一种超临界二氧化碳离心压缩机与向心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，具体涉及一种超临界二氧化碳离心压缩机与向心透平同轴结构。

背景技术：

利用超临界二氧化碳作为工质的布雷顿循环系统，具有结构紧凑、效率高、环境友好等显著特征，采用超临界二氧化碳工质进行发电，是目前替代传统的锅炉加热蒸汽发电技术，实现能源利用更高效和低成本发展的重要方向。超临界二氧化碳发电系统主要包括压缩机、发电透平、发电机、热源、回热器、冷却设备等。其中压缩机的主要功能是为系统内工质的循环流动和做功提供相应的高压驱动力，是系统的核心设备；发电透平的主要功能是将处于高温高压状态的超临界二氧化碳工质所具有的能量转换为发电机转轴旋转所需的能量，并由发电机进一步将转轴旋转的机械能转换为电能，也是系统的核心设备。

超临界二氧化碳具有密度大、黏度小的特点，在较小的压降下能实现较大焓降，应用于动力循环具有良好特性。超临界二氧化碳发电系统中的二氧化碳工质压力大于7.4mpa，温度大于31.1℃，位于临界点参数之上，结构紧凑、体积小、流动损失小、系统效率高。目前采用高速电机驱动离心压缩机的系统较为复杂，电机制造要求高，成本增加。为了满足超临界二氧化碳发电系统的技术要求，本申请提出一种结构简单紧凑、高效率的超临界二氧化碳离心压缩机与向心透平同轴结构。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种超临界二氧化碳离心压缩机与向心透平同轴结构，是一种体积小、结构简单紧凑、效率高的动力输出结构，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向心透平同轴结构，包括离心压缩机、向心透平、热源、冷却器、变速箱、发电机以及启动电机；其中，

工作时，启动电机通过变速箱带动同轴结构开始作业，超临界二氧化碳工质依次流经离心压缩机提高压力、热源提高温度，最后在向心透平中输出功后进入冷却器中冷却并循环再次进入离心压缩机中；向心透平与离心压缩机通过转子轴形成同轴结构，向心透平的部分输出功驱动离心压缩机，其余部分输出至由变速箱连接的发电机中。

本发明进一步的改进在于，超临界二氧化碳工质的压力和温度均高于临界点，始终处于超临界状态。

本发明进一步的改进在于，同轴结构的输出功率较小，属于小微型动力系统，透平输出功率范围为200-1000kw，压缩机消耗功率范围为100-600kw，发电机输出功率为100-800kw。

本发明进一步的改进在于，离心压缩机采用单级或双级，级压比在1.5-2之间，流量介于2-10kg/s，转速在40000-100000rpm范围内。

本发明进一步的改进在于，向心透平采用单级或双级，级膨胀比在1.5-2之间，流量介于2-10kg/s，转速在40000-100000rpm范围内。

本发明进一步的改进在于，同轴结构两侧轴端均设有径向轴承，在同轴结构中部设有推力轴承，径向轴承和推力轴承选取气动轴承、电磁轴承、静压轴承、动压轴承或油润滑轴承中的一种。

本发明进一步的改进在于，在压缩机出口侧轴端以及透平入口侧轴端均设有超临界二氧化碳干气密封结构。

本发明进一步的改进在于，发电机与启动电机均采用变速箱与离心压缩机、向心透平同轴结构连接。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明成功整合现有技术的优势，提出了超临界二氧化碳布雷顿循环中的一种离心压缩机与向心透平同轴结构。首先，由于超临界二氧化碳工质密度大，采用以超临界二氧化碳为工质的布雷顿循环能够使整个循环体积远小于蒸汽驱动的朗肯循环，且使核心部件即离心压缩机与向心透平结构紧凑。其次，超临界二氧化碳工质粘度小，在较小的压降下能实现较大焓降，这使得该布雷顿循环具有更高的效率。最后，向心透平与离心压缩机通过转子轴形成同轴结构，向心透平的部分输出功驱动离心压缩机，其余部分输出至发电机中，即离心压缩机压缩超临界二氧化碳工质所需的功率由向心透平提供，不需高速电机驱动，使得结构简单紧凑，能够进一步减轻整机质量，降低制造难度，节省成本，且整个循环仅需考虑一次转子动力学校核及密封问题。

进一步，临界二氧化碳工质的压力和温度均高于临界点，始终处于超临界状态。超临界二氧化碳临界温度较低，为31.1℃，临界压力为7.4mpa，临界条件易达到。用于透平这一核心部件时，由于其高密度，且在较小的压降下能实现较大焓降，能够使透平部件结构紧凑、效率高。用于压缩机时，不仅能够减小压缩机整机尺寸，其类似于液体的不可压缩性能够减少压缩功耗，提高效率。

进一步，本发明属于小微型动力输出结构，透平输出功率范围为200-1000kw，压缩机消耗功率范围为100-600kw，发电机输出功率为100-800kw，可以用于有动力输出需求的小微型航天或航海设备。

进一步，离心压缩机采用单级或双级，级压比在1.5-2之间，流量介于2-10kg/s，转速在40000-100000rpm范围内。高转速离心压缩机对应的轮盘直径小，结构紧凑，压缩机叶轮及扩压器制造简单，流动损失小，气动效率高，且相较轴流压缩机更易适应各种变工况，如小流量工况等。

进一步，向心透平采用单级或双级，级膨胀比在1.5-2之间，流量介于2-10kg/s，转速在40000-100000rpm范围内。高转速向心透平对应的轮盘直径小，结构紧凑，透平叶轮及喷嘴制造简单，流动损失小，气动效率高，且相较大型多级轴流透平更加适应各种变工况，例如背压变化或流量变化等。

进一步，此同轴结构两侧轴端均设有径向轴承，在同轴结构中部设有推力轴承，径向轴承和推力轴承选取气动轴承、电磁轴承、静压轴承、动压轴承或油润滑轴承中的一种。此同轴结构的转速范围为40000-100000rpm，本发明针对不同转速采用不同类型的径向轴承及推力轴承，广泛适应超临界二氧化碳离心压缩机和向心透平同轴结构对应的高转速，确保高速转子安全性和稳定性。

进一步，在压缩机出口侧轴端以及透平入口侧轴端均设有超临界二氧化碳干气密封结构。在这两处位置采用超临界二氧化碳干气密封型式，能够实现密封工质的零泄漏及零逸出。

进一步，主轴和发电机转轴及启动电机转轴均采用变速箱连接，变速箱传动比为2或3，这一方案解决了高速电机成本过高的问题，并可以根据实际发电机与启动电机的制造水平和性能进行转速调整，提高了该同轴结构发电的适用性和经济性。

综上所述，本发明所述的超临界二氧化碳离心压缩机与向心透平同轴结构具有结构简单紧凑、气动效率高，制造成本低等显著优势，适用于以超临界二氧化碳为工质、功率在100-800kw的小微型动力循环中，具有极其广阔的市场前景。

附图说明

图1为本发明一种超临界二氧化碳离心压缩机与向心透平同轴结构的系统示意图。

图2为本发明一种超临界二氧化碳离心压缩机与向心透平同轴结构的离心压缩机与向心透平同轴结构的转子三维结构图。

图中：1-离心压缩机，2-向心透平，3-热源，4-冷却器，5-变速箱，6-发电机，7-径向轴承，8-推力轴承，9-超临界二氧化碳干气密封件，10-启动电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参照图1，本发明一种超临界二氧化碳离心压缩机与向心透平同轴结构，包括离心压缩机1、向心透平2、热源3、冷却器4、变速箱5、发电机6、径向轴承7、推力轴承8、超临界二氧化碳干气密封件9以及启动电机10；其中，以超临界二氧化碳为工质的离心压缩机1与向心透平2形成同轴结构，启动电机10通过变速箱5带动同轴结构开始作业，向心透平2提供的功率不仅可以驱动离心压缩机1，且能够通过变速箱5输出功至发电机6中。

超临界二氧化碳工质首先流经离心压缩机1，达到高压低温状态，此处所指高压在15-20mpa范围内，低温指305-330k范围内，随后进入热源3中，达到高温高压状态，即温度上升至600-800k。高温高压的超临界二氧化碳工质进入透平2中膨胀做功，压力降低至7.5-8mpa，由透平2将高温高压的工质内能转化为转轴转动所需的动能，带动离心压缩机1工作以及通过变速箱5输出功至发电机6。

其中，压缩机1采用单级或双级离心压缩机，透平2采用单级或双级向心透平。同轴结构的两侧轴端均设有径向轴承7，转轴中部设有推力轴承8，针对不同转速采用不同类型的径向轴承及推力轴承，广泛适应于超临界二氧化碳离心压缩机和向心透平同轴结构对应的高转速40000-100000rpm，确保高速转子安全性和稳定性。转子轴上的密封件采用了超临界二氧化碳干气密封9，能够实现密封工质的零泄漏及零逸出。主轴和发电机及启动电机转轴采用变速箱5连接，变速箱传动比为2或3，可根据实际发电机及启动电机性能进行调整，从而提高该同轴结构发电的适用性和经济性。

本发明一种超临界二氧化碳离心压缩机与向心透平同轴结构的离心压缩机与向心透平同轴结构的转子三维结构图如图2所示，其中由左至右分别为启动电机10、启动电机侧变速箱5、压缩机侧径向轴承7、离心压缩机1、压缩机侧干气密封9、推力轴承8、透平侧干气密封9、向心透平2、透平侧径向轴承7，发电机侧变速箱5及发电机6。在运行时，主轴上的离心压缩机1与向心透平2具有相同的速度，同时，采用变速箱5连接主轴和启动电机10以及发电机6。这一同轴结构具有简单紧凑、气动效率高，制造和运行成本低等显著优势，且可有效降低启动电机和发电机的转速，提升该同轴结构发电的适用性和经济性。