CN114542198A - 透平膨胀发电一体机 - Google Patents

Abstract

一种透平膨胀发电一体机，包括：向心涡轮，向心涡轮包括；进气蜗壳，被构造成环形，设置有适用于导入工质气体的进气口、出气口；导叶，设置于进气蜗壳的出气口处，对工质气体膨胀做功；以及叶轮，设置于进气蜗壳的环形的中心，能够在膨胀做功后的工质气体的推动下旋转；主轴，一端贯穿设置于叶轮的中心，并与叶轮固定连接；发电机构，设置于主轴远离叶轮的一端，主轴处于发电机构的部分作为电机转子，包括：发电机壳体，与进气蜗壳连接，发电机壳体的表面设置有导通工质气体的冷却结构；以及电机定子，环绕的设置于发电机壳体与主轴之间；以及工质气体供应系统，分别与向心涡轮和发电机壳体连通，以向向心涡轮和发电机壳体输送工质气体。

Description

透平膨胀发电一体机

技术领域

本发明涉及透平膨胀机发电技术领域，尤其涉及一种透平膨胀发电一体机。

背景技术

随着环保意识逐渐增强，人们原来越重视对余热资源的利用。以内燃机为例，其在能源消耗中占有很大的比重，但能源利用率较低，燃料中将近50％的能量以低品位热能的形式被浪费，所以，对低品位热能进行合理利用尤为重要。有机朗肯循环(ORC)是一种以制冷剂、烷烃物等低沸点有机物为工质的朗肯循环热发电系统，在内燃机余热回收及工业余热回收等领域有着广泛的应用前景，与其他余热回收技术相比，ORC系统简单，效率相对较高。

向心式透平膨胀机作为膨胀机的一种，具有单级焓降大、膨胀比高的特点，同时在较小的流量下有较高的效率，以向心透平式膨胀机作为ORC系统热功转换的核心部件，有较为突出的优点。但是其转速随着功率量级的减小呈指数增加，通常达到每分钟几万转，在实际应用中需要设置减速装置、密封装置、冷却装置等辅助系统，故对小功率量级向心透平膨胀机的研究大多停留在理论层面。因此，设计一种高效稳定、结构简单紧凑、辅助系统少且具有实际工程应用前景的透平膨胀发电一体机来进行内燃机余热回收十分必要。

发明内容

为克服上述至少一种技术问题，本发明的实施例提供了一种透平膨胀发电一体机，透平膨胀机与发电机一体设置，并在机体表面设置有冷却结构，无需再设置冷却装置，简化配套设备，减小了ORC系统的占用空间。

本发明提供一种透平膨胀发电一体机，包括：向心涡轮，适用于对导入所述向心涡轮的工质气体膨胀做功，包括；进气蜗壳，被构造成环形，设置有适用于导入工质气体的进气口、出气口；导叶，设置于所述进气蜗壳的出气口处，对工质气体膨胀做功；以及叶轮，设置于所述进气蜗壳的环形的中心，能够在膨胀做功后的工质气体的推动下旋转；主轴，一端贯穿设置于所述叶轮的中心，并与所述叶轮固定连接；发电机构，设置于所述主轴远离所述叶轮的一端，所述主轴处于所述发电机构的部分作为电机转子，包括：发电机壳体，与所述进气蜗壳连接，所述发电机壳体的表面设置有导通工质气体的冷却结构；以及电机定子，环绕的设置于发电机壳体与主轴之间；以及工质气体供应系统，分别与所述向心涡轮和发电机壳体连通，以向所述向心涡轮和发电机壳体输送工质气体。

在一种可能实施的方式中，所述冷却结构包括：连续流道，设置于所述发电机壳体的表面；接头，设置于所述连续流道的两端，与所述工质气体供应系统连通。

在一种可能实施的方式中，所述连续流道包括：连续凹槽，设置于所述发电机壳体的表面；以及密封件，设置于所述连续凹槽的敞开一端，使得连续凹槽与密封件配合形成密闭空间，所述密闭空间内导通用于冷却的工质气体。

在一种可能实施的方式中，所述冷却结构为环绕设置在所述发电机壳体的表面的金属管，所述金属管内导通用于冷却的工质气体。

在本发明的一种实施例中，所述发电机壳体的表面环绕的设有环形槽，所述金属管环绕的设置于所述环形槽内。

在一种可能实施的方式中，所述的透平膨胀发电一体机，还包括：收集腔，设置于所述发电机构远离向心涡轮的一端，适用于收集由向心涡轮泄漏出的工质气体，所述收集腔远离所述发电机构的一端设置有排气孔，所述排气孔与所述工质气体供应系统连接。

在一种可能实施的方式中，所述向心涡轮泄漏出的工质气体流经所述主轴与电机定子之间的间隙，对发电机构进行冷却。

在一种可能实施的方式中，所述主轴设置于发电机构内的部分，表面设置有与轴线平行的流道，以增加所述向心涡轮泄漏出的工质气体与所述主轴的接触面积。

在一种可能实施的方式中，所述电机定子与主轴相对的表面，设置有与所述主轴的轴线平行的流道，以增加所述向心涡轮泄漏出的工质气体与所述电机定子的接触面积。

在一种可能实施的方式中，所述主轴设置于所述发电机构内的部分由磁钢制成。

本发明的实施例提供的透平膨胀发电一体机，透平膨胀机与发电机一体设置，并在机体表面设置有冷却结构，无需再设置冷却装置，辅助系统少，简化配套设备，结构简单紧凑，减小了ORC系统的占用空间。

附图说明

图1为本发明实施例的透平膨胀发电一体机的剖面图；

图2为本发明实施例的向心涡轮的立体图；

图3为本发明实施例的工质气体的流向图。

【附图中符号说明】

1-向心涡轮；

11-进气蜗壳；

111-进气口；

112-出气口；

12-导叶；

121-导叶前缘；

122-导叶尾缘；

13-叶轮；

131-叶轮前缘；

132-叶背；

2-发电机构；

21-发电机壳体；

22-电机定子；

23-接头；

24-连续凹槽；

25-密封件；

26-第一盖板；

27-第二盖板；

3-收集腔；

31-排气孔；

4-主轴。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明的实施例提供的透平膨胀发电一体机，通过在机体表面设置冷却结构，使得无需再在ORC系统中设置冷却装置，简化了配套设备，减小了ORC系统的占用空间。

根据本发明总体上的构思，提供一种透平膨胀发电一体机，包括：向心涡轮、主轴、发电机构和工质气体供应系统。向心涡轮适用于对导入所述向心涡轮的工质气体膨胀做功，并包括；进气蜗壳，被构造成环形，设置有适用于导入工质气体的进气口、出气口；导叶，设置于所述进气蜗壳的出气口处，对工质气体膨胀做功；以及叶轮，设置于所述进气蜗壳的环形的中心，能够在膨胀做功后的工质气体的推动下旋转。主轴的一端贯穿设置于所述叶轮的中心，并与所述叶轮固定连接。发电机构设置于所述主轴远离所述叶轮的一端，所述主轴处于所述发电机构的部分作为电机转子，包括：发电机壳体，与所述进气蜗壳连接，所述发电机壳体的表面设置有导通工质气体的冷却结构；以及电机定子，环绕的设置于发电机壳体与主轴之间。工质气体供应系统分别与所述向心涡轮和发电机壳体连通，以向所述向心涡轮和发电机壳体输送工质气体。

图1为本发明实施例的透平膨胀发电一体机的剖面图。

图2为本发明实施例的向心涡轮的立体图。

如图1及图2所示，在本发明的一些实施例中，透平膨胀发电一体机包括：向心涡轮1、主轴4、发电机构2和工质气体供应系统。向心涡轮1适用于对导入所述向心涡轮的工质气体膨胀做功，并包括；进气蜗壳11，被构造成环形，设置有适用于导入工质气体的进气口111、和出气口112；导叶12，设置于所述进气蜗壳11的出气口112处，对工质气体膨胀做功；以及叶轮13，设置于所述进气蜗壳11的环形的中心，能够在膨胀做功后的工质气体的推动下旋转。主轴4的一端贯穿设置于所述叶轮13的中心，并与所述叶轮13固定连接。发电机构2设置于所述主轴4远离所述叶轮13的一端，所述主轴4处于所述发电机构2的部分作为电机转子，并包括：发电机壳体21，与所述进气蜗壳11连接，所述发电机壳体21的表面设置有导通工质气体的冷却结构。电机定子22环绕的设置于发电机壳体21与主轴4之间。工质气体供应系统分别与所述向心涡轮和发电机壳体连通，以向所述向心涡轮和发电机壳体输送工质气体。

本发明的一些实施例中，主轴4贯穿向心涡轮1与发电机构2的轴线设置，主轴4能够绕轴线周向旋转，主轴4的一端与叶轮13固定连接。工质气体供应系统中的一路工质气体进入向心涡轮1膨胀做功，膨胀做功后的工质气体推动叶轮13旋转，进而带动主轴4旋转，将气流的能量转化为机械能。主轴4的远离叶轮13的部分设置于发电机构2中，处于电机定子22的中心，作为发电机构2的电机转子。主轴4在电机定子22中旋转，将机械能转化为电能。在一些实施例中，主轴4设置于发电机构2内的部分由磁钢制成。

继续参考图2所示，在一些实施例中，进气蜗壳11被构造成首端、末端上下交错的环形。进气蜗壳11首端得直径大于末端的直径，并且进气蜗壳11的直径变化是连续的。进气蜗壳11的首端被构造成进气口111，进气蜗壳11的末端为密封设置。进气蜗壳11的内环的表面设置有出气口112。在一些实施例中，进气蜗壳11内环直径最大处设置有喷嘴环座，多个出气口112均匀的设置于喷嘴环座上。工质气体由进气口111进入，在导叶12处完成膨胀做功后推动叶轮13旋转，大部分工质气体沿叶轮13表面向远离发电机构2的方向排出向心涡轮1，最终输出到工质气体供应系统中。

在一些实施例中，导叶12有多个，在环状件上均匀的设置，环状件与喷嘴环座固定连接。导叶12的叶型选用NACA四位数字翼型，导叶前缘121与导叶尾缘122均采用椭圆型，其具有较好的气动性能。导叶前缘121为导叶12远离环状件中心的一端，导叶尾缘122为导叶12靠近环状件中心的一端。工作时，进气蜗壳11将工质气体均匀的分配到导叶12中，导叶12将气流的压力转化为气流的动能。

在一些实施例中，叶轮13固定的连接于进气蜗壳11的中心，采用钛合金材料制成。叶轮13设置于喷嘴环座的中心，叶轮前缘131位于导叶尾缘122的下风口处。工作时，导叶12导出的气流由叶轮前缘131进入叶轮13，推动叶轮13旋转。在叶轮13的叶背132处，会有部分工质气体由此泄漏，泄漏气进入发电机构2，对发电机构2进行冷却。

本发明的一些实施例中，向心涡轮1与发电机构2之间设置有第一盖板26，第一盖板26的中心线上设置有第一通孔供主轴4贯穿。第一盖板26的两个端面分别与向心涡轮1与发电机构2密封连接。在一些实施例中，第一通孔内设置有与主轴4配合的轴承，如高精度角接触球轴承等。

继续参考图1所示，在一些实施例中，冷却结构包括：连续流道，设置于发电机壳体21的表面；以及接头23，设置于连续流道的两端，与工质气体供应系统连通。

在一些实施例中，冷却结构环绕的设置于发电机壳体21的表面，对电机定子22实现冷却。冷却时，工质气体供应系统提供一路用于冷却的工质气体，接头23将工质气体导入、导出冷却结构。

本发明的一些实施例中，连续流道包括：连续凹槽24，设置于发电机壳体21的表面；以及密封件25，设置于连续凹槽24的敞开一端，使得连续凹槽24与密封件25配合，形成密闭空间，密闭空间内导通用于冷却的工质气体。在一些实施例中，密封件25的材料优先选择导热性能良好的金属，如铜、铝等。

本发明的一些实施例中，冷却结构还可以为环绕设置在发电机壳体21的表面的金属管，所述金属管内导通用于冷却的工质气体。在一些实施例中，金属管的材料优先选择导热性能良好并且比较轻的金属，如铝等。

本发明的一些实施例中，发电机壳体21的表面环绕的设有环形槽，金属管环绕的设置于所述环形槽内。在一些实施例中，发电机壳体21的表面设置有与发电机壳体21同轴的环形凹槽，连续的金属管环绕的设置于环形凹槽内，减小发电机壳体21的外形尺寸。

继续参考图1所示，在一些实施例中，透平膨胀发电一体机还包括：收集腔3，设置于发电机构2远离向心涡轮1的一端，适用于收集由向心涡轮1泄漏出的工质气体，收集腔3远离发电机构2的一端设置有排气孔31，排气孔31与工质气体供应系统连接。

本发明的一些实施例中，向心涡轮1泄漏出的工质气体流经主轴4与电机定子22之间的间隙，对发电机构2进行冷却。

图3为本发明实施例的工质气体的流向图。

参考图3所示，在一些实施例中，叶背132处泄漏出的工质气体进入发电机构2，由主轴4与电机定子22之间的间隙通过，对电机定子22进行冷却，汇聚于收集腔3中，通过排气孔31回到工质气体供应系统中。

本发明的一些实施例中，发电机构2与收集腔3之间有第二盖板27，第二盖板27的中心线上设置有第二通孔供主轴4穿设。第二盖板27的两个端面分别与发电机构2与收集腔3密封连接。在一些实施例中，第二通孔内设置有与主轴4配合的轴承，如高精度角接触球轴承等。

本发明的一些实施例中，主轴4设置于发电机构2内的部分，表面设置有与轴线平行的流道，以增加向心涡轮1泄漏出的工质气体与主轴4的接触面积。在一些实施例中，主轴4设置于发电机构2内的部分，表面设置有多条与轴线平行的凹槽，增加了泄露气与主轴4的接触面积，延长泄露气滞留于主轴4与电机定子22之间的时间，增强对发电机构2的冷却效果。流道与主轴4的轴线平行的设置，可以减小泄露气对发电机构2的风阻。

本发明的一些实施例中，电机定子22与主轴4相对的表面，设置有与主轴4的轴线平行的流道，以增加向心涡轮1泄漏出的工质气体与电机定子22的接触面积。在一些实施例中，也可以为，在电机定子22与主轴4相对的表面上设置与主轴4的轴线平行的凹槽，增加泄露气与电机定子22的接触面积，延长泄露气滞留于主轴4与电机定子22之间的时间，增强对发电机构2的冷却效果。

本发明的实施例提供的透平膨胀发电一体机，透平膨胀机与发电机一体设置，并发电机构外部设置有冷却结构，无需再设置冷却装置，辅助系统少，简化配套设备，结构简单紧凑，减小了ORC系统的占用空间；发电机构内部也设置有冷却结构，从内部对发动机构实现冷却；用于冷却的冷却介质可以循环使用，不向透平膨胀发电一体机外部泄露。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种透平膨胀发电一体机，包括：

向心涡轮(1)，适用于对导入所述向心涡轮的工质气体膨胀做功，包括；

进气蜗壳(11)，被构造成环形，设置有适用于导入工质气体的进气口(111)、出气口(112)；

导叶(12)，设置于所述进气蜗壳(11)的出气口(112)处，对工质气体膨胀做功；以及

叶轮(13)，设置于所述进气蜗壳(11)的环形的中心，能够在膨胀做功后的工质气体的推动下旋转；

主轴(4)，一端贯穿设置于所述叶轮(13)的中心，并与所述叶轮(13)固定连接；

发电机构(2)，设置于所述主轴(4)远离所述叶轮(13)的一端，所述主轴(4)处于所述发电机构(2)的部分作为电机转子，包括：

发电机壳体(21)，与所述进气蜗壳(11)连接，所述发电机壳体(21)的表面设置有导通工质气体的冷却结构；以及

电机定子(22)，环绕的设置于发电机壳体(21)与主轴(4)之间；以及

工质气体供应系统，分别与所述向心涡轮(1)和发电机壳体(21)连通，以向所述向心涡轮(1)和发电机壳体(21)输送工质气体。

2.根据权利要求1所述的透平膨胀发电一体机，其中，所述冷却结构包括：

连续流道，设置于所述发电机壳体(21)的表面；

接头(23)，设置于所述连续流道的两端，与所述工质气体供应系统连通。

3.根据权利要求2所述的透平膨胀发电一体机，其中，所述连续流道包括：

连续凹槽(24)，设置于所述发电机壳体(21)的表面；以及

密封件(25)，设置于所述连续凹槽(24)的敞开一端，使得连续凹槽(24)与密封件(25)配合形成密闭空间，所述密闭空间内导通用于冷却的工质气体。

4.根据权利要求2所述的透平膨胀发电一体机，其中，所述冷却结构为环绕设置在所述发电机壳体(21)的表面的金属管，所述金属管内导通用于冷却的工质气体。

5.根据权利要求4所述的透平膨胀发电一体机，其中，所述发电机壳体(21)的表面环绕的设有环形槽，所述金属管环绕的设置于所述环形槽内。

6.根据权利要求1所述的透平膨胀发电一体机，还包括：

收集腔(3)，设置于所述发电机构(2)远离向心涡轮(1)的一端，适用于收集由向心涡轮(1)泄漏出的工质气体，所述收集腔(3)远离所述发电机构(2)的一端设置有排气孔(31)，所述排气孔(31)与所述工质气体供应系统连接。

7.根据权利要求6所述的透平膨胀发电一体机，其中，所述向心涡轮(1)泄漏出的工质气体流经所述主轴(4)与电机定子(22)之间的间隙，对发电机构(2)进行冷却。

8.根据权利要求7所述的透平膨胀发电一体机，其中，所述主轴(4)设置于发电机构(2)内的部分，表面设置有与轴线平行的流道，以增加所述向心涡轮(1)泄漏出的工质气体与所述主轴(4)的接触面积。

9.根据权利要求7所述的透平膨胀发电一体机，其中，所述电机定子(22)与主轴(4)相对的表面，设置有与所述主轴(4)的轴线平行的流道，以增加所述向心涡轮(1)泄漏出的工质气体与所述电机定子(22)的接触面积。

10.根据权利要求1所述的透平膨胀发电一体机，其中，所述主轴(4)设置于所述发电机构(2)内的部分由磁钢制成。

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