阅读说明：本技术 一种直驱两级超临界二氧化碳压缩机 (Direct-drive two-stage supercritical carbon dioxide compressor ) 是由 王亚 周东 文鑫 李扬 张欢 孙冬婷 侯春峰 李新宇 张艳 龚由春 尹贤军 刘 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种直驱两级超临界二氧化碳压缩机,具有结构紧凑,效率高,噪音小的优点。一种直驱两级超临界二氧化碳压缩机,其特征在于：所述高速电机包括电机外壳以及电机外壳内设置的定子、转子、空气轴承系统,所述高速电机的两端分别设置一级压缩机、二级压缩机,所述一级压缩机、二级压缩机的叶轮均安装在高速电机的转子上,所述一级压缩机、二级压缩机串联,形成压缩系统,一级压缩机的进气口作为压缩系统的进气口,二级压缩机的出气口作为压缩系统的出气口。(The invention discloses a direct-drive two-stage supercritical carbon dioxide compressor which has the advantages of compact structure, high efficiency and low noise. A directly drive two-stage supercritical carbon dioxide compressor which characterized in that: the high-speed motor includes stator, rotor, the air bearing system that sets up in motor housing and the motor housing, the both ends of high-speed motor set up one-level compressor, second grade compressor respectively, the impeller of one-level compressor, second grade compressor is all installed on high-speed motor's rotor, one-level compressor, second grade compressor are established ties, form compression system, and the air inlet of one-level compressor is as compression system's air inlet, and the gas outlet of second grade compressor is as compression system's gas outlet.)

一种直驱两级超临界二氧化碳压缩机

技术领域

本发明涉及超临界二氧化碳发电系统技术领域，特别是涉及一种直驱两级超临界二氧化碳压缩机。

背景技术

自第一次工业革命以后，热能的主要利用方式是将热能通过动力系统转化为机械能，为人类的活动提供动力。超临界二氧化碳发电系统属于动力系统的一种，是以超临界状态的二氧化碳作为工质，将热源的热量转化为机械能，其热源可来自核反应堆、太阳能、地热能、工业废热、化学染料燃烧等。超临界二氧化碳工质的优良特性使得其系统具有良好的应用前景和研究价值。由于二氧化碳只有在温度达到31.1℃，压力达到7.38Mpa时才能变为超临界状态。因此在目前超临界二氧化碳发电系统中，压缩机在整个系统中属于关键部件，压缩机的效率对整个系统的效率有着极大的影响，集成高速永磁电机、气体轴承、两级叶轮同轴安装等高技术，由于转速高，所以压缩机的功率密度高，而体积远小于同等功率的普通压缩机，可以有效的节约材料。加上它与原动机相连，取消了传统的增速机构，传动效率高，噪音小。但是由于高速旋转机械所带来的一系列轴系动力学及轴承问题，以及高压工况带来的密封问题，都制约着超临界二氧化碳压缩机的发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种直驱两级超临界二氧化碳压缩机，具有结构紧凑，效率高，噪音小的优点。

本发明的目的是这样实现的：

一种直驱两级超临界二氧化碳压缩机，其特征在于：所述高速电机包括电机外壳以及电机外壳内设置的定子、转子、空气轴承系统，所述高速电机的两端分别设置一级压缩机、二级压缩机，所述一级压缩机、二级压缩机的叶轮均安装在高速电机的转子上，所述一级压缩机、二级压缩机串联，形成压缩系统，一级压缩机的进气口作为压缩系统的进气口，二级压缩机的出气口作为压缩系统的出气口。

优选地，所述空气轴承系统以超临界二氧化碳为润滑介质，所述电机外壳开有轴承进气孔、轴承排气孔，所述轴承进气孔用于向空气轴承系统通入超临界二氧化碳；所述轴承排气孔用于排出超临界二氧化碳。

优选地，所述轴承进气孔连接二级压缩机的出气口，用于将超临界二氧化碳引入空气轴承系统，对空气轴承系统进行润滑，所述轴承排气孔连接一级压缩机的进气口，用于将空气轴承系统排出的超临界二氧化碳汇入压缩系统。

优选地，所述二级压缩机的出气口、轴承进气孔之间依次串联有储气罐和压力控制阀门，所述储气罐用于储存超临界二氧化碳，所述压力控制阀门用于控制通入空气轴承系统的超临界二氧化碳的压力。

优选地，所述轴承排气孔、一级压缩机的进气口之间连接有抽吸泵，用于将空气轴承系统排出的超临界二氧化碳汇入压缩系统。

优选地，所述定子包括定子铁芯和定子线圈，所述定子铁芯中设置有定子冷却通道，所述电机外壳上设有定子冷却气进气口和定子冷却气出气口，所述定子冷却气进气口和定子冷却气出气口与定子冷却通道连通，所述定子冷却气进气口连接二级压缩机的出气口，用于将超临界二氧化碳引入定子冷却通道中对定子进行冷却；所述定子冷却气出气口连接一级压缩机的进气口，用于将定子冷却通道中的超临界二氧化碳汇入压缩系统。

优选地，所述电机外壳与一级压缩机的壳体、二级压缩机的壳体之间分别设置干气密封装置；

所述干气密封装置包括呈筒状的安装壳体，所述安装壳体的两端分别与电机外壳、一级压缩机的壳体/二级压缩机的壳体固定连接，所述安装壳体内设有呈筒状的干气密封承压壳体，高速电机的转子对应干气密封承压壳体的部分为阶梯轴，阶梯轴的小径段上套有呈T型的轴套，轴套的小径段、干气密封承压壳体之间套有干气密封动环、干气密封静环，所述干气密封动环固定于轴套，所述干气密封静环固定于干气密封承压壳体，轴套的大径段与干气密封承压壳体之间设置高压端梳齿密封，阶梯轴的大径段与干气密封承压壳体之间设置低压端梳齿密封；

所述安装壳体上设有密封进气口、密封气排气口、平衡气进气口，所述密封进气口、密封气排气口、平衡气进气口共同依次连接压力控制系统、二级压缩机的出气口，所述密封进气口用于从二级压缩机的出气口引入超临界二氧化碳，所述干气密封承压壳体上设有第一过孔用于将密封进气口引入的超临界二氧化碳再引入高压端梳齿密封以及干气密封动环、干气密封静环之间，所述密封气排气口用于将依次穿过干气密封动环、干气密封静环之间的间隙、干气密封承压壳体与阶梯轴的小径段之间的间隙以及干气密封承压壳体与低压端梳齿密封之间的间隙的超临界二氧化碳排出，所述低压端梳齿密封上设有第二过孔用于将平衡气进气口的超临界二氧化碳引入低压端梳齿密封的中部平衡气压。

优选地，所述空气轴承系统包括纯径向轴承、径向-止推联合轴承和纯止推轴承；纯径向轴承位于转子的一端，所述径向-止推联合轴承、纯止推轴承位于转子的另一端，所述纯止推轴承位于径向-止推联合轴承的内侧。

优选地，所述一级压缩机和二级压缩机分别具有扩压器，所述扩压器位于压缩机的进气口与压气叶轮之间。

优选地，所述压气叶轮通过轴向孔内设置的渐开线齿周向固定在转子的端部，且通过传扭拉杆和锁紧螺母配合拉紧固定。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明提出的压缩机结构，电机、压气叶轮与密封结构同轴连接，取消了传统的齿轮箱与电机通过联轴器连接的方式，具有结构紧凑且简单、功率密度高等优点，将轴承气排气引入压缩机的进气口气流中，实现零泄漏，同时本发明的压缩机，整个实验样机中无油、无空气，适用于微小型超临界二氧化碳的压缩。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为本发明干气密封结构图；

图3为本发明叶轮安装结构图；

图4为本发明叶轮渐开线齿示意图；

图5为本发明超临界二氧化碳的流动路径图。

具体实施方式

参加图1-图5，一种直驱两级超临界二氧化碳压缩机，包括一级压缩机、二级压缩机、干气密封装置及高速电机，高速电机的空气轴承系统以超临界二氧化碳为润滑介质。

高速电机两端分别安装了一级压缩机11a和二级压缩机11b，超临界二氧化碳从一级压缩机进气口进入，高速电机驱动一级压气叶轮12a对超临界二氧化碳压缩做功，再由一级压缩机11a的出气口进入二级压缩机11b的进气口，由二级压气叶轮12b再次压缩做功。

电机壳体35开有轴承进气孔，用于从壳体外部向轴承系统通入超临界二氧化碳；电机壳体开有轴承排气孔，用于将从轴承系统排出的超临界二氧化碳排出壳体。

轴承进气孔连接二级压缩机出气口，用于从压缩机出气口处的超临界二氧化碳气流中分流出部分超临界二氧化碳通入轴承31；轴承排气孔连接一级压缩机的进气口，用于将从轴承系统排出的超临界二氧化碳汇入一级压缩机进气口气流中。

压缩机出气口和轴承进气孔之间设置有储气罐和压力控制阀门；储气罐入口连压缩机出气口，用于储存从压缩机出气口处的超临界二氧化碳气流中分流出的部分超临界二氧化碳；压力控制阀门连接在储气罐出气口和轴承进气孔之间，用于控制通入轴承的超临界二氧化碳的压力；轴承排气孔和压缩机进气口之间设置有抽吸泵，用于将轴承排出的超临界二氧化碳汇入压缩机进气口气流中。

定子32包括定子铁芯和定子线圈，定子铁芯中设置有定子冷却通道，电机壳体开设有从定子冷却通道通连通至电机壳体外部的定子冷却气进气口和定子冷却气出气口；定子冷却气进气口连接压缩机进气口，用于将压缩机进气口的低温超临界二氧化碳引入定子冷却通道中对定子进行冷却；定子冷却气出气口连接压缩机进气口，用于将定子冷却通道中的超临界二氧化碳引回压缩机进气口。

所述压缩机机头一级11a和压缩机机头二级11b分别包括一级扩压器13a和二级扩压器13b，超临界二氧化碳工质首先从一级压缩机机头11a进气口进入通过一级扩压器13a将超临界二氧化碳引入压气叶轮12a，使其对超临界二氧化碳压缩做功，压缩后的超临界二氧化碳由一级压缩机11a出气口引入二级压缩机11b进气口，再经二级压缩机的扩压器13b引入二级压气叶轮12b对超临界二氧化碳压缩做功。

转子包括永磁转轴36，干气密封轴套38，干气密封动环37，一级压气叶轮12a和二级压气叶轮12b通过渐开线齿16传扭拉杆14和锁紧螺母15配合拉紧的方式分别固定在转轴36的两端。

电机与压缩机之间设置有干气密封，其中包括，干气密封安装壳体25，干气密封承压壳体26，高压端梳齿密封28，轴套38，干气密封动环37，干气密封静环27，低压端梳齿密封24，超临界二氧化碳气体由压缩机出气口引出经过压力控制系统进入主密封进气口21，再由密封气排气口22排出引入压缩机进气口，干气密封平衡气体由平衡气进气口23进入，密封两端还分别设有高压端梳齿密封28和低压端梳齿密封24。

空气轴承系统包括纯径向轴承31、径向-止推联合轴承34和纯止推轴承33；纯径向轴承31套设在电机外壳35和永磁转轴36之间，径向-止推联合轴承34和纯止推轴承33连接在永磁转轴另一端，套设在电机外壳35与永磁转轴36之间。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。