CN221053766U - 超临界二氧化碳布雷顿循环系统的压缩膨胀一体机 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统的压缩膨胀一体机，包括压缩机叶轮组、膨胀机叶轮组、缸体和主轴，压缩机叶轮组和膨胀机叶轮组安装于主轴上，压缩机叶轮组包括至少两件压缩机叶轮，膨胀机叶轮组包括至少一件膨胀机叶轮，缸体内形成相互独立且封闭的压缩机腔室和膨胀机腔室，压缩机腔室内安装所述压缩机叶轮，所述膨胀机腔室内安装所述膨胀机叶轮，所述压缩机腔室与所述外部空间之间通过机械式动密封件密封，所述膨胀机腔室与所述压缩机腔室之间通过机械式间隙密封件密封。本申请中将膨胀机叶轮安装于两个压缩机叶轮之间，从而将高温高压动密封的难题转变为低温密封的问题，实现了该系统的实施与应用。

Description

超临界二氧化碳布雷顿循环系统的压缩膨胀一体机

技术领域

本申请涉及布雷顿循环系统，具体涉及一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统的压缩膨胀一体机。

背景技术

超临界二氧化碳布雷顿循环是一种高效的能源利用方式。在此系统中，超临界二氧化碳压缩机和超临界二氧化碳膨胀机都是不可或缺的设备。为防止介质泄漏，压缩机和膨胀机均配有动密封，一般为干气密封。压缩机的工作温度较低，干气密封容易选配；但膨胀机的工作温度较高一般达到500℃以上，目前的干气密封无法长期在如此高温的状态下工作，从而影响膨胀机的正常使用。

实用新型内容

为了克服上述缺陷，本申请提供一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统的压缩膨胀一体机，该一体机中将膨胀机叶轮安装于两个压缩机叶轮之间，从而将高温高压动密封的难题转变为低温密封的问题，解决了超临界二氧化碳布雷顿循环系统的一大难题，实现了该系统的实施与应用。

本申请为了解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统的压缩膨胀一体机，包括压缩机叶轮组、膨胀机叶轮组、缸体和主轴，所述压缩机叶轮组和所述膨胀机叶轮组安装于所述主轴上，所述压缩机叶轮组包括至少两件压缩机叶轮，所述膨胀机叶轮组包括至少一件膨胀机叶轮，所述缸体内形成相互独立且封闭的压缩机腔室和膨胀机腔室，在所述缸体靠近外部空间的两端分别形成一所述压缩机腔室，所述膨胀机腔室位于所述压缩机腔室之间，所述压缩机腔室内安装所述压缩机叶轮，所述膨胀机腔室内安装所述膨胀机叶轮，所述压缩机腔室与所述外部空间之间通过机械式动密封件密封，所述膨胀机腔室与所述压缩机腔室之间通过机械式间隙密封件密封。

可选地，所述主轴的两端皆延伸出所述缸体，所述主轴的两端通过轴承组安装于支撑单元上。

可选地，所述支撑单元为高速电机或轴承座。

可选地，所述缸体包括外缸以及固定安装于所述外缸的内缸，所述外缸采用筒型整体结构，所述内缸采用水平剖分结构。

可选地，所述机械式间隙密封件为梳齿密封，所述机械式动密封件为干气密封。

可选地，所述压缩机叶轮和所述膨胀机叶轮沿着所述主轴的轴向布置，且所述压缩机叶轮和所述膨胀机叶轮固定安装于所述主轴上。

可选地，所述压缩机叶轮和膨胀机叶轮为半开式、开式和闭式中的至少一种。

可选地，所述压缩机腔室内设有压缩机进气端和压缩机出气端，所述膨胀机腔室内设有膨胀机进气端和膨胀机出气端，所述压缩机叶轮包括压缩机轮盖、压缩机叶片和压缩机轮盘，所述膨胀机叶轮包括膨胀机轮盖、膨胀机叶片和膨胀机轮盘。

可选地，所述压缩机进气端和压缩机出气端沿着所述主轴的径向布置，所述膨胀机进气端和膨胀机出气端沿着所述主轴的径向布置。

可选地，所述压缩机叶轮组包括前端压缩机叶轮和后端压缩机叶轮，所述缸体靠近外部空间的两端分别形成封闭的前端压缩机腔室和后端压缩机腔室，在所述前端压缩机腔室和后端压缩机腔室之间的所述缸体内形成封闭的膨胀机腔室，所述前端压缩机叶轮安装于所述前端压缩机腔室内，所述后端压缩机叶轮安装于所述后端压缩机腔室内，所述膨胀机叶轮安装于所述膨胀机腔室内。

本申请的有益效果是：

1)本申请中两件压缩机叶轮分别安装于缸体两端靠近外部空间处，膨胀机叶轮安装于两件压缩机叶轮之间，即膨胀机叶轮远离外部空间，由于压缩机的工作温度较低，因此压缩机腔室与外部空间选用常用的机械式动密封件如干气密封即可，由于干气密封接触的介质均为压缩机叶轮组的介质，从而降低了干气密封设计难度，使得本申请的方案具备可行性；虽然膨胀机的工作温度较高，但是由于膨胀机位于缸体的中部而远离外部空间，因此膨胀机腔室与压缩机腔室之间选用常规的机械式间隙密封件如梳齿密封即可，梳齿密封件作为膨胀机的动密封，可以密封住膨胀机腔室内的绝大部分高温气体，即使少量的膨胀机腔室内的高温气体泄漏混合入压缩机侧，进入压缩机叶轮，也不会对压缩机叶轮的正常运行造成大的影响，同时也不会给环境带来危害。

2)本申请中巧妙地将膨胀机叶轮安装于压缩机叶轮中间，即膨胀机叶轮远离外部空间，因此不存在膨胀机叶轮与外部空间之间的密封问题，解决了高温的膨胀机叶轮与外部空间难以密封的问题，从而将高温高压动密封的难题转变为低温密封的问题，解决了超临界二氧化碳布雷顿循环系统的一大难题，实现了该系统的实施与应用。

附图说明

图1为本申请中压缩膨胀一体机的结构示意图；

图2为图1中A处的放大图；

图中：10-前端压缩机叶轮，11-前端压缩机进气端，12-前端压缩机出气端，13-前端压缩机轮盖，14-前端压缩机叶片，15-前端压缩机轮盘，20-后端压缩机叶轮，21-后端压缩机进气端，22-后端压缩机出气端，23-后端压缩机轮盖，24-后端压缩机叶片，25-后端压缩机轮盘，30-膨胀机叶轮，31-膨胀机进气端，32-膨胀机出气端，33-膨胀机轮盖，34-膨胀机叶片，35-膨胀机轮盘，40-缸体，41-外缸，42-内缸，43-机械式间隙密封件，44-机械式动密封件，50-主轴，60-支撑单元，61-轴承组。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，本申请所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及下述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

实施例：如图1和图2所示，一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统的压缩膨胀一体机，包括压缩机叶轮组、膨胀机叶轮组、缸体40和主轴50，所述压缩机叶轮组和所述膨胀机叶轮组安装于所述主轴50上，所述压缩机叶轮组包括至少两件压缩机叶轮，所述膨胀机叶轮组包括至少一件膨胀机叶轮30，所述缸体40内形成相互独立且封闭的压缩机腔室和膨胀机腔室，在所述缸体40靠近外部空间的两端分别形成一所述压缩机腔室，所述膨胀机腔室位于所述压缩机腔室之间，所述压缩机腔室内安装所述压缩机叶轮，所述膨胀机腔室内安装所述膨胀机叶轮30，所述压缩机腔室与所述外部空间之间通过机械式动密封件44密封，所述膨胀机腔室与所述压缩机腔室之间通过机械式间隙密封件43密封。

本申请中膨胀机叶轮组和压缩机叶轮组安装于同一根主轴50上，且膨胀机叶轮组和压缩机叶轮组位于同一缸体40内，膨胀机叶轮组包括至少一件膨胀机叶轮，压缩机叶轮组包括至少两件压缩机叶轮，即压缩机叶轮和膨胀机叶轮同轴、同缸布置。本申请中两个压缩机叶轮分别安装于缸体40两端靠近外部空间处，膨胀机叶轮安装于两个压缩机叶轮之间，即膨胀机叶轮远离外部空间，由于压缩机的工作温度较低，因此压缩机腔室与外部空间选用常用的机械式动密封件如干气密封即可，由于干气密封接触的介质均为压缩机叶轮组的介质，从而降低了干气密封设计难度，使得本申请的方案具备可行性；虽然膨胀机的工作温度较高，但是由于膨胀机位于缸体的中部而远离外部空间，因此膨胀机腔室与压缩机腔室之间选用常规的机械式间隙密封如梳齿密封即可，梳齿密封作为膨胀机的动密封，可以密封住膨胀机腔室内的绝大部分高温气体，即使少量的膨胀机腔室内的高温气体泄漏混合入压缩机侧，进入压缩机叶轮，也不会对压缩机叶轮的正常运行造成大的影响，同时也不会给环境带来危害。

本申请中巧妙地将膨胀机叶轮安装于压缩机叶轮中间，即膨胀机叶轮远离外部空间，因此不存在膨胀机叶轮与外部空间之间的密封问题，解决了高温的膨胀机叶轮与外部空间难以密封的问题，从而将高温高压动密封的难题转变为低温密封的问题，解决了超临界二氧化碳布雷顿循环系统的一大难题，实现了该系统的实施与应用。

如图1所示，所述主轴50的两端皆延伸出所述缸体40，所述主轴50的两端通过轴承组61安装于支撑单元60上。

所述支撑单元60为高速电机或轴承座。所述主轴50沿着所述缸体40的长度方向布置，即缸体40的长度方向为主轴50的轴向，如图1所示，从左到右，将缸体40定义为缸体前部、缸体中部和缸体后部，缸体前部和缸体后部皆靠近外部空间，缸体前部和缸体后部分别安装一件压缩机叶轮，缸体中部至少安装一件膨胀机叶轮30。所述主轴50穿设于所述缸体40的整个长度方向，且主轴50的两端皆安装于支撑单元60上，即主轴的两个支撑点皆位于壳体的外侧，主轴采用双支撑结构，使一体机更加地稳定。

所述缸体40包括外缸41以及固定安装于所述外缸41的内缸42，所述外缸41采用筒型整体结构，所述内缸42采用水平剖分结构。组装时，压缩机叶轮和膨胀机叶轮30安装于一根主轴40组成转子，再将转子安装于内缸42形成内部件，最后将内部件整体装入外缸41内，即可完成一体机的安装，组装方便。

所述机械式间隙密封件43为梳齿密封，所述机械式动密封件44为干气密封。干气密封结构为本领域的成熟结构，在此不作详细介绍，该干气密封结构用于压缩机腔室与外界的动密封，能够满足压缩机的密封要求；梳齿密封也为压缩机内常用的密封结构，在压缩机腔室与膨胀机腔室之间设置一个技术成熟的梳齿密封，作为膨胀机的动密封，可以密封住膨胀机腔室内的绝大部分高温气体，即使少量的膨胀机腔室内的高温气体泄漏混合入压缩机侧，进入压缩机叶轮，也不会对压缩机叶轮的正常运行造成大的影响，同时也不会给环境带来危害。

所述压缩机叶轮和所述膨胀机叶轮30沿着所述主轴50的轴向布置，且所述压缩机叶轮和所述膨胀机叶轮30固定安装于所述主轴50上。

所述压缩机叶轮和膨胀机叶轮30为半开式、开式和闭式中的至少一种。压缩机叶轮和膨胀机叶轮30可采用如图1和图2所示的正向顺序排列，也可采用局部的背靠背排列，局部的背靠背排列是指部分相邻的叶轮相互贴合的方式，例如图1中将膨胀机叶轮30逆时针旋转180°后的布置方式，此时膨胀机叶轮30与左侧的压缩机叶轮相互贴合。

所述压缩机腔室内设有压缩机进气端和压缩机出气端，所述膨胀机腔室内设有膨胀机进气端31和膨胀机出气端32，所述压缩机叶轮包括压缩机轮盖、压缩机叶片和压缩机轮盘，所述膨胀机叶轮30包括膨胀机轮盖33、膨胀机叶片34和膨胀机轮盘35。在本实施例中压缩机叶轮和膨胀机叶轮为闭式叶轮，即由轮盘、叶片和轮盖组件；在其他的实施方式中压缩机叶轮和膨胀机叶轮也可以采用半开式叶轮即无轮盖等，即本申请中不限定压缩机叶轮和膨胀机叶轮的结构。

如图1和图2所示，所述压缩机进气端和压缩机出气端沿着所述主轴50的径向布置，所述膨胀机进气端31和膨胀机出气端32沿着所述主轴50的径向布置。本申请中叶轮(包括压缩机叶轮和膨胀机叶轮)之间通过合理的管道及流道设置实现介质的流通，图1和图2中的箭头表示介质的流向。

所述压缩机叶轮组包括前端压缩机叶轮10和后端压缩机叶轮20，所述缸体40靠近外部空间的两端分别形成封闭的前端压缩机腔室和后端压缩机腔室，在所述前端压缩机腔室和后端压缩机腔室之间的所述缸体40内形成封闭的膨胀机腔室，所述前端压缩机叶轮10安装于所述前端压缩机腔室内，所述后端压缩机叶轮20安装于所述后端压缩机腔室内，所述膨胀机叶轮30安装于所述膨胀机腔室内。

如图1所示，在本实施例中，压缩机叶轮组包括两件压缩机叶轮，分别为前端压缩机叶轮10和后端压缩机叶轮20，膨胀机叶轮组包括一件膨胀机叶轮30，图1中从左到右，缸体40内依次形成前端压缩机腔室、膨胀机腔室和后端压缩机腔室，前端压缩机腔室上设有前端压缩机进气端11和前端压缩机出气端12，膨胀机腔室上设有膨胀机进气端31和膨胀机出气端32，后端压缩机腔室上设有后端压缩机进气端21和后端压缩机出气端22，前端压缩机叶轮10安装于前端压缩机腔室内，如图2所示，前端压缩机叶轮10包括前端压缩机轮盖13、前端压缩机叶片14和前端压缩机轮盘15，膨胀机叶轮30安装于膨胀机腔室内，所述膨胀机叶轮30包括膨胀机轮盖33、膨胀机叶片34和膨胀机轮盘35，后端压缩机叶轮20安装于后端压缩机腔室内，后端压缩机叶轮20包括后端压缩机轮盖23、后端压缩机叶片24和后端压缩机轮盘25，前端压缩机叶轮10和后端压缩机叶轮20皆靠近于外部空间。

前端压缩机叶轮10与外部空间、后端压缩机叶轮20与外部空间皆通过机械式动密封件44即干气密封，膨胀机叶轮30的两端通过机械式间隙密封件43即梳齿密封与压缩机腔室密封。由于膨胀机叶轮30的两端皆为压缩机腔室，因此采用普通的机械式间隙密封件密封即可，从而使本申请中不存在高温密封的问题。在其他实施例中，压缩机叶轮组可以包括三个或三个以上的压缩机叶轮，膨胀机叶轮组可以包括两个或两个以上的膨胀机叶轮。

应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统的压缩膨胀一体机，其特征在于：包括压缩机叶轮组、膨胀机叶轮组、缸体(40)和主轴(50)，所述压缩机叶轮组和所述膨胀机叶轮组安装于所述主轴(50)上，所述压缩机叶轮组包括至少两件压缩机叶轮，所述膨胀机叶轮组包括至少一件膨胀机叶轮(30)，所述缸体(40)内形成相互独立且封闭的压缩机腔室和膨胀机腔室，在所述缸体(40)靠近外部空间的两端分别形成一所述压缩机腔室，所述膨胀机腔室位于所述压缩机腔室之间，所述压缩机腔室内安装所述压缩机叶轮，所述膨胀机腔室内安装所述膨胀机叶轮(30)，所述压缩机腔室与所述外部空间之间通过机械式动密封件(44)密封，所述膨胀机腔室与所述压缩机腔室之间通过机械式间隙密封件(43)密封。

2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统的压缩膨胀一体机，其特征在于：所述主轴(50)的两端皆延伸出所述缸体(40)，所述主轴(50)的两端通过轴承组(61)安装于支撑单元(60)上。

3.根据权利要求2所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统的压缩膨胀一体机，其特征在于：所述支撑单元(60)为高速电机或轴承座。

4.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统的压缩膨胀一体机，其特征在于：所述缸体(40)包括外缸(41)以及固定安装于所述外缸(41)的内缸(42)，所述外缸(41)采用筒型整体结构，所述内缸(42)采用水平剖分结构。

5.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统的压缩膨胀一体机，其特征在于：所述机械式间隙密封件(43)为梳齿密封，所述机械式动密封件(44)为干气密封。

6.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统的压缩膨胀一体机，其特征在于：所述压缩机叶轮和所述膨胀机叶轮(30)沿着所述主轴(50)的轴向布置，且所述压缩机叶轮和所述膨胀机叶轮(30)固定安装于所述主轴(50)上。

7.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统的压缩膨胀一体机，其特征在于：所述压缩机叶轮和膨胀机叶轮(30)为半开式、开式和闭式中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统的压缩膨胀一体机，其特征在于：所述压缩机腔室内设有压缩机进气端和压缩机出气端，所述膨胀机腔室内设有膨胀机进气端(31)和膨胀机出气端(32)，所述压缩机叶轮包括压缩机轮盖、压缩机叶片和压缩机轮盘，所述膨胀机叶轮(30)包括膨胀机轮盖(33)、膨胀机叶片(34)和膨胀机轮盘(35)。

9.根据权利要求8所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统的压缩膨胀一体机，其特征在于：所述压缩机进气端和压缩机出气端沿着所述主轴(50)的径向布置，所述膨胀机进气端(31)和膨胀机出气端(32)沿着所述主轴(50)的径向布置。

10.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统的压缩膨胀一体机，其特征在于：所述压缩机叶轮组包括前端压缩机叶轮(10)和后端压缩机叶轮(20)，所述缸体(40)靠近外部空间的两端分别形成封闭的前端压缩机腔室和后端压缩机腔室，在所述前端压缩机腔室和后端压缩机腔室之间的所述缸体(40)内形成封闭的膨胀机腔室，所述前端压缩机叶轮(10)安装于所述前端压缩机腔室内，所述后端压缩机叶轮(20)安装于所述后端压缩机腔室内，所述膨胀机叶轮(30)安装于所述膨胀机腔室内。