CN113606006A - 一种超临界二氧化碳透平压缩一体机 - Google Patents

一种超临界二氧化碳透平压缩一体机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳透平压缩一体机，具有结构紧凑，体积小，效率高，噪音小的优点。包括启发一体电机，以及设于启发一体电机两端的压缩机与透平，所述启发一体电机具有电机外壳、电机定子、转子，所述压缩机具有压缩机蜗壳、压气叶轮，所述透平具有透平蜗壳、涡轮，所述压气叶轮、涡轮固定安装在启发一体电机的转子两端；所述压缩机蜗壳、透平蜗壳分别与电机外壳固定连接，压缩机的排气口连接透平的进气口；所述启发一体电机在启机阶段作为电机使用，驱动压缩机对超临界二氧化碳做功，增压后的超临界二氧化碳经过系统热源加热后驱动透平做功，当透平输出功率大于压缩机消耗功率时，启发一体电机作为发电机对外输出功率。

Description

一种超临界二氧化碳透平压缩一体机
技术领域
本发明涉及超临界二氧化碳发电系统技术领域，特别是涉及一种超临界二氧化碳透平压缩一体机。
背景技术
自第一次工业革命以后，热能的主要利用方式是将热能通过动力系统转化为机械能，为人类的活动提供动力。超临界二氧化碳发电系统属于动力系统的一种，是以超临界状态的二氧化碳作为工质，将热源的热量转化为机械能，其热源可来自核反应堆、太阳能、地热能、工业废热、化学染料燃烧等。超临界二氧化碳工质的优良特性使得其系统具有良好的应用前景和研究价值。在目前超临界二氧化碳发电系统相对于其他发电系统，体积小是其突出优势，因此涡轮机与压缩机同轴，再结合启发一体高速电机直接驱动，减少了透平和压缩机的齿箱，原本需要一台发电机和一台电动机，现在也由一台启发一体机替代，不仅可以减小整个机组体积，使其拥有更广泛的使用场景，还能最大限度的减小齿箱传动过程中的功率损耗，提高机组发电效率；由于转速高，所以压缩机的功率密度高，而体积远小于同等功率的普通压缩机，可以有效的节约材料。但是由于高速旋转机械所带来的一系列轴系动力学及轴承问题，以及高压工况带来的密封问题，都制约着超临界二氧化碳压缩机的发展。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超临界二氧化碳透平压缩一体机，具有结构紧凑，体积小，效率高，噪音小的优点。
本发明的目的是这样实现的：
一种超临界二氧化碳透平压缩一体机，
包括启发一体电机，以及设于启发一体电机两端的压缩机与透平，所述启发一体电机具有电机外壳、电机定子、转子，所述压缩机具有压缩机蜗壳、压气叶轮，所述透平具有透平蜗壳、涡轮，所述压气叶轮、涡轮固定安装在启发一体电机的转子两端；所述压缩机蜗壳、透平蜗壳分别与电机外壳固定连接，压缩机的排气口连接透平的进气口；
所述启发一体电机在启机阶段作为电机使用，驱动压缩机对超临界二氧化碳做功，增压后的超临界二氧化碳经过系统热源加热后驱动透平做功，当透平输出功率大于压缩机消耗功率时，启发一体电机作为发电机对外输出功率。
优选地，启发一体电机的转子通过气体轴承系统支撑于电机外壳，所述气体轴承系统以超临界二氧化碳为润滑介质，所述电机外壳开有轴承进气孔、轴承排气孔，所述轴承进气孔用于向气体轴承系统通入超临界二氧化碳，所述轴承排气孔用于排出超临界二氧化碳。
优选地，所述轴承进气孔连接压缩机的排气口，用于将超临界二氧化碳引入气体轴承系统，对轴承系统进行润滑，所述轴承排气孔连接压缩机的进气口。
优选地，所述轴承排气孔、压缩机的进气口之间连接有抽吸泵，所述压缩机的排气口、轴承进气孔之间依次串联有储气罐和压力控制阀门，所述储气罐用于储存超临界二氧化碳，所述压力控制阀门用于控制通入气体轴承系统的超临界二氧化碳的压力与流量。
优选地，所述气体轴承系统包括纯径向轴承、径向-止推联合轴承和纯止推轴承；纯径向轴承位于转子的一端，所述径向-止推联合轴承、纯止推轴承位于转子的另一端，所述纯止推轴承位于径向-止推联合轴承的内侧。
优选地，所述定子设置有定子冷却通道，所述电机外壳上设有定子冷却气进气口和定子冷却气排气口，所述定子冷却气进气口和定子冷却气排气口与定子冷却通道连通，所述定子冷却气进气口连接压缩机的排气口，用于将超临界二氧化碳引入定子冷却通道中对定子进行冷却；所述定子冷却气排气口连接压缩机的进气口。
优选地，所述电机外壳与压缩机蜗壳和透平蜗壳之间分别设置干气密封装置，使一体机系统内部与外界隔绝，保证系统内超临界二氧化碳的纯净，同时避免系统的泄露损失。
优选地，所述压气叶轮通过端面齿和叶轮拉杆、锁紧螺母固定在转子的端部，涡轮通过双头螺纹直接安装在转子另一端。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明提出的透平、压缩一体机结构，电机、压气叶轮、涡轮与密封结构同轴连接，取消了传统的压缩机与透平分体式布置的形式，不仅使整机结构更加紧凑，减小了发电系统体积，同时还去掉了压缩机和透平的齿轮箱，减少了系统自身功耗，使整个一体机具有结构紧凑且简单、功率密度高、系统效率高，无需单独设计冷却结构等优点，将轴承气排气引入压缩机的进气口气流中，实现零泄漏，同时本发明的透平压缩一体机，整个实验样机中无油、无空气，适用于微小型超临界二氧化碳发电系统。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明超临界二氧化碳的流动路径图。
具体实施方式
参见图1、图2，为一种小功率超临界二氧化碳透平压缩一体机，所述高速启发一体电机2包括电机外壳21以及电机定子22、转子23、气体轴承系统，所述高速启发一体电机2的两端分别设有压缩机1与透平3，所述压缩机1和透平3的叶轮均安装在高速启发一体电机的转子23上。
所述高速启发一体电机2在启机阶段作为电机使用驱动压缩机1对二氧化碳做功，增压后的二氧化碳经过系统热源加热后驱动另一端的透平3开始做功，当透平3输出功率大于压缩机1消耗功率时，高速启发一体电机2就作为发电机对外输出功率。
所述气体轴承系统以二氧化碳为润滑介质，所述电机外壳21开有轴承进气孔24、轴承排气孔25，所述轴承进气孔24用于向气体轴承系统通入二氧化碳；所述轴承排气孔25用于排出二氧化碳。
所述轴承进气孔24连接压缩机的排气口17，用于将二氧化碳引入气体轴承系统，对轴承系统进行润滑，所述轴承排气孔25连接压缩机的进气口16，用于将气体轴承系统排出的二氧化碳汇入主流道。
所述压缩机的排气口17、轴承进气孔24之间依次串联有储气罐和压力控制阀门，所述储气罐用于储存二氧化碳，所述压力控制阀门用于控制通入气体轴承系统的二氧化碳的压力与流量。
所述轴承排气孔25、压缩机的进气口16之间连接有抽吸泵，用于将气体轴承系统排出的超临界二氧化碳汇入主流道。
所述定子22设置有定子冷却通道28，所述电机外壳上设有定子冷却气进气口26和定子冷却气排气口27，所述定子冷却气进气口26和定子冷却气排气口27与定子冷却通道28连通，所述定子冷却气进气口26连接压缩机的排气口16，用于将超临界二氧化碳引入定子冷却通道28中对定子进行冷却；所述定子冷却气排气口27连接压缩机的进气口16，用于将定子冷却通道28中的超临界二氧化碳汇入主流道。
所述电机外壳21与压缩机蜗壳11和透平蜗壳31之间分别设置干气密封装置4，使整个系统与外界隔绝，保证系统内二氧化碳的纯净，同时避免系统的泄露损失；
所述气体轴承系统包括纯径向轴承29、径向-止推联合轴承210和纯止推轴承211；纯径向轴承29位于转子的一端，所述径向-止推联合轴承210、纯止推轴承211位于转子的另一端，所述纯止推轴承211位于径向-止推联合轴承210的内侧。
所述压气叶轮12通过端面齿13和叶轮拉杆14、锁紧螺母15固定在转子23的端部，涡轮32通过双头螺纹33直接安装在转子23另一端。
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)

1.一种超临界二氧化碳透平压缩一体机，其特征在于：
包括启发一体电机，以及设于启发一体电机两端的压缩机与透平，所述启发一体电机具有电机外壳、电机定子、转子，所述压缩机具有压缩机蜗壳、压气叶轮，所述透平具有透平蜗壳、涡轮，所述压气叶轮、涡轮固定安装在启发一体电机的转子两端；所述压缩机蜗壳、透平蜗壳分别与电机外壳固定连接，压缩机的排气口连接透平的进气口；
所述启发一体电机在启机阶段作为电机使用，驱动压缩机对超临界二氧化碳做功，增压后的超临界二氧化碳经过系统热源加热后驱动透平做功，当透平输出功率大于压缩机消耗功率时，启发一体电机作为发电机对外输出功率。
2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳透平压缩一体机，其特征在于：启发一体电机的转子通过气体轴承系统支撑于电机外壳，所述气体轴承系统以超临界二氧化碳为润滑介质，所述电机外壳开有轴承进气孔、轴承排气孔，所述轴承进气孔用于向气体轴承系统通入超临界二氧化碳，所述轴承排气孔用于排出超临界二氧化碳。
3.根据权利要求2所述的一种超临界二氧化碳透平压缩一体机，其特征在于：所述轴承进气孔连接压缩机的排气口，用于将超临界二氧化碳引入气体轴承系统，对轴承系统进行润滑，所述轴承排气孔连接压缩机的进气口。
4.根据权利要求2所述的一种超临界二氧化碳透平压缩一体机，其特征在于：所述轴承排气孔、压缩机的进气口之间连接有抽吸泵，所述压缩机的排气口、轴承进气孔之间依次串联有储气罐和压力控制阀门，所述储气罐用于储存超临界二氧化碳，所述压力控制阀门用于控制通入气体轴承系统的超临界二氧化碳的压力与流量。
5.根据权利要求2所述的一种超临界二氧化碳透平压缩一体机，其特征在于：所述气体轴承系统包括纯径向轴承、径向-止推联合轴承和纯止推轴承；纯径向轴承位于转子的一端，所述径向-止推联合轴承、纯止推轴承位于转子的另一端，所述纯止推轴承位于径向-止推联合轴承的内侧。
6.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳透平压缩一体机，其特征在于：所述定子设置有定子冷却通道，所述电机外壳上设有定子冷却气进气口和定子冷却气排气口，所述定子冷却气进气口和定子冷却气排气口与定子冷却通道连通，所述定子冷却气进气口连接压缩机的排气口，用于将超临界二氧化碳引入定子冷却通道中对定子进行冷却；所述定子冷却气排气口连接压缩机的进气口。
7.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳透平压缩一体机，其特征在于：所述电机外壳与压缩机蜗壳和透平蜗壳之间分别设置干气密封装置，使一体机系统内部与外界隔绝，保证系统内超临界二氧化碳的纯净，同时避免系统的泄露损失。
8.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳透平压缩一体机，其特征在于：所述压气叶轮通过端面齿和叶轮拉杆、锁紧螺母固定在转子的端部，涡轮通过双头螺纹直接安装在转子另一端。
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