透平膨胀机、透平发电机组及发电系统的制作方法

本实用新型涉及新能源技术领域，尤其涉及一种透平膨胀机、透平发电机组及发电系统。

背景技术：

超临界二氧化碳(supercriticalcarbondioxide，sco2)布雷顿循环发电系统是一种未来最具发展前景的新能源技术，具有紧凑、高效、低成本的优势。透平膨胀机作为该循环发电系统的核心设备之一，主要用于对sco2进行膨胀做功，实现sco2热能转化为机械能并输出。但是，由于透平膨胀机中sco2的高温高压的特性，对透平膨胀机的轴端密封提出了更高的要求。

现有技术中采用迷宫密封，通过在转轴周围设若干个依次排列的环行密封齿，齿与齿之间形成一系列截流间隙与膨胀空腔，被密封介质在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的，该密封具有结构简单、成本低等优点，但是，其密封能力有限，当透平膨胀机动作时，sco2仍会泄漏到外部空气中，使处于此环境中的人们无法正常工作，而循环工质的泄漏也会带走一部分热量，从而降低循环发电系统的能量利用率。

技术实现要素：

本申请提供一种透平膨胀机、透平发电机组及发电系统，以解决现有技术中透平膨胀机密封能力有限、能量利用率低的问题的问题。

第一方面，本申请提供一种透平膨胀机，包括：机壳、主轴、叶轮、密封组件和注气通道；

所述叶轮、所述主轴和所述密封组件设置在所述机壳内；所述叶轮连接在所述主轴的一端；

所述密封组件设置在所述机壳与所述主轴之间的空腔内；

所述密封组件包括干气密封、金属软密封和密封齿；

所述干气密封位于所述主轴的自由端，所述金属软密封和所述密封齿相对设置于靠近叶轮的一端；

所述注气通道设置所述金属软密封和所述干气密封之间的机壳上；

在所述透平膨胀机运作时，所述注气通道用于将隔离气注入所述密封组件形成的空腔内，进入所述空腔内的隔离气，分成两路，一部分经由所述干气密封进入大气中，另一部分经由所述金属软密封和所述密封齿进入所述透平膨胀机内。

可选地，所述金属软密封固定在所述机壳上，所述密封齿固定在所述主轴上；所述金属软密封和所述密封齿之间存在第一间隙。

可选地，所述干气密封包括第一密封部和第二密封部；所述第一密封部和所述第二密封部分别设置在所述机壳上和所述主轴上；所述第一密封部和所述第二密封部之间存在第二间隙。

可选地，所述隔离气为低温高压的二气化碳。

第二方面，本申请提供一种透平发电机组，包括：发电机和如上述所述的透平膨胀机；

所述发电机与所述透平膨胀机的主轴相连接；

在所述透平发电机组运作时，所述透平膨胀机将高温高压的超临界二氧化碳的内能通过降压膨胀转换为动能，带动所述发电机发电。

第三方面，本申请提供一种发电系统，包括如上述所述的透平发电机组。

本申请提供的透平膨胀机、透平发电机组及发电系统，通过在机壳内设置密封组件，密封组件包括干气密封、金属软密封和密封齿，干气密封位于主轴的自由端，金属软密封和密封齿相对设置于靠近叶轮的一端，并在机壳上金属软密封和干气密封之间设置注气通道，在透平膨胀机运作时，注气通道用于将隔离气注入密封组件形成的空腔内，进入空腔内的隔离气，分成两路，一部分经由干气密封进入大气中，另一部分经由金属软密封和密封齿进入透平膨胀机内，通过注入的隔离气与金属软密封、密封齿共同作用，将高温高压气体阻挡在膨胀腔内，保证干气密封工作在适宜的温度下，以使干气密封能够发挥最优的工作性能，从而减少了透平膨胀机的泄漏量，提高了透平发电机组及发电系统的能量利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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。

图1为sco2简单回热布雷顿循环发电系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的透平膨胀机实施例一的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的透平膨胀机实施例二的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的透平发电机组实施例一的结构示意图。

附图标记说明：

10-透平膨胀机；

11-机壳；

12-主轴；

13-叶轮；

14-密封组件；

141-干气密封；

1411-第一密封部；

1412-第二密封部；

142-金属软密封；

143-密封齿；

15-注气通道；

20-透平发电机组；

21-发电机。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型的优选实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者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实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非是另有精确具体地规定。

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它步骤或单元。

布雷顿循环作为一种典型的热力学循环，是由美国科学家布雷顿首次提出的以气体为工质的热力学循环。简单的布雷顿循环气体工质先后经过等熵压缩、等压吸热、等熵膨胀以及等压冷却四个过程实现能量的高效转化。当工质处于超临界状态时，由于避免了工质相态的改变，减少了压缩功的消耗，其循环效率能够得到更大的提升。

任何一种物质都存在三种相态：固态、液态和气态，在一定的温度和压力下，物质的相态会发生变化，从而呈现不同的相态。其中，气态和液态两种相态呈现平衡状态的点叫做临界点，临界点处对应的温度和压力分别叫做临界温度和临界压力，物质在临界点处的状态叫做临界态，若对处于临界态的物质继续升温和加压力，当温度和压力提高超过临界温度和临界压力时，物质就进入了超临界态。

当co2的温度和压力分别达到其临界温度31.1℃和临界压力7.38mpa时，co2将处于超临界状态，介于液体和气体之间，兼具气体粘性小和液体密度大的特殊物理特性，使其具有流动性好、传热效率高、可压缩性小等典型优势，此外，使用sco2作为循环工质还具有工程可实现性好、循环效率高、组件和系统占地面积小、经济效益好等优点，因此，sco2被认为是最具有发展前景的布雷顿循环工质之一。

sco2布雷顿循环发电系统一种以sco2作为循环工质的闭式循环发电系统。图1给出了sco2简单回热布雷顿循环发电系统的结构示意图。sco2布雷顿循环发电系统主要包括热源、透平膨胀机、发电机、压缩机、冷却器和回热器等核心部件，循环过程中，工质始终处于超临界态，低温低压的sco2工质经过压缩机升压后，在回热器内与气轮机排出的乏气换热以实现预热，预热到一定温度后，被热源(工业余热、核反应堆、化石燃料或太阳能等)进一步加热，随后进入透平膨胀做功带动发电机发电，做完功的乏气由气缸排出，进入回热器与压缩机排出的低温高压工质换热，达到预冷的目的，预冷后的工质进入冷却器进行进一步冷却，冷却后的sco2再次进入压缩机进行下一次循环。

透平膨胀机作为sco2布雷顿循环发电系统中唯一的功率输出设备，主要由机壳、主轴、叶轮、轴承传动机构及被驱动机械等组成，透平膨胀机在sco2布雷顿循环发电系统通常与发电机直接或者通过变速装置进行连接，当透平膨胀机利用高温高压的sco2在膨胀做功时，可以将sco2的内能通过降温降压直接转化为发电机的机械能，实现发电，并且，由于sco2布雷顿循环发电系统中循环工质(sco2)的特殊性，进入到透平膨胀机中sco2需要同时具有高温和高压的特征，温度在500-700℃，压力在22-31mpa，当透平膨胀机动作时，sco2会从通过轴向间隙泄漏到空气中，一方面，影响sco2布雷顿循环发电系统的循环效率，另一方面，泄漏到空气中的sco2会使人窒息，危害人体健康，因此，做好的透平膨胀机的密封工作至关重要。

现有技术中采用拉别令密封或者迷宫密封的方式，即在机壳与主轴之间通过一组密封齿形成一系列有规则的节流间隙和膨胀空腔，通过介质(sco2)的粘性摩擦以及能量的转化产生逐级节流效应，从而实现密封的方式。迷宫密封作为一种流阻形非接触动密封，其密封间隙越小，密封齿数越多，密封效果越好，然而，当密封齿数增大到一定数目后，密封效果将不再提高，所以，采用迷宫密封时，其密封齿间隔及齿顶间隙都不宜太小，因此，采用迷宫密封时，透平膨胀机的泄漏量仍然较大。

基于上述迷宫密封的缺限，本申请采用一种新型的组合式密封，该组合密封由干气密封和金属软密封组合而成，通过将组合式密封与以高温高压气体为工质的旋转设备结合，可极大地提高了旋转设备的密封性能。

本申请提出的透平膨胀机、透平发电机组及发电系统，以干气密封和金属软密封组合作为密封，能够发挥出干气密封的最佳性能，极大地提高了透平膨胀机的密封性，提高了透平发电机组及发电系统的对sco2利用率，保证了整个循环的性能。

干气密封是一种非接触式密封，适用于利用高压气体做功的旋转机械设备，其具有功耗小、泄漏量低、磨损少、寿命长等特点。干气密封主要部件包括动环和静环，动环的端面开设气体槽，气体槽的深度一般在几个微米量级，当旋转机械设备静止时，动环和静环接触，当旋转设备运作升压时，气体所产生的静压力使动环和静环分开，并产生一层极薄的空气膜，这层空气膜可以使密封端面间保持一定的密封间隙，当气体介质通过密封间隙时由于节流和阻塞的作用被减压，从而实现气体介质的密封。

金属软密封是一种准接触式密封，同是也是一种动密封，适用于利用高温气体做功的旋转机械设备。金属软密封通常与密封齿配合使用，在安装时，金属软密封与轴上的密封齿，主轴旋转，密封齿在金属软密封上划出沟槽。最终在金属软密封以及密封齿之间形成一个动态适应的间隙，该间隙非常小，可以极大地减少泄漏量。

干气密封作为目前泄漏最少的密封，因其可靠性和经济性正在逐渐取代浮环密封、迷宫密封和油润滑机械密封等，但目前的干气密封在使用，对工作温度有严格要求，一般不超过200℃，因此，从理论上讲，干气密封不适于用作sco2布雷顿循环发电系统中透平膨胀机的密封。那么，如何才能使干气密封应用到sco2布雷顿循环发电系统中透平膨胀机上呢？现有技术中并没有一种可行的方法。

鉴于此，本申请提出了干气密封与金属软密封组合的密封(即下文中的密封组件14)，通过金属软密封对干气密封进行保护，突破了对使用场景的限制，从而能够最大限度地发挥干气密封的作用。

需求说明的是，本申请提出的干气密封与金属软密封组合的密封(即下文中的密封组件14)，不仅适用于sco2布雷顿循环发电系统中使用的透平膨胀机，也适用于其他以高温高压气体(不限于sco2)为工作物质的其他透平机械设备，如压缩机、涡轮机等。

图2为本申请实施例提供的透平膨胀机实施例一的结构示意图，如图2所示，本实施例中的透平膨胀机10包括：

机壳11、主轴12、叶轮13、密封组件14和注气通道15。

主轴12、叶轮13和密封组件14均设置在机壳11内，叶轮13连接在主轴12的一端。

密封组件14设置在机壳11与主轴12之间的空腔内，密封组件14包括干气密封141、金属软密封142和密封齿143，其中，干气密封141位于主轴12的自由端，金属软密封142和密封齿143相对设置于靠近叶轮13的一端。

具体地，主轴12与叶轮13连接可以是通过可拆卸的方式连接，例如，卡接等，也可以通过不可拆卸的方式连接，例如主轴12与叶轮13之间可通过过盈配合的方式连接等，此处不作限制。

当透平膨胀机动作时，流过叶轮13的sco2冲击叶片，推动叶轮13转动，从而主轴12旋转，主轴12直接或通过传动机构、变速装置等带动其他机械转动，输出机械功，实现内能到机械能的转化。

在一种可能的实现方式中，干气密封141为螺旋槽面干气密封，由动环、静环、弹簧、o型环、轴和组装套等组成。典型的螺旋槽面干气密封的结构有单端面、双端面和串级结构。

在一种可能的实现方式中，金属软密封142的材料为镍基合金。

镍基合金是以镍为基础，加入其它的金属，例如，钨、钴、钛、铁等金属，做成以镍为基础的合金，镍基合金具有硬度高，耐磨性好，耐高温性能好等特点。

可选地，金属软密封142的材料还可以为铜基合金、铝基合金和锡基合金等。

注气通道15设置金属软密封142和干气密封141之间的机壳11上。

在透平膨胀机10运作时，注气通道15用于将隔离气注入密封组件14形成的空腔内，隔离气一般为低温高压的气体，与金属软密封142一同对干气密封141起保护作用。对进入空腔内的隔离气，分成两路，一部分经由干气密封141进入大气中，该路流量很小，是衡量密封组件14密封性能的关键指标，另一部分经由金属软密封142和密封齿143进入透平膨胀机10内，从而把高温高压的sco2阻挡在透平膨胀机内，该路流量取决于隔离气压力和金属软密封的性能。

在一种可能的实现方式中，隔离气为低温高压的二气化碳。

通过以二气化碳作为隔离气，保证了透平膨胀机内工作物质的纯度，从而有助于提高密封组件14的密封性能，并保证透平膨胀机10的正常运转。

本实施例提供的透平膨胀机10，通过在机壳11内设置密封组件14，密封组件14包括干气密封141、金属软密封142和密封齿143，干气密封141位于主轴12的自由端，金属软密封142和密封齿143相对设置于靠近叶轮13的一端，并在机壳11上金属软密封142和干气密封141之间设置注气通道15，在透平膨胀机10运作时，注气通道15用于将隔离气注入密封组件14形成的空腔内，进入空腔内的隔离气，分成两路，一部分经由干气密封141进入大气中，另一部分经由金属软密封142和密封齿143进入透平膨胀机10内，通过注入的隔离气与金属软密封142、密封齿143共同作用，将高温高压气体阻挡在膨胀腔内，保证干气密封141工作在适宜的温度下，以使干气密封141能够发挥最优的工作性能，从而减少了透平膨胀机10的泄漏量，有数据显示，现有技术中的迷宫密封的泄漏间隙为100微米，而采用本申请的干气密封141的泄漏间隙只有3微米，因此，与现有技术相比，本申请的透平膨胀机10的密封性大大提高。

图3为本申请实施例提供的透平膨胀机实施例二的结构示意图，在图2所示实施例的基础上，如图3所示，本实施例中的透平膨胀机10中，金属软密封142固定在机壳11上，密封齿143固定在主轴12上，金属软密封142和密封齿143之间存在第一间隙。

金属软密封142可以通过螺钉固定在机壳11上，也可以通过焊接等其他的方式进行固定，此处不作限制。密封齿143同样也可以通过螺钉或焊接等方式固定在主轴12。

在一种可能的实现方式中，干气密封141包括第一密封部1411和第二密封部1412。

第一密封部1411和第二密封部1412分别设置在机壳11上和主轴12上，第一密封部1411和第二密封部1412之间存在第二间隙。

在一种可能的实现方式中，第一密封部1411为静环及其组件，第二密封部1412为动环及其组件。

可选地，动环的材料可以为碳化钨、碳化硅等，静环的材料为碳石墨等。

在具体实现时，进入空腔内的隔离气，分成两路，一部分经由第一间隙进入大气中，另一部分经由第二间隙进入透平膨胀机10内。

本实施例中提供的透平膨胀机10，通过将金属软密封142固定在机壳11上，密封齿143固定在主轴12上，通过主轴12旋转，使密封齿143在金属软密封142上划出沟槽，从而在金属软密封142和密封齿143之间形成第一间隙，减少透平膨胀机腔体内的sco2的泄漏，同时，保证隔离气的顺利进入，从而将sco2阻挡在透平膨胀机中。

图4为本申请实施例提供的透平发电机组实施例一的结构示意图，如图4所示，本实施例中透平发电机组20包括：

发电机21和如图2或图3所示实施例中的透平膨胀机10。

发电机21与透平膨胀机10的主轴相连接。

在透平发电机组20运作时，透平膨胀机10将高温高压的工质sco2的内能通过降压膨胀转换为动能，带动发电机21发电。

在一种可能的实施方式中，透平发电机组20还包括变速箱，变速箱连接发电机21与透平膨胀机10之间，用于调节发电机21与透平膨胀机10之间的传动比。

其中，透平膨胀机的结构和原理在上述实施例中进行了详细说明，本实施例在此不一一赘述。

发电机是指将其他形式的能源转换成电能的机械设备，从原理上分为同步发电机、异步发电机、单相发电机、三相发电机。

本实施例提供的透平发电机组20，通过使用上述图2或图3所示实施例中的透平膨胀机10做功带动发电机21发电，由于透平膨胀机10的泄漏量极低，密封性极好，从而极大地提高了透平发电机组20的整机效率，有利用提高能量利用率，减少能量的损失，并有利于保证工作环境清洁和工作人员的安全。

本申请实施例还提供一种sco2循环发电系统，包括图4实施例所示的透平发电机组20。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。