CN104481620A - 一种有机工质向心透平发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有机工质向心透平发电装置，包括向心透平、减速装置和发电机。将向心透平输出轴和减速装置高速端轴设为同一根轴，轴的一端与向心透平叶轮固定连接，轴的另一端与减速装置高速端齿轮连接；减速装置低速端轴与发电机通过联轴器连接。在叶轮后方的轴上安装有碳环密封，碳环密封后安装有螺纹与迷宫环联合密封，在碳环密封和螺纹与迷宫环联合密封之间用机壳形成密闭腔室，在减速装置低速端轴上安装有骨架油封。按照本发明，缩短了向心透平和减速箱的轴向长度，使系统结构更加紧凑。同时将需要进行严格密封的高转速轴端密封问题通过多方面缓解，最终转移到对减速装置低转速轴端进行密封，大大降低了轴端密封装置的复杂性，便于维护。

Description

一种有机工质向心透平发电装置

技术领域

本发明属于透平发电技术领域，更具体地，涉及一种有机工质向心透平发电装置。

背景技术

太阳能、地热能、生物质能及工业余热等能源，由于分散性强、热源温度较低等特点，在目前尚未得到很好的利用。有机工质朗肯循环，以制冷剂、烷烃类等有机物作为工作介质，利用有机工质低沸点的热物性，在较低的热源温度下即可产生高参数的有机工质蒸汽推动膨胀机做功。把有机工质朗肯循环运用于太阳能、地热能、生物质能及工业余热等中低温热源发电中，既可以获得较高的发电效率，并且系统结构简单。向心透平具有单级焓降大、膨胀比高、结构简单紧凑的特性，在较低的流量下即可得到较高的效率，以向心透平作为有机朗肯循环系统膨胀机，在中低温热能发电中优点突出。

然则有机工质向心透平同时具有高转速的特点，欲设计出高效率的向心透平转速通常达到每分钟几万转。若想对此产生的轴功用于发电，则需通过减速装置进行减速。由此必然使得系统轴系长、占地面积大。同时为避免对环境及工作人员产生影响，往往需要对朗肯循环中有机工质气体进行严密的密封处理。在高转速条件下，轴端密封需要复杂的密封装置才能满足密封的需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种有机工质向心透平发电装置，其目的在于使系统结构更加紧凑。同时将需要进行严格密封的高转速轴端密封问题通过多方面缓解，最终转移到对减速装置低转速轴端进行密封，大大降低了轴端密封装置的复杂性，便于维护。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种有机工质向心透平发电装置，其特征在于，该发电装置包括依次连接的向心透平、减速装置及发电机；

其中，向心透平输出轴与减速装置高速端共用一根主轴，使向心透平的叶轮与减速装置高速端组成悬臂式结构，发电机受所述减速装置低速轴端传动；所述向心透平将有机工质热能转化为机械能，所述减速装置将所述机械能转化为所述发电机额定转速机械能，所述发电机将额定转速机械能转化为电能；其中向心透平的叶轮安装于所述主轴的一端，所述主轴靠近所述叶轮的轮盘背部的外圆周设置有密封装置，所述主轴上与所述密封碳环间隔一段距离的外圆周上设置有另一密封装置，两个密封装置之间设置外壳形成密闭腔室。

进一步地，所述主轴靠近所述叶轮的轮盘背部的外圆周设置的密封装置为密封碳环，用于阻挡所述向心透平中有机工质气体的泄露。

进一步地，所述主轴上与所述碳环密封间隔一段距离的外圆周上设置的另一密封装置为螺纹与迷宫环联合密封圈，用于阻挡所述减速装置内润滑油的泄露以及所述有机工质气体泄露至所述减速装置内。

进一步地，所述密闭腔室上开设有排气孔和排油孔。

进一步地，所述减速装置低速端轴上设置有骨架油封，用以密封所述减速装置内的润滑油以及进一步密封泄露至所述减速装置内的微量所述有机工质气体。

进一步地，所述密封腔室的所述排气孔出口处通过排气管连接到向心透平膨胀管的末端。

进一步地，排气管上安装有压力控制阀，使密闭腔室内压力略高于减速装置内压力。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)通过有机工质向心透平、减速装置、发电机的组合形式，对中低温热源进行热功转化并发电，发电装置形式简单、效率高，实现了一种较好的中低温热源利用方式；

(2)将向心透平输出轴和减速装置高速端轴设为同一根轴，组成特殊的悬臂式结构，缩短了向心透平和减速装置的轴向尺寸，使整机结构更加紧凑，同时使得叶轮及轴系更加稳定；

(3)将需要进行严格密封的向心透平高速轴端密封问题，通过多方面缓解，最终转移到对减速装置低速端的轴端密封，大大降低了轴端密封的成本和密封结构的复杂性。

附图说明

图1为按照本发明实现的向心透平发电装置的整体示意图；

图2为按照本发明实现的向心透平和减速装置实施例一结构的剖面示意图；

图3为按照本发明实现的向心透平发电装置实施例一中的密闭腔室剖面示意图；

图4为按照本发明实现的向心透平发电装置实施例二结构的剖面示意图；

图5为按照本发明实现的向心透平发电装置实施例二中的密闭腔室剖面示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

Ⅰ.为向心透平，Ⅱ.为减速装置，Ⅲ.为发电机，1-为叶轮，2-蜗壳 3-环形导叶 4-碳环密封 5-密闭腔室 6-螺纹与迷宫环联合密封圈 7-主轴 8-高速端齿轮 9-齿轮组 10-低速端齿轮 11-低速端轴 12-骨架油封 13-联轴器 14-排气孔 15-排油孔 16-压力控制阀 17-排气管 18-减速装置排气孔 19-向心透平膨胀管

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

其中本实施例中的向心透平Ⅰ包括蜗壳2、环形导叶3、叶轮1、输出轴，其作为热功转化装置，将有机工质热能转化为机械能。减速装置Ⅱ包括高速端轴、高速端齿轮8、齿轮组9、低速端轴11、低速端齿轮10，其作为减速装置，将高转速机械能转化为发电机额定转速机械能。发电机Ⅲ通过联轴器13与减速装置Ⅱ低速端轴11连接，将额定转速0机械能转化为电能。向心透平Ⅰ输出轴和减速装置Ⅱ高速端轴设为同一根轴，称为主轴7，使得向心透平Ⅰ叶轮1与减速装置Ⅱ高速端组成特殊的悬臂式结构。向心透平Ⅰ部分，蜗壳2设置在最外层，环形导叶3与蜗壳2出口连接，叶轮1设置于环形导叶3中心，主轴穿过叶轮1中心，并与叶轮1通过热套等方式固定连接，其中，减速装置Ⅱ的减速比等于透平Ⅰ设计转速与发电机Ⅲ额定转速之比。向心透平Ⅰ所用有机工质为制冷剂类、烷烃类、芳香烃类与硅氧烷类等有机物，叶轮1为半开式且带有一定的反动度，叶片数为21，环型导叶3所选叶栅为莫斯科动力学院的TC-4P型超音速叶栅，叶片数为32，蜗壳2截面形状为圆形，按照均匀流量的原则以及自由涡假设的处理方式，逐渐改变其截面面积。

如图1、图2和图3所示，本发明的有机工质向心透平发电装置，在主轴7左端安装叶轮1，右端安装高速端齿轮8，叶轮1后的主轴7上安装有碳环密封4，碳环密封4后安装减速装置螺纹与迷宫环联合密封圈6，在碳环密封4和螺纹与迷宫环联合密封圈6之间形成了一个密闭腔室5，密闭腔室5上开设有排气孔14和排油孔15。叶轮1外圈上安装有环形导叶3，环形导叶3外圈安装蜗壳2，与高速端齿轮8互相啮合的是变速齿轮组9，齿轮组9在图2中做了简化处理，低速端齿轮10与低速端轴11连接，低速端齿轮10后的低速端轴11上设置骨架油封12，发电机Ⅲ通过联轴器13与减速装置低速端轴11连接。

紧跟叶轮1后的主轴7上设置有碳环密封4，阻挡有机工质的泄露，碳环密封4后设置有螺纹与迷宫环联合密封圈6，阻挡减速装置Ⅱ内润滑油的泄露以及有机工质气体泄露至减速装置Ⅱ内。在碳环密封4和螺纹与迷宫环联合密封圈6之间，用机壳连接，形成一个密闭腔室5，避免有机工质气体从碳环密封后泄露到环境中，同时对漏气进行收集处理。在密闭腔室5上开设有排气孔14和排油孔15，定期对向心透平内泄露的有机工质气体和减速装置内泄漏的润滑油排出及处理。

装置工作时，高参数有机工质气体，通过蜗壳2产生沿周向均匀流动的有机工质气流，气流流过环形导叶3，在环形导叶3中有机工质气体流速增大，高速的气流推动叶轮1转动，进而带动主轴7高速旋转，经过齿轮组9减速，将轴功传递到低速端轴11，最后通过联轴器拖动发电机Ⅲ发电。

在这个过程中，由于主轴7和机壳之间存在径向间隙，会引起部分有机工质气体泄露。故在叶轮1后设置有碳环密封4，使得绝大部分有机工质气体在向心透平内循环利用，其中，碳环密封4的结构包括轴套和密封室，密封室内有环形槽，槽内至少装有两个环形石墨密封环，在石墨密封环内径与环形轴套之间存在微量径向间隙，轴套外表面涂有耐磨层。

但少量的有机工质气体穿过碳环密封4进入封闭腔室5，在密闭腔室5上开设排气孔14，定期排除泄露的有机工质气体并收集；不可避免的存在微量的有机工质气体通过螺纹与迷宫环联合密封6进入减速装置Ⅱ内，通过减速装置Ⅱ低速端的骨架油封12同时密封减速装置内润滑油和少量有机工质气体，从而彻底杜绝了有机工质气体泄露到大气环境中。

对于减速装置润滑油的密封，高速端优选螺纹与迷宫环联合密封圈6，螺纹与迷宫环联合密封圈6由螺纹密封和径向迷宫密封组成，螺纹旋向必须满足其产生的轴向推力是将润滑油推入减速装置中。在螺纹密封中，一方面靠螺纹与相对运动件之间的容积变化造成润滑油的压力损失；另一方面，通过螺纹螺旋面对润滑油的作用使润滑油流回箱体。在螺纹密封后接有径向迷宫密封，可以大大增加对减速装置内润滑油密封的效果。而泄漏到密闭腔室5的润滑油可以通过排油孔15定期排出。同时由于螺纹与迷宫环联合密封装置的存在，使得有机工质气体不易进入减速装置中，而是积累在密闭空腔内。若减速箱内油压较高可再添加一个挡油环增强密封性能。

低速端优选骨架油封12，骨架油封12在润滑油压力的作用下，油液渗入油封刃口与转轴之间形成极薄的一层油膜。油膜受油液表面张力的作用，在转轴和油封刃口外沿形成一个“新月面”防止油液外溢，起到密封作用。由于在油封与轴之间存在着油封刃口控制的油膜，此油膜具有流体润滑特性。在液体表面张力的作用下，油膜的刚度恰好使油膜与空气接触端形成一个新月面，防止了工作介质的泄漏，从而实现旋转轴的密封。同时由于油膜的存在，可以起到对漏入到减速装置内有机工质气体的密封。若气体压力较大，可以在骨架油封后安装一个机械密封，彻底解决有机工质气体的密封问题。

将发明运用于太阳能有机朗肯循环热发电。在本实施案例中，向心透平的设计功率为280kw，额定转速8000rpm，选用的有机工质为R123，工质入口温度141.15℃，入口压力1Mpa，压比为6，叶轮入口气流马赫数为1.2。故环形导叶所选叶栅为莫斯科动力学院的TC-4P型超音速叶栅，叶片数为32；叶轮结构为半开式且反动度为0.46，叶片数为21，叶轮外径为0.41m，动叶入口叶片宽度为0.0092m。所设计的向心透平轮周效率为84.22％，透平轴效率为76.6％。

实施例二

在其它装置与本发明实施例一中的相同的情况下，另外，还可以通过在密闭腔室排气孔14出口处用一根排气管17连接到向心透平膨胀管19的末端，如图4、5所示。

由于碳环密封的存在使得绝大部分工质气体在向心透平内循环做功，减少漏气损失，保证了向心透平的效率，少部分气体通过碳环密封4泄漏到密闭腔室5，在密闭腔室5用一根排气管17连接于向心透平膨胀管19的末端，由于向心透平膨胀管19末端压力较低，在压差的作用下密闭腔室5内泄漏的有机工质蒸汽会自动流到向心透平膨胀管19末端，从而实现了对泄漏的有机工质进行回收利用。为防止减速装置中的油气混合物回流至密闭腔室6从而对有机工质气体造成污染，其中如图5所示，在排气管道17上安装有压力控制阀16，使得密闭腔室6内压力稍高于减速装置Ⅱ内压力，同时在减速装置Ⅱ外壳顶部开设排气孔18，定期排出减速装置内气体，并收集处理。而螺纹与迷宫环联合密封圈6对密闭腔室内有机工质气体进行进一步密封，并进一步防止减速装置中润滑油向密闭腔室5的泄漏。同时排油孔15定期排出微量泄漏的润滑油及杂质。

本发明将向心透平输出轴与减速装置高速端轴设为同一根轴，缩短了向心透平和减速箱的轴向长度，使系统结构更加紧凑。同时将向心透平和减速装置设为一体，将原来需要对高速的向心透平轴端进行严格密封的问题通过多方面缓解，最终转移到对减速装置低速端进行密封，大大降低了轴端密封装置的复杂性，便于维护。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种有机工质向心透平发电装置，其特征在于，该发电装置包括依次连接的向心透平(Ⅰ)、减速装置(Ⅱ)及发电机(Ⅲ)；

其中，向心透平(Ⅰ)输出轴与减速装置(Ⅱ)高速端共用一根主轴(7)，使向心透平(Ⅰ)的叶轮(1)与减速装置(Ⅱ)高速端组成悬臂式结构，发电机(Ⅲ)受所述减速装置低速轴端传动；所述向心透平(Ⅰ)将有机工质热能转化为机械能，所述减速装置(Ⅱ)将所述机械能转化为所述发电机(Ⅲ)额定转速机械能，所述发电机(Ⅲ)将额定转速机械能转化为电能；其中向心透平(Ⅰ)的叶轮(1)安装于所述主轴(7)的一端，所述主轴(7)靠近所述叶轮(1)的轮盘背部的外圆周设置有密封装置，所述主轴(7)上与所述密封装置间隔一段距离的外圆周上设置有另一密封装置，两个密封装置之间设置外壳形成密闭腔室(5)。

2.如权利要求1所述的有机工质向心透平发电装置，其特征在于，所述主轴(7)靠近所述叶轮(1)的轮盘背部的外圆周设置的密封装置为碳环密封(4)，用于阻挡所述向心透平(Ⅰ)中有机工质气体的泄露。

3.如权利要求2所述的有机工质向心透平发电装置，其特征在于，所述主轴(7)上与所述碳环密封(4)间隔一段距离的外圆周上设置的另一密封装置为螺纹与迷宫环联合密封圈(6)，用于阻挡所述减速装置(Ⅱ)内润滑油的泄露以及所述有机工质气体泄露至所述减速装置(Ⅱ)内。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的有机工质向心透平发电装置，其特征在于，所述密闭腔室(5)上开设有排气孔(14)和排油孔(15)。

5.如权利要求4所述的有机工质向心透平发电装置，其特征在于，所述减速装置低速端轴上设置有骨架油封(12)，用以密封所述减速装置(Ⅱ)内的润滑油以及进一步密封泄露至所述减速装置(Ⅱ)内的微量所述有机工质气体。

6.如权利要求5所述的有机工质向心透平发电装置，其特征在于，所述密封腔室(5)的所述排气孔(14)出口处通过排气管(17)连接到向心透平膨胀管(19)的末端。

7.如权利要求6所述的有机工质向心透平发电装置，其特征在于，排气管(17)上安装有压力控制阀(16)，使密闭腔室(5)内压力略高于减速装置(Ⅱ)内压力。