本發(fā)明屬于熱力發(fā)電，具體涉及一種超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)及其發(fā)電主機。

背景技術(shù)：

1、近年來，將超臨界二氧化碳(sco2)應(yīng)用于布雷頓循環(huán)的研究受到了廣泛關(guān)注。除sco2循環(huán)外，現(xiàn)有的熱端利用方式還有蒸汽朗肯循環(huán)(src)和有機朗肯循環(huán)(orc)等。但是，orc局限于低于300℃的低熱源溫度，src占地面積較大；并且這兩種利用方式的主要缺點是換熱器的不可逆損失較大。不同于src和orc等常規(guī)動力循環(huán)，sco2動力循環(huán)在循環(huán)過程中全部或者大部分階段，以處于超臨界狀態(tài)的co2作為工質(zhì)。與現(xiàn)有蒸汽朗肯循環(huán)相比，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)具備：循環(huán)效率高、壓縮功耗低、系統(tǒng)體積小、降本潛力大、適用熱源品質(zhì)范圍廣、系統(tǒng)噪聲小等優(yōu)點。在當(dāng)下越來越重視節(jié)能減排的大背景下，熱能、余熱的高效利用是實現(xiàn)“雙碳”目標的一大重要手段。因此將超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)應(yīng)用于余熱發(fā)電，有著深遠的技術(shù)前景。

2、但目前超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)技術(shù)尚不成熟。主要體現(xiàn)在：設(shè)備部件的設(shè)計制造存在難度，循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)建和運行缺乏經(jīng)驗，分布式的不穩(wěn)定余熱熱源難于收集和有效利用；當(dāng)下已有的學(xué)術(shù)成果多存在于理論仿真階段。目前國內(nèi)外只有部分研究機構(gòu)對超臨界布雷頓循環(huán)的發(fā)電裝置進行了實驗室級的研究，距離商業(yè)化應(yīng)用仍有較大差距。阻礙相關(guān)發(fā)電主機落實的難題主要在于：(1)循環(huán)工質(zhì)的壓力較高，實現(xiàn)密封的難度較大；(2)裝置內(nèi)的轉(zhuǎn)子需要高轉(zhuǎn)速，同時熱端溫度較高，因此裝置較為復(fù)雜笨重，即使實現(xiàn)小型化，效率也較低；(3)缺乏能夠解決問題的實際設(shè)計方案，不成熟結(jié)構(gòu)設(shè)計方案對特性的開發(fā)和發(fā)展帶來較大的障礙。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)及其發(fā)電主機，用以解決相關(guān)發(fā)電主機的實用化問題。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)手段實現(xiàn)上述技術(shù)目的。

3、一種超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電主機：為一體式結(jié)構(gòu)，在殼體內(nèi)依次設(shè)有發(fā)電單元、壓縮單元、透平單元，三者轉(zhuǎn)子共軸，三者分處所述殼體內(nèi)的不同腔體，三者所在腔體之間分別設(shè)有密封隔絕。

4、進一步地，所述殼體沿軸線依次設(shè)有：

5、電機腔，用于設(shè)置所述發(fā)電單元；

6、壓縮機腔，用于設(shè)置所述壓縮單元，側(cè)壁設(shè)有壓縮機入口和壓縮機出口；

7、渦輪機匣腔，用于設(shè)置所述透平單元，側(cè)壁設(shè)有渦輪入口，端部設(shè)有渦輪出口。

8、進一步地，所述電機腔內(nèi)，腔體兩端分別通過軸承承托轉(zhuǎn)子所在主軸，軸承座為可變剛性的彈性環(huán)或鼠籠式彈性支撐結(jié)構(gòu)。

9、進一步地，所述發(fā)電單元為啟發(fā)一體式發(fā)電機。

10、進一步地，所述壓縮機腔沿軸線分為：

11、壓縮機進口穩(wěn)定腔，其與所述電機腔之間設(shè)有截面密封，其側(cè)壁設(shè)有所述壓縮機入口；

12、壓縮機出口穩(wěn)定腔，其內(nèi)設(shè)有離心葉輪，其側(cè)壁設(shè)有所述壓縮機出口；

13、上述壓縮機進口穩(wěn)定腔與壓縮機出口穩(wěn)定腔之間沿軸線通過一段連通管相連，所述連通管作為離心葉輪的工質(zhì)入口，離心葉輪的工質(zhì)出口與壓縮機出口穩(wěn)定腔相連。

14、進一步地，所述離心葉輪與構(gòu)成所述透平單元的渦輪為一體式結(jié)構(gòu)，兩者葉片分別設(shè)于同一輪盤兩側(cè)；所述輪盤與殼體之間采用篦齒類迷宮密封，以分隔壓縮機出口穩(wěn)定腔與渦輪機匣腔。

15、進一步地，所述輪盤為中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)相對大氣壓為負壓或真空。

16、一種超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，包括上述的發(fā)電主機。

17、進一步地，循環(huán)系統(tǒng)的管路流向為：加熱模塊→所述發(fā)電主機的透平單元→回?zé)崞鞯臒嵩磦?cè)→冷卻模塊→所述發(fā)電主機的壓縮單元→回?zé)崞鞯睦湓磦?cè)→加熱模塊。

18、進一步地，所述冷卻模塊包括液冷散熱器和風(fēng)冷散熱器，兩者之間為串聯(lián)形式或并聯(lián)形式；

19、所述加熱模塊的熱源為機載動力裝置的余熱、機載冷卻裝置的回?zé)帷⒎派湫酝凰刂械囊豁椈蚨囗棥?/p>

20、本發(fā)明的有益效果為：

21、(1)本發(fā)明提供了一種超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)及其發(fā)電主機，能夠充分發(fā)揮超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的優(yōu)勢，靈活、多用途地提升分布式難收集熱能的利用方式和效率。

22、(2)本發(fā)明發(fā)電主機將發(fā)電單元、壓縮單元、透平單元做一體化設(shè)計，共同安置在同一個殼體內(nèi)；因而相對于外界只需用到靜密封，提高了整體密封性能。相較而言，常規(guī)的多個功能單元分體式布置，并在相互之間以穿出于缸體外的傳動軸相連的設(shè)計，則由于傳動軸處需采用動密封而難以保證足夠有效的密封性能，為實用化、商用化造成困難。

23、(3)本發(fā)明發(fā)電主機四個腔體的結(jié)構(gòu)布局，在做到三個功能單元(發(fā)電單元、壓縮單元、透平單元)共軸設(shè)計的同時，能夠較好地保證各自之間的隔絕密封性能，從而為實現(xiàn)主機小型化、實用化提供技術(shù)基礎(chǔ)。其中壓縮單元除在循環(huán)系統(tǒng)中發(fā)揮為工質(zhì)加壓的作用外，還能降低電機腔一側(cè)的工質(zhì)壓力，減輕截面密封壓力，降低二氧化碳工質(zhì)向電機腔泄露的風(fēng)險或泄漏量，提高運行可靠性。

24、(4)本發(fā)明中離心葉輪與渦輪為一體式結(jié)構(gòu)，利于進一步減小結(jié)構(gòu)尺寸。并在其中采用中空結(jié)構(gòu)設(shè)計，中空結(jié)構(gòu)內(nèi)做抽真空處理，以此方式減輕結(jié)構(gòu)重量并且提高隔熱性能，減小壓縮單元與透平單元之間的熱傳遞作用，提升循環(huán)系統(tǒng)的運行效能。

技術(shù)特征：

1.一種超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電主機，其特征在于：為一體式結(jié)構(gòu)，在殼體內(nèi)依次設(shè)有發(fā)電單元、壓縮單元、透平單元，三者轉(zhuǎn)子共軸，三者分處所述殼體內(nèi)的不同腔體，三者所在腔體之間分別設(shè)有密封隔絕。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電主機，其特征在于：所述殼體沿軸線依次設(shè)有：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電主機，其特征在于：所述電機腔(11)內(nèi)，腔體兩端分別通過軸承(82)承托轉(zhuǎn)子所在主軸，軸承座為可變剛性的彈性環(huán)或鼠籠式彈性支撐結(jié)構(gòu)。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電主機，其特征在于：所述發(fā)電單元為啟發(fā)一體式發(fā)電機。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電主機，其特征在于：所述壓縮機腔沿軸線分為：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電主機，其特征在于：所述離心葉輪(72)與構(gòu)成所述透平單元的渦輪(73)為一體式結(jié)構(gòu)，兩者葉片分別設(shè)于同一輪盤兩側(cè)；所述輪盤與殼體之間采用篦齒類迷宮密封，以分隔壓縮機出口穩(wěn)定腔(13)與渦輪機匣腔(14)。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電主機，其特征在于：所述輪盤為中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)相對大氣壓為負壓或真空。

8.一種超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于：包括如權(quán)利要求1～7任一項所述的發(fā)電主機。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于：循環(huán)系統(tǒng)的管路流向為：加熱模塊(2)→所述發(fā)電主機的透平單元→回?zé)崞?3)的熱源側(cè)→冷卻模塊→所述發(fā)電主機的壓縮單元→回?zé)崞?3)的冷源側(cè)→加熱模塊(2)。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于：所述冷卻模塊包括液冷散熱器(4)和風(fēng)冷散熱器(5)，兩者之間為串聯(lián)形式或并聯(lián)形式；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)及其發(fā)電主機，其中發(fā)電主機為一體式結(jié)構(gòu)，在殼體內(nèi)依次設(shè)有發(fā)電單元、壓縮單元、透平單元，三者轉(zhuǎn)子共軸，三者分處所述殼體內(nèi)的不同腔體，三者所在腔體之間分別設(shè)有密封隔絕。本發(fā)明提出的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)及其發(fā)電主機，能夠充分發(fā)揮超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的優(yōu)勢，靈活、多用途地提升分布式難收集熱能的利用方式和效率。其中發(fā)電主機將發(fā)電單元、壓縮單元、透平單元做一體化設(shè)計，共同安置在同一個殼體內(nèi)；因而相對于外界只需用到靜密封，提高了整體密封性能。

技術(shù)研發(fā)人員：龍琳,高梓伊,趙雨婷,陳豪,談浩梁
受保護的技術(shù)使用者：江蘇大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2