CN111237023B - 基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及叶轮机械设备发电技术领域，尤其是涉及一种基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构及工作方法，此轴系结构中，第一介质压缩路径与第二介质压缩路径并联设置，且具有同一输入端及同一输出端；换热路径包括第一换热路径和第二换热路径；第一换热路径的输出端与同一输入端相连通；同一输出端与第二换热路径的输入端相连通；第二换热路径的输出端与做功路径的输入端相连通；做功路径的输出端与第一换热路径的输入端相连通；第一介质压缩路径设置有第一压缩机，第二介质压缩路径设置有第二压缩机，两压缩机同轴设置；换热路径设置有透平，透平通过变速装置与两个压缩机的同轴结构相连接。本系统运行效率高，且运行更加平稳。
Description
技术领域
本申请涉及叶轮机械设备技术领域，尤其是涉及一种基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构及工作方法。
背景技术
目前，超临界二氧化碳布雷顿循环作为一种前沿的发电技术，在火电、核电、船舰动力以及太阳能发电等领域具有广阔的工程应用前景。其中，透平和压缩机是整个循环较为核心的叶轮机械设备。目前，针对以超临界二氧化碳为工质的叶轮机械设计中主要存在下述问题，透平和压缩机很难同时运行在最佳转速范围内，此外，压缩机主轴的轴向推力较大，系统运行不稳定、不安全。
发明内容
本申请的目的在于提供一种基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构及工作方法，在一定程度上解决了现有技术中存在的透平和压缩机很难同时运行在最佳转速范围内，此外，压缩机主轴的轴向推力较大，系统运行不稳定、不安全的技术问题。
本申请提供了一种基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构，包括：换热路径、第一介质压缩路径、第二介质压缩路径、做功路径以及变速装置；
其中，所述第一介质压缩路径与所述第二介质压缩路径并联设置，且两者具有同一输入端以及同一输出端；所述换热路径包括第一换热路径和第二换热路径；
所述第一换热路径的输出端与所述同一输入端相连通；所述同一输出端与所述第二换热路径的输入端相连通；所述第二换热路径的输出端与所述做功路径的输入端相连通；所述做功路径的输出端与所述第一换热路径的输入端相连通；
所述第一介质压缩路径设置有第一压缩机，所述第二介质压缩路径设置有第二压缩机，所述第一压缩机以及所述第二压缩机同轴设置；所述换热路径设置有透平，所述透平通过所述变速装置与所述第一压缩机以及所述第二压缩机的共同的转轴相连接。
在上述技术方案中，进一步地，所述第一压缩机以及所述第二压缩机对称设置，且所述第一压缩机以及所述第二压缩机之间设置有同一第一密封结构。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述第一压缩机的以及所述第二压缩机的彼此相背离的一端均设置有第二密封结构；
所述透平的两端部设置有第三密封结构。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述第一密封结构、所述第二密封结构以及所述第三密封结构均为迷宫密封、碳环密封以及干气密封中的任意一种或者迷宫密封、碳环密封以及干气密封中的任意组合。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述做功路径设置有热源以及透平；其中，所述热源的输入端与所述第二换热路径的输出端相连通；
所述热源的输出端与所述透平的输入端相连通。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述换热路径设置有高温回热器以及低温回热器；
其中，所述高温回热器的低压输入端与所述透平的输出端相连通，所述高温回热器的低压输出端与所述低温回热器的低压输入端相连通，所述低温回热器的低压输出端与所述第一介质压缩路径以及所述第二介质压缩路径的同一输入端相连通，以形成所述第一换热路径；
所述第一压缩机的输入端与所述第一介质压缩路径以及所述第二介质压缩路径的同一输入端相连通，所述第一压缩机的输出端与所述第一介质压缩路径以及所述第二介质压缩路径的同一输出端相连通，以形成第一介质压缩路径；
所述第二压缩机的输入端与所述第一介质压缩路径以及所述第二介质压缩路径的同一输入端相连通，所述第二压缩机的输出端与所述低温回热器的高压输入端相连通，以形成所述第二介质压缩路径；
所述低温回热器的高压输出端与所述第一压缩机的输出端均与所述第一介质压缩路径以及所述第二介质压缩路径的同一输出端相连通，且所述同一输出端与所述高温回热器的高压输入端相连通，以形成所述第二换热路径。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述第二介质压缩路径还设置有冷却器，所述冷却器的输入端与所述第一介质压缩路径以及所述第二介质压缩路径的同一输入端相连通，所述冷却器的输出端与所述第二压缩机的输入端相连通。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构还包括驱动装置以及发电装置；
其中，所述驱动装置、所述发电装置以及所述变速装置顺次相连接，且所述驱动装置与所述发电装置之间设置有扭矩转换器。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述第一压缩机以及所述第二压缩机的相背离的端部均设置有第一径向轴承，所述第一压缩机和所述第二压缩机形成的共轴结构上设置有第一推力轴承；
所述透平的两端部均设置有第二径向轴承，且靠近所述透平进口侧还设置有第二推力轴承。
本申请还提供了一种基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构的工作方法，包括如下步骤：
经由所述透平排出后的工质再依次经由所述高温回热器以及所述低温回热器放热，经放热排出后的工质分成两路；
其中一路工质被所述第一压缩机压缩至高压状态，其中另一路工质经由冷却器冷却，再经由所述第二压缩机压缩至高压状态，而后经由所述低温回热器加热，并与前一路的高压状态的工质混合，混合后的工质在依次经过所述高温回热器和所述热源吸热，最后流入透平做功，经由透平排出的工质在重复前述过程。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
本申请提供的基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构中，第一压缩机以及第二压缩机的共同的转轴以及透平的主轴通过变速装置实现非同轴设置，在变速装置的协调作用下，使得透平和压缩机能够运行在各自的最佳转速上，提高了本系统的气动效率，从而提升整个超临界二氧化碳循环系统的性能和经济效益。
此外，当压缩机进气时，压缩工质会对转轴产生较大的轴向推力，由于第一压缩机以及第二压缩机同轴对称设置，使得两个压缩机的进气口相对或者相背离设置，进而使得两个压缩机的共同的转轴所受到的轴向推力相抵消，进而使得两个压缩机运行更加稳定，即增加了系统运行的安全性以及稳定性。
本申请提供的基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构的工作方法，用于上述所述的基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构，因而，通过工质分流的形式，降低了低温回热器内部换热温差过小的风险，提升了整个系统运行的稳定性，同时也提升了整个系统循环的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构的系统示意图；
图2为本申请实施例提供的基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构的示意图；
图3为本申请实施例提供的基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构的工作方法的流程示意图。
附图标记：
1-发电装置，2-变速装置，3-透平，4-高温回热器，5-低温回热器，6-第一压缩机，7-冷却器，8-第二压缩机，9-热源，10-驱动装置，11-扭矩转换器，12-第一径向轴承，13-第一推力轴承，14-第一密封结构，15-第二密封结构，16-第二径向轴承，17-第二推力轴承，18-第三密封结构，100-换热路径，101-第一换热路径，102-第二换热路径，200-第一介质压缩路径，300-第二介质压缩路径，400-做功路径。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和显示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。
基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面参照图1至图3描述根据本申请一些实施例所述的基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构及工作方法。
实施例一
参见图1和图2所示，本申请的实施例提供了一种基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构，包括：换热路径100、第一介质压缩路径200、第二介质压缩路径300、做功路径400以及变速装置2；其中，第一介质压缩路径200与第二介质压缩路径300并联设置，且两者具有同一输入端以及同一输出端；换热路径100包括第一换热路径101和第二换热路径102；
第一换热路径101的输出端与同一输入端相连通；同一输出端与第二换热路径102的输入端相连通；第二换热路径102的输出端与做功路径400的输入端相连通；
做功路径400的输出端与换热路径100的输入端相连通；第一介质压缩路径200设置有第一压缩机6，第二介质压缩路径300设置有第二压缩机8，第一压缩机6以及第二压缩机8同轴设置；
换热路径100设置有透平3，透平3通过变速装置2与第一压缩机6以及第二压缩机8的共同的转轴相连接。
通过以上描述可知，第一压缩机6以及第二压缩机8的共同的转轴以及透平3的主轴是非同轴设置的，这两者连接于变速装置2，在变速装置2的协调作用下，使得透平3和压缩机能够运行在各自的最佳转速上，提高了本系统的气动效率，从而提升整个超临界二氧化碳循环系统的性能和经济效益。
此外，由于第一压缩机6以及第二压缩机8同轴对称设置，使得两个压缩机的进气口相对或者相背离设置，进而使得两个压缩机的共同的转轴所受到的轴向推力相抵消，进而使得两个压缩机运行更加稳定，即增加了系统运行的安全性以及稳定性。
其中，可选地，透平3采用多级轴流式，叶片级数介于4-8级之间，流量介于90-750kg/s之间，其进口温度范围为500-630℃，轴功率范围为15-46MW，转速在5000-15000rpm范围内。
第二压缩机8即主压缩机采用单级或多级离心式，叶轮级数介于1-2级之间，流量介于60-450kg/s之间，总压比范围为1.8-3.6，进口压力范围为7.7-9.0MPA，进口温度范围为33-40℃，所消耗功率在2.5-8MW之间，转速在7500-24000rpm范围内运行；第一压缩机6即再压缩机采用多级离心式，叶轮级数介于2-3级之间，流量介于25-300kg/s之间，总压比范围为1.8-3.6，所消耗功率在2.5-9MW之间，转速在7500-24000rpm范围内运行。
此外，需要说明的是，这里，第一介质压缩路径200与第二介质压缩路径300的同一输入端指第一介质压缩路径200与第二介质压缩路径300这两个路径并联的起始端，而第一介质压缩路径200与第二介质压缩路径300的同一输出端是指第一介质压缩路径200与第二介质压缩路径300这两个路径并联的终止端。在图1所示的实施例中，第二介质压缩路径300的最终路径经过如下所述的低温回热器5后与第一介质压缩路径200汇合。
其中，变速装置2可为变速箱，具有多级齿轮传动，在此，不再详述。
当然，对于透平3、第一压缩机6、第二压缩机8以及变速装置2的结构不仅限于此，还可根据实际需要进行选择。
在该实施例中，优选地，如图1和图2所示，由于第一压缩机6以及第二压缩机8同轴对称设置，因而第一压缩机6以及第二压缩机8之间共用同一个第一密封结构14，即在有限的空间内，起到了轴端密封的作用，同时简化了结构，减少了零部件，降低了生产成本。
其中，可选地，此第一密封结构14可为迷宫密封、碳环密封以及干气密封中的任意一种，即根据实际需要进行选择。
在该实施例中，优选地，如图2所示，在第一压缩机6以及第二压缩机8彼此相靠近的一侧设置有同一第一密封结构14之外，第一压缩机6以及第二压缩机8的彼此相背离的一端均设置有第二密封结构15，保证第一压缩机6以及第二压缩机8的相背离的两轴端无泄漏发生。
其中，可选地，此第二密封结构15可为迷宫密封、碳环密封以及干气密封中的任意一种或者任意组合，即根据实际需要进行选择。
除此之外，透平3的两端部均设置有第三密封结构18，保证透平3的密封性，此第三密封结构18也可为迷宫密封、碳环密封以及干气密封中的任意一种或者任意组合，即根据实际需要进行选择。
下面将对换热路径100、第一介质压缩路径200、第二介质压缩路径300以及做功路径400做详细的阐述。
在该实施例中，优选地，如图1和图2所示，做功路径400设置有热源9以及透平3，换热路径100设置有高温回热器4以及低温回热器5；
其中，高温回热器4的低压输入端与透平3的输出端相连通，高温回热器4的低压输出端与低温回热器5的低压输入端相连通，低温回热器5的低压输出端与第一介质压缩路径200以及第二介质压缩路径300的同一输入端相连通，以形成第一换热路径101；
第一压缩机6的输入端与第一介质压缩路径200以及第二介质压缩路径300的同一输入端相连通，第一压缩机6的输出端与第一介质压缩路径200以及第二介质压缩路径300的同一输出端相连通，以形成第一介质压缩路径200；
第二压缩机8的输入端与第一介质压缩路径200以及第二介质压缩路径300的同一输入端相连通，第二压缩机8的输出端与低温回热器5的高压输入端相连通，以形成第二介质压缩路径300；
低温回热器5的高压输出端与第一压缩机6的输出端均与第一介质压缩路径200以及第二介质压缩路径300的同一输出端相连通，且同一输出端与高温回热器4的高压输入端相连通，以形成第二换热路径102；
高温回热器4的高压输出端与热源9的输入端相连通，热源9的输出端与透平3的输入端相连通。
在布雷顿循环中需要换热器来完成冷、热侧工质热量的转换、质量的传递。
第二介质压缩路径300还设置有冷却器7，冷却器7的输入端与第一介质压缩路径200以及第二介质压缩路径300的同一输入端相连通，冷却器7的输出端与第二压缩机8的输入端相连通；冷却器7能够让工质在第二压缩机8的进口处接近其临界参数，可以显著减少第二压缩机8的功耗，提高系统的效率。
基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构还包括驱动装置10以及发电装置1；其中，驱动装置10、发电装置1以及变速装置2顺次相连接，且驱动装置10与发电装置1之间设置有扭矩转换器11。
根据以上描述的结构可知，本基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构正常工作过程如下：
经由透平3排出后的工质再依次经由高温回热器4以及低温回热器5放热，经放热排出后的工质分成两路，其中一路工质被第一压缩机6压缩至高压状态，其中另一路工质经由冷却器7冷却，再经由第一压缩机6压缩至高压状态，而后经由低温回热器5加热，并与前一路的高压状态的工质混合，混合后的工质在依次经过高温回热器4和热源9吸热，最后流入透平3做功，经由透平3排出的工质再重复上述过程。
此处注意，其中一路工质经过冷却器7冷却后进入第二压缩机8，被压缩后温升较低，因而需要再次经过低温回热器5加热，以提高温度，其中另一路工质没有经过冷却器7冷却，对应第二压缩机8的进口温度远离工质的临界温度，当其被压缩到一定压力后，工质的温度较高，因而不需要再通过低温回热器5提高温度。上述两路工质汇合后再经由高温回热器4换热达到温度提高的目的，能够有效减少热源9的功率，提升系统的效率。
之所以采用工质分流的形式，理由如下：工质在低温回热器5高、低压侧中的比热容变化较为剧烈，焓值大幅度变化不会引起较大的温升，如果回热器内部换热温差过小，很有可能出现冷流体的局部温度大于热流体的温度的情况，影响系统运行的稳定性，在低温回热器5的出口端分流的好处在于，减少低温回热器5的高压侧的流量，进而增大低温回热器5内部的温差，从而解决了上述问题。
其中，高温回热器4具有两条通道，即第一通道和第二通道，低温回热器5具有两条通道，即第三通道和第四通道，工质在上述通道中具体的流通过程如下：工质依次流经高温回热器4的第一通道、低温回热器5的第三通道，并且在第三通道的出口端分流，其中一路工质经冷却器7、第二压缩机8压缩后，再流经低温回热器5的第四通道，其中另一路工质经第一压缩机6压缩后，与经过第四通道排出的工质汇合，汇合后的工质在流经高温回热器4的第二通道，工质流出后再依次流经热源9以及透平3。
对于上述正常工作阶段前还包括启动阶段，系统启动时，扭矩转换器11闭合，驱动装置10驱动第一压缩机6以及第二压缩机8工作，提供初始动力，当系统正常运行后，则由透平3提供第一压缩机6以及第二压缩机8运行的动力。当然，启动方式多种多样，不仅限于上述，可根据实际需要进行选择。
在该实施例中，优选地，如图2所示，第一压缩机6以及第二压缩机8的相背离的端部均设置有第一径向轴承12，且第一压缩机6的靠近变速装置2的一侧还设置有第一推力轴承13，当然，不仅限于此，第一推力轴承13可根据实际需要设置于第一压缩机6以及第二压缩机8的共同的转轴上的其他位置处；
透平3的两端部均设置有第二径向轴承16，且透平3靠近其进口侧设置有第二推力轴承17。
根据以上描述的结构可知，以上轴承结构能够确保轴系运行的安全稳定性。
其中，可选地，第一径向轴承12、第二径向轴承16以及推力轴承分别为滚珠轴承、气体箔轴承、磁轴承、动压轴承、静压轴承以及油润滑轴承中的任意一种，可根据实际需要进行选择与组合。
综上，本基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构中，第一缩机和第二缩机同轴对顶布置，并共用同一个密封结构，能够有效减小压缩机轴系的轴向推力和轴端泄漏量，同时简化了结构，降低成本，此外，两个压缩机的共同的转轴所受到的轴向推力相抵消，增强轴系结构的运行可靠性及安全性。第一压缩机6以及第二压缩机8的共同的转轴以及透平3的主轴通过变速装置2实现非同轴设置，在变速装置2的协调作用下，使得透平3和压缩机能够运行在各自的最佳转速上，提高了本系统的气动效率，从而提升整个超临界二氧化碳循环的系统的性能和经济效益。
实施例二
在该实施例中，优选地，如图1和图3所示，基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构的工作方法，包括如下步骤：
步骤201、经由透平3排出后的工质再依次经由高温回热器4以及低温回热器5放热，经放热排出后的工质分成两路；
其中一路工质被第一压缩机6压缩至高压状态，其中另一路工质经由冷却器7冷却，再经由第二压缩机8压缩至高压状态，而后经由低温回热器5加热，并与前一路的高压状态的工质混合，混合后的工质在依次经过高温回热器4和热源9吸热，最后流入透平3做功；
步骤202、经由透平3排出的工质在重复步骤201。
通过工质分流的形式，即在低温回热器5的出口端分流，降低了低温回热器5的端部的温差，提升了整个系统运行的稳定性，同时也提升了整个系统循环的效率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
Claims (3)
1.一种基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构，其特征在于，包括：换热路径、第一介质压缩路径、第二介质压缩路径、做功路径以及变速装置；
其中，所述第一介质压缩路径与所述第二介质压缩路径并联设置，且两者具有同一输入端以及同一输出端；所述换热路径包括第一换热路径和第二换热路径；
所述第一换热路径的输出端与所述同一输入端相连通；所述同一输出端与所述第二换热路径的输入端相连通；所述第二换热路径的输出端与所述做功路径的输入端相连通；所述做功路径的输出端与所述第一换热路径的输入端相连通；
所述第一介质压缩路径设置有第一压缩机，所述第二介质压缩路径设置有第二压缩机，所述第一压缩机以及所述第二压缩机同轴设置；所述换热路径设置有透平，所述透平通过所述变速装置与所述第一压缩机以及所述第二压缩机的共同的转轴相连接；
所述第一压缩机以及所述第二压缩机对称设置，且使得所述第一压缩机的进气口和所述第二压缩机的进气口相对或者相背离设置；所述第一压缩机以及所述第二压缩机之间设置有同一第一密封结构；
所述第一压缩机的以及所述第二压缩机的彼此相背离的一端均设置有第二密封结构；
所述透平的两端部设置有第三密封结构；
所述做功路径设置有热源以及透平；其中，所述热源的输入端与所述第二换热路径的输出端相连通；
所述热源的输出端与所述透平的输入端相连通；
所述换热路径设置有高温回热器以及低温回热器；
其中，所述高温回热器的低压输入端与所述透平的输出端相连通，所述高温回热器的低压输出端与所述低温回热器的低压输入端相连通，所述低温回热器的低压输出端与所述第一介质压缩路径以及所述第二介质压缩路径的同一输入端相连通，以形成所述第一换热路径；
所述第一压缩机的输入端与所述第一介质压缩路径以及所述第二介质压缩路径的同一输入端相连通，所述第一压缩机的输出端与所述第一介质压缩路径以及所述第二介质压缩路径的同一输出端相连通，以形成第一介质压缩路径；
所述第二压缩机的输入端与所述第一介质压缩路径以及所述第二介质压缩路径的同一输入端相连通，所述第二压缩机的输出端与所述低温回热器的高压输入端相连通，以形成所述第二介质压缩路径；
所述低温回热器的高压输出端与所述第一压缩机的输出端均与所述第一介质压缩路径以及所述第二介质压缩路径的同一输出端相连通，且所述同一输出端与所述高温回热器的高压输入端相连通，以形成所述第二换热路径；
所述基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构还包括驱动装置以及发电装置；
其中，所述驱动装置、所述发电装置以及所述变速装置顺次相连接，且所述驱动装置与所述发电装置之间设置有扭矩转换器；
所述第一压缩机以及所述第二压缩机的相背离的端部均设置有第一径向轴承，所述第一压缩机和所述第二压缩机形成的共轴结构上设置有第一推力轴承；
所述透平的两端部均设置有第二径向轴承，且靠近所述透平进口侧还设置有第二推力轴承。
2.根据权利要求1所述的基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构，其特征在于，所述第一密封结构、所述第二密封结构以及所述第三密封结构均为迷宫密封、碳环密封以及干气密封中的任意一种或者迷宫密封、碳环密封以及干气密封中的任意组合。
3.根据权利要求1所述的基于超临界二氧化碳旋转机械轴系结构，其特征在于，所述第二介质压缩路径还设置有冷却器，所述冷却器的输入端与所述第一介质压缩路径以及所述第二介质压缩路径的同一输入端相连通，所述冷却器的输出端与所述第二压缩机的输入端相连通。
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