一种超临界二氧化碳涡轮机-启发电机-压缩机机组

技术领域

本发明属于动力技术领域，涉及一种超临界二氧化碳涡轮机-启发电机-压缩机机组。

背景技术

超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术是采用超临界二氧化碳作为工质的闭式循环涡轮发电技术，是近年来快速发展起来的一项前沿技术，具有循环效率高、功率覆盖范围广(数百千瓦至数百兆瓦)、功率密度大、振动噪声小等优势。TAC(Turbine-Alternator-Compressor，也即涡轮机-启发电机-压缩机)机组是超临界二氧化碳布雷顿发电系统中的发电核心设备，由于超临界二氧化碳的高密度特性可以大幅缩小TAC机组中压缩机和涡轮的尺寸，使叶轮机械部件结构紧凑，有利于提高动力装置能量密度。

在超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中，发电机通过涡轮机直接驱动的方式工作，其转速可达40krpm以上。但是，目前国内专业电机厂家研发的高速永磁电机功率都比较小，300kW等级40000rpm以上的高速电机国内外尚无成熟产品。而采用低速电机拖动增速齿轮箱，则受限于国内高速齿轮箱效率较低(≤90％)；同时齿轮箱体积大，远远超过叶轮体积，无法充分发挥TAC机组结构紧凑的优势。所以设计一款基于成熟电机技术，高效紧凑、满足转子高速运行的超临界二氧化碳TAC机组十分有必要。

发明内容

本发明的目的是上述现有技术中的的不足，提供一种超临界二氧化碳涡轮机-启发电机-压缩机机组，该TAC机组体积小、结构紧凑，保证涡轮机-压缩机叶轮的运行速率，同时实现低速大功率电机在TAC机组中的应用。

本发明为了提供种超临界二氧化碳涡轮机-启发电机-压缩机机组，所采用的技术方案如下：

一种超临界二氧化碳涡轮机-启发电机-压缩机机组，包括涡轮机、启发电机、压缩机，所述涡轮机具有涡轮机叶轮，所述压缩机具有压缩机叶轮，所述启发电机具有环状的电机静子和电机转子，且所述电机转子相对可转动地设于电机静子的内腔；还包括：

高速轴，所述涡轮机叶轮与压缩机叶轮分别安装在高速轴沿轴向延伸的两端，所述电机静子和电机转子沿高速轴同轴设置；所述高速轴的径向方向上固设有若干组齿轮；

行星齿轮，所述行星齿轮设于电机转子的内腔中，且所述行星齿轮具有内齿圈和外齿圈，所述内齿圈与高速轴上的齿轮啮合，所述行星齿轮的外齿圈与电机转子连为一体；通过所述内齿圈与外齿圈的同步转动，实现电机转子与高速轴的同步转动。

优选的，所述高速轴上位于所述行星齿轮的两侧分别套设机组端盖，用于限制行星齿轮的轴向运动。

进一步的，所述机组端盖与高速轴之间通过轴承连接。

进一步的，所述行星齿轮在高速轴上间隔布置为多组，任一组行星齿轮的内齿圈均与高速轴的齿轮一一对应啮合，多组行星齿轮的外齿圈一体连接。

进一步的，任一组行星齿轮均包括沿周向均匀分布的多个行星轮，以及对应设置于多个行星轮中心的多根行星轮轴，且相邻两组行星齿轮的行星轮轴一一对应共轴而设；

其中，多个行星轮朝向高速轴的内侧作为行星齿轮的内齿圈。

进一步的，所述行星轮轴的两端均通过行星固定盘固定于机组端盖上；

所述行星齿轮的外齿圈相对高速轴可转动的安装于机组端盖上。

进一步的，所述行星齿轮的外齿圈镶嵌于电机转子上。

进一步的，所述电机静子远离高速轴的外侧还围设有冷却组件。

进一步的，所述机组端盖远离高速轴的端部固定在冷却组件上。

优选的，当机组电源开启时，启发电机的电机动子相较电机静子转动，同步带动行星齿轮转动，行星齿轮的内齿圈驱动高速轴带动涡轮机叶片和压缩机叶片转动；

当机组的涡轮机能自主驱动压缩叶轮且高速轴转速上升至设计转速时，高速轴作为驱动轴，通过驱动行星齿轮带动电机转子相较电机静子转动，使启发电机发电。

本发明能够带来以下有益效果：

1)本发明采用的带行星齿轮的超临界二氧化碳涡轮机-启发电机-压缩机共轴一体机组的结构设计，在启发电机中电机转子内部通过行星齿轮结构，与涡轮机叶轮、压缩机叶轮相连接；使得启发电机在发动机状态时，行星齿轮起到增速作用，拖动压缩机-涡轮机叶轮相对高速轴高速运行；在启发电机的发电状态，行星齿轮起到减速作用，压缩机-涡轮机叶轮通过高速轴的转动驱动启发电机发电。从而，通过采用行星齿轮，相比于传统的齿轮箱，大大降低了发电机组的体积，结构紧凑。

2)本发明通过采用行星齿轮，当启发电机为发电机状态时，通过半径较小的高速轴齿轮传递到半径较大的行星齿轮外齿圈，大大降低了启发电机的运行转速，可以实现低速大功率电机在TAC机组上的应用。

3)本发明通过采用行星齿轮，当启发电机为发动机状态时，通过半径较大的行星齿轮外齿圈传递到半径较小的高速轴齿轮，可以保持甚至提升涡轮机-压缩机叶轮的运行转速，保证超临界二氧化碳系统的运行效率。

综上，本发明通过采用带行星齿轮的超临界二氧化碳涡轮机-启发电机-压缩机共轴一体机组的结构设计，不仅克服了大功率电机转速低无法直接驱动高速叶轮机械的限制，同时避免了采用高速齿轮箱效率低、体积大的不足之处，充分发挥了超临界二氧化碳发电体积能量密度高、结构紧凑的优点。此外，本发明提供的上述设计还可应用至其它类的旋转机械，适用性广泛。

附图说明

图1为本发明超临界二氧化碳涡轮机-启发电机-压缩机机组的结构示意图。

图中标注符号的含义如下：

1-涡轮机叶轮；2-压缩机叶轮；3-启发电机，30-电机静子，31-电机转子；4-高速轴，40-齿轮；5-行星齿轮，50-内齿圈，51-外齿圈，52-行星轮，53-行星轮轴，54-行星固定盘；6-机组端盖；7-轴承；8-冷却组件。

具体实施方式

为了便于理解本申请，为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。

此外，在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本申请的描述中，“若干”的含义是至少一个，例如一个，两个等，除非另有明确具体的限定。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。

根据本发明提供的一种实施例，为一种超临界二氧化碳涡轮机-启发电机-压缩机机组(也即TAC机组)，包括涡轮机、启发电机、压缩机，所述涡轮机具有涡轮机叶轮1，所述压缩机具有压缩机叶轮2，所述启发电机3具有环状的电机静子30和电机转子31，且所述电机转子31相对可转动地设于电机静子30的内腔；还包括：

高速轴4，所述涡轮机叶轮1与压缩机叶轮2分别固定安装在高速轴4沿轴向延伸的两端，所述电机静子30和电机转子31沿高速轴4同轴设置；所述高速轴4的垂直方向上固设有若干组齿轮40，使齿轮40与高速轴可以同步转动；

行星齿轮5，所述行星齿轮设于电机转子31的内腔中，且所述行星齿轮5具有内齿圈50及外齿圈51，内齿圈50与高速轴4上的齿轮40啮合，使内齿圈50与高速轴4上的齿轮40因啮合而可以同步转动，行星齿轮的外齿圈51与电机转子31连接为一体，使外齿圈51与电子转子31可以同步转动，从而，通过所述内齿圈50与外齿圈51的同步转动，实现电机转子31与高速轴4的同步转动。

根据本实施例采用的带行星齿轮的超临界二氧化碳涡轮机-启发电机-压缩机共轴一体机组的结构设计，在启发电机3中电机转子31内部通过行星齿轮5结构，与涡轮机叶轮、压缩机叶轮2相连接。启发电机3在发动机状态时，电机转子31相较电机静子30转动，带动行星齿轮5的外齿圈51转动，外齿圈51带动行星轮52(此为常用的现有技术，后文中有提及)转动，行星轮52通过齿轮啮合在内齿圈51处带动高速轴4转动，由于外齿圈51的半径大于高速轴4上齿轮40的半径，此时行星齿轮5起到增速作用，拖动压缩机-涡轮机叶轮随高速轴4运转，保证超临界二氧化碳系统的运行效率；当TAC机组支持且高速轴4运转速度达到设计转速后，启发电机3呈发电状态，高速轴4反过来通过齿轮40驱动行星轮52的内齿圈50转动，外齿圈51带动电机转子31同步转动，此时，行星齿轮5起到减速作用，压缩机-涡轮机叶轮通过高速轴4的转动驱动启发电机3发电，实现了低速大功率电机在TAC机组上的应用。其中，行星齿轮5的外齿圈51可镶嵌于电机转子31上。

作为优选的实施例，所述高速轴4上位于所述行星齿轮5的两侧分别设置机组端盖6，用于限制行星齿轮的轴向运动。具体的，所述行星齿轮5通过行星固定盘54固定在机组端盖6上。所述机组端盖6与高速轴4之间通过轴承7连接，具体可采用滑动轴承、滚动轴承、磁轴承等。

作为优选的另一实施例，为了匹配电机转子31沿高速轴4的较宽轴向尺寸，高速轴4上的齿轮设为间隔多组，相应的，所述行星齿轮5在高速轴4上也可以间隔布置为多组且任一组行星齿轮的内齿圈均与高速轴的齿轮一一对应啮合，多组行星齿轮5的外齿圈一体连接，不仅使结构紧凑便于布设，而且可以使行星齿轮5带动电机转子31在电机转子30内腔中的转动过程更加均匀稳定。实际一般情况下高速轴4上的齿轮及行星齿轮5均设为2组。其中，任一组行星齿轮5均包括沿周向均匀分布的多个行星轮52，以及对应设置于多个行星轮52中心的多根行星轮轴53，且相邻两组行星齿轮5的行星轮轴53一一对应共轴而设；多个行星轮52朝向高速轴的内侧作为行星齿轮的内齿圈50。如图1所示，行星齿轮5设为2组，每组行星齿轮5的外齿圈内设置3个行星轮，相应的，2组行星齿轮5之间通过3根共轴的行星轮轴53对应穿设于各组的2个行星轮中，3根共轴的行星轮轴53沿平行于高速轴的方向并排设置。

更优的，对于任一行星轮轴而言，所述行星轮轴53的两端均通过行星固定盘54固定于机组端盖6上，具体的，行星轮轴53的两端均通过轴承嵌套于行星固定盘54中，行星固定盘54则嵌套于机组端盖中，从而通过限制行星固定盘54的转动实现对行星轮轴53的固定，使行星齿轮的外齿圈51可以有效驱动行星轮52、进而通过行星轮52的内齿圈50带动高速轴齿轮40同步转动。所述行星齿轮5的外齿圈51相对高速轴4可转动的安装在机组端盖6上，具体的，外齿圈52沿高速轴方向的两端均通过轴承可转动的嵌套于机组端盖内，从而进一步限制行星齿轮5的轴向运动。

此外，所述电机静子30远离高速轴4的外侧还围设有冷却组件8。所述机组端盖6远离高速轴4的端部固定在冷却组件8上，具体的，可通过螺栓固定，使机组端盖6与冷却组件8、高速轴4围成一环状内腔，且将启发电机3、行星齿轮5围设于其中，提高机组整体的紧凑性。

根据本发明上述实施例提供的TAC机组，当机组电源开启时，启发电机的电机动子31相较电机静子30转动，同步带动行星齿轮5转动，此时启发电机作为发动机驱动高速轴4带动涡轮机叶片1和压缩机叶片2转动；当机组的涡轮机叶轮自主驱动压缩机叶轮且高速轴转速上升至设计转速时，高速轴4作为驱动轴，反过来通过行星齿轮5驱动电机转子31相较电机静子30转动，切割磁感线因而产生电流，使启发电机3发电，此时启发电机3作为发电机用。最终通过与电机静子30连接的电流转化装置输出电流，同时为了避免启发电机3过热，利用冷却组件8对启发电机3降温。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。