CN103557036B - 基于永磁及磁悬浮技术的一体化涡轮机组 - Google Patents

基于永磁及磁悬浮技术的一体化涡轮机组 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于永磁及磁悬浮技术的一体化涡轮机组。涡轮机械的密封型要求较高,齿轮系统复杂,能量损失较大。本发明将全密封结构的涡轮机和发电机(或电动机)设置在同一转轴上;转轴一端置于涡轮机中,进行气体膨胀(或压缩);转轴另一端置于发电机(或电动机)中,设置发电机转子,发电机转子外设置发电机定子铁芯和绕组;轴的尾端依次设置磁悬浮支承轴承和磁悬浮止推轴承;发电机所有部件均置于发电机外壳中。本发明的发电机(或电动机)始终保证和涡轮机同一转速,采用同一壳体,无需轴端密封,整个机组工作介质可以做到完全无泄漏;磁悬浮轴承实现无接触支承转子,避免了轴承的摩擦损失,从而提高了涡轮机组的整体效率。

Description

基于永磁及磁悬浮技术的一体化涡轮机组
技术领域
本发明涉及一种涡轮机,具体涉及一种基于永磁及磁悬浮技术的一体化涡轮机组。
背景技术
随着涡轮机械(Turbinemachinery)技术的不断发展,涡轮机械在现代工业及航天航空领域得到了广泛的应用,尤其是小型化的涡轮机更是越来越多的得到应用,如天然气压缩机(Naturalgascompressor)、油井气膨胀机(gasexpander)、微型燃气轮机(gasturbine)、基于ORC技术的汽轮机等。由于应用行业的不同及工作介质的不同,以上涡轮机械的转速要求较高、密封性要求更高,很多工作介质由于具有易燃易爆、剧毒、价值昂贵等原因不能对外泄露。
传统的涡轮机械均应用各种密封来解决工作介质的对外泄露,如干气密封、机械密封、碳环密封、蜂窝密封等,密封的外部供给系统非常复杂,寿命有限,且造价昂贵,而且不能完全隔绝工作介质的泄露。
现有的传统涡轮机大部分采用普通电机驱动,而且电机由于受自身工作原理的限制,无法直接达到涡轮机所需的转速,一般都需要通过齿轮变速方式来解决涡轮机所需的速度,齿轮系统不但系统复杂而且会给整个涡轮机械带来效率的降低和能量的损失。
现有的涡轮机械和发电机都采用接触式轴承(如合金滑动轴承、滚珠轴承等),该类轴承一般都需要一套外部冷却和润滑系统,而且该系统的介质与涡轮机工作介质可能不相容,甚至发生化学反应,轴承也增加涡轮机械的功率消耗。
该发明将广泛应用于天然气管线降压能量回收膨胀机、基于ORC技术的低温余热回收涡轮膨胀机、微型燃气轮机、微型离心压缩机、天然气管线压缩机、航天航空器的压缩机及制冷膨胀机、各种离心空调压缩机等。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于永磁及磁悬浮技术的一体化涡轮机组,不仅有效实现整个机组工作介质的完全无泄漏,还可避免轴承的摩擦损失。
本发明所采用的技术方案是:
基于永磁及磁悬浮技术的一体化涡轮机组,其特征在于:
包含有设置在同一转轴上的涡轮机和发电机,涡轮机为膨胀机。
所述转轴的一端置于涡轮机中,轴外设置动叶和静叶,动叶和静叶外部设置涡轮机蜗壳;涡轮机蜗壳前端设置接收高压工作介质的进气室,后端设置排气口;
所述转轴的另一端置于发电机中,设置发电机转子,发电机转子外设置发电机定子铁芯和绕组;轴的尾端依次设置磁悬浮支承轴承和磁悬浮止推轴承;发电机所有部件均置于发电机外壳中,电力通过发电机外壳外设置的发电机封闭式接线端子箱输出。
所述发电机定子铁芯和绕组外设置有冷却套,冷却套上设置有伸出发电机外壳的冷却液入口和冷却液出口。
基于永磁及磁悬浮技术的一体化涡轮机组,其特征在于:
包含有设置在同一转轴上的涡轮机和电动机,涡轮机为压缩机。
所述转轴的一端置于涡轮机中,轴外设置涡轮,涡轮外部设置涡轮机蜗壳;涡轮机蜗壳上设置有用于输出高压工作介质的喷嘴组和喷嘴流量调节机构;
所述转轴的另一端置于电动机中,设置电动机转子,电动机转子外设置电动机定子铁芯和绕组;轴的尾端依次设置磁悬浮支承轴承和磁悬浮止推轴承;电动机所有部件均置于电动机外壳中。
所述电动机定子铁芯和绕组外设置有冷却套,冷却套上设置有伸出电动机外壳的冷却液入口和冷却液出口。
本发明具有以下优点:
本发明是一种将磁悬浮技术与永磁技术结合在一起的一种特殊涡轮机械,将涡轮机和电动机(发动机)设计在同一转速的一根轴上,电动机(发电机)采用变频控制始终保证和涡轮同一转速,采用同一壳体,无需轴端密封,整个机组工作介质可以做到完全无泄漏;磁悬浮轴承实现无接触支承转子,避免了轴承的摩擦损失,从而提高了涡轮机发电机的整体效率。
附图说明
图1为本发明结构的水平布局。
图2为本发明结构的垂直布局。
图中,1-进气室,2-喷嘴,3-动力涡轮,4-涡轮机蜗壳,5-发电机外壳,6-冷却套,7-磁悬浮支承轴承,8-磁悬浮止推轴承,9-发电机转子,10-封闭式出线端子箱,11-发电机定子铁芯和绕组,12-冷却液入口,13-冷却液出口,14-涡轮,15-喷嘴组,16-喷嘴流量调节机构。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明所涉及的一种基于永磁及磁悬浮技术的一体化涡轮机组,将涡轮机和发电机(或电动机)设计在同一转速的一根转轴上。
1、当涡轮机为膨胀机时:
一体化涡轮机组包含有设置在同一转轴上的涡轮机和发电机。转轴的一端置于涡轮机中,轴外设置动叶3和静叶2,动叶3和静叶2外部设置涡轮机蜗壳4;涡轮机蜗壳4前端设置接收高压工作介质的进气室1,后端设置排气口。转轴的另一端置于发电机中,轴外设置发电机转子9,发电机转子9外设置发电机定子铁芯和绕组11;轴的尾端依次设置磁悬浮支承轴承7和磁悬浮止推轴承8;发电机所有部件均置于发电机外壳5中,电力通过发电机外壳5外设置的发电机封闭式接线端子箱10输出。发电机定子铁芯和绕组11外设置有冷却套6,冷却套6上设置有伸出发电机外壳5的冷却液入口12和冷却液出口13。
机组工作前,磁悬浮控制系统向磁悬浮轴承提供电力,磁悬浮支承轴承7和磁悬浮止推轴承8根据发电机转子9的动态力矩将发电机转子9悬浮起来,并可根据发电机转子9工作过程的力矩不断调节改变转子的位置,使得发电机转子9始终处于轴承的中心。磁悬浮轴承准备完成后,高压工作介质(如ORC的有机工质,天燃气、蒸汽等)经过管线送入涡轮机即膨胀机的进气室1,经过静叶2和动叶3做功,从涡轮机蜗壳4排出,将扭矩通过转轴传递到发电机转子9发出电力,电力通过发电机封闭式接线端子箱10将电力传出。由于发电机和涡轮机全部是封闭式的,介质不会泄露,而低温高压的工作介质通过冷却液入口12进入发电机的冷却套6,再从冷却液出口13出来,将发电机的热量带到工作介质之中,提高工作介质的焓,达到及给发电机降温又回收能量的目的。
2、当涡轮机为压缩机时:
一体化涡轮机组包含有设置在同一转轴上的涡轮机和电动机。转轴的一端置于涡轮机中,轴外设置涡轮14,涡轮14外部设置涡轮机蜗壳4;涡轮机蜗壳4上设置有用于输出高压工作介质的喷嘴组15和喷嘴流量调节机构16。转轴的另一端置于电动机中,设置电动机转子,电动机转子外设置电动机定子铁芯和绕组;轴的尾端依次设置磁悬浮支承轴承7和磁悬浮止推轴承8;电动机所有部件均置于电动机外壳中,控制和动力(电力)输出线均通过封闭的接线端子10与外界链接。电动机定子铁芯和绕组外设置有冷却套6,冷却套6上设置有伸出电动机外壳的冷却液入口12和冷却液出口13。
机组工作前,磁悬浮控制系统向磁悬浮轴承提供电力,磁悬浮支承轴承7和磁悬浮止推轴承8根据电动机转子的动态力矩将电动机转子悬浮起来,并可根据电动机转子工作过程的力矩不断调节改变转子的位置,使得电动机转子始终处于轴承的中心。磁悬浮轴承准备完成后,起动电动机转子带动涡轮14气态的工作介质(如空调的冷媒,天燃气、空气、蒸汽等),在涡轮14内得到压缩,从涡轮机蜗壳4排出压力得到升高的工作介质,由于电动机和涡轮机全部是封闭式的,介质不会泄露,此时电动机内充满的工作介质被从电动机壳体排到进口管道可以带走部分热量,剩余大部分热量被低温液态的工作介质通过电动机冷却液进口12进入电动机的冷却套6,再从冷却液出口13出来,将电动机的热量带到工作介质之中。该冷却液也是透平的工作介质,具有绝缘和灭弧作用。
本发明具有以下三个主要技术要点:
1、使用了机电一体化的整体涡轮结构设计思想,高度集成化的设计理念,实现机电一体化的全屏蔽结构特种涡轮机械,充分保证了工作介质的封闭运行;电动机(发电机)采用变频控制始终保证和涡轮机同一转速,作为发电机使用时我们采用交流—直流—交流的转换方式达到与公网频率的一致性。
2、利用工作介质的相变换热原理制作成机组冷却装置,当工作介质是碳氢氟化合物时(如五氟丙烷R245fa),由于该物质的特殊化学结构、不导电无腐蚀,当该物质进入电机(发电机)定子内部不但可以通过自身气化带走电机内部的热量,还可以起到屏蔽灭弧的作用,还因为该物质气化温度较低(小于16℃)所以对导线的冷却作用大于传统的间接冷却方式风冷,所以该发明可以将相同体积电机(发电机)的功率可以提高60%,工质在电机内吸收了热焓得以提高还是一种间接地能量回收再利用。
3、一体化涡轮机采用了全数字化多轴控制的主动磁悬浮轴承,主动式磁悬浮轴承(AMB)概述主动式磁悬浮轴承对轴进行无接触、无磨损、无润滑,并进行动力学行为的主动控制,磁悬浮轴承对解决传统机械中的转子动力学问题提供了一种理想的技术方案。基本原理:AMB是通过电磁铁的实时动态控制,同期产生受控的非接触磁场力来实现物体的悬浮。传感器检测到转子相对于参考位置的变化,作为控制器器的微处理器就此给出一个控制信号,通过功率放大器后转换为控制电流,最终的结果是形成的磁场力始终维持着转子子悬浮在设定的位置上。
本发明的内容不限于实施例所列举,本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换,均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (1)

1.基于永磁及磁悬浮技术的一体化涡轮机组,其特征在于:
包含有设置在同一转轴上的涡轮机和发电机,涡轮机为膨胀机:
所述转轴的一端置于涡轮机中,轴外设置动叶(3)和静叶(2),动叶(3)和静叶(2)外部设置涡轮机蜗壳(4);涡轮机蜗壳(4)前端设置接收高压工作介质的进气室(1),后端设置排气口;
所述转轴的另一端置于发电机中,设置发电机转子(9),发电机转子(9)外设置发电机定子铁芯和绕组(11);轴的尾端依次设置磁悬浮支承轴承(7)和磁悬浮止推轴承(8);发电机所有部件均置于发电机外壳(5)中,电力通过发电机外壳(5)外设置的发电机封闭式接线端子箱(10)输出;
所述发电机定子铁芯和绕组(11)外设置有冷却套(6),冷却套(6)内设置有环层状的冷却液导流槽,冷却套(6)上设置有伸出发电机外壳(5)的冷却液入口(12)和冷却液出口(13);
涡轮机蜗壳(4)与发电机外壳(5)为同一壳体的一体结构;
或者
包含有设置在同一转轴上的涡轮机和电动机,涡轮机为压缩机:
所述转轴的一端置于涡轮机中,轴外设置涡轮(14),涡轮(14)外部设置涡轮机蜗壳(4);涡轮机蜗壳(4)上设置有用于输出高压工作介质的喷嘴组(15)和喷嘴流量调节机构(16);
所述转轴的另一端置于电动机中,设置电动机转子,电动机转子外设置电动机定子铁芯和绕组;轴的尾端依次设置磁悬浮支承轴承(7)和磁悬浮止推轴承(8);电动机所有部件均置于电动机外壳中;
所述电动机定子铁芯和绕组外设置有冷却套(6),冷却套(6)内设置有环层状的冷却液导流槽,冷却套(6)上设置有伸出电动机外壳的冷却液入口(12)和冷却液出口(13);
涡轮机蜗壳(4)与电动机外壳为同一壳体的一体结构。
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Patentee after: Zhejiang Boxu New Energy Technology Co.,Ltd.

Address before: Room 21102-1, 11 / F, unit 2, building 1, Hesheng Jingguang Center, 11 Tangyan Road, Zhangba Street office, high tech Zone, Xi'an City, Shaanxi Province, 710000

Patentee before: Shaanxi Boxu New Energy Technology Co.,Ltd.

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