[发明专利]基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机

说明书

本公开提供一种基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机，包括：转子部，包括：透平，主轴，以及干气密封动部件；机壳部，环转子部外设置，包括：蜗壳，干气密封静部件，环干气密封动部件设置，其外固接密封机壳；隔热机壳，与干气密封动部件之间形成一第一环形间隙，与主轴之间形成一第二环形间隙，与透平之间形成一第三环形间隙；以及冷却环套，环隔热机壳表面设置，用于引入一定流量的高压低温的超临界二氧化碳，在冷却环套内进行流动换热，以及密封气通道，用于将从冷却环套出口排出后经密封器调控系统调整后的二氧化碳从密封气通道入口输入第一环形间隙，再流经第二环形间隙后流至第三环形间隙，实现转子部与机壳部的同时串联冷却。

技术领域

本公开涉及透平发电技术技术领域，尤其涉及一种基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机。

背景技术

超临界二氧化碳(SCO2)透平发电技术是以超临界状态的CO2为工质，通过透平机械将热能转化为电能的一种新型发电技术，适用于多种热源发电或动力转换，在火电、核电、太阳能发电等领域具有广阔的应用前景。SCO2发电装备具有能源转换效率高、结构形式紧凑的特点，其优势已经引起广泛关注。

SCO2膨胀机具有高速、高温、高能量密度、高度紧凑的特点，高温高压的工质流经透平，热量会通过转子和机壳沿轴向传递，由于SCO2膨胀机非常紧凑，透平距离密封、轴承、电机等部件的距离很短，高温极易导致其失效损坏，因此必须配备一套冷却隔热系统，在有限的空间内实现透平高温隔热作用。

目前，有资料指出在透平和密封之间加注气管线，通过注气系统实现密封和轴承的冷却(如：专利“一种以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组”，公告号CN106014509A)，但额外增加注气系统，及相应的温度、压力调节设备使得透平机组结构较为复杂，而且也在一定程度上使主轴长度增加，影响其振动性能。另外专利“超临界二氧化碳布雷顿循环动力部件冷却密封隔热系统”(公告号CN208564662U)对于压缩机-电机-膨胀机的同轴一体式结构，提出了利用压缩机叶轮背部泄露气进行冷却隔离的结构：压缩机泄露气在经过机壳与主轴之间的环形间隙后，到达膨胀机叶轮背部的隔离环腔，与膨胀机泄露气混合后排出，起到冷却隔离作用，其虽然无附加的冷却系统，减少了机组的复杂性，但因为压缩机泄露气的流量较小，所以冷却效果很难保证，对于工质在200℃以上的超临界二氧化碳透平，无法满足冷却要求。且上述现有的技术方案仅能实现主轴的冷却，不能同时满足机壳的冷却要求，因此对于结构紧凑的超临界二氧化碳透平，亟待提出一种高效的、结构简单紧凑、能够同时满足转子和机壳导热问题的冷却隔热方法。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机，以缓解现有技术中通过注气系统实现密封和轴承的冷却时透平机组结构较为复杂，或利用压缩机泄露气进行冷却隔离时冷却效果较差等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机，包括：转子部，包括：透平；主轴，一端与透平相连；以及干气密封动部件，设置于主轴另一端上；机壳部，环转子部外设置，包括：蜗壳，设置于透平外围；干气密封静部件，环干气密封动部件设置，其外固接密封机壳；隔热机壳，设置于蜗壳和密封机壳之间，与干气密封动部件之间形成一第一环形间隙，与主轴之间形成一第二环形间隙，与透平之间形成一第三环形间隙；以及冷却环套，环密封机壳表面设置，用于供二氧化碳传输并对密封机壳进行冷却，其相对位置设置有冷却环套入口，以及冷却环套出口，所述冷却环套入口用以从压缩机侧或系统其他合适位置引入一定流量的高压低温的超临界二氧化碳，在冷却环套内部进行流动换热，冷却密封机壳后从冷却环套出口排出；以及密封气通道，用于将从冷却环套出口排出后经密封器调控系统调整后的二氧化碳从密封气通道入口输入第一环形间隙，再流经第二环形间隙后流至第三环形间隙，实现转子部与机壳部的同时串联冷却。