CN103746493B - 一种应用于orc的高速透平-发电机的主轴密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于ORC的高速透平-发电机的主轴密封装置：特征在于包括高速透平膨胀机，高速发电机和紧固螺栓，还包括高速轴封以及空气密封与冷却系统；所述高速轴封设置于所述高速透平膨胀机叶轮轮背一侧的主轴上，利用接触密封降低有机工质蒸汽的泄露；所述空气密封与冷却系统的核心是在高速轴封背侧建立高压空气室，利用泄压阀调节高压空气室的压力；所述高压空气室的空气压力为所述高速轴封提供背压，具有气体密封的功能；所述高压空气室中流动的空气既可以冷却高速轴封，还可以带走高速轴封处微量的泄漏量；本发明可以解决主轴串气所导致的高速发电机热安全以及风磨损失过大等问题。

Description

一种应用于ORC的高速透平-发电机的主轴密封装置

技术领域

本发明属于内燃机余热能量技术领域，尤其涉及一种应用于ORC（有机朗肯循环）的高速透平-发电机的主轴密封装置。

背景技术

根据内燃机的能量平衡分析，目前，内燃机燃料燃烧所释放的能量只有三分之一左右被有效利用，其余能量最终均以废热的形式耗散到大气当中，因此将内燃机的余热能进行有效回收和利用是进一步提高内燃机效率，降低二氧化碳排放，实现低碳内燃机的一条重要途径。

基于对内燃机余热能回收利用对减少石油消耗、降低CO₂排放的重要性的认识，国际上工业发达国家纷纷将内燃机余热能高效回收利用技术作为提高内燃机效率的未来技术而列入科技研究计划，抢占内燃机节能减排新技术挑战的先机。日本文部省在2005年发布的第八次技术预见调查报告中，将余热能利用列为未来30年技术发展的100个重要课题之一。日本丰田、本田等公司将余热能利用作为汽车内燃机未来技术而投入重金加以研究。在欧洲，欧盟在第七框架行动计划中，启动了“HeatReCar”的汽车内燃机余热能利用研究计划，由德国、法国、意大利、瑞典等国家的大学、研究机构和企业参加。2010年1月11日，美国能源部长朱棣文宣布启动3.75亿美元的提高重型卡车和乘用车效率的研究计划，其中内燃机余热能回收利用是5大关键技术之一。

内燃机的余热能主要分布于内燃机的冷却液和排气。前期的研究表明：虽然冷却液和排气均携带了30%左右的燃油能量，但是由于热力学第二定律的限制，冷却液中可用能（火用量）却只能占到燃油能量的3%左右，并且较低的热源温度也决定了其在移动动力装置上的利用难度。相较于冷却液，排气所携带的能量因为其较高的温度而具有更高的回收潜力和回收价值。

BMW公司在SAE2009-01-0174一文中在余热能回收技术的复杂度、成本和能量回收潜力等方面，对目前理论可行的诸多技术进行了较为详细地对比研究，并指出朗肯底循环是一项值得青睐的技术。同时，有机工质潜热小，蒸发温度低，且膨胀过程不易析出液滴等特点使得ORC成为中低温能量转换与利用的热点技术。

膨胀机是ORC的热功转换部件，是小功率ORC系统的核心部件。高速透平膨胀机因为其在小流量大膨胀比时的优良性能而成为较优的选择。针对高速透平膨胀机驱动发电机发电的技术方案，其高速透平－发电机的主轴存在着串气的问题。具体而言，高温高压的有机工质蒸汽会通过透平膨胀机叶轮与蜗壳之间的间隙泄露到轮背，进而顺着主轴泄露到高速电机的腔体之中，会带来如下两点问题：

1.电机的腔体内部充满着低压的有机工质蒸汽，以R123工质为例，在3bar下饱和蒸汽的密度是18.132kg/m^3，相当于常温常压下控制密度的14倍。发电机的转子高速地在粘稠的有机工质中运转，使得发电机的转子发热，温度升高，需要额外配有冷却回路对转子进行冷却；并且同时风磨损失增加，降低发电机的效率。

2.高速轴承会侵泡在较高温的有机工质蒸汽中，使得高速轴承的冷却面临着更大的困难，并且有机工质和润滑油还可能有一定的互溶性，有可能降低高速轴承的润滑性能。

综上所述，解决问题的根本措施在于抑制有机工质蒸汽沿着主轴泄露到高速发电机腔体中，而该问题在已有的文献和专利中尚鲜有考虑和报道。

发明内容

针对应用于ORC的高速透平-发电机存在主轴泄露串气的应用问题，本发明提供一种应用于ORC的高速透平-发电机的主轴密封装置，解决了主轴串气的技术难点，从而抑制有机工质蒸汽沿着主轴泄露到高速发电机腔体中，提高了发电机效率以及热安全性能。

本发明一种应用于ORC的高速透平-发电机的主轴密封装置，其中，高速发电机由端盖，主轴和壳体组成，高速透平膨胀机由叶轮和蜗壳组成，所述叶轮通过轴端的紧固螺栓紧固在所述高速发电机的主轴上，并呈悬臂安装；所述高速透平膨胀机的蜗壳与所述高速发电机的端盖通过螺栓相连；所述高速透平膨胀机与所述高速发电机共轴，且置于所述高速发电机的上部呈竖直方式安装；其特征在于，主轴密封装置包括高速轴封以及空气密封与冷却系统；所述高速轴封设置于所述叶轮轮背侧的主轴上，所述高速轴封的外侧固定在所述高速发电机的端盖的内侧，所述高速轴封的内侧压紧在所述高速发电机的主轴上，从而利用接触密封降低有机工质蒸汽的泄露；所述空气密封与冷却系统包括高压气泵、高压空气室、泄压阀，高压空气室的进气流道和排气流道；所述高压气泵是所述高速透平-发电机的外置设备，为所述空气密封与冷却系统提供高压气源；所述高压空气室是由所述高速轴封的背面、所述主轴的外回转面以及所述端盖的内回转面之间形成的环形腔体构成，所述高压空气室的空气压力为所述高速轴封提供背压，从而起到气体密封的作用，所述高压空气室中流动的空气既可以冷却高速轴封，同时带走高速轴封处微量的泄漏量；所述高压空气室的进气流道和排气流道均分别设置在所述端盖上，所述泄压阀设置在所述排气流道上，用于调节所述高压空气室的压力。

本发明一种应用于ORC的高速透平-发电机的主轴密封装置，为解决主轴串气所导致的高速发电机热安全以及风磨损失过大等问题提供了一种可行的技术方案，其有益效果为：

（1）高速轴封和空气密封共同作用，可有效抑制有机工质蒸汽沿着主轴泄露到高速发电机腔体中，进而减少高速发电机的风磨损失，改善高速发电机的发热，降低高速发电机的冷却需求，提高高速发电机的效率；

（2）高压空气室快速流动的空气可以带走高速轴封处摩擦副产生的热量，保证高速轴封的热安全以及密封性能。

附图说明

附图是本发明一种应用于ORC的高速透平-发电机的主轴密封装置原理图：

图中：1-高速透平膨胀机的蜗壳，2-轴端紧固螺栓，3-高速透平膨胀机的叶轮，4-高速发电机的端盖，5-高速轴封，6-高压空气室，7-高速发电机的主轴，8-高压气泵，9-高压空气室的进气流道，10-高压空气室的排气流道，11-泄压阀，12-高速发电机的壳体。

具体实施方式

ORC是回收内燃机余热能量，提高内燃机效率的攻坚技术之一。其中，膨胀机是ORC系统中的热功转换部件，是小功率ORC的核心部件之一。高速透平膨胀机因为其在小流量大膨胀比时的优良性能而成为较优的选择。下面结合应用于回收内燃机余热能量ORC系统的高速透平-发电机这一具体实施方式对本发明作进一步地描述。

如附图所示，本发明提供一种应用于ORC的高速透平-发电机的主轴密封装置，旨在解决高速透平-发电机的主轴串气所导致的发电机风磨损失较大、发热严重、效率较低的问题，包括高速透平膨胀机，高速发电机和紧固螺栓2；还包括高速轴封5以及空气密封与冷却系统。

所述高速发电机由端盖4，主轴7和壳体12组成，其构成关系为本行业技术人员所熟知，在此不再赘述。

所述高速透平膨胀机由叶轮3和蜗壳1组成，其构成关系为本行业技术人员所熟知，在此不再赘述；所述高速透平膨胀机的叶轮3通过轴端的紧固螺栓2紧固在所述高速发电机的主轴7上并呈悬臂安装，轴承副均设置在所述高速发电机侧的主轴上；所述高速透平膨胀机的蜗壳1与所述高速发电机的端盖4通过螺栓相连；所述高速透平膨胀机与所述高速发电机共轴，且置于所述高速发电机的上部，并呈竖直方式安装，从而可以减小所述高速透平膨胀机叶轮3悬臂安装所导致的震动。

所述高速轴封5设置于所述高速透平膨胀机叶轮3轮背一侧的主轴7上，所述高速轴封5的外侧固定在所述高速发电机端盖4的内侧，所述高速轴封5的内侧压紧在所述高速发电机的主轴7上，利用接触密封降低有机工质蒸汽的泄露。

所述空气密封与冷却系统包括高压气泵8、高压空气室6、泄压阀11、高压空气室的进气流道9和排气流道10；所述高压气泵8是所述高速透平-发电机的外置设备，为所述空气密封与冷却系统提供高压气源；所述高压空气室6是由所述高速轴封5的背面、所述主轴7的外回转面以及所述端盖4的内回转面之间形成的环形腔体构成，所述高压空气室6的空气压力为所述高速轴封5提供背压，具有气体密封的功能，所述高压空气室6中流动的空气既可以冷却高速轴封5，还可以带走高速轴封5处微量的泄漏量；所述高压空气室的进气流道9和排气流道10设置在所述高速发电机的端盖4上；所述泄压阀11设置在所述高压空气室的排气流道10上，用于调节所述高压空气室的压力，其具体数值需要通过台架试验标定确定。

综上所述，本发明一种应用于ORC的高速透平-发电机的主轴密封装置，为解决主轴串气所导致的高速发电机热安全以及风磨损失过大等问题提供了一种可行的技术方案。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种应用于ORC的高速透平-发电机的主轴密封装置，其中，高速发电机由端盖(4)，主轴(7)和壳体(12)组成，高速透平膨胀机由叶轮(3)和蜗壳(1)组成，所述叶轮(3)通过轴端的紧固螺栓(2)紧固在所述高速发电机的主轴(7)上，并呈悬臂安装；所述高速透平膨胀机的蜗壳(1)与所述高速发电机的端盖(4)通过螺栓相连；所述高速透平膨胀机与所述高速发电机共轴，且置于所述高速发电机的上部呈竖直方式安装；其特征在于，

主轴密封装置包括高速轴封(5)以及空气密封与冷却系统；

所述高速轴封(5)设置于所述叶轮(3)轮背侧的主轴(7)上，所述高速轴封(5)的外侧固定在所述高速发电机的端盖(4)的内侧，所述高速轴封(5)的内侧压紧在所述高速发电机的主轴(7)上，从而利用接触密封降低有机工质蒸汽的泄露；

所述空气密封与冷却系统包括高压气泵(8)、高压空气室(6)、泄压阀(11)，高压空气室的进气流道(9)和排气流道(10)；所述高压空气室(6)是由所述高速轴封(5)的背面、所述主轴(7)的外回转面以及所述端盖(4)的内回转面之间形成的环形腔体构成，所述高压空气室(6)的空气压力为所述高速轴封(5)提供背压，从而起到气体密封的作用，所述高压空气室(6)中流动的空气既可以冷却高速轴封(5)，同时也能够带走高速轴封(5)处微量的泄漏量；所述高压空气室的进气流道(9)和排气流道(10)均分别设置在所述端盖(4)上，所述泄压阀(11)设置在所述排气流道(10)上，用于调节所述高压空气室(6)的压力。