[發明專利]一種超臨界二氧化碳離心壓縮機與軸流透平同軸結構

有效

• 申請號: 201710619752.X
• 申請日: 2017-07-26
• 公開（公告）號: CN107237656B
• 公開（公告）日: 2020-03-31
• 發明（設計）人: 謝永慧;施東波;張荻
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: F01K7/32
• 分類號: F01K7/32;F01D15/10;F01D15/08
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 閔岳峰

本發明公開了一種超臨界二氧化碳離心壓縮機與軸流透平同軸結構，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，離心壓縮機將二氧化碳壓縮至設定高壓壓力，隨后高壓二氧化碳流經穩壓罐，進入回熱器，并利用軸流透平出口高溫工質對高壓二氧化碳進行預熱，然后熱源將高壓二氧化碳加熱到透平入口超臨界狀態，高溫高壓二氧化碳流入軸流透平膨脹做功，將二氧化碳內能轉化為機械能，為離心壓縮機提供軸功的同時，將機械能傳遞至發電機發電；做完功的二氧化碳在流經回熱器后，最終流入冷卻器將溫度降低至離心壓縮機入口所需狀態。

技術領域

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，廣泛存在于大氣中，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，降低了制造成本。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。采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，由于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，所以必須采用高速電機驅動壓縮機工作，而采用高速電機驅動存在系統復雜，對電機的要求高，導致成本增加等問題。基于以上原因，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制造成本高昂的問題，有效降低了設備制造和運行成本。

發明內容

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、制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，本發明采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，隨后高壓二氧化碳工質流經穩壓罐，進入回熱器，并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，然后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后，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于，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于，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。