CN115492659A - 采用混合冷却的屏蔽式超临界二氧化碳透平发电机组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了采用混合冷却的屏蔽式超临界二氧化碳透平发电机组，包括外壳、透平、高速发电机和冷却装置；透平和高速发电机同轴设置在外壳内，透平靠近高速发电机的一侧设置有发电机侧干气密封，发电机侧干气密封用于实现超临界二氧化碳由高压侧向低压侧泄漏；冷却装置包括第一冷却单元和第二冷却单元，第一冷却单元包括第一冷却管道，第一冷却管道一端用于将低压腔室内部分超临界二氧化碳导出；第二冷却单元包括第二冷却管道，第二冷却管道上设置有换热器，第二冷却管道用于实现临界二氧化碳在低压腔室内循环。本发明采用混合冷却，实现了紧凑布置条件下对发电机的冷却保护，保证了系统的安全可靠性，且具有高效零泄漏的优点。

Description

采用混合冷却的屏蔽式超临界二氧化碳透平发电机组
技术领域
本发明涉及动力设备技术领域，具体涉及采用混合冷却的屏蔽式超临界二氧化碳透平发电机组。
背景技术
超临界二氧化碳动力装置以处于超临界状态的二氧化碳作为工质实现系统的能量传输和能量转换，采用布雷顿热力循环方式。传统的热能发电技术通常以水蒸汽为工质的朗肯循环，相比于超临界二氧化碳布雷顿循环，利用水蒸汽的朗肯循环效率偏低、体积大、投资成本高。因此，由于超临界二氧化碳能量转换技术高效、紧凑、低成本、模块化等特点使广泛地作为下一代核电站、太阳能、地热能、化石能等发电或动力领域的能量转换装置。
超临界二氧化碳透平发电机组是超临界二氧化碳动力系统实现热-功-电转换的关键核心设备之一。透平发电机组的主要作用是将循环工质从热源处获得的热能转化为机械能，再将机械能转化为电能，实现热电转换，对外输出电能。因此，超临界二氧化碳透平发电机组的性能会直接影响超临界二氧化碳动力系统的动力输出。安全、可靠、高效、零泄漏的透平发电机组是超临界二氧化碳动力系统发展的关键因素之一。
因此，有必要设计一种安全、可靠、高效、零泄漏的透平发电机组。
发明内容
本发明的目的在于提供采用混合冷却的屏蔽式超临界二氧化碳透平发电机组，该透平发电机组采用混合冷却，实现了紧凑布置条件下对发电机的冷却保护，保证了系统的安全可靠性，且具有高效零泄漏的优点。
本发明通过下述技术方案实现：
采用混合冷却的屏蔽式超临界二氧化碳透平发电机组，包括外壳、透平、高速发电机和冷却装置；
所述透平和高速发电机同轴设置在外壳内，所述透平和高速发电机通过轴进行传动；所述透平靠近高速发电机的一侧设置有发电机侧干气密封，所述发电机侧干气密封用于实现超临界二氧化碳由高压侧向低压侧泄漏；
所述冷却装置包括第一冷却单元和第二冷却单元，所述第一冷却单元包括第一冷却管道，所述第一冷却管道一端与高速发电机所在的低压腔室连接，用于将低压腔室内部分超临界二氧化碳导出；所述第二冷却单元包括第二冷却管道，所述第二冷却管道上设置有换热器，所述第二冷却管道用于实现超临界二氧化碳在低压腔室内循环。
本发明所述高速发电机为现有技术。
本发明的工作原理为：
从热源吸热的高温高压的超临界二氧化碳工质，通过透平膨胀做功，推动透平叶轮旋转，透平叶轮通过轴传动驱动高速发电机的转子转动，进而驱动高速发电机运行，对外输出电能。
即本发明的冷却装置以二氧化碳作为冷却工质，采用泄漏和主动冷却循环的混合冷却方式，对高速发电机腔室进行冷却，确保整个装置运行过程中，高速发电机的可靠冷却保护。
并且，透平、高速发电机同轴布置，整个被外壳包裹，能够实现屏蔽式超临界二氧化碳透平发电机组屏蔽式对外零泄漏。
进一步地，第一冷却管道的另一端与主循环系统中压气机进口连接，将用于冷却高速发电机的超临界二氧化碳重复利用。
进一步地，透平包括透平高压外缸、透平叶轮、非发电机侧干气密封和发电机侧干气密封；
所述透平高压外缸的轴向两端均为开放端，且透平高压外缸的轴向两端分别采用非发电机侧干气密封和发电机侧干气密封进行密封；
所述透平叶轮设置在透平高压外缸内侧，所述透平叶轮设置在轴上，所述轴的两端分别穿过非发电机侧干气密封和发电机侧干气密封，其中，轴穿过发电机侧干气密封的一端与高速发电机的转子连接。
进一步地，透平高压外缸与轴同轴设置，且透平高压外缸嵌入外壳内。
进一步地，透平高压外缸内设置有疏齿密封。
进一步地，在非发电机侧干气密封和发电机侧干气密封内侧均设置有疏齿密封。
进一步地，轴上设置有第一径向磁悬浮轴承轴向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承；
所述第一径向磁悬浮轴承设置在非发电机侧干气密封外侧，所述轴向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承安装设置在发电机侧干气密封外侧。
进一步地，还包括与透平高压外缸连通的注气管线，所述注气管线用于向透平高压外缸内导入超临界二氧化碳气体，在系统未启动之前，通过该注气管线充入二氧化碳工质，直到系统达到启动参数。
进一步地，第一冷却管道上设置有抽吸泵，所述抽吸泵设置在外壳外侧。
进一步地，第二冷却管道上设置有换热器和风机，所述换热器和风机设置在外壳外侧。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明可作为超临界二氧化碳动力循环系统的热-功-电转换装置，并实现了紧凑布置条件下对发电机的冷却保护，保证了系统的安全可靠性，采用泄漏和主动冷却循环的混合冷却方式，能够解决紧凑式结构布置条件下高速发电机的冷却保护问题。
2、本发明的透平和高速发电机直联结构，减少传动损失，采用磁悬浮轴承，外壳整体包裹转子，可以实现透平发电装置对外零泄漏。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明屏蔽式超临界二氧化碳透平发电机组的结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-第一径向磁悬浮轴承；2-透平高压外缸；3-透平叶轮；4-疏齿密封；5-发电机侧干气密封；6-轴向磁悬浮轴承；7-第二径向磁悬浮轴承；8-高速发电机；9-注气管线；10-外壳；11-抽吸泵；12-非发电机侧干气密封；13-换热器；14-风机。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，采用混合冷却的屏蔽式超临界二氧化碳透平发电机组，包括外壳10、透平、高速发电机8和冷却装置；
外壳10为封闭式结构；透平和高速发电机8同轴设置在外壳10内。
透平包括透平高压外缸2、透平叶轮3、非发电机侧干气密封12和发电机侧干气密封5；
透平高压外缸2的轴向两端均为开放端，且透平高压外缸2的轴向两端分别采用非发电机侧干气密封12和发电机侧干气密封5进行密封，透平高压外缸2嵌入外壳10内，与外壳10构成封闭式结构；
透平叶轮3设置在透平高压外缸2内侧，透平叶轮3设置在轴上，轴的两端分别穿过非发电机侧干气密封12和发电机侧干气密封5，发电机侧干气密封5用于实现超临界二氧化碳由高压侧向低压侧泄漏，其中，轴穿过发电机侧干气密封5的一端与高速发电机8的转子连接；在轴上非发电机侧干气密封12外侧设置有第一径向磁悬浮轴承1；在轴上发电机侧干气密封5外侧设置有轴向磁悬浮轴承6和第二径向磁悬浮轴承7，在非发电机侧干气密封12和发电机侧干气密封5内侧均设置有疏齿密封4，疏齿密封4安装在透平高压外缸2内壁上，透平高压外缸2通过一注气管线9实现内部与外部连通，注气管线9作为超临界二氧化碳的导入端。
冷却装置包括第一冷却单元和第二冷却单元，所述第一冷却单元包括第一冷却管道，所述第一冷却管道一端与高速发电机8所在的低压腔室连接，第一冷却管道的另一端与超临界二氧化碳供应端连接，第一冷却管道上设置有抽吸泵11，所述抽吸泵11设置在外壳10外侧，第一冷却管道用于将低压腔室内部分超临界二氧化碳导出；第二冷却单元第二冷却管道，所述冷却管道上设置有换热器13和风机14，所述换热器13和风机14设置在外壳10外侧，第二冷却管道用于实现超临界二氧化碳在低压腔室内循环，风机14可与采用离心风机。
本实施例的工作原理为：
该装置启动运行时，首先，对透平进行暖机，暖机完成后，高温高压的超临界二氧化碳工质从透平进口(设备的外壳上的开设的进气口，图未示)进入透平叶轮3，推动透平叶轮3旋转做功，从而拖动高速发电机8运转。随着热源温度的上升，透平逐步达到额定工况，从而高速发电机8也达到额定功率。
在整个装置运行过程中，干气密封高压侧的二氧化碳会向低压发电机侧泄漏(由于透平高压外缸2的压力高于两侧低压腔室的压力，会有二氧化碳工质泄漏到低压腔室，即透平高压外缸2内的气体会通过非发电机侧干气密封12和发电机侧干气密封5泄漏至两侧低压腔室)，将这部分从干气密封泄漏二氧化碳工质引入高速发电机8，对高速发电机8进行冷却，同时采用抽吸泵11将高速发电机8所在的低压腔室内部的一定量二氧化碳工质抽出，返回主回路重新参与循环，保证高速发电机8所在的低压腔室压力维持在较低水平，确保结构的可靠性和完整性。同时，采用风机14驱动低压腔室二氧化碳工质通过紧换热器13，形成内部冷却循环，对高速发电机8进行冷却，解决了泄漏单一冷却不足的问题。通过泄漏和内部冷却循环混合的冷却方式保证发电机能够得到充足的冷却，确保整个装置的安全稳定运行。
本实施例可作为超临界二氧化碳动力循环系统的热-功-电转换装置，并实现了紧凑布置条件下对发电机的冷却保护，保证了系统的安全可靠性，采用泄漏和主动冷却循环的混合冷却方式，能够解决紧凑式结构布置条件下高速发电机8的冷却保护问题。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、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。
需要注意的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

Claims (10)

1.采用混合冷却的屏蔽式超临界二氧化碳透平发电机组，其特征在于，包括外壳(10)、透平、高速发电机(8)和冷却装置；
所述透平和高速发电机(8)同轴设置在外壳(10)内，所述透平和高速发电机(8)通过轴进行传动；所述透平靠近高速发电机(8)的一侧设置有发电机侧干气密封(5)，所述发电机侧干气密封(5)用于实现超临界二氧化碳由高压侧向低压侧泄漏；
所述冷却装置包括第一冷却单元和第二冷却单元，所述第一冷却单元包括第一冷却管道，所述第一冷却管道一端与高速发电机(8)所在的低压腔室连接，用于将低压腔室内部分超临界二氧化碳导出；所述第二冷却单元包括第二冷却管道，所述第二冷却管道上设置有换热器(13)，所述第二冷却管道用于实现超临界二氧化碳在低压腔室内循环。
2.根据权利要求1所述的采用混合冷却的屏蔽式超临界二氧化碳透平发电机组，其特征在于，所述第一冷却管道的另一端与主循环系统中压气机进口连接。
3.根据权利要求1所述的采用混合冷却的屏蔽式超临界二氧化碳透平发电机组，其特征在于，所述透平包括透平高压外缸(2)、透平叶轮(3)、非发电机侧干气密封(12)和发电机侧干气密封(5)；
所述透平高压外缸(2)的轴向两端均为开放端，且透平高压外缸(2)的轴向两端分别采用非发电机侧干气密封(12)和发电机侧干气密封(5)进行密封；
所述透平叶轮(3)设置在透平高压外缸(2)内侧，所述透平叶轮(3)设置在轴上，所述轴的两端分别穿过非发电机侧干气密封(12)和发电机侧干气密封(5)，其中，轴穿过发电机侧干气密封(5)的一端与高速发电机(8)的转子连接。
4.根据权利要求3所述的采用混合冷却的屏蔽式超临界二氧化碳透平发电机组，其特征在于，所述透平高压外缸(2)与轴同轴设置，且透平高压外缸(2)嵌入外壳(10)内。
5.根据权利要求3所述的采用混合冷却的屏蔽式超临界二氧化碳透平发电机组，其特征在于，所述透平高压外缸(2)内设置有疏齿密封(4)。
6.根据权利要求5所述的采用混合冷却的屏蔽式超临界二氧化碳透平发电机组，其特征在于，在非发电机侧干气密封(12)和发电机侧干气密封(5)内侧均设置有疏齿密封(4)。
7.根据权利要求3所述的采用混合冷却的屏蔽式超临界二氧化碳透平发电机组，其特征在于，所述轴上设置有第一径向磁悬浮轴承(1)、轴向磁悬浮轴承(6)和第二径向磁悬浮轴承(7)；
所述第一径向磁悬浮轴承(1)设置在非发电机侧干气密封(12)外侧，所述轴向磁悬浮轴承(6)和第二径向磁悬浮轴承(7)安装设置在发电机侧干气密封(5)外侧。
8.根据权利要求3所述的采用混合冷却的屏蔽式超临界二氧化碳透平发电机组，其特征在于，还包括与透平高压外缸(2)连通的注气管线(9)，所述注气管线(9)用于向透平高压外缸(2)内导入超临界二氧化碳气体。
9.根据权利要求1所述的采用混合冷却的屏蔽式超临界二氧化碳透平发电机组，其特征在于，所述第一冷却管道上设置有抽吸泵(11)，所述抽吸泵(11)设置在外壳(10)外侧。
10.根据权利要求1所述的采用混合冷却的屏蔽式超临界二氧化碳透平发电机组，其特征在于，所述第二冷却管道上设置有换热器(13)和风机(14)，所述换热器(13)和风机(14)设置在外壳(10)外侧。
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