CN114876865A - 一种超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构及压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明属于压缩机领域，公开了一种超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构及压缩机，超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构包括叶轮、机匣和背腔封严件，叶轮包括叶轮本体和叶轮盖，所述叶轮盖盖设于所述叶轮本体的一侧；机匣设置在所述叶轮盖外侧，所述机匣靠近所述叶轮盖的一侧设有机匣篦齿；背腔封严件设置于所述叶轮本体远离所述叶轮盖的一侧，所述背腔封严件靠近所述叶轮本体的一侧设有背腔篦齿。本发明通过在机匣内设置机匣篦齿，可降低机匣密封腔内的工质泄露量，背腔封严件内设置背腔篦齿，可降低背腔内的工质泄露量，进而实现降低叶轮的工质泄露量，以提高超临界二氧化碳压缩机的气动效率。

Description

一种超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构及压缩机

技术领域

本发明涉及压缩机领域，尤指一种超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构及压缩机。

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发电技术，是近年来快速发展起来的一项前沿技术，因其具有循环效率高、功率覆盖范围广、功率密度大、振动噪声小等优势，越来越受到国际能源动力行业的青睐。

超临界二氧化碳压缩机的主要功能是提高系统内工质压力，压缩机的性能对整个超临界二氧化碳布雷顿循环系统性能有很大影响，是超临界二氧化碳布雷顿循环系统中的核心部件。超临界二氧化碳工质具有高压力、高密度的特性，该特性可以大幅缩小压缩机尺寸，使叶轮机械部件结构紧凑，有利于提高动力装置能量密度。但是高压力以及高密度的特性也会给叶轮设计带来一些难点，例如，高密度导致叶轮尺寸小，叶轮内部泄露流动会造成很大的二次流损失，从而导致压缩机运行效率急剧下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构及压缩机，可有效降低叶轮的工质泄露量。

本发明提供的技术方案如下：

一方面，提供一种超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构，包括：

叶轮，包括叶轮本体和叶轮盖，所述叶轮盖盖设于所述叶轮本体的一侧；

机匣，设置在所述叶轮盖外侧，所述机匣靠近所述叶轮盖的一侧设有机匣篦齿；

背腔封严件，设置于所述叶轮本体远离所述叶轮盖的一侧，所述背腔封严件靠近所述叶轮本体的一侧设有背腔篦齿。

在一些实施方式中，所述叶轮盖包括沿所述叶轮本体轴向延伸的轴向部和沿所述叶轮本体径向延伸的径向部，所述轴向部靠近所述叶轮的工质入口，所述径向部靠近所述叶轮的工质出口，所述轴向部的外表面为弧形且外表面设有阶梯篦齿，所述阶梯篦齿与所述机匣篦齿配合。

在一些实施方式中，所述径向部外表面设有多个径向筋板，所述径向筋板沿所述叶轮盖的径向延伸设置，多个所述径向筋板沿所述径向部的周向间隔设置。

在一些实施方式中，所述径向筋板沿所述叶轮本体轴向的厚度为0.5～2.5mm。

在一些实施方式中，所述径向筋板顶部与所述机匣的间隙大于0.15mm且小于0.2mm。

在一些实施方式中，所述径向筋板的数量为6～12个。

在一些实施方式中，所述叶轮本体包括叶轮盘和多个叶轮片，多个所述叶轮片间隔设置在所述叶轮盘的一侧，所述叶轮盖盖设在所述叶轮片上。

在一些实施方式中，所述叶轮盘包括用于与压缩机主轴连接的轴向延伸段和用于安装所述叶轮片的径向延伸段，所述轴向延伸段的外表面为平面，所述背腔篦齿与所述轴向延伸段配合。

在一些实施方式中，所述背腔封严件沿所述叶轮的径向延伸至所述叶轮外，所述机匣沿所述叶轮的径向延伸至所述叶轮外，所述背腔封严件与所述机匣之间具有间隙形成工质出口。

另一方面，还提供一种压缩机，包括上述任一实施方式所述的超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构

本发明的技术效果在于：

(1)机匣带有机匣篦齿，可降低机匣密封腔内的工质泄露量，背腔封严件带有背腔篦齿，可降低背腔内的工质泄露量，进而实现降低叶轮的工质泄露量，以提高超临界二氧化碳压缩机的气动效率。

(2)叶轮盖上带有可随叶轮一起旋转的径向筋板，可以进一步降低机匣密封腔内的工质泄露量，同时还可起到调节叶轮轴向推力的作用，以保证压缩机的安全稳定运行。

(3)叶轮盖与叶轮片通过焊接的方式固定连接，可消除叶顶间隙和叶顶间隙间的工质泄露流动。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1是本申请具体实施例提供的一种超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构的纵向剖面图；

图2是本申请具体实施例提供的叶轮的结构示意图；

图3是本申请具体实施例提供的机匣的纵向剖面图；

图4是本申请具体实施例提供的背腔封严件的纵向剖面图。

附图标号说明：

10、叶轮；11、叶轮本体；111、叶轮盘；1111、轴向延伸段；1112、径向延伸段；112、叶轮片；12、叶轮盖；121、轴向部；1211、阶梯篦齿；122、径向部；123、径向筋板；20、机匣；21、机匣篦齿；30、背腔封严件；31、背腔篦齿。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

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。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在本文中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的一个实施例中，如图1、图3和图4所示，一种超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构，包括叶轮10、机匣20和背腔封严件30，叶轮10包括叶轮本体11和叶轮盖12，叶轮盖12盖设于叶轮本体11的一侧；机匣20设置在叶轮盖12外侧，机匣20靠近叶轮盖12的一侧设有机匣篦齿21；背腔封严件30设置于叶轮本体11远离叶轮盖12的一侧，背腔封严件30靠近叶轮本体11的一侧设有背腔篦齿31。

本实施例中，叶轮10用于与压缩机的主轴连接，实现叶轮10的旋转，压缩机工作时，叶轮10为旋转部件，机匣20和背腔封严件30为静止部件。工作时，超临界二氧化碳工质流入叶轮10工质入口，旋转的叶轮10对流入的工质做功，实现工质能量和压力的提升。为保证旋转部件的正常旋转，避免旋转部件与静止部件之间发生碰磨，旋转部件与静止部件具有间隙，也即叶轮10与机匣20和背腔封严件30之间具有间隙，使得旋转部件与静止部件之间会存在工质泄露。

如图1所示，工质从叶轮10的工质入口进入叶轮10，叶轮10对工质做功后，在叶轮10的工质出口，一部分工质经机匣20与叶轮10之间的间隙泄露，回到压缩机入口，另一部分工质会经过背腔封严件30与叶轮10之间的间隙泄露至压缩机外部。

篦齿由多个篦齿片一个个串联形成，工质每经过一个篦齿片都会产生压降，使得流量小，从而实现降低工质泄露量。本实施例通过在机匣20靠近叶轮盖12的一侧设置机匣篦齿21，可降低机匣20密封腔内的工质泄露量，通过在背腔封严件30靠近叶轮本体11的一侧设置背腔篦齿31，可降低背腔密封腔内的工质泄露量，从而提升超临界二氧化碳压缩机的气动效率。

如图2所示，叶轮本体11包括叶轮盘111和多个叶轮片112，多个叶轮片112间隔设置在叶轮盘111的一侧，叶轮盖12盖设在叶轮片112上。叶轮盖12可通过纤焊的方式与叶轮片112固定连接，通过在叶轮片112上设置叶轮盖12，可消除叶轮片112顶部间隙，以消除叶顶间隙的工质泄露流动。

叶轮盘111包括用于与压缩机主轴连接的轴向延伸段1111和用于安装叶轮片112的径向延伸段1112，轴向延伸段1111的外表面为平面，背腔篦齿31与轴向延伸段1111配合。因轴向延伸段1111为平面，所以背腔篦齿31可直接与轴向延伸段1111直接配合，以降低工质泄露量。

如图1所示，背腔封严件30沿叶轮10的径向延伸至叶轮10外，机匣20沿叶轮10的径向延伸至叶轮10外，背腔封严件30与机匣20之间具有间隙形成工质出口。

在一些实施例中，如图2所示，叶轮盖12包括沿叶轮本体11轴向延伸的轴向部121和沿叶轮本体11径向延伸的径向部122，轴向部121靠近叶轮10的工质入口，径向部122靠近叶轮10的工质出口，轴向部121的外表面为弧形且外表面设有阶梯篦齿1211，阶梯篦齿1211与机匣篦齿21配合。

如图1所示，叶轮盖12的轴向部121与叶轮盘111的轴向配合形成叶轮10的工质入口，叶轮盖12的径向部122与叶轮片112固定连接，叶轮盖12随叶轮片112一起旋转，以消除叶顶间隙，且叶轮盖12的径向部122与叶轮盘111的径向延伸部1112配合形成叶轮10的工质出口。

机匣篦齿21与叶轮盖12的轴向部121配合，叶轮盖12的轴向部121的外表面为弧形，机匣篦齿21与弧形表面配合时间隙过大会降低机匣篦齿21的密封效果，因此，为提高机匣篦齿21的密封效果，轴向部121的外表面设有阶梯篦齿1211，阶梯篦齿1211的每个台阶与机匣篦齿21的每个篦齿片相配合，机匣篦齿21与阶梯篦齿1211配合后密封效果更好，以降低工质泄露量。

优选地，如图2所示，径向部122外表面设有多个径向筋板123，径向筋板123沿叶轮盖12的径向延伸设置，多个径向筋板123沿径向部122的周向间隔设置。

超临界二氧化碳工质具有高压力、高密度的特性，高压力的特点使得作用在超临界二氧化碳压缩机叶轮上的轴向推力很大，过大的轴向推力对压缩机的安全稳定运行有较大的威胁。因此，超临界二氧化碳压缩机叶轮不仅存在叶轮10内工质泄露量大的问题，还存在叶轮10轴向力较大且难以平衡的问题，影响压缩机的安全稳定运行。

本实施例通过在叶轮盖12的径向部122上设置多个径向筋板123可以改变机匣20密封腔内的压力分布，从而实现调节叶轮10轴向推力的作用。径向筋板123的工作原理为当叶轮10工质出口的高压气流进入机匣20与叶轮10之间的间隙后，由于径向筋板123的高速旋转，其作用类似于叶轮片112，可使得机匣20与叶轮10之间的间隙内的气流在离心力的作用下被向外甩出，从而一定程度地阻止高压气流通过机匣20封严间隙泄露到叶轮10的工质入口，最终达到降低泄露量的目的。此外，由于高速旋转的径向筋板123对进入机匣20封严间隙内的气流做功，导致叶轮10的工质出口的高压气流较难进入机匣20封严间隙内，从而使得机匣20封严间隙内的压力降低，进而使得机匣20面上承受的轴向力降低，以改变机匣20密封腔内的压力分布，从而实现调节叶轮10轴向力的作用。

根据某CFD(流体力学软件的简称)计算，在其他结构及计算边界条件相同的情况下，增加0.5mm高(厚度)的径向筋板123，经过机匣20封严间隙处的泄露流量减少28％，此间隙泄露流的减少量非常可观，且机匣20面上所承受的轴向推力由原来的64790N减小到60200N，降幅达4570N，这将非常有利于降低离心叶轮10所承受的轴向合力，从而更好地保证转子的安全运行。

根据某CFD(流体力学软件的简称)模拟计算得到径向筋板123沿叶轮本体11轴向的厚度为0.5～2.5mm时，工质泄露量和轴向推力合力均得到降低，且不会过大的增加能耗，压缩机的综合效果较高。若径向筋板123的厚度过大时，会耗费较多电量，影响压缩机的效率。

优选地，径向筋板123顶部与机匣20的间隙大于0.15mm且小于0.2mm，径向筋板123顶部与机匣20间隙过小，会导致径向筋板123与机匣20发生碰磨，间隙过大，会导致工质泄露量增大，径向筋板123顶部与机匣20的间隙大于0.15mm且小于0.2mm时，径向筋板123与机匣20既不会发生碰磨，也不会导致泄露量增大。此外，径向筋板123的数量为6～12个时，整个转子的运行较稳定。

本发明还提供一种压缩机的实施例，包括上述任一实施例的超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构。上述实施例的超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构可有效降低工质泄露量，从而提高压缩机的气动效率，同时还能在一定程度上降低压缩机叶轮上的轴向合力，降低压缩机运行过程中因轴向力过大引起的运行风险。

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。

Claims (10)

1.一种超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构，其特征在于，包括：

叶轮，包括叶轮本体和叶轮盖，所述叶轮盖盖设于所述叶轮本体的一侧；

机匣，设置在所述叶轮盖外侧，所述机匣靠近所述叶轮盖的一侧设有机匣篦齿；

背腔封严件，设置于所述叶轮本体远离所述叶轮盖的一侧，所述背腔封严件靠近所述叶轮本体的一侧设有背腔篦齿。

2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构，其特征在于，所述叶轮盖包括沿所述叶轮本体轴向延伸的轴向部和沿所述叶轮本体径向延伸的径向部，所述轴向部靠近所述叶轮的工质入口，所述径向部靠近所述叶轮的工质出口，所述轴向部的外表面为弧形且外表面设有阶梯篦齿，所述阶梯篦齿与所述机匣篦齿配合。

3.根据权利要求2所述的一种超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构，其特征在于，所述径向部外表面设有多个径向筋板，所述径向筋板沿所述叶轮盖的径向延伸设置，多个所述径向筋板沿所述径向部的周向间隔设置。

4.根据权利要求3所述的一种超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构，其特征在于，所述径向筋板沿所述叶轮本体轴向的厚度为0.5～2.5mm。

5.根据权利要求3所述的一种超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构，其特征在于，所述径向筋板顶部与所述机匣的间隙大于0.15mm且小于0.2mm。

6.根据权利要求3所述的一种超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构，其特征在于，所述径向筋板的数量为6～12个。

7.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构，其特征在于，所述叶轮本体包括叶轮盘和多个叶轮片，多个所述叶轮片间隔设置在所述叶轮盘的一侧，所述叶轮盖盖设在所述叶轮片上。

8.根据权利要求7所述的一种超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构，其特征在于，所述叶轮盘包括用于与压缩机主轴连接的轴向延伸段和用于安装所述叶轮片的径向延伸段，所述轴向延伸段的外表面为平面，所述背腔篦齿与所述轴向延伸段配合。

9.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构，其特征在于，所述背腔封严件沿所述叶轮的径向延伸至所述叶轮外，所述机匣沿所述叶轮的径向延伸至所述叶轮外，所述背腔封严件与所述机匣之间具有间隙形成工质出口。

10.一种压缩机，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的超临界二氧化碳压缩机叶轮封严结构。

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