一種超臨界二氧化碳離心壓縮機與軸流透平同軸結構的製作方法

2023-12-07 02:29:06

本發明涉及一種葉輪機械動力輸出結構，特別涉及一種超臨界二氧化碳離心壓縮機與軸流透平同軸結構。

背景技術：

隨著科技的飛速發展，在國民經濟和國防科技中對發電熱力系統性能的需求也越來越高，利用常規工質的發電系統已經難以滿足設計要求。二氧化碳在超臨界性態表現出的特有性質使其成為最有應用前景的天然工質之一。二氧化碳無色、無味、無毒，化學穩定性好，廣泛存在於大氣中，廉價易得，其臨界溫度為31.1℃，臨界壓力為7.4mpa，較容易實現超臨界性態，對設備要求較低，降低了製造成本。二氧化碳在超臨界態時具有近似液體的高密度、近似氣體的低粘度和低表面張力，具有較好的流動、滲透和傳遞性能。採用超臨界二氧化碳作為熱力循環工質，充分利用其在臨界點附近密度較大的特性，可以減少循環的壓縮功，提高循環效率。同時以超臨界二氧化碳為工質的葉輪機械結構更緊湊、體積更小。

其中，發電透平和離心壓縮機是整個熱力系統中核心關鍵的設備之一。在目前的超臨界二氧化碳葉輪機械設計中存在的一個很重要的問題，由於超臨界二氧化碳的特殊物理性質，導致所設計的葉輪直徑很小，轉速很高，所以必須採用高速電機驅動壓縮機工作，而採用高速電機驅動存在系統複雜，對電機的要求高，導致成本增加等問題。基於以上原因，本發明提出一種以超臨界二氧化碳為工質的離心壓縮機與軸流透平同軸結構，用軸流透平直接驅動壓縮機，具有系統簡單、結構緊湊、效率高的特點，同時解決了高速電機匹配難和製造成本高昂的問題，有效降低了設備製造和運行成本。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有技術的不足，提供了一種以超臨界二氧化碳為工質的離心壓縮機與軸流透平同軸結構，其結構簡單、體積小、結構緊湊、效率高、製造和運行成本低的動力輸出結構，具有廣闊的應用前景。

為達到上述目的，本發明採用如下的技術方案來實現：

一種超臨界二氧化碳離心壓縮機與軸流透平同軸結構，包括離心壓縮機、高速啟動電機、穩壓罐、回熱器、熱源、軸流透平、冷卻器、變速箱和發電機；其中，

高速啟動電機、離心壓縮機和軸流透平從左至右依次設置在一根主軸上，形成超臨界二氧化碳離心壓縮機與軸流透平同軸結構，主軸通過變速箱和發電機轉軸連接；

工作時，通過高速啟動電機啟動離心壓縮機，離心壓縮機在運行時提供動力將二氧化碳工質壓縮至設定高壓壓力，隨後高壓二氧化碳工質流經穩壓罐，進入回熱器，並利用軸流透平出口高溫工質對高壓二氧化碳工質進行預熱，然後利用熱源將高壓二氧化碳工質加熱到透平入口超臨界狀態，高溫高壓二氧化碳工質流入軸流透平膨脹做功，將二氧化碳工質內能轉化為機械能，在為離心壓縮機提供軸功的同時，通過變速箱連接主軸和發電機轉軸，將機械能傳遞至發電機進行發電；做完功的二氧化碳工質在流經回熱器後，最終流入冷卻器將溫度降低至離心壓縮機入口所需狀態。

本發明進一步的改進在於，主軸上從左至右依次還設置有壓縮機側徑向軸承、推力軸承和透平側徑向軸承，壓縮機側徑向軸承設置在高速啟動電機和離心壓縮機之間，推力軸承設置在離心壓縮機和軸流透平之間，透平側徑向軸承設置在軸流透平和變速箱之間。

本發明進一步的改進在於，壓縮機側徑向軸承、推力軸承和透平側徑向軸承均為氣動軸承、電磁軸承、靜壓軸承、動壓軸承、油潤滑軸承中的任意一種。

本發明進一步的改進在於，在離心壓縮機出口側軸端設置有壓縮機側幹氣密封，在軸流透平入口側軸端設置有透平側幹氣密封，且幹氣密封均採用超臨界二氧化碳幹氣密封。

本發明進一步的改進在於，具有該同軸結構的發電熱力系統屬於小功率動力系統，透平輸出功率範圍為10-40mw，壓縮機消耗功率範圍為4-16mw。

本發明進一步的改進在於，離心壓縮機入口處的二氧化碳工質壓力在7.7-12mpa之間，溫度在32-50℃之間，級壓比在1.5-2.3之間，流量介於225-915kg/s。

本發明進一步的改進在於，軸流透平入口二氧化碳工質的壓力在15-25mpa之間，溫度在450-750℃之間，級壓比在1.5-2.3之間，流量介於225-915kg/s。

本發明進一步的改進在於，離心壓縮機採用單級或雙級結構形式，輪盤直徑在150-600mm之間，轉速在10000-40000rpm範圍內。

本發明進一步的改進在於，軸流透平的級數選取範圍為2-4級，輪盤直徑在215-1050mm之間，轉速在10000-40000rpm範圍內。

本發明進一步的改進在於，連接同軸結構主軸與發電機轉軸的變速箱傳動比為2-4之間。

本發明具有如下的有益效果：

本發明這種超臨界二氧化碳離心壓縮機與軸流透平同軸結構，採用超臨界二氧化碳為工質的布雷頓循環，利用超臨界二氧化碳高密度、低粘度和低表面張力的特點，以及二氧化碳超臨界狀態下較好的流動、滲透和傳遞性能，可以減少循環的壓縮功，提高循環效率。與常規工質的葉輪機械相比，以超臨界二氧化碳為工質的葉輪機械具有高壓、低溫和小焓降等特點，使得超臨界二氧化碳葉輪機械結構更緊湊，體積更小。與此同時，超臨界二氧化碳憑藉其高密度的特點，使得整個熱力循環系統設備的體積僅約為對應傳統蒸汽循環系統設備體積的十分之一，且整套循環系統需配備的設備較傳統循環系統更加簡單，大大減小了循環系統設備的體積和製造成本。綜上，本發明採用超臨界二氧化碳為工質的布雷頓循環，具有系統簡單、體積小、結構緊湊，設備成本低，循環效率高等顯著優點。

特別地，本發明在超臨界二氧化碳布雷頓熱力循環基礎上，提出了一種離心壓縮機與向心透平同軸結構，將離心壓縮機、高速啟動電機和軸流透平布置在同一根轉軸上，運行時，壓縮機和軸流透平具有相同的旋轉速度。在離心壓縮機啟動階段，利用高速啟動電機為離心壓縮機提供動力；在部分載荷或正常工況時，由軸流透平直接驅動離心壓縮機工作，取代了常規系統中的電機驅動，使得系統更加簡單，結構更加緊湊，進一步減輕整機質量。同時本發明這種離心壓縮機與向心透平同軸結構，不再需要為離心壓縮機專門配備高速電機，解決了高速電機匹配難和製造成本高昂的問題，有效降低了設備製造和系統運行成本。

進一步，本發明這種超臨界二氧化碳離心壓縮機與軸流透平同軸結構，在離心壓縮機出口側軸端設置有壓縮機側幹氣密封，在軸流透平入口側軸端設置有透平側幹氣密封，且幹氣密封均採用超臨界二氧化碳幹氣密封，能夠有效地實現密封工質的零洩漏及零逸出，完全滿足環境保護法對該介質日益苛刻的洩露排放要求，同時實現機組長周期、低能耗、安全、可靠運行。

進一步，本發明這種超臨界二氧化碳離心壓縮機與軸流透平同軸結構，連接離心壓縮機和透平的主軸和發電機轉軸採用變速箱連接，變速箱傳動比為2-4之間，可根據實際發電機性能對輸出軸轉速進行調控，為發電機的選型提供了更廣泛的選擇。同時對於高轉速機組，也無需匹配和設計專用的高速發電機，大大減小了發電機的設備成本，提高了該發電系統的適用性和經濟性。

附圖說明

圖1為本發明具有一種超臨界二氧化碳離心壓縮機與軸流透平同軸結構的熱力循環系統圖；

圖2為本發明圖1中a部分一種超臨界二氧化碳離心壓縮機與軸流透平同軸結構的具體部件組成示意圖；

圖3為本發明一種超臨界二氧化碳離心壓縮機與軸流透平同軸結構的三維結構示意圖；

圖中：1、離心壓縮機，2、高速啟動電機，3、穩壓罐，4、回熱器，5、熱源，6、軸流透平，7、冷卻器，8、變速箱，9、發電機，10、壓縮機側徑向軸承，11、透平側徑向軸承，12、推力軸承，13、壓縮機側幹氣密封，14、透平側幹氣密封。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明，本實施例以本發明技術方案為前提，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。

如圖1至圖3所示，本發明提供的一種超臨界二氧化碳離心壓縮機與軸流透平同軸結構，包括離心壓縮機1、高速啟動電機2、穩壓罐3、回熱器4、熱源5、軸流透平6、冷卻器7、變速箱8、發電機9、壓縮機側徑向軸承10、透平側徑向軸承11、推力軸承12、壓縮機側幹氣密封13和透平側幹氣密封14。其中，離心壓縮機1、高速啟動電機2和軸流透平6設置在一根主軸上，形成超臨界二氧化碳離心壓縮機與軸流透平同軸結構，運行時具有相同的速度。主軸和發電機9轉軸通過變速箱8連接，可根據實際發電機性能進行調速，變速箱傳動比為2-4之間，為發電機的選型提供了更廣泛的選擇。同時對於高轉速機組，也無需匹配和設計專用的高速發電機，大大減小了發電機的設備成本，提高了該發電系統的適用性和經濟性。在離心壓縮機1出口側軸端以及軸流透平6入口側軸端，密封結構均採用超臨界二氧化碳幹氣密封13、14，可以實現密封二氧化碳工質的零洩漏及零逸出，完全滿足環境保護法對該介質日益苛刻的洩露排放要求，同時實現機組長周期、低能耗、安全、可靠運行。根據實際應用要求的不同，幹氣密封可由迷宮密封或者其他形式的密封結構代替。壓縮機側徑向軸承10、推力軸承12和透平側徑向軸承11可以為氣動軸承、電磁軸承、靜壓軸承、動壓軸承、油潤滑軸中的任意一種。

本發明的原理和過程主要為：通過高速啟動電機2啟動離心壓縮機1，離心壓縮機1在運行時提供動力將二氧化碳工質壓縮至設定高壓壓力，隨後高壓二氧化碳工質流經穩壓罐3，進入回熱器4，利用軸流透平6出口仍具較高溫度的工質對高壓二氧化碳工質進行預熱，提高整體的循環效率。然後利用熱源5將高壓二氧化碳加熱到透平入口超臨界狀態，高溫高壓工質流入軸流透平6膨脹做功，將工質內能轉化為機械能，在為離心壓縮機1提供軸功的同時，通過變速箱8連接主軸和發電機9轉軸，將機械能傳遞至發電機9進行發電。做完功的二氧化碳工質在流經回熱器4後，最終流入冷卻器7將溫度降低至離心壓縮機1入口所需狀態。

在本發明中，熱力循環中二氧化碳工質始終處於超臨界狀態。這種具有超臨界二氧化碳離心壓縮機與軸流透平同軸結構的發電熱力系統屬於小功率動力系統，軸流透平6輸出功率範圍為10-40mw，離心壓縮機1消耗功率範圍為4-16mw。在離心壓縮機1啟動階段，利用高速啟動電機2為離心壓縮機1提供動力；在部分載荷或正常工況時，由軸流透平6直接驅動離心壓縮機1工作。離心壓縮機1採用單級或雙級結構形式，輪盤直徑在150-600mm之間，轉速在10000-40000rpm範圍內，入口二氧化碳工質的壓力在7.7-12mpa之間，溫度在32-50℃之間，級壓比在1.5-2.3之間，流量介於225-915kg/s。軸流透平6的級數選取範圍為2-4級，輪盤直徑在215-1050mm之間，轉速在10000-40000rpm範圍內，入口二氧化碳工質的壓力在15-25mpa之間，溫度在450-750℃之間，級壓比在1.5-2.3之間，流量介於225-915kg/s。

圖2為本發明圖1中a部分一種超臨界二氧化碳離心壓縮機與軸流透平同軸結構的具體部件組成示意圖。圖3為這種超臨界二氧化碳離心壓縮機與軸流透平同軸結構的三維結構示意圖。沿高速啟動電機2至透平側徑向軸承11的主軸方向從左至右依次布置：高速啟動電機壓2、壓縮機側徑向軸承10、離心壓縮機1、壓縮機側幹氣密封13、推力軸承12、透平側幹氣密封14、軸流透平6、透平側徑向軸承11；高速啟動電機2、離心壓縮機1和軸流透平6在運行時具有相同的速度，這種同軸結構具有結構簡單緊湊、氣動效率高，製造和運行成本低等顯著優勢。同時，採用變速箱8連接主軸和發電機9轉軸，提高了該發電系統的適用性和經濟性。