超临界二氧化碳透平机的制作方法

1.本发明属于驱动设备技术领域，尤其涉及一种超临界二氧化碳透平机。


背景技术：

2.超临界二氧化碳透平机是指在超临界二氧化碳环境下将高温介质的内能转换为机械能的旋转驱动设备，一般通过高温高压的超临界二氧化碳工质冲击透平机内的叶轮，从而使叶轮转动并驱动其他的从动设备运转。由于透平机中的超临界二氧化碳工质处于高温高压的状态下，因此，为了防止透平机内部的超临界二氧化碳工质泄漏到外界，从而降低透平机的工作效率，必须通过密封结构对透平机进行密封。
3.超临界二氧化碳透平机运行环境苛刻，其高温高速高压差的运行环境对动密封部件提出了很高的要求。从当前已有的各种密封技术来看，只有干气密封能满足运行要求。但是，国内外现有干气密封技术仅能在中低温（不超过270℃）环境下使用，因此干气密封在运行过程中通入的是低温密封气。而所通入的低温密封气将分为两部分，一部分泄漏至外界环境中，而另一部分流入透平机的叶轮内部环境，这将引起叶轮结构由于温度梯度大而造成热应力大的问题，导致叶轮结构不够引发安全性的问题。
4.目前，虽然在干气密封结构和叶轮之间设置了辅助密封结构，通过该辅助密封结构来减少干气密封结构的密封气与叶轮处的超临界二氧化碳工质接触，但是在正常作业过程中，仍然会有密封气通过辅助密封结构泄漏到叶轮处，从而产生较大的热应力并对叶轮的结构造成影响。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供一种超临界二氧化碳透平机，能够解决透平机中的因干气密封低温密封气造成的热应力过大而影响叶轮的结构的问题。
6.本技术实施例提供一种超临界二氧化碳透平机，该超临界二氧化碳透平机包括：壳体，该壳体内形成有容纳腔；转子组件，转子组件设置于容纳腔中，转子组件包括转轴和固定于转轴的叶轮；以及固定套设于转轴上的密封组件，该密封组件包括干气密封件和套设于干气密封件靠近叶轮的一侧的辅助密封件，该辅助密封件将容纳腔分隔为高温区和低温区，叶轮位于高温区中，辅助密封件靠近转轴的一侧具有泄漏间隙，该泄漏间隙连通高温区和低温区，辅助密封件设置有连通高温区和该泄漏间隙的工质流道，工质流道包括相互连通的第一流通段和第二流通段，第一流通段沿转轴的径向延伸，第二流通段沿转轴的轴向延伸，第一流通段与高温区连通，第二流通段与泄漏间隙靠近低温区的一侧连通，位于高温区的超临界二氧化碳工质通过工质流道流入泄漏间隙中。
7.作为一个具体的实施方式，工质流道为多个，多个工质流道沿转轴的周向间隔设置。
8.作为一个具体的实施方式，第二流通段为多个，多个第二流通段沿转轴的轴向依次间隔设置。
9.作为一个具体的实施方式，第一流通段为多个，多个第一流通段沿转轴的径向依次间隔设置。
10.作为一个具体的实施方式，干气密封件包括密封壳、静环、动环和弹簧座，密封壳内形成密封腔，静环、动环和弹簧座设置于密封腔中并将密封腔分隔成为高压区和低压区，辅助密封件设置于密封壳靠近低压区的一侧，泄漏间隙连通低压区和高温区。
11.作为一个具体的实施方式，辅助密封件靠近泄漏间隙的一侧设置有多个凸出部，多个凸出部沿转轴的轴向间隔设置，每个凸出部凸伸至泄漏间隙。
12.作为一个具体的实施方式，壳体靠近高温区的一侧设置有工质入口。
13.作为一个具体的实施方式，超临界二氧化碳透平机还包括静子组件，静子组件与壳体固定连接且设置于工质入口处，辅助密封件远离转轴的一侧与静子组件固定连接。
14.作为一个具体的实施方式，工质流道沿转轴的径向延伸至静子组件，以使工质流道与高温区的连通口靠近工质入口。
15.本发明实施例提供的透平机，通过在干气密封组件与叶轮之间的辅助密封件上开设工质流道，并通过该工质流道连通高温区和该辅助密封件靠近转轴的一侧形成的泄漏间隙，使位于高温区的超临界二氧化碳工质可以通过该工质流道流入该密封间隙中，使位于密封间隙中的低温密封气的温度增加，从而降低该低温密封气在泄漏至高温区后与该高温区中的高温介质之间的温差梯度，减小高温区中由于该温差梯度而产生的热应力，保证位于高温区的叶轮不会由于受到该热应力的影响而造成变形或者开裂等结构变化，从而提高叶轮的使用寿命；同时，将工质流道分为第一流通段和第二流通段，且第一流通段沿转轴的轴向延伸，第二流通段沿转轴的径向延伸，能够有效的避免位于泄漏间隙中的低温密封气通过工质流道进入高温区，防止意外发生。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，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。
17.图1是本技术一些实施例提供的透平机的局部剖视图；图2是本技术一些实施例提供的透平机的辅助密封件的局部放大图；图3示出了本技术一些实施例提供的透平机中的多个第二流通段的结构示意图；图4示出了本技术一些实施例提供的透平机中的多个第一流通段的结构示意图；图5是本技术一些实施例提供的透平机中的又一局部剖视图；图6示出了本技术一些实施例提供的透平机中的干气密封件的结构示意图；图7示出了本技术一些实施例提供的透平机中的又一局部剖视图；图8示出了本技术一些实施例提供的透平机中的叶轮的结构示意图。
18.附图标记说明：100、壳体；110、高温区；120、低温区；130、工质入口；200、转子组件；210、转轴；220、叶轮；221、轮盘；222；叶片；300、干气密封件；310、密封壳；320、静环；330、动环；340、弹簧座；400、辅助密封件；410、工质流道；411、第一流通段；412、第二流通段；
500、泄漏间隙；600、静子组件。
具体实施方式
19.下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
20.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
21.为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种超临界二氧化碳透平机。
22.图1示出了本技术一些实施例提供的透平机的局部剖视图；图2示出了本技术一些实施例提供的透平机的辅助密封件的局部放大图。
23.如图1和图2所示，本技术实施例提供一种超临界二氧化碳透平机，该透平机包括:壳体100，该壳体100内形成有容纳腔（图未标识）；转子组件200，转子组件200设置于容纳腔中，转子组件200包括转轴210和固定于转轴210的叶轮220；以及固定套设于转轴210上的密封组件，该密封组件包括干气密封件300和套设于干气密封件300靠近叶轮220的一侧的辅助密封件400，该辅助密封件400将容纳腔分隔为高温区110和低温区120，叶轮220位于高温区110中，辅助密封件400靠近转轴210的一侧具有泄漏间隙500，该泄漏间隙500连通高温区110和低温区120，辅助密封件400设置有工质流道410，工质流道410包括相互连通的第一流通段411和第二流通段412，第一流通段411还与高温区110连通，第二流通段412还与泄漏间隙500靠近低温区120的一侧连通，位于高温区110的超临界二氧化碳工质通过工质流道410流入泄漏间隙500中。
24.可以理解的是，辅助密封件400可以为迷宫密封，也可以为其他的轴端密封，例如填料密封、机械密封或者动力密封等。
25.转子组件200中，叶轮220与转轴210可以为可拆卸连接，也可以为一体化设置，在实际应用中，可以根据需求选择叶轮220与转轴210的连接方式。
26.超临界二氧化碳透平机是指在超临界二氧化碳环境下将工质中蕴含的能量转换为机械能的旋转设备，其原理是将处于高温状态下的超临界二氧化碳工质引入透平机内并通过透平机中的静子组件600使该超临界二氧化碳工质的运动速度增大，使其流至叶轮220处时对叶轮220的叶片222产生一定的冲击，从而使叶轮220带动转轴210进行转动。
27.可以理解的是，在透平机的作业状态下，由于高温区110不断的充入超临界二氧化
碳工质，因此，高温区110内部的压强将大于低温区120，因此位于高温区110的超临界二氧化碳工质会由于压差的作用而自动通过工质流道410进入泄漏间隙500中。
28.在本技术实施例提供的超临界二氧化碳透平机中，通过在辅助密封件400上开设连通高温区110和泄漏间隙500的工质流道410，使位于高温区110的超临界二氧化碳工质通过该工质流道410流入泄漏间隙500中，从而使泄漏间隙500中的低温密封气的温度在一定程度上升高，当升温后的低温密封气泄漏至高温区110时，将会减小该低温密封气由于与超临界二氧化碳工质的较大温差梯度而产生的热应力，从而有效的防止叶轮220由于受该热应力的影响而造成变形或者开裂等结构变化，从而提高叶轮220的使用寿命；同时，将工质流道410分为第一流通段411和第二流通段412，且第一流通段411沿转轴210的轴向延伸，第二流通段412沿转轴210的径向延伸，能够有效的避免位于泄漏间隙500中的低温密封气通过工质流道410进入高温区110，防止意外发生。
29.可以理解的是，辅助密封件400可以套设于干气密封件300靠近叶轮220的一侧的侧壁上，也可以套设于干气密封件300靠近叶轮220的一侧的转轴210上，从而通过辅助密封件400将容纳腔分隔为高温区110和低温区120，且叶轮220位于该高温区110，干气密封件300位于该低温区120。
30.作为一个具体的实施方式，该工质流道410与泄漏间隙500的连通口位于该泄漏间隙500靠近低温区120的一侧，从而使进入泄漏间隙500的低温密封气可以得到更加充分的升温。
31.为了使位于高温区110的超临界二氧化碳工质对泄漏间隙500中的低温密封气进行充分升温，作为一个具体的实施方式，工质流道410为多个，多个工质流道410沿转轴210的周向间隔设置。
32.具体地，由于干气密封件300和辅助密封件400均沿转轴210的周向套设，所以，当辅助密封件400靠近转轴210的一侧形成泄漏间隙500时，该泄漏间隙500也是沿转轴210的周向设置的，因此，为了使位于泄漏间隙500各个位置的低温密封气的温度均能够充分升高，从而最大程度的减小该低温密封气与高温区110中的超临界二氧化碳工质之间的温差梯度，在辅助密封件400上沿转轴210的周向间隔设置多个工质流道410，使位于高温区110的超临界二氧化碳工质可以通过多个工质流道410进入泄漏间隙500的各个位置，从而对泄漏间隙500中各个位置的低温密封气均进行充分升温。
33.为了使位于高温区110的超临界二氧化碳工质对泄漏间隙500中的低温密封气进行充分升温，作为另一个具体的实施方式，工质流道410可以沿转轴210的周向延伸，形成整圈式的工质流道410。
34.具体地，由于干气密封件300和辅助密封件400均沿转轴210的周向套设，所以，当辅助密封件400靠近转轴210的一侧形成泄漏间隙500时，该泄漏间隙500也是沿转轴210的周向设置的，因此，为了使位于泄漏间隙500各个位置的低温密封气的温度均能够充分升高，从而最大程度的减小该低温密封气与高温区110中的超临界二氧化碳工质之间的温差梯度，设置工质流道410沿转轴210的轴向延伸，即，第一流通段411和第二流通段412均沿转轴210的周向延伸，以形成整圈式的工质流道410，从而使位于高温区110的超临界二氧化碳工质可以通过该整圈式的工质流道410进入泄漏间隙500沿转轴210的周向的各个位置，从而对泄漏间隙500中各个位置的低温密封气均进行充分升温。
35.图3示出了本技术一些实施例提供的透平机中的多个第二流通段412的结构示意图。
36.如图3所示，为了使超临界二氧化碳工质更加充分的进入泄漏间隙500中并对泄漏间隙500中的低温密封气进行升温，作为一个具体的实施方式，第二流通段412为多个，多个第二流通段412沿转轴210的轴向依次间隔设置。具体地，多个第二流通段412沿转轴210的轴向依次连通于第一流通段411，且多个第二流通段412还沿转轴210的轴向依次连通于泄漏间隙500，从而使超临界二氧化碳工质通过第一流通段411后，沿转轴210的轴向依次流入多个第二流通段412，并最终进入泄漏间隙500沿转轴210的轴向的各个位置，对位于泄漏间隙500中的低温密封气进行充分的升温，从而减小该低温密封气与超临界二氧化碳工质之间的温差梯度，避免该低温密封气在泄漏至高温区110时与超临界二氧化碳工质产生较大的热应力而对叶轮220的结构强度造成影响。
37.图4示出了本技术一些实施例提供的透平机中的多个第一流通段411的结构示意图。
38.如图4所示，为了使超临界二氧化碳工质更加充分的进入泄漏间隙500中并对泄漏间隙500中的低温密封气进行升温，作为一个具体的实施方式，第一流通段411为多个，多个第一流通段411沿转轴210的径向依次间隔设置。具体地，由于在高温区110中，沿转轴210的径向靠近工质入口130的位置处的超临界二氧化碳工质温度更高，因此，通过多个第一流通段411沿转轴210的径向依次连通于第二流通段412，并且，每个第一流通段411远离第二流通段412的一端与高温区110连通，从而使高温区110中的温度更高的超临界二氧化碳工质可以通过多个第一流通段411流入第二流通段412中，并进入泄漏间隙500，减小位于泄漏间隙500中的低温密封气与超临界二氧化碳工质的温度差，从而降低二者之间的温差梯度。
39.图5示出了本技术一些实施例提供的透平机中的又一局部剖视图。
40.如图5所示，作为一个具体的实施方式，多个第一流通段411和多个第二流通段412还可以一一对应连通，此时，高温区110的超临界二氧化碳工质通过多个第一流通段411分别进入对应的第二流通段412中，并经对应的第二流通段412流入泄漏间隙500的对应位置，从而保证位于泄漏间隙500的各个位置处的低温密封气均能由于超临界二氧化碳工质的流入而升温，从而最大程度的降低该低温密封气与超临界二氧化碳工质的温差梯度，最大程度的减小泄漏至高温区110的低温密封气与超临界二氧化碳工质产生的热应力，保证位于高温区110的叶轮220不会由于受到热应力的影响而发生变形或开裂等结构变化。
41.可以理解的是，在向辅助密封件400的泄漏间隙500中通入高温的超临界二氧化碳工质时，需要保证该泄漏间隙500对应的辅助密封件400和转轴210的温度升高速度处于合理的范围内，即，保证泄漏间隙500对应的辅助密封件400和转轴210处的热应力处于合理范围内，从而避免对辅助密封件400或转轴210的结构强度造成影响。
42.图6示出了本技术一些实施例提供的透平机中的干气密封件300的结构示意图。
43.如图6所示，作为一个具体的实施方式，干气密封件300包括密封壳310、静环320、动环330和弹簧座340，密封壳310内形成密封腔，静环320、动环330和弹簧座340设置于密封腔中并将密封腔分隔成为高压区和低压区，辅助密封件400设置于密封壳310靠近低压区的一侧，泄漏间隙500连通低压区和高温区110。可以理解的是，由于辅助密封件400位于干气密封件300靠近叶轮220的一侧并将容纳腔分隔为高温区110和低温区120，且叶轮220位于
该高温区110，因此，干气密封件300位于该容纳腔中的低温区120。
44.在本实施例中，密封壳310上对应高压区的位置开设有进气口，在低温密封气通过进气口进入高压区并流向动环330和静环320之间时，虽然在动环330和静环320之间形成的密封气膜可以有效的防止低温密封气泄漏，但是仍然有部分的低温密封气将通过该密封气膜而流向低压区，并从该低压区通过辅助密封件400处的泄漏间隙500泄漏至高温区110，因此，为了避免该低温密封气通过泄漏间隙500流向高温区110后，与高温区110的超临界二氧化碳工质产生较大的热应力，在辅助密封件400上设置工质流道410，将位于高温区110的超临界二氧化碳工质部分引入泄漏间隙500中，使该位于泄漏间隙500中的低温密封气升温，从而降低泄漏至高温区110的低温密封气与超临界二氧化碳工质的温差梯度，减小高温区110中由于温差梯度而产生的热应力对叶轮220的结构强度造成的影响。
45.为了降低低温密封气泄漏至高温区110的泄漏量，在一定程度上减小由于该低温密封气和超临界二氧化碳工质之间产生的热应力，作为一个具体的实施方式，辅助密封件400靠近泄漏间隙500的一侧设置有多个凸出部（图未标识），多个凸出部沿转轴210的轴向间隔设置，每个凸出部凸伸至泄漏间隙500。具体地，在泄漏间隙500中，自低温区120进入该泄漏间隙500的低温密封气经过多个凸出部时将产生一定的节流效应，从而减少从泄漏间隙500中泄漏至高温区110的低温密封气的泄漏量，在一定程度上减小由于该低温密封气和超临界二氧化碳工质之间产生的热应力，减少叶轮220由于受到该热应力的影响而导致结构强度降低的风险。
46.可以理解的是，该凸出部的形状结构可以为多种，例如，齿状、半圆柱状、正方体状、长方体状等等。
47.图7示出了本技术一些实施例提供的透平机中的又一局部剖视图。
48.如图7所示，作为一个具体的实施方式，壳体100靠近高温区110的一侧设置有工质入口130。在本实施例中，通过该工质入口130向高温腔中不断补充超临界二氧化碳工质，从而使叶轮220不断受到超临界二氧化碳工质的冲击而发生持续转动。
49.请继续参照图7，作为一个具体的实施方式，超临界二氧化碳透平机还包括静子组件600，静子组件600与壳体100固定连接且设置于工质入口130处，辅助密封件400远离转轴210的一侧与静子组件600固定连接。
50.可以理解的是，在静子组件600靠近工质入口130处设置有多个静叶片222，相邻的静叶片222之间形成收敛型的径流通道，经工质入口130处进入的超临界二氧化碳工质在流经对应的径流通道时，其流动速度会增大，从而在容纳腔中对叶轮220的叶片222造成冲击。
51.作为一个具体的实施方式，工质流道410沿转轴210的径向延伸至静子组件600，以使工质流道410与高温区110的连通口靠近工质入口130。由于超临界二氧化碳工质自工质入口130处进入后，需要流经静子组件600再进入高温区110，因此在超临界二氧化碳工质进入高温区110之前，其温度会在一定程度上降低，因此，为了更好的对泄漏间隙500中的低温密封气进行升温，将工质流道410沿转轴210的径向延伸至静子组件600处，以使该工质流道410与高温区110的连通口更加靠近工质入口130，从而使通过工质流道410进入泄漏间隙500的超临界二氧化碳工质的温度更高，从而对泄漏间隙500中的低温密封气进行更好的升温，降低该低温密封气与超临界二氧化碳工质之间的温差梯度，减小由于该温差梯度而产生的热应力，保证叶轮220不会由于热应力的影响而发生诸如变形或开裂等结构变化，从而
提高叶轮220的使用寿命。
52.图8示出了本技术一些实施例提供的透平机中的叶轮220的结构示意图。
53.如图8所示，作为一个具体的实施方式，叶轮220包括套设于转轴210上的轮盘221和设置于轮盘221上的叶片222，叶片222沿轮盘221的径向延伸。在本实施例中，通过超临界二氧化碳工质冲击叶轮220的轮盘221上的叶片222，从而使叶片222带动该轮盘221转动且该轮盘221带动转轴210转动，从而通过转轴210的转动驱动其他的从动设备的运转。
54.作为一个具体的实施方式，叶片222为多个，多个叶片222沿轮盘221的周向间隔设置。在本实施例中，通过超临界二氧化碳工质对叶轮220上的多个叶片222的冲击，使多个叶片222同时带动轮盘221转动，保证转轴210的转动效率，使其对其他的从动设备进行持续驱动。
55.本技术实施例提供的透平机，通过在辅助密封件400上开设连通高温区110和泄漏间隙500的工质流道410，使位于高温区110的超临界二氧化碳工质通过该工质流道410流入泄漏间隙500中，从而使泄漏间隙500中的低温密封气的温度在一定程度上升高，当升温后的低温密封气泄漏至高温区110时，将会减小该低温密封气由于与超临界二氧化碳工质的较大温差梯度而产生的热应力，从而有效的防止叶轮220由于受该热应力的影响而造成变形或者开裂等结构变化，从而提高叶轮220的使用寿命。
56.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。