阅读说明：本技术 基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机 (Supercritical carbon dioxide expander based on integrated cooling system ) 是由 郭朝红 姜玉雁 郭永献 梁世强 陈俊斌 朱玉铭 于 2020-04-23 设计创作，主要内容包括：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。(The present disclosure provides an integrated cooling system based supercritical carbon dioxide expander, comprising: a rotor portion comprising: a turbine, a main shaft, and a dry gas seal dynamic component; the casing portion, the outer setting of ring rotor portion includes: the volute, the dry gas seal static part and the annular dry gas seal dynamic part are arranged, and the outside of the volute is fixedly connected with a seal machine shell; the heat insulation casing forms a first annular gap with the dry gas sealing dynamic part, forms a second annular gap with the main shaft and forms a third annular gap with the turbine; the cooling ring sleeve is arranged on the surface of the heat insulation engine shell and used for introducing high-pressure low-temperature supercritical carbon dioxide with a certain flow rate to perform flowing heat exchange in the cooling ring sleeve, and the sealing air channel is used for inputting the carbon dioxide which is discharged from an outlet of the cooling ring sleeve and adjusted by the sealer adjusting and controlling system into the first annular gap from an inlet of the sealing air channel, then flows into the third annular gap after flowing through the second annular gap, so that the rotor part and the shell part are simultaneously cooled in series.)

具体实施方式

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，具体是工质为超临界二氧化碳的透平膨胀机的结构和冷却系统的设计，采用机壳、轴系一体冷却方案，与干气密封系统集成设计，无须额外引密封气，减少冗杂设备，结构更加紧凑，同时冷却气流量、压力、温度可以进行调节，满足机壳和轴系的冷却要求。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机，如图1所示，所述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101；

主轴103，一端与透平101相连；以及

干气密封动部件102，设置于主轴103另一端上。

机壳部，环转子部外设置，包括：

蜗壳201，设置于透平外围；

干气密封静部件204，环干气密封动部件102设置，干气密封静部件204外固接密封机壳203；

隔热机壳202，设置于蜗壳201和密封机壳203之间，与干气密封动部件102之间形成第一环形间隙301；与主轴103之间形成一第二环形间隙302，与透平101之间形成一第三环形间隙303；

冷却环套205，环机壳203表面设置，用于供二氧化碳传输并对密封机壳203进行冷却，其相对位置设置有冷却环套入口B1，以及冷却环套出口B2，所述冷却环套入口B1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205内部进行流动换热，冷却密封机壳203后从冷却环套出口B2排出；以及

密封气通道，用于将从冷却环套出口B2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A输入第一环形间隙301，再流经第二环形间隙302后流至第三环形间隙303，实现转子部与机壳部的同时串联冷却。

所述透平包括：向心式叶轮或轴流式叶轮。

所述透平结构为单级结构或多级结构。

所述密封机壳203和干气密封静部件204通过螺栓等紧固部件连接在一起。

密封一般放置于透平和轴承之间，避免泄露气破坏轴承的工作环境。干气密封和轴承都有温度限制，所以必须在透平101和干气密封102之间实现冷却隔热。具体冷却过程为：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流体，从冷却环套入口B1进入冷却环套205内进行流动，由此对密封机壳203进行对流换热冷却机壳；后进入冷却环套出口B2流出冷却环套205，再进入外接的密封气调控系统，对其压力、温度、流量进行调整，然后作为干气密封的密封气进入密封气通道入口A，其中很少一部分的密封气经过摩擦副节流之后泄露出去，而大部分密封气会流入第一环形间隙301，再经第二环形间隙302，流到透平侧的第三环形间隙303后，与透平入口流体掺混，在透平中做功后排出，也可通过隔热机壳202内部引流孔排出。密封气在第一环形间隙301中的流动可以对干气密封动部件102、静部件204进行冷却隔离，在第二环形间隙302中的流动能够直接对主轴103进行对流冷却，在第三环形间隙303中的流动能够对隔热机壳202进行冷却隔离。

所述密封气控制系统，将密封气加热到一定温度，才能确保经过摩擦副节流后不结冰。

在本公开实施例中，如图2所示，所述密封气控制系统，包括：

储罐401，与冷却环套出口B2相连，用于对排出的二氧化碳流体进行稳压；

调压模块，包括并联设置的三条流体管道，其中任意两条管道上分别设置节流降压装置402和增压泵403，每条流体管道上都分别设置有截止阀(截止阀406、截止阀407、截止阀408)；

换热器404，用于根据冷却要求对二氧化碳进行温度调整后经密封气通道入口A流入膨胀机的第一环形间隙301；

流量调节阀405，用于调控密封气的流量。

从冷却环套出口B2流出的冷却机壳之后的超临界二氧化碳进入密封气调控系统，经储罐401稳压之后可以根据流动要求通过增压泵403加压，或者节流降压装置402降压，或者压力不需要调整，直接流通到换热器404，根据冷却要求进行温度调整，最后调整后的密封气通过A通道流入密封机壳。密封气除了可以维持密封的洁净环境，同时兼具了冷却的作用。流量调节阀405用来调控进入机壳的密封气的流量；截止阀406打开而截止阀407、截止阀408关闭，则密封气不进行压力调整；截止阀406、截止阀408关闭，而截止阀407打开，则密封气经增压泵403加压；截止阀406、截止阀407关闭，而截止阀408打开，则密封气经节流降压装置402降压。

图1中密封气经过环形间隙301、302、303后与透平入口工质相连通，除此之外，也可以与透平出口做功后的工质相连通，如图3所示：冷却气经环形间隙301、302后再径向流入工质出口环形腔，与出口工质混合后排出。

综合考虑冷却所需的冷却气流量、温度，以及密封气所需的流量、压力、温度等要求，优化设计冷却环套入口B1的超临界二氧化碳的参数，可以不进行流量和压力的调节直接流入A通道，简化密封气调控系统。图2中的流量调节阀405、截止阀406、截止阀407、截止阀408，以及节流降压装置402和增压泵403都可以省去。

本公开将经过机壳冷却环套205的被加热的超临界二氧化碳作为密封气(风)引入密封系统，能够减少加热耗功。另外，因为密封气的流量并不会影响干气密封的密封效果，所以密封气的流量可以根据机壳及主轴的冷却要求而确定。本公开将冷却气与干气密封控制系统集成为一体，大大简化了冷却系统。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于集成冷却系统的超临界二氧化碳膨胀机有了清楚的认识。

综上所述，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，其冷却气与干气密封系统集成为一体，实现一套系统两种用途，系统结构更简单，集成度更高，利于提高机组紧凑度。实现了机壳与主轴的串联冷却，不仅利用机壳加热而减小了密封风控制系统的加热耗功，而且同时能够满足机壳和轴系的冷却，简化了冷却系统。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。