CN113864000B - 一种朗肯循环发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及朗肯循环发电领域，尤其涉及一种朗肯循环发电系统。该系统包括换热蒸发设备、双级压缩膨胀一体设备、冷凝设备和工质储罐；双级压缩膨胀一体设备包括电机外壳、电机轴、磁轴承装置、第一叶轮、第一蜗壳、第二叶轮和第二蜗壳；电机外壳的内孔嵌设有电机定子，电机轴设置有与电机定子位置相对应的电机转子；磁轴承装置套设在电机轴外壁，第一叶轮和第二叶轮分别固定连接至电机轴两端；第一叶轮和第二叶轮都设置有膨胀叶片和压缩叶片，第一蜗壳和第二蜗壳都设置有膨胀通道和压缩通道，膨胀叶片和压缩叶片分别位于膨胀通道和压缩通道内；该系统减少了能量传递的次数和能量损失，提高了整个系统发电效率。

Description

一种朗肯循环发电系统

技术领域

本发明涉及朗肯循环发电领域，尤其涉及一种朗肯循环发电系统。

背景技术

有机朗肯循环发电是通过利用低温热来加热某种沸点较低的工质，使之变为高压有机蒸汽，推动汽轮机去带动发电机发电。和常规的有机朗肯循环一样，由冷凝蒸发器、汽轮机、冷凝器和工质泵组成，工质在热力设备中不断进行等压加热、绝热膨胀、等压放热和绝热压缩过程，使热能不断转化为机械能，再由发电机将机械能转化为人们所需要的电能。

中国实用新型专利申请（公开号CN203626906U，公开日：20140604）公开了一种蒸汽朗肯循环-低温型有机朗肯循环复叠式高效发电装置，包括水蒸气朗肯循环装置和低温型有机朗肯循环装置；所述水蒸气朗肯循环装置包括依次连接成环的高压锅炉、第一热功动力转换机械、冷凝蒸发器和水泵；所述低温型有机朗肯循环装置包括依次连接成环的储液罐、工质泵、冷凝蒸发器、第二热功动力转换机械、冷凝器。该装置将水蒸汽朗肯循环装置与低温型有机朗肯循环装置复叠，能够有效利用水蒸汽朗肯循环装置低温乏汽中的热量，大大提高了热量的利用效率。

现有技术存在以下不足：传统的朗肯循环发电系统中，换热蒸发设备将加热后的高压工质输送至膨胀发电设备带动其膨胀涡轮转动进而发电，高压工质做功后变为低压工质并且经过冷凝设备冷却进入工质储罐；而后膨胀发电设备将部分电能输送至外置压缩泵从而将工质储罐输出的低压工质压缩为高压工质并且输送至换热蒸发设备中完成工质循环。而此种方式中，膨胀过程和压缩过程为两个独立的过程，将低压工质压缩为高压工质时需要先将膨胀涡轮转动的机械能转化为膨胀发电设备的电能，而后将膨胀发电设备的电能转化为外置压缩泵的机械能将低压工质压缩；从而造成压缩过程需要经过多次的能量传递，降低了整个系统的发电效率。

发明内容

本发明的目的是：针对上述问题，提出在第一叶轮和第二叶轮上分别设置膨胀叶片和压缩叶片，使得高压工质带动膨胀涡轮转动的同时带动压缩叶轮转动将低压工质压缩；从而将膨胀过程和压缩过程一体完成，直接将膨胀涡轮转动的机械能转化为压缩叶轮的机械能；减少了能量传递的次数和能量损失，提高了整个系统发电效率的一种朗肯循环发电系统。

为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种朗肯循环发电系统，该系统包括换热蒸发设备、双级压缩膨胀一体设备、冷凝设备和工质储罐；双级压缩膨胀一体设备包括电机外壳、电机轴、磁轴承装置、第一叶轮、第一蜗壳、第二叶轮和第二蜗壳；电机外壳的内孔嵌设有电机定子，电机轴设置有与电机定子位置相对应的电机转子；磁轴承装置套设在电机轴外壁，第一叶轮和第二叶轮分别固定连接至电机轴两端；第一叶轮和第二叶轮都设置有膨胀叶片和压缩叶片，第一蜗壳和第二蜗壳都设置有膨胀通道和压缩通道，膨胀叶片和压缩叶片分别位于膨胀通道和压缩通道内；换热蒸发设备输出端分别与第一蜗壳和第二蜗壳的膨胀通道径向输入端相连通，两者的膨胀通道的轴向输出端分别与冷凝设备输入端相连通；冷凝设备通过工质储罐分别与第一蜗壳和第二蜗壳的压缩通道轴向输入端相连通，两者的压缩通道径向输出端分别与换热蒸发设备的输入端相连通。

作为优选，膨胀叶片和压缩叶片在轴向背靠背设置。

作为优选，第一蜗壳和第二蜗壳都设置有压力平衡板，压力平衡板轴向两侧面分别位于膨胀通道和压缩通道内；压力平衡板位于膨胀通道内的侧面设置有入口导叶，入口导叶位于膨胀叶片径向外侧，入口导叶用于对流入膨胀叶片的工质进行导流，提高膨胀效率；压力平衡板位于压缩通道内的侧面设置有扩压器，扩压器位于压缩叶片径向外侧，扩压器用于对流出压缩叶片的工质进行导流，提高压缩效率。

作为优选，膨胀叶片在轴向外侧设置有整流罩，整流罩用于对膨胀通道排出的工质进行导向，提高出气效率。

作为优选，电机外壳包括电机筒、前保护轴承座和后保护轴承座，前保护轴承座和后保护轴承座分别固定在电机筒两端，第一蜗壳和第二蜗壳分别固定在前保护轴承座和后保护轴承座外侧面；前保护轴承座和后保护轴承座都设置有轴向贯穿的第六通道，并且前保护轴承座和后保护轴承座的第六通道分别与第一蜗壳和第二蜗壳的压缩通道的输入端相连通。

作为优选，前保护轴承座和电机筒之间、后保护轴承座和电机筒之间、第一蜗壳与前保护轴承座之间、第二蜗壳与后保护轴承座之间都设置有O型密封圈。

作为优选，磁轴承装置包括固定在电机外壳上的第一径向磁轴承、第二径向磁轴承、第一轴向磁轴承和第二轴向磁轴承；电机轴固定设置有第一径向轴承转子、第二径向轴承转子、第一推力盘和第二推力盘；第一径向磁轴承和第二径向磁轴承分别位于电机轴两端并且分别与第一径向轴承转子和第二径向轴承转子的位置相对应；第一轴向磁轴承和第二轴向磁轴承分别位于电机轴两端，并且分别位于第一推力盘和第二推力盘的轴向外侧。

作为优选，双级压缩膨胀一体设备还设置有保护轴承，多个保护轴承套设在电机轴外壁并且分别设置在前保护轴承座和后保护轴承座的内孔内；保护轴承外圈与前保护轴承座和后保护轴承座的内孔过盈配合，保护轴承内圈与电机轴外壁存在间隙。

作为优选，电机筒设置有螺旋形状的水冷通道，水冷通道输入端和输出端分别用于连接进水装置和排水装置。

作为优选，电机外壳设置有径向贯穿的第一通道；电机定子包括第一电机定子、第二电机定子和定子隔板，定子隔板位于第一电机定子和第二电机定子之间，定子隔板设置有径向贯穿的第二通道；电机转子包括分别与第一电机定子和第二电机定子位置相对应的第一电机转子和第二电机转子，第一电机转子和第二电机转子都包括硅钢片、磁钢、铁芯隔板和转子压板；多个硅钢片在轴向对齐并且相互堆叠，铁芯隔板和转子压板分别位于堆叠后的硅钢片的轴向两端，并且两者分别设置有轴向贯穿的第三通道和第四通道；硅钢片设置有通风孔和磁钢凹槽，磁钢固定嵌设在堆叠后的磁钢凹槽内，多个硅钢片堆叠后的通风孔形成轴向贯穿的第五通道；第一通道、第二通道、第三通道、第五通道、第四通道、第六通道和压缩通道的输入端相连通形成工质散热通道。

本发明采用上述技术方案的一种朗肯循环发电系统的优点是：

工作时，换热蒸发设备将加热后的高压工质分别输出至双级压缩膨胀一体设备的第一蜗壳和第二蜗壳的膨胀通道径向输入端进而推动膨胀叶片转动，膨胀叶片转动的同时带动电机轴转动进而使得双级压缩膨胀一体设备发电，高压工质做功后变为低压工质并且经过冷凝设备冷却进入工质储罐；电机轴转动的同时带动压缩叶片转动将工质储罐输出的冷却后的低压工质压缩为高压工质输送至换热蒸发设备完成工质循环。而此种方式中，高压工质带动膨胀叶片转动的同时带动压缩叶片转动将低压工质压缩；从而将膨胀过程和压缩过程一体完成，直接将膨胀叶片转动的机械能转化为压缩叶片的机械能；在能量转化的过程中，减少了电能转化为压缩叶轮的机械能的过程；从而减少了能量传递的次数和能量损失，提高了整个系统发电效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为双级压缩膨胀一体设备的结构示意图。

图3-5为第一叶轮的结构示意图。

图6为第一蜗壳的结构示意图。

图7、图8为前保护轴承座的结构示意图。

图9为双级压缩膨胀一体设备的工质散热通道的结构示意图。

图10、图11为电机筒的结构示意图。

图12、图13为定子隔板的结构示意图。

图14为双级压缩膨胀一体设备的转子系统的结构示意图。

图15、图16为第一电机转子的结构示意图。

图17、图18为转子压板的结构示意图。

图19、图20为铁芯隔板的结构示意图。

L1-加热后的高压工质、L2-低压工质、L3-冷却后的低压工质、L4-高压工质、A-热水、B-冷水、C-废蒸汽、废热水或废烟气等产生的余热、D-换热蒸发设备的排出物。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

实施例1

如图1、图2所示，一种朗肯循环发电系统，该系统包括换热蒸发设备1、双级压缩膨胀一体设备2、冷凝设备3和工质储罐4；双级压缩膨胀一体设备2包括电机外壳21、电机轴22、磁轴承装置23、第一叶轮24、第一蜗壳25、第二叶轮26和第二蜗壳27；电机外壳21的内孔嵌设有电机定子211，电机轴22设置有与电机定子211位置相对应的电机转子221；磁轴承装置23套设在电机轴22外壁，第一叶轮24和第二叶轮26分别固定连接至电机轴22两端；第一叶轮24和第二叶轮26都设置有膨胀叶片241和压缩叶片242，第一蜗壳25和第二蜗壳27都设置有膨胀通道251和压缩通道252，膨胀叶片241和压缩叶片242分别位于膨胀通道251和压缩通道252内；换热蒸发设备1输出端分别与第一蜗壳25和第二蜗壳27的膨胀通道251径向输入端相连通，两者的膨胀通道251的轴向输出端分别与冷凝设备3输入端相连通；冷凝设备3通过工质储罐4分别与第一蜗壳25和第二蜗壳27的压缩通道252轴向输入端相连通，两者的压缩通道252径向输出端分别与换热蒸发设备1的输入端相连通。工作时，换热蒸发设备1将加热后的高压工质分别输出至双级压缩膨胀一体设备2的第一蜗壳25和第二蜗壳27的膨胀通道251径向输入端进而推动膨胀叶片241转动，膨胀叶片241转动的同时带动电机轴22转动进而使得双级压缩膨胀一体设备2发电，高压工质做功后变为低压工质并且经过冷凝设备3冷却进入工质储罐4；电机轴22转动的同时带动压缩叶片242转动将工质储罐4输出的冷却后的低压工质压缩为高压工质输送至换热蒸发设备1完成工质循环。而此种方式中，高压工质带动膨胀叶片241转动的同时带动压缩叶片242转动将低压工质压缩；从而将膨胀过程和压缩过程一体完成，直接将膨胀叶片241转动的机械能转化为压缩叶片242的机械能；在能量转化的过程中，减少了电能转化为压缩叶轮的机械能的过程；从而减少了能量传递的次数和能量损失，提高了整个系统发电效率。

膨胀叶片241和压缩叶片242在轴向背靠背设置。膨胀叶片241和压缩叶片242的形状相同，旋向相反。平衡轴向力的同时，也使磁轴承装置23受力更平衡。

如图6所示，第一蜗壳25和第二蜗壳27都设置有压力平衡板253，压力平衡板253轴向两侧面分别位于膨胀通道251和压缩通道252内；压力平衡板253位于膨胀通道251内的侧面设置有入口导叶254，入口导叶254位于膨胀叶片241径向外侧，入口导叶254用于对流入膨胀叶片241的工质进行导流，提高膨胀效率；压力平衡板253位于压缩通道252内的侧面设置有扩压器255，扩压器255位于压缩叶片242径向外侧，扩压器255用于对流出压缩叶片242的工质进行导流，提高压缩效率。此种方式中，膨胀叶片241的膨胀蜗壳和压缩叶片242的压缩蜗壳一体设置，使得结构更加紧凑。膨胀通道251入口与压缩通道252出口的工质压力相等，两处几乎没有工质流动，极大的减小了泄漏量，大大的提高了流场效率。

如图2所示，膨胀叶片241在轴向外侧设置有整流罩243，整流罩243用于对膨胀通道251排出的工质进行导向，提高出气效率。

电机外壳21包括电机筒212、前保护轴承座213和后保护轴承座214，前保护轴承座213和后保护轴承座214分别固定在电机筒212两端，第一蜗壳25和第二蜗壳27分别固定在前保护轴承座213和后保护轴承座214外侧面；前保护轴承座213和后保护轴承座214都设置有轴向贯穿的第六通道66，并且前保护轴承座213和后保护轴承座214的第六通道66分别与第一蜗壳25和第二蜗壳27的压缩通道252的输入端相连通。

前保护轴承座213和电机筒212之间、后保护轴承座214和电机筒212之间、第一蜗壳25与前保护轴承座213之间、第二蜗壳27与后保护轴承座214之间都设置有O型密封圈从而保证设备的密封性。

磁轴承装置23包括固定在电机外壳21上的第一径向磁轴承231、第二径向磁轴承232、第一轴向磁轴承233和第二轴向磁轴承234；电机轴22固定设置有第一径向轴承转子222、第二径向轴承转子223、第一推力盘224和第二推力盘225；第一径向磁轴承231和第二径向磁轴承232分别位于电机轴22两端并且分别与第一径向轴承转子222和第二径向轴承转子223的位置相对应；第一轴向磁轴承233和第二轴向磁轴承234分别位于电机轴22两端，并且分别位于第一推力盘224和第二推力盘225的轴向外侧。第一径向磁轴承231和第二径向磁轴承232分别通过控制第一径向轴承转子222和第二径向轴承转子223的径向位置进而对电机轴22进行径向支撑，第一轴向磁轴承233和第二轴向磁轴承234分别通过控制第一推力盘224和第二推力盘225的轴向位置进而对电机轴22进行轴向限位。

双级压缩膨胀一体设备2还设置有保护轴承5，多个保护轴承5套设在电机轴22外壁并且分别设置在前保护轴承座213和后保护轴承座214的内孔内；保护轴承5外圈与前保护轴承座213和后保护轴承座214的内孔过盈配合，保护轴承5内圈与电机轴22外壁存在间隙。当设备突然断电或者停机时，第一径向磁轴承231、第二径向磁轴承232、第一轴向磁轴承233和第二轴向磁轴承234失去磁力不能对电机轴22进行支撑限位，此时电机轴22下落并且与保护轴承5内圈相接触被保护轴承5支撑；从而避免电机突然断电或者停机时电机轴22突然下落引起径向第一径向磁轴承231、第二径向磁轴承232、第一轴向磁轴承233和第二轴向磁轴承234等重要零件的损坏。

电机筒212设置有螺旋形状的水冷通道215，水冷通道215输入端和输出端分别用于连接进水装置和排水装置。水冷通道215用于对设备进行水冷方式冷却。

如图9-20所示，电机外壳21设置有径向贯穿的第一通道61；电机定子211包括第一电机定子216、第二电机定子217和定子隔板218，定子隔板218位于第一电机定子216和第二电机定子217之间，定子隔板218设置有径向贯穿的第二通道62；电机转子221包括分别与第一电机定子216和第二电机定子217位置相对应的第一电机转子226和第二电机转子227，第一电机转子226和第二电机转子227都包括硅钢片71、磁钢72、铁芯隔板73和转子压板74；多个硅钢片71在轴向对齐并且相互堆叠，铁芯隔板73和转子压板74分别位于堆叠后的硅钢片71的轴向两端，并且两者分别设置有轴向贯穿的第三通道63和第四通道64；硅钢片71设置有通风孔75和磁钢凹槽76，磁钢72固定嵌设在堆叠后的磁钢凹槽76内，多个硅钢片71堆叠后的通风孔75形成轴向贯穿的第五通道65；第一通道61、第二通道62、第三通道63、第五通道65、第四通道64、第六通道66和压缩通道252的输入端相连通形成工质散热通道。工作时，加热后的高压工质分别推动第一蜗壳25和第二蜗壳27的膨胀通道251的膨胀叶片241转动后变为低压工质并且经过冷凝设备3冷却进入工质储罐4；工质储罐4将冷却后的低压工质输送至第一通道61，冷却后的低压工质沿着工质散热通道对整个设备进行冷却后被压缩叶片242压缩排出从而完成工质冷却过程。而此种方式中，利用冷却后的低压工质对设备内部进行冷却，而不需要额外将其他冷却媒介输入设备内部；从而提高了现有冷却后低压工质的利用率，避免了使用其他冷却媒介时产生额外成本的情况，进而降低了整个设备的成本。

Claims (8)

1.一种朗肯循环发电系统，其特征在于，该系统包括换热蒸发设备（1）、双级压缩膨胀一体设备（2）、冷凝设备（3）和工质储罐（4）；双级压缩膨胀一体设备（2）包括电机外壳（21）、电机轴（22）、磁轴承装置（23）、第一叶轮（24）、第一蜗壳（25）、第二叶轮（26）和第二蜗壳（27）；电机外壳（21）的内孔嵌设有电机定子（211），电机轴（22）设置有与电机定子（211）位置相对应的电机转子（221）；磁轴承装置（23）套设在电机轴（22）外壁，第一叶轮（24）和第二叶轮（26）分别固定连接至电机轴（22）两端；第一叶轮（24）和第二叶轮（26）都设置有膨胀叶片（241）和压缩叶片（242），第一蜗壳（25）和第二蜗壳（27）都设置有膨胀通道（251）和压缩通道（252），膨胀叶片（241）和压缩叶片（242）分别位于膨胀通道（251）和压缩通道（252）内；换热蒸发设备（1）输出端分别与第一蜗壳（25）和第二蜗壳（27）的膨胀通道（251）径向输入端相连通，两者的膨胀通道（251）的轴向输出端分别与冷凝设备（3）输入端相连通；冷凝设备（3）通过工质储罐（4）分别与第一蜗壳（25）和第二蜗壳（27）的压缩通道（252）轴向输入端相连通，两者的压缩通道（252）径向输出端分别与换热蒸发设备（1）的输入端相连通；

电机外壳（21）包括电机筒（212）、前保护轴承座（213）和后保护轴承座（214），前保护轴承座（213）和后保护轴承座（214）分别固定在电机筒（212）两端，第一蜗壳（25）和第二蜗壳（27）分别固定在前保护轴承座（213）和后保护轴承座（214）外侧面；前保护轴承座（213）和后保护轴承座（214）都设置有轴向贯穿的第六通道（66），并且前保护轴承座（213）和后保护轴承座（214）的第六通道（66）分别与第一蜗壳（25）和第二蜗壳（27）的压缩通道（252）的输入端相连通；

电机外壳（21）设置有径向贯穿的第一通道（61）；电机定子（211）包括第一电机定子（216）、第二电机定子（217）和定子隔板（218），定子隔板（218）位于第一电机定子（216）和第二电机定子（217）之间，定子隔板（218）设置有径向贯穿的第二通道（62）；电机转子（221）包括分别与第一电机定子（216）和第二电机定子（217）位置相对应的第一电机转子（226）和第二电机转子（227），第一电机转子（226）和第二电机转子（227）都包括硅钢片（71）、磁钢（72）、铁芯隔板（73）和转子压板（74）；多个硅钢片（71）在轴向对齐并且相互堆叠，铁芯隔板（73）和转子压板（74）分别位于堆叠后的硅钢片（71）的轴向两端，并且两者分别设置有轴向贯穿的第三通道（63）和第四通道（64）；硅钢片（71）设置有通风孔（75）和磁钢凹槽（76），磁钢（72）固定嵌设在堆叠后的磁钢凹槽（76）内，多个硅钢片（71）堆叠后的通风孔（75）形成轴向贯穿的第五通道（65）；第一通道（61）、第二通道（62）、第三通道（63）、第五通道（65）、第四通道（64）、第六通道（66）和压缩通道（252）的输入端相连通形成工质散热通道。

2.根据权利要求1所述一种朗肯循环发电系统，其特征在于，膨胀叶片（241）和压缩叶片（242）在轴向背靠背设置。

3.根据权利要求1所述一种朗肯循环发电系统，其特征在于，第一蜗壳（25）和第二蜗壳（27）都设置有压力平衡板（253），压力平衡板（253）轴向两侧面分别位于膨胀通道（251）和压缩通道（252）内；压力平衡板（253）位于膨胀通道（251）内的侧面设置有入口导叶（254），入口导叶（254）位于膨胀叶片（241）径向外侧，入口导叶（254）用于对流入膨胀叶片（241）的工质进行导流，提高膨胀效率；压力平衡板（253）位于压缩通道（252）内的侧面设置有扩压器（255），扩压器（255）位于压缩叶片（242）径向外侧，扩压器（255）用于对流出压缩叶片（242）的工质进行导流，提高压缩效率。

4.根据权利要求1所述一种朗肯循环发电系统，其特征在于，膨胀叶片（241）在轴向外侧设置有整流罩（243），整流罩（243）用于对膨胀通道（251）排出的工质进行导向，提高出气效率。

5.根据权利要求1所述一种朗肯循环发电系统，其特征在于，前保护轴承座（213）和电机筒（212）之间、后保护轴承座（214）和电机筒（212）之间、第一蜗壳（25）与前保护轴承座（213）之间、第二蜗壳（27）与后保护轴承座（214）之间都设置有O型密封圈。

6.根据权利要求1所述一种朗肯循环发电系统，其特征在于，磁轴承装置（23）包括固定在电机外壳（21）上的第一径向磁轴承（231）、第二径向磁轴承（232）、第一轴向磁轴承（233）和第二轴向磁轴承（234）；电机轴（22）固定设置有第一径向轴承转子（222）、第二径向轴承转子（223）、第一推力盘（224）和第二推力盘（225）；第一径向磁轴承（231）和第二径向磁轴承（232）分别位于电机轴（22）两端并且分别与第一径向轴承转子（222）和第二径向轴承转子（223）的位置相对应；第一轴向磁轴承（233）和第二轴向磁轴承（234）分别位于电机轴（22）两端，并且分别位于第一推力盘（224）和第二推力盘（225）的轴向外侧。

7.根据权利要求1所述一种朗肯循环发电系统，其特征在于，双级压缩膨胀一体设备（2）还设置有保护轴承（5），多个保护轴承（5）套设在电机轴（22）外壁并且分别设置在前保护轴承座（213）和后保护轴承座（214）的内孔内；保护轴承（5）外圈与前保护轴承座（213）和后保护轴承座（214）的内孔过盈配合，保护轴承（5）内圈与电机轴（22）外壁存在间隙。

8.根据权利要求1所述一种朗肯循环发电系统，其特征在于，电机筒（212）设置有螺旋形状的水冷通道（215），水冷通道（215）输入端和输出端分别用于连接进水装置和排水装置。