CN115822987A - 一种超临界二氧化碳压缩机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空发动机技术领域，公开一种超临界二氧化碳压缩机。所述超临界二氧化碳压缩机包括外壳组件、进排气组件和转子组件，第一循环组件内流通的超临界二氧化碳工质进行膨胀，第二循环组件内流通的超临界二氧化碳工质进行压缩，第一进气管的宽度角α3的范围为40°‑50°，第一排气管的宽度角α4的范围为60°‑70°，第二进气管的宽度角α1的范围为55°‑65°，第二排气管的宽度角α2的范围为30°‑40°，转子组件包括鼓筒，鼓筒内设置多个不连通的工质通道，鼓筒转动设置于封闭空间内，以使各工质通道与进排气组件周期性连通。波转子技术应用于超临界二氧化碳的压缩中，所需转速较低，降低了转子组件的强度要求，有助于降低成本，并提高压缩效率。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种超临界二氧化碳压缩机。
背景技术
超临界二氧化碳发电以超临界状态的二氧化碳为工质，将热源的热量转化为机械发电，是一种新兴的、具有前景的、清洁无污染的发电方式。
在超临界二氧化碳发电中，压力交换装置是重要设备，实现其增压功能。现有技术中，离心压气机和向心涡轮均可作为压力交换装置，但是由于超临界二氧化碳的流体密度较大，如果使用离心压气机和向心涡轮作为压力交换装置，则如果转子叶片维持所需线速度，压气机或涡轮需要较高的转速，对转子叶片的强度要求比较高，且导致压缩效率低。如果使用波转子作为压力交换装置，所需转速较低，解决了上述问题，但是，目前的波转子的工质主要为空气、水蒸汽等，波转子技术是否能应用于超临界二氧化碳的压缩增压中是个技术难点。
因此，亟需提供一种基于波转子技术的超临界二氧化碳压缩机。
发明内容
基于以上所述，本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳压缩机，以解决现有的压气机对叶片强度要求高、压缩效率低的问题。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种超临界二氧化碳压缩机，包括：
外壳组件，其具有封闭空间；
进排气组件，其包括分设于所述外壳组件两侧的第一循环组件和第二循环组件，所述第一循环组件内流通的超临界二氧化碳工质进行膨胀，第二循环组件内流通的超临界二氧化碳工质进行压缩，所述第一循环组件包括相连通的第一进气管和第一排气管，所述第二循环组件包括相连通的第二进气管和第二排气管，所述第一进气管的宽度角α3的范围为40°-50°，所述第一排气管的宽度角α4的范围为60°-70°，所述第二进气管的宽度角α1的范围为55°-65°，所述第二排气管的宽度角α2的范围为30°-40°；
转子组件，其包括鼓筒，所述鼓筒内设置有多个形状相同、相互平行设置且不相互连通的工质通道，所述鼓筒转动设置于所述封闭空间内，以使各所述工质通道与所述进排气组件周期性连通。
进一步地，所述第一进气管的宽度角α3、所述第一排气管的宽度角α4、所述第二进气管的宽度角α1和所述第二排气管的宽度角α2能够等比例缩放。
进一步地，所述第一进气管、所述第一排气管、所述第二进气管和所述第二排气管均顺着工质流动方向倾斜设置于所述外壳组件上。
进一步地，所述外壳组件包括第一端盘，所述第一循环组件顺着工质流动方向倾斜设置于所述第一端盘上。
进一步地，所述第一进气管与所述第一端盘的倾角θ3为钝角，所述第一排气管与所述第一端盘的倾角θ4为锐角。
进一步地，所述第一进气管与所述第一端盘的倾角θ3的范围为105°-115°，所述第一排气管与所述第一端盘的倾角θ4的范围为65°-75°。
进一步地，所述外壳组件包括第二端盘，所述第二循环组件顺着工质流动方向倾斜设置于所述第二端盘上。
进一步地，所述第二进气管与所述第二端盘的倾角θ1为锐角，所述第二排气管与所述第二端盘的倾角θ2为钝角。
进一步地，所述第二进气管与所述第二端盘的倾角θ1的范围为45°-55°，所述第二排气管与所述第二端盘的倾角θ2的范围为115°-125°。
进一步地，所述第一进气管、所述第一排气管、所述第二进气管和所述第二排气管的横截面均呈扇环形。
本发明的有益效果为：
本发明提供的超临界二氧化碳压缩机包括外壳组件、进排气组件和转子组件，外壳组件具有封闭空间，进排气组件包括分设于外壳组件两侧的第一循环组件和第二循环组件，第一循环组件内流通的超临界二氧化碳工质进行膨胀，第二循环组件内流通的超临界二氧化碳工质进行压缩，第一循环组件包括相连通的第一进气管和第一排气管，第二循环组件包括相连通的第二进气管和第二排气管，第一进气管的宽度角α3的范围为40°-50°，第一排气管的宽度角α4的范围为60°-70°，第二进气管的宽度角α1的范围为55°-65°，第二排气管的宽度角α2的范围为30°-40°，转子组件包括鼓筒，鼓筒内设置有多个形状相同、相互平行设置且不相互连通的工质通道，鼓筒转动设置于封闭空间内，以使各工质通道与进排气组件周期性连通。各个宽度角的范围设置，是基于工质通道内运动的非定常激波和膨胀波设计的，是为了适配超临界二氧化碳工质的压缩机。如果某个宽度角太大，则形成的激波(或膨胀波)的持续时间太长，对工质通道内的工质(流体)压缩(或膨胀)的程度就过大，会破坏流场的稳定周期性；如果某个宽度角太小，也会破坏流场的稳定周期性。如果鼓筒持续转动，但是流场却不能持续保持稳定，波转子的原理和功能就会失效，达不到压缩的目的。波转子技术应用于超临界二氧化碳的压缩中，所需转速较低，降低了转子组件的强度要求，有助于降低成本，并提高压缩效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。其中：
图1是本发明具体实施方式提供的超临界二氧化碳压缩机的立体图；
图2是本发明具体实施方式提供的超临界二氧化碳压缩机另一角度的立体图；
图3是本发明具体实施方式提供的超临界二氧化碳压缩机的爆炸图；
图4是本发明具体实施方式提供的超临界二氧化碳压缩机的主视图；
图5是本发明具体实施方式提供的超临界二氧化碳压缩机的后视图；
图6是本发明具体实施方式提供的超临界二氧化碳压缩机的侧视图；
图7是本发明具体实施方式提供的超临界二氧化碳压缩机另一角度的侧视图。
图中：
1-外壳组件；2-进排气组件；3-转子组件；4-转轴；5-轴承；
11-机匣；12-第一端盘；13-第二端盘；21-第一进气管；22-第一排气管；23-第二进气管；24-第二排气管；31-工质通道；32-鼓筒；
121-进气端口；122-排气端口；321-隔板；322-内筒；323-外筒。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，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或两个元件的相互作用关系。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。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一特征和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1-图7所示，本实施方式提供一种超临界二氧化碳压缩机，该超临界二氧化碳压缩机将波转子技术应用于超临界二氧化碳的压缩增压中，所需转速较低，降低了转子组件3的强度要求，有助于降低成本，并提高压缩效率。
其中，该超临界二氧化碳压缩机包括外壳组件1、进排气组件2和转子组件3，外壳组件1具有封闭空间，进排气组件2包括分设于外壳组件1两侧的第一循环组件和第二循环组件，第一循环组件内流通的超临界二氧化碳工质进行膨胀，第二循环组件内流通的超临界二氧化碳工质进行压缩，第一循环组件包括相连通的第一进气管21和第一排气管22，第二循环组件包括相连通的第二进气管23和第二排气管24，第一进气管21的宽度角α3的范围为40°-50°，第一排气管22的宽度角α4的范围为60°-70°，第二进气管23的宽度角α1的范围为55°-65°，第二排气管24的宽度角α2的范围为30°-40°，转子组件3包括鼓筒32，鼓筒32内设置有多个形状相同、相互平行设置且不相互连通的工质通道31，鼓筒32转动设置于封闭空间内，以使各工质通道31与进排气组件2周期性连通。各个宽度角的范围设置，是基于工质通道31内运动的非定常激波和膨胀波设计的，是为了适配超临界二氧化碳工质的压缩机。如果某个宽度角太大，则形成的激波(或膨胀波)的持续时间太长，对工质通道31内的工质(流体)压缩(或膨胀)的程度就过大，会破坏流场的稳定周期性；如果某个宽度角太小，也会破坏流场的稳定周期性。如果鼓筒32持续转动，但是流场却不能持续保持稳定，波转子的原理和功能就会失效，达不到压缩的目的。
进一步地，各工质通道31的延伸方向均沿鼓筒32的轴线方向，且各工质通道31均为均匀直线通道。
如图1-图2所示，外壳组件1包括机匣11、第一端盘12和第二端盘13，机匣11为两端贯通的筒状，第一端盘12和第二端盘13分别安装于机匣11的两端，形成上述封闭空间，从而避免该压缩机内部超临界二氧化碳工质向外泄漏。
进一步地，第一循环组件安装于第一端盘12上，第二循环组件安装于第二端盘13上。鼓筒32作为转子，第一端盘12和第二端盘13作为静子，转子和静子发生相对转动，便于完成压缩机的增压和膨胀。
进一步地，该超临界二氧化碳压缩机还包括转轴4，转轴4安装于鼓筒32上。
如图3所示，工质通道31沿鼓筒32的周向均匀设置，该超临界二氧化碳压缩机通过鼓筒32与外壳组件1发生相对转动，使得工质通道31的进出口周期性地打开、关闭，从而触发非定常压力波，实现该压缩机的增压和膨胀功能。
进一步地，该超临界二氧化碳压缩机还包括轴承5，轴承5的外圈安装于第二端盘13上，轴承5的内圈套设于转轴4上。
进一步地，鼓筒32包括隔板321、内筒322和外筒323，内筒322和外筒323同轴心设置，形成一个环形空间，环形空间内沿其周向均匀设置多个隔板321，以形成上述工质通道31。具体地，隔板321、内筒322和外筒323可一体成型。
进一步地，第一端盘12上开设有进气端口121和排气端口122，进气端口121和排气端口122均为通孔，第一进气管21安装于进气端口121上，第一排气管22安装于排气端口122上。
具体地，进气端口121和排气端口122均呈扇环形，分别适配对应的第一进气管21或第一排气管22。
进一步地，第二端盘13上也设置有进气端口和排气端口，形状和作用均与进气端口121和排气端口122类似。
由于第一循环组件内的流体进行膨胀，即进气压力高、排气压力低，所以从第一端盘12吸入流体的进气端口121定义为高压进气端口，排气端口122定义为低压排气端口；由于第二循环组件内的流体进行压缩，即进气压力低、排气压力高，所以从第二端盘13吸入流体的进气端口定义为低压进气端口，第二端盘13上的排气端口定义为高压排气端口。高压进气端口、高压排气端口向工质通道31内形成激波，低压进气端口、低压排气端口向工质通道31内形成膨胀波，从而完成压缩机的增压和膨胀。
如图4和图5所示，各循环管道的宽度角指的是，沿宽度方向，两端最外侧的轮廓与外壳组件1的轴心之间形成的圆心角，换句话说，各循环管道的宽度角等于对应的端盘上的进气端口或排气端口与端盘的轴心之间形成的圆心角。各循环管道的宽度角对于维持流场的稳定周期性有重要作用。
进一步地，第一进气管21的宽度角α3、第一排气管22的宽度角α4、第二进气管23的宽度角α1和第二排气管24的宽度角α2能够等比例缩放。
如图6-图7所示，第一进气管21、第一排气管22、第二进气管23和第二排气管24均顺着工质流动方向倾斜设置于外壳组件1上。这样的设置，可减少能量损失，防止流场紊乱。
进一步地，第一循环组件顺着工质流动方向倾斜设置于第一端盘12上。
进一步地，第一进气管21与第一端盘12的倾角θ3为钝角，第一排气管22与第一端盘12的倾角θ4为锐角。
进一步地，第一进气管21与第一端盘12的倾角θ3的范围为105°-115°，第一排气管22与第一端盘12的倾角θ4的范围为65°-75°。
进一步地，第二循环组件顺着工质流动方向倾斜设置于第二端盘13上。
进一步地，第二进气管23与第二端盘13的倾角θ1为锐角，第二排气管24与第二端盘13的倾角θ2为钝角。
进一步地，第二进气管23与第二端盘13的倾角θ1的范围为45°-55°，第二排气管24与第二端盘13的倾角θ2的范围为115°-125°。
进一步地，第一进气管21、第一排气管22、第二进气管23和第二排气管24的横截面均呈扇环形。这样的形状设计，便于实现波转子的压缩功能。
注意，上述仅为本发明的较佳实施方式及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施方式，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施方式对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施方式，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施方式，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种超临界二氧化碳压缩机，其特征在于，包括：
外壳组件(1)，其具有封闭空间；
进排气组件(2)，其包括分设于所述外壳组件(1)两侧的第一循环组件和第二循环组件，所述第一循环组件内流通的超临界二氧化碳工质进行膨胀，所述第二循环组件内流通的超临界二氧化碳工质进行压缩，所述第一循环组件包括相连通的第一进气管(21)和第一排气管(22)，所述第二循环组件包括相连通的第二进气管(23)和第二排气管(24)，所述第一进气管(21)的宽度角α3的范围为40°-50°，所述第一排气管(22)的宽度角α4的范围为60°-70°，所述第二进气管(23)的宽度角α1的范围为55°-65°，所述第二排气管(24)的宽度角α2的范围为30°-40°；
转子组件(3)，其包括鼓筒(32)，所述鼓筒(32)内设置有多个形状相同、相互平行设置且不相互连通的工质通道(31)，所述鼓筒(32)转动设置于所述封闭空间内，以使各所述工质通道(31)与所述进排气组件(2)周期性连通。
2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳压缩机，其特征在于，所述第一进气管(21)的宽度角α3、所述第一排气管(22)的宽度角α4、所述第二进气管(23)的宽度角α1和所述第二排气管(24)的宽度角α2能够等比例缩放。
3.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳压缩机，其特征在于，所述第一进气管(21)、所述第一排气管(22)、所述第二进气管(23)和所述第二排气管(24)均顺着工质流动方向倾斜设置于所述外壳组件(1)上。
4.根据权利要求3所述的超临界二氧化碳压缩机，其特征在于，所述外壳组件(1)包括第一端盘(12)，所述第一循环组件顺着工质流动方向倾斜设置于所述第一端盘(12)上。
5.根据权利要求4所述的超临界二氧化碳压缩机，其特征在于，所述第一进气管(21)与所述第一端盘(12)的倾角θ3为钝角，所述第一排气管(22)与所述第一端盘(12)的倾角θ4为锐角。
6.根据权利要求5所述的超临界二氧化碳压缩机，其特征在于，所述第一进气管(21)与所述第一端盘(12)的倾角θ3的范围为105°-115°，所述第一排气管(22)与所述第一端盘(12)的倾角θ4的范围为65°-75°。
7.根据权利要求3所述的超临界二氧化碳压缩机，其特征在于，所述外壳组件(1)包括第二端盘(13)，所述第二循环组件顺着工质流动方向倾斜设置于所述第二端盘(13)上。
8.根据权利要求7所述的超临界二氧化碳压缩机，其特征在于，所述第二进气管(23)与所述第二端盘(13)的倾角θ1为锐角，所述第二排气管(24)与所述第二端盘(13)的倾角θ2为钝角。
9.根据权利要求8所述的超临界二氧化碳压缩机，其特征在于，所述第二进气管(23)与所述第二端盘(13)的倾角θ1的范围为45°-55°，所述第二排气管(24)与所述第二端盘(13)的倾角θ2的范围为115°-125°。
10.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳压缩机，其特征在于，所述第一进气管(21)、所述第一排气管(22)、所述第二进气管(23)和所述第二排气管(24)的横截面均呈扇环形。
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