CN107620611A - 一体式发电系统及发电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一体式发电系统及发电方法，该一体式发电系统包括：轴流透平膨胀机及发电机；轴流透平膨胀机的轴流透平与发电机的转子固定在同一根旋转轴上，所述轴流透平在外部输入的工质的驱动下带动所述旋转轴及所述转子转动；所述轴流透平膨胀机的壳体与所述发电机的壳体固定连接，所述旋转轴通过至少两个径向轴承固定于所述轴流透平膨胀机的壳体与所述发电机的壳体内部，其中，所述至少两个径向轴承中的第一径向轴承固定于所述旋转轴的第一轴端，所述至少两个径向轴承中的第二径向轴承固定于所述旋转轴的第二轴端。本方案能够减小旋转轴的振动强度。
Description
技术领域
本发明涉及发电技术领域，特别涉及一体式发电系统及发电方法。
背景技术
随着环境问题日益受到关注，如何提高能源的利用率，减少环境污染已经成为研究热点。在工业生产中经常会产生一些废热，通过有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)可以回收这些废热进行发电，实现能源的重复利用，提高能源的利用率。在有机朗肯循环中，高压工质在膨胀机中膨胀驱动透平转动，进而使透平带动发电机转动进行发电，为了防止有害、易燃易爆或影响环境的工质从膨胀机的轴端泄露或混入空气对环境或用户造成危害，目前一般采用膨胀机与发电机一体式设计。
由于轴流透平相对于向心透平具有成本低、功率高的特点，所以目前一体式设计的膨胀机与发电机中一般采用轴流透平膨胀机。
目前一体式设计的膨胀机与发电机，将轴流透平膨胀机与发电机集成到一起后，轴流透平膨胀机的旋转轴以悬臂的形式对轴流透平进行支撑，当轴流透平的转速较高时，旋转轴由于较大的径向位移而发生较强的振动，导致轴流透平膨胀机及发电机的工作稳定性较低。
发明内容
本发明实施例提供了一体式发电系统及发电方法，能够减小旋转轴的振动强度。
本发明实施例提供了一体式发电系统，包括：轴流透平膨胀机及发电机；
所述轴流透平膨胀机的轴流透平与所述发电机的转子固定在同一根旋转轴上，所述轴流透平在外部输入的工质的驱动下带动所述旋转轴及所述转子转动；
所述轴流透平膨胀机的壳体与所述发电机的壳体固定连接，所述旋转轴通过至少两个径向轴承固定于所述轴流透平膨胀机的壳体与所述发电机的壳体内部，其中，所述至少两个径向轴承中的第一径向轴承固定于所述旋转轴的第一轴端，所述至少两个径向轴承中的第二径向轴承固定于所述旋转轴的第二轴端。
在本发明一个优选实施例中，
所述轴流透平膨胀机的工质输出端与所述转子相邻。
在本发明另一个优选实施例中，
所述轴流透平膨胀机的工质输入端与所述转子相邻，且所述轴流透平膨胀机的工质输出端位于所述旋转轴的延长线上。
在本发明一个优选实施例中，
所述发电机包括：永磁直驱发电机或励磁发电机。
其中，
当所述发电机为永磁直驱发电机时，所述发电机的壳体的壳壁上设置有冷却通道，所述冷却通道用于传输冷却介质，以对所述永磁直驱发电机进行冷却，其中，
所述冷却通道以螺旋的形式或以至少两条环形通道并行的形式设置于所述发电机的壳体的壳壁上。
优选地，进一步包括：凝汽器；
所述凝汽器分别与所述冷却通道及所述轴流透平膨胀机相连；
所述凝汽器，用于对所述轴流透平膨胀机输出的所述工质进行冷凝，形成液态工质；
所述冷却通道，用于传输所述凝汽器形成的所述液态工质，以通过所述液态工质对所述永磁直驱发电机进行冷却。
在本发明一个优选实施例中，
所述轴流透平包括：单级轴流透平或多级轴流透平。
在本发明一个优选实施例中，
该一体式发电系统进一步包括：至少一个轴向轴承；
所述轴向轴承的内圈与所述旋转轴固定连接，所述轴向轴承的外圈与所述轴流透平膨胀机的壳体或所述发电机的壳体固定连接，用于对所述旋转轴的轴向位置进行固定。
在本发明一个优选实施例中，
所述径向轴承包括：滚动轴承、滑动轴承或电磁轴承。
其中，
当所述径向轴承为电磁轴承时，进一步包括：至少两个停车轴承；
所述停车轴承固定于所述轴流透平膨胀机的壳体或所述发电机的壳体上，与所述径向轴承相邻，并与所述旋转轴相连；
所述停车轴承，用于在所述电磁轴承没有正常工作时对所述旋转轴的径向位置进行限定。
在本发明一个优选实施例中，
该一体式发电系统进一步包括：密封圈；
所述密封圈与所述旋转轴相连，位于所述轴流透平膨胀机的壳体与所述发电机的壳体的连接处，用于对所述轴流透平膨胀机的壳体内的所述工质进行密封，其中，
所述密封圈包括：迷宫密封圈、梳式密封圈、刷式密封圈、气密封装置、填料密封装置及机械密封装置中的任意一种。
本发明实施例还提供了一种利用上述任意一种一体式发电系统进行发电的方法，所述发电机的定子固定于所述发电机的壳体内部，包括以下步骤：
通过外部输入的工质驱动所述轴流透平，使所述旋转轴及所述转子转动；
利用所述定子，根据所述转子的转动形成电能并输出。
在本发明一个优选实施例中，
当所述发电机的壳体的壳壁上设置有冷却通道时，进一步包括：
使冷却介质通过所述冷却通道，对所述永磁直驱发电机进行冷却。
其中，
所述使冷却介质通过所述冷却通道，以对所述永磁直驱发电机进行冷却包括：
通过所述凝汽器将所述膨胀机输出的所述工质进行冷凝，形成液态工质；
通过所述冷却通道传输所述凝汽器产生的所述液态工质，以通过所述液态工质对所述永磁发电机进行冷却。
本发明实施例提供的一体式发电系统及发电方法，旋转轴通过至少两个径向轴承固定于轴流透平膨胀机及发电机的壳体内，至少两个径向轴承中的第一径向轴承和第二径向轴承分别固定于旋转轴的两端。这样，轴流透平膨胀机的轴流透平及发电机的转子均位于第一径向轴承与第二径向轴承之间，第一径向轴承与第二径向轴承以两端支撑的形式对旋转轴进行固定，由于两端具有径向轴承支撑，旋转轴在转动时不会产生较大的径向位移，从而减小了旋转轴的振动强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例提供的一体式发电系统的示意图；
图2是本发明另一个实施例提供的一体式发电系统的示意图；
图3是本发明又一个实施例提供的一体式发电系统的示意图；
图4是本发明一个实施例提供的冷却通道的示意图；
图5是本发明一个实施例提供的电磁轴承及停车轴承与旋转轴连接结构的示意图；
图6是本发明一个实施例提供的发电方法流程。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一体式发电系统，包括：轴流透平膨胀机10及发电机20；
所述轴流透平膨胀机10的轴流透平101与所述发电机20的转子201固定在同一个根旋转轴30上，所述轴流透平101在外部输入的工质的驱动下带动所述旋转轴30及所述转子201转动；
所述轴流透平膨胀机10的壳体与所述发电机20的壳体固定连接，所述旋转轴30通过至少两个径向轴承固定于所述轴流透平膨胀机10的壳体与所述发电机20的壳体内部，其中，所述至少两个径向轴承中的第一径向轴承102固定于所述旋转轴30的第一轴端，所述至少两个径向轴承中的第二径向轴承202固定与所述旋转轴30的第二轴端。
本发明实施例提供的一体式发电系统中，旋转轴通过至少两个径向轴承固定于轴流透平膨胀机及发电机的壳体内，至少两个径向轴承中的第一径向轴承和第二径向轴承分别固定于旋转轴的两端。这样，轴流透平膨胀机的轴流透平及发电机的转子均位于第一径向轴承与第二径向轴承之间，第一径向轴承与第二径向轴承以两端支撑的形式对旋转轴进行固定，由于两端具有径向轴承支撑，旋转轴在转动时不会产生较大的径向位移，从而减小了旋转轴的振动强度。
在本发明一个实施例中，发电机的转子可以与轴流透平膨胀机的工质输出端相邻，也可以与轴流透平膨胀机的工质输入端相邻，根据轴流透平膨胀机的工质输入端及工质输出端与发电机转子的相对位置，一体式发电系统具有如下两个不同的形式：
形式1：轴流透平膨胀机的工质输入端与发电机的转子相邻；
形式2：轴流透平膨胀机的工质输出端与发电机的转子相邻；
下面结合相应的附图，分别对形式1及形式2下的一体式发电机系统进行说明：
对于形式1：
在该形式1下，如图2所示，第一径向轴承102及第二径向轴承202分别设置于旋转轴30的两端，其中，第一径向轴承102与轴流透平膨胀机10的壳体105相固定，第二径向轴承202与发电机20的壳体205相固定；轴流透平膨胀机10的壳体105与发电机20的壳体205固定连接，将旋转轴30密封于轴流透平膨胀机10的壳体105及发电机20的壳体205内。轴流透平膨胀机10的工质输入端106与发电机20的转子201相邻，轴流透平膨胀机10的工质输出端107位于旋转轴30向第一径向轴承102一端延长的延长线上。
如图2所示，工质输入端106即为轴流透平膨胀机10的热端，工质输出端107即为轴流透平膨胀机10的冷端，将轴流透平膨胀机10的热端与发电机20相邻设置，可以将轴流透平膨胀机10的热端设置在旋转轴30的延长线上。由于轴流透平膨胀机10的工质输出端107位于旋转轴30的延长线上，只有工质输入端106位于旋转轴30的长度范围内，因而可以缩短旋转轴30的长度；旋转轴30缩短后可以进一步减小其径向位移，从而进一步减小旋转轴30的振动程度，提高轴流透平膨胀机10及发电机20的工作稳定性。另外，轴流透平膨胀机10的工质输出端107位于旋转轴30的延长线上，工质从工质输入端106进入膨胀机10驱动轴流透平101转动之后，沿旋转轴30的轴线方向从工质输出端107流出轴流透平膨胀机10，因而可以实现在轴流透平膨胀机10的轴向连接凝汽器，工质在从轴流透平膨胀机10进入凝汽器的过程中受到的阻力较小，从而减小了工质的压力损失，提高了能量的转换效率。
对于形式2：
在该形式2下，如图3所示，第一径向轴承102及第二径向轴承202分别设置于旋转轴30的两端，旋转轴30上依次设置有第一径向轴承102、轴流透平101、转子201及第二径向轴承202；第一径向轴承102与轴流透平膨胀机10的壳体105相固定，第二径向轴承202与发电机20的壳体205相固定，旋转轴30通过第一径向轴承102及第二径向轴承202固定在由轴流透平膨胀机10的壳体105与发电机20的壳体205组成的密封壳体内。由于第一径向轴承102及第二径向轴承202分别固定在旋转轴30的两端，而轴流透平101及转子201固定于第一径向轴承102与第二径向轴承202之间，两端支撑的结构使旋转轴30不易发生径向变形，从而保证旋转轴30在旋转时不产生较大程度的振动，提高了轴流透平膨胀机10及发电机20的工作稳定性。
如图3所示，轴流透平膨胀机10的工质输入端106用于接收外部输入的工质，将工质导流到轴流透平膨胀机10内进行做功，轴流透平膨胀机10的工质输出端107用于将做功完成的工质从轴流透平膨胀机10内部导出；沿旋转轴30的轴线方向，工质输出端107位于工质输入端106与发电机20的转子201之间。由于工质在轴流透平膨胀机10中进行绝热膨胀，因而工质输出端107的温度低于工质输入端106的温度，将工质输出端107与发电机20相邻设置，可以减少轴流透平膨胀机10传递给发电机20的热量，从而降低发电机20对于冷却的设计要求。
在本发明一个实施例中，如图1所述，一体式发电系统中的发电机20可以为永磁直驱发电机，也可以为励磁发电机，根据发电功率的大小可以灵活选择发电机的类型；无论发电机20是永磁直驱发电机还是励磁发电机，一体式发电系统都具有上述形式1及形式2两种不同的结构形式。
当发电机20为励磁发电机时，由于励磁发电机的功率较大，在发电过程中会产生大量的热，因而需要在励磁发电机的内部设置冷却结构，将凝液输入励磁发电机壳体内部后导出，凝液进入励磁发电机壳体内部后吸收励磁发电机发电过程中产生的热量，凝液从励磁发电机壳体内部流出后将励磁发电机产生的热量导出，从而实现对磁力发电机进行散热。通过这种散热方式，可以有效地降低励磁发电机内部的温度，满足励磁发电机对冷却的要求。
当发电机20为永磁直驱发电机时，由于永磁直驱发电机在发电过程中产生的热量较少，所以无需在永磁直驱发电机的内部设置冷却结构，仅需在壳体外部进行冷却便可以满足永磁直驱发电机对冷却的要求。具体地，可以在永磁直驱发电机的壳壁上设置冷却通道，在冷却通道内传输冷却介质，冷却介质在冷却通道内流动的过程中将永磁直驱发电机产生的热量带走，以达到对永磁直驱发电机进行冷却的目的。
在本发明一个实施例中，当发电机20为永磁直驱发电机时，可以通过冷却通道对永磁直驱发电机进行冷却，永磁直驱发电机壳壁上设置的冷却通道可以具有不同的结构形式，根据冷却通道在永磁直驱发电机的壳体上的布置方式，冷却通道可以具有如下两种布置方式：
布置方式1：螺旋缠绕的布置方式；
布置方式2：多通道并行的布置方式；
下面分别对布置方式1及布置方式2两种不同结构形式的冷却通道进行详细说明：
对于布置方式1：
如图4所示，永磁直驱发电机的壳壁上设置有冷却通道206，冷却通道206以螺旋的形式攀附于永磁直驱发电机的壳体205的壳壁上，冷却介质从入口2061进入冷却通道206，在冷却通道206中螺旋流动后从出口2062流出，冷却介质在冷却通道206中流动时可以吸收永磁直驱发电机产生的热量，当冷却介质从出口2062流出后将永磁直驱发电机产生的热量带走，以对永磁发电机进行冷却。这种冷却通道结构简单，可以为单个通道螺旋攀附于永磁直驱发电机的壳壁上，也可以为多个通道平行螺旋攀附于永磁直驱发电机的壳壁上，可以根据永磁直驱发电机的冷却需要确定通道的数据。
对于布置方式2：
当冷却通道为至少两条环形通道并行的形式时，冷却通道包括介质输入管、介质输出管及至少两条并行的环形通道，环形通道为“C”形结构，并列布置于永磁直驱发电机的壳壁上；环形通道的一端与介质输入管相连，环形通道的另一端与介质输出管相连；冷却介质从介质输入管进入各个环形通道，冷却介质在环形通道内流动吸收永磁发电机产生的热量，冷却介质从介质输出管流出将永磁发电机产生的热量带走，以对永磁发电机进行冷却。如图2或图3所示，冷却通道206以8条环形通道并行的形式设置于永磁直驱发电机20的壳体205的壳壁上。这种多条环形通道并行的冷却通道相对于螺旋形式的冷却通道结构较复杂，但各条环形通道内的冷却介质相互独立，而且可以包括有较多数量的环形通道，可以更加均匀地对永磁直驱发电机进行冷却，并具有更加有效的冷却效果。
在本发明一个实施例中，可以通过冷却水等系统外部的冷却介质对永磁直驱发电机进行冷却，也可以将膨胀机输出的工质冷凝成液态后作为冷却介质对永磁直驱发电机进行冷却。
当以工质作为冷却介质对永磁发直驱电机进行冷却时，一体式发电系统进一步包括有凝汽器。凝汽器分别与冷却通道206及轴流透平膨胀机10相连；凝汽器接收轴流透平膨胀机10输出的气态工质，对气态工质进行冷凝后形成液态工质，并通过管道将全部或部分液态工质传输给冷却通道206；冷却通道206对液态工质进行传输，液态工质可以吸收永磁直驱发电机20产生的热量，当液态工质从冷却通道206中流出后，将永磁直驱发电机20产生的热量带走，以对永磁直驱发电机20进行冷却。
由于轴流透平膨胀机10输出的高温低压工质需要经过凝汽器等设备成为低温低压工质，通过压缩设备对低温低压工质进行加压后形成低温高压工质，低温高压工质进入蒸发器成为高温高压工质，高压高温工质进入轴流透平膨胀机10膨胀做功后重新形成高温低压工质，实现工质的循环利用。将从凝汽器输出的低温低压工质或从压缩设备输出的低温高压工质输入永磁直驱发电机20上的冷却通道206，一方面，低温工质可以更好的对永磁直驱发电机20进行冷却；另一方面，低温工质本身需要进入蒸发器进行吸热，将低温工质输入冷却通道206，低温工质可以吸收永磁直驱发电机20产生的热量，在对永磁直驱发电机20进行冷却的同时实现对低温工质进行预加热，提高了能源的利用率。
在本发明一个实施例中，如图1所示，轴流透平膨胀机10的轴流透平101可以为单级轴流透平，也可以为多级轴流透平，轴流透平101的级数可以根据发电机20的发电功率进行确定。由于旋转轴30通过位于其两端的第一径向轴承102及第二径向轴承202进行固定，无论轴流透平101是单级轴流透平还是多级轴流透平，旋转轴30均不会产生较大的径向位移，从而避免了由于旋转轴30振动程度过大导致一体式发电机系统无法正常工作的情况发生。
在本发明一个实施例中，一体式发电系统进一步还可以包括轴向轴承，轴向轴承的内圈与旋转轴固定连接，外圈与轴流透平膨胀机的壳体或发电机的壳体固定连接，轴向轴承用于对旋转轴的轴向位置进行固定。径向轴承可以对旋转轴的径向位置进行约束，但是不能提供对旋转轴的轴向位置进行约束的力，而轴流透平在转动过程中会对旋转轴施加轴向的推力，通过轴向轴承将旋转轴与轴流透平膨胀机的壳体或发电机的壳体相连，轴向轴承可以产生与轴流透平产生的推力方向相反的力，该力用于抵消轴流透平产生的推力，从而轴向轴承可以对旋转轴的轴向位置进行约束，保证旋转轴的工作稳定性
如图2或图3所示，轴向轴承40的内圈固定在旋转轴30上，外圈与轴流透平膨胀机10的壳体105固定连接。当轴流透平101转动对旋转轴30产生轴向推力时，轴向轴承40在旋转轴30上产生抵消该推力的作用力，以对旋转轴30的轴向位置进行约束，使旋转轴30与轴流透平膨胀机10的壳体105在轴线方向上的相对位置处于允许的范围内。
需要说明的是，由于角接触轴承能够同时产生轴向作用力和径向作用力，当采用角接触轴承作为径向轴承时，角接触轴承本身可以对旋转轴的轴向位置进行约束，因而无需另外设置轴向轴承；另外，当旋转轴的轴径不唯一时，可以在密封壳体上设置限位结构，使旋转轴的轴肩与限位结构相接触，通过密封壳体上的限位结构对旋转轴的轴向位置进行约束，此时也无需另外设置轴向轴承。
在本发明一个实施例中，径向轴承可以为滚动轴承、滑动轴承，也可以为电磁轴承。当径向轴承为滚动轴承或滑动轴承时，可以通过工质对滚动轴承或滑动轴承进行润滑冷却；当径向轴承为电磁轴承时，由于电磁轴承与旋转轴不进行直接接触，电磁轴承与旋转轴之间不会因为摩擦而产生热量或造成能量损失，因而无需对电磁轴承设计润滑冷却系统，而且可以减少能量损失，提高一体式发电系统的发电效率。
当径向轴承为电磁轴承时，一体式发电系统进一步包括有至少两个停车轴承，停车轴承与电磁轴承相邻设置，固定于轴流透平膨胀机的壳体或发电机的壳体上，并与旋转轴相连；由于电磁轴承通过电磁力对旋转轴进行支撑，如果在旋转轴高速转动的过程中电磁轴承不能正常输出电磁力，高速转动的旋转轴将对轴流透平膨胀机及发电机内部的构件造成严重的损坏，甚至产生危险；在与电磁轴承相邻的位置上设置停车轴承，当电磁轴承出现故障不能对转动中的旋转轴进行支撑时，停车轴承对旋转轴进行支撑，保证旋转轴能够停车，安全的停止转动，从而提高一体式发电系统的安全性。
如图2或图3所示，第一径向轴承102与第二径向轴承202均为电磁轴承，停车轴承104及停车轴承204分别设置于旋转轴30的两端，并与旋转轴30相连，其中，停车轴承104与第一径向轴承102相邻，固定于轴流透平膨胀机10的壳体105上，停车轴承204与第二径向轴承202相邻，固定于发电机20的壳体205上。当电磁轴承102与电磁轴承202中的一个或两个发生故障不能产生对旋转轴30进行支撑的电磁力时，停车轴承104及停车轴承204与旋转轴30相接触，对旋转轴30进行支撑，以使旋转轴30能够安全的停止转动，即实现旋转轴30的安全停车。
为了更加清楚的说明停车轴承的工作原理，下面对停车轴承及电磁轴承的相对位置进行详细说明。如图5所示，旋转轴30上设置有电磁轴承102和电磁轴承202，并设置有停车轴承104及停车轴承204，其中停车轴承104与电磁轴承102相邻，停车轴承204与电磁轴承202相邻，电磁轴承102、电磁轴承202、停车轴承104及停车轴承204均固定在外壳上。停车轴承104和停车轴承204的工作轴线比电磁轴承102和电磁轴承202的工作轴线低，当电磁轴承102和电磁轴承202没有输出电磁力或电磁力不足时，旋转轴30的轴线与停车轴承104和停车轴承204的工作轴线相重合，由停车轴承104和停车轴承204对旋转轴30进行支撑；当电磁轴承102和电磁轴承202正常输出电磁力时，旋转轴30在电磁力的作用下位置升高，旋转轴30与停车轴承104及停车轴承204分离，此时旋转轴30的轴线与电磁轴承102和电磁轴承202的工作轴线相重合，旋转轴30在电磁轴承102和电磁轴承202的电磁力作用下处于悬浮状态。其中，停车轴承104和停车轴承204可以为滑动轴承。
在本发明一个实施例中，一体式发电系统还包括密封圈，密封圈与旋转轴相连，设置于轴流透平膨胀机的壳体与发电机的壳体的连接处，用于对轴流透平膨胀机的壳体内的工质进行密封，防止过多的工质进入发电机内部导致发电机不能正常工作的情况发生。密封圈可以采用迷宫密封圈、梳式密封圈或刷式密封圈，可以通过气封、填料密封或及机械密封的方式对轴流透平膨胀机内的工质进行密封。
如图2或图3所示，在轴流透平膨胀机10的壳体105与发电机20的壳体205的连接处设置有用于旋转轴30通过的轴孔，密封圈50位于该轴孔处，并与旋转轴30相连。密封圈50对轴流透平膨胀机10中的工质进行密封，防止轴流透平膨胀机10的壳体105内较多的工质通过轴流透平膨胀机10的壳体105及发电机20的壳体205上的轴孔进入发电机20的壳体205，造成发电机20工作异常的情况发生，提高发电机20运行的可靠性。其中，密封圈50可以为刷式密封圈，由于刷式密封圈的尺寸较小，通过刷式密封圈对轴流透平膨胀机10内的工质进行密封，可以减小旋转轴30的长度，进一步减小旋转轴30在径向上的位移，从而进一步减小旋转轴30的振动程度，提高旋转轴30工作的稳定性。
如图6所示，本发明一个实施例提供了利用本发明实施例提供的任意一种一体式发电系统进行发电的方法，包括：
步骤601：通过外部输入的工质驱动所述轴流透平101，使所示旋转轴30及所述转子201转动；
步骤602：利用所述转子203，根据所述转子201的转动形成电能并输出。
本发明提供的发电方法，工质驱动轴流透平膨胀机中的轴流透平转动，轴流透平带动旋转轴及发电机中的转子转动，发电机中的定子根据转子的转动情况形成电能并输出，由于旋转轴的两端设置有径向轴承，旋转轴在两端支撑的情况下不易发生径向变形，因而可以减小旋转轴在转动过程中的振动强度。
在本发明一个实施例中，当发电机为永磁直驱发电机时，在旋转轴转动的过程中，使冷却介质通过永磁直驱发电机外壳上的冷却通道，以对永磁直驱发电机进行冷却。采用永磁直驱发电机作为一体式发电系统中的发电机，可以通过在永磁直驱发电机外壳上设置冷却通道来对永磁直驱发电机进行冷却，而无需在发电机内设置复杂的冷却系统，提高了发电机的工作稳定性。
在本发明一个实施例中，可以通过冷却水等系统外部的冷却介质对永磁直驱发电机进行冷却，也可以将膨胀机输出的工质冷凝成液态后作为冷却介质对永磁直驱发电机进行冷却。当将工质作为冷却介质时，可以将轴流透平膨胀机的工质输出端与冷却通道的输入端相连，将冷凝成液态的由轴流透平膨胀机输出的工质作为冷却介质输入到永磁直驱发电机外壳上的冷却通道，来对永磁直驱发电机进行冷却。由于轴流透平膨胀机输出的工质本身需要进行加热以进入下一循环，将轴流透平膨胀机输出的工质作为冷却介质，在对永磁直驱发电机进行冷却的同时可以对工质进行回热，提高了能源的利用率。
本发明提供的一体式发电系统及发电方法至少具有如下有益效果：
1、在本发明的一体式发电系统及发电方法中，旋转轴通过至少两个径向轴承固定于轴流透平膨胀机及发电机的壳体内，至少两个径向轴承中的第一径向轴承和第二径向轴承分别固定于旋转轴的两端。这样，轴流透平膨胀机的轴流透平及发电机的转子均位于第一径向轴承与第二径向轴承之间，第一径向轴承与第二径向轴承以两端支撑的形式对旋转轴进行固定，由于两端具有径向轴承支撑，旋转轴在转动时不会产生较大的径向位移，从而减小了旋转轴的振动强度。
2、在本发明的一体式发电系统及发电方法中，发电机可以采用永磁直驱发电机，由于永磁直驱发电机产生的热量少，因而无需在永磁直驱发电机内部设置复杂的冷却系统，只需在永磁直驱发电机的外部进行冷却便可以满足冷却要求，减小发电机内部设置的冷却系统，可以提高发电机的工作稳定性。
3、本发明的一体式发电系统及发电方法中，可以将电磁轴承作为径向轴承对旋转轴进行支撑，由于电磁轴承与旋转轴不进行直接接触，而是通过磁悬浮的形式对旋转轴进行支撑，电磁轴承与旋转轴之间不会产生摩擦，从而可以减小旋转轴转动过程中能量的损失；另外，由于没有摩擦，从而不会产生摩擦生热的现象，因而无需设置润滑冷却装置，降低轴承的设计难度。
4、本发明的一体式发电系统及发电方法中，当径向轴承为电磁轴承时，一体式发电系统进一步包括有停车轴承，停车轴承可以在电磁轴承无法正常工作时使旋转轴安全停车，避免旋转轴、电磁轴承等部件的损坏，提高了一体式发电系统的安全性。
5、本发明的一体式发电系统及发电方法中，轴流透平膨胀机的工质输出端可以与永磁直驱发电机外壳上的冷却通道相连，将轴流透平膨胀机输出的工质冷却后作为冷却介质输入到冷却通道中，由于从膨胀机输出的工质本身需要进行重新加热以进入下一个循环，将工质作为冷却介质，在对永磁直驱发电机进行冷却的同时，可以对工质进行回热，对永磁直驱发电机产生的热量进行再次利用，提高能源的利用率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。
最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (14)
1.一体式发电系统，其特征在于，包括：轴流透平膨胀机(10)及发电机(20)；
所述轴流透平膨胀机(10)的轴流透平(101)与所述发电机(20)的转子(201)固定在同一根旋转轴(30)上，所述轴流透平(101)在外部输入的工质的驱动下带动所述旋转轴(30)及所述转子(201)转动；
所述轴流透平膨胀机(10)的壳体与所述发电机(20)的壳体固定连接，所述旋转轴(30)通过至少两个径向轴承固定于所述轴流透平膨胀机(10)的壳体与所述发电机(20)的壳体内部，其中，所述至少两个径向轴承中的第一径向轴承(102)固定于所述旋转轴(30)的第一轴端，所述至少两个径向轴承中的第二径向轴承(202)固定于所述旋转轴(30)的第二轴端。
2.根据权利要求1所述的一体式发电系统，其特征在于，
所述轴流透平膨胀机(10)的工质输出端(107)与所述转子(201)相邻。
3.根据权利要求1所述的一体式发电系统，其特征在于，
所述轴流透平膨胀机(10)的工质输入端(106)与所述转子(201)相邻，且所述轴流透平膨胀机(10)的工质输出端(107)位于所述旋转轴(30)的延长线上。
4.根据权利要求1所述的一体式发电系统，其特征在于，
所述发电机(20)包括：永磁直驱发电机或励磁发电机。
5.根据权利要求4所述的一体式发电系统，其特征在于，
当所述发电机(20)为永磁直驱发电机时，所述发电机(20)的壳体的壳壁上设置有冷却通道(206)，所述冷却通道(206)用于传输冷却介质，以对所述永磁直驱发电机进行冷却，其中，
所述冷却通道(206)以螺旋的形式或以至少两条环形通道并行的形式设置于所述发电机(20)的壳体的壳壁上。
6.根据权利要求5所述的一体式发电系统，其特征在于，进一步包括：凝汽器；
所述凝汽器分别与所述冷却通道(206)及所述轴流透平膨胀机(10)相连；
所述凝汽器，用于对所述轴流透平膨胀机(10)输出的所述工质进行冷凝，形成液态工质；
所述冷却通道(206)，用于传输所述凝汽器形成的所述液态工质，以通过所述液态工质对所述永磁直驱发电机进行冷却。
7.根据权利要求1所述的一体式发电系统，其特征在于，
所述轴流透平(101)包括：单级轴流透平或多级轴流透平。
8.根据权利要求1所述的一体式发电系统，其特征在于，进一步包括：至少一个轴向轴承(40)；
所述轴向轴承(40)的内圈与所述旋转轴(30)固定连接，所述轴向轴承(40)的外圈与所述轴流透平膨胀机(10)的壳体或所述发电机(20)的壳体固定连接，用于对所述旋转轴(30)的轴向位置进行固定。
9.根据权利要求1所述的一体式发电系统，其特征在于，
所述径向轴承(102、202)包括：滚动轴承、滑动轴承或电磁轴承。
10.根据权利要求9所述的一体式发电系统，其特征在于，
当所述径向轴承(102、202)为电磁轴承时，进一步包括：至少两个停车轴承；
所述停车轴承(104、204)固定于所述轴流透平膨胀机(10)的壳体或所述发电机(20)的壳体上，与所述径向轴承相邻，并与所述旋转轴(30)相连；
所述停车轴承(104、204)，用于在所述电磁轴承没有正常工作时对所述旋转轴(30)的径向位置进行限定。
11.根据权利要求1至10中任一所述的一体式发电系统，其特征在于，进一步包括：密封圈(50)；
所述密封圈(50)与所述旋转轴(30)相连，位于所述轴流透平膨胀机(10)的壳体与所述发电机(20)的壳体的连接处，用于对所述轴流透平膨胀机(10)的壳体内的所述工质进行密封，其中，
所述密封圈(50)包括：迷宫密封圈、梳式密封圈、刷式密封圈、气密封装置、填料密封装置及机械密封装置中的任意一种。
12.利用权利要求1至11中任一所述一体式发电系统进行发电的方法，所述发电机(20)的定子(203)固定于所述发电机(20)的壳体内部，其特征在于，包括以下步骤：
通过外部输入的工质驱动所述轴流透平(101)，使所述旋转轴(30)及所述转子(201)转动(601)；
利用所述定子(203)，根据所述转子(201)的转动形成电能并输出(602)。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，
当所述发电机(20)的壳体的壳壁上设置有冷却通道(206)时，进一步包括：
使冷却介质通过所述冷却通道(206)，以对所述永磁直驱发电机进行冷却。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，
所述使冷却介质通过所述冷却通道(206)，以对所述永磁直驱发电机进行冷却包括：
通过所述凝汽器将所述膨胀机(10)输出的所述工质进行冷凝，形成液态工质；
通过所述冷却通道(206)传输所述凝汽器(10)产生的所述液态工质，以通过所述液态工质对所述永磁发电机进行冷却。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN111120024A (zh) * | 2019-12-23 | 2020-05-08 | 东方电气集团东方汽轮机有限公司 | 一种利用级间气体冷却发电机的有机工质发电装置 |
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2016
- 2016-07-15 CN CN201610562206.2A patent/CN107620611A/zh active Pending
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