CN114542187A - 一种轴流外转子式磁浮orc有机工质膨胀发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轴流磁浮有机工质膨胀发电机领域，具体公开了一种轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机，包括壳体、进气悬浮支撑座、排气悬浮支撑座、轴流有叶喷嘴环、雾态工质输送通道、发电机外转子和发电机内定子，壳体具有进气主管、进气流道、膨胀室和排气主管，进气悬浮支撑座设置于进气主管与进气流道之间，轴流有叶喷嘴环设置于膨胀室的内部，使得气流在膨胀室内轴向流动。以上结构的设置，可以使发电机在高进口温度下运行且具有良好的散热条件，降低了轴承、机械密封、联轴器等结构的机械损失，有效提高了整机的机械效率，通过磁浮轴承实现免维护功能，主机与发电机合二为一进行整体密封实现零泄漏。

Description

一种轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机
技术领域
本发明涉及轴流磁浮有机工质膨胀发电机领域，尤其涉及一种轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机。
背景技术
目前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。
目前，ORC有机工质膨胀机主要以进气涡壳和排气涡壳的形式进行进排气导流，在工质流动过程中会进行流动方向的变动，进而导致了工质的流动损耗，降低了有机工质膨胀机的等熵效率；膨胀机转子部分仍以涡轮盘与T形槽叶片装配为主，因动叶前后存在压差，导致转子每个涡轮盘的盘面都会产生同向的额外轴向力(除动叶自身产生的轴向力)，增加轴承设计难度以及损耗的同时还需要设置平衡气以平衡轴向力(通常因压差产生的轴向力在数万N至十几万N)，平衡气的设置会造成高压工质的损耗而导致整机做功能力的下降即膨胀机等熵效率降低。
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液态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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机，旨在解决现有技术中有机工质膨胀机工质易泄露以及采用机械密封带来的机械损失的问题、有机工质膨胀机工质转向导致等熵效率降低的问题、有机工质膨胀机需要平衡气平衡轴向力导致的等熵效率降低的问题、发电机在高温环境下的散热问题、膨胀机与发电机通过联轴器相连带来的机械损失的问题、膨胀机油轴承机械损耗高的问题。
为实现上述目的，本发明采用的一种轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机，包括壳体、进气悬浮支撑座、排气悬浮支撑座、轴流有叶喷嘴环、雾态工质输送通道、发电机外转子和发电机内定子，所述壳体具有进气主管、进气流道和排气主管，所述进气悬浮支撑座设置于所述进气主管与所述进气流道之间，所述雾态工质输送通道设置于所述进气悬浮支撑座的上方，所述轴流有叶喷嘴环设置于所述进气流道的一侧，使得气流在膨胀室内轴向流动，所述排气悬浮支撑座设置于所述排气主管的一侧。
其中，所述轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机还包括进气磁浮轴承保护轴承、进气磁浮轴承永磁体、排气磁浮轴承保护轴承、发电机外转子永磁体、轴流涡轮叶片、排气磁浮轴承导磁体和排气磁浮轴承保护轴承，所述轴流涡轮叶片设置于所述发电机外转子永磁体的外侧，所述发电机外转子永磁体与所述轴流涡轮叶片之间设置有隔热腔，所述进气磁浮轴承导磁体和所述排气磁浮轴承导磁体分别设置于所述发电机内定子的两侧，所述排气磁浮轴承保护轴承设置于所述排气磁浮轴承永磁体的一侧，所述进气磁浮轴保护轴承设置于所述进气磁浮轴导磁体的一侧，所述排气磁浮轴承保护轴承设置于所述排气磁浮轴承导磁体的一侧。
其中，所述轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机还包括固定轴进气端、进气磁浮轴承线圈、进气推力磁浮轴承线圈、发电机线圈、排气推力磁浮轴承线圈、排气磁浮轴承线圈和固定轴排气端，所述固定轴进气端设置于所述发电机内定子的一侧，所述进气磁悬浮轴承线圈设置于所述发电机内定子的一侧，所述进气推力磁浮轴承线圈设置于所述进气磁浮轴承线圈的一侧，所述发电机线圈设置于所述发电机内定子的一侧，所述排气推力磁浮轴承线圈设置于所述发电机内定子的一侧，所述排气磁浮轴线圈设置于所述排气推力磁浮轴承线圈的一侧，所述固定轴排气端设置于所述发电机内定子的一端。
其中，所述轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机还包括迷宫密封，所述隔热腔和所述进气流道之间，所述雾态工质输送通道位于所述迷宫密封的中间。
其中，所述发电机内定子通过所述固定轴进气端与所述壳体进气悬浮支撑座相连以及所述固定轴排气端与壳体排气悬浮支撑座相连。
本发明的一种轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机，通过雾态工质为ORC系统内有机工质泵泵送的高压低温有机工质，经过雾化喷头在雾化罐进行雾化后通过所述雾态工质输送通道输送至发电机的内部，由于发电机内部与所述排气主管相连，压力较低，雾态工质进入发电机内部后根据饱和蒸气压原理其蒸发温度降低，利用工质的汽化潜热实现发电机热量的散失同时保证发电机处于一个温度恒定的状态，吸热后的工质通过膨胀腔与所述排气悬浮支撑座之间的缝隙排到所述排气主管进入ORC系统进行循环，以上结构的设置，可以对发电机进行有效的散热，降低发电机使用时的温度，进而提高发电机的使用寿命，本发明的一种轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机，通过控制冷却腔内压力，使膨胀腔内压力与冷却腔内压力形成指向轴心的压力差用以平衡外转子在旋转时产生的离心力，可有效降低外转子轮圈对材质性能的要求。
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，下面描述中的附图仅仅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是本发明的一种轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机的结构形式图。
图2是目前常规ORC有机工质膨胀发电机的工质流向的结构示意图。
图3是目前常规ORC有机工质膨胀发电机动叶设计的结构示意图。
1-进气主管、2-进气悬浮支撑座、3-进气磁浮轴承保护轴承、4-进气磁浮轴承导磁体、5-进气流道、6-轴流有叶喷嘴环7-发电机外转子永磁体、8-轴流涡轮叶片、9-膨胀室、10-排气磁浮轴承导磁体、11-排气磁浮轴承保护轴承、12-排气悬浮支撑座、13-排气主管、14-雾态工质输送通道、15-迷宫密封、16-隔热腔、17-固定轴进气端、18-进气磁浮轴承线圈、19-进气推力磁浮轴承线圈、20-发电机线圈、21-排气推力磁浮轴承线圈、22-排气磁浮轴承线圈、23-固定轴排气端、24-发电机内定子、25-发电机外转子、26-壳体、27-走线槽。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图3，本发明提供了一种轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机，包括壳体26、进气悬浮支撑座2、排气悬浮支撑座12、轴流有叶喷嘴环6、雾态工质输送通道14、发电机外转子25和发电机内定子24，所述壳体26具有进气主管1、进气流道5和排气主管13，所述进气悬浮支撑座2设置于所述进气主管1与所述进气流道5之间，所述雾态工质输送通道14设置于所述进气悬浮支撑座2的上方，所述轴流有叶喷嘴环6设置于所述进气流道5的一侧，使得气流在膨胀室9内轴向流动，所述排气悬浮支撑座12设置于所述排气主管13的一侧。
所述轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机还包括进气磁浮轴承保护轴承3、进气磁浮轴承导磁体4、排气磁浮轴承保护轴承11、发电机外转子永磁体7、轴流涡轮叶片8、排气磁浮轴承导磁体10和排气磁浮轴承保护轴承11，所述轴流涡轮叶片8设置于所述发电机外转子永磁体7的外侧，所述发电机外转子永磁体7与所述轴流涡轮叶片8之间设置有隔热腔16，所述进气磁浮轴承导磁体4和所述排气磁浮轴承导磁体10分别设置于所述发电机内定子24的两侧，所述排气磁浮轴承保护轴承11设置于所述排气磁浮轴承导磁体10的一侧，所述进气磁浮轴保护轴承设置于所述进气磁浮轴导磁体4的一侧，所述排气磁浮轴承保护轴承11设置于所述排气磁浮轴承导磁体10的一侧。
所述轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机还包括固定轴进气端17、进气磁浮轴承线圈18、进气推力磁浮轴承线圈19、发电机线圈20、排气推力磁浮轴承线圈21、排气磁浮轴承线圈22和固定轴排气端23，所述固定轴进气端17设置于所述发电机内定子24的一侧，所述进气磁悬浮轴承线圈设置于所述发电机内定子24的一侧，所述进气推力磁浮轴承线圈19设置于所述进气磁浮轴承线圈18的一侧，所述发电机线圈20设置于所述发电机内定子24的一侧，所述排气推力磁浮轴承线圈21设置于所述发电机内定子24的一侧，所述排气磁浮轴线圈设置于所述排气推力磁浮轴承线圈21的一侧，所述固定轴排气端23设置于所述发电机内定子24的一端。
所述轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机还包括迷宫密封15，所述迷宫密封15设置于所述隔热腔16和所述雾态工质输送通道14之间。
所述发电机内定子24通过所述固定轴进气端17与所述壳体26进气悬浮支撑座2相连以及所述固定轴排气端23与壳体26排气悬浮支撑座12相连。
所述壳体还具有膨胀室9，所述膨胀室9位于所述进气流道5的一侧，且所述轴流有液喷嘴环6设置于所述膨胀室9的内部。
所述固定轴排气端23具有走线槽27，且所述走线槽27设置于所述固定轴排气端23的内部。
在本实施方式中，通过雾态工质为ORC系统内有机工质泵泵送的高压低温有机工质，经过雾化喷头在雾化罐进行雾化后通过所述雾态工质输送通道14输送至发电机的内部，由于发电机内部与所述排气主管13相连，压力较低，雾态工质进入发电机内部后其蒸发温度降低，利用工质的汽化潜热实现发电机热量的散失同时保证发电机处于一个温度恒定的状态，吸热后的工质通过膨胀腔与所述排气悬浮支撑座12之间的缝隙排到所述排气主管13进入ORC系统进行循环，其中所述排气磁浮轴承永磁体10含有排气推力轴承导磁体，所述进气磁浮轴导磁体4含有进气推力轴承导磁体，以上结构的设置，可以对发电机进行有效的散热，降低发电机使用时的温度，进而提高发电机的使用寿命。
图2箭头表示目前常规ORC有机工质膨胀发电机的工质流向，可见工质并非纯轴向流动，在进出口处有转弯，导致了较大的流动损失。
图3是目前主流设计为带反动度的动叶设计，故面A压力高于面B压力，导致动叶安装的涡轮盘存在一个额外的轴向推力。
同时以上结构的设置还具有以下有益效果：
(1)采用在所述发电机转子上直接安装所述轴流涡轮叶片8的形式，极大的简化了膨胀发电机的结构，提高了整机的可靠性，同时降低了轴流涡轮的气动轴向力，降低了推力轴承设计难度；
(2)采用全轴流流动方式可有效降低工质在流动过程中的损失，提高发电效率；
(3)通过一体化透平膨胀机和发电机，避免了有机工质经过所述发电机外转子25与所述壳体26的密封段泄漏到大气，解决了密封件易损问题；
(4)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，通过将所述发电机外转子25作为所述轴流涡轮叶片8安装的涡轮盘，可使主机整体长度特别是转子长度减短，可以有效降低因转子过长导致的震动等各种问题；
(5)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；
(6)通过使用ORC系统循环的冷态有机工质雾化后对发电机进行冷却，可有效防止杂质混入ORC系统导致系统效率降低的问题；同时解决了发电机高温环境下的散热问题；
(7)通过将发电机与涡轮转子一体化设计，避免了联轴器、齿轮箱等带来的额外机械损失，同时降低了高轴向力导致在轴承处的功率损耗；
(8)通过涡轮叶片与发电机外转子永磁体7之间设置的所述隔热腔16可有效解决膨胀腔内高温工质对所述发电机外转子25的影响；
(9)整体式发电机结构精简、辅助设备少，可降大幅降低生产成本、运行维护成本。
(10)所述走线槽27的设置可以便于信号线以及动力电缆的铺设。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机，其特征在于，
包括壳体、进气悬浮支撑座、排气悬浮支撑座、轴流有叶喷嘴环、雾态工质输送通道、发电机外转子和发电机内定子，所述壳体具有进气主管、进气流道和排气主管，所述进气悬浮支撑座设置于所述进气主管与所述进气流道之间，所述雾态工质输送通道设置于所述进气悬浮支撑座的上方，所述轴流有叶喷嘴环设置于所述进气流道的一侧，所述排气悬浮支撑座设置于所述排气主管的一侧。
2.如权利要求1所述的轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机，其特征在于，
所述轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机还包括进气磁浮轴承保护轴承、进气磁浮轴承永磁体、排气磁浮轴承保护轴承、发电机外转子永磁体、轴流涡轮叶片、排气磁浮轴承永磁体和排气磁浮轴承保护轴承，所述轴流涡轮叶片设置于所述发电机外转子永磁体的外侧，所述发电机外转子永磁体与所述轴流涡轮叶片之间设置有隔热腔，所述进气磁浮轴承导磁体和所述排气磁浮轴承导磁体分别设置于所述发电机内定子的两侧，所述排气磁浮轴承保护轴承设置于所述排气磁浮轴承导磁体的一侧，所述进气磁浮轴保护轴承设置于所述进气磁浮轴导磁体的一侧，所述排气磁浮轴承保护轴承设置于所述排气磁浮轴承导磁体的一侧。
3.如权利要求2所述的轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机，其特征在于，
所述轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机还包括固定轴进气端、进气磁浮轴承线圈、进气推力磁浮轴承线圈、发电机线圈、排气推力磁浮轴承线圈、排气磁浮轴承线圈和固定轴排气端，所述固定轴进气端设置于所述发电机内定子的一侧，所述进气磁悬浮轴承线圈设置于所述发电机内定子的一侧，所述进气推力磁浮轴承线圈设置于所述进气磁浮轴承线圈的一侧，所述发电机线圈设置于所述发电机内定子的一侧，所述排气推力磁浮轴承线圈设置于所述发电机内定子的一侧，所述排气磁浮轴线圈设置于所述排气推力磁浮轴承线圈的一侧，所述固定轴排气端设置于所述发电机内定子的一端。
4.如权利要求3所述的轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机，其特征在于，
所述轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机还包括迷宫密封，所述迷宫密封设置于所述隔热腔和所述进气流道之间，所述雾态工质输送通道位于所述迷宫密封的中间。
5.如权利要求4所述的轴流外转子式磁浮ORC有机工质膨胀发电机，其特征在于，
所述发电机内定子通过所述固定轴进气端与所述壳体进气悬浮支撑座相连以及所述固定轴排气端与壳体排气悬浮支撑座相连。
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