CN115199348B

CN115199348B - 有机朗肯循环发电机组磁-气复合推力控制系统及方法

Info

Publication number: CN115199348B
Application number: CN202210924858.1A
Authority: CN
Inventors: 陶加银; 张泽国; 张怀韬; 段艺村
Original assignee: Anhui Run'an Sibian Energy Technology Co ltd
Current assignee: Anhui Run'an Sibian Energy Technology Co ltd
Priority date: 2022-08-02
Filing date: 2022-08-02
Publication date: 2023-01-17
Anticipated expiration: 2042-08-02
Also published as: CN115199348A

Abstract

本发明公开了一种有机朗肯循环发电机组磁‑气复合推力控制系统及方法，涉及有机朗肯循环发电机组技术领域；用于解决常规有机朗肯循环发电机组需配置油系统和机械密封的问题以及解决磁悬浮有机朗肯循环机组轴向力难以控制的问题；本发明通过透平‑发电机高速直驱，采用磁悬浮轴承，彻底取消减速箱、油系统、机械密封或干气密封等，彻底消除系统中润滑油的存在；通过叶轮开平衡孔、轮背设置轴向平衡密封来控制向心透平轴向力数值；通过采用磁‑气复合式推力控制系统和算法，来降低磁悬浮推力轴承尺寸和载荷，保证向心透平在变工况运行的安全性。

Description

有机朗肯循环发电机组磁-气复合推力控制系统及方法

技术领域

本发明涉及有机朗肯循环发电机组技术领域，具体为有机朗肯循环发电机组磁-气复合推力控制系统及方法。

背景技术

目前在钢铁冶金、化工炼化、光伏玻璃、喷涂铸造、新能源电池材料等诸多行业，是热量和电力耗用大户，也源源不断产生大量的烟气、热液、热物料等中低温工业余热。有效回收这些分散式的低品位的余热资源，有助于显著降低工业企业的能耗和碳排放。鉴于常规的蒸汽朗肯循环的特性，只适合于兆瓦级规模以及400～500℃以上品位的工业余热回收，对于300℃以下的余热目前国内外主要的热点是采用有机朗肯循环发电系统。典型有机朗肯循环发电系统单机功率在几百千瓦，由蒸发器(或包括预热器、过热器)、冷凝器、透平发电机组、工质泵和整机控制系统构成的封闭式系统和模块化单元。

基于成本的考虑和余热场景定制化的特点，有机朗肯循环发电机组的动力单元往往采用单级高速向心透平，通过齿轮箱减速后带动低速发电机，向外输出电力；这种机组布置存在以下缺点，一是减速箱的存在，需要配置油箱和油系统，包括油泵、油加热器、油冷却器、油过滤器等，既增加了整机尺寸和占地空间，且必然会有油进入系统，不但影响换热器的效率，而且需要考虑油分离和工质提纯的问题；二是必须使用机械密封或干气密封，以保证透平与外界隔离，避免工质泄漏，机械密封和干气密封结构复杂、价格昂贵且寿命有限容易损坏；三是透平-减速箱-低速电机的布置，使动力单元尺寸庞大，维护困难，且机械传递效率较低，降低了发电效率；四是油系统的存在，增加了运维的困难，以及潜在的故障风险。

另外，有机朗肯循环透平常采用单级半开式向心叶轮，在高膨胀比的运行工况下，转子承受的轴向力很大，远超同等功率压缩机的轴向力，对推力轴承的设计和安全运行是个巨大的挑战。

旨在研究开发无油磁悬浮有机朗肯循环发电系统，采用磁悬浮轴承和高速永磁发电机与透平叶轮直驱，完全取消润滑油系统。但是磁悬浮推力轴承的承载力受到电机尺寸和轴承电流的限制，轴向力承载能力比减速箱和油轴承存在数量级的减弱，而有机朗肯循环向心透平的轴向力又显著高于制冷机组中的离心压缩机，直接移植成熟的磁悬浮冷机的结构设计和控制方法存在诸多问题。

因此，本发明旨在提出一种采用R245fa工质的百千瓦级的磁悬浮有机朗肯循环发电机组，采用单级半开式向心透平与磁悬浮高速电机耦合直连，取消机械密封和减速箱油系统，实现动力单元的高效、紧凑、无油、集成；采用磁-气复合主动式推力控制系统和方法，巧妙利用不同工况下辅助气推来降低磁悬浮推力轴承负载，保证其安全运行。采用本方法不但彻底取消了油系统、机械密封等，而且可通过磁-气复合主动控制轴向力，保证有机朗肯循环发电系统的高效、紧凑和安全。

发明内容

本发明的目的在于解决常规有机朗肯循环发电机组需配置油系统和机械密封的问题以及解决磁悬浮有机朗肯循环机组轴向力难以控制的问题；本发明通过透平-发电机高速直驱，采用磁悬浮轴承，彻底取消减速箱、油系统、机械密封或干气密封等，彻底消除系统中润滑油的存在；通过叶轮开平衡孔、轮背设置轴向平衡密封来控制向心透平轴向力数值；通过采用磁-气复合式推力控制系统和算法，来降低磁悬浮推力轴承尺寸和载荷，保证向心透平在变工况运行的安全性。本发明机组采用高速永磁同步电机，电机尺寸小、效率高；叶轮直接装配在电机轴端，透平-发电机构成紧密的闭式结构，减少了传递损耗，减小了动力单元尺寸；永磁电机采用喷淋式液冷，冷却介质直接采用系统中工质泵后高压过冷的液态工质，通过冷却节流阀节流后进入电机，通过电机内部的冷却流道喷淋到定子线圈和转轴，对电机内部进行冷却，冷却后气化的工质通过回气口回到系统中的冷凝器。

电机采用磁悬浮轴承，特别的，其推力轴承采用气-磁复合控制。一般而言磁悬浮轴承的承载力比油轴承低至少一个数量级，而设计实践表明数百千瓦级的有机朗肯循环向心透平的轴向力，一般比同功率等级的离心式压缩机轴向力高出数倍(根本原因在于两者正常工作下的使用压比差别很大，典型的一个300KW的有机朗肯循环向心透平轴向力高达7000N，是同等功率制冷压缩机的3～4倍)。如果直接移用磁悬浮压缩机的轴承设计，则需要把推力轴承尺寸和控制电流放大数倍(尽管现在磁悬浮压缩机比较成熟)，必然会显著增大电机的外形尺寸，同时需要大幅提高磁悬浮轴承的供电电源、线圈控制电流，增加磁悬浮轴承控制系统的难度和风险。

本发明基于透平叶轮的轴向力会随着余热回收系统的负荷和透平进出口参数变化而变化的特点。在设计阶段根据分析计算，将轴向力分解为两部分，基载轴向力和波动轴向力；其中基载轴向力由电磁推力轴承承担，通过轴向位移传感器监测推力盘轴向位置，控制推力轴承的控制电流It；波动轴向力则通过将蒸发器高压气体引入到推力盘与近压缩机端的电磁轴承气隙之中，通过电磁轴承外环与推力盘径向端面的迷宫齿节流后进入推力盘与远压缩机端的电磁轴承气隙之中，最终在电机壳体尾盘处汇集被引回冷凝器，推力盘与电磁轴承两侧气隙的压力差作用于推力盘形成一个与叶轮轴向力反方向的附加气推轴向力，用于平衡波动的轴向力；其控制是根据推力盘平衡位置偏差控制气推调节阀开度实现。换言之，本发明将轴系推力平衡根据工况分为两种模式，即纯电磁推力平衡和磁-气复合推力平衡；在60％负荷及以下，全由电磁轴承实现推力平衡；在60％～110％负荷下(机组允许适度超负荷)，由电磁轴承平衡基载轴向力，由主动式气推反力平衡波动负荷下的轴向力；

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：有机朗肯循环发电机组磁-气复合推力控制系统，包括有机朗肯循环发电机组，有机朗肯循环发电机组包括发电机、控制器、冷凝器、工质泵、蒸发器以及安装在发电机上的透平；所述透平包括蜗壳、喷嘴环、叶轮和叶轮轮背隔板；所述发电机包括电机壳体、径向电磁轴承、电机冷却进液口、电机冷却回气口、后轴承隔板、推力轴承供气口、推力轴承和推力轴承回气口；

所述蜗壳通过螺栓固定在电机壳体上，蜗壳和电机壳体之间安装有叶轮轮背隔板，叶轮轮背隔板上安装有喷嘴环，电机壳体的内部安装有径向电磁轴承，径向电磁轴承上安装有电机轴，电机轴的靠近蜗壳的一端安装有叶轮，电机壳体的顶部一侧开设有电机冷却进液口，电机壳体的顶部另一侧开设有推力轴承供气口，电机壳体的一端通过螺栓安装有后端盖，后端盖的中心处开设有推力轴承回气口，电机壳体的内部靠近后端盖处安装有推力轴承，推力轴承的一侧安装有后轴承隔板；电机壳体的底部开设有电机冷却回气口；

所述蒸发器的顶部通过连接管一与透平的进气口连接，连接管一上安装有进口调节阀，蒸发器的顶部通过连接管二与推力轴承供气口连接，连接管二上安装有气推调节阀，透平的出气口通过连接管三与冷凝器连接，蒸发器的顶部通过连接管四与连接管三贯通连接，连接管四上安装有旁通阀；所述冷凝器的底部通过连接管五与工质泵连接，工质泵通过连接管九与蒸发器的底部连接；工质泵还通过连接管六与电机冷却进液口连接，连接管六上安装有冷却节流阀；电机冷却回气口通过连接管七与冷凝器连接；推力轴承回气口通过连接管八与连接管七连接，连接管八上安装有气推回气阀。

作为本发明的一种优选实施方式，所述电机冷却回气口管路上安装有压力传感器和温度传感器；所述推力轴承包括双向电磁线圈、线圈电流传感器、轴向位移传感器和节流齿；径向电磁轴承包括前径向轴承和后径向轴承。

作为本发明的一种优选实施方式，所述叶轮为半开式径向-轴流叶轮，叶片通道之间开有平衡孔，平衡孔数量不超过叶片数，且沿圆周方向均匀布置；特别的，平衡孔直径计算如下：

其中d为平衡孔直径，Cd为平衡孔流量系数，N为平衡孔数量，原则上不超过叶轮叶片数量，R和δ分别为叶轮轮背隔板与转轴之间的梳齿密封半径和间隙；叶轮轮背隔板与电机轴之间设置阶梯型梳齿密封。

作为本发明的一种优选实施方式，所述线圈电流传感器与轴向位移传感器通过连接线与控制器连接，线圈电流传感器和轴向位移传感器分别采集推力轴承线圈电流It与推力盘轴向位置Z并将其传输至控制器，控制器还通过连接线与气推调节阀连接。

有机朗肯循环发电机组磁-气复合推力控制系统的控制方法，该方法包括：

通过设置在推力盘外侧的轴向位移传感器实时监测推力盘轴向位置并将其发送给控制器，控制器将推力盘轴向位置与预先设定的轴向位置进行比较计算偏差值，并通过偏差值控制推力轴承的线圈电流It；其中，推力轴承的线圈电流根据基载轴向力Fze计算得到最大电流值It_max；限制推力轴承的线圈电流It≤0.92*It_max；当推力轴承的线圈电流小于设定电流时，根据轴向位移偏差控制推力轴承的电流值，维持轴系在平衡位置；

当工况进一步增加，轴向力进一步增大时，推力轴承的线圈电流达到设定电流0.92*It_max后不再增加，则进入气推控制，具体控制过程为：通过轴向位移值与平衡位置的偏差控制气推调节阀的开度，将蒸发器内的高压气体通过电机壳体上开设的推力轴承供气口引入到推力盘与近压缩机端的推力轴承气隙之中，在电机壳体的后端盖处汇集经推力轴承回气口引回冷凝器低压区，通过两侧气隙的压力差作用于推力盘形成一个与叶轮轴向力反方向的附加气动轴向力，用于平衡波动的轴向力Fzq。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、发明通过透平-发电机高速直驱，采用磁悬浮轴承，彻底取消减速箱、油系统、机械密封或干气密封等，彻底消除系统中润滑油的存在；

2、本发明通过高压比小流量的设计，以及半开式单级叶轮的结构，简化透平发电机的结构；针对透平额定工况下轴向力偏大，采取叶轮开平衡孔、轮背设置轴向梳齿密封的方式，降低设计点的轴向力数值；

3、本发明从工质泵出口引入高压过冷的工质液体，经过节流后进入电机进行冷却，由冷却排气的过热度控制冷却节流阀开度，避免电机壳体积液；

4、本发明推力轴承采用电磁-气体复合控制轴向力的方式，电磁推力轴承只需承担一部分轴向力，有利于减小推力盘和电机的尺寸，降低电磁推力轴承的控制难度，在机组负荷较小时完全由电磁推力轴承平衡轴向力，当负荷较大时由推力盘的附加气体推力承担额外的轴向力。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的透平和发电机结构剖视图；

图3为本发明的方法流程图；

图4为本发明图2中推力轴承放大图；

图5为本发明的气推回气的压力分布关系示意图。

附体标记：

1、发电机；2、控制器；3、冷凝器；4、工质泵；5、蒸发器；6、透平；31、连接管七；32、连接管八；33、连接管三；41、连接管九；42、连接管六；43、连接管五；51、连接管一；52、连接管二；53、连接管四；101、蜗壳；102、喷嘴环；103、叶轮；104、叶轮轮背隔板；105、电机壳体；106、径向电磁轴承；107、电机冷却进液口；108、电机冷却回气口；109、后轴承隔板；110、推力轴承供气口；111、推力轴承；112、推力轴承回气口；113、平衡孔；114、轴向平衡密封；321、气推回气阀；421、冷却节流阀；511、进口调节阀；521、气推调节阀；531、旁通阀。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，有机朗肯循环发电机组磁-气复合推力控制系统，基于有机朗肯循环发电机组，有机朗肯循环发电机组包括发电机1、控制器2、冷凝器3、工质泵4、蒸发器5和透平6；

请参阅图2所示，发电机1包括电机壳体105、径向电磁轴承106、电机冷却进液口107、电机电机冷却回气口108、后轴承隔板109、推力轴承供气口110、推力轴承111和推力轴承回气口112；

透平6包括蜗壳101、喷嘴环102、叶轮103和叶轮轮背隔板104；其中蜗壳101为整体式蜗壳，蜗壳101通过螺栓固定在电机壳体105上，蜗壳101和电机壳体105之间安装有叶轮轮背隔板104，叶轮轮背隔板104上安装有喷嘴环102；在叶轮轮背隔板104靠近叶轮叶轮103侧布置轴向平衡密封114，将叶轮103轮背与叶轮轮背隔板104之间的盘腔分成上部高压区和下部低压区，通过轴向平衡密封114的旋转节流效应，使分界段以下压力显著降低，从而减小平衡密封114以下部分的轴向力；

由于叶轮103的背部泄漏气流来自喷嘴环102出口，温度较高，不利于电机冷却；因此在叶轮103叶片的通道之间设置平衡孔，用于将叶轮103背部盘腔泄漏的气流引回至叶轮103出口；平衡孔数量不超过叶片数，且沿圆周方向均匀布置；特别的，平衡孔直径计算如下：

其中d为平衡孔直径，Cd为平衡孔流量系数，N为平衡孔数量，原则上不超过叶轮叶片数量，R和δ分别为叶轮轮背隔板与转轴之间的梳齿密封半径和间隙；叶轮轮背隔板104与电机轴之间设置阶梯型梳齿密封，以减少叶轮103背部盘腔的泄漏气流进入电机；

电机壳体105的内部安装有径向电磁轴承106，径向电磁轴承106上安装有电机轴，电机轴的靠近蜗壳101的一端安装有叶轮103；叶轮103为半开式叶轮，叶轮103上叶片通道之间设置平衡孔，用于将叶轮103背部盘腔泄漏的气流引回至叶轮103出口；叶轮轮背隔板104与电机轴之间通过阶梯型梳齿密封；以防止叶轮103背部盘腔的泄漏气流进入发电机1，不利于发电机1冷却；径向电磁轴承106包括前径向轴承和后径向轴承；前径向轴承和后径向轴承均为电磁轴承；

电机壳体105的顶部一侧开设有电机冷却进液口107，电机壳体105的顶部另一侧开设有推力轴承供气口110，电机壳体105的一端通过螺栓安装有后端盖，后端盖的中心处开设有推力轴承回气口112，电机壳体105的内部靠近后端盖处安装有推力轴承111，推力轴承111的一侧安装有后轴承隔板109；推力轴承111为电磁-气体复合轴承；

电机壳体105的底部开设有电机电机冷却回气口108，电机电机冷却回气口108管路上安装有压力传感器和温度传感器；其中压力传感器和温度传感器用于测量冷却回气的压力和温度，返回给控制器2计算冷却回气的过热度，进而控制冷却节流阀421的开度，来控制进入发电机1的冷却液流量，一方面满足电机冷却需求保证电机定转子温度正常，同时也避免在电机壳体105积液；具体流程是从工质泵4出口引一股高压过冷的工质液体，经过冷却节流阀421节流后变成气液混合物，压力在250～350kpa、温度在40～50℃，进入电机壳体105顶上的冷却进液口107，对电机转子和线圈进行喷淋冷却，气化后从电机冷却回气口108排入冷凝器3，根据回气过热度控制冷却节流阀421的开度，在满足发电机1冷却的同时避免电机壳体105积液；

线圈电流传感器与轴向位移传感器通过连接线与控制器2连接，线圈电流传感器和轴向位移传感器分别采集推力轴承线圈电流It与推力盘轴向位置Z并将其传输至控制器2，控制器2还通过连接线与气推调节阀521连接；

蒸发器5的顶部通过连接管一51与透平6的进气口连接，连接管一51上安装有进口调节阀511，蒸发器5的顶部通过连接管二52与推力轴承供气口110连接，连接管二52上安装有气推调节阀521，透平6的出气口通过连接管三33与冷凝器3连接，蒸发器5的顶部通过连接管四53与连接管三33贯通连接，连接管四53上安装有旁通阀531；所述冷凝器3的底部通过连接管五43与工质泵4连接，工质泵4通过连接管九41与蒸发器5的底部连接；工质泵4还通过连接管六42与电机冷却进液口107连接，连接管六42上安装有冷却节流阀421，冷却节流阀421为热力膨胀阀；电机电机冷却回气口108通过连接管七31与冷凝器3连接；推力轴承回气口112通过连接管八32与连接管七31连接，连接管八32上安装有气推回气阀321；

余热源(蒸汽/热水/其它)进入蒸发器5，加热蒸发器5内的液态有机工质，使其蒸发产生高温高压的工质气体，通过进口调节阀511进入透平6，推动叶轮103旋转做功，带动发电机1发电并向外输出；其中进口调节阀511控制进入透平6的工质流量，实现对发电功率的调节；在透平6做完功的乏气回到冷凝器3，被冷却水冷却为饱和液体，经工质泵4加压后输送回蒸发器5，继续进行吸热蒸发、做功的循环；在蒸发器5和冷凝器3之间设置旁通阀531，用于机组出现故障紧急停机时迅速降低两器压差，保护系统安全；

从工质泵4后引出一股高压过冷工质液，通过冷却节流阀421节流后引入电机冷却进液口6，进入电机冷却通道后对定子线圈和转子进行喷淋冷却，冷却节流阀421选择热力膨胀阀，在电机冷却回气口108出口管路设置温度传感器和压力传感器，通过测量冷却回气的温度、压力计算冷却回气的过热度，控制冷却节流阀421的开度，从而控制进入电机的冷却喷液量，保证电机温度正常，同时也不会在电机壳体105积液；

叶轮103直接安装在电机轴上，正常工作时，有机工质气流推动叶轮103旋转直接带动电机输出，避免了减速箱的齿轮啮合传动损失；电机轴安放在前径向轴承和后径向轴承上，径向轴承采用电磁轴承并设置辅助陶瓷轴承；轴系推力由设置在后端盖处的推力轴承111承受；在后径向轴承处设置后轴承隔板109，用于减少推力轴承111供气进入电机，防止因推力轴承111供气温度较高，不利于电机内部冷却；

在叶轮103叶片之间开设平衡孔，使得叶轮103背部盘腔的泄漏流体通过中心孔回到叶轮103出口，降低叶轮103背部的压力水平，可以降低叶轮103轮背的轴向力；同时可以减少高温泄露流体进入电机影响电机的冷却；叶轮轮背隔板104设置轴向平衡密封114，采用镶嵌式梳齿密封，形成节流效应，降低密封以下盘腔的压力和轴向力；

通过采取磁-气复合主动控制轴向力，由于叶轮103的轴向力会随着余热回收系统的负荷和透平6进出口参数变化而变化，在设计阶段根据分析计算，将额定工况下计算的轴向力分解为两部分，其中60％额定轴向力为基载轴向力Fze，由电磁推力轴承平衡，另外40％额定轴向力为波动轴向力Fzq，通过推力盘两侧的供气压差形成的气体推力来平衡；

本发明通过透平-发电机高速直驱，采用磁悬浮轴承，彻底取消减速箱、油系统、机械密封或干气密封等，彻底消除系统中润滑油的存在；采用高压比小流量的设计，以及半开式单级叶轮的结构，针对透平6额定工况下轴向力偏大，采取叶轮开平衡孔、轮背设置轴向平衡密封的方式，尽量降低设计点的轴向力数值；从工质泵4出口引入高压过冷的工质液体，经过节流后进入电机进行冷却，由冷却排气的过热度控制冷却节流阀421开度，保证冷却效果的同时避免电机壳体105积液；推力轴承111采用电磁-气体复合控制轴向力的方式，电磁推力轴承只需承担一部分轴向力，有利于减小推力盘和电机的尺寸，降低电磁推力轴承的控制难度，在机组负荷较小时完全由电磁推力轴承平衡轴向力，当负荷较大时由推力盘的附加气体推力承担额外的轴向力。

请参阅图3所示，有机朗肯循环发电机组磁-气复合推力控制的方法包括：

机组运行控制；

冷凝器3通冷却水，蒸发器5通热源；

工质泵4运行，机组启动、运行；

电机冷却供液，根据回气过热度控制冷却节流阀421开度；

透平-发电机轴系轴向力自适应控制；

监测推力盘轴向位置与平衡位置是否偏差以及监测推力电磁轴承线圈电流It＜0.92*Itmax；

若推力盘轴向位置与平衡位置存在偏差且监测推力电磁轴承线圈电流It≥0.92*Itmax；则根据轴向位置偏差值PID控制气推调节阀521开度；具体为：通过轴向位移值与平衡位置的偏差控制气推调节阀521的开度，将蒸发器5内的高压气体通过电机壳体105上开设的推力轴承供气口110引入到推力盘与近压缩机端的推力轴承111气隙之中，在电机壳体105的后端盖处汇集经推力轴承回气口112引回冷凝器3低压区，通过两侧气隙的压力差作用于推力盘形成一个与叶轮轴向力反方向的附加气动轴向力，用于平衡波动的轴向力Fzq；

若推力盘轴向位置与平衡位置存在偏差且监测推力电磁轴承线圈电流It＜0.92*Itmax；则根据轴向位置偏差值PID控制推力电磁轴承线圈电流It；

若推力盘轴向位置与平衡位置不存在偏差，则轴系位置稳定，机组正常运行。

同时，为保证发电机1的安全运行，需满足电机定转子的有效冷却，实时监测冷却回气压力和温度，返回给控制器2计算回气过热度，与设定的允许上下限(1.5，3)进行比较，当回气过热度在1.5至3度之间时，保持冷却节流阀421开度；当回气过热度≤1.5度时，根据控制算法减小冷却节流阀421开度；当回气过热度≥3度时，根据控制算法增大冷却节流阀421开度；

请参阅图4-5所示，气动推力计算过程为：

P_c＝P₂-ρ*ω²*D²/32 (2)

通过联立三个方程，求解得到附加的气动推力ΔF；其中：方程(1)描述气推供气量与推力盘两侧压差的关系，式中Q_m为辅助气推的供气流量，C_m为流量系数，D为推力盘外径，δ_c为推力盘外缘迷宫齿间隙，P₁和P₂分别为推力盘外缘在迷宫齿前后的压力，N_i为迷宫齿数量，ρ为供气密度；

方程(2)描述气推回气的压力分布关系，因推力盘和转子旋转效应，导致腔体内气体以滞后的速度形成旋流，引起压力沿半径呈指数分布，如上图中右图所示，最后通过后端盖的回气口回到冷凝器，式中P_c为冷凝器背压为，ω为转速；方程(3)描述气动推力的计算公式，该式由推力盘两侧的压力沿半径积分求差得到，式中ΔF指附加气动推力，d_m指电机轴端外径；

很明显，附加气动推力和气推供气量存在非线性隐函数的正相关性，在设计阶段，可以根据要求的数值进行计算，在运行中通过PID算法动态调整气推供气阀开度来控制轴系推力平衡。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.有机朗肯循环发电机组磁-气复合推力控制系统，包括有机朗肯循环发电机组，有机朗肯循环发电机组包括发电机（1）、控制器（2）、冷凝器（3）、工质泵（4）、蒸发器（5）以及安装在发电机（1）上的透平（6）；所述透平（6）包括蜗壳（101）、喷嘴环（102）、叶轮（103）和叶轮轮背隔板（104）；其特征在于：所述发电机（1）包括电机壳体（105）、径向电磁轴承（106）、电机冷却进液口（107）、电机冷却回气口（108）、后轴承隔板（109）、推力轴承供气口（110）、推力轴承（111）和推力轴承回气口（112）；

所述蜗壳（101）固定在电机壳体（105）上，蜗壳（101）和电机壳体（105）之间安装有叶轮轮背隔板（104），叶轮轮背隔板（104）上安装有喷嘴环（102），电机壳体（105）的内部安装有径向电磁轴承（106），径向电磁轴承（106）上安装有电机轴，电机轴的靠近蜗壳（101）的一端安装有叶轮（103），电机壳体（105）的顶部一侧开设有电机冷却进液口（107），电机壳体（105）的顶部另一侧开设有推力轴承供气口（110），电机壳体（105）的一端安装有后端盖，后端盖的中心处开设有推力轴承回气口（112），电机壳体（105）的内部靠近后端盖处安装有推力轴承（111），推力轴承（111）的一侧安装有后轴承隔板（109）；电机壳体（105）的底部开设有电机冷却回气口（108）；

所述蒸发器（5）的顶部通过连接管一（51）与透平（6）的进气口连接，连接管一（51）上安装有进口调节阀（511），蒸发器（5）的顶部通过连接管二（52）与推力轴承供气口（110）连接，连接管二（52）上安装有气推调节阀（521），透平（6）的出气口通过连接管三（33）与冷凝器（3）连接，蒸发器（5）的顶部通过连接管四（53）与连接管三（33）贯通连接，连接管四（53）上安装有旁通阀（531）；所述冷凝器（3）的底部通过连接管五（43）与工质泵（4）连接，工质泵（4）通过连接管九（41）与蒸发器（5）的底部连接；工质泵（4）还通过连接管六（42）与电机冷却进液口（107）连接，连接管六（42）上安装有冷却节流阀（421）；电机冷却回气口（108）通过连接管七（31）与冷凝器（3）连接；推力轴承回气口（112）通过连接管八（32）与连接管七（31）连接，连接管八（32）上安装有气推回气阀（321）。

2.根据权利要求1所述的有机朗肯循环发电机组磁-气复合推力控制系统，其特征在于，所述连接管七（31）上靠近电机冷却回气口（108）处安装有压力传感器和温度传感器；所述推力轴承（111）包括双向电磁线圈、线圈电流传感器、轴向位移传感器和节流齿；径向电磁轴承（106）包括前径向轴承和后径向轴承。

3.根据权利要求1所述的有机朗肯循环发电机组磁-气复合推力控制系统，其特征在于，所述叶轮（103）为半开式叶轮，叶轮（103）上叶片通道之间设置平衡孔，用于将叶轮（103）背部盘腔泄漏的气流引回至叶轮（103）出口；其中平衡孔直径计算如下：

，其中d为平衡孔直径，Cd 为平衡孔流量系数，N为平衡孔数量，R和δ分别为叶轮轮背隔板与转轴之间的梳齿密封半径和间隙；叶轮轮背隔板（104）与电机轴之间设置阶梯型梳齿密封。

4.根据权利要求1所述的有机朗肯循环发电机组磁-气复合推力控制系统，其特征在于，线圈电流传感器与轴向位移传感器通过连接线与控制器（2）连接，线圈电流传感器和轴向位移传感器分别采集推力轴承线圈电流It与推力盘轴向位置Z并将其传输至控制器（2），控制器（2）还通过连接线与气推调节阀（521）连接。

5.据权利要求1-4任一所述的有机朗肯循环发电机组磁-气复合推力控制系统的控制方法，其特征在于，该方法包括：

通过设置在推力盘外侧的轴向位移传感器实时监测推力盘轴向位置并将其发送给控制器（2），控制器（2）将推力盘轴向位置与预先设定的轴向位置进行比较计算偏差值，并通过偏差值控制推力轴承的线圈电流It；其中，推力轴承（111）的线圈电流根据基载轴向力Fze计算得到最大电流值It_max；限制推力轴承（111）的线圈电流It≤0.92*It_max；当推力轴承（111）的线圈电流小于设定电流时，根据轴向位移偏差结合内置的控制算法控制推力轴承（111）的电流值，维持轴系在平衡位置；

当工况进一步增加，轴向力进一步增大时，推力轴承（111）的线圈电流达到设定电流0.92*It_max后不再增加，则进入气推控制，具体控制过程为：通过轴向位移值与平衡位置的偏差控制气推调节阀（521）的开度，将蒸发器（5）内的高压气体通过电机壳体（105）上开设的推力轴承供气口（110）引入到推力盘与近压缩机端的推力轴承（111）气隙之中，在电机壳体（105）的后端盖处汇集经推力轴承回气口（112）引回冷凝器（3）低压区，通过两侧气隙的压力差作用于推力盘形成一个与叶轮轴向力反方向的附加气动轴向力，用于平衡波动的轴向力Fzq。