CN108141106B - 用于涡轮发电机的绝热设备及以朗肯循环运转的闭合环路 - Google Patents

用于涡轮发电机的绝热设备及以朗肯循环运转的闭合环路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于涡轮发电机的绝热设备，包括：涡轮机(30)，其叶轮(66)被在流体入口(32、32’)与流体出口(34、34’)之间流动的热流体驱动旋转；以及发电机(38)，通过连接轴(36)联接到所述叶轮。根据本发明，在涡轮机(30)与发电机(38)之间的接合处间设有聚合隔热屏。

Description

用于涡轮发电机的绝热设备及以朗肯循环运转的闭合环路
技术领域
本发明涉及一种绝热设备，用于叶轮被热流体驱动旋转的涡轮机与具有联接到该叶轮的转子的发电机，尤其是涡轮发电机之间。
更具体地，该设备适用于以朗肯循环运转的闭合环路的涡轮发电机。
众所周知，朗肯循环是热力学循环，在该热力学循环中，来自外部热源的热量传递到包含工作流体的闭合环路。
该循环通常被分解成：低凝固点工作流体以等熵方式压缩的阶段；以及随后该压缩流体在与热源接触时被加热并蒸发的阶段。之后，在另一阶段，该蒸气在膨胀机中以等熵方式膨胀，然后，在最后阶段，该膨胀蒸气在与冷源接触时冷却并冷凝。
为了执行这些不同的阶段，上述环路包括：泵，用于对液体形式的工作流体进行压缩，并且使之在环路中循环；热交换器(或蒸发器)，由热流体拂过以使至少部分上述压缩流体蒸发；膨胀机，用于使蒸汽膨胀，诸如通过将涡轮机联接到发电机以形成涡轮发电机，从而将该蒸汽的能量转化成诸如电能的另一能量的涡轮机；以及另一热交换器(或冷凝器)；藉此，蒸汽中所含的热量释放到冷源，该冷源通常是拂过该冷凝器的冷却流体或外部空气，从而将该蒸汽转化成液体。
背景技术
众所周知的，尤其是如文献FR-2,884,555所述，使用由内燃机的废气，特别是用于机动车辆的废气所输送的热能来作为供流过该蒸发器的流体加热和蒸发的热源。
这允许通过回收废气中损失的大部分能量来改善该发动机的能量效率，从而将该损失的能量转化成可以通过朗肯循环环路来用于机动车辆的能量。
并排安装在同一轴上和同一个壳体内的涡轮机与发电机的组合可能会在发电机上产生较高的热应力。
实际上，涡轮机使热气体膨胀，该热气体在朗肯循环闭合环路的情况下为有机流体蒸汽，或在蒸汽涡轮机的情况下为过热水蒸汽，该热气体将该热量传递至发电机。
由于涡轮机与发电机之间的几何接近，从涡轮机到发电机的热流的传递仍然是不可避免的。
然而，为了达到期望的性能并以高可靠性运转，发电机不应过热。
因此，发电机的热量管理必须通过诸如发电机壳体的气冷或水冷之类的专用冷却设备来确保。
这些设备结构复杂且成本显著增加。
在具有燃烧腔室的涡轮机的情况下，使用由隔热材料制成的板状热屏障限制从涡轮机部分到发电机部分的热传导也是众所周知的。因而降低了对冷却的需求，这提高了系统效率并延长了其寿命。
然而，这样的屏障需要使用非常耐高温的材料，成本高且具有难以加工的缺点。
本发明旨在通过热屏障来克服上述缺点，该热屏障使用具有简单成分材料的隔热件，并且允许以非常低的成本来实现有效隔热功能。
发明内容
因而，本发明涉及一种绝热设备，用于涡轮发电机，包括：涡轮机，其叶轮被在流体入口与流体出口之间循环的热流体驱动旋转；以及发电机，具有通过连接轴联接到该叶轮的转子；其中，在涡轮机与发电机之间的接合处间设有聚合隔热屏。
隔热屏可以包括被连接轴穿过并间设涡轮机与发电机凸缘之间接合处的板。
隔热屏可以包括具有突出边缘的板，该突出边缘与涡轮机及发电机凸缘协作，以确保涡轮机叶轮轴与发电机转子轴的同轴度。
隔热屏可以由两个同轴组装在一起的同轴部分制成。
隔热屏可以包括：被连接轴穿过的中心部分；以及绕中心部分布置的周边部分。
中心部分能与由涡轮机载有的外壳及由发电机载有的孔协作，而周边部分能与由涡轮机载有的沉孔协作。
中心部分可以包括凹槽，用于与发电机载有的脚跟部协作。
隔热屏可以由聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚甲醛(POM)或至少两种这些材料的混合物制成。
本发明还涉及一种以朗肯循环运转的闭合环路，上述环路包括：压缩/循环泵，用于液体形式的流体；热交换器，被热源拂过以使上述流体蒸发；涡轮发电机，具有联接到发电机的膨胀涡轮机；冷却交换器，被冷源拂过以使工作流体冷凝；工作流体箱；以及工作流体循环管；其中，涡轮发电机包括根据前述特征之一的绝热设备。
附图简述
参照附图，通过阅读以非限制性示例给出的下文的描述，本发明的其它特征和优点将变得清楚，其中：
图1示出了以朗肯循环运转且包括具有本发明绝热设备的涡轮发电机的闭合环路，
图2示出具有本发明绝热设备的涡轮发电机的示意图，
图3是具有本发明绝热设备的涡轮发电机变型的示意图。
具体实施方式
图1中，朗肯循环闭合环路10较佳地是ORC(有机朗肯循环)式的，上述ORC类型使用有机流体或诸如丁烷、乙醇、氢氟烃、二氧化碳等之类有机流体的混合物。
可以理解，上述闭合环路可以使用诸如氨水或水之类的无机流体进行运转。
该环路包括用于工作流体的循环和压缩泵12，在下文中称为泵，该泵具有：入口14，入口14用于液体形式的工作流体；以及出口16，出口16用于亦是液体形式但在高压下压缩的工作流体。该泵有利地被诸如电动机(未示出)之类的任何装置驱动旋转。
该环路还包括热交换器18，上述热交换器18被称为蒸发器，压缩工作流体在用于该液体流体的入口20与出口22之间穿过，其中，工作流体以压缩蒸汽的形式从出口22离开蒸发器。液体形式或气体形式的热源24穿过该蒸发器。该热源可以来自在内燃机的排气管线中循环的废气、内燃机的冷却剂、工业炉的冷却剂或者在热电厂或加热器中加热的热载体流体。
在所示的示例中，热源来自在内燃机28的排气管线26中循环的废气。
该环路还包括膨胀机30，上述膨胀机30通过入口32接收被压缩到高压水平的蒸汽形式的工作流体，该流体通过出口34以膨胀到低压水平的蒸汽形式离开该膨胀机。
较佳地，该膨胀机是膨胀涡轮机的形式，该膨胀涡轮机的叶轮通过驱动连接轴36旋转(在图中以点划线示出)而被热蒸汽形式的工作流体驱动旋转，这允许回收的能量被传递到发电机38。
因而，由涡轮机和发电机构成的组件形成涡轮发电机40。
该环路还包括冷却交换器42或冷凝器，上述冷却交换器42或冷凝器具有：入口44，用于膨胀低压蒸汽；以及出口46，用于工作流体在流过该冷凝器之后转化为液体形式。冷凝器被冷源拂过，上述冷源例如通常是在环境温度下的冷空气流(箭头F)以冷却膨胀的蒸汽，从而使上述蒸汽冷凝并转化成液体。当然，可以使用诸如水之类的其它任何冷却冷源，以确保蒸汽冷凝。
该环路还包括封闭箱48，允许将工作流体维持在液体状态，且优选地包括诸如筒式过滤器之类的过滤器50，用于在将离开箱的工作流体供应进泵之前，对该工作流体进行过滤。
环路的各种元件通过流体循环管52、54、56、58、60、62彼此连接，从而允许依次将泵连接到蒸发器(蒸发器管52)、将蒸发器连接到涡轮机(涡轮机管54)、将涡轮机连接到冷凝器(冷凝器管56)、将冷凝器连接到箱(箱管58)、将箱连接到过滤器(过滤器管60)以及将过滤器连接到泵(泵管62)，以使工作流体沿箭头A所示的方向循环。
现参照图2，其示出了在朗肯循环闭合环路的环境中使用的涡轮发电机40的示例。
该示例并不限制本发明，任一其它类型的涡轮发电机都是可用的。
图2的涡轮发电机包括布置成彼此延伸的涡轮机30和发电机38。
涡轮机包括中空壳体64，中空壳体64包括：叶轮66，优选具有桨叶，容纳在该壳体的腔体中且由叶轮轴68支承；入口32，用于热蒸发的压缩流体；以及出口34，用于膨胀的热流体。
发电机包括外壳69，外壳69容纳该发电机的定子和转子(未示出)。转子由转子轴70支承，该转子轴70从涡轮机的叶轮轴68伸出。
涡轮机的叶轮轴68固定连接到发电机的转子轴70，从而在涡轮机与发电机之间形成连接轴36。
较佳地，连接轴由单轴组成，涡轮机叶轮和发电机转子安装在该单轴上。
较好地如图2所示，涡轮机的壳体64和发电机的外壳69分别具有侧向凸缘72、74，侧向凸缘72,74布置成彼此面对且被连接轴36穿过。
呈聚合板77形式的、特别是圆形截面的隔热屏76间设两个凸缘之间的接合处，同时被连接轴穿过，并且该隔热屏76可以通过诸如拧紧之类的任何已知手段固定到凸缘中的一个和/或另一个。
较佳地，该板由聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚甲醛(POM)或至少两种这些材料的混合物制成。
考虑到由此产生的温度水平，使用这些材料来实现该板是足够的。
此外，它们易于加工，这使得该板可以适应若干个涡轮发电机构造。
因此，不仅能够使用该板来限制甚至防止热量从涡轮机传递到发电机，而且还能够确保涡轮发电机的两个部分，即涡轮机的轴线和发电机的轴线之间的同轴度。
因此，该板呈U形碗部78的形式，较佳地为圆形，该板具有底部80，底部80与碗部的轴线同轴地支撑孔82和圆形侧向边缘84，其中，孔82能够使连接轴通过，圆形侧向边缘84沿着发电机和与孔同轴的轴线的方向突出。因而，该边缘将作为涡轮机与发电机之间的定中元件。因此，该边缘包括内周面86和外周面88，该外周面88大致平行于内周面86并终止于碗部的底部。内周面86具有与凸缘74处的发电机圆形截面相对应的圆形截面，而外周面88具有与涡轮机30的凸缘72载有的凹部90的圆形截面相对应的圆形截面，该涡轮机30具有内周面92和圆形底部94。
为了设置该同轴度，孔82的轴线、由边缘的内周面86限定的部分的轴线、由该边缘的外周面88限定的部分的轴线以及由凹部90的内表面92限定的部分的轴线都是同轴的。
在组装各种元件时，板布置在凸缘74上，以使其内周面86在该凸缘处与发电机的外周面协作，并且使凸缘74与底部80接触。在将元件定位之后，由发电机和板构成的组件安装在涡轮机上，以使板的边缘84的外周面88在隔着在底部94的同时与凹部90的内表面92协作。
一旦该组件完成，则涡轮机和发电机通过任何已知措施固定在一起。
图3的变型与图2的不同之处在于，隔热屏96由两部分构成。
这种构造允许例如将密封元件定位在所需位置处，在当前情况下，即定位在隔热屏的两个部分之间的交界面处。
图3的涡轮发电机包括：涡轮机30'，具有中空壳体64'，该中空壳体64'包括由叶轮轴(未示出)支承的叶轮66'；入口32'，用于热蒸发的压缩流体；以及出口34'，用于膨胀的热流体。发电机包括外壳69’，外壳69’容纳该发电机的定子和转子(未示出)。该转子通过在涡轮机与发电机之间形成连接轴36'(以点划线示出)而被从涡轮机叶轮轴伸出的转子轴(未示出)支承。
较佳地如图3所示，壳体64'和壳体69'分别具有侧向凸缘72'、74'，侧向凸缘72'、74'布置成彼此面对且被连接轴36'穿过，并且两个部分96中的隔热屏布置在这些凸缘之间。
聚合板形式的、特别是圆形截面形式的该隔热屏96为两部分：中心部分98以及围绕该中心部分的周边部分100。
如图2的示例所示，较佳地，该罩由聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚甲醛(POM)或至少两种这些材料的混合物制成。
当然，在不脱离本发明范围的情况下，罩的中心部分和周边部分可以由不同的材料制成。
涡轮机的凸缘72'载有与连接轴的轴线同轴的圆形外壳102，该连接轴穿过该凸缘。外壳具有通向周边唇部106的周边边缘104，该周边唇部106指向壳体的内侧。
通过与外壳的轴线同轴地围绕外壳并通向凸缘72'的外表面的沉孔108，该外壳沿与唇部相反的方向延伸。
类似地，发电机的凸缘74'具有圆孔110，圆孔110具有比涡轮机凸缘外壳小的直径。该外壳藉由具有矩形径向截面的圆形周边脚跟部112而延伸。
罩的中心部分98呈U形碗部114的形式，此处为圆形，具有底部116和侧向边缘118，较佳地为圆形。该底部与碗部的轴线同轴地载有突出部120，此处，该突出部120也具有圆形截面，该突出部120沿碗部的开口方向轴向突出并且被孔122穿过，碗部的轴线、突出部的轴线以及孔的轴线是同轴的。
突出部的径向尺寸大致等于发电机凸缘的孔110的径向尺寸，并且该突出部的轴向尺寸对应于脚跟部112的轴向尺寸。
因而，侧向边缘118与突出部限定出圆形凹槽124，该凹槽124的截面对应于脚跟部112的截面。
隔热屏的周边部分100具有平垫圈126的形状，平垫圈126的厚度小于中心部分98的厚度。
该垫圈具有：与碗部114的边缘118的外径大致对应的内径；与沉孔108的外径大致相等的外径；以及比沉孔的高度稍大的厚度。
为了组装各种元件，仅举例来说，罩的中心部分98以如下方式布置在发电机的凸缘74'上：凸缘的脚跟部112被支撑于中心部分的凹槽124中。然后，垫圈126在中心部分上滑动，直到其搁置于凸缘74'。如此形成的组件定位成与外壳102及沉孔108相对，以将中心部分间设外壳102，并将垫圈间设沉孔。
一旦实现定位，则涡轮机与发电机通过任何已知的措施彼此固定，从而将发电机的凸缘74'与唇部106之间的隔热屏的中心部分以及该凸缘与沉孔底部之间的垫圈封装。

Claims (7)

1.一种用于涡轮发电机的绝热设备，包括：涡轮机(30、30’)，所述涡轮机(30、30’)的叶轮(66、66’)被在流体入口(32、32’)与流体出口(34、34’)之间循环的热流体驱动旋转；以及发电机(38、38’)，所述发电机(38、38’)具有通过连接轴(36、36’)联接到该叶轮的转子；其特征在于，在所述涡轮机(30、30’)与发电机(38、38’)之间的接合处间设有聚合隔热屏(76、96)，其中，所述连接轴由单轴组成，涡轮机的叶轮和发电机的转子安装在该单轴上，所述单轴延伸穿过所述涡轮机的叶轮和所述发电机，所述隔热屏(76’)由彼此组装的两个同轴部分(98、100)构成，所述两个同轴部分中的中心部分(98)包括凹槽(124)，所述凹槽(124)用于与所述发电机载有的脚跟部协作，所述中心部分由具有底部和侧向边缘的U形碗部构成，所述底部载有突出部，所述突出部沿碗部的开口方向轴向突出并且被孔穿过，所述孔的轴线、所述突出部的轴线以及所述碗部的轴线是同轴的，所述突出部的径向尺寸基本上等于所述发电机的孔的尺寸，且所述突出部的轴向尺寸对应于所述脚跟部，所述中心部分与由所述涡轮机载有的外壳协作，且周边部分与由所述涡轮机载有的沉孔协作。
2.如权利要求1所述的绝热设备，其特征在于，所述隔热屏包括被连接轴(36)穿过并间设在所述涡轮机和所述发电机的凸缘(72、74)之间接合处的板(77)。
3.如权利要求1或2所述的绝热设备，其特征在于，所述隔热屏包括具有突出边缘的板(77)，该突出边缘与所述涡轮机和所述发电机的凸缘(72、74)协作，以确保所述涡轮机的叶轮轴与所述发电机的转子轴的同轴。
4.如权利要求1所述的绝热设备，其特征在于，所述隔热屏(76’)包括：被连接轴(36)穿过的中心部分(98)；以及绕所述中心部分布置的周边部分(100)。
5.如权利要求1或4所述的绝热设备，其特征在于，所述中心部分(98)与由所述发电机载有的孔(110)协作。
6.如权利要求1-4中任一项所述的绝热设备，其特征在于，所述隔热屏由聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚甲醛(POM)或至少两种这些材料的混合物制成。
7.一种以朗肯循环运转的闭合环路(10)，所述闭合环路包括：压缩/循环泵(12)，所述压缩/循环泵(12)用于液体形式的流体；热交换器(18)，所述热交换器(18)被热源(24)拂过以使所述流体蒸发；涡轮发电机(40)，所述涡轮发电机(40)具有联接到发电机(38)的膨胀涡轮机(30)；冷却交换器(42)，所述冷却交换器(42)被冷源(F)拂过以使工作流体冷凝；工作流体箱(48)；以及工作流体循环管(50、52、54、56、58、60)；其特征在于，所述涡轮发电机包括前述权利要求中任一项所述的绝热设备。
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