压气机、超临界二氧化碳循环系统和压气机压力控制方法与流程

1.本技术涉及动力设备技术领域，尤其涉及一种压气机、超临界二氧化碳循环系统和压气机压力控制方法。


背景技术：

2.超临界二氧化碳(sco2 supercritical carbon dioxide)布雷顿循环作为一项革新性的能源动力技术，使用超临界二氧化碳作为动力循环系统工质，以其效率高、成本低、洁净度高以及结构紧凑等优点越来越受到国内外研究机构的重视和认可。特别是二氧化碳具有临界压力适中、较好的稳定性和核物理性质、无毒以及储量丰富等优点，sco2循环被认为是核反应堆(第四代核电)最具应用前景的动力循环之一，同时在新型燃机、火电以及太阳能发电机组中均具有潜在的应用。
3.由于超临界二氧化碳工质密度接近于液体，叶轮前后的压差比较大，导致轴向推力对压气机的可靠运行影响显著，而叶轮背部的压力对压气机轴向推力的控制具有重要影响。此外，从压气机出口抽取部分气体作为轴端干气密封的密封气体，同时作为干气密封动环和静环之间的润滑工质，如果叶轮背部处压力过高，会导致压气机出口和叶轮背部之间的压差过小，难以保证提供足够的密封气体对干气密封进行有效润滑，直接影响干气密封的可靠性，进而影响压气机的可靠性，甚至影响整个循环系统的安全性，特别是在压气机启停和低速运行时，这个问题尤为突出。
4.为了提高压气机的运行安全性能，本技术提出了一种压气机、超临界二氧化碳循环系统和压气机压力控制方法。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供了一种压气机、超临界二氧化碳循环系统和压气机压力控制方法，本技术提供的压气机可以提高运行安全性能。
6.本技术第一方面实施例提供一种压气机，包括：机壳、转轴、叶轮、第一密封件和流体调节装置。
7.机壳具有收容腔室和平衡腔室，收容腔室具有进气口和出气口，平衡腔室设置于出气口远离进气口的一侧，平衡腔室具有与外部连通的开口；转轴安装于机壳，转轴和机壳之间形成气流通道，气流通道连通收容腔室和平衡腔室；叶轮套设于转轴，并设置于收容腔室；第一密封件设置于气流通道；流体调节装置设置于开口，流体调节装置与机壳可移动连接，以调节开口的大小。
8.根据本技术第一方面前述任一实施方式，机壳包括沿转轴的轴向相对设置的第一侧壁和第二侧壁，收容腔室和平衡腔室设置于第一侧壁的相对两侧，第一侧壁和第二侧壁之间形成平衡腔室，第一侧壁与转轴之间形成气流通道。
9.根据本技术第一方面前述任一实施方式，机壳还包括设置于第一侧壁中的导气通道，导气通道连通出气口和第一密封件。
10.根据本技术第一方面前述任一实施方式，第二侧壁和转轴之间具有与平衡腔室连通的间隙，压气机还包括第二密封件，第二密封件设置于间隙，以密封平衡腔室。
11.根据本技术第一方面前述任一实施方式，流体调节装置包括弹性件、两个磁性件和活塞，两个磁性件沿轴向连接弹性件的两端，活塞沿轴向连接一个磁性件。
12.根据本技术第一方面前述任一实施方式，平衡腔室包括导气管，导气管两端分别连接开口和出气口。
13.根据本技术第一方面前述任一实施方式，压气机还包括压力采集装置。
14.本技术第二方面实施例还提供一种超临界二氧化碳循环系统，系统包括本技术第一方面实施例提供的压气机。
15.根据本技术第二方面前述任一实施方式，系统还包括：驱动透平和高速启动电机，压气机、高速启动电机和驱动透平通过同一个转轴相连接。
16.本技术第三方面实施例还提供一种压气机压力控制方法，应用于本技术第一方面实施例提供的压气机，方法包括：获取叶轮背部的压力值；比较叶轮背部的压力值和预设参数范围值，预设参数范围值包括第一阈值和第二阈值，第一阈值小于第二阈值；在叶轮背部的压力值小于第一阈值的情况下，控制流体调节装置相对开口运动，以增大开口的大小；在叶轮背部的压力值大于第二阈值的情况下，控制流体调节装置相对开口运动，以减小开口的大小。
17.根据本技术第三方面前述任一实施方式，预设参数范围值包括第一阈值和第二阈值，第一阈值小于第二阈值；在叶轮背部的压力值小于第一阈值的情况下，控制流体调节装置相对开口运动，以减小开口的大小；在叶轮背部的压力值大于第二阈值的情况下，控制流体调节装置相对开口运动，以增大开口的大小。
18.与现有技术相比，压气机包括：机壳、转轴、叶轮、第一密封件和流体调节装置。机壳具有收容腔室和平衡腔室，收容腔室具有进气口和出气口，平衡腔室设置于出气口远离进气口的一侧并具有与外部连通的开口；转轴安装于机壳，转轴和机壳之间形成气流通道，气流通道连通收容腔室和平衡腔室；叶轮套设于压气转轴并设置于收容腔室；第一密封件设置于气流通道；流体调节装置设置于开口，并与机壳可移动连接，以调节开口的大小。本技术提供的压气机可以通过流体调节装置调节进入平衡腔室的气体的流量大小，并改变平衡腔室的压力大小，进而调整压气机叶轮背部的压力。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，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。
20.图1是本技术实施例提供的压气机的结构示意图；
图2是本技术实施例提供的一种流体调节装置的结构示意图；图3是本技术实施例提供的压气机压力控制方法的流程图。
21.附图标记说明：100、压气机；1、机壳；11、收容腔室；111、进气口；112、出气口；12、平衡腔室；121、开口；122、导气管；13、第一侧壁；14、第二侧壁；2、转轴；3、叶轮；4、第一密封件；5、流体调节装置；51、弹性件；52、磁性件；53、活塞；6、第二密封件；7、压力采集装置；x、轴向。
具体实施方式
22.下面将详细描述本技术的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本技术的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本技术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技术的示例来提供对本技术的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本技术造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。
23.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本技术和简化描述，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技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
24.下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本技术的实施例的具体结构进行限定。在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
25.为了更好的理解本发明，下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
26.由于超临界二氧化碳工质密度接近于液体，会使得压气机的叶轮前后压差大，从而产生轴向作用力，并使转轴2产生轴向运动，导致压气机100静叶轮和动叶轮相碰擦，从而引发故障，而轴向推力是影响超临界二氧化碳压气机安全、可靠运行的关键因素之一。
27.因此，请参阅图1，本技术第一方面实施例提供了一种压气机100，可以提高压气机100的安全性能。压气机100包括：机壳1、转轴2、叶轮3、第一密封件4和流体调节装置5。机壳1具有收容腔室11和平衡腔室12，收容腔室11具有进气口111和出气口112，平衡腔室12设置于出气口112远离进气口111的一侧，平衡腔室12具有与外部连通的开口121；转轴2安装于机壳1，转轴2和机壳1之间形成气流通道，气流通道连通收容腔室11和平衡腔室12；叶轮3套设于转轴2，并设置于收容腔室11；第一密封件4设置于气流通道；流体调节装置5设置于开
口121，流体调节装置5与机壳1可移动连接，以调节开口121的大小。
28.本技术提供的压气机100可以通过流体调节装置5调节进入平衡腔室12的气体的流量大小，并改变平衡腔室12的压力大小，进而调整压气机叶轮3的压力。由于平衡腔室12设置于出气口112远离进气口111的一侧，平衡腔室12具有与外部连通的开口121，流体调节装置5用于调节开口121的大小，因此流体调节装置5靠近叶轮3的背风面，流体调节装置5可以用于调节叶轮3的背部压力，进而起到调整压气机100轴向力的效果。本技术提供的压气机100提高压力调节的方便性，延长压气机100的使用寿命。
29.可以理解的是，平衡腔室12不会完全密封，平衡腔室12包括与外界大气连通的出口，故会有些许允许量内的泄气。
30.可选的，压气机100还包括干气密封件，干气密封件设于流体调节装置5远离出气口112的一侧。干气密封是基于现代流体动压润滑理论的一种新型非接触式气膜密封。具有泄漏量少、磨损小、寿命长、能耗低、被密封的流体不受油污染等特点。干气密封件包括动环、静环和联结组件，动环或者静环端面上通常开出微米级流槽。可选的，流槽可以是“u”形槽、“v”形槽或者其他形状的槽。干气密封件依靠动环相对运转产生的流体动压效应，在动环和静环两端面间形成一层气膜来平衡闭合力，实现密封端面非接触运转。流体调节装置5可自适应调节叶轮3背部以及干气密封之间的压力。
31.当叶轮3背部压力值较小时，流体调节装置5相对机壳1运动以增大开口121，以增大平衡腔室12和叶轮3背部的压力，平衡腔室12内将冲入高压气体，高压气体会通过平衡腔室12上的出口排出一些，但此时排出量远远小于进气量，因此，平衡腔室12受到的压力将变大，进而会使得转轴2受到的轴向力增大。同理，当叶轮3背部压力值较大时，流体调节装置5相对机壳1运动以减小开口121，以减小平衡腔室12和叶轮3背部的压力，进而减小转轴2受到的轴向力。在一实施例中，第一密封件4包括梳齿结构、蜂窝结构、刷式结构和石墨结构中的任一一种结构或者其他结构，本技术对此不进行限定。
32.在一实施例中，压气机100还包括推力轴承（未示出），推力轴承可以平衡和抵消转轴2所受的部分轴向力。
33.在一实施例中，压气机100还包括检测装置和控制装置（未示出），检测装置可以实时检测转轴2的轴向力是否受力平衡。当不平衡时，可以通过控制装置及时控制流体调节装置5的移动，进而调整平衡腔室12内的压力，使得转轴2轴向受力保持动态平衡。
34.可选的，检测装置可以是双向测力传感器，双向测力传感器可以实时测量压气机100的工况变化过程中所受轴向力，并将该压力值及时反馈到控制装置，通过控制装置来调整平衡腔室12内的压力，进而使轴向力平衡。
35.可选的，控制装置可以为计算机、单片机、现场可编程门阵列（fpga field programmable gate array）等。
36.在一些可选的实施例中，机壳1包括沿转轴2的轴向x相对设置的第一侧壁13和第二侧壁14，收容腔室11和平衡腔室12设置于第一侧壁13的相对两侧，第一侧壁13和第二侧壁14之间形成平衡腔室12，第一侧壁13与转轴2之间形成气流通道。
37.在这些可选的实施例中，第一侧壁13可以分隔出收容腔室11和平衡腔室12，机壳1、转轴2、第一侧壁13和第二侧壁14可围合形成平衡腔室12。
38.在一些可选的实施例中，机壳1还包括设置于第一侧壁13中的导气通道（未示出），
导气通道连通出气口112和第一密封件4。
39.在一些可选的实施例中，第二侧壁14和转轴2之间具有与平衡腔室12连通的间隙，压气机100还包括第二密封件6，第二密封件6设置于间隙，以密封平衡腔室12。
40.在这些可选的实施例中，第二密封件6设于第二侧壁14和转轴2之间的间隙，第二密封件6可以提高平衡腔室12的密封效果。
41.在一实施例中，第二密封件6包括梳齿结构、蜂窝结构、刷式结构和石墨结构中的任一一种结构或者其他结构，本技术对此不进行限定。
42.请结合参阅图2，在一些可选的实施例中，流体调节装置5包括弹性件51、两个磁性件52和活塞53，两个磁性件52沿轴向x连接弹性件51的两端，活塞53沿轴向x连接一个磁性件52。
43.在这些可选的实施例中，流体调节装置5可以包括沿轴向x依此连接的活塞53、一个磁性件52、弹性件51和磁性件52。
44.当需要降低叶轮3的叶轮3背部压力时，可以减小流体调节装置5两个磁性件52之间的磁力，弹性件51的弹力不变，因而，磁力和弹力的合力减小，此时，平衡腔室12的压力大于磁力和弹力的合力，平衡腔室12的压力推动活塞53移动以增大开口121的大小，进而增大进入平衡腔室12的气体流量，并降低平衡腔室12的压力，相应地叶轮3背部压力也下降。
45.当需要升高叶轮3背部压力时，可以增大流体调节装置5两个磁性件52之间的磁力，弹性件51的弹力不变，因而，磁力和弹力的合力增大，此时，平衡腔室12的压力小于磁力和弹力的合力，平衡腔室12的压力推动活塞53移动以减小开口121的大小，进而减小进入平衡腔室12的气体流量，并增大平衡腔室12的压力，相应地叶轮3背部压力也增大。
46.可以理解的是，随着流体调节装置5的移动，弹性件51的弹力会增大，此时，控制两个磁性件52的磁力大小，使得磁力和弹力的合力与平衡腔室12的压力相等，从而使压力机100的压力达到平衡。
47.可以理解的是，本技术提供的流体调节装置5只需要调整两个磁性件52的磁力就可以控制叶轮3背部的压力，不仅结构简单，而且控制方便。
48.在一实施例中，流体调节装置5还可以是阀门。
49.在一些可选的实施例中，平衡腔室12包括导气管122，导气管122两端分别连接开口121和出气口112。
50.在这些可选的实施例中，导气管122连通出气口112和开口121，平衡腔室12可以从压气机100的出气口112进行取气，并通过通入平衡腔室12的气体流量改变平衡腔室12的压力。
51.在一些可选的实施例中，压气机100还包括压力采集装置7，压力采集装置7可以采集压气机100的轴向推力、第一密封件4和/或第二密封件6的密压信号，压力采集装置7可以将该信号传递给信号处理装置，信号处理装置可以根据该信号调整压气机100的压力。
52.本技术第二方面实施例提供了一种超临界二氧化碳循环系统，系统包括：本技术第一方面任一实施例提供的压气机。
53.在一些可选的实施例中，超临界二氧化碳循环系统还包括驱动透平和高速启动电机。压气机、高速启动电机、驱动透平通过同一个转轴相连接，运行时具有相同的转速。压气机在运行时提供动力将工质压缩至较高压力，驱动透平用作压气机正常或部分负荷运行时
的原动机，高速启动电机作为压气机启动阶段的原动机。采用同轴的一体化密闭结构设计，设计了注气和抽气系统，可以最大程度的缩小压气机系统的体积，达到较高的效率，为超临界二氧化碳发电技术提供可行的循环系统。
54.本技术第二方面实施具有本技术第一方面实施例的有益效果，在此不再赘述。
55.请参阅图3，本技术第三方面实施例提供了一种压气机压力控制方法，应用于本技术第一方面任一实施例提供的压气机，方法可以包括：s100，获取叶轮背部压力值；s200，比较叶轮背部压力值和预设参数范围值，预设参数范围值包括第一阈值和第二阈值，第一阈值小于第二阈值；s300，在叶轮背部压力值小于第一阈值的情况下，控制流体调节装置相对开口运动，以增大开口的大小；s400，在叶轮背部压力值大于第二阈值的情况下，控制流体调节装置相对开口运动，以减小开口的大小。
56.可选的，第一阈值和第二阈值组成预设参数范围值，第一阈值小于第二阈值。当叶轮背部压力值在第一阈值和第二阈值之间时，流体调节装置不会相对开口运动。当叶轮背部压力值在小于第一阈值时，流体调节装置相对开口运动以增大开口，以增大平衡腔室和叶轮背部的压力，进而增大转轴受到的轴向力。当叶轮背部压力值在大于第二阈值时，流体调节装置相对开口运动以减小开口，以减小平衡腔室和叶轮背部的压力，进而减小转轴受到的轴向力。
57.本技术可以改变平衡腔室的压力，继而实现叶轮背部压力自适应地调整，以满足压气机不同运行状态轴向力和密封压力的需求。
58.另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
59.应理解，在本技术实施例中，“与a相应的b”表示b与a相关联，根据a可以确定b。但还应理解，根据a确定b并不意味着仅仅根据a确定b，还可以根据a和/或其它信息确定b。
60.以上，仅为本技术的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，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技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。