基于超临界二氧化碳布雷顿循环的紧凑式透平机械装置

摘要

本发明公开一种基于超临界二氧化碳布雷顿循环的紧凑式透平机械装置，包括若干透平和行星轮；每个透平均包括一个输出轴；所述输出轴上均固定有齿轮；若干透平的输出轴上的齿轮均与行星轮啮合；所述透平为采用超临界二氧化碳作为工质的超临界二氧化碳透平。本发明以超临界二氧化碳为工质驱动透平机械，由于超临界二氧化碳特殊的物性，在达到相同功率下可以缩小透平机械结构尺寸，对控制透平机械成本以及机械布置方面有较大的优势，可以实现极小的透平机械尺寸达到小功率的轴功输出；采用多个超临界二氧化碳透平机械为单元，利用行星轮结构将多个单元沿同一扭矩方向连接，将每个单元的扭矩传递至总装置主轴上可实现较大的轴功率输出。

权利要求

1.基于超临界二氧化碳布雷顿循环的紧凑式透平机械装置，其特征在于，包括若干透平(2)和行星轮(C)；每个透平(2)均包括一个输出轴(21)；所述输出轴(21)上均固定有齿轮(B)；若干透平(2)的输出轴(21)上的齿轮(B)均与行星轮(C)啮合；

所有齿轮(B)均匀分布于行星轮(C)的外周；

所述基于超临界二氧化碳布雷顿循环的紧凑式透平机械装置还包括主轴(A)，主轴(A)与行星轮(C)同轴固定连接；

所述透平(2)为采用超临界二氧化碳作为工质的超临界二氧化碳透平；

超临界二氧化碳气体通过主汽管道(1)通入对应透平(2)内，在透平(2)内膨胀并对叶栅部分做功形成扭矩，扭矩提供的轴功通过与透平(2)固定连接的输出轴(21)输出，输出轴驱动对应的齿轮(B)转动；所有齿轮(B)转动以驱动行星轮(C)转动，通过主轴(A)输出做功。

说明书

基于超临界二氧化碳布雷顿循环的紧凑式透平机械装置

【技术领域】

[0001] 本发明属于透平机械领域，尤其涉及一种基于超临界二氧化碳布雷顿循环的透平机械大功率集成装置。【背景技术】

[0002] 透平机械是能源、化工以及国防领域重要的动力机械，工质通过透平机械可产生轴功用以发电或动力驱动。常规的透平机械往往采用来源于锅炉的水蒸汽作为工质以驱动叶片转动，由于水蒸汽的固有属性，随着额定功率的增大，透平机械尺寸的增加非常明显，通常400MW的发电装置透平部分轴长会达到30m左右。透平机械的尺寸在很大程度上决定了其加工成本以及安装空间，因此减小透平机械的整体尺寸具有重要的意义。

[0003] 超临界二氧化碳指二氧化碳的超临界状态，在该状态下介质的密度、比焓较大，由于其特殊的物性，近些年对于超临界二氧化碳的应用开始逐渐增多，例如强化对流传热等。

[0004] 作为透平机械领域常见的布雷顿循环，其比循环功，即单位质量的工质在循环中所作的净功是一个重要的指标，尤其是航空、舰船等领域中。提升比循环功可以实现在同等功率下缩小机械装置的尺寸，对装备的布置和成本控制有重要的作用。【发明内容】

[0005] 本发明的目的在于提供一种基于超临界二氧化碳布雷顿循环的紧凑式透平机械装置，采用超临界二氧化碳为工质时，可以做到在同等功率下更小的透平尺寸。

[0006] 为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

[0007] 基于超临界二氧化碳布雷顿循环的紧凑式透平机械装置，包括若干透平和行星轮；每个透平均包括一个输出轴；所述输出轴上均固定有齿轮；若干透平的输出轴上的齿轮均与行星轮啮合。

[0008] 优选的，所有齿轮均匀分布于行星轮的外周。

[0009] 优选的，所述基于超临界二氧化碳布雷顿循环的紧凑式透平机械装置还包括主轴，主轴与行星轮同轴固定连接。

[0010] 优选的，所述透平为采用超临界二氧化碳作为工质的超临界二氧化碳透平。

[0011] 相对于现有技术，本发明具有以下技术效果：

[0012] 1、以超临界二氧化碳为工质驱动透平机械，由于超临界二氧化碳特殊的物性，在达到相同功率下可以缩小透平机械结构尺寸，对控制透平机械成本以及机械布置方面有较大的优势，可以实现极小的透平机械尺寸达到小功率的轴功输出。

[0013] 2、采用多个超临界二氧化碳透平机械为单元，利用行星轮结构将多个单元沿同一扭矩方向连接，将每个单元的扭矩传递至总装置主轴上可实现较大的轴功率输出。

[0014] 3、该透平机械大功率集成装置为通用装置，在实际设计选型时可以根据功率参数化选取单元类型及数量，有利于该装置的大规模推广应用。【附图说明】

[0015] 图1是单个超临界二氧化碳透平工作示意图；

[0016] 图2是等比例下超临界二氧化碳透平与常规蒸汽透平尺寸对比示意图；

[0017] 图3是本发明基于超临界二氧化碳布雷顿循环的紧凑式透平机械装置的行星轮结构示意图；

[0018] 图4是行星轮上各透平机械单元及主轴的扭矩传递示意图。【具体实施方式】

[0019] 超临界二氧化碳工质透平机械的一大难题是动力机械能流密度高，受限于透平机械材料力学性能，难以实现单机大功率，因此为了实现其循环更大的总功率，本发明提供一种基于超临界二氧化碳布雷顿循环的紧凑式透平机械装置，将多个超临界二氧化碳透平单元利用行星结构组合成一个大功率集成装置，该装置可以用以发电或动力驱动，并大大减小了装置的尺寸。

[0020] 请参阅图1所示，为超临界二氧化碳透平工作示意图，将超临界二氧化碳气体通过主汽管道1通入透平2内，在透平2内膨胀并对叶栅部分做功形成扭矩，扭矩提供的轴功通过与透平2固定连接的输出轴21输出，可以用以发电或动力驱动。

[0021] 请参阅图2所示，为超临界二氧化碳透平2与常规水蒸汽透平3的尺寸对比，以400MW为例的发电用透平机械，常规蒸汽透平的轴长接近30m，并且通常需要分为高、中、低压缸几大部分，包含较多的透平级；而采用超临界二氧化碳为工质时，二氧化碳透平的轴长只需3m左右，并且仅需要单缸几级透平级即可实现，可使透平部分的结构大幅度地简化。

[0022] 请参阅图3所示，本发明一种基于超临界二氧化碳布雷顿循环的紧凑式透平机械装置，包括多个透平2、行星轮C和主轴A；每个透平2的输出轴21上均固定有齿轮B；多个透平2的输出轴21上的齿轮B均与行星轮C啮合，且均匀分布于行星轮C的外周；行星轮C的中心与主轴A同轴固定连接。本发明中，所有透平2的结构尺寸相同，其采用超临界二氧化碳作为工质，相对于蒸汽透平，可以极大的减小尺寸。

[0023] 由于超临界二氧化碳特殊的物性，目前还不能将超临界二氧化碳透平的功率做到太大，本发明中的行星轮结构将多个超临界二氧化碳透平单元连接，每个独立单元工作时产生扭矩，扭矩通过行星轮结构传递至装置的主轴上产生轴功，图4为各透平机械单元及主轴的扭矩传递受力图，所有的超临界二氧化碳透平单元的轴功均输出至功率集成装置的主轴上对外做功。