CN109653809A - 冲击式超临界co2高速涡轮发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供冲击式超临界CO2高速涡轮发电机，主要由超临界CO2进口管、喷嘴、超临界CO2出口管、涡轮机壳体、叶轮、旋转轴、壳体推力轴承、密封轴承、尾盖、联轴器、发电机等部件构成，涡轮机壳体上面设置超临界CO2进口管，下面设置超临界CO2出口管；超临界CO2进口管通过喷嘴高速通入涡轮机，冲击旋转轴上的叶轮；旋转轴上的叶轮呈双碗状水斗形状，为沿圆周均匀布置；旋转轴从前端到后端依次组装壳体推力轴承、叶轮和密封轴承，然后将组装好的旋转轴装入涡轮机壳程，旋转轴前端的壳体推力轴承与壳体后端直连的尾盖通过镶嵌形成配合，旋转轴后端的密封轴承与壳体前端连接；泵轴前端顶部通过与联轴器与发电机连接。
Description
一、技术领域
本发明涉及机械设备领域，特别地，涉及转动轴的非接触式密封结构。
二、背景技术
超临界CO2(SCO2)发电技术采用SCO2作为工作介质、在超临界压力下以封闭的布雷顿热力循环做功，功率密度高，热电转换效率远高于以蒸汽作为工作介质的传统蒸汽轮机和以燃气为介质的燃气轮机，同时避免使用昂贵的镍基高温合金，体积为蒸汽轮机的1/20～1/30，初始投资比蒸汽轮机低30％～40％，被普遍认为是具有革命性、颠覆性的国际前沿技术，是目前各国研究的热点。
SCO2发电系统包括超临界涡轮机、超临界加压泵、高速发电机、高温高压换热器、超高压密封等部件，其中超临界涡轮机和高转速发电机做成的SCO2发电机使其中的重中之重的关键部件。超临界CO2是气态和液态并存的流体，密度接近于液体，粘度接近于气体，扩散系数约为液体的100倍，对大多数有机物具有较强的溶解性。在全循环发电过程中，CO2均处于超临界状态，不发生相变，压力均大于7.38MPa，功率密度大，对涡轮机叶轮的冲量大，体积膨胀比率小。目前SCO2发电基本处于研究和小型示范阶段，大多采用多级叶片式涡轮机，并不适合体积变化小的超临界流体，反而冲击式水轮发电结构更加适合SCO2发电。另外SCO2发电的高速涡轮机出口压力也在7.38Mpa以上，易受到涡轮机润滑油以及密封填料中可溶物的污染，对旋转轴的密封和高转速要求更高，需要自润滑、无填充料、强密封性的轴端密封系统。因此，SCO2高速涡轮发电机在设计过程中，在确保高转速的前提下，既要兼顾高速精密轴承、转子运行稳定性，同时要充分考虑超临界二氧化碳工质温度、压力、密度等参数的影响问题。
三、发明内容
本发明的目的就是为了克服现有SCO2高速涡轮发电机技术存在的上述缺陷和不足而提供一种冲击式超临界CO2高速涡轮发电机，通过端面径向迷宫式密封、推力轴承、向心轴承和凸缘法兰组合的密封轴承，简化了涡轮机旋转轴的密封系统结构，解决了超临界CO2高速转动轴的超大压差密封难题；径向迷宫式无接触密封减少了摩擦生热，避免了超临界CO2极易汽化造成汽蚀的难题；尾盖与涡轮机旋转轴末端直连以及推力轴承与尾盖镶嵌配合，防止避免形成动密封泄露点，从而进一步提高了涡轮机的密封性和承压能力；通过选用自润滑的密封轴承和推力轴承，避免使用润滑剂污染超临界CO2。
本发明的技术方案：
本发明提供冲击式超临界CO2高速涡轮发电机，主要由超临界CO2进口管、喷嘴、超临界CO2出口管、涡轮机壳体、叶轮、旋转轴、壳体推力轴承、密封轴承、尾盖、联轴器、发电机等部件构成，涡轮机壳体上面设置超临界CO2进口管，下面设置超临界CO2出口管；超临界CO2进口管通过喷嘴高速通入涡轮机，冲击旋转轴上的叶轮；旋转轴上的叶轮呈双碗状水斗形状，为沿圆周均匀布置；旋转轴从前端到后端依次组装壳体推力轴承、叶轮和密封轴承，然后将组装好的旋转轴装入涡轮机壳程，旋转轴前端的壳体推力轴承与壳体后端直连的尾盖通过镶嵌形成配合，旋转轴后端的密封轴承与壳体前端连接；旋转轴前端顶部通过与联轴器与发电机连接。
喷嘴为高速射流喷嘴，个数不小于1，通过切击式或斜击式与旋转轴叶轮接触。切击式的喷嘴射流中心线与旋转轴叶轮节圆相切，斜击式的喷嘴出口射流中心与旋转轴叶轮进水平面呈一定的夹角(通常取22.5度)。
密封轴承主要由端面径向迷宫式密封、推力轴承和向心轴承组成，在T型内圈的前端面外侧沿径向依次设置环形齿的静环和推力轴承，在前端面内侧沿轴向设置着外径不小于前端面直径的向心轴承；П型外圈的后端面内侧沿径向设置环形齿的动环，动环的齿数比静环的齿数多一个；T型内圈和П型外圈装配形成密封轴承，环形齿的静环和动环凹凸配合，构成端面径向迷宫式密封，推力轴承作为端面径向迷宫式密封的限位，向心轴承成为密封轴承的滚动体。
密封轴承的外轮上带有或不带有凸缘法兰，静环的齿数为3-35，用作叶轮前后的级间密封的齿数为3-6，用作轴端密封的齿数为6～35。
壳体推力轴承的背面设有定位固定柱，尾盖设有相同个数的对应盲孔，安装时推力轴承的定位固定柱镶嵌入尾盖上对应的盲孔，定位的同时形成紧密配合固定。
四、附图说明
图1是本发明的冲击式超临界CO2高速涡轮发电机结构示意图。
图2是本发明的冲击式超临界CO2高速涡轮发电机的正面结构示意图。
图3是本发明的冲击式超临界CO2高速涡轮发电机的密封轴承结构示意图。
附图的图面设明如下：1.T型内圈、2.前端面、3.静环、4.推力轴承、5.向心轴承、6.П型外圈、7.后端面、8.动环、9.凸缘法兰、10.超临界CO2进口管、11.超临界CO2出口管、12.涡轮机壳体、13.叶轮、14.旋转轴、15.壳体推力轴承、16.密封轴承、17.尾盖、18.联轴器、19.发电机20.喷嘴。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。
冲击式超临界CO2高速涡轮发电机，主要由超临界CO2进口管(10)、超临界CO2出口管(11)、涡轮机壳体(12)、叶轮(13)、旋转轴(14)、壳体推力轴承(15)、密封轴承(16)、尾盖(17)、联轴器(13)、发电机(14)、喷嘴(20)等部件构成，涡轮机壳体(12)上面设置超临界CO2进口管(10)，下面设置超临界CO2出口管(11)；超临界CO2进口管(10)通过喷嘴(20)高速通入涡轮机，冲击旋转轴(14)上的叶轮(13)；旋转轴(14)上的叶轮(13)呈双碗状水斗形状，为沿圆周均匀布置；旋转轴(14)从前端到后端依次组装壳体推力轴承(15)、叶轮(13)和密封轴承(16)，然后将组装好的旋转轴(14)装入涡轮机壳程，旋转轴(14)前端的壳体推力轴承(15)与壳体后端直连的尾盖(17)通过镶嵌形成配合，旋转轴(14)后端的密封轴承(16)与壳体前端连接；旋转轴(14)前端顶部通过与联轴器(18)与发电机(19)连接。
喷嘴(20)为高速射流喷嘴，个数不小于1，通过切击式或斜击式与旋转轴(14)的叶轮(13)接触。
密封轴承(16)主要由端面径向迷宫式密封、推力轴承(4)和向心轴承(5)组成，在T型内圈(1)的前端面(2)外侧沿径向依次设置环形齿的静环(3)和推力轴承(4)，在前端面(2)内侧沿轴向设置着外径不小于前端面(2)直径的向心轴承(5)；П型外圈(6)的后端面(7)内侧沿径向设置环形齿的动环(8)，动环(8)的齿数比静环(3)的齿数多一个；T型内圈(1)和П型外圈(6)装配形成密封轴承，环形齿的静环(3)和动环(8)凹凸配合，构成端面径向迷宫式密封，推力轴承(4)作为端面径向迷宫式密封的限位，向心轴承(5)成为密封轴承的滚动体。
密封轴承(16)的外轮上带有或不带有凸缘法兰(9)，静环(3)的齿数为3-35，用作叶轮前后的级间密封的齿数为3-6，用作轴端密封的齿数为6～35。
壳体推力轴承(15)的背面设有定位固定柱，尾盖(17)设有相同个数的对应盲孔，安装时泵体推力轴承(15)的定位固定柱镶嵌入尾盖(17)上对应的盲孔，定位的同时形成紧密配合固定。
综上所述，本发明提供的一种冲击式超临界CO2高速涡轮发电机，通过自润滑的密封轴承和泵体推力轴承以及尾盖直连，大大简化了涡轮机结构，体积仅为蒸汽轮机的1/30～1/40，初始投资比蒸汽轮机低40％～50％，效率90％以上，使用压力高达40MPa以上，温度800℃以上，超临界CO2溶剂泄露量减少50％以上，使用寿命1倍以上，用于发电热效率大于55％，安装拆卸方便、造价也比较低，完全能够满足超临界CO2高速涡轮发电机自润滑、大流量、无填充料、强密封性的需求。
Claims (5)
1.冲击式超临界CO2高速涡轮发电机，其特征在于涡轮机壳体上面设置超临界CO2进口管，下面设置超临界CO2出口管；超临界CO2进口管通过喷嘴高速通入涡轮机，冲击旋转轴上的叶轮；旋转轴上的叶轮呈双碗状水斗形状，为沿圆周均匀布置；旋转轴从前端到后端依次组装壳体推力轴承、叶轮和密封轴承，然后将组装好的旋转轴装入涡轮机壳程，旋转轴前端的壳体推力轴承与壳体后端直连的尾盖通过镶嵌形成配合，旋转轴后端的密封轴承与壳体前端连接；旋转轴前端顶部通过与联轴器与发电机连接。
2.根据权利要求书1所述的冲击式超临界CO2高速涡轮发电机，其特征在于密封轴承主要由端面径向迷宫式密封、推力轴承和向心轴承组成，在T型内圈的前端面外侧沿径向依次设置环形齿的静环和推力轴承，在前端面内侧沿轴向设置着外径不小于前端面直径的向心轴承；П型外圈的后端面内侧沿径向设置环形齿的动环，动环的齿数比静环的齿数多一个；T型内圈和П型外圈装配形成密封轴承，环形齿的静环和动环凹凸配合，构成端面径向迷宫式密封，推力轴承作为端面径向迷宫式密封的限位，向心轴承成为密封轴承的滚动体。
3.根据权利要求书1所述的冲击式超临界CO2高速涡轮发电机，其特征在于密封轴承的外轮上带有或不带有凸缘法兰，静环的齿数为3-35，用作叶轮前后的级间密封的齿数为3-6，用作轴端密封的齿数为6～35。
4.根据权利要求书1所述的冲击式超临界CO2高速涡轮发电机，其特征在于喷嘴为高速射流喷嘴，个数不小于1，通过切击式或斜击式与旋转轴叶轮接触。
5.根据权利要求书1所述的冲击式超临界CO2高速涡轮发电机，其特征在于壳体推力轴承的背面设有定位固定柱，尾盖设有相同个数的对应盲孔，安装时推力轴承的定位固定柱镶嵌入尾盖上对应的盲孔，定位的同时形成紧密配合固定。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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