超临界二氧化碳压缩膨胀一体机及发电系统的制作方法

本申请实施涉及超临界二氧化碳发电技术领域，尤其涉及一种超临界二氧化碳压缩膨胀一体机及发电系统。

背景技术：

超临界二氧化碳循环发电系统是一种以超临界状态的二氧化碳为工质的布雷顿循环系统，因此，也叫做超临界二氧化碳(化学式：二氧化碳)布雷顿循环发电系统。由于超临界二氧化碳循环发电系统具有效率高、系统体积小、噪声低、环保、经济等优点，被视为未来发电的主要发展发向之一，在诸多领域有良好的应用前景。

现有技术中，超临界二氧化碳简单布雷顿循环发电系统和超临界二氧化碳简单回热布雷顿循环发电系统的主机系统主要由压缩机、膨胀机、电动机、发电机、齿轮箱、传动轴和轴承等构成，轴承安装在传动轴和主机的机壳之间，其中，轴承采用普通的滑动轴承，通过这一普通的滑动轴承为压缩机和膨胀机提供支撑。

由于普通的滑动轴承的转子动力学特性较差，容易在过临界转速时使传动轴振动过大，影响发电系统的正常运作。

技术实现要素：

本实用新型提供一种超临界二氧化碳压缩膨胀一体机及发电系统，能够确保发电系统正常运作。

一方面，本实用新型提供一种超临界二氧化碳压缩膨胀一体机，包括机壳、主轴、发电机组件和多个轴承，主轴设置在机壳内，发电机组件包括定子和转子，转子固定在主轴上，且主轴可相对定子转动，轴承设置在主轴与机壳之间；

多个轴承包括第一轴承，第一轴承具有阻尼器，主轴与机壳内侧形成容置空间，第一轴承设置在容置空间内，并在主轴的径向上支撑主轴。

在一些实施例中，第一轴承为滑动轴承，且第一轴承具有油膜阻尼器。

在一些实施例中，发电机组件的额定工作转速大于或等于10000r/min。

在一些实施例中，本实用新型提供的超临界二氧化碳压缩膨胀一体机还包括压缩机和膨胀机，压缩机和膨胀机相对设置在主轴的端部。

在一些实施例中，第一轴承为两个，且分别设置在发电机组件的沿主轴轴向的两侧，容置空间包括分设在发电机组件两侧的第一空间和第二空间，第一空间位于发电机组件与膨胀机之间，第二空间位于发电机组件与压缩机之间，两个第一轴承分别设置在第一空间和第二空间内。

在一些实施例中，多个轴承还包括第二轴承，第二轴承为推力轴承，第二轴承设置在第一空间内。

在一些实施例中，第二轴承的数量为两个，且两个第二轴承均设置在第一轴承的同一侧。

在一些实施例中，机壳上具有压缩机入口、压缩机出口、膨胀机入口和膨胀机出口，压缩机出口与膨胀机入口相连通；

超临界二氧化碳通过压缩机入口进入压缩机后，通过压缩机出口流出压缩机，流出压缩机的超临界二氧化碳通过膨胀机入口进入膨胀机后，通过膨胀机出口流出膨胀机，流出膨胀机的超临界二氧化碳通过压缩机入口进入压缩机。

在一些实施例中，本实用新型提供的超临界二氧化碳压缩膨胀一体机还包括密封组件，密封组件包括独立设置的第一密封件和第二密封件，第一密封件和第二密封件均设置在主轴上，且第一密封件设置在位于第一空间内的第二轴承与膨胀机叶轮之间，第二密封件设置在位于第二空间内的第一轴承与压缩机叶轮之间。

另一方面，本实用新型提供一种发电系统，包括上述的超临界二氧化碳压缩膨胀一体机。

本实用新型提供的超临界二氧化碳压缩膨胀一体机及发电系统，其中，超临界二氧化碳压缩膨胀一体机包括机壳、主轴、发电机组件和多个轴承，主轴设置在机壳内，发电机组件包括定子和转子，转子固定在主轴上，且主轴可相对定子转动，轴承设置在主轴与机壳之间；多个轴承包括第一轴承，第一轴承具有阻尼器，主轴与机壳内侧形成容置空间，第一轴承设置在容置空间内，并在主轴的径向上支撑主轴。本实用新型提供的超临界二氧化碳压缩膨胀一体机，能够确保发电系统正常运作。

本实用新型的构造以及它的其他实用新型目的及有益效果将会通过结合附图而对优选实施例的描述而更加明显易懂。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的超临界二氧化碳简单回热布雷顿循环发电系统的结构示意图；

图2为现有的超临界二氧化碳简单回热布雷顿循环发电系统中的主机系统的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的超临界二氧化碳压缩膨胀一体机的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的发电系统的结构示意图。

附图标记说明：

1、200-热源；2、70-膨胀机；701-膨胀机叶轮；3-发电机；4、60-压缩机；601-压缩机叶轮；5、300-冷却器；6、100-回热器；7-齿轮箱；71-齿轮；8-电动机；9、50-轴承；10-润滑油供应系统；20-机壳；30-主轴；40-发电机组件；401-定子；402-转子；501-第一轴承；502-第二轴承；80-密封组件；801-第一密封件；802-第二密封件。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

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。

当二氧化碳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，二氧化碳将处于超临界状态，即超临界二氧化碳。超临界二氧化碳的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，使用超临界二氧化碳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，超临界二氧化碳被认为是最具有发展前景的布雷顿循环工质之一。

超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统一种以超临界二氧化碳作为循环工质的闭式循环发电系统。图1为现有的超临界二氧化碳简单回热布雷顿循环发电系统的结构示意图。如图1所示，超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统主要包括热源1、膨胀机2、发电机3、压缩机4、冷却器5和回热器6等核心部件，循环过程中，工质始终处于超临界态，低温低压的超临界二氧化碳工质经过压缩机4升压后，在回热器6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1(工业余热、核反应堆、化石燃料或太阳能等)进一步加热，随后进入膨胀机2膨胀做功带动发电机3发电，做完功的乏气由气缸排出，进入回热器6与压缩机4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5进行进一步冷却，冷却后的超临界二氧化碳再次进入压缩机4进行下一次循环。如图1中虚线框中的部分是指由旋转机械构成的机械系统，亦即主机系统。

为提高主机系统旋转设备多、系统复杂、故障点多的问题，现有技术中提出一种通过齿轮箱7对主机系统进行改进的方法，图2为现有的超临界二氧化碳简单回热布雷顿循环发电系统中的主机系统的结构示意图，如图2所示，齿轮箱7包括两个齿轮71，每个齿轮上有一个轴，对应两个轴伸端，其中，一个轴用于固定压缩机4和膨胀机2，另一个轴用于固定电动机8和发电机3，并且在两个轴的两端上分别设置对应轴承9作为支撑，另外，现有技术中通常采用油润滑轴承，为了保证油润滑轴承的工作能力和使用寿命，还需要配置一个润滑油供应系统10。

综上，现有的超临界二氧化碳简单回热布雷顿循环发电系统存在如下缺陷：

一、现有的超临界二氧化碳简单回热布雷顿循环发电系统中，主机系统中采用的轴承为普通的轴承，转子动力学特性较差，容易在过临界转速时使传动轴振动过大，影响发电系统的正常运作。

二、现有的超临界二氧化碳简单回热布雷顿循环发电系统中，主机系统包括压缩机、膨胀机、电动机和发电机四个旋转设备，以及齿轮箱、油润滑轴承及润滑油供应系统等辅助设备及系统，导致主机系统的体积庞大且工作效率低。

由此，本实用新型提供一种超临界二氧化碳压缩膨胀一体机及发电系统，能够克服上述缺陷。

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型进行说明。

图3为本实用新型实施例提供的超临界二氧化碳压缩膨胀一体机的结构示意图。

如图3所示，本实用新型实施例提供一种超临界二氧化碳压缩膨胀一体机，包括机壳20、主轴30、发电机组件40和多个轴承50，主轴30设置在机壳20内，发电机组件40包括定子401和转子402，转子402固定在主轴上30，且主轴30可相对定子401转动，轴承50设置在主轴30与机壳20之间；多个轴承50包括第一轴承501，第一轴承501具有阻尼器，主轴30与机壳20内侧形成容置空间，第一轴承501设置在容置空间内，并在主轴30的径向上支撑主轴30。

其中，发电机组件40是一种能够进行电能与机械能转换的电机设备，由电机的可逆原理可知，同一台发电机组件40既能作为发电机运行，又能作为电动机运行。具体地，当发电机组件40以正扭矩工作时，相当于电动机，能够将电能转换成机械能，当发电机组件40以负扭矩工作时，相当于发电机，能够将机械能转换成电能；轴承50是超临界二氧化碳压缩膨胀一体机中的重要零部件之一，主要用于支撑和引导主轴30的旋转，以降低主轴30在旋转过程中的摩擦系数，并保证主轴30的回转精度。

本实施例中，第一轴承501具有阻尼器，因此能够增大主轴30在转动过程中第一轴承501产生的阻尼，从而能够减小主轴30在径向上发生的振动。

本实施例提供的超临界二氧化碳压缩膨胀一体机中，第一轴承501具有阻尼器，因此能够增大第一轴承501的阻尼，在发电机组件40运转的时候，能够减小由于发电机组件40运转而使得主轴30产生的振动，从而能够提升本实施例提供的超临界二氧化碳压缩膨胀一体机的稳定性。

在本实施例的具体的实施方式中，第一轴承501为滑动轴承，且第一轴承501具有油膜阻尼器。这样，通过在第一轴承501上设置油膜阻尼器，能够增大第一轴承501的阻尼，使得第一轴承501能够对主轴30在径向上发生的振动进行减小。

具体的，发电机组件40的额定工作转速大于或等于10000r/min。这样，在发电机组件40高速运转的过程中，当由于发电机组件40高速运转使主轴30发生振动时，第一轴承501能够提供阻尼，减小主轴30发生的振动，从而能够提升本实施例提供的超临界二氧化碳压缩膨胀一体机的稳定性。

本实施例提供的超临界二氧化碳压缩膨胀一体机还包括压缩机60和膨胀机70，压缩机60和膨胀机70相对设置在主轴30的端部。

具体的，在本实施例提供的超临界二氧化碳压缩膨胀一体机工作时，压缩机60用于对进入其内部的低压循环工质(超临界二氧化碳)进行压缩，以获取高压循环工质。膨胀机70用于对进入其内部的高温高压的循环工质进行膨胀，并利用循环工质的热能对外做功。

在本实施例中，压缩机60包括压缩机叶轮601和机壳20的至少部分，压缩机叶轮601设置在主轴30的一端上；膨胀机70包括膨胀机叶轮701和机壳20的至少部分，膨胀机叶轮701设置在主轴30的另一端上。

这样，在空间位置上，发电机组件40位于压缩机叶轮601和膨胀机叶轮701的中间，且发电机组件40、压缩机叶轮601与膨胀机叶轮701共用主轴30，从而能够提高本实施例提供的超临界二氧化碳压缩膨胀一体机整体结构的紧凑性。

本实施例中，在超临界二氧化碳压缩膨胀一体机启动时，发电机组件40以电动机模式工作，电动发电机作为压缩机叶轮601和膨胀机叶轮701的动力源，带动压缩机叶轮601和膨胀机叶轮701旋转；当膨胀机叶轮701的输出功大于超临界二氧化碳压缩膨胀一体机的消耗功时，通过膨胀机叶轮701旋转带动发电机组件40和压缩机叶轮601旋转，发电机组件40切换为发电机模式，实现发电。

在本实施例的具体的实施方式中，第一轴承501为两个，且分别设置在发电机组件40的沿主轴30轴向的两侧，容置空间包括分设在发电机组件40两侧的第一空间和第二空间，第一空间位于发电机组件40与膨胀机70之间，第二空间位于发电机组件40与压缩机60之间，两个第一轴承501分别设置在第一空间和第二空间内。

这样，使得第一轴承501分为两部分设置在主轴30上，一部分位于发电机组件40靠近压缩机60的一侧，另一部分位于发电机组件40靠近膨胀机70的一侧，从而能够很好地对主轴30起到支撑作用，保证主轴30在一定的空间中旋转而不发生径向偏移。

在本实施例中，多个轴承50还包括第二轴承502，第二轴承502为推力轴承，第二轴承502设置在第一空间内。

这样，通过设置推力轴承503以防止主轴30在其轴线方向上发生偏移。

作为一种可选的实施方式，第二轴承502的数量为两个，且两个第二轴承502均设置在第一轴承501的同一侧。

这样，使得两个第二轴承502均位于第一空间内，即使得两个第二轴承502均位于发电机组件40靠近膨胀机70的一侧，由于膨胀机叶轮701的转动为主动转动，因此，在膨胀机叶轮701旋转的过程中，使得两个第二轴承502能够有效阻止主轴30在轴向上发生偏移。

在本实施例中，机壳20上具有压缩机入口、压缩机出口、膨胀机入口和膨胀机出口，压缩机出口与膨胀机入口相连通；超临界二氧化碳通过压缩机入口进入压缩机60后，通过压缩机出口流出压缩机60，流出压缩机的超临界二氧化碳通过膨胀机入口进入膨胀机70后，通过膨胀机出口流出膨胀机70，流出膨胀机70的超临界二氧化碳通过压缩机入口进入压缩机60。

这样，能够形成一循环系统，使工质流入或流出。具体的，可以在压缩机叶轮601周围的机壳20上预留压缩机入口和压缩机出口，在膨胀机叶轮701周围的机壳20上预留膨胀机入口和膨胀机出口。

本实施例中，由于压缩机叶轮601与膨胀机叶轮701共用主轴30，由前述分析可知，在超临界二氧化碳压缩膨胀一体机工作时，压缩机60和膨胀机70对循环工质的要求完全不同，为保证其工作的有效性和安全性，需要在主轴30上对压缩机60和膨胀机70分别设置密封。具体的，本实施例提供的超临界二氧化碳压缩膨胀一体机还包括密封组件80，密封组件80包括独立设置的第一密封件801和第二密封件802，第一密封件801和第二密封件802均设置在主轴30上，且第一密封件801设置在位于第一空间内的第二轴承802与膨胀机叶轮701之间，第二密封件802设置在位于第二空间内的第一轴承801与压缩机叶轮601之间。

这样，通过在主轴30上设置第一密封件801，以起到对膨胀机70的密封作用，通过在主轴30上设置第二密封件802，以起到对压缩机60的密封作用，从而能够避免进入压缩机60和膨胀机70内的循环工质向外泄露。

密封组件80用于防止超临界二氧化碳从压缩机60或膨胀机70内泄露。在具体设计使用时，可以选择以下任意一种作为第一密封件801或第二密封件802：拉别令密封、蜂窝密封、碳环密封、刷式密封、侧齿密封、干气密封、浮环密封、可磨密封。

需要说明的是，选用的第一密封件801和第二密封件802的种类可以相同，也可以不同。此外，为了提高密封的效果，也可以采用几种密封组合使用的方式，具体采用哪种密封根据实际需求和情况进行确定，此处不作限制。

本申请实施例采用一体化的设计，将主轴30、压缩机叶轮601、膨胀机叶轮701、发电机组件40、轴承50、第一密封件801和第二密封件802均设置在机壳20内，即所有部件共用机壳20，从而能够提升本实施例提供的超临界二氧化碳压缩膨胀一体机的整体结构的紧凑性。

本实施例提供的超临界二氧化碳压缩膨胀一体机，包括机壳、主轴、发电机组件和多个轴承，主轴设置在机壳内，发电机组件包括定子和转子，转子固定在主轴上，且主轴可相对定子转动，轴承设置在主轴与机壳之间；多个轴承包括第一轴承，第一轴承具有阻尼器，主轴与机壳内侧形成容置空间，第一轴承设置在容置空间内，并在主轴的径向上支撑主轴。本实施例提供的超临界二氧化碳压缩膨胀一体机，通过设置具有阻尼器的第一轴承，从而在主轴转动的过程中增大第一轴承的阻尼，从而能够减小主轴在径向上发生的振动，提升超临界二氧化碳压缩膨胀一体机工作时的稳定性。

图4为本实用新型实施例提供的发电系统的结构示意图，如图4所示，本实施例还提供一种发电系统，包括上述实施例中的超临界二氧化碳压缩膨胀一体机。

需要说明的是，超临界二氧化碳压缩膨胀一体机的结构及工作原理在上述实施例中已经详细说明，在此不进行赘述。

示例性的，以超临界二氧化碳简单回热布雷顿循环发电系统为例，本实施例提供的发电系统还包括回热器100、热源200和冷却器300。

具体的，冷却器300与压缩机入口相连，用于在超临界二氧化碳进入压缩机60之前，对工质进行冷却；回热器100与压缩机出口相连，用于对压缩机60加压后的超临界二氧化碳进行预热，并将预热后的超临界二氧化碳输送给热源200；热源200的输入端与回热器100相连，热源200的输出端与膨胀机入口相连，用于对从回热器100输出的超临界二氧化碳进行再加热，并将加热后的超临界二氧化碳输送给膨胀机70；回热器100同时与膨胀机出口以及冷却器300的输入端相连，用于对膨胀机70输出的超临界二氧化碳进行预冷，并将预冷后的临界二氧化碳输送给冷却器300。

其中，回热器100在循环中作用有两个，一个是加热压缩机出口的工质，节约燃料，提高热效率，一个是降低膨胀机出口工质的温度，减少降温冷却水的使用，节约水资源，同时降低压缩机60的功耗；热源200为在循环过程中对超临界二氧化碳进行等压加热的工业余热、核反应堆、化石燃料或太阳能等，由于超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统可以使用在任一类型的发电厂中，例如火力发电厂、太阳能发电厂等，因此，在不同类型的发电厂中，使用的热源200不同；冷却器300用于将工质进行冷却，冷却器300通常以水或者空气作为冷却剂以除去热量，本实施例中，冷却器300可采用间壁式冷却器、喷淋式冷却器、印刷电路板式冷却器、夹套式冷却器或者蛇管式冷却器等。

可以理解的是，发电系统中的辅助设备包括控制器、各种仪器仪表以及各种管道等。上述各设备与超临界二氧化碳压缩膨胀一体机之间以及各设备之间均通过管路进行连接。

本实施例提供的发电系统包括上述的超临界二氧化碳压缩膨胀一体机，其中，超临界二氧化碳压缩膨胀一体机包括机壳、主轴、发电机组件和多个轴承，主轴设置在机壳内，发电机组件包括定子和转子，转子固定在主轴上，且主轴可相对定子转动，轴承设置在主轴与机壳之间；多个轴承包括第一轴承，第一轴承具有阻尼器，主轴与机壳内侧形成容置空间，第一轴承设置在容置空间内，并在主轴的径向上支撑主轴。本实施例提供的超临界二氧化碳压缩膨胀一体机，通过设置具有阻尼器的第一轴承，从而在主轴转动的过程中增大第一轴承的阻尼，从而能够减小主轴在径向上发生的振动，提升超临界二氧化碳压缩膨胀一体机工作时的稳定性，确保发电系统的正常运作。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的范围。