CN114961886A - 透平膨胀机及含该透平膨胀机的热力循环系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于膨胀工作介质尤其是超临界二氧化碳的透平膨胀机，包括通过主轴同轴连接的涡轮部分和电机部分，所述涡轮部分包括沿轴向方向依次布置且流体连通的进气流道、进气整流腔、进气喷嘴环、涡轮盘和排气流道，进气整流腔中设置有整流罩，进气喷嘴环在外周设置有用于接收经整流的待膨胀工作介质的喷嘴流道，涡轮盘安装在主轴上，布置在涡轮盘本体外周的叶片在工作介质的作用下带动涡轮盘及主轴转动，其中进气流道沿轴向延伸并且其横截面直径随着靠近进气整流腔而逐渐增大，由进气整流腔与整流罩一起限定的环形整流通道的横截面随着靠近进气喷嘴环而逐渐缩小。本发明还涉及具有上述透平膨胀机的热力循环系统。
Description
技术领域
本发明涉及透平膨胀机，特别涉及超临界二氧化碳透平膨胀机以及具有该透平膨胀机的热力循环系统。
背景技术
超(跨)临界二氧化碳动力循环发电技术被认为是具有潜力的发电技术。天然循环工质二氧化碳相较于传统有机工质作为循环系统的循环工质具有一定的优势，其作为自然工质，臭氧消耗潜能值(ODP)为0且全球变暖潜值(GWP)为1，对臭氧层无破坏作用；其物性无毒不可燃，能够满足安全及可靠要求。其中，适用于百千瓦加热热源功率的十千瓦功率量级膨胀机作为移动装置内燃机余热、地热能、工业余热等诸多领域的潜在动力部件，其性能决定了发电循环的输出功和效率，对节能减排和双碳目标的实现具有重要意义。
在以二氧化碳为工质(工作介质)的透平膨胀机中，主要的研究和部件设计集中在兆瓦功率量级和百千瓦功率量级，由于功率更高，工质流量更大，其进气方式为全周进气；同时，对于小功率量级的膨胀机，其结构多采用容积式膨胀机包括活塞式膨胀机和涡旋式膨胀机等。但是，考虑到功率量级在十千瓦的二氧化碳动力循环膨胀机的工质流量和膨胀机进口参数，传统的活塞式或涡旋式膨胀机在效率方面偏低，同时由于工质流量流动特性，传统的全周进气设计方法并不适用于该功率量级的透平膨胀机，此外，在运行过程中，透平膨胀机面临着高温、高压、高转速的恶劣工作环境，因此需要对流道、结构强度、密封、冷却等进行设计与优化，开发出更适用于十千瓦功率量级的二氧化碳透平膨胀机。
发明内容
为了至少解决上述技术问题中的一个或多个方面，本发明提出了一种用于膨胀工作介质尤其是超临界二氧化碳的透平膨胀机，使得能够在期望的功率量级下具有提高的热功转化效率。
根据本发明的一方面，提供了一种用于膨胀工作介质尤其是超临界二氧化碳的透平膨胀机，包括用于将热能转化动能的涡轮部分和用于将动能转化为电能的电机部分，其特征在于，所述涡轮部分包括沿膨胀机主轴的轴向方向依次布置且流体连通的进气流道、进气整流腔、进气喷嘴环、涡轮盘和排气流道，所述进气流道构造成将待膨胀工作介质沿轴向供给到进气整流腔，所述进气整流腔构造用于调整工作介质的流态并将经整流的待膨胀工作介质导入进气喷嘴环，所述进气整流腔中设置有整流罩，所述进气喷嘴环在外周设置有用于接收经整流的待膨胀工作介质的喷嘴流道，所述涡轮盘安装在主轴上，布置在涡轮盘本体外周的叶片接收自喷嘴流道流出的工作介质并在工作介质的作用下带动涡轮盘以及主轴转动，所述排气流道构造用于将经膨胀的工作介质排出。所述进气流道沿所述主轴的轴向延伸并且其横截面直径随着靠近进气整流腔而逐渐增大，由所述进气整流腔与整流罩一起限定的环形整流通道的横截面随着靠近进气喷嘴环而逐渐缩小。
基于上述渐扩渐缩的轴向进气方式，根据本发明的透平膨胀机使得能够减小轴向力和/或径向力不平衡出现的可能性，避免了在工质例如二氧化碳压力过大的情况下出现的进气喷嘴环径向力、轴向力不平衡，并且使得能够通过进气喷嘴环和涡轮盘共同实现工质的部分切向进入、轴向膨胀、轴向流出，在该流动过程中膨胀做功并驱动主轴旋转。
有利地，所述进气喷嘴环具有用于调节有效喷嘴流道数量的调节环。
有利地，所述进气喷嘴环的进气度可在1/31与1之间调节，最小调节量为1/31，优选所述进气喷嘴环的进气度为1/31。由此，使得能够基于气动部分参数(包括：采用二氧化碳作为工质，比直径，比转速等)确定应采用的进气方式，因而使得能够取得最大效率。
有利地，所述喷嘴流道设计成沿工作介质流动方向渐缩的通槽。
有利地，所述喷嘴流道设计成相对于所述主轴的轴向的入口角度约为0°和/或出口角度约为70°。
有利地，所述涡轮盘上的叶片的反动度约为0.3。
有利地，电机部分与涡轮部分同轴连接。
有利地，所述电机部分还包括电机壳体，在电机壳体内设置有安装在主轴上的电机转子以及与电机转子配合的电机定子，所述电机壳体的靠近涡轮部分的第一端壳由第一轴承支承在主轴上，所述电机壳体的远离涡轮部分的第二端壳由第二轴承支承在主轴上。
有利地，所述第一轴承和所述第二轴承为角接触轴承，例如角接触陶瓷球轴承。
有利地，所述第一端壳通过并排设置的两个所述第一轴承支承在主轴上，所述第二端壳通过一个所述第二轴承支承在主轴上。
由于二氧化碳进气出气压差较大及轴向进气方式，同时由于涡轮盘在高速旋转，涡轮盘单位面积受力较大。通过在电机轴部段的靠近涡轮部分一侧设置两个陶瓷角接触轴承，在涡轮盘处平衡轴向力，防止轴向力反向；在电机轴部段的远离涡轮部分的另一侧设置一个陶瓷角接触轴承，平衡轴向力同时提升运行稳定性。由于采用角接触球的轴承设计，使得透平膨胀机在运转过程中能够承受来自涡轮盘叶片由于工质膨胀而产生的轴向推力。
有利地，在所述电机壳体的第二端壳的远离电机定子的一侧设置有辅助密封冷却装置，该辅助密封冷却装置包括与第二端壳一起限定容纳辅助气体的腔室的后机壳以及设置在第二端壳上的用于向电机部分供给辅助气体的通孔。有利地，所述辅助气体为从透平膨胀机所在的热力循环系统中抽取的具有预定温度和压力的气体。
有利地，在电机壳体的第二端壳或第二端壳附近设置有供流过电机的辅助气体排出的排出通道。
有利地，所述排出通道在其下游端与涡轮部分的排出流道汇合连通。
由此，借助顶气结构将系统高压侧管路中的二氧化碳工质引入顶气流道，通过所述通孔进入到电机腔内。该部分二氧化碳工质压力比排出流道中经膨胀的二氧化碳的压力大，因此，有效保证涡轮部分侧的较热二氧化碳工质无法泄漏至电机腔，保护电机正常运转；同时该部分低温高压的二氧化碳工质将电机发电过程中产生的热量带走，并经过与膨胀后的低压二氧化碳工质汇合，共同通过排气流道流出。
有利地，在所述电机壳体中设置有冷却水流道，以通过水冷的方式对电机进行冷却。所述冷却水流道可设计成所述电机壳体中的开槽，通过外部接口开槽与冷却水水源相连接。
有利地，所述透平膨胀机为十千瓦功率量级。
根据本发明的另一方面，提供一种热力循环系统，该热力循环系统为布雷顿循环系统或跨临界循环系统，其特征在于，该热力循环系统中的膨胀机为上述透平膨胀机。
根据本发明的透平膨胀机，适用于十千瓦功率量级的应用场合，该膨胀机的涡轮部分的气动结构为采用部分进气轴流设计，该设计的有益效果为可以提升涡轮的叶片高度，有效降低膨胀机的转速，降低加工难度，降低了膨胀机对于轴承和电机的要求，降低设备加工成本。此外，通过调整不同部分进气度实现涡轮不同转速和气动效率的改变。涡轮部分的气动设计中的进气整流设计能够对进入喷嘴流道前的超临界二氧化碳工质流动进行调节，通过采用曲面设计，降低二氧化碳工质进入进气喷嘴环喷嘴前的流动阻力，减少功率损失。电机部分采用与涡轮部分同轴的设计，在电机轴部段上在对应电机壳体的第一端壳和第二端壳的位置分别设置角接触陶瓷球轴承，保证传动效率，同时整个膨胀机的涡轮和电机被全密封于膨胀机机壳中，完全解决了半封闭式膨胀机外泄露的问题。此外，通过自密封的顶气设计，在膨胀机后部引入系统运行中的经过节流的温度较低的高压二氧化碳工质，该部分二氧化碳工质能够经过顶气流道流入电机壳体内，用来将电机腔相对于涡轮部分的高温二氧化碳工质隔绝和密封，同时冷却电机发电时产生的热量以改善电机使用环境，延长使用寿命。
附图说明
参考附图描述本发明的示例性实施例，其中：
图1示出根据本发明的十千瓦功率量级超临界二氧化碳透平膨胀机的外形结构示意图；
图2示出图1所示的超临界二氧化碳透平膨胀机沿A-A线获得的纵剖视图；
图3示出图2中的涡轮部分和电机部分之间的连接结构以及其周边部分的局部X的放大图；
图4A示出根据本发明的透平膨胀机的涡轮盘端视图；
图4B示出根据本发明的透平膨胀机的涡轮盘的侧视图；
图4C示出根据本发明的透平膨胀机的涡轮盘沿图4A中B-B线剖得的剖面图；
图5A示出根据本发明的透平膨胀机的进气喷嘴环和整流罩的组合结构示意图；
图5B示出图5A中所示组合结构沿C-C线剖的剖面图；以及
图6示出根据本发明的超临界二氧化碳透平膨胀机的部分运行参数如膨胀机转速和发电功率的变化范围。
附图标记列表：1-透平膨胀机；
10-涡轮部分；100-主轴；101-涡轮轴部段；102-电机轴部段；11-进气流道；110-进气法兰；111-进气温度测点；112-进气压力测点；12-进气整流腔；120-整流罩；13-进气喷嘴环；130-喷嘴流道；131-调节环；14-涡轮盘；140-叶片；15-排气流道；114-涡轮壳；109-轴套；
20-电机部分；21-电机壳体；211-第一端壳；212-第二端壳；213-冷却水流道；214-电机温度测点；22-电机转子；23-电机定子；24-第一轴承；240-第一轴承座；25-第二轴承；250-第二轴承座；26-辅助密封冷却装置；260-后机壳；261-通孔；262-顶气结构；2620-顶气流道；2601-转速传感器；2602-压力传感器；2603-接线柱。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属技术领域的技术人员更全面地了解本发明。但是，对于所属技术领域内的技术人员明显的是，本发明的实现可不具有这些具体细节中的一些。此外，应当理解的是，本发明并不限于所介绍的特定实施例。相反，可以考虑用下面的特征和要素的任意组合来实施本发明，而无论它们是否涉及不同的实施例。
以二氧化碳为工质的循环主要包含布雷顿循环和跨临界循环，其对应的循环系统基本由以下这四个部件组成：压缩机(工质泵)、加热器、膨胀机和冷却器(冷凝器)。其升压过程将二氧化碳工质加压至高压的超临界压力状态，加热器实现二氧化碳工质的升温过程，使得其具有做功能力，膨胀机实现将工质内能转化成机械功或电能的过程，冷却器(冷凝器)实现二氧化碳工质的冷却(冷凝)，使得其重新具备做功能力。
通过上述流程可以发现，无论是布雷顿循环系统还是跨临界循环系统，膨胀机都是热力循环过程中的关键部件，它能够将具有做功能力的工质的内能转化为机械能，继而可以产生电量，因此，其气动设计、结构设计等将直接对自身效率产生影响，继而对整个循环发电过程的性能产生影响。
图1示出根据本发明的一种用于膨胀工作介质(尤其是超临界二氧化碳)的透平膨胀机1，主要包括用于将工质的热能转化动能的涡轮部分10和用于将动能转化为电能的电机部分20。在工作介质例如超临界二氧化碳的情况下，该透平膨胀机可实现十千瓦功率量级的发电量。
参见图1和图2所示，透平膨胀机1的涡轮部分10和电机部分20通过膨胀机的主轴100同轴连接，用以实现转动动能的传递。为便于描述，主轴100根据其各部段的功能可分为涡轮轴部段101和电机轴部段102。虽然图中示出主轴为一体式部件，但是，本领域技术人员可以理解其也可制成为多部段式部件。
涡轮部分10包括沿主轴的轴向依次布置且彼此流体连通的进气流道11、进气整流腔12、进气喷嘴环13、涡轮盘14和排气流道15。
进气流道11构造成将待膨胀工作介质(即，“工质”，例如超临界二氧化碳)沿主轴100的延伸方向(即，透平膨胀机的轴向)供给到进气整流腔12。具体地，高温高压的超临界二氧化碳工质通过进气法兰110沿轴向进入进气流道11。在图2所示的优选实施例中，进气流道的横截面直径随着靠近进气整流腔而逐渐增大。因此，进气流道的纵向截面大体呈截锥形。该设计的目的是使得超临界二氧化碳工质进入进气整流腔前的流通更为顺滑，降低进气过程的阻力损失。参见图1所示，通过进气温度测点111和进气压力测点112对透平膨胀机的进口工质温度和压力予以测量。
如图2所示，进气整流腔12构造用于调整工作介质的流态并将经整流的待膨胀工作介质导入进气喷嘴环。在进气整流腔12内设置有整流罩120。整流罩大体呈罩帽状，以其顶部面向进气方向的取向设置，并且其主轴线落在主轴上。整流罩120的基部靠近进气喷嘴环设置。进气整流腔的围绕整流罩并与其间隔设置的外周壁大体呈筒状。进气整流腔大体为环形空腔。在所示的优选实施例中，由进气整流腔的筒状壁与整流罩一起限定的环形整流通道的横截面随着靠近进气喷嘴环而逐渐缩小。在进气流道和进气整流腔的联合作用下，可实现渐扩渐缩式轴向进气，减小了出现轴向力和/或径向力不平衡的可能性。
结合图3和图5A-5B所示，相对于工质流动方向，进气喷嘴环13布置在整流罩120下游与整流罩的基部连接。进气喷嘴环13在外周设置有用于接收经整流的待膨胀工作介质的喷嘴流道。由整流罩120和进气整流腔限定的整流通道将待膨胀工作介质导入到具有预定直径的环隙中，使得进气喷嘴环13的外周上的至少一个喷嘴流道130能够直接接收来自所述环隙的待膨胀工作介质。例如，绕进气喷嘴环的周向以均匀的角度间隔设置有31个喷嘴流道130。各喷嘴流道具有向外的开口。进气喷嘴环13还包括用于打开或关闭这些开口的调节环131。该调节环131与进气喷嘴环本体同轴设置。这些喷嘴流道130通过调节环131来切换成有效状态或无效状态。例如通过调节环的转动，使得部分喷嘴流道的开口被遮挡，进而被置入无效状态。经整流的工作介质会顺延调节环的槽道曲面进入开口敞开的有效喷嘴流道。喷嘴流道可设计成沿工作介质流动方向渐缩的通槽。喷嘴流道130设计成相对于主轴的轴向的入口角度(喷嘴流道的进气口切线与进气喷嘴环中心轴线之间的夹角为入口角)约为0°和/或出口角度(喷嘴流道的出气口切线与进气喷嘴环中心轴线之间的夹角为出口角)约为70°。来自进气整流腔12的待膨胀工作介质流体经由整流罩120的基部曲面壁面进入调节环131中，经由调节环131的曲面槽道进入开口打开的喷嘴流道130。当所布置的31条喷嘴流道32都处于有效状态时，进气喷嘴环28的进气度(进气喷嘴环的通流面积与其全周可用流通面积的比值即为进气度)为1(此时，为“全进气模式”)。根据具体设计情况，有效喷嘴流道的数目可通过调节环131在1到31的范围内调节，即进气喷嘴环的进气度的调节范围为1/31到1，最小调节量为1/31。当有效喷嘴流道130的数目调节成两个或两个以上时，有利地所有有效喷嘴流道沿进气喷嘴环13的圆周方向均匀间隔布置。当有效喷嘴流道的数目调节成一个时，进气喷嘴环的进气度为1/31。参见图5A和5B所示，在进气喷嘴环13的整个周向上只有一个喷嘴流道130处于有效状态。由此，可以灵活实现透平膨胀机的“部分进气模式”。该“部分进气模式”的设计能够一方面有效降低涡轮盘的鼓风和斥气损失，另一方面降低主轴100的电机轴部段102由于受力不均导致的振动恶化现象。
结合图2、图3以及图4A-4C所示，涡轮盘14安装在主轴100的涡轮轴部段101上并构造用于接收自喷嘴流道130流出的工作介质并在工作介质的作用下带动主轴100转动。涡轮盘在主轴上的安装定位通过位于其两侧的轴套109来实现。涡轮盘14本体外周设置有多个叶片140，叶片接收自喷嘴流道流出的工作介质。在一具体实施例中，涡轮盘14上的叶片140的反动度约为0.3。涡轮盘叶片140的入口厚度(图2中涡轮盘左端侧，即在靠近进气喷嘴环13的一轴向端侧所测量的叶片厚度)及出口厚度(图2中涡轮盘右端侧，即在远离进气喷嘴环的一轴向端侧所测量的叶片厚度)为0.3mm。高温高压的工作介质经由叶片140的两侧流道中膨胀做功，由于叶片140的两侧流道型线存在差异，使得工作介质在流经叶片140的两侧流道时流速产生差异，继而在伯努利原理的作用下在叶片140的两侧流道产生压力差，驱动叶片140带动涡轮盘14以及主轴旋转，即膨胀做功。优选地，叶片140由钛合金材料制成，由此，可降低质量控制轴系的振动。由此，根据本发明的透平膨胀机使得能够通过进气喷嘴环和涡轮盘共同实现工质的部分切向进入、轴向膨胀、轴向流出。
结合图2和如图3所示，经膨胀的工作介质自涡轮盘14排出后进入排气流道15。优选地，排气流道15在涡轮壳114中设计成将经膨胀的工作介质切向排出。
虽然图示的实施例中，用于限定进气流道和进气整流腔的壳体部段通过螺栓等紧固件固定连接至用于限定涡轮腔和排气流道的壳体部段，本领域技术人员容易理解这些壳体部段可以制成为一体式涡轮壳体，由此易于实现密封和减小气体流动损失。
回到图1和图2，电机部分20还包括电机壳体21，在电机壳体21内设置有安装在主轴100的电机轴部段上的电机转子22以及与电机转子配合的电机定子23，电机壳体21的靠近涡轮部分10的第一端壳211由第一轴承24支承在主轴的电机轴部段上，电机壳体21的远离涡轮部分10的第二端壳212由第二轴承25支承在主轴的电机轴部段上。当主轴100被涡轮盘14带动旋转时，电机定子23将主轴旋转的动能转化为电能。第一轴承和第二轴承的定位通过主轴上的设置的台阶或轴套或卡环来实现。
第一轴承24和第二轴承25为角接触轴承，优选地为角接触陶瓷球轴承。在所示的优选实施例中，第一端壳211上的相应位置设置有第一轴承座240，并排设置的两个第一轴承24固定于第一轴承座240内，由此将第一端壳211支承在主轴100上。第一轴承座240优选地通过螺栓等紧固件固定连接在电机壳体的第一端壳211上。类似地，第二端壳212上的相应位置设置有第二轴承座250。第二轴承座250通过螺栓等紧固件固定连接在电机壳体的第二端壳212上。第二轴承25固定于第二轴承座250内。
通过上述的轴承非对称设计构型，使得能够抵抗由于工质例如二氧化碳进气出气压差较大、轴向进气方式以及涡轮盘的高速旋转带来的力平衡问题，即，在电机轴部段的靠近涡轮部分一端设置的两个陶瓷角接触轴承能够在涡轮盘处平衡轴向力，防止轴向力反向；在电机轴部段的远离涡轮部分的另一端设置的一个陶瓷角接触轴承能够在平衡轴向力的同时提升运行稳定性。由于采用角接触球轴承设计，使得透平膨胀机在运转过程中能够承受来自涡轮盘叶片由于工质膨胀而产生的轴向推力。
电机壳体的第一端壳211通过紧固件与涡轮壳114固定连接。在涡轮壳的轴孔区域设置密封件，有利于涡轮部分相对于电机部分的密封。
在根据本发明的透平膨胀机中，在电机壳体21的第二端壳212的远离电机定子23的一侧设置有辅助密封冷却装置26，该辅助密封冷却装置26包括固定在电机壳体21的第二端壳212上与其一起限定一容纳辅助气体的腔室的后机壳260以及设置在第二端壳212上的用于向电机部分的电机腔内供给辅助气体的通孔261。后机壳260通过紧固件固定在电机壳体的第二端壳212上。辅助气体优选为从透平膨胀机所在的运行系统(例如制冷系统)中抽取的具有预定温度和压力的气体，例如50～60℃的二氧化碳工质。借助顶气结构262从制冷系统内部抽来高压低温的二氧化碳工质，该二氧化碳工质经顶气流道2620进入由后机壳260和电机壳体的第二端壳212限定的容纳腔室内部，并通过第二端壳上设置的通孔261流入至电机腔内，继而用于带走电机定子23在发电过程中产生的热量对电机进行冷却。顶气二氧化碳工质对电机的冷却，有效避免电机使用环境恶化并进而对电机进行保护，延长使用寿命。
在电机壳体的第一端壳211或第一端壳附近设置有供流过电机的辅助气体排出的排出通道(未图示)。优选地，排出通道在其下游端与涡轮部分10的排气流道15连通。由此，顶气二氧化碳工质在冷却电机后与膨胀后自排气流道15排出的低压二氧化碳工质汇合，例如通过涡轮壳体内部的排气流道流出膨胀机。该辅助密封冷却装置的设计使得可以利用来自系统自身的二氧化碳工质，在电机部分的电机腔内形成隔绝高温侧(涡轮部分侧)的二氧化碳工质的气密封，有效保证涡轮部分侧的较热二氧化碳工质无法泄漏至电机腔，保护电机正常运转，同时顶气二氧化碳工质流通经过电机可以带走电机的热量，由此实现了密封和冷却电机的双重目的。可选地或附加地，在电机壳体21上设置冷却水流道213，用以通过水冷的方式对电机进行冷却。冷却水流道可设计成电机壳体中的开槽，开槽通过外部接口与冷却水水源相连接。
在图1所示的实施例中，电机壳体21上布置有多个电机温度测点214，这些温度测点系电机定子、轴承和进排气腔的热电偶引出的接线柱，以监控透平膨胀机运转过程中的重要部件发热情况。后机壳260上布置有转速传感器2601和压力传感器2602，用以分别监控主轴(即电机轴)的转速和顶气二氧化碳工质来流压力。同时，在后机壳260上布置有三相电的三根接线柱2603，用以连接外部电阻等消耗性电器件。
根据本发明的十千瓦功率量级的超临界二氧化碳透平膨胀机，采用全封闭构型同轴耦合电机的结构设计、部分进气流道的气动设计、外部水冷和气冷联合冷却密封设计，有效克服高温高压高转速工作环境下的泄漏问题，在冷却上实现电机发热量和散热量平衡控制，并实现高效热功转化。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“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。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
工业适用性
为了便于理解本发明，下面就利用本发明的超临界二氧化碳透平膨胀机的工作原理进行说明：
在制冷系统中，高温高压的超临界二氧化碳通过进气法兰和进气流道进入到进气整流腔，在进气整流腔内二氧化碳流体的流态被调整，以流动损失较小的方式进入进气喷嘴环的有效喷嘴流道，呈渐缩式的喷嘴流道使得二氧化碳流体进行加速，接着流入到涡轮盘区域，在流经叶片的两侧流道产生流速差异，驱动叶片带动涡轮盘旋转，与此同时，二氧化碳气体也经历膨胀，压力降低。膨胀后的二氧化碳在排气流道中流动，最终排出涡轮壳体。
同时，来自制冷系统中低温高压的二氧化碳经由顶气结构流入由后机壳与电机壳体的第二端壳限定的容纳腔室中，冷却其中所容纳的部件，接着经由电机壳体的第二端壳上的通孔流入到电机腔内，特别地，流过电机转子和定子之间的间隙，最后到达位于电机壳体的第一端壳附近的排出通道，流出电机部分并与来自排气流道的低温低压二氧化碳流汇合。由于电机壳体的第一端壳的左右两侧流体的压力基本一致，可以有效地防止涡轮部分的气体泄漏到电机腔内，因此，除了冷却作用外，还兼顾有密封的作用。
图6中可以看出，根据本发明的超临界二氧化碳透平膨胀机能够实现十千瓦功率量级的发电量，大大提高了热功转换效率，并且有利地扩增了其适用范围。
本文中虽然以膨胀工质为二氧化碳进行说明，本领域技术人员也可以理解根据本发明的透平膨胀机也适用于其他工作介质(例如高温高压燃气)，只要其能够提供足够的供膨胀的压力即可。此外，虽然上文中以跨临界循环系统为例来说明根据本发明的透平膨胀机，但是本领域技术人员可以理解，根据本发明的透平膨胀机也可以用于其他热力循环系统，例如布雷顿循环系统。
以上所述仅仅描述的是根据本发明的透平膨胀机的示例性实施例。该透平膨胀机的具体结构不局限于这里描述的特定实施例，相反，各部件可以相对于这里描述的其它部件被独立地和单独地使用。在整个说明书中提到的“一个例子”，“另一个例子”，“例子”等等，意思是描述与例子相关的某个元件/元素(例如特点、结构和/或特征)包括在这里描述的至少一个例子中，可以和/或可以不出现在其它例子中。另外，可以理解的是描述的任何例子的多个元件可在多个不同的例子中以任何合适的方式组合，除非上下文明确说明。
该说明书使用示例来公开本发明，包括最佳实施方案，并且使得本领域任何技术人员都能够实现本发明。本发明的可获得专利的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员可以想到的其它示例。如果这些其它示例具有并非区别于权利要求字面语言的结构元件、或者如果这些其它示例包括非实质性区别于权利要求字面语言的等同的结构元件，则这些其它示例应落在权利要求的范围内。
Claims (16)
1.一种用于膨胀工作介质尤其是超临界二氧化碳的透平膨胀机，包括用于将工质热能转化动能的涡轮部分和用于将动能转化为电能的电机部分，其特征在于，所述涡轮部分包括沿膨胀机主轴的轴向方向依次布置且流体连通的进气流道、进气整流腔、进气喷嘴环、涡轮盘和排气流道，所述进气流道构造成将待膨胀工作介质沿轴向供给到进气整流腔，所述进气整流腔构造用于调整工作介质的流态并将经整流的待膨胀工作介质导入进气喷嘴环，所述进气整流腔中设置有整流罩，所述进气喷嘴环在外周设置有用于接收经整流的待膨胀工作介质的喷嘴流道，所述涡轮盘安装在主轴上，布置在涡轮盘本体外周的叶片接收自喷嘴流道流出的工作介质并在工作介质的作用下带动涡轮盘以及主轴转动，所述排气流道构造用于将经膨胀的工作介质排出，
其中所述进气流道沿所述主轴的轴向延伸并且其横截面直径随着靠近进气整流腔而逐渐增大，由所述进气整流腔与整流罩一起限定的环形整流通道的横截面随着靠近进气喷嘴环而逐渐缩小。
2.根据权利要求1所述的透平膨胀机，其特征在于，所述进气喷嘴环具有用于调节有效喷嘴流道数量的调节环。
3.根据权利要求2所述的透平膨胀机，其特征在于，所述进气喷嘴环的进气度在1/31与1之间的范围内调节，最小调节量为1/31，优选地所述进气喷嘴环的进气度为1/31。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的透平膨胀机，其特征在于，所述喷嘴流道设计成沿工作介质流动方向渐缩的通槽。
5.根据权利要求4所述的透平膨胀机，其特征在于，所述喷嘴流道设计成相对于所述主轴的轴向的入口角度约为0°和/或出口角度约为70°。
6.根据权利要求5所述的透平膨胀机，其特征在于，所述涡轮盘上的叶片的反动度约为0.3。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的透平膨胀机，其特征在于，电机部分与涡轮部分同轴连接。
8.根据权利要求7所述的透平膨胀机，其特征在于，所述电机部分还包括电机壳体，在电机壳体内设置有安装在主轴上的电机转子以及与电机转子配合的电机定子，所述电机壳体的靠近涡轮部分的第一端壳由第一轴承支承在主轴上，所述电机壳体的远离涡轮部分的第二端壳由第二轴承支承在主轴上。
9.根据权利要求8所述的透平膨胀机，其特征在于，所述第一轴承和所述第二轴承为角接触轴承，例如角接触陶瓷球轴承。
10.根据权利要求9所述的透平膨胀机，其特征在于，所述第一端壳通过并排设置的两个所述第一轴承支承在主轴上，所述第二端壳通过一个所述第二轴承支承在主轴上。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的透平膨胀机，其特征在于，在所述电机壳体的第二端壳的远离电机定子的一侧设置有辅助密封冷却装置，该辅助密封冷却装置包括与第二端壳一起限定容纳辅助气体的腔室的后机壳以及设置在第二端壳上的用于向电机部分供给辅助气体的通孔，优选地，所述辅助气体为从透平膨胀机所在的热力循环系统中抽取的具有预定温度和压力的气体。
12.根据权利要求11所述的透平膨胀机，其特征在于，在电机壳体的第二端壳或第二端壳附近设置有供流过电机的辅助气体排出的排出通道。
13.根据权利要求12所述的透平膨胀机，其特征在于，所述排出通道在其下游端与涡轮部分的排出流道汇合连通。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的透平膨胀机，其特征在于，在所述电机壳体中设置有冷却水流道，以通过水冷的方式对电机进行冷却。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的透平膨胀机，其特征在于，所述透平膨胀机为十千瓦功率量级。
16.一种热力循环系统，该热力循环系统为布雷顿循环系统或跨临界循环系统，其特征在于，该热力循环系统中的膨胀机为包括根据权利要求1-15中任一项所述的透平膨胀机。
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