CN115450950A - 压气机和超临界二氧化碳发电*** - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种压气机和超临界二氧化碳发电***，压气机包括转轮、端盖、平衡构件和转轴，端盖包括迎风侧和背风侧；端盖与背风侧间隔设置形成第一气流通道；平衡构件与转轮的背风侧连接且与端盖间隔设置，形成于与第一气流通道连通的第二气流通道，第二气流通道包括多个第一子通道和多个第二子通道，沿垂直气流流动方向，第一子通道的最大截面面积小于第二子通道的最大截面面积；转轮、平衡构件设于转轴外侧；端盖与转轴间隔设置，以形成与第二气流通道连通的第三气流通道。本申请的压气机和超临界二氧化碳发电***能降低转轮两侧的压差，降低转轮产生的轴向推力，有利于压气机的安全稳定运行。

Description

压气机和超临界二氧化碳发电***

技术领域

本申请属于叶轮机械技术领域，尤其涉及一种压气机和超临界二氧化碳发电***。

背景技术

超临界二氧化碳发电***是一种新型发电技术，超临界二氧化碳工质高密度使得其***结构紧凑、体积小，具有良好的应用前景和研究价值。超临界二氧化碳发电***的核心设备之一为压气机。压气机进口压力接近临界点（7.38MPa、31.1℃），出口压力根据设计通常为14-20MPa，因此压气机进出口这种大压力、高压差使得作用在压气机转轮上的转子轴向推力过大，制约超临界二氧化碳发电***的发展，这也是超临界二氧化碳压气机区别于传统气体压气机的重要特征之一。现有技术中，降低转轮轴向推力通常采用的方法是利用平衡活塞密封结构产生反向推力来平衡转轮自身产生的推力，然而平衡活塞密封结构的引入会使得转轮轴向长度显著增加，从而使得压气机等设备的尺寸、重量大大增加，同时过长的轴向布置会大大降低转子临界转速从而存在临界失稳的风险，因此这种常用的平衡活塞密封结构不利于压气机和超临界二氧化碳发电***的稳定运行。

因此，寻求新型压气机平衡结构是当下压气机和超临界二氧化碳发电***发展的重要任务。

发明内容

本申请实施例提供一种压气机和超临界二氧化碳发电***，能够在不影响压气机轴系临界转速的基础上降低转轮两侧的压差，降低转轮产生的轴向推力，有利于压气机的安全稳定运行。

本申请第一方面实施例提供了一种压气机，该压气机包括转轮、端盖、平衡构件和转轴。转轮包括相对设置的迎风侧和背风侧；端盖与背风侧间隔设置以形成第一气流通道；平衡构件与转轮的背风侧连接，平衡构件与端盖间隔设置，以形成与第一气流通道连通的第二气流通道，第二气流通道包括多个第一子通道和多个第二子通道，第一子通道和第二子通道沿转轮的径向交替设置，第一子通道沿垂直气流流动方向的最大截面面积小于第二子通道沿垂直气流流动方向的最大截面面积；转轮、平衡构件设于转轴外侧，转轴用于带动转轮和平衡构件相对于端盖转动；端盖与转轴间隔设置，以形成第三气流通道，第三气流通道与第二气流通道连通。

根据本申请第一方面的实施方式，平衡构件包括第一表面和缓冲腔，第一表面与端盖相对设置，缓冲腔相对于第一表面向靠近转轮方向凹陷设置，第一表面和端盖之间形成第一子通道，缓冲腔和端盖之间形成第二子通道。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，缓冲腔的数量为多个，多个缓冲腔间隔设置。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，多个缓冲腔排列形成多个第一阵列，第一阵列中的多个缓冲腔到平衡构件的中轴线的距离相等，第一阵列中的相邻两个缓冲腔的距离相等，第一阵列绕平衡构件的中轴线设置，多个第一阵列沿平衡构件的径向依次设置。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，多个缓冲腔排列形成多个第二阵列，第二阵列中的多个缓冲腔沿平衡构件的径向自平衡构件的中轴线向平衡构件的边缘等间距分布，多个第二阵列绕平衡构件的中轴线沿平衡构件周向依次分布。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，缓冲腔为绕平衡构件的中轴线设置的螺旋凹槽。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，转轴包括第一轴部和第二轴部，转轮套设于第一轴部，平衡构件和端盖套设于第二轴部，第二轴部的直径大于第一轴部的直径。

本申请第二方面实施例提供了一种超临界二氧化碳发电***，该超临界二氧化碳发电***包括上述第一方面任一实施方式中的压气机。

本申请实施例提供的压气机和超临界二氧化碳发电***中，在转轮和端盖之间设置平衡构件，平衡构件与端盖间隔设置形成第二气流通道，第二气流通道包括多个第一子通道和多个第二子通道，第一子通道和第二子通道沿转轮的径向交替设置，由于第一子通道沿垂直气流流动方向的最大截面面积小于第二子通道沿垂直气流流动方向的最大截面面积，气流流经第一子通道时，气流流速会加快，从而降低气流的气压。同时交替设置的第一子通道和第二子通道可以对气流进行多次增速降压，从而使得转轮迎风侧和背风侧的压差降低，进而降低转轮产生的轴向推力，有利于压气机的安全稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请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。

图1为本申请第一方面实施例一种压气机的结构示意图；

图2为本申请第一方面实施例中一种平衡构件的结构示意图；

图3为本申请第一方面实施例中另一种平衡构件的结构示意图；

图4为本申请第一方面实施例中又一种平衡构件的结构示意图；

图5为本申请第一方面实施例另一种压气机的结构示意图。

附图标记：

10、压气机；1、转轮；11、迎风侧；12、背风侧；2、端盖；3、平衡构件；31、第一表面；32、缓冲腔；32a、缓冲孔；32b、螺旋凹槽；A、第一阵列；B、第二阵列；4、第一气流通道；5、第二气流通道；51、第一子通道；52、第二子通道；6、转轴；61、第一轴部；62、第二轴部；d1、第一轴部的直径；d2、第二轴部的直径；7、第三气流通道；8、调节装置；81、弹性件；82、静环；83、动环。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请的目的、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，对本申请进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本申请，而不是限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请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申请的示例来提供对本申请更好的理解。

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。

超临界二氧化碳发电***由于效率高、***体积小等优点，具有良好的应用前景和研究价值。超临界二氧化碳发电***的核心设备之一为压气机，然而压气机的转轮前后两侧产生的过大转子轴向推力是制约超临界二氧化碳发电***发展的重要难题。现有技术中，降低转轮轴向推力通常采用的方法是利用平衡活塞密封结构产生反向推力来平衡转轮自身产生的推力，然而平衡活塞密封结构的引入会使得转轮轴向长度显著增加，从而使得压气机等设备的尺寸、重量大大增加，同时过长的轴向布置会大大降低转子临界转速从而存在临界失稳的风险，因此这种常用的平衡活塞密封结构不利于压气机和超临界二氧化碳发电***的稳定运行。

为解决上述问题，本申请实施例提供了一种压气机和超临界二氧化碳发电***，以下将结合附图对压气机和超临界二氧化碳发电***的各实施例进行说明。

请参阅图1和图2，本申请第一方面的实施例提供了一种压气机10，该压气机10包括转轮1、端盖2、平衡构件3和转轴6。转轮1包括相对设置的迎风侧11和背风侧12；端盖2与背风侧12间隔设置以形成第一气流通道4；平衡构件3与转轮1的背风侧12连接，平衡构件3与端盖2间隔设置，以形成与第一气流通道4连通的第二气流通道5，第二气流通道5包括多个第一子通道51和多个第二子通道52，第一子通道51和第二子通道52沿转轮1的径向交替设置，第一子通道51沿垂直气流流动方向X的最大截面面积小于第二子通道52沿垂直气流流动方向X的最大截面面积。转轮1、平衡构件3设于转轴6外侧，转轴6用于带动转轮1和平衡构件3相对于端盖2转动；端盖2与转轴6间隔设置，以形成第三气流通道7，第三气流通道7与第二气流通道5连通。

本实施例中，平衡构件3和转轮1连接，平衡构件3和转轮1可以一体加工，也可以单独加工后装配连接。端盖2用于罩住转轮1和平衡构件3，作为外壳对转轮1和平衡构件3起到保护作用。可选的，平衡构件3和端盖2之间的间隔为0.5mm~3mm。

本申请实施例的压气机10在转轮1和端盖2之间设置平衡构件3，平衡构件3与端盖2间隔设置形成第二气流通道5，第二气流通道5包括多个第一子通道51和多个第二子通道52，第一子通道51和第二子通道52沿转轮1的径向交替设置。压气机10运行时，压气机增压后的泄漏气流沿第一气流通道4、第二气流通道5流向转轴，然后沿着转轴表面流出。气流流经第二气流通道5时，由于第一子通道51沿垂直气流流动方向X的最大截面面积小于第二子通道52沿垂直气流流动方向X的最大截面面积，气流流经第一子通道51时，气流流速会加快，从而降低气流的气压，同时交替设置的第一子通道51和第二子通道52可以对气流进行多次增速降压，从而使得压气机10的转轮1的迎风侧11和背风侧12的压差降低，进而降低压气机10的转轮1产生的轴向推力，有利于压气机10的安全稳定运行。

转轮1、平衡构件3套设于转轴6外侧，转轴6用于带动转轮1和平衡构件3相对于端盖2转动。端盖2与转轴6间隔设置，以形成第三气流通道7，第三气流通道7与第二气流通道5连通。转轴6的外圆柱面和端盖2之间有间隔，避免端盖2影响转轴6转动。端盖2和转轴6之间形成与第二气流通道5连通的第三气流通道7，第三气流通道7沿转轴6外圆柱面延伸至压气机10外，以使流过第二气流通道5的气流从第三气流通道7排出。转轴6与端盖2之间的间隔本申请不做限制。

在一些实施例中，压气机10还包括调节装置8，调节装置8设于第三气流通道7远离第二气流通道5的端口，用于调节所述第三气流通道7远离所述第二气流通道5的端口的大小，从而控制第三气流通道7出口处压力。

可选的，调节装置8包括弹性件81和与弹性件81连接的静环82、动环83。动环83固定在转轴6上并与转轴6以相同的转速旋转，静环82通过弹性件81与静止的端盖2连接。当转轴6转速为0 rpm时，静环82通过弹性件81预施加的力与动环83紧密贴合。当转轴6开始旋转后，动环83与静环82之间流体动压效应产生的压力抵消弹性件81施加的预应力从而将动环83与静环82分隔开。调节装置8通过流体动压效应调节动环83和静环82泄漏间隙大小从而控制第三气流通道7出口处压力。可选的，将第三气流通道7出口处的压降控制为第一气流通道4、第二气流通道5、第三气流通道7压降和的30%-50%以避免第一气流通道4、第二气流通道5的压降过低产生反向推力造成压气机10失衡。

在一些实施例中，转轴6包括第一轴部61和第二轴部62，转轮1套设于第一轴部61，平衡构件3套设于第二轴部62，第二轴部62的直径d2大于第一轴部61的直径d1。由于第二轴部62的直径d2大于第一轴部61的直径d1，且第二轴部62和转轮1的背部相贴，气流在转轮1背部 的压力作用面积减小，从而减小转轮1背部高压气流产生的轴向推力，进而使得转轮前后两侧整体轴向推力降低，使得转轴6运行更加稳定。可选的，第二轴部62的直径d2与第一轴部61的直径d1之比大于或等于1.1。

在一些实施例中，平衡构件3包括第一表面31和缓冲腔32，第一表面31与端盖2相对设置，缓冲腔32相对于第一表面31向靠近转轮1方向凹陷设置，第一表面31和端盖2之间形成第一子通道51，缓冲腔32和端盖2之间形成第二子通道52。

通过在平衡构件3上开设缓冲腔32，形成第一子通道51和第二子通道52，并使第一子通道51和第二子通道52交替设置，以达到对气流多次增速，降低气流气压的效果。可选的，缓冲腔32贯穿平衡构件3，以使缓冲腔32具有较深的深度，即在与平衡构件3与端盖2间隔设置的表面为平面的基础上，缓冲腔32贯穿设置，以使第二子通道52沿垂直气流流动方向X的截面面积达到最大。

在一些实施例中，缓冲腔32的数量为多个，多个缓冲腔32间隔设置。请结合参阅图3，可选的，缓冲腔32为相对于第一表面31向靠近转轮1方向延伸设置的缓冲孔32a，缓冲孔32a和端盖2之间形成第二子通道52。由于缓冲孔32a数量为多个，因此可形成多个第二子通道52，缓冲孔32a之间的表面和端盖2之间形成多个第一子通道51，气流流动过程中，间隔多次流经第一子通道51，可以多次提高流速降低气压，降压效果会更好。另外，根据周向动量守恒可知，气流向靠近转轴的方向流动过程中周向速度随气流运动半径降低而逐渐增加，而平衡构件3上的缓冲孔32a能够阻碍气流向下运动过程中周向速度增加从而有利于防止转轴切向失稳。

缓冲孔32a在转轮1的垂直投影为圆形、矩形或椭圆形。缓冲孔32a在转轮1上投影形状可以为圆形、矩形或者椭圆形，当然也可以为其他形状，可选的，如菱形、平行四边形、梯形或者其余多边形。不同形状的缓冲孔32a对气流增速降压的效果影响不大，然而越规则的形状其加工制造会越简单。显然，圆形的缓冲孔32a相比矩形或者椭圆形的缓冲孔32a加工要容易很多。

在一些实施例中，多个缓冲腔32排列形成多个第一阵列A，第一阵列A中的多个缓冲腔32到平衡构件3的中轴线的距离相等，第一阵列A中的相邻两个缓冲腔32的距离相等，第一阵列A绕平衡构件3的中轴线设置，多个第一阵列A沿平衡构件3的径向依次设置。第一阵列A中的多个缓冲孔32a围绕平衡构件3的中轴线等间距设置一方面有利于生产加工，另一方面，均匀设置的缓冲孔32a，气流流经平衡构件3时，多次增速降压同样会均匀发生，转轮1产生的轴向推力也会均匀分布在平衡构件3上，有利于压气机10的安全稳定运行。

请参阅图4，在一些实施例中，多个缓冲腔32排列形成第二阵列B，第二阵列B中的多个缓冲腔32沿平衡构件3的径向自平衡构件3的中轴线向平衡构件3的边缘等间距分布，多个第二阵列B绕平衡构件3的中轴线沿平衡构件3周向依次分布。本实施例中，沿平衡构件3径向上的缓冲孔32a均匀排布，压气机10运行时的平衡性更好。可选的，每个第二阵列B中的缓冲孔32a的数量为4~12个。

请参阅图5，在一些实施例中，缓冲腔32为绕平衡构件3的中轴线设置的螺旋凹槽32b。本实例中，螺旋凹槽32b和第一表面31之间形成第二子通道52，沿平衡构件3的径向，气流螺旋交替流经螺旋凹槽32b和第一表面31，即气流交替流经第一子通道51和第二子通道52，实现对气流多次降压调节，进而使得转轮1产生的轴向推力降低。

本申请第二方面的实施例提供了一种超临界二氧化碳发电***，该超临界二氧化碳发电***包括上述第一方面任一实施方式中的压气机10。该超临界二氧化碳发电***应用前述第一方面的压气机10，具有与第一方面实施例压气机10相同的有益效果，此处不再赘述。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，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***、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，本申请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申请揭露的技术范围内，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申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种压气机，其特征在于，所述压气机包括：

转轮，包括相对设置的迎风侧和背风侧；

端盖，与所述背风侧间隔设置以形成第一气流通道；

平衡构件，与所述转轮的背风侧连接，所述平衡构件与所述端盖间隔设置，以形成于与所述第一气流通道连通的第二气流通道，所述第二气流通道包括多个第一子通道和多个第二子通道，所述第一子通道和所述第二子通道沿所述转轮的径向交替设置，所述第一子通道沿垂直气流流动方向的最大截面面积小于所述第二子通道沿垂直气流流动方向的最大截面面积；

转轴，所述转轮、所述平衡构件设于所述转轴外侧，所述转轴用于带动所述转轮和所述平衡构件相对于所述端盖转动；所述端盖与所述转轴间隔设置，以形成第三气流通道，所述第三气流通道与所述第二气流通道连通。

2.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，所述平衡构件包括第一表面和缓冲腔，所述第一表面与所述端盖相对设置，所述缓冲腔相对于所述第一表面向靠近所述转轮方向凹陷设置，所述第一表面和所述端盖之间形成所述第一子通道，所述缓冲腔和所述端盖之间形成所述第二子通道。

3.根据权利要求2所述的压气机，其特征在于，所述缓冲腔的数量为多个，多个所述缓冲腔间隔设置。

4.根据权利要求3所述的压气机，其特征在于，多个所述缓冲腔排列形成多个第一阵列，所述第一阵列中的多个缓冲腔到所述平衡构件的中轴线的距离相等，所述第一阵列中的相邻两个所述缓冲腔的距离相等，所述第一阵列绕所述平衡构件的中轴线设置，多个所述第一阵列沿平衡构件的径向依次设置。

5.根据权利要求3所述的压气机，其特征在于，多个所述缓冲腔排列形成多个第二阵列，所述第二阵列中的多个缓冲腔沿所述平衡构件的径向自所述平衡构件的中轴线向所述平衡构件的边缘等间距分布，多个所述第二阵列绕所述平衡构件的中轴线沿所述平衡构件的周向依次分布。

6.根据权利要求2所述的压气机，其特征在于，所述缓冲腔为绕所述平衡构件的中轴线设置的螺旋凹槽。

7.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，所述转轴包括第一轴部和第二轴部，所述转轮套设于所述第一轴部，所述平衡构件和所述端盖套设于所述第二轴部，第二轴部的直径大于第一轴部的直径。

8.一种超临界二氧化碳发电***，其特征在于，所述超临界二氧化碳发电***包括如权利要求1-7中任一所述的压气机。

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