CN114294253B - 一种混联式压缩膨胀机及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种混联式压缩膨胀机及控制方法，混联式压缩膨胀机包括：通过气路依次连通的轴流式压缩机和离心式压缩机；通过气路依次连通的向心式膨胀机和轴流式膨胀机；轴流式压缩机通过第一转子轴与向心式膨胀机连接，第一转子轴的伸出端处连接有第一电动发电机；轴流式膨胀机通过第二转子轴与离心式压缩机连接，第二转子轴的伸出端处连接有第二电动发电机。在本发明中，轴流式压缩机的排气端设置离心式压缩机，对气体进行充分压缩，同时降低排气的体积流量，降低压缩机组的机械功耗。在向心式膨胀机的排气端设有轴流式膨胀机，通过体积流量与膨胀机的匹配化设计提高压力能向机械能的转换效率。

Description

一种混联式压缩膨胀机及控制方法

技术领域

本发明涉及热泵储电技术领域，具体涉及一种混联式压缩膨胀机及控制方法。

背景技术

储能系统可以提高电网的经济性、安全性和稳定性，近年来得到了显著发展，为了进一步提高压缩空气储能系统、超临界二氧化碳储能系统的效率以及对电网调峰、碳达峰、碳中和的促进效果，大规模低成本的新型储能技术亟需研制并投入运营。

在大功率等级的气体储能过程中，大流量的气体在多级压缩后以及多级膨胀后，其气体因密度以及体积的剧变、易出现较大的能量损失，进而降低储能的效率。目前迫切需要研发新型的冷、热能、压力能与机械能相互转换的关键设备。

发明内容

因此，本发明提供了一种能够提高储能效率的混联式压缩膨胀机及控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的混联式压缩膨胀机，包括：

压缩机组，具有通过气路依次连通的轴流式压缩机和离心式压缩机；

膨胀机组，具有通过气路依次连通的向心式膨胀机和轴流式膨胀机；

所述轴流式压缩机通过第一转子轴与所述向心式膨胀机同轴连接，所述第一转子轴的伸出端处连接有第一电动发电机，所述第一电动发电机用于提供和吸收机械能；

所述轴流式膨胀机通过第二转子轴与所述离心式压缩机同轴连接，所述第二转子轴的伸出端处连接有第二电动发电机，所述第二电动发电机用于提供和吸收机械能。

进一步地，所述第一转子轴以及所述第二转子轴均具有相对设置的第一轴端和第二轴端；

气体在所述轴流式压缩机内，朝向所述第一转子轴的第一轴端流动；气体在所述向心式膨胀机内，朝向所述第一转子轴的第二轴端流动；

气体在所述轴流式膨胀机内，朝向所述第二转子轴的第一轴端流动；气体在所述离心式压缩机内，朝向所述第二转子轴的第二轴端流动。

进一步地，所述轴流式压缩机包括：

压缩缸，具有与外界连通的进/排气口，所述压缩缸的内壁上具有垂直朝向其轴线方向伸出的多级静叶；

第一转子轴，通过轴承转动的穿设在所述压缩缸内，所述第一转子轴上有设有多级动叶，所述动叶与所述静叶交替排列。

进一步地，所述压缩缸的压缩室为锥形结构，该锥形结构的横截面积由其进口端朝向其出口端逐渐递减。

进一步地，轴流式膨胀机包括：

膨胀缸，具有与外界连通的进/排气口，所述膨胀缸的内壁上具有垂直朝向其轴线方向伸出的多级静叶；

第二转子轴，通过轴承转动的穿设在所述膨胀缸内，所述第二转子轴上有设有多级动叶，所述动叶与所述静叶交替排列。

进一步地，所述膨胀缸的膨胀室为锥形结构，该锥形结构的横截面积由其进口端朝向其出口端逐渐递增。

进一步地，所述动叶以及静叶的迎气面以及背气面均为倾斜面。

进一步地，所述压缩机组以及所述膨胀机组上均设有与外界环境隔离的隔热层。

一种混联式压缩膨胀机的控制方法，包括以下步骤：

向轴流式压缩机内通入低压气体，该低压气体依次流经轴流式压缩机以及离心式压缩机，依次升至成中压气体以及高压气体、并排出；

向向心式膨胀机内通入高压气体，该高压气体依次流经向心式膨胀机以及轴流式膨胀机，依次降至成中压气体以及低压气体、并排出；

根据轴流式压缩机的压缩耗功与向心式膨胀机的膨胀产功对比情况，对第一电动发电机的工作模式进行切换；

根据离心式压缩机的压缩耗功与轴流式膨胀机的膨胀产功对比情况，对第二电动发电机的工作模式进行切换。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的混联式压缩膨胀机，轴流式压缩机的排气端因气体流量较大，易因大流量或压缩不彻底，而出现较大的能量损失；通过在轴流式压缩机的排气端设置离心式压缩机，对气体进一步充分压缩，降低压缩机组的机械功耗。轴流式膨胀机能够对大体积流量的气体，进行膨胀；向心式膨胀机的排气端设置有轴流式膨胀机，提高压力能向机械能的转换效率。

2.本发明提供的混联式压缩膨胀机，轴流式压缩机与向心式膨胀机的气体流向相反，以减小第一转子轴上的轴向推力；离心式压缩机与轴流式膨胀机的气体流向相反，以减小第二转子轴上的轴向推力。

3.本发明提供的混联式压缩膨胀机，压缩缸为由其进口端朝向其出口端逐渐递减的锥形结构，压缩后的气体密度大、体积小，使其从小口径出口排出，以减小其能量损失；膨胀缸为由其进口端朝向其出口端逐渐递增的锥形结构，膨胀后的气体密度小、体积大，使其从大口径出口排出，以使其充分膨胀、减小能量损失。

4.本发明提供的混联式压缩膨胀机，多级动叶以及多级静叶的迎气面以及背气面均为倾斜面，倾斜面对气流起到一定的导向作用，以减小气体在流动过程的能量损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施方式，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为本发明中提供的混联式压缩膨胀机的结构示意图。

附图标记说明：

1、第一转子轴；2、第二转子轴；3、第一电动发电机；4、第二电动发电机；5、离心式压缩机；6、压缩缸；7、动叶；8、静叶；9、向心式膨胀机；10、膨胀缸；11、轴承12、轴流式压缩机；13、轴流式膨胀机。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。

在本发明的描述中，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例一

本实施例中提供的混联式压缩膨胀机，包括：压缩机组、膨胀机组、第一转子轴1、第二转子轴2、第一电动发电机3以及第二电动发电机4。

如图1所示，所述压缩机组包括：轴流式压缩机12和离心式压缩机5，所述轴流式压缩机12通过气路与离心式压缩机5连通；其中，轴流式压缩机12的进气端为所述压缩机组的进气端，离心式压缩机5的排气端为所述压缩机组的排气端。所述轴流式压缩机12包括：压缩缸6以及第一转子轴1；所述压缩缸6具有与外界连通的进/排气口，所述压缩缸6的内壁上具有垂直朝向其轴线方向伸出有间隔设置的两级静叶8；所述第一转子轴1通过轴承11转动的穿设在所述压缩缸6内，所述第一转子轴1上具有垂直且间隔设置的两级动叶7，该动叶7与压缩缸6内静叶8交替排列。

如图1所示，所述膨胀机组包括：向心式膨胀机9和轴流式膨胀机13，所述向心式膨胀机9通过气路与轴流式膨胀机13连通；其中，向心式膨胀机9的进气端为所述膨胀机组的进气端，轴流式膨胀机13的排气端为所述膨胀机组的排气端。所述轴流式膨胀机13包括：膨胀缸10以及第二转子轴2；所述膨胀缸10具有与外界连通的进/排气口，所述膨胀缸10的内壁上具有垂直朝向其轴线方向伸出有间隔设置的两级静叶8；所述第二转子轴2通过轴承11转动的穿设在所述膨胀缸10内，所述第二转子轴2上具有垂直且间隔设置的两级动叶7，该动叶7与膨胀缸10内静叶8交替排列。

如图1所示，所述压缩缸6的压缩室为锥形结构，该锥形结构的横截面积由其进口端朝向其出口端逐渐递减；压缩后的气体密度大、体积小，使其从小口径出口排出，以减小其能量损失。所述膨胀缸10的膨胀室为锥形结构，该锥形结构的横截面积由其进口端朝向其出口端逐渐递增；膨胀后的气体密度小、体积大，使其从大口径出口排出，以使其充分膨胀、减小能量损失。

如图1所示，动叶7以及静叶8均有朝向进气方向的迎气面和朝向排气方向的背气面，所述迎气面以及背气面均为倾斜面；该倾斜面的设置，对气流起到一定的导向作用，以减小气体在流动过程的能量损失。

在本实施例中，所述压缩机组以及所述膨胀机组上均设有与外界环境隔离的隔热层，以减小漏热带来的能量损失。

如图1所示，所述轴流式压缩机12通过第一转子轴1与所述向心式膨胀机9同轴连接，第一转子轴1具有伸出所述向心式膨胀机9的伸出端，第一转子轴1的伸出端上连接有第一电动发电机3，所述第一电动发电机3用于提供和吸收机械能。所述轴流式膨胀机13通过第二转子轴2与所述离心式压缩机5同轴连接，第二转子轴2具有伸出所述轴流式膨胀机13的伸出端，第二转子轴2的伸出端上连接有第二电动发电机4，所述第二电动发电机4用于提供和吸收机械能。

如图1所示，所述轴流式压缩机12与所述向心式膨胀机9的气体流向相同，以及所述离心式压缩机5与所述轴流式膨胀机13的气体流向相同。

作为一种可替代的实施方案，所述第一转子轴1以及所述第二转子轴2均具有相对设置的第一轴端和第二轴端。气体在所述轴流式压缩机12内，朝向所述第一转子轴1的第一轴端流动；气体在所述向心式膨胀机9内，朝向所述第一转子轴1的第二轴端流动；即，所述轴流式压缩机12的排气端紧邻所述向心式膨胀机9的排气端设置，或者所述轴流式压缩机12的进气端紧邻所述向心式膨胀机9的进气端设置，气体在两者内部的气体流向相反，以减小第一转子轴1上的轴向推力。气体在所述轴流式膨胀机13内，朝向所述第二转子轴2的第一轴端流动；气体在所述离心式压缩机5内，朝向所述第二转子轴2的第二轴端流动；即，所述离心式压缩机5的排气端紧邻所述轴流式膨胀机13的排气端设置，或者所述离心式压缩机5的进气端紧邻所述轴流式膨胀机13的进气端设置，气体在两者内部的气体流向相反，以减小第二转子轴2上的轴向推力。

作为可替代的实施方案，第一转子轴1上的动叶7具有间隔设置的两个以上，相应地，压缩缸6内壁上的静叶8具有间隔设置的两个以上，使轴流式压缩机12能够进行两级以上的压缩。第二转子轴2上的动叶7具有间隔设置的两个以上，相应地，膨胀缸10内壁上的静叶8具有间隔设置的两个以上，使轴流式膨胀机能够进行两级以上的膨胀。

实施例二

本实施例提供的混联式压缩膨胀机的控制方法，包括以下步骤：

向轴流式压缩机12内通入低压气体，该低压气体依次流经轴流式压缩机12后、升至中压气体，中压气体经离心式压缩机5后、升至高压气体排出。在此过程中，通过离心式压缩机5来降低气体的排出量，同时对中压气体进行充分压缩，以使压缩后的气体能够保持较高的压力与温度。

向向心式膨胀机9内通入高压气体，该高压气体依次流经向心式膨胀机9后、降至中压气体，中压气体经轴流式膨胀机13后、降至低压气体排出。在此过程中，小流量的中压气体在轴流式膨胀机13中能够进行充分的膨胀，以提高压力能向机械能转化效率。

根据轴流式压缩机12的压缩耗功与向心式膨胀机9的膨胀产功对比情况，对第一电动发电机3的工作模式进行切换。当轴流式压缩机12的压缩耗功大于向心式膨胀机9的膨胀产功时，第一电动发电机3切换至电动模式(相当于电动机)；反之，第一电动发电机3切换至发电模式(相当于发电机)。

根据离心式压缩机5的压缩耗功与轴流式膨胀机13的膨胀产功对比情况，对第二电动发电机4的工作模式进行切换。当离心式压缩机5的压缩耗功大于轴流式膨胀机13的膨胀产功时，第二电动发电机4切换至电动模式(相当于电动机)；反之，第二电动发电机4切换至发电模式(相当于发电机)。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种混联式压缩膨胀机，其特征在于，包括：

压缩机组，具有通过气路依次连通的轴流式压缩机(12)和离心式压缩机(5)；

膨胀机组，具有通过气路依次连通的向心式膨胀机(9)和轴流式膨胀机(13)；

所述轴流式压缩机(12)通过第一转子轴(1)与所述向心式膨胀机(9)同轴连接，所述第一转子轴(1)的伸出端处连接有第一电动发电机(3)，所述第一电动发电机(3)用于提供和吸收机械能；

所述轴流式膨胀机(13)通过第二转子轴(2)与所述离心式压缩机(5)同轴连接，所述第二转子轴(2)的伸出端处连接有第二电动发电机(4)，所述第二电动发电机(4)用于提供和吸收机械能；

混联式压缩膨胀机的控制方法，包括以下步骤：

向轴流式压缩机(12)内通入低压气体，该低压气体依次流经轴流式压缩机(12)以及离心式压缩机(5)，依次升至成中压气体以及高压气体、并排出；

向向心式膨胀机(9)内通入高压气体，该高压气体依次流经向心式膨胀机(9)以及轴流式膨胀机(13)，依次降至成中压气体以及低压气体、并排出；

根据轴流式压缩机(12)的压缩耗功与向心式膨胀机(9)的膨胀产功对比情况，对第一电动发电机(3)的工作模式进行切换；

根据离心式压缩机(5)的压缩耗功与轴流式膨胀机(13)的膨胀产功对比情况，对第二电动发电机(4)的工作模式进行切换。

2.根据权利要求1所述的混联式压缩膨胀机，其特征在于，所述第一转子轴(1)以及所述第二转子轴(2)均具有相对设置的第一轴端和第二轴端；

气体在所述轴流式压缩机(12)内，朝向所述第一转子轴(1)的第一轴端流动；气体在所述向心式膨胀机(9)内，朝向所述第一转子轴(1)的第二轴端流动；

气体在所述轴流式膨胀机(13)内，朝向所述第二转子轴(2)的第一轴端流动；气体在所述离心式压缩机(5)内，朝向所述第二转子轴(2)的第二轴端流动。

3.根据权利要求1所述的混联式压缩膨胀机，其特征在于，所述轴流式压缩机(12)包括：

压缩缸(6)，具有与外界连通的进/排气口，所述压缩缸(6)的内壁上具有垂直朝向其轴线方向伸出的多级静叶(8)；

第一转子轴(1)，通过轴承(11)转动的穿设在所述压缩缸(6)内，所述第一转子轴(1)上有设有多级动叶(7)，所述动叶(7)与所述静叶(8)交替排列。

4.根据权利要求3所述的混联式压缩膨胀机，其特征在于，所述压缩缸(6)的压缩室为锥形结构，该锥形结构的横截面积由其进口端朝向其出口端逐渐递减。

5.根据权利要求1所述的混联式压缩膨胀机，其特征在于，轴流式膨胀机(13)包括：

膨胀缸(10)，具有与外界连通的进/排气口，所述膨胀缸(10)的内壁上具有垂直朝向其轴线方向伸出的多级静叶(8)；

第二转子轴(2)，通过轴承(11)转动的穿设在所述膨胀缸(10)内，所述第二转子轴(2)上有设有多级动叶(7)，所述动叶(7)与所述静叶(8)交替排列。

6.根据权利要求5所述的混联式压缩膨胀机，其特征在于，所述膨胀缸(10)的膨胀室为锥形结构，该锥形结构的横截面积由其进口端朝向其出口端逐渐递增。

7.根据权利要求3-6中任一项所述的混联式压缩膨胀机，其特征在于，所述动叶(7)以及静叶(8)的迎气面以及背气面均为倾斜面。

8.根据权利要求1所述的混联式压缩膨胀机，其特征在于，所述压缩机组以及所述膨胀机组上均设有与外界环境隔离的隔热层。

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