CN111058906A - 一种应用于超临界二氧化碳透平的冷却结构、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于超临界二氧化碳透平的冷却结构、方法，其用于对二氧化碳透平内部的温度敏感部件进行冷却，控制透平内部的温度场分布，并实现透平内部推力自平衡及控制策略简单的特点。该目的按照如下方法实现：通过冷却气进口引入冷态冷却介质，经过透平高压侧的引气壳体及引气壳体支撑块，通过高压侧冷却通道对轴进行冷却，将由第一级动叶与第二级动叶通过轴传递的大量热量带走，使高压端干气密封安装处的温度低于200℃，同时通过回流通道进入低压段的推力平衡腔，平衡轴系推力，同时进入低压侧冷却通道，冷却轴系，保证低压侧的干气密封安装处的温度低于200℃。

Description

一种应用于超临界二氧化碳透平的冷却结构、方法

技术领域

本发明涉及发电机技术领域，特别是涉及一种应用于超临界二氧化碳透平的冷却结构、方法。

背景技术

超临界二氧化碳透平是一种应用于以超临界二氧化碳为工质的布雷顿循环发电系统中的电力转换装置，其具备系统效率高、结构紧凑、功率密度大、运行维护成本低等优点，是未来最具前景的发电方式之一。

二氧化碳透平主要是将系统循环内的高温高压气体进行膨胀对外做功，将系统的热能转化为机械能发电。从而导致透平需承担系统内的最高温度和最高压力的双重载荷，同时，透平所处的发电系统为闭式循环，不允许工质泄露，从而要求透平要具备很好的动静密封性，因此，需为透平配置干气密封保证泄露要求。而干气密封对温度要求很敏感，其许用的使用温度为≤200℃，而透平又工作在近600℃的高温环境下，因此需对透平进行冷却。

超临界二氧化碳透平是一个较新型的产品，其为当前国际的前言技术，在设计上大多数是基于实验室验证阶段，商业应用的产品较少。而对于试验设备，由于其不采用干气密封，且对可靠性密封性等没有较高的要求，因此一般不对透平进行冷却，而对于商业应用，随着其装机功率增加，可靠性及密封性的要求，导致透平必须增加冷却。因此，当前的超临界二氧化碳透平设计尚未见到相关的冷却结构设计。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种应用于超临界二氧化碳透平的冷却结构、方法，本发明既能够实现对透平内部温度敏感区域的干气密封部件进行冷却保护，又能够在控制逻辑简单易实现的基础上保证轴系的推力平衡及部件之间的温度应力小，同时还对冷却气体进行二次利用，充分提高冷却效率，降低冷却气体用量。

本发明的目的是这样实现的：

一种应用于超临界二氧化碳透平的冷却结构，

包括外壳体、轴，所述外壳体沿轴向设有阶梯型的内腔，外壳体内腔大径段中设有内壳体，外壳体内腔大径段的口部设置引气壳体，外壳体内腔小径段的口部设置再引气壳体，所述轴穿过外壳体、内壳体、引气壳体、再引气壳体；

所述外壳体、内壳体上沿径向设有超临界二氧化碳的进口，超临界二氧化碳的进口与引气壳体相邻，所述外壳体上还设有超临界二氧化碳的出口，超临界二氧化碳的出口位于内壳体、再引气壳体之间，内壳体对应超临界二氧化碳的进口、超临界二氧化碳的出口之间的部位与轴之间设置涡轮机构；所述引气壳体、再引气壳体的内侧端沿轴心线方向设有凹槽，引气壳体的凹槽内设置冷却进气挡板，冷却进气挡板与轴之间设置高压侧碳环密封，内壳体对应超临界二氧化碳的进口、引气壳体之间的部位与轴之间设置高压侧梳齿密封，所述轴上设有直径增大的轴向推力平衡段，轴向推力平衡段的高压侧推力面、低压侧推力面沿轴向的投影面积相等，所述涡轮机构设置在轴向推力平衡段上，所述外壳体内腔小径段、轴向推力平衡段之间设置低压侧碳环密封；

所述引气壳体上沿轴向设有冷却气进口，冷却进气挡板与引气壳体凹槽的槽底之间形成高压侧冷却通道，所述高压侧冷却通道的一端连通冷却气进口，高压侧冷却通道的另一端连接引气壳体上径向设置的第一回流通道，所述再引气壳体上设有第二回流通道，第一回流通道、第二回流通道通过连接通道连通，轴向推力平衡段的低压侧推力面与再引气壳体的环形台阶之间形成低压侧轴向推力平衡腔，所述第二回流通道通过冷却腔与低压侧轴向推力平衡腔连通，所述低压侧碳环密封与轴向推力平衡段之间形成低压侧冷却通道，轴向推力平衡段上套有锥形件，锥形件上设置径向孔来连通低压侧冷却通道与超临界二氧化碳的出口。

优选地，所述引气壳体、再引气壳体呈T型，引气壳体、再引气壳体的小端周面、台阶面与外壳体配合，引气壳体、再引气壳体的大端通过螺纹紧固件固定在外壳体上。

优选地，所述引气壳体、再引气壳体与外壳体配合的面上，以及外壳体、内壳体配合的面上，均设有空腔，用于减少换热。

优选地，所述再引气壳体的小端周面与外壳体之间留有隔热间隙，再引气壳体的小端周面上设有凸起的间断式配合面与外壳体配合定位。

优选地，所述内壳体与外壳体螺纹配合，外壳体内设置止口对内壳体轴向定位。

优选地，所述涡轮机构包括第一级喷嘴环、第一级动叶叶冠、第一级动叶、第二级喷嘴环、第二级动叶、第二级动叶叶冠。

一种应用于超临界二氧化碳透平的冷却方法，

冷却气体从冷却气进口进入，经高压侧冷却通道进入第一回流通道，对轴的高压侧进行冷却，降低高压侧干气密封安装处的温度，冷却气体和工质气体在高压侧冷却通道处保持平衡，确保工质气体不会外泄，冷却气体也不会进入涡轮机构；

然后，冷却气体经连接通道、第二回流通道进入再引气壳体；

然后，冷却气体经冷却腔进入低压侧轴向推力平衡腔平衡轴向推力，之后，冷却气体穿过低压侧冷却通道对轴的低压侧进行冷却，降低低压侧干气密封安装处的温度；

然后，冷却气体经锥形件上的径向孔进入超临界二氧化碳的出口混合、排出。

优选地，冷却气进口依次连接压力传感装置、阀门、工质源，通过压力传感装置对阀门进行反馈，通过调节阀门，保证冷却气进口的压力与透平第一级喷嘴后的静压保持接近，进而使冷却气体在高压侧碳环密封处的压力与透平第一级喷嘴、透平第一级动叶之间的静压保持接近。确保透平第一级喷嘴与第一级动叶之间的高温工质不会往高压侧碳环密封泄漏，以及冷却气体不会混入工质气体中。

由于采用了上述技术方案，本发明通过引入冷态的工质，将其首先通过透平高压端，即透平进气端，并通过透平转轴的表面沿着冷却通道流动，并吸收轴上通过高温涡轮叶片传递给轴的热量。由于冷态的工质温度较低，且压力高密度大，单位体积携带的热量大，因此在吸收大量轴系传递的热量后，冷却气体的温度上升的非常小，如果直接排出的话不仅会导致冷量浪费，冷却流量增大，同时也会导致系统效率下降及控制策略更复杂等不利因素。这里，为了充分利用该冷却气体，将对透平高压侧冷却完成后的冷却气体，通过回流管道的形式，将其引入至透平的低压侧轴部位置，用于对低压侧干气密封的区域进行冷却，从而实现冷却气体的二次利用，减小冷却气体用量。

特别的，在冷却气体进入至透平内部进行冷却时，需进行一定的压力调节，通过压力传感装置对阀门进行反馈，且在整个冷却系统中，仅需要对该信号进行控制即可，因此整体的控制策略非常简单易实现。在控制中，需通过调节阀门保证冷却气进口的压力与透平第一级喷嘴后的静压保持接近，而且由于通过回流管道的冷却气体压降很小，所以在轴系的高压侧和低压侧静压差很小，同时在设计时又同时保证了两端产生推力的面在垂直与旋转轴的投影面积基本一致，因此这样就实现了轴系的高低压两端的推力自动抵消，降低轴向推力。

同时，冷却气体会在与之接触的各个部件发生较快的热交换，为了降低部件的温度梯度和冷却气体所吸收的热量，在冷却流体与温度较高的内壳体及外壳体之间，采用挡板的形式隔断它们之间的接触，防止过快的热交换及过高的温度梯度，同时在通过其它部件间接接触的区域，则在相应的部件之间通过设计一定的空腔减小接触面积，降低或阻断部件间的传热，同时在一些必须的定位面处，则通过间断面进行定位配合，即实现了配合的目的，又减小了部件间的接触面积，降低换热。通过该种方法，使得冷却流体带走的热量大部分为通过轴系上的动叶传递过来的热量，且对其它部件产生的冷却效应未形成较大的温度应力。

附图说明

图1a为本发明的结构示意图；

图1b为图1中P处的局部放大图；

图2为本发明的冷却通道示意图。

附图标记

附图中，1为外壳体，2为引气壳体，3为引气壳体螺帽，4为引气壳体螺栓，5为引气壳体环形空腔，6为冷却进气挡板，7为高压侧碳环密封，8为引气壳体支撑块，9为高压侧梳齿密封，10为轴，11为内壳体，12为内外壳体空腔，13为再引气壳体螺帽，14为再引气壳体螺栓，15为再引气壳体，16为轴向推力平衡盘面，17为低压侧碳环密封，18为再引气壳体配合面，19为再引气壳体空腔，20为高压侧推力面，21为冷却气进口，22为高压侧干气密封安装处，23为高压侧冷却通道，24a为第一冷却回流通道，24b为第二冷却回流通道，25为低压侧冷却通道，26为低压侧干气密封安装处，27为低压侧轴向推力平衡腔，28为第一级喷嘴环挡块，29为第一级喷嘴环，30为第一级动叶叶冠，31为第一级动叶，32为第二级喷嘴环，33为第二级动叶，34为第二级动叶叶冠，35为超临界二氧化碳的进口，36为超临界二氧化碳的出口，37为锥形件。

具体实施方式

一种应用于超临界二氧化碳透平的冷却结构，包括外壳体、轴，所述外壳体沿轴向设有阶梯型的内腔，外壳体内腔大径段中设有内壳体，外壳体内腔大径段的口部设置引气壳体，外壳体内腔小径段的口部设置再引气壳体，所述轴穿过外壳体、内壳体、引气壳体、再引气壳体；所述轴的两端通过轴承支撑，轴、引气壳体之间设有引气壳体支撑块。图1a、图1b中以剖面图的形式展现了一个超临界二氧化碳透平的内部结构布置剖面图。透平的主流热态二氧化碳通过外壳体1进入至内壳体11，并流经各级动静叶片29、31、32、33,再分别通过内壳体11和外壳体1流出。外壳体外壳体与内壳体配合即螺纹相连，引气壳体2则通过螺栓4螺母3与外壳体1相连接。并且在局部区域采用环形空腔5的形式减小换热面。高压侧碳环密封7与冷却进气挡板6通过螺钉固定在一起，由于两端压差低，因此不会在挡板处形成较大的弯曲应力。引气壳体支撑块8通过螺纹连接固定于引气壳体2上，同时保证它们之间的密封性。再引气壳体15通过在引气壳体螺栓14与再引气壳体螺帽13固定于外壳体上，并且在靠近叶片侧采用较大间隙配合，同时通过再引气壳体配合面18实现两个部件的配合，并且为间断面配合，即实现了部件间的配合定位，同时也较小了两个部件间的换热。在引气壳体2与外壳体1之间通过金属密封垫进行密封，再引气壳体15与外壳体1也通过金属密封垫进行密封，以实现高温条件下的透平内部的气体与外界大气压隔离。

一种应用于超临界二氧化碳透平的冷却哪个服，图2中所示的为透平内部的冷却流动气动图，冷却气体由冷却气进口21进入，通过冷却进气挡板6将冷却气体与内壳体11隔开，并通过螺纹固定于引气壳体2上，冷却气体再沿着引气壳体支撑块8和高压侧碳环密封7所形成的冷却腔进入轴10的高压端表面，其中少部分的冷却气体通过高压侧碳环密封7与轴10形成的小间隙空腔流动，依次进入到高压侧梳齿密封9，最后进入至透平第一级喷嘴29与第一级动叶31之间。而大部分的冷却气体则经过轴10与引气壳体支撑块8所形成的冷却通道23对轴系进行冷却，冷却后进入至第一冷却回流通道24a、连接通道(未示出)、第二冷却回流通道24b，连接通道为一连接引气壳体2和再引气壳体15的管路。在流出第二冷却回流通道24b后则进入至由轴10上的轴向推力平衡盘面16与再引气壳体15所形成的低压侧轴向推力平衡腔27中，气体再次引入至再引气壳15与轴10形成的低压侧冷却通道25，对轴10的低压侧进行冷却，冷却后进入至低压侧碳环密封17，再进入透平的第二级动叶33后，低压侧碳环密封17的作用是在保证冷却流量的基础上尽量减小冷却流量及进入至透平内部的冷却量。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种应用于超临界二氧化碳透平的冷却结构，其特征在于：

包括外壳体、轴，所述外壳体沿轴向设有阶梯型的内腔，外壳体内腔大径段中设有内壳体，外壳体内腔大径段的口部设置引气壳体，外壳体内腔小径段的口部设置再引气壳体，所述轴穿过外壳体、内壳体、引气壳体、再引气壳体；

所述外壳体、内壳体上沿径向设有超临界二氧化碳的进口，超临界二氧化碳的进口与引气壳体相邻，所述外壳体上还设有超临界二氧化碳的出口，超临界二氧化碳的出口位于内壳体、再引气壳体之间，内壳体对应超临界二氧化碳的进口、超临界二氧化碳的出口之间的部位与轴之间设置涡轮机构；所述引气壳体、再引气壳体的内侧端沿轴心线方向设有凹槽，引气壳体的凹槽内设置冷却进气挡板，冷却进气挡板与轴之间设置高压侧碳环密封，内壳体对应超临界二氧化碳的进口、引气壳体之间的部位与轴之间设置高压侧梳齿密封，所述轴上设有直径增大的轴向推力平衡段，轴向推力平衡段的高压侧推力面、低压侧推力面沿轴向的投影面积相等，所述涡轮机构设置在轴向推力平衡段上，所述外壳体内腔小径段、轴向推力平衡段之间设置低压侧碳环密封；

所述引气壳体上沿轴向设有冷却气进口，冷却进气挡板与引气壳体凹槽的槽底之间形成高压侧冷却通道，所述高压侧冷却通道的一端连通冷却气进口，高压侧冷却通道的另一端连接引气壳体上径向设置的第一回流通道，所述再引气壳体上设有第二回流通道，第一回流通道、第二回流通道通过连接通道连通，轴向推力平衡段的低压侧推力面与再引气壳体的环形台阶之间形成低压侧轴向推力平衡腔，所述第二回流通道通过冷却腔与低压侧轴向推力平衡腔连通，所述低压侧碳环密封与轴向推力平衡段之间形成低压侧冷却通道，轴向推力平衡段上套有锥形件，锥形件上设置径向孔来连通低压侧冷却通道与超临界二氧化碳的出口。

2.根据权利要求1所述的一种应用于超临界二氧化碳透平的冷却结构，其特征在于：所述引气壳体、再引气壳体呈T型，引气壳体、再引气壳体的小端周面、台阶面与外壳体配合，引气壳体、再引气壳体的大端通过螺纹紧固件固定在外壳体上。

3.根据权利要求2所述的一种应用于超临界二氧化碳透平的冷却结构，其特征在于：所述引气壳体、再引气壳体与外壳体配合的面上，以及外壳体、内壳体配合的面上，均设有空腔，用于减少换热。

4.根据权利要求2所述的一种应用于超临界二氧化碳透平的冷却结构，其特征在于：所述再引气壳体的小端周面与外壳体之间留有隔热间隙，再引气壳体的小端周面上设有凸起的间断式配合面与外壳体配合定位。

5.根据权利要求1所述的一种应用于超临界二氧化碳透平的冷却结构，其特征在于：所述内壳体与外壳体螺纹配合，外壳体内设置止口对内壳体轴向定位。

6.根据权利要求1所述的一种应用于超临界二氧化碳透平的冷却结构，其特征在于：所述涡轮机构包括第一级喷嘴环、第一级动叶叶冠、第一级动叶、第二级喷嘴环、第二级动叶、第二级动叶叶冠。

7.一种应用于超临界二氧化碳透平的冷却方法，其特征在于：

冷却气体从冷却气进口进入，经高压侧冷却通道进入第一回流通道，对轴的高压侧进行冷却，降低高压侧干气密封安装处的温度，冷却气体和工质气体在高压侧冷却通道处保持平衡，确保工质气体不会外泄，冷却气体也不会进入涡轮机构；

然后，冷却气体经连接通道、第二回流通道进入再引气壳体；

然后，冷却气体经冷却腔进入低压侧轴向推力平衡腔平衡轴向推力，之后，冷却气体穿过低压侧冷却通道对轴的低压侧进行冷却，降低低压侧干气密封安装处的温度；

然后，冷却气体经锥形件上的径向孔进入超临界二氧化碳的出口混合、排出。

8.根据权利要求7所述的一种应用于超临界二氧化碳透平的冷却结构，其特征在于：冷却气进口依次连接压力传感装置、阀门、工质源，通过压力传感装置对阀门进行反馈，通过调节阀门，保证冷却气进口的压力与透平第一级喷嘴后的静压保持接近，进而使冷却气体在高压侧碳环密封处的压力与透平第一级喷嘴、透平第一级动叶之间的静压保持接近。

Images