CN111305915B - 超临界二氧化碳透平机及其主轴冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超临界二氧化碳透平机及其主轴冷却系统，能够对超临界二氧化碳透平机的主轴进行冷却，保证超临界二氧化碳透平机中零部件处于正常的工作温度。超临界二氧化碳透平机主轴冷却系统包括：冷却壳体，冷却壳体两端具有开口，在超临界二氧化碳透平机主轴穿设在冷却壳体中时与冷却壳体围成冷却腔；冷却壳体的两端开口处分别设有用于与超临界二氧化碳透平机主轴干气密封配合的干密封静环，冷却壳体上还分别设有超临界二氧化碳进入、排出接头；超临界二氧化碳供应装置，分别与冷却壳体上的超临界二氧化碳进入、排出接头连接，以实现超临界二氧化碳循环流过冷却腔并对透平机主轴进行冷却。

Description

超临界二氧化碳透平机及其主轴冷却系统

技术领域

本发明涉及一种超临界二氧化碳透平机及其主轴冷却系统。

背景技术

超临界二氧化碳布雷顿循环透平发电技术是国际公认的新一代发电技术，是解决传统发电技术弊端、实现能源高效、清洁利用和可持续发展的重要途径。超临界二氧化碳布雷顿循环是以超临界二氧化碳为工质的热力循环，相比较于传统蒸汽循环具有的优点是：一、超临界二氧化碳具有较高的能量密度，整套发电装置体积大幅度减小，仅为传统蒸汽发电装置的1/30；二、处于超临界状态二氧化碳气体，气体粘性小且液体密度大，传热效率高，利用超临界二氧化碳提高了热循环效率。

透平机是布雷顿循环发电机组的核心部件，透平机入口超临界二氧化碳的温度可达550~750℃；透平机处于高温状态下，透平机主轴会出现超温、热应力集中的问题，并且热量还会经过透平机主轴传导至发电机组相关齿轮、轴承的密封及润滑、支撑件等机械零部件上，从而使这些零部件出现温度过高、影响正常工作的问题。

如图1所示，为现有技术中透平机的局部结构，透平机中的主轴一端连接叶轮，另一端与齿轮箱传动连接，通过主轴转动来带动发电机组工作。本领域内技术人员在解决透平机主轴冷却的问题时，其主要构思是在透平机的主轴与主轴轴承之间即虚线框内增加冷却设备，来对主轴进行冷却，一方面直接降低主轴自身温度，另一方面隔断温度向主轴轴承及其他零部件传递，但现有技术中并未出现具体的、能够实现该功能的装置或系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳透平机主轴冷却系统，能够对超临界二氧化碳透平机的主轴进行冷却，保证超临界二氧化碳透平机中零部件处于正常的工作温度；

本发明另外的目的在于提供一种超临界二氧化碳透平机，在工作时能够对主轴进行冷却，工作稳定性高。

为实现上述目的，本发明中的超临界二氧化碳透平机主轴冷却系统采用如下技术方案：

超临界二氧化碳透平机主轴冷却系统包括：

冷却壳体，冷却壳体两端具有开口，在超临界二氧化碳透平机主轴穿设在冷却壳体中时与冷却壳体围成冷却腔；冷却壳体的两端开口处分别设有用于与超临界二氧化碳透平机主轴干气密封配合的干密封静环，冷却壳体上还分别设有超临界二氧化碳进入、排出接头；

超临界二氧化碳供应装置，分别与冷却壳体上的超临界二氧化碳进入、排出接头连接，以实现超临界二氧化碳循环流过冷却腔并对透平机主轴进行冷却。

其有益效果在于：冷却壳体两端通过干气密封结构来保证冷却壳体的气密性，进入到冷却壳体内的超临界二氧化碳能够更集中地与主轴进行热交换。并且在超临界二氧化碳透平机中使用超临界二氧化碳作为冷却介质，一方面超临界二氧化碳换热效率高，能够保证散热效果，另一方面其成分与推动与主轴连接的叶轮的工质即超临界二氧化碳相同，冷却介质不会污染透平机中推动叶轮做功的工质，能够保证超临界二氧化碳透平机工作的稳定性。

进一步的，所述冷却壳体包括套体以及可拆连接在套体两端的端盖，所述端盖上分别设有穿装孔以形成所述冷却壳体的开口，干密封静环设置在端盖上。

其有益效果在于：冷却壳体采用由套体及端盖组装成的分体结构，便于制造装配，也便于主轴的穿装。

进一步的，端盖上在穿装孔的孔沿位置处设有与穿装孔的同心、且与穿装孔相通的环槽而使穿装孔的孔沿形成干密封静环,所述环槽设置在端盖的内侧。

其有益效果在于：通过合理设计端盖自身结构，使端盖上的穿装孔孔沿形成干密封静环，避免端盖通过机械连接来形成干密封静环，干密封静环为端盖的一部分，减少了泄漏的可能性，有利于保证干密封静环与干密封动环的密封性。并且，将环槽设置在端盖的内侧，使干密封静环与干密封动环在配合时位于封闭的内部环境中，减少了外界环境对干密封静环、干密封动环的影响，保证了密封的可靠性。

进一步的，所述套体内表面在其周向上均布有多个冷却腔入口，冷却腔入口与超临界二氧化碳进入接头连通。

其有益效果在于：冷却腔入口沿周向均布，超临界二氧化碳既能够对主轴进行热交换，又能够依靠超临界二氧化碳对主轴施加的轴向力冲击力来扶正主轴，保证主轴在工作时的稳定性，减少主轴悬伸对主轴的影响。

进一步的，套体上设置有两个以上的沿其径向贯穿设置的径向贯穿孔，径向贯穿孔的外端孔口用于与超临界二氧化碳进入接头连通，径向贯穿孔的内端孔口形成所述冷却腔入口；冷却腔入口为缩口结构，用于增加超临界二氧化碳的喷射速度。

其有益效果在于：利用径向贯穿孔来供超临界二氧化碳进入到冷却腔中，在套体上加工出径向贯穿孔，结构简单，便于加工制造。缩口结构能够增加超临界二氧化碳喷向主轴的速度，提高超临界二氧化碳对主轴的冲击力，保证主轴在周向上受到足够大的、沿径向的冲击力来保持被扶正的姿态，保证主轴处于稳定的工作状态。

进一步的，套体的至少一个端面上设置有冷却腔出口，套体中设置有沿轴向延伸的流道，所述流道一端与冷却腔出口连通，另一端与超临界二氧化碳排出接头连通。

其有益效果在于：冷却腔出口设置在套体的端面上，能够与冷却腔入口错开，使进入、排出的超临界二氧化碳分开引流，避免超临界二氧化碳进出相互干涉在冷却壳体内形成紊流而影响主轴的散热及冷却气体正常循环流动，保证超临界二氧化碳能够顺畅地进行循环。

进一步的，冷却腔入口设置在套体的中间位置处，套体的两端均设置有所述冷却腔出口，以使超临界二氧化碳能够由套体中部向套体两端流动。

其有益效果在于：冷却腔入口位于中部，冷却腔出口位于端部，使超临界二氧化碳能够由套体中部向套体两端流动，使超临界二氧化碳对位于冷却腔中的主轴进行均匀散热，保证了散热的效果，能够有效控制主轴温升。

进一步的，所述套体上设置有沿套体轴向贯穿设置的轴向贯穿孔，轴向贯穿孔构成所述流道，且轴向贯穿孔的两端开口形成所述冷却腔出口。

其有益效果在于：利用轴向贯穿孔来供超临界二氧化碳排出冷却腔，在套体上加工出轴向贯穿孔，结构简单，便于加工制造。

进一步的，轴向贯穿孔与径向贯穿孔在套体的周向上交错布置；轴向贯穿孔的孔壁轮廓为弧形。

其有益效果在于：轴向贯穿孔与径向贯穿孔中超临界二氧化碳的温度不同，轴向贯穿孔与径向贯穿孔在套体的周向上交错布置，能够使套体自身处于温度均衡的状态，避免套体局部过热而导致的热应力集中、影响主轴转动的问题，保证了工作时的稳定性；轴向贯穿孔的孔壁轮廓为弧形能够减少流阻，使超临界二氧化碳在循环流动时更加顺畅，避免堵塞而造成的热量集中的问题，保证了系统工作时的稳定性。

为实现上述目的，本发明中的超临界二氧化碳透平机采用如下技术方案：

超临界二氧化碳透平机，包括转动装配在超临界二氧化碳透平机中的主轴，还包括用于对主轴进行冷却的主轴冷却系统，冷却壳体，冷却壳体两端具有开口，在超临界二氧化碳透平机主轴穿设在冷却壳体中时与冷却壳体围成冷却腔；冷却壳体的两端开口处分别设有用于与超临界二氧化碳透平机主轴干气密封配合的干密封静环，冷却壳体上还分别设有超临界二氧化碳进入、排出接头；

超临界二氧化碳供应装置，分别与冷却壳体上的超临界二氧化碳进入、排出接头连接，以实现超临界二氧化碳循环流过冷却腔并对透平机主轴进行冷却。

其有益效果在于：冷却壳体两端通过干气密封结构来保证冷却壳体的气密性，进入到冷却壳体内的超临界二氧化碳能够更集中地与主轴进行热交换。并且在超临界二氧化碳透平机中使用超临界二氧化碳作为冷却介质，一方面超临界二氧化碳换热效率高，能够保证散热效果，另一方面其成分与推动与主轴连接的叶轮的工质即超临界二氧化碳相同，冷却介质不会污染透平机中推动叶轮做功的工质，能够保证超临界二氧化碳透平机工作的稳定性。并且由于驱动叶轮工作的工质为超临界二氧化碳、冷却主轴用的冷却介质为超临界二氧化碳，超临界二氧化碳透平机中可以设置超临界二氧化碳生产装置来分别对叶轮、冷却壳体提供超临界二氧化碳。

进一步的，所述冷却壳体包括套体以及可拆连接在套体两端的端盖，所述端盖上分别设有穿装孔以形成所述冷却壳体的开口，干密封静环设置在端盖上。

其有益效果在于：冷却壳体采用由套体及端盖组装成的分体结构，便于制造装配，也便于主轴的穿装。

进一步的，端盖上在穿装孔的孔沿位置处设有与穿装孔的同心、且与穿装孔相通的环槽而使穿装孔的孔沿形成干密封静环,所述环槽设置在端盖的内侧。

其有益效果在于：通过合理设计端盖自身结构，使端盖上的穿装孔孔沿形成干密封静环，避免端盖通过机械连接来形成干密封静环，干密封静环为端盖的一部分，减少了泄漏的可能性，有利于保证干密封静环与干密封动环的密封性。并且，将环槽设置在端盖的内侧，使干密封静环与干密封动环在配合时位于封闭的内部环境中，减少了外界环境对干密封静环、干密封动环的影响，保证了密封的可靠性。

进一步的，所述套体内表面在其周向上均布有多个冷却腔入口，冷却腔入口与超临界二氧化碳进入接头连通。

其有益效果在于：冷却腔入口沿周向均布，超临界二氧化碳既能够对主轴进行热交换，又能够依靠超临界二氧化碳对主轴施加的轴向力冲击力来扶正主轴，保证主轴在工作时的稳定性，减少主轴悬伸对主轴的影响。

进一步的，套体上设置有两个以上的沿其径向贯穿设置的径向贯穿孔，径向贯穿孔的外端孔口用于与超临界二氧化碳进入接头连通，径向贯穿孔的内端孔口形成所述冷却腔入口；冷却腔入口为缩口结构，用于增加超临界二氧化碳的喷射速度。

其有益效果在于：利用径向贯穿孔来供超临界二氧化碳进入到冷却腔中，在套体上加工出径向贯穿孔，结构简单，便于加工制造。缩口结构能够增加超临界二氧化碳喷向主轴的速度，提高超临界二氧化碳对主轴的冲击力，保证主轴在周向上受到足够大的、沿径向的冲击力来保持被扶正的姿态，保证主轴处于稳定的工作状态。

进一步的，套体的至少一个端面上设置有冷却腔出口，套体中设置有沿轴向延伸的流道，所述流道一端与冷却腔出口连通，另一端与超临界二氧化碳排出接头连通。

其有益效果在于：冷却腔出口设置在套体的端面上，能够与冷却腔入口错开，使进入、排出的超临界二氧化碳分开引流，避免超临界二氧化碳进出相互干涉在冷却壳体内形成紊流而影响主轴的散热及冷却气体正常循环流动，保证超临界二氧化碳能够顺畅地进行循环。

进一步的，冷却腔入口设置在套体的中间位置处，套体的两端均设置有所述冷却腔出口，以使超临界二氧化碳能够由套体中部向套体两端流动。

其有益效果在于：冷却腔入口位于中部，冷却腔出口位于端部，使超临界二氧化碳能够由套体中部向套体两端流动，使超临界二氧化碳对位于冷却腔中的主轴进行均匀散热，保证了散热的效果，能够有效控制主轴温升。

进一步的，所述套体上设置有沿套体轴向贯穿设置的轴向贯穿孔，轴向贯穿孔构成所述流道，且轴向贯穿孔的两端开口形成所述冷却腔出口。

其有益效果在于：利用轴向贯穿孔来供超临界二氧化碳排出冷却腔，在套体上加工出轴向贯穿孔，结构简单，便于加工制造。

进一步的，轴向贯穿孔与径向贯穿孔在套体的周向上交错布置；轴向贯穿孔的孔壁轮廓为弧形。

其有益效果在于：轴向贯穿孔与径向贯穿孔中超临界二氧化碳的温度不同，轴向贯穿孔与径向贯穿孔在套体的周向上交错布置，能够使套体自身处于温度均衡的状态，避免套体局部过热而导致的热应力集中、影响主轴转动的问题，保证了工作时的稳定性；轴向贯穿孔的孔壁轮廓为弧形能够减少流阻，使超临界二氧化碳在循环流动时更加顺畅，避免堵塞而造成的热量集中的问题，保证了系统工作时的稳定性。

附图说明

图1为现有技术中透平机的主轴部分的结构示意图；

图2为本发明中超临界二氧化碳透平机实施例1中的主轴与主轴冷却装置的配合结构示意图；

图3为本发明中超临界二氧化碳透平机实施例1中主轴的结构示意图；

图4为本发明中超临界二氧化碳透平机实施例1中套体沿其径向的剖视图；

图5为图2中I处放大图；

图中：

10-主轴；11-叶轮；12-主轴轴承；13-齿轮箱；

20-主轴；201-干密封动环；202-凹凸面；203-锥形孔；

21-套体；211-径向贯穿孔；2111-缩口；212-轴向贯穿孔；213-冷却腔；

214-凹槽；215-转接通道；22-端盖；221-干密封静环；23-叶轮；

231-螺杆；232-螺母；24-流体进入管路；241-电磁阀；242-止回阀；

25-流体排出管路；251-热交换器；252-压缩机；

26-超临界二氧化碳供应装置；27-非接触式温度传感器；28-温度控制器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明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发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明中超临界二氧化碳透平机及其主轴冷却系统的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明中超临界二氧化碳透平机的实施例1：本发明中的超临界二氧化碳透平机主要用于超临界二氧化碳发电，如图2所示，包括主轴20以及对主轴20进行转动支撑的主轴轴承，在主轴20的端部还连接有带动主轴20转动的叶轮23。因为超临界二氧化碳透平机在工作时，叶轮23处的环境温度高达550~750℃，为保证超临界二氧化碳透平机能够不受高温影响、正常工作，在透平机中还设置有对主轴20进行冷却的主轴冷却系统。

如图3、图4及图5所示，透平机中的主轴20沿左右方向延伸布置，主轴20的左端连接有叶轮23，右端转动支撑在主轴轴承上。主轴冷却系统主要包括一个能够围成封闭空间的冷却壳体，设置在在叶轮23与主轴20轴承之间，冷却壳体套设在主轴20上，并对主轴20进行冷却，即在冷却壳体中通入冷却气体来与主轴20进行热交换，以此来降低主轴20的温度。冷却壳体为分体结构，主要由两部分组成，分别为套体21和端盖22，端盖22可拆连接在套体21的两端。套体21的两端具有供主轴20伸入其中的开口，而端盖22对应连接在套体21两端的开口处。

本实施例中的套体21为圆柱形，套体21的内表面与主轴20外周面之间形成冷却腔213。套体21上设置有供超临界二氧化碳进入套体21内部的径向贯穿孔211，和供超临界二氧化碳排出套体21内部的轴向贯穿孔212。径向贯穿孔211和轴向贯穿孔212在套体21的周向上交错布置，呈现出径向贯穿孔211-轴向贯穿孔212-径向贯穿孔211……在周向上交替出现的形式。

其中，径向贯穿孔211为直线形，沿套体21的径向延伸。径向贯穿孔211设置有多个，沿主轴20的轴向或者套体21的轴向布置有两组，每组中单个的径向贯穿孔211沿主轴20的轴向均布，此时在套体21中呈现出径向贯穿孔211的外端孔口在套体21的外周面上呈阵列布置，径向贯穿孔211的内端孔口在套体21的内周面上呈阵列布置，布置的方式相同，均以套体21的轴向、周向为阵列的横、纵方向布置。

径向贯穿孔211的外端孔口与冷却壳体上的超临界二氧化碳进入接头连通，径向贯穿孔211的内端孔口作为冷却腔入口，与冷却腔213连通，供超临界二氧化碳通过冷却腔入口计进入到冷却腔中。同时，冷却腔入口优选为径向尺寸突变的缩口2111，以增加超临界二氧化碳从径向贯穿孔211的内端孔口排出时的流速。在其他实施例中也可以使用等径的结构。套体21的内表面还设置有凹槽214，凹槽214沿主轴20的周向均布，在轴向上位于同一直线上的径向贯穿孔211的冷却腔入口，位于沿同一直线延伸的凹槽214的槽底。

套体21中的轴向贯穿孔212供套体21中与主轴20完成热交换的超临界二氧化碳排出，轴向贯穿孔212中作为冷却腔出口的流体进口设置在套体21两端的端面上，套体中设置有沿径向延伸的转接通道215，转接通道215与轴向贯穿孔212连通，使从套体21两端进入轴向贯穿孔212中的超临界二氧化碳通过转接通道215排出，该转接通道215的外端开口处连接有超临界二氧化碳排出接头。轴向贯穿孔212的孔壁轮廓为弧形，能够减少流阻，保证超临界二氧化碳能够顺畅地参与循环。

套体21中，冷却腔入口设置在套体21的中部位置上，且在轴向上分为相邻的两组，而套体的两端均设置有所述冷却腔出口面上，对应设置有多个，从而超临界二氧化碳在套体21中循环流动时，沿图中箭头所示方向流动，由套体21的中部进入到冷却腔213中，再由冷却腔的两端排出冷却腔。超临界二氧化碳的进口与出口错开布置，能够避免进出口靠近形成紊流，影响超临界二氧化碳进出冷却腔213。

本实施例中的端盖22，通过螺栓连接在套体21两端的端面上，端盖22与套体21的连接位置位于端盖22端面上靠外的边缘位置，由轴向贯穿孔212的孔口形成的冷却腔出口位于更靠近套体21轴向的内端，避免因端盖22与套体21连接而影响超临界二氧化碳通过冷却腔出口进入到轴向贯穿孔212中。端盖22上同样设置有穿装孔，供主轴20通过，并且在端盖22孔沿位置处设有与穿装孔的同心、且与穿装孔相通的环槽，以使穿装孔的孔沿形成干密封静环221，主轴20与端盖22对应的位置上设置有与干密封静环221密封配合的干密封动环201，当主轴20以角速度为ω转动时干密封静环221与干密封动环201之间形成了厚度为Δx的气膜，在不影响主轴20转动的前提下，保证了冷却壳体的气密性。

本实施例中使用的冷却介质为超临界二氧化碳，与超临界二氧化碳透平机中推动叶轮23转动的工质相同，能够有效地避免透平机中参与循环的工质受到污染。同时在透平机中配置有超临界二氧化碳供应装置26，在超临界二氧化碳供应装置26与套体21上的超临界二氧化碳进入接头之间连接有流体进入管路24，在超临界二氧化碳供应装置26与套体21上的超临界二氧化碳排出接头之间连接有流体排出管路25，以起到循环利用超临界二氧化碳的目的。

在流体进入管路24上，沿超临界二氧化碳前进的方向依次串接有电磁阀241、以及止回阀242，电磁阀241在收到控制信号后会自动控制流体进入管路24的通断，而止回阀242起到单向通过的作用，能够防止冷却壳体内的超临界二氧化碳倒流至超临界二氧化碳供应装置26内。透平机中还设置有非接触式温度传感器27，用于实时获取主轴20的表面温度，并且传感器信号连接有温度控制器28，温度控制器28能够根据传感器的信号对应向电磁阀241发出控制信号。

在流体排出管路25上，沿气体的前进方向依次串接有热交换器251和压缩机252，当超临界二氧化碳在与主轴20进行热交换后温度升高，通过热交换器251能够对其降温，压缩机252能够将流体排出管路25中的超临界二氧化碳进行压缩，储存至超临界二氧化碳供应装置26内。

如图所示，本实施例中的主轴20端部设置有锥形孔203，在锥形孔203的孔底设置有螺孔，叶轮23朝向主轴20的一端为锥形孔203适配的锥体，叶轮23与主轴20通过莫氏锥形连接，在叶轮23中设置有通孔，操作人员可以使用螺杆231穿过叶轮23，一端与主轴20端部的螺孔螺接，另一端与螺母232螺接以将叶轮23压紧在锥形孔203内。在主轴20外周面的与径向贯穿孔211的出气口对应的部位上，设置有波浪形的凹凸面202，凹凸面202能够增加主轴20的热交换面积。

操作人员使用本发明中的超临界二氧化碳透平机来进行超临界二氧化碳发电时，高温的超临界二氧化碳会推动叶轮23以及主轴20转动，主轴20通过自身转动来带动发电机组进行发电。在主轴20工作的过程中，作为工质的超临界二氧化碳会与叶轮23及主轴20发生热交换，使主轴20的温度上升，此时透平机中的主轴冷却系统应启动来对主轴20进行冷却散热。

主轴冷却系统中的非接触式温度传感器27实时获取主轴20温度，并将所获得的温度信号传递给温度控制器28，温度控制器28在接收到反映主轴20温度的的信号后，对应产生控制信号并将控制信号发送给电磁阀241，电池阀收到控制信号后会对应控制流体进入管路24开启，超临界二氧化碳供应装置26内的作为超临界二氧化碳的超临界二氧化碳会顺着流体进入管路24进入到冷却壳体的径向贯穿孔211中，并从径向贯穿孔211的内端孔口即冷却腔入口朝向主轴20喷射。

因为径向贯穿孔211的冷却腔入口以阵列的形式布置在套体21的内表面上，沿主轴20或套体21的轴向分为多组，每组的冷却腔入口沿主轴20周向均布，使冷却腔入口呈现出环绕主轴20布置的形式，且在主轴20周向上朝向主轴20，超临界二氧化碳从径向贯穿孔211进入到冷却壳体内时会同时冲击主轴20，依靠自身对主轴20的冲击力来扶正主轴20，并且温度较低的超临界二氧化碳会与主轴20发生热交换来降低主轴20的温度。

超临界二氧化碳进入到冷却壳体内之后，冷却壳体内压力升高，与主轴20完成热交换的超临界二氧化碳会通过轴向贯穿孔212排出冷却壳体，建立起超临界二氧化碳动态循环，超临界二氧化碳的循环流动方向如图2中箭头所示。温度较低的超临界二氧化碳会一直向冷却壳体内补充，与主轴20完成热交换的超临界二氧化碳会通过冷却腔出口从冷却壳体中排出，并经过流体排出管路25中的热交换器251降低自身温度，使其能够再次进入冷却壳体内对主轴20进行冷却。超临界二氧化碳在与主轴20进行热交换的过程中，同时也对主轴20进行了扶正。

推动叶轮23转动的超临界二氧化碳与冷却主轴20用的超临界二氧化碳可以采用同一来源，所以在超临界二氧化碳透平机中可以设置有超临界二氧化碳生产装置，并向叶轮23及主轴20提供超临界二氧化碳。因为推动叶轮23转动的超临界二氧化碳的温度要高于冷却主轴20用的超临界二氧化碳温度，所以超临界二氧化碳生产装置在向叶轮23及主轴20提供超临界二氧化碳时，操作人员对应将提供超临界二氧化碳的温度、压力进行调整，在叶轮部分处设置一个专门为叶轮23提供提供超临界二氧化碳的供应装置以储存温度较高的超临界二氧化碳。

本发明中超临界二氧化碳透平机的实施例2，与上述实施例的不同之处在于，本实施例中，冷却壳体可以采用瓣合结构，沿轴向分为两个以上的分瓣，在使用时将主轴置于两分瓣之间，然后通过对合方式将主轴穿装在冷却壳体中；此时干密封静环可以安装在同一个分瓣的两端，或设置在不同部分瓣上。

本发明中超临界二氧化碳透平机的实施例3，与上述实施例的不同之处在于，本实施例中，干密封静环可以直接安装端盖外端面上，或者将干密封静环安装在内腔中，干密封静环与端盖内腔的环形面连接。

本发明中超临界二氧化碳透平机的实施例4，与上述实施例的不同之处在于，冷却腔入口布置在套体的内周面上，越靠近叶轮的一端布置的越密集以保证对主轴温度较高的部位进行散热，冷却腔入口在周向上的密集程度可以根据工况进行调整，并不局限于冷却腔入口必须采用沿周向均布的方式。

本发明中超临界二氧化碳透平机的实施例5，与上述实施例的不同之处在于，本实施例中，供超临界二氧化碳进入冷却壳体内的通道可以采用蛇形、L形等结构，；例如，可以在供超临界二氧化碳进入的冷却壳体中设置多个分支通道以及与所有该分支通道连通的总通道，多个分支通道一端与冷却腔入口连通，另一端汇集于一处以与总通道连通，不局限于采用径向贯穿孔的方式。

本发明中超临界二氧化碳透平机的实施例6，与上述实施例的不同之处在于，本实施例中，供超临界二氧化碳排出冷却壳体外的通道可以采用蛇形、L形等结构，例如冷却腔出口仍设置在套体的端面上，套体的左半部、右半部中设置有沿轴向延伸的左侧流道、右侧流道，位于套体中左半部的左侧流道与左端的冷却腔出口连通，位于套体中右半部的右侧流道与右端的冷却腔出口连通。套体中还设置有连通左侧流道、右侧流道的环槽，或是设置有连通左侧流道、右侧流道的转接通道，环槽或转接通道与超临界二氧化碳排出接头连通以形成完整的供超临界二氧化碳从冷却腔中排出的通道，并不局限于采用轴向贯穿孔来供超临界二氧化碳排出。

本发明中超临界二氧化碳透平机的实施例7，与上述实施例的不同之处在于，套体上的冷却腔出口可以设置在套体的内周面上，并不局限于必须设置在套体端面上。

本发明中超临界二氧化碳透平机的实施例8，与上述实施例的不同之处在于，本实施例中，端盖可以整体罩设在套体的端面上，端盖上设置有翻边，并通过翻边与套体的外周面可拆连接，不局限于采用与套体的端面连接的方案。

本发明中超临界二氧化碳透平机的实施例9，与上述实施例的不同之处在于，本实施例中，轴向贯穿孔和径向贯穿孔可以分别集中设置在套体径向一侧，不局限于采用在周向上交错布置的方案。

本发明中超临界二氧化碳透平机的实施例10，与上述实施例的不同之处在于，本实施例中，超临界二氧化碳透平机中设置有监控主轴温度的数显装置，操作人员通过读取数显装置上的读数来手动控制流体进入管路的通断，不局限于采用控制器、电磁阀联动的方式来对流体进入管路进行控制。

本发明中超临界二氧化碳透平机主轴冷却系统的结构与上述超临界二氧化碳透平机实施例中的主轴冷却系统结构相同，因此关于超临界二氧化碳透平机主轴冷却系统的具体实施方式不再重复说明。

以上所述的具体实施方式，对本发明的发明目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡是在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.超临界二氧化碳透平机主轴冷却系统，其特征在于，包括：

冷却壳体，冷却壳体两端具有开口，在超临界二氧化碳透平机主轴穿设在冷却壳体中时与冷却壳体围成冷却腔；冷却壳体的两端开口处分别设有用于与超临界二氧化碳透平机主轴干气密封配合的干密封静环，冷却壳体上还分别设有超临界二氧化碳进入、排出接头；

超临界二氧化碳供应装置，分别与冷却壳体上的超临界二氧化碳进入、排出接头连接，以实现超临界二氧化碳循环流过冷却腔并对透平机主轴进行冷却。

2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳透平机主轴冷却系统，其特征在于，所述冷却壳体包括套体以及可拆连接在套体两端的端盖，所述端盖上分别设有穿装孔以形成所述冷却壳体的开口，干密封静环设置在端盖上。

3.根据权利要求2所述的超临界二氧化碳透平机主轴冷却系统，其特征在于，端盖上在穿装孔的孔沿位置处设有与穿装孔的同心、且与穿装孔相通的环槽而使穿装孔的孔沿形成干密封静环，所述环槽设置在端盖的内侧。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的超临界二氧化碳透平机主轴冷却系统，其特征在于，所述套体内表面在其周向上均布有多个冷却腔入口，冷却腔入口与超临界二氧化碳进入接头连通。

5.根据权利要求4所述的超临界二氧化碳透平机主轴冷却系统，其特征在于，套体上设置有两个以上的沿其径向贯穿设置的径向贯穿孔，径向贯穿孔的外端孔口用于与超临界二氧化碳进入接头连通，径向贯穿孔的内端孔口形成所述冷却腔入口，冷却腔入口为缩口结构，用于增加超临界二氧化碳的喷射速度。

6.根据权利要求4所述的超临界二氧化碳透平机主轴冷却系统，其特征在于，套体的至少一个端面上设置有冷却腔出口，套体中设置有沿轴向延伸的流道，所述流道一端与冷却腔出口连通，另一端与超临界二氧化碳排出接头连通。

7.根据权利要求6所述的超临界二氧化碳透平机主轴冷却系统，其特征在于，冷却腔入口设置在套体的中间位置处，套体的两端均设置有所述冷却腔出口，以使超临界二氧化碳能够由套体中部向套体两端流动。

8.根据权利要求7所述的超临界二氧化碳透平机主轴冷却系统，其特征在于，所述套体上设置有沿套体轴向贯穿设置的轴向贯穿孔，轴向贯穿孔构成所述流道，且轴向贯穿孔的两端开口形成所述冷却腔出口。

9.根据权利要求8所述的超临界二氧化碳透平机主轴冷却系统，其特征在于，轴向贯穿孔与径向贯穿孔在套体的周向上交错布置，轴向贯穿孔的孔壁轮廓为弧形。

10.超临界二氧化碳透平机，包括转动装配在超临界二氧化碳透平机中的主轴，其特征在于，还包括用于对主轴进行冷却的主轴冷却系统，所述主轴冷却系统为上述权利要求1-9中任一项所述的超临界二氧化碳透平机主轴冷却系统。

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