[发明专利]一种磁浮氢透平膨胀装置及方法

说明书

本发明涉及一种磁浮氢透平膨胀装置及方法，装置包括磁浮轴承组件和转子系统，所述转子系统包裹于所述磁浮轴承组件之内；所述转子系统包括转子主轴和分别设置于所述转子主轴两端的第一驱动轮与第二驱动轮，所述转子主轴包括制动电机转子，所述制动电机转子外侧设置相配合的制动电机定子；所述磁浮轴承组件包括径向轴承和轴向轴承，用于通电后形成悬浮固定所述转子系统的承载力。本发明通过采用磁浮轴承减小摩擦，避免污染氢气驱动气，并且采用制动电子转子和定子对轴功进行消耗，采用双驱动轮对转子系统进行驱动，装置运行效率高，能源利用率较高。

技术领域

本发明属于氢能应用技术领域，具体涉及一种磁浮氢透平膨胀装置及方法。

背景技术

氢透平膨胀装置是氢液化装置的核心关键部件，该设备利用工质流动时速度的变化来进行能量转换，工质在透平膨胀机的通流部分中膨胀获得动能，并由膨胀轮向外输出功，降低膨胀机出口工质的内能和温度。国内现有正在运行的液氢生产装置大都是基于氦气制冷循环的，由于氦物性与氢物性相差很大，存在较大的换热损失，氦气制冷循环装置的效率整体不高，因而采用氢透平膨胀机是液氢生产装置未来的发展方向。

在透平膨胀机运转的过程中，现有技术大多采用油路系统为轴承提供润滑，以保障膨胀机的正常运行。例如，专利文献CN108759146A中公开了一种氢透平膨胀装置，该装置通过氢气膨胀做功进行制冷，为氢液化提供足够深度的冷量需求，将循环氢气从涡轮的氢气入口通入涡轮，通过循环氢气对涡轮内的叶轮做功而实现对循环氢气的透平膨胀，其中采用循环油路对各轴承循环提供润滑油，以减小摩擦。

该装置能够更好地提供氢气液化需要的冷量，但是轴承润滑采用的润滑油容易泄露进入系统，造成系统污染难以处理，而且润滑油系统复杂，不利于技术发展。

现有技术中也有在氢透平膨胀机中使用磁浮轴承的相关设计。例如，专利文献CN214501885U中公开了一种全低温循环氢液化器，基于磁悬浮轴承技术的透平压缩和膨胀技术，采用低温循环降低漏热和耗功，采用冷压缩机代替常温压缩机，采用非接触磁悬浮轴承代替机械轴承和气体轴承实现轴承长时间无损运转，从而提高了运行稳定性。

但是，由于制作转子的材料对机械强度的要求较高，目前适合做轴的材料在氢气环境中都存在氢脆问题，而没有氢脆问题的材料大多都不适合做轴的材料，因此，氢气驱动气通入该装置时容易引起氢脆问题，导致装置使用耐久度和稳定性较差。且上述方案中采用制动的方式消耗轴功，能源利用率低，同时这导致转子系统只能采用单个驱动轮进行驱动，装置工作效率不够高。

因此，如何设计一种工作效率高且能源利用率高的磁浮氢透平膨胀装置成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种磁浮氢透平膨胀装置及方法，采用磁浮轴承减小摩擦，避免污染氢气驱动气，并且采用制动电机转子和定子对轴功进行消耗，采用双驱动轮对转子系统进行驱动，装置运行效率高，能源利用率较高。

第一方面，本发明提供了一种磁浮氢透平膨胀装置，包括磁浮轴承组件和转子系统，所述转子系统包裹于所述磁浮轴承组件之内；

所述转子系统包括转子主轴和分别设置于所述转子主轴两端的第一驱动轮与第二驱动轮，所述转子主轴包括制动电机转子，所述制动电机转子外侧设置相配合的制动电机定子，用于将轴功以电能的形式转出；

所述磁浮轴承组件包括径向轴承和轴向轴承，用于通电后形成悬浮固定所述转子系统的承载力。

进一步地，所述转子主轴还包括与其同轴设置的止推盘，所述轴向轴承包括分设在止推盘两侧的第一轴向轴承和第二轴向轴承，第一轴向轴承和第二轴向轴承内分别包裹有第一轴向线圈和第二轴向线圈，所述第一轴向线圈与所述第二轴向线圈相对设置；