能损耗。例如，圆弧的圆心角范围在0
°
~90
°
之间。
44.例如，所述漩涡状凸起的旋向与所述叶轮的旋向相同。例如，所述叶轮是顺时针旋向的，那么所述漩涡状凸起的漩涡旋向也是顺时针的，或者两者的旋向都是逆时针的。
45.例如，所述漩涡状凸起50与所述叶轮背部11之间的距离为叶轮半径的0.1%
‑
3%。
46.进一步地，例如，考虑到叶轮正面产生的高温高压气体通过所述气体回流通道10进入电机内部的情况，所述漩涡状凸起50具有密封作用（例如，利用叶轮的旋转作用及与叶轮旋向相反的漩涡状结构，产生向外推出气体的作用），且漩涡状凸起50的条纹与条纹之间的空间较大，在阻止高压气体回流的同时对气体动能的损耗相对于迷宫密封而言较小。
47.进一步地，例如，如图3、4、5、6所示，所述漩涡状凸起50的形状可设计成矩形凸起条，圆形凸起条，圆柱形凸起条，三角柱形凸起条等形状，但是，本公开的实施例并不限于此。
48.进一步地，例如，所述漩涡状凸起50包含的凸起条的形状大于等于一种形状，即所述旋涡状凸起50可以包括一种或多种不同凸起形状的凸起条。例如，如图2(b)所示，除了第一凸起条51，还可以设置第二凸起条52，以此类推，也可在现有的漩涡状凸起条的基础上增加第三凸起条、第四凸起条。但是本公开的实施例并不限于此。
49.进一步地，例如，所述漩涡状凸起50可与所述凹槽40整体加工在所述隔板4上，也可如图7a
‑
7b所示，将所述漩涡状凸起50及所述凹槽40加工成一体后安装在所述隔板4上，组成可拆卸结构。例如，将所述漩涡状凸起50加工在一底板上，带有凸起的该底板的最小厚度小于所述隔板4的厚度，并且所述隔板底部加工有缺口，所述凸起部分的底板与该缺口厚度相等，并利用紧固件将凸起部分的底板与所述隔板4的底部在缺口处固定连接起来自然形成圆形凹槽40，组成可拆卸结构。
50.进一步地，例如，凹槽40内的漩涡状凸起50材料可为金属铜、石墨、钴基金属或非
金属纤维。但是本公开的实施例并不限于此。
51.如图8所示，所述磁悬浮式压缩机还可以包括：壳体5，以及电机定子6。例如，在图8所示的磁悬浮式压缩机中，设置了两个防高温高压气体回流的结构，所述结构均包括漩涡状凸起。
52.本发明的实施例还提供一种透平电机系统，包括任一所述磁悬浮式压缩机。
53.以上所述，仅是本发明的示例实施例，并非对本发明的限制，依据本发明的精神和原理对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明要求保护的范围。