一种超临界二氧化碳离心压缩机与轴流透平同轴结构的制作方法

本发明涉及一种叶轮机械动力输出结构，特别涉及一种超临界二氧化碳离心压缩机与轴流透平同轴结构。

背景技术：

随着科技的飞速发展，在国民经济和国防科技中对发电热力系统性能的需求也越来越高，利用常规工质的发电系统已经难以满足设计要求。二氧化碳在超临界性态表现出的特有性质使其成为最有应用前景的天然工质之一。二氧化碳无色、无味、无毒，化学稳定性好，广泛存在于大气中，廉价易得，其临界温度为31.1℃，临界压力为7.4mpa，较容易实现超临界性态，对设备要求较低，降低了制造成本。二氧化碳在超临界态时具有近似液体的高密度、近似气体的低粘度和低表面张力，具有较好的流动、渗透和传递性能。采用超临界二氧化碳作为热力循环工质，充分利用其在临界点附近密度较大的特性，可以减少循环的压缩功，提高循环效率。同时以超临界二氧化碳为工质的叶轮机械结构更紧凑、体积更小。

其中，发电透平和离心压缩机是整个热力系统中核心关键的设备之一。在目前的超临界二氧化碳叶轮机械设计中存在的一个很重要的问题，由于超临界二氧化碳的特殊物理性质，导致所设计的叶轮直径很小，转速很高，所以必须采用高速电机驱动压缩机工作，而采用高速电机驱动存在系统复杂，对电机的要求高，导致成本增加等问题。基于以上原因，本发明提出一种以超临界二氧化碳为工质的离心压缩机与轴流透平同轴结构，用轴流透平直接驱动压缩机，具有系统简单、结构紧凑、效率高的特点，同时解决了高速电机匹配难和制造成本高昂的问题，有效降低了设备制造和运行成本。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种以超临界二氧化碳为工质的离心压缩机与轴流透平同轴结构，其结构简单、体积小、结构紧凑、效率高、制造和运行成本低的动力输出结构，具有广阔的应用前景。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案来实现：

一种超临界二氧化碳离心压缩机与轴流透平同轴结构，包括离心压缩机、高速启动电机、稳压罐、回热器、热源、轴流透平、冷却器、变速箱和发电机；其中，

高速启动电机、离心压缩机和轴流透平从左至右依次设置在一根主轴上，形成超临界二氧化碳离心压缩机与轴流透平同轴结构，主轴通过变速箱和发电机转轴连接；

工作时，通过高速启动电机启动离心压缩机，离心压缩机在运行时提供动力将二氧化碳工质压缩至设定高压压力，随后高压二氧化碳工质流经稳压罐，进入回热器，并利用轴流透平出口高温工质对高压二氧化碳工质进行预热，然后利用热源将高压二氧化碳工质加热到透平入口超临界状态，高温高压二氧化碳工质流入轴流透平膨胀做功，将二氧化碳工质内能转化为机械能，在为离心压缩机提供轴功的同时，通过变速箱连接主轴和发电机转轴，将机械能传递至发电机进行发电；做完功的二氧化碳工质在流经回热器后，最终流入冷却器将温度降低至离心压缩机入口所需状态。

本发明进一步的改进在于，主轴上从左至右依次还设置有压缩机侧径向轴承、推力轴承和透平侧径向轴承，压缩机侧径向轴承设置在高速启动电机和离心压缩机之间，推力轴承设置在离心压缩机和轴流透平之间，透平侧径向轴承设置在轴流透平和变速箱之间。

本发明进一步的改进在于，压缩机侧径向轴承、推力轴承和透平侧径向轴承均为气动轴承、电磁轴承、静压轴承、动压轴承、油润滑轴承中的任意一种。

本发明进一步的改进在于，在离心压缩机出口侧轴端设置有压缩机侧干气密封，在轴流透平入口侧轴端设置有透平侧干气密封，且干气密封均采用超临界二氧化碳干气密封。

本发明进一步的改进在于，具有该同轴结构的发电热力系统属于小功率动力系统，透平输出功率范围为10-40mw，压缩机消耗功率范围为4-16mw。

本发明进一步的改进在于，离心压缩机入口处的二氧化碳工质压力在7.7-12mpa之间，温度在32-50℃之间，级压比在1.5-2.3之间，流量介于225-915kg/s。

本发明进一步的改进在于，轴流透平入口二氧化碳工质的压力在15-25mpa之间，温度在450-750℃之间，级压比在1.5-2.3之间，流量介于225-915kg/s。

本发明进一步的改进在于，离心压缩机采用单级或双级结构形式，轮盘直径在150-600mm之间，转速在10000-40000rpm范围内。

本发明进一步的改进在于，轴流透平的级数选取范围为2-4级，轮盘直径在215-1050mm之间，转速在10000-40000rpm范围内。

本发明进一步的改进在于，连接同轴结构主轴与发电机转轴的变速箱传动比为2-4之间。

本发明具有如下的有益效果：

本发明这种超临界二氧化碳离心压缩机与轴流透平同轴结构，采用超临界二氧化碳为工质的布雷顿循环，利用超临界二氧化碳高密度、低粘度和低表面张力的特点，以及二氧化碳超临界状态下较好的流动、渗透和传递性能，可以减少循环的压缩功，提高循环效率。与常规工质的叶轮机械相比，以超临界二氧化碳为工质的叶轮机械具有高压、低温和小焓降等特点，使得超临界二氧化碳叶轮机械结构更紧凑，体积更小。与此同时，超临界二氧化碳凭借其高密度的特点，使得整个热力循环系统设备的体积仅约为对应传统蒸汽循环系统设备体积的十分之一，且整套循环系统需配备的设备较传统循环系统更加简单，大大减小了循环系统设备的体积和制造成本。综上，本发明采用超临界二氧化碳为工质的布雷顿循环，具有系统简单、体积小、结构紧凑，设备成本低，循环效率高等显著优点。

特别地，本发明在超临界二氧化碳布雷顿热力循环基础上，提出了一种离心压缩机与向心透平同轴结构，将离心压缩机、高速启动电机和轴流透平布置在同一根转轴上，运行时，压缩机和轴流透平具有相同的旋转速度。在离心压缩机启动阶段，利用高速启动电机为离心压缩机提供动力；在部分载荷或正常工况时，由轴流透平直接驱动离心压缩机工作，取代了常规系统中的电机驱动，使得系统更加简单，结构更加紧凑，进一步减轻整机质量。同时本发明这种离心压缩机与向心透平同轴结构，不再需要为离心压缩机专门配备高速电机，解决了高速电机匹配难和制造成本高昂的问题，有效降低了设备制造和系统运行成本。

进一步，本发明这种超临界二氧化碳离心压缩机与轴流透平同轴结构，在离心压缩机出口侧轴端设置有压缩机侧干气密封，在轴流透平入口侧轴端设置有透平侧干气密封，且干气密封均采用超临界二氧化碳干气密封，能够有效地实现密封工质的零泄漏及零逸出，完全满足环境保护法对该介质日益苛刻的泄露排放要求，同时实现机组长周期、低能耗、安全、可靠运行。

进一步，本发明这种超临界二氧化碳离心压缩机与轴流透平同轴结构，连接离心压缩机和透平的主轴和发电机转轴采用变速箱连接，变速箱传动比为2-4之间，可根据实际发电机性能对输出轴转速进行调控，为发电机的选型提供了更广泛的选择。同时对于高转速机组，也无需匹配和设计专用的高速发电机，大大减小了发电机的设备成本，提高了该发电系统的适用性和经济性。

附图说明

图1为本发明具有一种超临界二氧化碳离心压缩机与轴流透平同轴结构的热力循环系统图；

图2为本发明图1中a部分一种超临界二氧化碳离心压缩机与轴流透平同轴结构的具体部件组成示意图；

图3为本发明一种超临界二氧化碳离心压缩机与轴流透平同轴结构的三维结构示意图；

图中：1、离心压缩机，2、高速启动电机，3、稳压罐，4、回热器，5、热源，6、轴流透平，7、冷却器，8、变速箱，9、发电机，10、压缩机侧径向轴承，11、透平侧径向轴承，12、推力轴承，13、压缩机侧干气密封，14、透平侧干气密封。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1至图3所示，本发明提供的一种超临界二氧化碳离心压缩机与轴流透平同轴结构，包括离心压缩机1、高速启动电机2、稳压罐3、回热器4、热源5、轴流透平6、冷却器7、变速箱8、发电机9、压缩机侧径向轴承10、透平侧径向轴承11、推力轴承12、压缩机侧干气密封13和透平侧干气密封14。其中，离心压缩机1、高速启动电机2和轴流透平6设置在一根主轴上，形成超临界二氧化碳离心压缩机与轴流透平同轴结构，运行时具有相同的速度。主轴和发电机9转轴通过变速箱8连接，可根据实际发电机性能进行调速，变速箱传动比为2-4之间，为发电机的选型提供了更广泛的选择。同时对于高转速机组，也无需匹配和设计专用的高速发电机，大大减小了发电机的设备成本，提高了该发电系统的适用性和经济性。在离心压缩机1出口侧轴端以及轴流透平6入口侧轴端，密封结构均采用超临界二氧化碳干气密封13、14，可以实现密封二氧化碳工质的零泄漏及零逸出，完全满足环境保护法对该介质日益苛刻的泄露排放要求，同时实现机组长周期、低能耗、安全、可靠运行。根据实际应用要求的不同，干气密封可由迷宫密封或者其他形式的密封结构代替。压缩机侧径向轴承10、推力轴承12和透平侧径向轴承11可以为气动轴承、电磁轴承、静压轴承、动压轴承、油润滑轴中的任意一种。

本发明的原理和过程主要为：通过高速启动电机2启动离心压缩机1，离心压缩机1在运行时提供动力将二氧化碳工质压缩至设定高压压力，随后高压二氧化碳工质流经稳压罐3，进入回热器4，利用轴流透平6出口仍具较高温度的工质对高压二氧化碳工质进行预热，提高整体的循环效率。然后利用热源5将高压二氧化碳加热到透平入口超临界状态，高温高压工质流入轴流透平6膨胀做功，将工质内能转化为机械能，在为离心压缩机1提供轴功的同时，通过变速箱8连接主轴和发电机9转轴，将机械能传递至发电机9进行发电。做完功的二氧化碳工质在流经回热器4后，最终流入冷却器7将温度降低至离心压缩机1入口所需状态。

在本发明中，热力循环中二氧化碳工质始终处于超临界状态。这种具有超临界二氧化碳离心压缩机与轴流透平同轴结构的发电热力系统属于小功率动力系统，轴流透平6输出功率范围为10-40mw，离心压缩机1消耗功率范围为4-16mw。在离心压缩机1启动阶段，利用高速启动电机2为离心压缩机1提供动力；在部分载荷或正常工况时，由轴流透平6直接驱动离心压缩机1工作。离心压缩机1采用单级或双级结构形式，轮盘直径在150-600mm之间，转速在10000-40000rpm范围内，入口二氧化碳工质的压力在7.7-12mpa之间，温度在32-50℃之间，级压比在1.5-2.3之间，流量介于225-915kg/s。轴流透平6的级数选取范围为2-4级，轮盘直径在215-1050mm之间，转速在10000-40000rpm范围内，入口二氧化碳工质的压力在15-25mpa之间，温度在450-750℃之间，级压比在1.5-2.3之间，流量介于225-915kg/s。

图2为本发明图1中a部分一种超临界二氧化碳离心压缩机与轴流透平同轴结构的具体部件组成示意图。图3为这种超临界二氧化碳离心压缩机与轴流透平同轴结构的三维结构示意图。沿高速启动电机2至透平侧径向轴承11的主轴方向从左至右依次布置：高速启动电机压2、压缩机侧径向轴承10、离心压缩机1、压缩机侧干气密封13、推力轴承12、透平侧干气密封14、轴流透平6、透平侧径向轴承11；高速启动电机2、离心压缩机1和轴流透平6在运行时具有相同的速度，这种同轴结构具有结构简单紧凑、气动效率高，制造和运行成本低等显著优势。同时，采用变速箱8连接主轴和发电机9转轴，提高了该发电系统的适用性和经济性。