CN108625917A - 一种超临界二氧化碳布雷顿循环动力部件冷却密封隔热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超临界二氧化碳布雷顿循环动力部件冷却密封隔热系统：包括机壳与主轴之间的环状间隙，环状间隙的一端与压缩机侧泄漏间隙相连通，另一端设置有冷热工质混合腔室，冷热工质混合腔室与透平侧泄漏间隙相连通，机壳上设置有与冷热工质混合腔室相连通的排气孔。本发明的机壳与主轴之间具有环状间隙，可将压缩机侧的低温泄漏流引入机壳内，以冷却电机，并于冷热工质混合腔室内与透平侧高温泄漏流混合后通过排气孔引出至循环系统冷却器，可防止高温工质损坏主轴及轴承、线圈，结构简单。另外，本发明中利用隔热套筒将主轴与高温工质及透平完全隔开，有效解决了透平向主轴传递热量的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的动力部件，具体涉及该动力部件的冷却密封隔热系统。
背景技术
超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统具有循环效率高、能量密度高、结构紧凑、建造成本低等诸多优势，在新兴和传统能源领域，均被认为是最具有发展前景的能量转换系统之一。
动力部件作为超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的核心部件之一，其主要包括压缩机、透平、电机、轴承和密封等，对于小功率循环系统，动力部件常采用透平-电机-压缩机(T-A-C)布置方案，即透平、电机和压缩机同轴布置，透平和压缩机分别安装于电机转轴(主轴)的两侧，电机两侧布置有径向轴承和推力轴承，透平与轴承之间及压缩机与轴承之间均布置有迷宫密封。
动力部件在高转速条件下运行时，电机转子和定子上的线圈会产生大量的热量，同时不可避免的会有部分高温、高压的二氧化碳工质经由透平叶轮轮背间隙和迷宫密封泄漏进入电机腔室，导致电机腔室内热量集聚，温度迅速增高，使电机转子发生失磁，甚至损坏定子上的线圈及轴承；除此之外，透平侧在高温、高压的工况条件下工作时，会有部分热量经由透平传导至电机转轴，导致转轴温度升高，损坏电机转子。为了避免以上情况的发生，动力部件需配备一套冷却密封隔热系统。冷却密封隔热系统的结构对动力部件的安全性、稳定性及系统复杂性有很大影响。目前，在超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的动力部件中，常采用在电机线圈外布置水冷通道，同时在动力部件壳体上布置排气管道并通过增压泵将高温泄漏流体泵出的冷却方案以降低高温对动力部件的影响。该冷却方案可有效降低电机腔室内的温度，确保动力部件的安全性，但同时也增加了系统的复杂性，且不能有效解决透平与电机转轴之间的导热问题，若透平端在较高温度条件下工作，会对动力部件的安全性产生很大影响。
综上所述，目前亟待提出一种高效的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统动力部件冷却密封隔热系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有冷却密封隔热系统的不足，提供一种高效的超临界二氧化碳布雷顿循环动力部件冷却密封隔热系统。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
该动力部件冷却密封隔热系统包括机壳以及设置于机壳内的主轴，所述机壳的两端设置有迷宫密封，机壳其中一端(压缩机侧)的迷宫密封与设置于主轴一端的压缩机叶轮相配合，另一端(透平侧)的迷宫密封与设置于主轴另一端的透平叶轮相配合，所述机壳与主轴之间留有环状间隙，所述环状间隙的一端通过对应端(压缩机侧)迷宫密封的径向间隙与压缩机叶轮轮背泄漏间隙相连通，环状间隙的另一端设置有冷热工质混合腔室，冷热工质混合腔室通过对应端(透平侧)迷宫密封的径向间隙与透平叶轮轮背泄漏间隙相连通，机壳上设置有与冷热工质混合腔室相连通的排气孔，排气孔与设置于机壳外的冷却器相连。
优选的，所述环状间隙包括用于将自压缩机叶轮轮背泄漏间隙(及压缩机侧迷宫密封的径向间隙)进入机壳内的泄漏流(工质)沿朝向冷热工质混合腔室方向输送的依次连通的第一冷却通道、第二冷却通道、第三冷却通道、第四冷却通道、第五冷却通道和第六冷却通道；所述第一冷却通道及第六冷却通道为设置于机壳上的一对保护轴承各自与主轴之间的间隙；所述第二冷却通道及第五冷却通道为设置于机壳上的一对径向磁悬浮轴承各自与主轴之间的间隙；所述第三冷却通道为设置于机壳上的推力磁悬浮轴承与设置于主轴上的推力盘之间的间隙；所述第四冷却通道为设置于机壳上的电机定子线圈与设置于主轴上的电机转子之间的间隙。
优选的，所述冷热工质混合腔室由第六冷却通道出口端面、主轴、透平叶轮、对应端(透平侧)迷宫密封及机壳设置排气孔的区域共同包围而成；所述排气孔布置于冷热工质混合腔室上方的机壳对应区域中。
优选的，所述冷热工质混合腔室通过流经第一至第六冷却通道的自压缩机端(压缩机叶轮轮背泄漏间隙)泄漏进入机壳的高压冷流体将自透平端(透平叶轮轮背泄漏间隙)泄漏进入机壳的高压热流体与主轴隔绝开，冷、热流体在此腔室混合并经由排气孔排出，所述排气孔出口通过管道与循环系统冷却器高温侧入口相连，冷热混合流体在该冷却器高温侧放热后通过该冷却器引出至压缩机叶轮的工质入口处。
优选的，所述机壳的端面上设置有销钉，销钉的一端与设置于机壳上的销钉孔通过紧密配合的方式固定，销钉的长度大于销钉孔的深度，销钉的另一端与设置于迷宫密封上的机壳侧的孔间隙配合(径向间隙和轴向间隙)。
优选的，所述迷宫密封包括环形的可磨损石墨密封体，压缩机叶轮及透平叶轮的轮背侧设置有与机壳对应端迷宫密封的可磨损石墨密封体的内圈接触的径向密封齿，压缩机侧迷宫密封由可磨损石墨密封体及压缩机叶轮轮背上的径向密封齿共同构成，透平侧迷宫密封由可磨损石墨密封体及透平叶轮轮背上的径向密封齿共同构成。可磨损石墨密封体靠近机壳的端面依靠泄漏流的压力与对应机壳轴向端面紧密接触。压缩机叶轮轮背泄漏间隙位于压缩机叶轮的轮背侧与压缩机侧迷宫密封的可磨损石墨密封体远离机壳的端面之间，透平叶轮轮背泄漏间隙位于透平叶轮的轮背侧与透平侧迷宫密封的可磨损石墨密封体远离机壳的端面之间。
优选的，所述动力部件冷却密封隔热系统还包括隔热套筒以及连接杆，隔热套筒设置于主轴与透平叶轮之间，连接杆贯穿透平叶轮，连接杆伸出透平叶轮的一端设置有隔热导流帽(位于透平叶轮工质出口处)，隔热导流帽将高压热流体与连接杆分隔开，连接杆的另一端与主轴相连。
优选的，所述隔热套筒通过过盈配合或螺纹连接方式设置于主轴上，隔热套筒自主轴端部向内延伸至覆盖冷热工质混合腔室所在主轴侧面区域，所述隔热套筒将主轴与高压热流体及透平叶轮完全隔开，避免与主轴直接接触。
优选的，所述连接杆通过螺纹连接方式与主轴相连或固定在主轴上，主轴中心线与连接杆中心线重合，透平叶轮通过过盈配合方式与设置在主轴上的隔热套筒接触，并确定透平叶轮径向位置，透平叶轮与连接杆之间存在一定间隙(使透平叶轮与连接杆不接触)，隔热导流帽采用盖式螺帽，固定透平叶轮轴向位置。
优选的，所述隔热套筒及隔热导流帽采用导热系数低、热传导性能差的金属材料，如镍铬钼耐蚀合金Inconel 625、铸造高温合金K4002、钛合金TC4以及钛合金TC11等。
本发明的有益效果体现在：
本发明所述的冷却密封隔热系统具有位于机壳与主轴之间的环状间隙，可将压缩机侧的低温泄漏流引入机壳内，以冷却电机，并于冷热工质混合腔室内封堵透平侧高温泄漏流，冷热工质混合后通过排气孔引出，可以防止高温工质损坏主轴和轴承、线圈，且结构简单、可靠。
进一步的，本发明中，冷热工质混合腔室内的流体经由排气孔排出至循环系统冷却器高温侧入口，无需额外增压泵装置，系统安全性高。
进一步的，本发明中，在主轴与透平叶轮之间布置有隔热套筒，可有效解决透平向主轴传递热量的问题。
进一步的，本发明中，隔热套筒将主轴与高温工质及透平完全隔开，同时透平叶轮通过过盈配合方式固定于主轴，与隔热套筒接触，并径向定位，透平叶轮与连接杆不接触，连接杆伸出端使用隔热导流帽固定透平轴向位置，可减少透平叶轮及高温工质传递到主轴的热量，提高动力部件的安全性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图之一；
图2为本发明的结构示意图之二；
图中：1为压缩机叶轮，2为压缩机叶轮轮背泄漏间隙，3为可磨损石墨迷宫密封，4为销钉，5、7、10、13、14、15依次为第一冷却通道、第二冷却通道、第三冷却通道、第四冷却通道、第五冷却通道、第六冷却通道，6为保护轴承，8为径向磁悬浮轴承，9为推力磁悬浮轴承，11为电机转子，12为电机定子线圈，16为冷热工质混合腔室，17为排气孔，18为隔热套筒，19为透平叶轮轮背泄漏间隙，20为透平叶轮，21为隔热导流螺帽，22为连接杆，23为主轴，24为机壳。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
目前常用的超临界二氧化碳布雷顿循环动力部件冷却密封隔热系统需要额外的水冷装置及增压泵，结构复杂，且不能解决透平与主轴之间热量传递问题。针对这一问题，本发明提供一种高效的冷却密封隔热系统，可简化动力部件冷却密封隔热系统且能有效减少透平与主轴之间传递的热量。
实施例1
本发明提供的一种超临界二氧化碳布雷顿循环动力部件冷却密封隔热系统如图1所示，该冷却密封隔热系统包括压缩机叶轮轮背泄漏间隙2、机壳24两端布置的可磨损石墨迷宫密封3、多个依次布置并连通的冷却通道、冷热工质混合腔室16、排气孔17、隔热套筒18、透平叶轮轮背泄漏间隙19、连接杆22及隔热导流螺帽21。经由压缩机叶轮轮背泄漏间隙2及迷宫密封进入冷却通道的二氧化碳循环工质作为冷却密封隔热系统的冷却工质。
所述机壳24上布置有销钉4，且销钉4与机壳24紧密配合，销钉4的长度大于机壳24上销钉孔的深度，可磨损石墨迷宫密封3在机壳侧布置的孔与销钉4间隙配合。压缩机侧(图1中左侧)及透平侧(图1中右侧)可磨损石墨迷宫密封3包括在压缩机叶轮1及透平叶轮20对应轮背侧布置的径向密封齿及与该密封齿相接触的环形石墨密封体，可磨损石墨迷宫密封3依靠泄漏流的压力与机壳24轴向端面紧密接触，可磨损石墨迷宫密封3与机壳24轴向端面紧密接触可避免工质从机壳24与迷宫密封的接触面泄漏进冷却通道，销钉4与迷宫密封间隙配合可保证迷宫密封的安全性，防止主轴23在旋转过程中损坏迷宫密封，同时径向密封齿与环形石墨密封体相接触(具有位于密封内部的径向间隙)可最大限度的降低压缩机叶轮和透平叶轮轮背泄漏间隙的泄漏量。
为防止动力部件在运行过程中意外失效的情况发生，在压缩机侧可磨损石墨迷宫密封3下游及透平侧可磨损石墨迷宫密封3上游设有保护轴承6，当磁悬浮轴承失效时，保护轴承6可支撑主轴23继续转动，避免主轴与其他静止部件直接接触，发生安全事故，保护轴承6可选择为球轴承。所述保护轴承6固定在机壳24内壁上，不与主轴23接触，两者(主轴23与保护轴承6)之间的环形间隙构成第一冷却通道5及第六冷却通道15；压缩机侧保护轴承6下游及透平侧保护轴承6上游设有径向磁悬浮轴承8，其固定在机壳24内壁上，通过与主轴23之间的磁力来固定主轴23的径向位置，与主轴23不接触，二者(主轴23与径向磁悬浮轴承8)之间的环形间隙构成第二冷却通道7及第五冷却通道14；压缩机侧径向磁悬浮轴承8下游设有推力磁悬浮轴承9，其安装在机壳24内壁上，通过与固定在主轴23上的推力盘之间的磁力来确定主轴23的轴向位置，与推力盘不接触，二者(推力磁悬浮轴承9与推力盘)之间的环形间隙构成第三冷却通道10；所述推力磁悬浮轴承9下游设有电机定子线圈12，电机定子线圈12固定在机壳24上，与固定在主轴23上的电机转子11不接触，二者(电机定子线圈12与电机转子11)之间的环形间隙构成第四冷却通道13。冷却工质依次流经第一、第二、第三、第四、第五和第六冷却通道5、7、10、13、14、15，冷却电机定子线圈12及主轴23，随后进入冷热工质混合腔室16。
所述冷热工质混合腔室16由第六冷却通道15出口端面、主轴23、透平叶轮20、机壳24及透平侧可磨损石墨迷宫密封3共同包围而成，经由第六冷却通道15流出的冷却工质将经由透平叶轮轮背泄漏间隙19和透平侧可磨损石墨迷宫密封3的环形石墨密封体与透平叶轮轮背侧密封齿之间的径向间隙进入的高温工质封堵在该腔室内，并经由布置于腔室上方的排气孔17排出，该布置方式可防止高温工质进入冷却通道损坏轴承、线圈及主轴等，且无需额外的排气设备，降低了动力部件冷却密封隔热系统的复杂性。
所述隔热套筒18位于主轴23与透平叶轮20之间，通过过盈配合或螺纹连接方式布置于主轴23端面，主轴23端面位于中轴线处设置有定位孔，隔热套筒18自主轴23端部向内延伸，直至隔热套筒18外侧面覆盖冷热工质混合腔室16所在主轴侧面区域，而隔热套筒18内侧面覆盖主轴内部定位孔侧面。所述隔热套筒18将主轴23与高压热流体及透平叶轮20完全隔开，避免与主轴23直接接触。连接杆22通过螺纹连接方式与主轴23相连，主轴23中心线与连接杆22中心线重合，透平叶轮20通过过盈配合方式固定于主轴23定位孔处，与隔热套筒18接触，并径向定位，连接杆22贯穿透平叶轮20，透平叶轮20与连接杆22不接触，所述隔热导流螺帽21布置于透平叶轮20出口端并与连接杆22伸出端相连，用于固定透平叶轮20轴向位置，该布置可减少透平叶轮20及高温工质传递到主轴的热量，提高动力部件的安全性。
实施例2
参见图2，所述隔热套筒18位于主轴23与透平叶轮20之间，通过过盈配合或螺纹连接方式布置于主轴23端面，隔热套筒18自主轴23端部向内延伸，直至隔热套筒18侧面覆盖冷热工质混合腔室16所在主轴侧面区域。所述隔热套筒18将主轴23与高压热流体及透平叶轮20完全隔开，避免与主轴23直接接触。所述连接杆22固定于主轴23上，主轴23中心线与连接杆22中心线重合。透平叶轮20通过过盈配合方式与隔热套筒18相连，连接杆22贯穿透平叶轮，透平叶轮20与连接杆22不接触，所述隔热导流螺帽21布置于透平叶轮20出口端并与连接杆22伸出端相连，用于固定透平叶轮20的轴向位置。
与实施例1相比，实施例2中连接杆22与主轴23为一体，主轴23中轴线处无定孔，制造加工更为简单方便，但实施例2中隔热套筒18与透平叶轮20接触面积较大，对主轴23的隔离效果有所降低。
以上各实施例中，冷却工质为经由压缩机叶轮轮背泄漏间隙2及压缩机侧可磨损石墨迷宫密封3内部进入冷却通道的高压低温的超临界二氧化碳工质，冷却工质依次流过第一冷却通道5至第六冷却通道15，冷却电机线圈及主轴，同时在第六冷却通道15出口处将由透平叶轮轮背泄漏间隙19及透平侧可磨损石墨迷宫密封3内部进入的高温的超临界二氧化碳工质封堵在冷热工质混合腔室16内，防止高温工质进入冷却通道损坏轴承、线圈及主轴等。封堵在冷热工质混合腔室16内的混合工质经由排气孔17排出至循环系统冷却器高温侧入口，与冷却器冷端工质完成热量交换后重新回到循环系统压缩机叶轮入口处继续参与系统循环。
Claims (10)
1.一种超临界二氧化碳布雷顿循环动力部件冷却密封隔热系统，其特征在于：该动力部件冷却密封隔热系统包括机壳(24)以及设置于机壳(24)内的主轴(23)，所述机壳(24)的两端设置有迷宫密封，机壳(24)一端的迷宫密封与设置于主轴(23)一端的压缩机叶轮(1)相配合，机壳(24)另一端的迷宫密封与设置于主轴(23)另一端的透平叶轮(20)相配合，机壳(24)与主轴(23)之间留有环状间隙，环状间隙的一端通过对应端迷宫密封的径向间隙与压缩机叶轮轮背泄漏间隙(2)相连通，环状间隙的另一端设置有冷热工质混合腔室(16)，冷热工质混合腔室(16)通过对应端迷宫密封的径向间隙与透平叶轮轮背泄漏间隙(19)相连通，机壳(24)上设置有与冷热工质混合腔室(16)相连通的排气孔(17)，排气孔(17)与设置于机壳(24)外的冷却器相连。
2.根据权利要求1所述一种超临界二氧化碳布雷顿循环动力部件冷却密封隔热系统，其特征在于：所述环状间隙包括用于将自压缩机叶轮轮背泄漏间隙(2)进入机壳(24)内的泄漏流沿朝向冷热工质混合腔室(16)方向输送的依次连通的第一冷却通道(5)、第二冷却通道(7)、第三冷却通道(10)、第四冷却通道(13)、第五冷却通道(14)和第六冷却通道(15)；所述第一冷却通道(5)及第六冷却通道(15)为设置于机壳(24)上的保护轴承(6)与主轴(23)之间的间隙；所述第二冷却通道(7)及第五冷却通道(14)为设置于机壳(24)上的径向磁悬浮轴承(8)与主轴(23)之间的间隙；所述第三冷却通道(10)为设置于机壳(24)上的推力磁悬浮轴承(9)与设置于主轴(23)上的推力盘之间的间隙；所述第四冷却通道(13)为设置于机壳(24)上的电机定子线圈(12)与设置于主轴(23)上的电机转子(11)之间的间隙。
3.根据权利要求2所述一种超临界二氧化碳布雷顿循环动力部件冷却密封隔热系统，其特征在于：所述冷热工质混合腔室(16)由所述第六冷却通道(15)出口端面、主轴(23)、透平叶轮(20)、对应端迷宫密封及机壳(24)共同包围而成；所述排气孔(17)布置于冷热工质混合腔室(16)上方的机壳(24)对应区域中。
4.根据权利要求1所述一种超临界二氧化碳布雷顿循环动力部件冷却密封隔热系统，其特征在于：所述压缩机叶轮轮背泄漏间隙(2)泄漏的高压冷流体和透平叶轮轮背泄漏间隙(19)泄漏的高压热流体在冷热工质混合腔室(16)混合，排气孔(17)通过所述冷却器引出至压缩机叶轮(20)的工质入口侧。
5.根据权利要求1所述一种超临界二氧化碳布雷顿循环动力部件冷却密封隔热系统，其特征在于：所述机壳(24)的端面上固定有销钉(4)，销钉(4)与设置于迷宫密封机壳侧上的孔间隙配合。
6.根据权利要求1所述一种超临界二氧化碳布雷顿循环动力部件冷却密封隔热系统，其特征在于：所述迷宫密封包括与对应机壳(24)端面接触的环形的可磨损密封体，压缩机叶轮(1)及透平叶轮(20)的轮背侧设置有与机壳(24)对应端迷宫密封的可磨损密封体的内圈接触的径向密封齿。
7.根据权利要求1所述一种超临界二氧化碳布雷顿循环动力部件冷却密封隔热系统，其特征在于：所述动力部件冷却密封隔热系统还包括隔热套筒(18)以及连接杆(22)，隔热套筒(18)设置于主轴(23)与透平叶轮(20)之间，连接杆(22)贯穿透平叶轮(20)，连接杆(22)伸出透平叶轮(20)的一端设置有隔热导流帽，连接杆(22)的另一端与主轴(23)相连。
8.根据权利要求7所述一种超临界二氧化碳布雷顿循环动力部件冷却密封隔热系统，其特征在于：所述隔热套筒(18)通过过盈配合或螺纹连接方式设置于主轴(23)上，隔热套筒(18)自主轴(23)端部向内延伸至覆盖冷热工质混合腔室(16)所在主轴(23)侧面区域。
9.根据权利要求7所述一种超临界二氧化碳布雷顿循环动力部件冷却密封隔热系统，其特征在于：所述连接杆(22)通过螺纹连接方式与主轴(23)相连或固定在主轴(23)上，主轴(23)中心线与连接杆(22)中心线重合，透平叶轮(20)通过过盈配合方式与隔热套筒(18)相连，透平叶轮(20)与连接杆(22)不接触。
10.根据权利要求7所述一种超临界二氧化碳布雷顿循环动力部件冷却密封隔热系统，其特征在于：所述隔热套筒(18)采用金属材料，隔热导流帽采用盖式螺帽。
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