CN114233649A - 一种超临界二氧化碳压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳压缩机，压缩机叶轮由轮毂、一级叶片、二级叶片组成，一级叶片、二级叶片分别在叶轮两侧，可以实现一个叶轮完成两级压缩，降低了加工制造成本、有效地减小压缩机的轴向长度，提高压缩机转子的临界转速，使压缩机结构更紧凑，转子运行安全可靠。叶轮外缘设计有平衡阶梯结构，可以通过叶轮本身实现一部分轴向力的自平衡。蜗壳与叶轮外缘的配合面有两排梳齿结构。可以实现级间密封，结构紧凑，密封效果好，泄露率低。蜗壳设计有平衡气孔，平衡气孔一端从外部引气，另一端连通叶轮平衡阶梯位置，引气压力高于二级叶轮出口压力0.1MPa‑0.5MPa。可以减少压缩机级间泄露，同时平衡一部分轴向推力。

Description

一种超临界二氧化碳压缩机

技术领域

本发明属于压缩机技术领域，涉及一种压缩机，尤其涉及一种超临界二氧化碳压缩机，适用于超临界二氧化碳的压缩。

背景技术

随着社会经济的发展，对设备的体积、效率提出了越来越高的要求，各种动力装备向着高温、高压、高转速的方向发展，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。由于二氧化碳只有在温度达到31.1℃，压力达到7.38Mpa时才能变为超临界状态。因此压缩机在目前超临界二氧化碳发电系统中属于关键部件，但是由于超临界二氧化碳密度大，对压缩机的转子动力学要求高，限制了压缩机转速的提高。因此，有必要研究高转速、安全可靠的超临界二氧化碳压缩机。

发明内容

本发明的目的为克服现有技术的不足，提供一种超临界二氧化碳压缩机，结构紧凑、轴向力小、安全可靠。

为实现该目的，本发明采用如下技术方案：

一种超临界二氧化碳压缩机，包括压缩机壳体以及设置在所述压缩机壳体内的至少一压缩机叶轮和至少一与所述压缩机叶轮相配合的压缩机蜗壳，所述压缩机蜗壳固定设置在所述压缩机壳体内，所述压缩机叶轮转动设置在所述压缩机蜗壳内，其特征在于，

所述压缩机叶轮包括叶轮轮毂、一级叶片、二级叶片，其中，所述一级叶片、二级叶片以背靠背的方式分别沿周向均匀加工形成在叶轮轮毂的两侧端面上，所述二级叶片的外缘直径大于所述一级叶片的外缘直径，在轴向上位于所述一级叶片与二级叶片之间的叶轮轮毂外缘上设计有轮毂平衡阶梯结构；

所述压缩机蜗壳包括两个分别与所述压缩机叶轮的一级叶片、二级叶片相适配的蜗壳空间，两个蜗壳空间之间设置有蜗壳隔板，所述蜗壳隔板与叶轮轮毂外缘的配合面上也对应所述轮毂平衡阶梯结构加工形成有隔板平衡阶梯结构，且至少在所述隔板平衡阶梯结构的两个径向壁面上分别设计有两排梳齿结构，所述两排梳齿结构用以实现所述压缩机叶轮的两级叶片之间的级间密封；

所述轮毂平衡阶梯结构与隔板平衡阶梯结构相互配合，以实现所述压缩机叶轮一部分轴向力的自平衡；

所述压缩机蜗壳上加工有至少一与蜗壳空间不连通的平衡气孔通道，所述平衡气孔通道一端从外部引气，另一端延伸至所述隔板平衡阶梯处，并与所述轮毂平衡阶梯结构与隔板平衡阶梯结构之间的空间连通，且所述外部引气的压力高于所述二级叶片的出口压力，以进一步减少压缩机两级之间的级间泄露，同时平衡一部分轴向推力。

优选地，所述外部引气的压力至少高出所述二级叶片的出口压力0.1MPa-0.5MPa。

本发明的超临界二氧化碳压缩机，包括主轴、压缩机壳体、进气道、压缩机叶轮、压缩机蜗壳、干气密封、机械密封、径向轴承、止推轴承、推力盘、端盖、套筒、固定螺母、轴承箱、联轴器、法兰组成。叶轮中间布置，轴采用两端支撑，压缩机叶轮由轮毂、一级叶片、二级叶片组成，一级叶片、二级叶片分别在叶轮两侧，分别实现一级压缩和二级压缩，此结构实现了一个叶轮完成两级压缩过程。

通过上述技术方案，可以减小轴向力，降低加工制造成本、有效地减小压缩机转子的轴向长度，提高压缩机转子的临界转速，使压缩机结构更紧凑，运行安全可靠。

所述叶轮外缘设计有平衡阶梯结构，二级叶片外缘直径大于一级叶片外缘直径。

通过上述技术方案，可以通过叶轮本身实现一部分轴向力的自平衡，减小转子轴向力，降低止推轴承的设计难度及加工制造成本。

所述蜗壳设计有平衡气孔，平衡气孔一端从外部引气，另一端连通叶轮平衡阶梯位置，引气压力高于二级叶轮出口压力0.1MPa-0.5MPa。

通过上述技术方案，可以减少压缩机级间泄露，同时平衡一部分轴向推力。

所述蜗壳与叶轮外缘的配合面设计有两排梳齿结构，两排梳齿的数量分别为a，b，其中，a＝0，1，2，3，……，1000，b＝0，1，2，3，……，1000。

通过上述技术方案，可以实现级间密封，结构紧凑，密封效果好，泄露率低，还可以通过改变梳齿的数量，调整级间泄漏量。

所述蜗壳设计有两级流道，可采用铸造一次成型，降低生产成本，结构紧凑、节省安装空间。

所述压缩机叶轮数量为2n，n＝1，2，3，4，……，10000。

通过上述技术方案，可以实现2n级压缩。

采用本发明采用的技术方案后，带来以下有益效果：

1.本发明公开的一种超临界二氧化碳压缩机，包括轴、压缩机壳体、进气道、叶轮、蜗壳、干气密封、机械密封、径向轴承、止推轴承、推力盘、端盖、套筒、固定螺母、轴承箱、联轴器、法兰。叶轮中间布置，轴采用两端支撑，压缩机叶轮由轮毂、一级叶片、二级叶片组成，一级叶片、二级叶片分别在叶轮两侧，此结构实现了一个叶轮完成两级压缩过程，可以减小轴向力，降低加工制造成本、节省安装空间，有效地减小压缩机转子的轴向长度，提高压缩机转子的临界转速，使压缩机结构更紧凑，运行安全可靠。

2.本发明叶轮外缘设计有平衡阶梯结构，二级叶片外缘直径大于一级叶片外缘直径。通过叶轮本身实现一部分轴向力的自平衡，减小转子轴向力，降低止推轴承的设计难度及加工制造成本。

3.本发明蜗壳与叶轮外缘的配合面设计有两排梳齿结构。可以实现级间密封，结构紧凑，密封效果好，泄露率低，还可以通过改变梳齿的数量，调整级间泄漏量。

4.本发明蜗壳设计有平衡气孔，平衡气孔一端从外部引气，另一端连通叶轮平衡阶梯位置，引气压力高于二级叶轮出口压力0.1MPa-0.5MPa，可以减少压缩机级间泄露，同时平衡一部分轴向推力。

5.本发明压缩机叶轮数量为2n，n＝1，2，3，4，……，10000。可以实现压缩机2n级压缩。

附图说明

图1是本发明中超临界二氧化碳压缩机视图；

图2是本发明中叶轮的剖视图；

图3是本发明中叶轮的三维视图；

图4是本发明中蜗壳的剖视图；

图5是本发明中蜗壳梳齿结构的放大视图。

附图标记说明：

1、主轴；2、压缩机壳体；3、进气道；4、蜗壳；5、压缩机叶轮；6、端盖；7、机械密封；8、干气密封；9、法兰；10、轴承箱；11、径向轴承；12、联轴器；13、固定螺母；14、套筒；15、止推轴承；16、推力盘；17、梳齿结构；18、一级叶片；19、二级叶片；20、平衡阶梯；21、平衡气孔。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

如图1所示，本发明的超临界二氧化碳压缩机，由主轴1、压缩机壳体2、进气道3、压缩机叶轮5、压缩机蜗壳4、干气密封8、机械密封7、径向轴承11、止推轴承15、推力盘16、端盖6、套筒14、固定螺母13、轴承箱10、联轴器12、法兰9等多个部件组成。压缩机叶轮5中间布置，主轴1采用两端支撑，压缩机叶轮5、推力盘16、套筒14、联轴器12等安装在主轴1上，两端由固定螺母13固定；进气道3、蜗壳4、干气密封8、机械密封7、端盖6、轴承箱10安装在压缩机壳体2上；径向轴承11、止推轴承15安装在轴承箱10上。

如图2-5所示，压缩机叶轮5由轮毂、一级叶片18、二级叶片19组成，一级叶片18、二级叶片19以背靠背的方式分别加工形成在轮毂的两侧端面上。轮毂的一侧端面上沿周向均匀加工形成有多个一级叶片18，轮毂的另一侧端面上沿周向均匀加工形成有多个二级叶片19，可以实现一个叶轮5完成两级压缩过程，降低了加工制造成本、有效地减小压缩机的轴向长度，提高压缩机转子的临界转速，使压缩机结构更紧凑，转子运行安全可靠。压缩机叶轮5中，在轴向上位于一级叶片18与二级叶片19之间的轮毂外缘上设计有平衡阶梯20结构，二级叶片19外缘直径大于一级叶片18外缘直径。可以通过压缩机叶轮5本身实现一部分轴向力的自平衡，减小转子轴向力，降低止推轴承15的设计难度及加工制造成本。压缩机蜗壳4包括两个分别与压缩机叶轮5的一级叶片18、二级叶片19相适配的蜗壳空间，两个蜗壳空间之间设置有蜗壳隔板，压缩机蜗壳4的蜗壳隔板与叶轮轮毂外缘的配合面上也对应形成为阶梯结构，且至少在该阶梯结构的至少两个径向壁面上分别设计有两排梳齿结构17。可以实现压缩机叶轮5两级叶片之间的级间密封，结构紧凑，密封效果好，泄露率低。蜗壳4设计有平衡气孔21，平衡气孔21一端从外部引气，另一端连通叶轮平衡阶梯位置，引气压力高于二级叶片19出口压力0.1MPa-0.5MPa，可以减少压缩机两级之间的级间泄露，同时平衡一部分轴向推力。蜗壳4设计有两级流道，可采用铸造一次成型，降低生产成本，结构紧凑、节省安装空间。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (8)

1.一种超临界二氧化碳压缩机，包括压缩机壳体以及设置在所述压缩机壳体内的至少一压缩机叶轮和至少一与所述压缩机叶轮相配合的压缩机蜗壳，所述压缩机蜗壳固定设置在所述压缩机壳体内，所述压缩机叶轮转动设置在所述压缩机蜗壳内，其特征在于，

所述压缩机叶轮包括叶轮轮毂、一级叶片、二级叶片，其中，所述一级叶片、二级叶片以背靠背的方式分别沿周向均匀加工形成在叶轮轮毂的两侧端面上，所述二级叶片的外缘直径大于所述一级叶片的外缘直径，在轴向上位于所述一级叶片与二级叶片之间的叶轮轮毂外缘上设计有轮毂平衡阶梯结构；

所述压缩机蜗壳包括两个分别与所述压缩机叶轮的一级叶片、二级叶片相适配的蜗壳空间，两个蜗壳空间之间设置有蜗壳隔板，所述蜗壳隔板与叶轮轮毂外缘的配合面上也对应所述轮毂平衡阶梯结构加工形成有隔板平衡阶梯结构，且至少在所述隔板平衡阶梯结构的两个径向壁面上分别设计有两排梳齿结构，所述两排梳齿结构用以实现所述压缩机叶轮的两级叶片之间的级间密封；

所述轮毂平衡阶梯结构与隔板平衡阶梯结构相互配合，以实现所述压缩机叶轮一部分轴向力的自平衡；

所述压缩机蜗壳上加工有至少一与蜗壳空间不连通的平衡气孔通道，所述平衡气孔通道一端从外部引气，另一端延伸至所述隔板平衡阶梯处，并与所述轮毂平衡阶梯结构与隔板平衡阶梯结构之间的空间连通，且所述外部引气的压力高于所述二级叶片的出口压力，以进一步减少压缩机两级之间的级间泄露，同时平衡一部分轴向推力。

2.按权利要求1所述超临界二氧化碳压缩机，其特征在于，所述压缩机蜗壳的隔板平衡阶梯结构的两个径向壁面上设计有两排梳齿结构，两排梳齿的数量分别为a，b，其中，a＝0，1，2，3，……，1000，b＝0，1，2，3，……，1000。

3.按权利要求1所述超临界二氧化碳压缩机，其特征在于，所述压缩机蜗壳上设计有平衡气孔，平衡气孔一端从外部引气，另一端连通叶轮平衡阶梯位置，引气压力高于二级叶轮出口压力0.1MPa-0.5MPa。

4.按权利要求1所述超临界二氧化碳压缩机，其特征在于，所述压缩机蜗壳设计有两级流道。

5.按权利要求1所述超临界二氧化碳压缩机，其特征在于，所述压缩机叶轮的数量为2n，n＝1，2，3，4，……，10000，可以实现2n级压缩。

6.按权利要求5所述超临界二氧化碳压缩机，其特征在于，所述压缩机蜗壳的平衡气孔数量为m，m＝0，1，2，3，……，100。

7.按权利要求2所述超临界二氧化碳压缩机，其特征在于，所述蜗壳与叶轮外缘的配合面的两排梳齿结构可以为蜂窝结构。

8.按权利要求3所述超临界二氧化碳压缩机，其特征在于，所述蜗壳的平衡气孔沿着蜗壳圆周方向均匀分布。

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