CN114233651A - 一种轴流压缩膨胀式能量转换装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种轴流压缩膨胀式能量转换装置及控制方法，轴流压缩膨胀式能量转换装置包括：转子轴上具有多组动叶；压缩缸，套设在转子轴上，压缩缸上具有与外界连通的进/排气口；压缩缸内壁上具有静叶，压缩缸内的静叶与动叶交替排列；膨胀缸，套设在转子轴上，膨胀缸上具有与外界连通的进/排气口；膨胀缸的内壁上具有静叶，膨胀缸内的静叶与动叶交替排列；电动发电机，连接在转子轴上，电动发电机用于提供和吸收机械能。本发明的轴流压缩膨胀式能量转换装置，能够满足大流量、大功率的能量转换及存储要求，而且结构简单。

Description

一种轴流压缩膨胀式能量转换装置及控制方法
技术领域
本发明涉及热泵储电技术领域，具体涉及一种轴流压缩膨胀式能量转换装置及控制方法。
背景技术
储能***可以提高电网的经济性、安全性和稳定性，近年来得到了显著发展，为了进一步提高压缩空气储能***、超临界二氧化碳储能***的效率以及对电网调峰、碳达峰、碳中和的促进效果，大规模低成本的新型储能技术亟需研制并投入运营。
目前化学、飞轮储能***的功率等级一般较小，大功率等级的储能***只有抽水蓄能、压缩空气储能、超临界二氧化碳储能，但抽水蓄能***的建设周期长、选址有特殊要求、建设成本高，因此亟需研制大规模低成本的新型储能技术及其关键能量转换部件以填补相应的技术应用空白。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的储能***的功率等级低的缺陷，从而提供一种轴流压缩膨胀式能量转换装置及控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供的轴流压缩膨胀式能量转换装置，包括：
转子轴，所述转子轴上具有多组动叶；
压缩缸，套设在所述转子轴上，所述压缩缸上具有与外界连通的进/排气口；所述压缩缸内壁上具有静叶，所述压缩缸内的静叶与所述动叶交替排列；
膨胀缸，套设在所述转子轴上，所述膨胀缸上具有与外界连通的进/排气口；所述膨胀缸的内壁上具有静叶，所述膨胀缸内的静叶与所述动叶交替排列；
电动发电机，连接在所述转子轴上，所述电动发电机用于提供和吸收机械能。
进一步地，所述压缩缸内具有两个镜像对称的压缩室，两个所述压缩室内的气体流向相反；所述膨胀缸内具有两个镜像对称的膨胀室，两个所述膨胀室内的气体流向相反。
进一步地，所述压缩缸内具有沿其轴线方向间隔设置的至少两个第一轴承，所述转子轴通过所述第一轴承与所述压缩缸转动连接；
所述膨胀缸内具有沿其轴线方向间隔设置的至少两个第二轴承，所述转子轴通过所述第二轴承与所述膨胀缸转动连接。
进一步地，所述压缩缸、所述膨胀缸以及所述转子轴上均设有隔热涂层。
进一步地，所述压缩缸与所述膨胀缸为一体成型的缸体，所述压缩缸与所述膨胀缸之间通过隔热板进行分隔。
进一步地，所述压缩缸的压缩室以及所述膨胀缸的膨胀室均为锥形结构。
进一步地，所述动叶以及静叶的迎气面以及背气面均为倾斜面。
一种轴流压缩膨胀式能量转换装置的控制方法，包括以下步骤：
向压缩缸内通入低压气体，经多级压缩后升至高压气体并排出；
向膨胀缸内通入高压气体，经多级膨胀后降至低压气体并排出；
当压缩缸的压缩耗功大于膨胀缸的膨胀产功时，将电动发电机切换至电动模式，为转子轴提供动力；
当压缩缸的压缩耗功小于膨胀缸的膨胀产功时，将电动发电机切换至发电模式，吸收转子轴的机械能、并转化为电能。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的轴流压缩膨胀式能量转换装置，能够满足大流量、大功率的压力能与电能转换要求，而且结构简单。根据压缩缸的压缩耗功与膨胀缸的膨胀产功的差值，电动发电机能够进行模式切换(发电模式以及动力模式)；灵活可调的设计结构，能够将储能做到最大化，减小能量损失。
2.本发明提供的轴流压缩膨胀式能量转换装置，在压缩过程中，两个镜像对称的压缩室内的气体流向相反；的轴向力相互抵消；在膨胀过程中，两个镜像对称的膨胀室内的气体流向相反；以减小转子轴上的轴向推力。
3.本发明提供的轴流压缩膨胀式能量转换装置，压缩缸以及膨胀缸均通过至少两个轴承与转子轴连接，以减小转自轴的径向偏移，保证***稳定运行。
4.本发明提供的轴流压缩膨胀式能量转换装置，隔热涂层的设置，减少压缩缸、膨胀缸以及转子轴与外界环境进行热交换，使压缩后气体的储热以及膨胀后气体的储冷最大化；同时，避免转子轴因过冷、过热而出现形变。
5.本发明提供的轴流压缩膨胀式能量转换装置，多级级动叶以及多级静叶的迎气面以及背气面均为倾斜面，倾斜面对气流起到一定的导向作用，以减小气体在流动过程的能力损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
图1为本发明中提供的轴流压缩膨胀式能量转换装置的示意图。
附图标记说明：
1、转子轴；2、压缩缸；3、膨胀缸；4、电动发电机；5、动叶；6、静叶；7、第一轴承；8、第二轴承。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例一
本实施例提供的轴流压缩膨胀式能量转换装置，包括：转子轴1、压缩缸2、膨胀缸3以及电动发电机4。
如图1所示，所述转子轴1上具有间隔设置的两组动叶5，每组多级动叶5包括间隔设置的两个动叶5，各动叶5均垂直连接在所述转子轴1的周向上。所述压缩缸2具有与外界连通的进/排气口，其内壁上具有间隔设置的两级静叶6；所述膨胀缸3具有与外界连通的进/排气口，其内壁上具有间隔设置的两级静叶6。所述压缩缸2以及膨胀缸3的轴线方向均具有穿设孔，所述转子轴1经穿设孔穿入所述压缩缸2以及膨胀缸3的内部；所述转子轴1的上的其中一组动叶5与压缩缸2内的静叶6进行交替排列，另一组动叶5与膨胀缸3内的静叶6进行交替排列；所述转子轴1带动动叶5在压缩缸2以及膨胀缸3内转动，实现低压气体在压缩缸2内的压缩和高压气体在膨胀缸3内的膨胀。所述转子轴1的一端伸出所述膨胀缸3，并与电动发电机4连接；当电动发电机4切换至电动机模式时，将为转子轴1提供运动所需的机械能；当电动发电机4切换至发电模式时，将吸收转子轴1的机械能、并转化为电能。
在本实施例中，轴流压缩膨胀式能量转换装置，能够满足大流量、大功率的压力能与电能转换要求，而且结构简单。根据压缩缸2的压缩耗功与膨胀缸3的膨胀产功的差值，电动发电机4能够进行模式切换(发电模式以及动力模式)；灵活可调的设计结构，能够将储能做到最大化，减小能量损失。
其中，压缩缸2以及膨胀缸3内的气体可以是空气、氮气、氩气、氦气中的任意一种。
如图1所示，所述压缩缸2内具有沿其轴线方向间隔设置的两个第一轴承7，所述转子轴1通过该第一轴承7与所述压缩缸2转动连接；所述膨胀缸3内具有沿其轴线方向间隔设置的两个第二轴承8，所述转子轴1通过该第二轴承8与所述膨胀缸3转动连接。压缩缸2以及膨胀缸3均通过至少两个轴承与转子轴1连接，以减小转自轴的径向偏移，保证***稳定运行。
如图1所示，所述压缩缸2与所述膨胀缸3为镜像对称结构，所述压缩缸2的压缩室以及所述膨胀缸3的膨胀室均为锥形结构。在本实施例中，所述压缩缸2与所述膨胀缸3为一体成型的缸体，所述压缩缸2与所述膨胀缸3之间通过隔热板进行分隔；一体成型的结构设计，来尽量缩短所述转子轴1的长度，似的整个储能***的结构更加紧凑。所述压缩缸2、所述膨胀缸3以及所述转子轴1上均设有隔热涂层，减少压缩缸2、膨胀缸3以及转子轴1与外界环境进行热交换，使压缩后气体的储热以及膨胀后气体的储冷最大化；同时，避免转子轴1因过冷、过热而出现形变。
如图1所示，动叶5以及静叶6均有朝向进气方向的迎气面和朝向排气方向的背气面，所述迎气面以及背气面均为倾斜面；该倾斜面的设置，对气流起到一定的导向作用，以减小气体在流动过程的能力损失。
作为可替代的实施方案，所述压缩缸2内具有两个镜像对称的压缩室，两个所述压缩室内的气体流向相反；所述膨胀缸3内具有两个镜像对称的膨胀室，两个所述膨胀室内的气体流向相反；上述的镜像结构以及气体流向设计，用于抵消气体流动对转子轴1产生的轴向推力，以减小整个储能***的轴向推力。
作为可替代的实施方案，所述转子轴1上具有两组动叶5，每组动叶5中间隔设置的动叶5的数量为两个以上；相对应的，压缩缸2内壁上间隔设置的静叶6的数量为两个以上；以及相对应的，膨胀缸3内壁上间隔设置的静叶6的数量为两个以上。即，低压气体在压缩缸2内能够实现两级以上的压缩，高压气体在膨胀缸3内能够实现两级以上的膨胀。
实施例二
本实施例提供的压力能与电能转换的控制方法，包括以下步骤：
向压缩缸2内通入低压气体，经多级压缩后升至高压气体并排出；
向膨胀缸3内通入高压气体，经多级膨胀后降至低压气体并排出；
当压缩缸2的压缩耗功大于膨胀缸3的膨胀产功时，将电动发电机4切换至输出模式(作为电动机)，为转子轴1提供动力；
当压缩缸2的压缩耗功小于膨胀缸3的膨胀产功时，将电动发电机4切换至输入模式(作为发电机)，吸收转子轴1的机械能、并转化为电能。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种轴流压缩膨胀式能量转换装置，其特征在于，包括：
转子轴(1)，所述转子轴(1)上具有多组动叶(5)；
压缩缸(2)，套设在所述转子轴(1)上，所述压缩缸(2)上具有与外界连通的进/排气口；所述压缩缸(2)内壁上具有静叶(6)，所述压缩缸(2)内的静叶(6)与所述动叶(5)交替排列；
膨胀缸(3)，套设在所述转子轴(1)上，所述膨胀缸(3)上具有与外界连通的进/排气口；所述膨胀缸(3)的内壁上具有静叶(6)，所述膨胀缸(3)内的静叶(6)与所述动叶(5)交替排列；
电动发电机(4)，连接在所述转子轴(1)上，所述电动发电机(4)用于提供和吸收机械能。
2.根据权利要求1所述的轴流压缩膨胀式能量转换装置，其特征在于，所述压缩缸(2)内具有两个镜像对称的压缩室，两个所述压缩室内的气体流向相反；所述膨胀缸(3)内具有两个镜像对称的膨胀室，两个所述膨胀室内的气体流向相反。
3.根据权利要求1所述的轴流压缩膨胀式能量转换装置，其特征在于，所述压缩缸(2)内具有沿其轴线方向间隔设置的至少两个第一轴承(7)，所述转子轴(1)通过所述第一轴承(7)与所述压缩缸(2)转动连接；
所述膨胀缸(3)内具有沿其轴线方向间隔设置的至少两个第二轴承(8)，所述转子轴(1)通过所述第二轴承(8)与所述膨胀缸(3)转动连接。
4.根据权利要求1所述的轴流压缩膨胀式能量转换装置，其特征在于，所述压缩缸(2)、所述膨胀缸(3)以及所述转子轴(1)上均设有隔热涂层。
5.根据权利要求1所述的轴流压缩膨胀式能量转换装置，其特征在于，所述压缩缸(2)与所述膨胀缸(3)为一体成型的缸体，所述压缩缸(2)与所述膨胀缸(3)之间通过隔热板进行分隔。
6.根据权利要求1所述的轴流压缩膨胀式能量转换装置，其特征在于，所述压缩缸(2)的压缩室以及所述膨胀缸(3)的膨胀室均为锥形结构。
7.根据权利要求1所述的轴流压缩膨胀式能量转换装置，其特征在于，所述动叶(5)以及静叶(6)的迎气面以及背气面均为倾斜面。
8.一种轴流压缩膨胀式能量转换装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
向压缩缸(2)内通入低压气体，经多级压缩后升至高压气体并排出；
向膨胀缸(3)内通入高压气体，经多级膨胀后降至低压气体并排出；
当压缩缸(2)的压缩耗功大于膨胀缸(3)的膨胀产功时，将电动发电机(4)切换至电动模式，为转子轴(1)提供动力；
当压缩缸(2)的压缩耗功小于膨胀缸(3)的膨胀产功时，将电动发电机(4)切换至发电模式，吸收转子轴(1)的机械能、并转化为电能。
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