[发明专利]一种基于气体轴承的氢透平膨胀装置及方法

说明书

本发明涉及一种基于气体轴承的氢透平膨胀装置及方法，装置包括气体轴承组件、密封组件和转子系统，转子系统包裹于气体轴承组件和密封组件之内；转子系统包括驱动轮、转子主轴和制动部，驱动轮和制动部分别设置于转子主轴的两端，驱动轮通过氢气驱动气进行驱动；气体轴承组件与转子主轴配合，密封组件设置在转子主轴靠近驱动轮的一端，气体轴承组件中通入轴承气，在通入氢气密封气的密封组件隔绝下，轴承气在气体轴承组件与转子主轴之间形成气膜；轴承气为转子主轴的耐受气体。本发明通过耐受气体作为转子系统的润滑，保障氢透平膨胀装置运行，气体轴承承载力强且能有效避免氢脆和驱动气污染问题，氢气液化效果好。

技术领域

本发明属于氢能应用技术领域，具体涉及一种基于气体轴承的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。

现有技术中也有在透平膨胀机中使用气体轴承的相关设计，从系统回路中抽取高压氢气对轴承进行供气。但是当氢气作为轴承气进入系统与转子轴接触时，转子轴的高机械强度材料在氢气环境中会产生氢脆问题，并且氢的密度和粘度比空气、氦气和其他常见气体都低，导致基于氢的气体轴承承载力较低，无法满足透平膨胀机的要求。

因此，如何设计一种气体轴承承载力强且能有效避免氢脆和驱动气污染问题的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基于气体轴承的氢透平膨胀装置及方法，通过非氢气体作为转子系统的润滑，保障氢透平膨胀装置运行，气体轴承承载力强且能有效避免氢脆和驱动气污染问题，氢气液化效果好。

第一方面，本发明提供了一种基于气体轴承的氢透平膨胀装置，其特征在于，包括气体轴承组件、密封组件和转子系统，所述转子系统包裹于所述气体轴承组件和所述密封组件之内；

所述转子系统包括驱动轮、转子主轴和制动部，所述驱动轮和所述制动部分别设置于所述转子主轴的两端，所述驱动轮通过氢气驱动气进行驱动；

所述气体轴承组件与所述转子主轴配合，向所述气体轴承组件中通入轴承气，以在所述气体轴承组件与所述转子主轴之间形成气膜，所述密封组件设置在所述转子主轴靠近所述驱动轮的一端，向所述密封组件中通入氢气密封气，以隔绝所述轴承气与所述氢气驱动气混合的途径，其中，所述轴承气为所述转子主轴的耐受气体。

进一步地，所述气体轴承组件包括至少一个止推轴承、至少一个止推径向混合轴承和至少一个径向轴承；

所述转子主轴包括依次相互连接的驱动轮轴颈、至少两个径向轴、至少一个止推盘和制动部轴颈，相邻两个所述径向轴之间设有连接轴；所述密封组件与所述驱动轮轴颈配合固定，所述止推轴承与所述制动部轴颈配合固定，所述径向轴承与所述径向轴配合固定，在靠近所述止推盘的所述径向轴上采用所述止推径向混合轴承进行配合固定。