本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种压缩膨胀一体化涡轮机组。
背景技术：
压缩和膨胀是两个相反的热力过程，压缩是将外界输入的机械能转变成工质的内能，而膨胀则刚好相反是将工质的内能转变成对外输出的机械能，涡轮机械发展至今，人类已经研发并衍生出各种类型的压缩机和膨胀机用来满足不同种类的工业应用需求。但是受设计参数、运用场合以及尺寸大小各种限制因素的影响，一种能同时满足复杂多变应用需求的压缩或膨胀设备则较少。有些特殊的应用场合，比如压缩空气储能发电系统，其需要将常压空气压缩成高压空气进行能量存储，再将高压空气膨胀成常压空气输出存储能量，考虑到运行工况、建设成本等多重因素，需要设计一种适应复杂工况、集成度高、高效的压缩膨胀设备。
技术实现要素：
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种压缩和膨胀一体化的涡轮机组。
本发明所采用的技术方案为：
一种压缩膨胀一体化涡轮机组，包括一体化转子，一体化转子的两端均安装有径向电磁轴承和轴向电磁轴承，一体化转子的中部套设有第一汽缸，一体化转子的一端设置有第二汽缸，一体化转子的另一端设置有第三汽缸，第二汽缸和第三汽缸均分别与径向电磁轴承和轴向电磁轴承连接，第三汽缸与一体化转子之间还安装有电机。
设备作为压缩机使用时，电机开启电动机功能，一体化转子在径向电磁轴承支撑下悬浮，并在电动机的驱动下高速旋转。工质分别从第二汽缸和第三汽缸进入通流，再经过一体化转子各级动叶及径流叶轮的压缩从第一气缸排出，实现机械能到工质的压力能的转化。在设备因气流激振等原因形成一定轴向推力时，依靠轴向电磁轴承平衡推力并实现定位。
设备作为膨胀机使用时，电机开启发电机功能，一体化转子在径向电磁轴承支撑下悬浮，工质从第一气缸切向进气口进入通流，分别在各级动静叶内膨胀并做功后驱动一体化转子高速旋转，工质最终从第二气缸和第三汽缸排向管道，高速旋转的电机转子将一体化转子的动能转化成电能输出，实现工质的内能向电能的转化，在设备因气流激振等原因形成一定轴向推力时，依靠轴向电磁轴承平衡推力并实现定位。
作为本发明的优选方案，所述一体化转子上设置有若干轴流动叶，第一汽缸内侧设置有若干轴流静叶，若干轴流动叶和若干轴流静叶间隔设置；一体化转子的中部设有径流叶轮，第一汽缸内侧对应径流叶轮处设有径流静叶。若干轴流动叶和若干轴流静叶间隔设置，形成通流区域。当工质从第二汽缸和第三汽缸流向若干轴流动叶和若干轴流静叶之间时，工质被压缩，实现机械能到工质的压力能的转化。当工质从第一汽缸流向若干轴流动叶和若干轴流静叶之间时，工质膨胀，实现机械能到工质的压力能的转化。
作为本发明的优选方案，所述电机包括电机转子和电机定子，电机定子通过螺钉固定在第三气缸上，电机转子镶嵌在一体化转子的外圆上。电机为高速永磁电机，且电机既可作为电动机又可作为发电机，保证工质压缩和工质膨胀过程中，电机以相应形式工作。高速电机电子采用的是永磁转子结构。
作为本发明的优选方案，所述第二汽缸包括依次设置的第二汽缸内环、第二汽缸撑筋和第二汽缸外环，第二汽缸内环与一体化转子一端的径向电磁轴承和轴向电磁轴承连接，第二汽缸外环与第一汽缸通过垂直法兰连接。第二汽缸内环和第二汽缸外环通过第二汽缸撑筋焊接固定。第二汽缸外环与第一汽缸通过垂直法兰连接，实现密封。
作为本发明的优选方案，所述第三汽缸包括依次设置的第三汽缸内环、第三汽缸撑筋和第三汽缸外环，第三汽缸内环与一体化转子一端的径向电磁轴承和轴向电磁轴承连接，第三汽缸外环与第一汽缸通过垂直法兰连接，电机与第三汽缸内环连接。第三汽缸内环和第三汽缸外环通过第三汽缸撑筋焊接固定。第三汽缸外环与第一汽缸通过垂直法兰连接，实现密封。
作为本发明的优选方案，所述径向电磁轴承包括径向电磁轴承定子和径向电磁轴承转子，径向电磁轴承定子通过螺钉固定在第二汽缸或第三汽缸上，径向电磁轴承转子套装在一体化转子上并通过螺栓轴向预紧；所述径向电磁轴承转子和径向电磁轴承定子通过电磁力支撑悬浮。
作为本发明的优选方案，所述轴向电磁轴承包括轴向电磁轴承定子和轴向电磁轴承转子，轴向电磁轴承定子通过螺钉固定在第二汽缸或第三汽缸上，轴向电磁轴承转子套装在一体化转子上并通过螺栓轴向预紧。
作为本发明的优选方案，所述一体化转子的两端均设有导流罩，导流罩安装于第二汽缸或第三汽缸上。导流罩采用圆形外部结构，可有效隔离工质和径向电磁轴承、轴向电磁轴承接触，并引导工质流动。
作为本发明的优选方案，所述导流罩内连接有固定架，固定架与一体化转子之间安装有辅助轴承。机组静止或故障状况时，一体化转子依靠辅助轴承支撑。
作为本发明的优选方案，所述第二汽缸与一体化转子之间、第三汽缸与一体化转子之间均设置有多段气封。多段气封能避免工质泄露。
本发明的有益效果为：
本发明的设备作为压缩机使用时，电机开启电动机功能，一体化转子在径向电磁轴承支撑下悬浮，并在电动机的驱动下高速旋转。工质分别从第二汽缸和第三汽缸进入通流，再经过一体化转子各级动叶及径流叶轮的压缩从第一气缸排出，实现机械能到工质的压力能的转化。设备作为膨胀机使用时，电机开启发电机功能，一体化转子在径向电磁轴承支撑下悬浮，工质从第一气缸切向进气口进入通流，分别在各级动静叶内膨胀并做功后驱动一体化转子高速旋转，工质最终从第二气缸和第三汽缸排向管道，高速旋转的电机转子将一体化转子的动能转化成电能输出，实现工质的内能向电能的转化。由于第一汽缸与一体化转子之间的通流的型线介于压缩涡轮机组的通流型线与膨胀涡轮机组的通流型线之间，则本发明进行工质压缩或工质膨胀时的效率相对于用作工质膨胀的压缩机的效率、用作工质压缩的膨胀机的效率更高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中a处的局部放大图；
图3是图1中b处的局部放大图；
图4是本发明作为膨胀机时的速度三角形示意图；
图5是本发明作为压缩机时的速度三角形示意图；
图6是本发明整个过程的速度三角形示意图。
图中，1-一体化转子；2-径向电磁轴承；3-轴向电磁轴承；4-第一汽缸；5-第二汽缸；6-第三汽缸；7-电机；8-导流罩；11-轴流动叶；12-径流叶轮；13-辅助轴承；14-气封；21-径向电磁轴承定子；22-径向电磁轴承转子；31-轴向电磁轴承定子；32-轴向电磁轴承转子；41-轴流静叶；42-径流静叶；51-第二汽缸内环；52-第二汽缸撑筋；53-第二汽缸外环；61-第三汽缸内环；62-第三汽缸撑筋；63-第三汽缸外环；71-电机转子；72-电机定子；81-固定架。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1和图2所示，本实施例的压缩膨胀一体化涡轮机组，包括一体化转子1，一体化转子1的两端均安装有径向电磁轴承2和轴向电磁轴承3，一体化转子1的中部套设有第一汽缸4，一体化转子1的一端设置有第二汽缸5，一体化转子1的另一端设置有第三汽缸6，第二汽缸5和第三汽缸6均分别与径向电磁轴承2和轴向电磁轴承3连接，第三汽缸6与一体化转子1之间还安装有电机7。
设备作为压缩机使用时，电机7开启电动机功能，一体化转子1在径向电磁轴承2支撑下悬浮，并在电动机的驱动下高速旋转。工质分别从第二汽缸5和第三汽缸6进入通流，再经过一体化转子1各级动叶及径流叶轮12的压缩从第一气缸排出，实现机械能到工质的压力能的转化。在设备因气流激振等原因形成一定轴向推力时，依靠轴向电磁轴承3平衡推力并实现定位。
设备作为膨胀机使用时，电机7开启发电机7功能，一体化转子1在径向电磁轴承2支撑下悬浮，工质从第一气缸切向进气口进入通流，分别在各级动静叶内膨胀并做功后驱动一体化转子1高速旋转，工质最终从第二气缸和第三汽缸6排向管道，高速旋转的电机7转子将一体化转子1的动能转化成电能输出，实现工质的内能向电能的转化，在设备因气流激振等原因形成一定轴向推力时，依靠轴向电磁轴承3平衡推力并实现定位。
由于第一汽缸4与一体化转子1之间的通流的型线介于压缩涡轮机组的通流型线与膨胀涡轮机组的通流型线之间，则本发明进行工质压缩或工质膨胀时的效率相对于用作工质膨胀的压缩机的效率、用作工质压缩的膨胀机的效率更高。
具体地，所述一体化转子1上设置有若干轴流动叶11，第一汽缸4内侧设置有若干轴流静叶41，若干轴流动叶11和若干轴流静叶41间隔设置；一体化转子1的中部设有径流叶轮12，第一汽缸4内侧对应径流叶轮12处设有径流静叶42。若干轴流动叶11和若干轴流静叶41间隔设置，形成通流区域。当工质从第二汽缸5和第三汽缸6流向若干轴流动叶11和若干轴流静叶41之间时，工质被压缩，实现机械能到工质的压力能的转化。当工质从第一汽缸4流向若干轴流动叶11和若干轴流静叶41之间时，工质膨胀，实现机械能到工质的压力能的转化。
具体地，所述电机7包括电机7转子和电机7定子，电机7定子通过螺钉固定在第三气缸上，电机7转子镶嵌在一体化转子1的外圆上。电机7为高速永磁电机7，且电机7既可作为电动机又可作为发电机7，保证工质压缩和工质膨胀过程中，电机7以相应形式工作。高速电机7电子采用的是永磁转子结构。
具体地，所述第二汽缸5包括依次设置的第二汽缸5内环、第二汽缸5撑筋和第二汽缸5外环，第二汽缸5内环与一体化转子1一端的径向电磁轴承2和轴向电磁轴承3连接，第二汽缸5外环与第一汽缸4通过垂直法兰连接。第二汽缸5内环和第二汽缸5外环通过第二汽缸5撑筋焊接固定。第二汽缸5外环与第一汽缸4通过垂直法兰连接，实现密封。
具体地，所述第三汽缸6包括依次设置的第三汽缸6内环、第三汽缸6撑筋和第三汽缸6外环，第三汽缸6内环与一体化转子1一端的径向电磁轴承2和轴向电磁轴承3连接，第三汽缸6外环与第一汽缸4通过垂直法兰连接，电机7与第三汽缸6内环连接。第三汽缸6内环和第三汽缸6外环通过第三汽缸6撑筋焊接固定。第三汽缸6外环与第一汽缸4通过垂直法兰连接，实现密封。
具体地，所述径向电磁轴承2包括径向电磁轴承2定子和径向电磁轴承2转子，径向电磁轴承2定子通过螺钉固定在第二汽缸5或第三汽缸6上，径向电磁轴承2转子套装在一体化转子1上并通过螺栓轴向预紧；所述径向电磁轴承2转子和径向电磁轴承2定子通过电磁力支撑悬浮。
具体地，所述轴向电磁轴承3包括轴向电磁轴承3定子和轴向电磁轴承3转子，轴向电磁轴承3定子通过螺钉固定在第二汽缸5或第三汽缸6上，轴向电磁轴承3转子套装在一体化转子1上并通过螺栓轴向预紧。
为了使工质准确流动，所述一体化转子1的两端均设有导流罩8，导流罩8安装于第二汽缸5或第三汽缸6上。导流罩8采用圆形外部结构，可有效隔离工质和径向电磁轴承2、轴向电磁轴承3接触，并引导工质流动。
更进一步，所述导流罩8内连接有固定架81，固定架81与一体化转子1之间安装有辅助轴承13。机组静止或故障状况时，一体化转子1依靠辅助轴承13支撑。
为了避免工质泄露，所述第二汽缸5与一体化转子1之间、第三汽缸6与一体化转子1之间均设置有多段气封14。多段气封14能避免工质泄露。
工作原理：
本发明的机组能在不同运行要求下既可以作为膨胀机又可以作为压缩机使用的根本原因在于：首先该机组集成的电机7是发电机7和电动机一体式结构，通过调整电机7不同的工作模式，使得电机7既可以通电驱动一体化转子1旋转作为电动机使用，又可以将一体化转子1旋转的动能转化成电能向外部输送而作为发电机7使用。其次以某一轴流单元级为例，通过速度三角形来解释某一确定级次如何实现膨胀机与压缩机功能的互换。下文中提到的角度均为与子午方向的夹角。
在某一单元级设计时，需分别对膨胀机和压缩机选取合适的设计参数(反动度、载荷系数、流动系数)，得到合理的速度三角形，以匹配图3、图4中各叶栅进、出口气流角与图3中各叶栅进、出口几何角，并合理设计叶栅型线，即可实现某一单元级膨胀功能与压缩功能的互换。
当设备作为膨胀机工作时，动叶栅旋转方向如图3所示，气流由左向右流动，静叶栅的进、出口几何角分别为a1b、a2b，动叶栅进、出口几何角分别为b2b、b3b。气流以速度c1进入静叶栅膨胀加速后，以更大的速度c2、绝对气流角a2离开静叶栅，同时以相对速度w2、相对气流角b2进入同一级内动叶栅进行做功，做功后的气流以绝对速度c3、绝对气流角a3、相对速度w3、相对气流角b3离开动叶栅，完成单元级的膨胀工作。整个过程的速度三角形如图3所示。
当设备作为压缩机工作时，动叶栅旋转方向如图4所示(与膨胀机旋转方向相反)，气流由右向左流动，动叶栅进、出口几何角分别为b1b、b2b，静叶栅的进、出口几何角分别为a2b、a3b。气流以绝对速度c1、绝对气流角a1、相对速度w1、相对气流角b1进入动叶栅。气流在动叶栅内经叶片对其做功，使得压力升高，然后气流以相对速度w2、相对气流角b2离开动叶栅，同时以绝对速度c2、绝对绝对气流角a2，进入下游静叶栅继续进行扩压，最终流出静叶栅，完成单元级的压缩工作。整个过程的速度三角形如图5所示。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
1.一种压缩膨胀一体化涡轮机组，其特征在于，包括一体化转子(1)，一体化转子(1)的两端均安装有径向电磁轴承(2)和轴向电磁轴承(3)，一体化转子(1)的中部套设有第一汽缸(4)，一体化转子(1)的一端设置有第二汽缸(5)，一体化转子(1)的另一端设置有第三汽缸(6)，第二汽缸(5)和第三汽缸(6)均分别与径向电磁轴承(2)和轴向电磁轴承(3)连接，第三汽缸(6)与一体化转子(1)之间还安装有电机(7)。
2.根据权利要求1所述的一种压缩膨胀一体化涡轮机组，其特征在于，所述一体化转子(1)上设置有若干轴流动叶(11)，第一汽缸(4)内侧设置有若干轴流静叶(41)，若干轴流动叶(11)和若干轴流静叶(41)间隔设置；一体化转子(1)的中部设有径流叶轮(12)，第一汽缸(4)内侧对应径流叶轮(12)处设有径流静叶(42)。
3.根据权利要求1所述的一种压缩膨胀一体化涡轮机组，其特征在于，所述电机(7)包括电机(7)转子和电机(7)定子，电机(7)定子通过螺钉固定在第三气缸上，电机(7)转子镶嵌在一体化转子(1)的外圆上。
4.根据权利要求1所述的一种压缩膨胀一体化涡轮机组，其特征在于，所述第二汽缸(5)包括依次设置的第二汽缸(5)内环、第二汽缸(5)撑筋和第二汽缸(5)外环，第二汽缸(5)内环与一体化转子(1)一端的径向电磁轴承(2)和轴向电磁轴承(3)连接，第二汽缸(5)外环与第一汽缸(4)通过垂直法兰连接。
5.根据权利要求1所述的一种压缩膨胀一体化涡轮机组，其特征在于，所述第三汽缸(6)包括依次设置的第三汽缸(6)内环、第三汽缸(6)撑筋和第三汽缸(6)外环，第三汽缸(6)内环与一体化转子(1)一端的径向电磁轴承(2)和轴向电磁轴承(3)连接，第三汽缸(6)外环与第一汽缸(4)通过垂直法兰连接，电机(7)与第三汽缸(6)内环连接。
6.根据权利要求1所述的一种压缩膨胀一体化涡轮机组，其特征在于，所述径向电磁轴承(2)包括径向电磁轴承(2)定子和径向电磁轴承(2)转子，径向电磁轴承(2)定子通过螺钉固定在第二汽缸(5)或第三汽缸(6)上，径向电磁轴承(2)转子套装在一体化转子(1)上并通过螺栓轴向预紧；所述径向电磁轴承(2)转子和径向电磁轴承(2)定子通过电磁力支撑悬浮。
7.根据权利要求1所述的一种压缩膨胀一体化涡轮机组，其特征在于，所述轴向电磁轴承(3)包括轴向电磁轴承(3)定子和轴向电磁轴承(3)转子，轴向电磁轴承(3)定子通过螺钉固定在第二汽缸(5)或第三汽缸(6)上，轴向电磁轴承(3)转子套装在一体化转子(1)上并通过螺栓轴向预紧。
8.根据权利要求1所述的一种压缩膨胀一体化涡轮机组，其特征在于，所述一体化转子(1)的两端均设有导流罩(8)，导流罩(8)安装于第二汽缸(5)或第三汽缸(6)上。
9.根据权利要求8所述的一种压缩膨胀一体化涡轮机组，其特征在于，所述导流罩(8)内连接有固定架(81)，固定架(81)与一体化转子(1)之间安装有辅助轴承(13)。
10.根据权利要求1～9任意一项所述的一种压缩膨胀一体化涡轮机组，其特征在于，所述第二汽缸(5)与一体化转子(1)之间、第三汽缸(6)与一体化转子(1)之间均设置有多段气封(14)。
技术总结