CN109742898B - 一种集成式全封闭低温液力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低温液化余压发电技术，特别涉及一种集成式低温高压液体励磁发电装置。为解决现有低温液力发电装置存在的只能回收能量，不能实现能量转换的技术问题，本发明提供一种集成式全封闭低温液力发电装置，包括涡轮机壳、发电机壳、主轴、进液流道和出液流道；发电机壳的一端通过中段机壳与涡轮机壳连接，另一端与机壳端盖连接；中段机壳内还设置有支撑段；主轴穿过支撑段设置于涡轮机壳与机壳端盖之间；涡轮设置于主轴上；导叶与涡轮机壳内壁固联；发电机壳内设置有励磁机定子绕组和发电机定子绕组；主轴上设置有励磁机转子绕组和发电机转子绕组，发电机壳与出液流道通过回流管相联通。该装置在防泄露的同时，能够将机械能转化为电能输出。

Description

一种集成式全封闭低温液力发电装置

技术领域

本发明涉及低温液化余压发电技术，特别涉及一种集成式全封闭低温高压液体励磁发电装置。

背景技术

合理利用资源是可持续发展战略的重要组成部分，而工业余能的回收再利用则是实施可持续发展战略的关键措施之一，有着巨大的开发潜力和经济价值。

目前低温液力发电装置的动力部分多采用低温液力透平，但低温液力透平只是能量回收装置，旋转轴穿出壳体，使得轴密封存在泄露的隐患，且其不能将能量直接转换为电能，更不能调节发电功率将电能稳定输出。

发明内容

为解决现有低温液力发电装置旋转轴穿出壳体，使得轴密封存在泄露的隐患，且其不能将能量直接转换为电能的技术问题，本发明提供了一种集成式全封闭低温液力发电装置。

本发明的发明构思是：通过将涡轮机、励磁机和发电机集成为一体，将主轴、励磁机、发电机、涡轮机密封在壳体内，消除了轴密封的泄露隐患。发电装置在工作时，高压低温液体对涡轮做功，冲击涡轮转动，涡轮通过主轴带动发电机发电，将发电机转子绕组与励磁机转子绕组同轴设置，由外界励磁电源通过励磁机转子绕组为发电机转子绕组供电，从而实现了将低温流体的势能(动能和压力能)转化为电能。

为达到上述目的，本发明提供的技术解决方案如下：

一种集成式全封闭低温液力发电装置，其特殊之处在于：包括涡轮机壳、发电机壳、主轴、进液流道和出液流道；

所述发电机壳的一端通过中段机壳与涡轮机壳连接，发电机壳的另一端与机壳端盖连接；

所述进液流道设置于中段机壳内；

所述出液流道设置于涡轮机壳或者中段机壳上；

所述中段机壳内还设置有支撑段；所述主轴穿过所述支撑段设置于涡轮机壳与机壳端盖之间；主轴与涡轮机壳支撑段以及机壳端盖分别通过涡轮机轴承、主轴承以及电机轴承连接；

所述涡轮机壳内设置有涡轮和导叶；

所述涡轮设置于主轴上；

所述导叶与涡轮机壳内壁固联；进液导叶设置于进液流道与首级涡轮之间，其余导叶设置于相邻涡轮之间；

首级涡轮与主轴承之间设置有推力平衡环，用于抵消主轴所受的轴向力；

所述发电机壳内设置有励磁机定子绕组和发电机定子绕组；

所述主轴上设置有与励磁机定子绕组对应的励磁机转子绕组；

所述主轴上设置有与发电机定子绕组对应的发电机转子绕组；

所述发电机壳与所述出液流道通过回流管相联通，从进液流道流入的低温液体中，大部分液体进入涡轮机壳内做功，小部分液体经首级涡轮的间隙进入发电机壳内，完成轴承润滑、励磁机和发电机的冷却，再通过回流管汇入出液流道后导出；

所述机壳端盖上设置有第一电线通道；第一电线通道通过螺栓连接有励磁机密封接线端子，励磁机定子绕组的输入端通过励磁机密封接线端子与发电机壳外的励磁电源连接；

所述发电机壳上设置有第二电线通道；第二电线通道通过螺栓连接有发电机密封接线端子，发电机定子绕组通过所述发电机密封接线端子输出电流。

进一步地，为了得到稳定可控的电能，所述励磁机密封接线端子与所述励磁电源之间还连接有励磁控制柜。

进一步地，为保证密封性，所述励磁机密封接线端子为电极与绝缘玻璃一体加工的密封结构；所述发电机密封接线端子为电极与绝缘玻璃一体加工的密封结构。

进一步地，为了方便安装，所述出液流道设置于中段机壳上，出液流道与进液流道相对设置。

进一步地，为了使从励磁机转子绕组进入发电机转子绕组的电流更稳定，所述励磁机转子绕组与所述发电机转子绕组之间还设置有可随主轴旋转的整流模块，整流模块分别与励磁机转子绕组和发电机转子绕组相连接。

进一步地，所述励磁机定子绕组、励磁机转子绕组、发电机转子绕组和发电机定子绕组的线圈外部均包裹有能适应低温液体浸润的绝缘材料。

进一步地，所述涡轮机壳、发电机壳、中段机壳、机壳端盖和主轴均采用耐低温材料。

进一步地，所述耐低温材料为铝合金、钛合金、铜合金或者不锈钢材质。

进一步地，所述涡轮机轴承、主轴承以及电机轴承均为低温陶瓷球轴承。

以上耐低温材料和低温陶瓷球轴承，以及低温液体的绝缘材料的选择都是为了满足发电装置在低温液体中发电的要求。

进一步地，为保证密封性，涡轮机壳与中段机壳之间、中段机壳与发电机壳之间、发电机壳与机壳端盖之间均采用螺栓连接，且连接端面处均设置有密封圈。

本发明相比现有技术的有益效果：

本发明的集成式全封闭低温液力发电装置将励磁机、发电机与涡轮机同轴串联，采用集成式设计，结构完整紧凑，易于安装；壳体采用全封闭结构，密封性能好，利用高压低温液体(如液化空气、液化甲烷和液化轻烃等)的动能和压力能发电，通过调节励磁电流，实现对高压液体降压的同时，将所得压力能转化成功率可控的电能，具体为：

1、将主轴封装在整个壳体内，防止了轴密封处的液体泄露；

2、利用高压低温液体对涡轮做功，将液体的动能和压力能转化成涡轮的动能，不仅回收了高压液体多余的能量，同时满足了工艺流程的降压需要，此为压力能的回收；

3、利用涡轮带动发电机转子绕组旋转进行发电，从而将从高压液体回收的动能和压力能转化成了电能，此为压力能的利用；

4、将励磁机定子绕组与发电装置外部的励磁电源之间安装励磁控制柜，通过励磁控制柜，调节励磁机定子绕组中励磁电流的大小和方向，控制发电机转子绕组产生励磁场的大小，从而控制回收压力能的多少，实现对发电功率的可控调节，得到稳定的电流，此为余能发电的控制；

5、该装置将励磁机、发电机与涡轮机集成为一体，同轴布置在全封闭的壳体内，工作时大部分的液体进入涡轮机壳内做功，小部分液体经首级涡轮的间隙进入发电机壳内，能对发电机壳内的轴承起到润滑作用、对励磁机和发电机的起到冷却作用，可以实现将发电装置全浸没在低温液体中；

6、本发明的发电装置能将液体的富余势能(动能和压力能)转化为电能输出，从而抑制了势能转化为热能，避免了液体升温气化；

7、将进液流道与出液流道对置，使得二者共线，便于安装。

附图说明

图1为本发明集成式全封闭低温液力发电装置的剖视图；

附图标记说明：

1-涡轮机壳；101-导叶；102-涡轮；103-涡轮机轴承；

2-中段机壳；201-进液流道；202-出液流道；203-支撑段；204-主轴承；205-推力平衡环；

3-发电机壳；301-励磁机定子绕组；302-励磁机转子绕组；303-发电机转子绕组；304-发电机定子绕组；305-第二电线通道；306-整流模块；307-电机轴承；308-发电机密封接线端子；

4-机壳端盖；401-第一电线通道；402-励磁机密封接线端子；

5-主轴；

6-回流管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地说明。

如图1所示，本发明的集成式全封闭低温液力发电装置，包括涡轮机壳1、发电机壳3、主轴5、进液流道201、出液流道202；发电机壳3的一端通过中段机壳2与涡轮机壳1连接，发电机壳3的另一端与机壳端盖4连接；涡轮机壳1与中段机壳2之间、中段机壳2与发电机壳3之间、发电机壳3与机壳端盖4之间均采用螺栓连接，且连接端面处均设置有密封圈。进液流道201设置于中段机壳2内；出液流道202设置于中段机壳2上，出液流道202与进液流道201相对设置，使得出液流道202与进液流道201的中心线位于同一条直线，出液流道202与进液流道201上分别设置可以和外接管道连接的法兰。当然出液流道202还可以设置在涡轮机壳1上。涡轮机壳1、中段机壳2发电机壳3及机壳端盖4一起形成密封的外壳，只有位于中段机壳2上的进液流道201和出液流道202分别通过法兰与外接管路联通，消除泄漏隐患。

中段机壳2内还设置有支撑段203，主轴5穿过支撑段203设置于涡轮机壳1与机壳端盖4之间；主轴5与涡轮机壳1、支撑段203以及机壳端盖4分别通过涡轮机轴承103、主轴承204以及电机轴承307支撑。

涡轮机壳1内设置有涡轮102和导叶101；涡轮102设置于主轴5上；导叶101与涡轮机壳1内壁固联；进液导叶101设置于进液流道201与首级涡轮102之间，其余导叶101设置于相邻涡轮102之间；当然，涡轮102的级数可根据具体工况中高压低温液体的压力情况和降压需求设置，可以是一级、两级，也可以为多级，能够达到满足工艺流程需要的降压效果即可。

首级涡轮102与主轴承204之间设置有推力平衡环205；发电机壳3内设置有励磁机定子绕组301和发电机定子绕组304；主轴5上设置有与励磁机定子绕组301对应的励磁机转子绕组302；主轴5上设置有与发电机定子绕组304对应的发电机转子绕组303；发电机壳3与出液流道202通过回流管6相联通。

机壳端盖4上设置有第一电线通道401；第一电线通道401通过螺栓连接有励磁机密封接线端子402，励磁机定子绕组301的输入端通过励磁机密封接线端子402与发电机壳3外的励磁电源连接；发电机壳3上设置有第二电线通道305；第二电线通道305通过螺栓连接有发电机密封接线端子308，发电机定子绕组304通过发电机密封接线端子308输出电流。励磁机密封接线端子402为电极与绝缘玻璃一体加工的密封结构，发电机密封接线端子308为电极与绝缘玻璃一体加工的密封结构。

励磁机密封接线端子402与励磁电源之间还连接有励磁控制柜。励磁机转子绕组302与发电机转子绕组303之间还设置有整流模块306，整流模块306分别与励磁机转子绕组302和发电机转子绕组303相连接。

励磁机定子绕组301、励磁机转子绕组302、发电机转子绕组303和发电机定子绕组304的线圈外部均包裹有能适应低温液体浸润的绝缘材料，绝缘材料在低温液体中不变形、不开裂，且不与低温液体发生化学反应。涡轮机壳1、发电机壳3、中段机壳2、机壳端盖4和主轴5均采用耐低温材料，耐低温材料为铝合金、钛合金、铜合金或者不锈钢。涡轮机轴承103、主轴承204以及电机轴承307均为低温陶瓷球轴承。

工作原理：

高压低温流体由进液流道201经进液导叶101流进首级涡轮102，使首级涡轮102旋转，从而将高压低温流体的压力能转换成涡轮102旋转的动能，高压低温液体从首级涡轮102流出后通过导叶101流向下一级涡轮102，依次类推，高压低温流体的压力逐级降低，最后从出液流道202流出。

高压低温液体对涡轮102做功，将高压低温液体的压力能转换成涡轮102旋转的动能，涡轮102旋转带动主轴5旋转，主轴5带动设置在主轴5上的励磁机转子绕组302和发电机转子绕组303同步旋转，外接励磁电源通过密封的励磁机接线端子将励磁电流通入固定在发电机壳3上的励磁机定子绕组301，在发电机转子绕组303在励磁机定子绕组301产生的励磁场中做切割磁感线运动，励磁机转子绕组302产生的电流经整流模块306流进设置在主轴5上的发电机转子绕组303中，形成旋转的励磁场，固定在发电机壳3上的发电机定子绕组304在旋转的励磁场中产生电流，电流通过发电机密封接线端子308输出从而实现了利用高压低温液体的压力能发电的作用。

在该发电装置正常运行时，通过励磁控制柜调节外接的励磁电源对励磁机定子绕组301中的电流大小和方向进行调节，改变励磁场场强的大小，从而控制励磁机转子绕组302产生的励磁电流的大小，励磁机转子绕组302产生的励磁电流经整流模块306流进设置在主轴5上的发电机转子绕组303中，控制发电机转子绕组303产生的励磁场场强，进而调节发电机的发电电流，实现发电机发电功率的调节，控制能量的转换，最终实现对高压低温液体发电功率的工艺控制。

从进液流道201流入的低温液体中，大部分液体进入涡轮机壳1内做功，小部分液体经首级涡轮102的间隙进入发电机壳3内，完成轴承润滑、励磁机和发电机的冷却，再通过回流管6汇入出液流道202。

本发明的发电装置是利用高压低温液体的压力能进行发电的发电装置，当然，这种集成式全封闭液力发电装置也可以采用其它温度的液体进行发电，只要各部件的材料选取适应选用的高压液体及其温度即可。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种集成式全封闭低温液力发电装置，其特征在于：包括涡轮机壳(1)、发电机壳(3)、主轴(5)、进液流道(201)和出液流道(202)；

所述发电机壳(3)的一端通过中段机壳(2)与涡轮机壳(1)连接，发电机壳(3)的另一端与机壳端盖(4)连接；

所述进液流道(201)设置于中段机壳(2)上；

所述出液流道(202)设置于涡轮机壳(1)或者中段机壳(2)上；

所述中段机壳(2)内还设置有支撑段(203)；所述主轴(5)穿过所述支撑段(203)设置于涡轮机壳(1)与机壳端盖(4)之间；主轴(5)与涡轮机壳(1)、支撑段(203)以及机壳端盖(4)分别通过涡轮机轴承(103)、主轴承(204)以及电机轴承(307)连接；

所述涡轮机壳(1)内设置有涡轮(102)和导叶(101)；

所述涡轮(102)设置于主轴(5)上；

所述导叶(101)与涡轮机壳(1)内壁固联；进液导叶(101)设置于进液流道(201)与首级涡轮(102)之间，其余导叶(101)设置于相邻涡轮(102)之间；

首级涡轮(102)与主轴承(204)之间设置有推力平衡环(205)；

所述发电机壳(3)内设置有励磁机定子绕组(301)和发电机定子绕组(304)；

所述主轴(5)上设置有与励磁机定子绕组(301)对应的励磁机转子绕组(302)；

所述主轴(5)上设置有与发电机定子绕组(304)对应的发电机转子绕组(303)；

所述发电机壳(3)与所述出液流道(202)通过回流管(6)相联通，从进液流道(201)流入的低温液体中，大部分液体进入涡轮机壳(1)内做功，小部分液体经首级涡轮(102)的间隙进入发电机壳(3)内，完成轴承润滑、励磁机和发电机的冷却，再通过回流管(6)汇入出液流道(202)后导出；

所述机壳端盖(4)上设置有第一电线通道(401)；第一电线通道(401)通过螺栓连接有励磁机密封接线端子(402)，励磁机定子绕组(301)的输入端通过励磁机密封接线端子(402)与发电机壳(3)外的励磁电源连接；

所述发电机壳(3)上设置有第二电线通道(305)；第二电线通道(305)通过螺栓连接有发电机密封接线端子(308)，发电机定子绕组(304)通过所述发电机密封接线端子(308)输出电流。

2.根据权利要求1所述的集成式全封闭低温液力发电装置，其特征在于：所述励磁机密封接线端子(402)与所述励磁电源之间还连接有励磁控制柜。

3.根据权利要求1所述的集成式全封闭低温液力发电装置，其特征在于：所述励磁机密封接线端子(402)为电极与绝缘玻璃一体加工的密封结构；所述发电机密封接线端子(308)为电极与绝缘玻璃一体加工的密封结构。

4.根据权利要求1所述的集成式全封闭低温液力发电装置，其特征在于：所述出液流道(202)设置于中段机壳(2)上，出液流道(202)与进液流道(201)相对设置。

5.根据权利要求1至4任一所述的集成式全封闭低温液力发电装置，其特征在于：所述励磁机转子绕组(302)与所述发电机转子绕组(303)之间还设置有可随主轴旋转的整流模块(306)，整流模块(306)分别与励磁机转子绕组(302)和发电机转子绕组(303)相连接。

6.根据权利要求5所述的集成式全封闭低温液力发电装置，其特征在于：所述励磁机定子绕组(301)、励磁机转子绕组(302)、发电机转子绕组(303)和发电机定子绕组(304)的线圈外部均包裹有能适应低温液体浸润的绝缘材料。

7.根据权利要求6所述的集成式全封闭低温液力发电装置，其特征在于：所述涡轮机壳(1)、发电机壳(3)、中段机壳(2)、机壳端盖(4)和主轴(5)均采用耐低温材料。

8.根据权利要求7所述的集成式全封闭低温液力发电装置，其特征在于：所述耐低温材料为铝合金、钛合金、铜合金或者不锈钢材质。

9.根据权利要求8所述的集成式全封闭低温液力发电装置，其特征在于：所述涡轮机轴承(103)、主轴承(204)以及电机轴承(307)均为低温陶瓷球轴承。

10.根据权利要求1所述的集成式全封闭低温液力发电装置，其特征在于：涡轮机壳(1)与中段机壳(2)之间、中段机壳(2)与发电机壳(3)之间、发电机壳(3)与机壳端盖(4)之间均采用螺栓连接，且连接端面处均设置有密封圈。

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