CN212130569U - 基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机，包括：转子部，包括：透平，主轴，以及干气密封动部件；机壳部，环转子部外设置，包括：蜗壳，干气密封静部件，环干气密封动部件设置，其外固接密封机壳；隔热机壳，与干气密封动部件之间形成一第一环形间隙，与主轴之间形成一第二环形间隙，与透平之间形成一第三环形间隙；以及冷却环套，环隔热机壳表面设置，用于引入一定流量的高压低温的超临界二氧化碳，在冷却环套内进行流动换热，以及密封气通道，用于将从冷却环套出口排出后经密封器调控系统调整后的二氧化碳从密封气通道入口输入第一环形间隙，再流经第二环形间隙后流至第三环形间隙，实现转子部与机壳部的同时串联冷却。

Description

基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机

技术领域

本实用新型涉及透平发电技术技术领域，尤其涉及一种基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机。

背景技术

超临界二氧化碳(SCO2)透平发电技术是以超临界状态的CO2为工质，通过透平机械将热能转化为电能的一种新型发电技术，适用于多种热源发电或动力转换，在火电、核电、太阳能发电等领域具有广阔的应用前景。SCO2发电装备具有能源转换效率高、结构形式紧凑的特点，其优势已经引起广泛关注。

SCO2膨胀机具有高速、高温、高能量密度、高度紧凑的特点，高温高压的工质流经透平，热量会通过转子和机壳沿轴向传递，由于SCO2膨胀机非常紧凑，透平距离密封、轴承、电机等部件的距离很短，高温极易导致其失效损坏，因此必须配备一套冷却隔热系统，在有限的空间内实现透平高温隔热作用。

目前，有资料指出在透平和密封之间加注气管线，通过注气系统实现密封和轴承的冷却(如：专利“一种以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组”，公告号CN106014509A)，但额外增加注气系统，及相应的温度、压力调节设备使得透平机组结构较为复杂，而且也在一定程度上使主轴长度增加，影响其振动性能。另外专利“超临界二氧化碳布雷顿循环动力部件冷却密封隔热系统”(公告号CN208564662U)对于压缩机-电机-膨胀机的同轴一体式结构，提出了利用压缩机叶轮背部泄露气进行冷却隔离的结构：压缩机泄露气在经过机壳与主轴之间的环形间隙后，到达膨胀机叶轮背部的隔离环腔，与膨胀机泄露气混合后排出，起到冷却隔离作用，其虽然无附加的冷却系统，减少了机组的复杂性，但因为压缩机泄露气的流量较小，所以冷却效果很难保证，对于工质在200℃以上的超临界二氧化碳透平，无法满足冷却要求。且上述现有的技术方案仅能实现主轴的冷却，不能同时满足机壳的冷却要求，因此对于结构紧凑的超临界二氧化碳透平，亟待提出一种高效的、结构简单紧凑、能够同时满足转子和机壳导热问题的冷却隔热方法。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本实用新型提供了一种基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机，以缓解现有技术中通过注气系统实现密封和轴承的冷却时透平机组结构较为复杂，或利用压缩机泄露气进行冷却隔离时冷却效果较差等技术问题。

(二)技术方案

本实用新型提供一种基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机，包括：转子部，包括：透平；主轴，一端与透平相连；以及干气密封动部件，设置于主轴另一端上；机壳部，环转子部外设置，包括：蜗壳，设置于透平外围；干气密封静部件，环干气密封动部件设置，其外固接密封机壳；隔热机壳，设置于蜗壳和密封机壳之间，与干气密封动部件之间形成一第一环形间隙，与主轴之间形成一第二环形间隙，与透平之间形成一第三环形间隙；以及冷却环套，环密封机壳表面设置，用于供二氧化碳传输并对密封机壳进行冷却，其相对位置设置有冷却环套入口，以及冷却环套出口，所述冷却环套入口用以从压缩机侧或系统其他合适位置引入一定流量的高压低温的超临界二氧化碳，在冷却环套内部进行流动换热，冷却密封机壳后从冷却环套出口排出；以及密封气通道，用于将从冷却环套出口排出后经密封器调控系统调整后的二氧化碳从密封气通道入口输入第一环形间隙，再流经第二环形间隙后流至第三环形间隙，实现转子部与机壳部的同时串联冷却。

在本实用新型实施例中，所述密封气控制系统，包括：储罐，与冷却环套出口相连，用于对排出的二氧化碳流体进行稳压；调压模块，用于对二氧化碳流体进行调压，包括并联设置的三条流体管道，其中任意两条管道上分别设置节流降压装置和增压泵，每条流体管道上都分别设置有截止阀；换热器，用于根据冷却要求对二氧化碳进行温度调整后经密封气通道入口流入膨胀机的第一环形间隙；以及流量调节阀，用于调控密封气的流量。

在本实用新型实施例中，所述透平包括：向心式叶轮或轴流式叶轮中任意一种。

在本实用新型实施例中，所述透平结构为单级结构或多级结构。

在本实用新型实施例中，所述密封机壳和干气密封静部件通过螺栓紧固部件连接在一起。

在本实用新型实施例中，所述冷却环套，设置于密封机壳表面。

在本实用新型实施例中，密封器调控系统用于调节二氧化碳的压力、温度或流量中的至少一种。

在本实用新型实施例中，密封气通道将从冷却环套出口排出后的二氧化碳不进行流量和/或压力的调节直接从密封气通道入口输入第一环形间隙。

在本实用新型实施例中，所述密封气控制系统，包括：储罐，与冷却环套出口相连，用于对排出的二氧化碳流体进行稳压；以及换热器，用于根据冷却要求对二氧化碳进行温度调整后经密封气通道入口流入膨胀机的第一环形间隙。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本实用新型基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)能够实现一套系统两种用途，系统结构更简单，集成度更高，利于提高机组紧凑度；

(2)实现了机壳与主轴的串联冷却，不仅利用机壳加热而减小了密封风控制系统的加热耗功，而且同时能够满足机壳和轴系的冷却，简化了冷却系统。

附图说明

图1为本实用新型实施例基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机的剖面结构示意图。

图2为本实用新型实施例密封气控制系统的组成架构示意图。

图3为本实用新型实施例另一种基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机的剖面结构示意图。

【附图中本实用新型实施例主要元件符号说明】

101-透平；

102-干气密封动部件；

103-主轴；

201-蜗壳；

202-隔热机壳；

203-密封机壳；

204-干气密封静部件；

205-冷却环套；

301-第一环形间隙；

302-第二环形间隙；

303-第三环形间隙；

401-储罐；

402-节流降压装置；

403-增压泵；

404-换热器；

405-流量调节阀；

406～408-截止阀；

A-密封气通道入口；

B1-冷却环套入口；

B2-冷却环套出口。

具体实施方式

本实用新型提供了一种基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机，具体是工质为超临界二氧化碳的透平膨胀机的结构和冷却系统的设计，采用机壳、轴系一体冷却方案，与干气密封系统集成设计，无须额外引密封气，减少冗杂设备，结构更加紧凑，同时冷却气流量、压力、温度可以进行调节，满足机壳和轴系的冷却要求。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

在本实用新型实施例中，提供一种基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机，如图1所示，所述基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机，包括：

转子部，包括：

透平101；

主轴103，一端与透平101相连；以及

干气密封动部件102，设置于主轴103另一端上。

机壳部，环转子部外设置，包括：

蜗壳201，设置于透平外围；

干气密封静部件204，环干气密封动部件102设置，干气密封静部件204外固接密封机壳203；

隔热机壳202，设置于蜗壳201和密封机壳203之间，与干气密封动部件102之间形成第一环形间隙301；与主轴103之间形成一第二环形间隙302，与透平101之间形成一第三环形间隙303；

冷却环套205，环机壳203表面设置，用于供二氧化碳传输并对密封机壳203进行冷却，其相对位置设置有冷却环套入口B1，以及冷却环套出口B2，所述冷却环套入口B1用以从压缩机侧或系统其他合适位置引入一定流量的高压低温的超临界二氧化碳，在冷却环套205内部进行流动换热，冷却密封机壳203后从冷却环套出口B2排出；以及

密封气通道，用于将从冷却环套出口B2排出后经密封器调控系统调整后的二氧化碳从密封气通道入口A输入第一环形间隙301，再流经第二环形间隙302后流至第三环形间隙303，实现转子部与机壳部的同时串联冷却。

所述透平包括：向心式叶轮或轴流式叶轮。

所述透平结构为单级结构或多级结构。

所述密封机壳203和干气密封静部件204通过螺栓等紧固部件连接在一起。

密封一般放置于透平和轴承之间，避免泄露气破坏轴承的工作环境。干气密封和轴承都有温度限制，所以必须在透平101和干气密封102之间实现冷却隔热。具体冷却过程为：从压缩机侧或系统其他合适位置引入一定流量的高压低温的超临界二氧化碳流体，从冷却环套入口B1进入冷却环套205内进行流动，由此对密封机壳203进行对流换热冷却机壳；后进入冷却环套出口B2流出冷却环套205，再进入外接的密封气调控系统，对其压力、温度、流量进行调整，然后作为干气密封的密封气进入密封气通道入口A，其中很少一部分的密封气经过摩擦副节流之后泄露出去，而大部分密封气会流入第一环形间隙301，再经第二环形间隙302，流到透平侧的第三环形间隙303后，与透平入口流体掺混，在透平中做功后排出，也可通过隔热机壳202内部引流孔排出。密封气在第一环形间隙301中的流动可以对干气密封动部件102、静部件204进行冷却隔离，在第二环形间隙302中的流动能够直接对主轴103进行对流冷却，在第三环形间隙303中的流动能够对隔热机壳202进行冷却隔离。

所述密封气控制系统，将密封气加热到一定温度，才能确保经过摩擦副节流后不结冰。

在本实用新型实施例中，如图2所示，所述密封气控制系统，包括：

储罐401，与冷却环套出口B2相连，用于对排出的二氧化碳流体进行稳压；

调压模块，包括并联设置的三条流体管道，其中任意两条管道上分别设置节流降压装置402和增压泵403，每条流体管道上都分别设置有截止阀(截止阀406、截止阀407、截止阀408)；

换热器404，用于根据冷却要求对二氧化碳进行温度调整后经密封气通道入口A流入膨胀机的第一环形间隙301；

流量调节阀405，用于调控密封气的流量。

从冷却环套出口B2流出的冷却机壳之后的超临界二氧化碳进入密封气调控系统，经储罐401稳压之后可以根据流动要求通过增压泵403加压，或者节流降压装置402降压，或者压力不需要调整，直接流通到换热器404，根据冷却要求进行温度调整，最后调整后的密封气通过A通道流入密封机壳。密封气除了可以维持密封的洁净环境，同时兼具了冷却的作用。流量调节阀405用来调控进入机壳的密封气的流量；截止阀406打开而截止阀407、截止阀408关闭，则密封气不进行压力调整；截止阀406、截止阀408关闭，而截止阀407打开，则密封气经增压泵403加压；截止阀406、截止阀407关闭，而截止阀408打开，则密封气经节流降压装置402降压。

图1中密封气经过环形间隙301、302、303后与透平入口工质相连通，除此之外，也可以与透平出口做功后的工质相连通，如图3所示：冷却气经环形间隙301、302后再径向流入工质出口环形腔，与出口工质混合后排出。

综合考虑冷却所需的冷却气流量、温度，以及密封气所需的流量、压力、温度等要求，优化设计冷却环套入口B1的超临界二氧化碳的参数，可以不进行流量和压力的调节直接流入A通道，简化密封气调控系统。图2中的流量调节阀405、截止阀406、截止阀407、截止阀408，以及节流降压装置402和增压泵403都可以省去。

本实用新型将经过机壳冷却环套205的被加热的超临界二氧化碳作为密封气(风)引入密封系统，能够减少加热耗功。另外，因为密封气的流量并不会影响干气密封的密封效果，所以密封气的流量可以根据机壳及主轴的冷却要求而确定。本实用新型将冷却气与干气密封控制系统集成为一体，大大简化了冷却系统。

至此，已经结合附图对本实用新型实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机有了清楚的认识。

综上所述，本实用新型提供了一种基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机，其冷却气与干气密封系统集成为一体，实现一套系统两种用途，系统结构更简单，集成度更高，利于提高机组紧凑度。实现了机壳与主轴的串联冷却，不仅利用机壳加热而减小了密封风控制系统的加热耗功，而且同时能够满足机壳和轴系的冷却，简化了冷却系统。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本实用新型的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本实用新型的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本实用新型实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本实用新型的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本实用新型并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、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，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机，其特征在于，包括：

转子部，包括：

透平；

主轴，一端与透平相连；以及

干气密封动部件，设置于主轴另一端上；

机壳部，环转子部外设置，包括：

蜗壳，设置于透平外围；

干气密封静部件，环干气密封动部件设置，其外固接密封机壳；

隔热机壳，设置于蜗壳和密封机壳之间，与干气密封动部件之间形成一第一环形间隙，与主轴之间形成一第二环形间隙，与透平之间形成一第三环形间隙；以及

冷却环套，环密封机壳表面设置，用于供二氧化碳传输并对密封机壳进行冷却，其相对位置设置有冷却环套入口，以及冷却环套出口，所述冷却环套入口用以从压缩机侧引入一定流量的高压低温的超临界二氧化碳，在冷却环套内部进行流动换热，冷却密封机壳后从冷却环套出口排出；以及

密封气通道，用于将从冷却环套出口排出后经密封器调控系统调整后的二氧化碳从密封气通道入口输入第一环形间隙，再流经第二环形间隙后流至第三环形间隙，实现转子部与机壳部的同时串联冷却。

2.根据权利要求1所述的基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机，其特征在于，所述密封气控制系统，包括：

储罐，与冷却环套出口相连，用于对排出的二氧化碳流体进行稳压；

调压模块，用于对二氧化碳流体进行调压，包括并联设置的三条流体管道，其中任意两条管道上分别设置节流降压装置和增压泵，每条流体管道上都分别设置有截止阀；

换热器，用于根据冷却要求对二氧化碳进行温度调整后经密封气通道入口流入膨胀机的第一环形间隙；以及

流量调节阀，用于调控密封气的流量。

3.根据权利要求1所述的基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机，其特征在于，所述透平包括：向心式叶轮或轴流式叶轮中任意一种。

4.根据权利要求1所述的基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机，其特征在于，所述透平结构为单级结构或多级结构。

5.根据权利要求1所述的基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机，其特征在于，所述密封机壳和干气密封静部件通过螺栓紧固部件连接在一起。

6.根据权利要求1所述的基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机，其特征在于，所述冷却环套，设置于密封机壳表面。

7.根据权利要求1所述的基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机，其特征在于，密封器调控系统用于调节二氧化碳的压力、温度或流量中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机，其特征在于，密封气通道将从冷却环套出口排出后的二氧化碳不进行流量和/或压力的调节直接从密封气通道入口输入第一环形间隙。

9.根据权利要求1所述的基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机，其特征在于，所述密封气控制系统，包括：

储罐，与冷却环套出口相连，用于对排出的二氧化碳流体进行稳压；以及

换热器，用于根据冷却要求对二氧化碳进行温度调整后经密封气通道入口流入膨胀机的第一环形间隙。

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