CN107476833B - 零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机及系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机及系统与方法，发电机由第一、第二轴承室、进气室、主壳体、透平发电机转子、电机定子、尾壳体和通气管组成，透平机与发电机共用壳体，透平叶轮与电机转子直连，转子两端由磁轴承悬浮支撑，电机定子整体置于主壳体中，透平膨胀降温后的有机工质直接从环形绕组定子的内外流道流过，带走电机发热并用于系统回热部分，本发明通过一体化透平机和发电机设计，完全解决了密封问题，通过将电机整体作为透平工质流道，既解决了电机散热问题，又避免了散热系统额外的能量损耗，且充分利用了电机热量，通过磁轴承支撑和转子叶轮直连，减少了机械损耗，极大提高了系统效率。

Description

零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机及系统与方法

技术领域

本发明涉及一种用于低温热源有机朗肯循环的透平发电系统，具体涉及一种零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机及系统与方法。

背景技术

随着新能源技术的加速推广，利用有机朗肯循环发电系统的太阳能、废气、地热等低温能量回收技术已经得到广泛使用，但该系统使用的有机工质沸点低、易挥发、价格昂贵且有些具有毒性，在使用过程中不允许泄漏，对机组的密封性能要求很高；

现有透平膨胀发电系统通常采用各种手段在叶轮轴处对有机工质进行动密封，如迷宫密封、干气密封以及各种接触式密封，密封结构昂贵、复杂、寿命有限，且都不能保证完全的零泄漏；

现有透平膨胀发电机大都采用机械轴承支撑，轴承的机械磨损降低了系统的机械效率，且需要单独安排轴承的润滑系统，现有一些使用有机工质对轴承进行润滑的，但其润滑流道十分复杂，对于以高转速运转的透平发电机，机械轴承的使用更是极大限制了整机寿命，同时现有中小功率向心透平膨胀发电机多采用叶轮轴悬臂支撑形式，悬臂段挠度大，高速旋转时振动较大；

现有对透平膨胀发电机组电机部分的散热主要采用强制通风冷却和水套冷却两种方法，需要额外的风机、水泵等对电机提供散热介质，耗费额外的电能，降低了系统整体的发电效率，其中强制通风冷却方法散热效率不高，而使用水、导热油以及最新的使用蒸发前有机工质等对电机散热的方法，通常冷却液只能沿着机壳固定流道冷却定子铁芯外缘，对转子和绕组的散热效果不佳，对电机内部产生的热量也缺乏有效利用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种零泄漏、无轴承磨损、散热效果好、系统效率高的磁悬浮透平膨胀发电机及系统与方法。

一种零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机，由壳体、叶轮轴、电机轴、第一磁悬浮轴承系统、第二磁悬浮轴承系统、透平叶轮、环形绕组定子组成，所述壳体内部从前到后依次分为进气室、蜗室、排气道，所述进气室内还设置有第一轴承室，所述进气室底部与第一轴承室底部之间安装有透平机有叶喷嘴环，使得进气室仅通过所述透平机有叶喷嘴环与蜗室相通，所述排气道由前向后依次分为排气道上游、排气道中游、排气道下游，排气道下游内部设置有第二轴承室，所述叶轮轴从前向后依次为叶轮轴支撑段、叶轮轴叶轮安装段，所述电机轴从前向后依次为电机轴首段、电机轴中段永磁体、转子护套、电机轴尾段；

所述叶轮轴支撑段位于第一轴承室内，并通过所述第一磁悬浮轴承系统支撑；叶轮轴叶轮安装段伸入蜗室，所述透平叶轮安装于叶轮轴叶轮安装段；

所述电机轴首段与叶轮轴叶轮安装段首尾相连，电机轴首段位于排气道上游，所述电机轴中段永磁体和转子护套位于排气道中游，所述环形绕组定子安装于排气道中游，环形绕组定子的内槽作为排气道中游内流道，环形绕组定子的外槽作为排气道中游外流道，其中外槽流道面积可通过增加定子外径和减少外槽数的方法增大以适应透平排出的有机工质对流道面积的要求，透平后流过环形绕组定子内外流道的有机工质作为定子的散热介质，为定子铁芯、绕组以及转子护套散热，所述电机轴尾段伸入第二轴承室内，并通过所述第二磁悬浮轴承系统支撑；

所述第一轴承室与排气道上游由一根通气管道连通，平衡叶轮轮盘底部与叶轮出口处的气压，同时在透平发电机运转时，延叶轮轴支撑段泄漏进第一轴承室的有机工质，通过所述管道导回透平机排气道，实现泄漏工质的回收。

利用所述的零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机的发电系统，其特征在于：由储液罐、有机工质泵、蒸发器、零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机、回热器、冷凝器组成；其中储液罐出口与有机工质泵入口相连，有机工质泵出口与回热器低温管道入口相连，回热器低温管道出口与蒸发器入口相连，蒸发器出口与零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机进气室相连，零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机排气口与回热器高温管道入口相连，回热器（85）高温管道出口与冷凝器入口相连，冷凝器出口与储液罐入口连通。

一种零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电系统的发电方法，其具体工作过程是：

发电系统运行时，液态有机工质由有机工质泵从储液罐泵入回热器预热，再进入蒸发器，被低温热源蒸发至饱和蒸汽后进入零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机，驱动透平发电机高速运转，经透平机膨胀降压并吸收电机发热后的有机工质蒸汽在排出零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机后进入回热器，将自身热能传递给泵出的低温液态有机工质，初步冷凝并转化为不饱和蒸汽，再进入冷凝器，由冷却介质冷却至液态存入储液罐；

零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机的具体工作过程是：

高温高压的有机工质蒸汽从进气口进入零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机的进气室后，在有叶喷嘴环中被导流、膨胀加速，进入蜗室并推动向心透平膨胀叶轮高速旋转，将工质能量转化为机械能输出给电机轴，进而由在环形绕组定子中旋转的永磁体切割电机绕组产生电能，经向心透平机膨胀降温降压后的有机工质排入排气道上游，分别经过排气道中游内流道、排气道中游外流道流过电机定转子，利用温差给定子铁芯、电机绕组和转子护套散热同时二次加温有机工质，气体工质流入排气道下游并从排气口排出磁悬浮透平膨胀发电机。

进一步的，所述第一磁悬浮系统和第二磁悬浮系统均由轴向磁悬浮轴承、径向磁悬浮轴承和与转子不接触的机械保护轴承组成；

进一步的，所述排气道上游的内腔为沿轴向渐扩形式，所述第二轴承室尾端装有轴向渐缩的导流锥，所述排气道下游末端为轴向渐缩形式，所述第二轴承室与壳体通过带环形通气孔的连接板相连。

本发明具有如下有益效果：

（1）通过一体化透平膨胀机和发电机，避免了有机工质经过转子与壳体的密封段泄漏到大气

（2）用于低温余热有机朗肯循环的碳氢氟类有机工质不导电、无腐蚀、沸点低，对电机和磁轴承的绝缘没有特殊要求，通过将电机定子铁芯的内外流道直接作为膨胀后有机工质的流道，可以对定子和转子进行充分冷却，不需要额外的电机降温措施和冷却通道及其带来的额外能量消耗，通过使用冷却电机后的有机工质进入回热器预热进入蒸发器前的低温液态有机工质，充分利用了电机发热的热量，同时因为使用环形绕组，使电机轴向长度大为缩短，减小了转子长度使之具有更好的动力学性能；

（3）通过使用主动磁悬浮轴承支撑透平膨胀发电机转子，实现了无接触支撑，避免了摩擦损耗和额外的润滑机构，通过电磁轴承支撑力的主动调节，可以有效抑制转子运行时的振动，使透平发电机稳定高速运行，通过在叶轮两端实施轴承支撑，解决了传统悬臂结构叶轮转子高速旋转时振动量大的问题；

（4）通过将第一轴承室与主壳体通过管道连接，实现了泄漏有机工质的回收，并建立了叶轮出口和轮背压力平衡，有效降低了叶轮所受轴向力；

（5）通过将转子叶轮一体化设计，避免了连轴器等带来的额外机械损失。

附图说明

图1为磁悬浮透平膨胀发电机图

图2为环形绕组定子

图3为低温热源有机朗肯循环发电系统图

其中标号名称：1—第一轴承室；11—第一轴承室壳体；12—第一轴承室端盖；13—保护轴承；14—保护轴承架；15—轴向磁悬浮轴承；16—径向磁悬浮轴承；17—轴向动密封件；110—导向叶；2—壳体；21—进气室壳体；22—主壳体；23—尾壳体；31—进气室；32—有叶喷嘴环；33—蜗室；34—排气道；341—排气道上游；342—排气道中游；343—排气道下游；4—第二轴承室；41—第二轴承室壳体，42—通气孔；43—第二轴承室端盖；44—导流锥；45—定位套筒；51—叶轮轴；511—叶轮轴支撑段；512—叶轮轴与透平叶轮装配段；52—透平叶轮；53—发电机轴；531—电机轴首段；532—电机轴中段永磁体；533—转子护套；534—电机轴尾段；6—环形绕组定子；61—内流道；62—外流道；63—定子铁芯；64—电机绕组；7—通气管；81—储液罐；82—有机工质泵；83—蒸发器；84—磁悬浮透平膨胀机；85—回热器；86—冷凝器。

具体实施方式

请参照图1—图3所示，本发明一种防泄漏自冷却磁悬浮透平膨胀发电机及系统与方法，其透平发电机部分包括第一轴承室1、壳体2、第二轴承室4、透平发电机转子5、环形绕组定子6、通气管7和尾壳体8；所述第一轴承室1置于透平膨胀发电机首端；所述第一轴承室壳体11作为所述进气室31的内壁，与所述进气室壳体21共同构成筒状气进室31；所述进气室31与所述主壳体首端的有叶喷嘴环32连通，所述进气室31内的有机工质流入所述喷嘴环32后，通过固定在第一轴承室底端的导向叶110导流并膨胀加速，然后流入所述蜗室33，驱动透平叶轮52并带动所述发电机轴53高速旋转；经所述透平叶轮52膨胀降温后的有机工质延电机轴首段531流入所述主壳体22的排气道上游341；所述环形绕组定子6装在所述主壳体22内，流过所述气道上游341的有机工质分别经过所述定子内流道61和定子外流道62流入电机，将整个环形绕组定子6和电机轴53包裹在有机工质中，对整个电机进行冷却并带走电机内的发热进入所述气道下游343；所述第二轴承室置于所述主壳体22内、环形绕组定子6后部，所述第二轴承室壳体41通过法兰与主壳22体连接，上开环形通气孔42，所述第二轴承室4尾端装有轴向渐缩的导流锥44，所述尾壳体23通过法兰与所述第二轴承室壳体连接，流经所述排气道下游343的有机工质通过通气孔42、排气孔231排出透平发电机。

所述保护轴承13、保护轴承架14、轴向磁轴承15、径向磁轴承16依次轴向装入所述第一轴承室1和第二轴承室4，分别由第一轴承室端盖12和第二轴承室43进行轴向定位。

所述主壳体22在排气道上游341尾端开有台阶面，对所述环形绕组定子6轴向限位，所述第二轴承室壳体41加工有轴向伸出的定位套筒45，对所述环形绕组定子6进行轴向定位。

所述透平发电机转子5由所述叶轮轴51、透平叶轮52、电机轴前端531、电机轴中段永磁体体532、转子护套533、电机轴尾段534组成，所述透平叶轮52和电机轴前段53与所述叶轮轴51直接，所述电机轴前段531、电机轴中段永磁体532、电机轴尾段534通过转子护套533热套连接。

所述轴向动密封件17分别装在所述第一轴承室壳体11和第二轴承室壳体41上，对通过转轴泄漏进轴承室1、4的有机工质进行密封，所述通气管7连通第一轴承室1与排气道上游341，将泄漏进所述第一轴承室1的有机工质导回主壳体3，同时平衡所述第一轴承室1与排气道上游341的气压，即使叶轮顶端与轮盘底端的气压相平衡，减小所述透平叶轮52所受的的轴向力。

发电系统运行时，液态有机工质由有机工质泵82从储液罐81泵入回热器85预热，再进入蒸发器83，被低温热源蒸发至饱和蒸汽后进入磁悬浮透平膨胀发电机84，驱动透平发电机高速运转，经透平机膨胀降压并吸收电机发热后的有机工质蒸汽在排出透平发电机84后进入回热器85，将自身热能传递给泵出的低温液态有机工质，初步冷凝并转化为不饱和蒸汽，在进入冷凝器86，由冷却介质冷却至液态存入储液罐81。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机，其特征在于：

包括壳体（2）、叶轮轴（51）、透平叶轮（52）、电机轴（53）、第一磁悬浮轴承系统、第二磁悬浮轴承系统、环形绕组定子（6）；

上述壳体（2）内部从前到后依次分为进气室（31）、蜗室（33）、排气道（34）；

上述进气室（31）内还设置有第一轴承室（1），上述进气室底部与主壳体顶部之间作为透平机有叶喷嘴环（32），使得进气室仅通过上述透平机有叶喷嘴环（32）与蜗室（33）相通；

上述排气道由前向后依次分为排气道上游（341）、排气道中游（342）、排气道下游（343），排气道下游内部设置有第二轴承室（4）；

上述叶轮轴（51）从前向后依次为叶轮轴支撑段（511）、叶轮轴叶轮安装段（512）；上述电机轴（53）从前向后依次为电机轴首段（531）、电机轴中段永磁体（532）、转子护套（533）、电机轴尾段（534）；

上述叶轮轴支撑段（511）位于第一轴承室（1）内，并通过所述第一磁悬浮轴承系统支撑；叶轮轴叶轮安装段（512）伸入主壳体（22），所述透平叶轮（52）安装于叶轮轴叶轮安装段（512）；

上述电机轴首段（531）与叶轮轴叶轮安装段（512）首尾相连，电机轴首段（531）位于排气道上游（341），所述电机轴中段永磁体（532）和转子护套（533）位于排气道中游（342）， 上述环形绕组定子（6）安装于排气道中游（342），环形绕组定子的内槽作为排气道中游内流道（61），环形绕组定子的外槽作为排气道中游外流道（62）；

上述电机轴尾段（534）伸入第二轴承室（4）内，并通过所述第二磁悬浮轴承系统支撑；

第二轴承室（4）尾端装有轴向渐缩的导流锥（44）；

上述排气道下游末端为轴向渐缩形式；

上述第一轴承室（1）与排气道上游（341）由一根通气管道（7）连通。

2.根据权利要求1所述的零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机，其特征在于：所述第一磁悬浮轴承系统和第二磁悬浮轴承系统均由轴向磁悬浮轴承、径向磁悬浮轴承和与转子不接触的机械保护轴承组成。

3.根据权利要求1所述的零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机，其特征在于：所述排气道上游（341）的内腔为沿轴向渐扩形式。

4.根据权利要求1所述的零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机，其特征在于：所述第二轴承室(4)与壳体（2）通过带环形通气孔的连接板相连。

5.利用权利要求1所述的零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机的发电系统，其特征在于：

由储液罐（81）、有机工质泵（82）、蒸发器（83）、零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机（84）、回热器（85）、冷凝器（86）组成；其中储液罐（81）出口与有机工质泵（82）入口相连，有机工质泵（82）出口与回热器（85）低温管道入口相连，回热器（85）低温管道出口与蒸发器（83）入口相连，蒸发器（83）出口与零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机（84）进气室相连，零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机（84）排气口与回热器（85）高温管道入口相连，回热器（85）高温管道出口与冷凝器（86）入口相连，冷凝器（86）出口与储液罐（81）入口连通。

6.根据权利要求5所述的利用零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机的发电系统的发电方法，其特征在于：

发电系统运行时，液态有机工质由有机工质泵（82）从储液罐（81）泵入回热器（85）预热，再进入蒸发器（83），被低温热源蒸发至饱和蒸汽后进入零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机（84），驱动透平发电机高速运转，经透平机膨胀降压并吸收电机发热后的有机工质蒸汽在排出零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机（84）后进入回热器（85），将自身热能传递给泵出的低温液态有机工质，初步冷凝并转化为不饱和蒸汽，再进入冷凝器（86），由冷却介质冷却至液态存入储液罐（81）；

零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机（84）的具体工作过程是，高温高压的有机工质蒸汽从进气口进入零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机（84）的进气室（31）后，在有叶喷嘴环（32）中被导流、膨胀加速，进入蜗室（33）并推动向心透平膨胀叶轮高速旋转，将工质能量转化为机械能输出给电机轴，进而由在环形绕组定子（6）中旋转的电机轴中段永磁体（532）切割电机绕组（64）产生电能，经向心透平机膨胀降温降压后的有机工质排入排气道上游（341），分别经过排气道中游内流道（61）、排气道中游外流道（62）流过电机定转子，利用温差给定子铁芯（63）、电机绕组（64）和转子护套（533）散热同时二次加温有机工质，气体工质流入排气道下游（343）并从排气口（231）排出磁悬浮透平膨胀发电机。