本實用新型涉及一種葉輪機械與發電設備，具體涉及一種以超臨界二氧化碳為工質的透平發電機組。
背景技術：
超臨界二氧化碳發電技術是替代傳統蒸汽發電技術，實現能源利用向更高效和低成本發展的重要方向。超臨界二氧化碳發電系統主要包括壓氣機、熱源設備或熱交換器、透平發電機組、冷卻器等核心設備。其中透平發電機組的主要功能是將處于高溫狀態的超臨界二氧化碳工質的內能轉換為旋轉機械的動能，并進一步將旋轉機械的動能轉換為電能，是系統的核心設備之一。
該系統中的透平發電機組一般運行在二氧化碳工質的臨界點參數之上，具有運行壓力高、背壓高、焓降小、流量大等特點，且從運行角度考慮一般要求系統具有結構緊湊、體積小、輔助系統少、低泄漏甚至零泄漏等特征。傳統透平發電機組無論在工質特點、運行參數方面，還是在結構、泄漏等技術要求方面，都與該系統中所需透平發電機組相差較大。為了滿足超臨界二氧化碳發電系統對透平發電機組的技術要求，本申請提出一種結構簡單緊湊、高效率、輔助系統少、零泄漏的透平發電機組。
技術實現要素：
本實用新型的目的是開發一種以超臨界二氧化碳為工質的透平發電機組，實現結構簡單緊湊、高效率、輔助系統少、零泄漏的目標，滿足超臨界二氧化碳發電系統對透平發電機組的技術需求。
本申請提供的以超臨界二氧化碳為工質的透平發電機組，主要由透平膨脹機、高速發電機兩大部分組成。其工作原理為：透平膨脹機在運行時將高溫高壓工質的內能通過降壓膨脹轉換為葉輪的轉動動能，葉輪通過軸承帶動高速發電機轉子旋轉，切割磁力線產生電能。透平膨脹機和高速發電機通過同一個主軸相連接，運行時具有相同的轉速，并密封于由高壓和低壓邊界構成的壓力外殼內，實現了對外零泄漏。
具體技術方案如下：
一種以超臨界二氧化碳為工質的透平發電機組，所述透平發電機組由透平膨脹機和高速發電機兩部分組成；所述透平膨脹機和高速發電機通過同一主軸連接，運行時具有相同的轉速，并密封于由高壓外殼和低壓外殼構成的壓力外殼內；
所述透平膨脹機部分由高壓外殼、透平膨脹機葉輪、齒密封、注氣管線、干氣密封部件構成；所述高速發電機部分由左側徑向軸承、高速發電機、軸向軸承、右側徑向軸承、低壓外殼、抽吸泵部件構成；
所述透平膨脹機部分沿透平膨脹機葉輪至高速發電機的主軸方向從左至右，緊貼透平膨脹機葉輪的右側布置齒密封，間隔一段距離布置干氣密封，注氣管線布置于齒密封和干氣密封之間，透平膨脹機葉輪、齒密封、干氣密封、注氣管線均位于高壓外殼內；干氣密封右側依次布置左側徑向軸承、高速發電機、軸向軸承、右側徑向軸承，且左側徑向軸承、高速發電機、軸向軸承和右側徑向軸承布置于低壓外殼內；
所述高壓外殼與低壓外殼通過齒密封和干氣密封相連通。
本申請中，所述注氣管線將高壓低溫的二氧化碳氣體注入齒密封與干氣密封之間的腔室；使透平膨脹機內的高溫二氧化碳不能向該腔室泄漏，確保軸承工作在正常溫度范圍內，同時提高透平膨脹機的工作效率。
本申請中，所述抽吸泵從高速發電機轉子與定子之間的腔室內抽取工質至機組外，保證腔室內處于較低壓力狀態，降低轉子高速旋轉引起的風阻損失，提高整機效率。
優選地，本申請中所述高速發電機采用二氧化碳作為冷卻介質。
優選地，本申請中所述軸承為磁力軸承；當應用對象功率等級較大，同時對結構簡化、工質純凈度和泄漏量控制要求較低時，所述左側徑向軸承、軸向軸承和右側徑向軸承可以為油潤滑軸承或氣箔軸承。當所述左側徑向軸承、軸向軸承和右側徑向軸承為油潤滑軸承時，透平發電機組還包括與油潤滑軸承相連的供油系統。
本申請中，根據系統功率等級的不同，所述透平膨脹機可以為徑流式或軸流式。
本申請中，根據應用對象對泄漏量的控制要求，所述齒密封與干氣密封相結合，形成一個密封系統。。
本申請中，所述發電機組還包括與注氣管線相連的氣源：設置在發電機組外的循環系統的高壓低溫點或高壓二氧化碳存儲罐，即所述氣源既可以從發電機組所在的循環系統的高壓低溫點獲取，也可以從發電機組外額外設置的高壓二氧化碳存儲罐里獲取。
優選地，本申請中所述的高壓低溫為壓力高于7MPa，溫度低于100℃。
本申請中，抽吸泵抽取高速發電機腔室內的工質至機組外時，根據應用對象需要既可抽吸至發電機組所在的循環系統冷卻器的入口位置，也可抽吸至發電機組外額外設置的壓力容器或大氣。因此，所述發電機組還包括與抽吸泵連接的循環系統冷卻器或壓力容器或大氣。當抽吸泵抽吸至循環系統冷卻器的入口位置時，系統內工質質量處于平衡狀態，無需額外的補氣系統。抽吸至額外設置的壓力容器或大氣時，需要額外的補氣系統實時向系統注氣，確保發電機組內工質質量處于平衡狀態。即所述抽吸泵與壓力容器或大氣連接時，發電機組還包括補氣系統，所述補氣系統實時向系統注氣，確保發電機組內工質質量處于平衡狀態。
有益效果：本申請提出的以超臨界二氧化碳為工質的透平發電機組，采用同軸高轉速整體密閉設計，最大程度地實現了透平發電機組的簡單、小型化和零泄漏，設計了注氣和抽吸系統，提高了機組效率，用于超臨界二氧化碳發電系統可滿足系統的總體要求并實現較高的效率。
附圖說明
圖1為以超臨界二氧化碳為工質的透平發電機組的結構示意圖。
圖中：1-高壓外殼，2-透平膨脹機葉輪，3-齒密封，4-干氣密封，5-左側徑向軸承，6-高速發電機，7-軸向軸承，8-右側徑向軸承，9-注氣管線，10-低壓外殼，11-抽吸泵，12-主軸。
具體實施方式
下面將結合附圖和實施例，對本實用新型的技術方案進行清晰、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域的普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
本實用新型提供一種以超臨界二氧化碳為工質的透平發電機組，其主要由透平膨脹機、高速發電機兩大部分組成。工作原理為：透平膨脹機在運行時將高溫高壓工質的內能通過降壓膨脹轉換為葉輪的轉動動能，葉輪通過軸承帶動高速發電機轉子旋轉，切割磁力線產生電能。透平膨脹機和高速發電機通過同一個軸承相連接，運行時具有相同的轉速，并密封于由高壓和低壓邊界構成的壓力外殼內，實現了對外零泄漏。
具體來講，如圖1所示，為以超臨界二氧化碳為工質的透平發電機組的結構示意圖，其主要由高壓外殼1、透平膨脹機葉輪2、齒密封3、干氣密封4、左側徑向軸承5、高速發電機6、軸向軸承7、右側徑向軸承8、注氣管線9、低壓外殼10、抽吸泵11等部件構成。透平膨脹機葉輪2、高速發電機6通過同一個主軸12相連接。高壓外殼1與低壓外殼10通過齒密封3和干氣密封4相連通。
從圖1還可以看出，沿透平膨脹機葉輪2至高速發電機6的主軸方向從左至右，緊貼透平膨脹機葉輪2的右側布置齒密封3，間隔一定距離布置干氣密封4，注氣管線9布置于齒密封3和干氣密封4之間，透平膨脹機葉輪2、齒密封3、干氣密封4、注氣管線9均位于高壓外殼1內。干氣密封4右側依次布置左側徑向軸承5、高速發電機6、軸向軸承7、右側徑向軸承8，并全部置于低壓外殼10內。注氣管線9將高壓低溫的二氧化碳氣體注入齒密封3與干氣密封4之間的腔室，保證高壓外殼1內的高溫二氧化碳不向該腔室泄漏，確保軸承工作在正常溫度范圍內。抽吸泵11從低壓外殼10內抽取密封泄漏工質至機組外，保證低壓外殼10內處于較低壓力狀態，降低風阻損失，提高整機效率，確保結構完整性。
在實際應用中，所述透平膨脹機即透平膨脹機葉輪2既可以采用徑流式，也可采用軸流式。
在實際應用中，所述高速發電機6采用二氧化碳作為冷卻介質。
在實際應用中，優選地，所述左側徑向軸承5、軸向軸承7、右側徑向軸承8為磁力軸承；根據應用對象的不同需求，左側徑向軸承5、軸向軸承7、右側徑向軸承8還可以采用油潤滑軸承或氣箔軸承，其中油潤滑軸承需要額外添加一套供油系統。
在實際應用中，根據應用對象的不同需求，所述齒密封3與干氣密封4相結合，形成一個密封系統。
在實際應用中，抽吸泵11抽取高速發電機6腔室內的工質至機組外時，根據應用對象需要既可抽吸至設置在發電機組所在的循環系統冷卻器的入口位置，也可抽吸至發電機組外額外設置的壓力容器或大氣。抽吸至循環系統冷卻器的入口位置時，發電機組內工質質量處于平衡狀態，無需額外的補氣系統。抽吸至額外設置的壓力容器或大氣時，需要額外的補氣系統實時向系統注氣，確保發電機組內工質質量處于平衡狀態。
在實際應用中，注氣管線9的氣源既可以從發電機組外的循環系統的高壓低溫點獲取，也可以從額外設置的高壓二氧化碳存儲罐里獲取。
優選地，本申請中所述的高壓低溫為壓力高于7MPa，溫度低于100℃。
本實用新型提出的透平發電機組具有系統簡單、體積小、高效率、零泄漏等優點，適合作為超臨界二氧化碳發電系統的透平發電機組。