CN115362311A

CN115362311A - 在公共轴线末端部处具有发电机的集成式密封涡轮增压发电机

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Publication number: CN115362311A
Application number: CN202180026867.2A
Authority: CN
Inventors: F·坎焦利; D·比利奥蒂; 马西米利亚诺·奥尔蒂斯内里; G·萨萨内利; V·米凯拉西
Original assignee: Nuovo Pignone Technologie SRL
Current assignee: Nuovo Pignone Technologie SRL
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2021-03-19
Publication date: 2022-11-18
Also published as: AU2021250672B2; BR112022019574A2; US20230117632A1; CN115362312A; EP4127436A1; AU2021250672A1; JP2023520868A; US20230332508A1; JP7474348B2; WO2021197665A8; WO2021197665A1; WO2021197664A1; KR102649611B1; JP2023521007A; CA3172224A1; KR20220156619A; AU2021249399A1; EP4127435A1; IT202000006727A1; BR112022019854A2

Abstract

一种集成式密封涡轮增压发电机(21)包括密封壳体装置(23)，涡轮膨胀机(25)、压缩机(27)和发电机(29)均沿着通过主动磁悬浮轴承支撑的公共轴线(31)布置在密封壳体装置(23)中。还公开了一种热力学系统(1)，其使用集成式密封涡轮增压发电机(21)将来自废热源(7)的废热转换成电力。发电机(29)被布置在公共轴线(31)的一端部处。

Description

在公共轴线末端部处具有发电机的集成式密封涡轮增压发电机

技术领域

本文公开了集成式涡轮机。更具体地，本公开的实施方案涉及适于将热能转换成电能的组合的涡轮机和发电机。

本公开还涉及热力学系统，该热力学系统包括用于废热回收的涡轮机和发电机。

背景技术

一些工业流程产生大量的废热。废热产生过程的典型示例是用于钢、玻璃和水泥生产的工业流程。其他示例是通过由燃料燃烧产生的热功率的转换来产生机械动力或电力的热力学过程。通常，使用燃料的发电过程将燃烧产生的热功率转换为有用的电力或机械动力的比例低于45％。排出燃烧气体的温度范围通常介于300℃与700℃之间，并且排出的热功率可以达到多MW(兆瓦)。排出燃烧气体中所包含的热量被排放到环境中并且被浪费。这对环境具有严重的影响。

系统已经存在，其允许捕获部分废热并将其转换为有用的电力，或者将其例如用于建筑物的加热等。然而，现存的用于将部分废热转化为有用的电力或机械动力的系统复杂且昂贵，其需要很大的占地面积，并且在运行成本方面要求很高。它们也可能在非设计条件下表现不佳。

因此，存在着对机器和系统的需求，这些机器和系统克服或减轻了上述现有技术的系统的一个或多个缺点。

发明内容

本文公开了一种集成式密封涡轮增压发电机，其包括密封壳体装置，其中布置了涡轮膨胀机、流体加压涡轮机和发电机。涡轮膨胀机、发电机和流体加压涡轮机沿着相同的轴线被安装，使得它们以相同的速度旋转。发电机被布置在轴线的一端部处，使得其上的热负载最小化。

如本文所用，流体加压涡轮机是适于对流过集成机的工作流体加压的涡轮机。如果该流体处于液态，则该流体加压涡轮机包括泵。如果该流体处于气态，则该流体加压涡轮机包括压缩机。所使用的流体加压涡轮机的性质主要取决于使用的集成式密封涡轮增压发电机的热力学循环的种类。通常，流体加压涡轮机包括压缩机，作为布雷顿循环或不涉及工作流体的相的变化的其他循环，优选地涉及废热回收。然而，不排除使用朗肯循环或涉及工作流体中的相的变化的其他循环的可能性。在这种情况下，通常流体加压涡轮机包括泵。

如本文所用，密封壳体装置可以包括单个壳体，其容纳上述三个旋转机器，具有公共轴延伸穿过。可以沿轴设置旋转密封件，以防止从一个旋转机器泄漏到另一个旋转机器，例如将发电机的冷却气体与通过涡轮膨胀机和流体加压涡轮机处理的工作流体分离。然而，没有机器的旋转组件被暴露于壳体装置的外部，使得防止朝向环境的泄漏。

然而，密封壳体装置还可以包括两个或更多个壳体，每个壳体都是密封的并且容纳上述的一个或两个旋转机器，即涡轮膨胀机、流体加压涡轮机和发电机。在这种情况下，扭矩通过磁性接头从一个壳体传输到另一个壳体，使得也在这种情况下，没有旋转机械组件朝向壳体装置的外部被暴露，该壳体整体保持密封。

如本文所用，公共轴线可以由单个轴或轴线部分，即独立的轴组成，该单个轴或轴线部分由接头，诸如柔性接头，或者磁性接头以物理方式彼此联接，使得整个轴线以相同的旋转速度旋转，除了就有关接头允许的振荡之外。旋转机器之间不需要齿轮或者速度操纵设备。

涡轮膨胀机、发电机和流体加压涡轮机的公共轴线由主动磁悬浮轴承支撑，从而避免使用滚动轴承以及流体静力学或者流体动力学轴承。因此不需要润滑剂或承载流体回路，使得集成的和密封的机器更简单、更便宜并且就有关潜在的润滑剂泄露而言并不关键。

在实施方案中，同一工作流体还用于冷却集成的、密封的涡轮增压发电机的主动磁悬浮轴承以及用于进一步冷却发电机。

因此，集成的、密封的涡轮增压发电机仅通过以下部件连接到外部世界：

-流体入口和流体出口、涡轮膨胀机的密封凸缘，其将涡轮膨胀机连接到加热工作流体所需的加热器，诸如接收来自废热源的废热的热交换器；

-入口和出口密封的压缩机或泵凸缘，连接到外部冷却系统；

-为主动磁悬浮轴承供电的电力电缆；

-发电机的电力电缆。

如果需要，附加的凸缘可以被设置用于通过或围绕主动磁悬浮轴承和发电机使冷却介质循环。如前所述，相同的工作流体可以用作主动磁悬浮轴承和/或发电机的冷却介质。合适的热交换器可以被设置以保持在合适的温度主动磁悬浮轴承和发电机中循环工作流体，从而从主动磁悬浮轴承和发电机去除热量。

没有旋转机械部件从密封壳体装置朝向环境突出。

涡轮膨胀机和流体加压涡轮机中的至少一者被布置在轴承之间，即在中间轴承配置中。在一些实施方案中，涡轮机两者均被布置在中间装置中。在其它实施方案中，涡轮机中的一者被布置在轴承之间，即在两个径向轴承之间，而另一者以悬挂的方式被布置在轴线的一端部处。发电机通常被布置在径向轴承之间。

在当前优选的实施方案中，涡轮膨胀机和流体加压涡轮机两者都是多区段涡轮机，其中每个区段包括至少一级。多级/多区段配置允许达到高压和温度比，适于实现高热力学循环效率。

因此，紧凑的组合的密封的机器被设置，它的尺寸有限，成本较低。

因此，将废热转换成有用的电力所需的三个机器(涡轮膨胀机、流体加压涡轮机和发电机)在单个的、集成的、密封的机器中合并。密封件避免了任何操作条件下的气体泄漏，从而避免对任何工作流体重新整合的需要并且还避免了环境污染。

使用主动磁悬浮轴承避免了对任何润滑的需要和润滑剂对工作流体的可能污染。

单个轴线由涡轮膨胀机(涡轮)驱动，该涡轮膨胀机驱动两个驱动机，即发电机和流体加压涡轮机(压缩机或泵)。这一简单的布局允许组件中的较大的灵活性，因为可以在不修改机器的情况下包括涡轮膨胀机再加热和/或压缩机中间冷却。

下文概述了集成式密封涡轮增压发电机的实施方案和特征部，参考了附图，并且在所附权利要求书中被阐述，其内容形成本说明书的整体部分。

本文还公开了热力学系统，其包括废热源，该废热源适于直接或间接传递热量到通过如上所述的集成式密封涡轮增压发电机处理的工作流体，以将部分废热转换成电力。

下面参考附图描述了热力学系统的实施方案。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将容易地获得对本发明所公开的实施方案及其许多伴随的优点的更全面的理解，这同样变得更好理解，其中：

图1和图2示出了在两个实施方案中根据本公开的热力学系统的示意图；

图3至图10示出了在若干实施方案中集成式涡轮增压发电机的示意图；

图11示出了具有磁性接头的集成式涡轮增压发电机的另一实施方案的示意图；

图12示出了主动磁悬浮轴承和相关冷却回路的示意性截面图；并且

图13示出了发电机和相关冷却回路的示意性截面图。

具体实施方式

为了提供更紧凑且较便宜的热力学系统，用于回收废热，本文公开了密封集成式涡轮增压发电机，其包括密封壳体装置，该密封壳体装置容纳涡轮膨胀机和流体加压涡轮机，与发电机组合，该涡轮膨胀机和流体加压涡轮机将由涡轮膨胀机产生的机械动力转换为电力。集成的、密封的组合机器避免了沿着旋转轴朝向外部环境泄漏，并且避免了由延伸穿过相应壳体的轴连接独立旋转机器的需要。因此获得了旋转机器的紧凑且无泄漏的组合。包含发电机的转子的公共轴线、涡轮膨胀机的旋转部件和流体加压涡轮机的旋转部件由主动磁悬浮轴承支撑，使得可以无需利用润滑回路。为了减少发电机上的热负载，后者被布置在轴线的一端部处。下文将详细描述各种旋转机器的若干有用装置。

该集成式涡轮增压发电机可以在超临界循环中使用合适的工作流体，诸如CO₂，用于闭合的布雷顿循环中。在这种情况下，流体加压涡轮机将包括压缩机。然而，不排除使用朗肯循环用于废热回收。在这种情况下，流体加压涡轮机包括泵。

在以下描述中，将参考使用来自气体涡轮引擎的排出燃烧气体的废热的系统。然而，本领域技术人员将理解，本文公开的集成式涡轮增压发电机和相关热力学循环可用于从其他来源回收废热，诸如任何工业流程，该工业流程在合适的温度下作为过程的副产物产生废热。可以在热力学循环中使用不同的工作流体，这尤其取决于废热的温度水平。具体地，可以使用超临界二氧化碳循环，但不排除使用其他工作流体，例如其他有机流体，诸如正戊烷和环戊烷。

现在参考图1，简化的热力学系统1包括废热源3和废热回收回路5。在图1的实施方案中，废热源包括气体涡轮引擎7，其被配置成用于发电，即用于通过电耦合到电力分配网格11的发电机9产生电力。

在其他实施方案中，气体涡轮引擎7可以被配置成用于机械驱动，即由气体涡轮引擎7产生的机械动力可以作为机械动力使用，而不是被转换成电力。机械动力可被利用以驱动压缩机或者压缩机组，例如在天然气液化系统中或气体管道中。

在图1的示例性实施方案中，气体涡轮引擎7是双轴气体涡轮引擎，包括空气压缩机7.1、燃烧室7.2和涡轮区段7.3。涡轮区段7.3包括高压涡轮7.4和低压涡轮7.5。在本身已知的方式中，高压涡轮7.4机械地联接到空气压缩机7.1并且低压涡轮7.5机械地联接到发电机9。将来自空气压缩机7.1的压缩空气与燃料混合，并且混合物被点燃，以在燃烧室7.2中产生压缩的高温燃烧气体。压缩的高温燃烧气体在高压涡轮7.4中有序地膨胀来产生动力以驱动空气压缩机7.1，并且在低压涡轮7.5中来产生电力以驱动发电机9。

虽然在图1中示出了双轴气体涡轮引擎，但是在其他实施方案中，气体涡轮引擎7可以是单轴气体涡轮引擎或三轴气体涡轮引擎，或任何种类的气体涡轮引擎，以适于产生用于机械驱动或发电目的的机械动力，视情况而定。气体涡轮引擎7可以是重型的气体涡轮引擎或航改气体涡轮引擎。

排出燃烧气体通过堆叠8从气体涡轮引擎7中被排放。排出燃烧气体可以在高达700℃的温度下包含热能。废热回收回路5用于将部分所述废热转换成进一步有用的动力，尤其是以电力的形式。

在图1的实施方案中，出于安全原因，废热通过中间传热环路13从气体涡轮引擎7传递到废热回收回路5。以这一方式，在废热回收回路5中处理的工作流体不围绕气体涡轮引擎7循环。如果废热回收回路中使用的工作流体是易燃或者易爆流体，例如有机流体，诸如环戊烷，这是特别有用的。

泵13.1通过第一热交换器13.2并且通过第二热交换器13.3循环封闭式中间传热环路13中的热传递流体(箭头F)。第一热交换器13.2被布置在堆叠8的上游。在第一热交换器13.2中，热传递流体与气体涡轮引擎7朝向堆叠8排放的排出燃烧气体呈热交换关系。热量从排出燃烧气体转移到热传递流体。在第二热交换器13.3中，热传递流体与通过废热回收回路5处理的工作流体(例如超临界CO₂或者另一有机流体)呈热交换关系，并且热量从热传递流体转移到工作流体。

在未示出的其他实施方案中，可以不使用中间传热环路13。例如，如果工作流体不是易燃或爆炸物，例如使用CO₂，则情况尤其如此。如果不使用中间传热环路13，则在气体涡轮引擎7和堆叠8之间设置热交换器，通过该热交换器直接在排出燃烧气体和废热回收回路5中循环的工作流体之间直接交换热量。

废热回收回路5包括集成式涡轮增压发电机21，其中将废热转换成电力所需的旋转机械被容纳在密封壳体23中。如本文所用，“密封壳体”是具有用于工作流体循环的入口和出口凸缘的壳体，但是不具有从其突出或面向环境的旋转轴，使得不需要旋转密封件并且避免了沿旋转轴的流体泄漏。

密封壳体可以由一个或多个壳体区段形成，彼此联接，使得涡轮增压发电机的旋转部件完全以及密封地被容纳在壳体中，而扭矩通过磁性接头从一个壳体区段传输到另一个壳体区段，而不需要机械传输。

虽然将参考以下图3至图10详细描述涡轮增压发电机的若干实施方案，但在图1中，涡轮增压发电机21仅被示意性地说明为广泛地包括沿着公共轴线31安装的涡轮膨胀机25、流体加压涡轮机27和发电机29。在若干实施方案的以下描述中，流体加压涡轮机27包括压缩机，如在优选实施方案中，在废热回收回路5中循环的工作流体执行闭合的布雷顿循环，工作流体的相没有变化。然而，不排除朗肯循环的使用。在这种情况下，工作流体经历相的循环变化。在这种情况下，流体加压涡轮机将包括涡轮泵。

来自传热环路13的第二热交换器13.3的高压和高温工作流体在涡轮膨胀机25中膨胀，并且工作流体中包含的热量部分地转换成在轴线31上可用的机械动力。机械动力部分用于驱动压缩机27，并且超过的机械动力由发电机29转换为电力。电力可能通过可变频率驱动器(VFD)33递送到电力分配网格11。

来自涡轮膨胀机25的膨胀的工作流体在热交换器或散热器35中冷却，并且被递送到压缩机27。压缩工作流体由压缩机27递送回热交换器13.3。

图1的实施方案进一步包括散热器35上游的同流换热器39。同流换热器39包括热交换器，在压缩机27的递送侧与第二热交换器13.3之间，该热交换器将热量从膨胀的工作流体传递到压缩工作流体。

图1的废热回收回路5是简化电路。图2的实施方案中示出了更复杂的废热回收回路5，其中相同的附图标记指示与图1中所示和上述的相同或等效部分。

在图2中，集成式涡轮增压发电机21包括两个截面涡轮膨胀机25和两个截面压缩机27。

第一涡轮膨胀机区段和第二涡轮膨胀机区段分别标记为25.1和25.2并且被串联布置，即按顺序布置。来自第二热交换器13.3的压缩和加热的工作流体在第一涡轮膨胀机区段25.1中被部分地膨胀并且进一步被膨胀到第二涡轮膨胀机区段25.2中的最终低压。

在图2的实施方案中，涡轮膨胀机25是再加热的涡轮膨胀机。在第二涡轮膨胀机区段25.2中经受最终膨胀之前，从第一涡轮膨胀机区段25.1排放的部分膨胀的工作流体在第二热交换器13.3中再加热。

第一压缩机区段和第二压缩机区段被标记为27.1和27.2并且被串联布置。来自涡轮膨胀机25的膨胀的工作流体在第一压缩机区段27.1中被部分压缩并且进一步被压缩到第二压缩机区段27.2中的最终高压。

在图2的实施方案中，压缩机27是中冷压缩机。在通过第二压缩机区段27.2处理之前，由第一压缩机区段27.1递送的部分压缩的工作流体在中冷热交换器37中被冷却。

此外，图2的废热回收循环5还包括同流换热器39。同流换热器39旨在在由第二涡轮膨胀机区段25.2排放的膨胀的工作流体和由第二压缩机区段27.2递送的压缩工作流体之间交换热量。由于由第二涡轮膨胀机区段25.2排放的膨胀的工作流体处于比由第二压缩机区段27.2递送的压缩工作流体更高的温度下，因此同流换热器39允许从排出工作流体回收低温热量，从而增加循环的整体效率。

虽然在图2中，以组合形式设置了再加热、中间冷却和热回收，但是应当理解，在未示出的其他实施方案中可以预见这些效率增强装置中的一个或两个效率增强装置。例如，中冷压缩机可用于有热回收但没有再加热的循环，或者其他有再加热但没有热回收的循环。类似地，热回收可以单独使用，没有压缩机进行中间冷却并且没有再加热，或者有中冷压缩机但没有再加热，或者其他有再加热但没有压缩机进行中冷。

在所有实施方案中，将热量转换成电力所需的旋转机器(即涡轮膨胀机、压缩机和发电机)均容纳在同一密封壳体21中，其中机械的旋转部件在同一轴线上。

从以下对集成式涡轮增压发电机21的各种实施方案的描述中显而易见的是，旋转机器被布置在壳体23中的顺序可以与图1和图2中的示意图不同。

继续参考图1和图2，以下图3至图10示意性地示出了形成集成式涡轮增压发电机和压缩机21的机械的不同装置。图3至图10仅示意性地示出了集成式涡轮增压发电机21的旋转部件和其间的相互关系。该外部密封壳体被省去。

在所有实施方案中，设置了单个轴线，其由多个主动磁悬浮轴承支持旋转。如下面将更详细地描述的，轴线可以包含单个轴或多个轴，即轴线部分，例如两个轴，其通过相应接头彼此驱动地联接，以形成单个轴线，其中所有轴或轴部分以相同旋转速度旋转，除了由于沿轴线设置的柔性接头(如果有的话)允许的角振荡的差异。

现在参考图3，在一个实施方案中，集成式涡轮增压发电机21包括由由多个径向主动磁悬浮轴承41.1、41.2、41.3、41.4和由一个轴向主动磁悬浮轴承42支撑的单个轴形成的轴线31。后者的位置可能与图3所示的位置不同。旋转机器按以下顺序布置，图中从左到右依次为：发电机29，其被布置在轴承41.1和轴承41.2之间；涡轮膨胀机25，其被布置在轴承41.2和轴承41.3之间；压缩机27，其被布置在轴承41.3和轴承41.4之间。在图3的示例性实施方案中，既没有再加热也没有中间冷却。被设置用于涡轮膨胀机25的单个入口凸缘和单个出口凸缘以及被设置用于压缩机27的单个入口凸缘和单个出口凸缘。

在图3的实施方案中，以及在稍后公开的其它实施方案中，涡轮膨胀机25可以是径向涡轮膨胀机，例如向心涡轮膨胀机，或轴向涡轮膨胀器，或混合型轴向径向涡轮膨胀机。类似地，压缩机27可以是径向压缩机，即离心式压缩机、轴向压缩机或混合型轴向径向压缩机。

在图3的实施方案中，以及在稍后公开的其它实施方案中，涡轮膨胀机25可以是单区段涡轮膨胀机。然而，在优选实施方案中，涡轮膨胀机25是多区段涡轮膨胀机。类似地，压缩机27可以是单区段或优选地多区段压缩机。

旋转机器被布置的顺序可以不同于图3中所示出的顺序。例如，顺序可以是(在图中再次从左向右)：发电机、压缩机、涡轮膨胀机。

然而，在当前优选的实施方案中，涡轮膨胀机25被布置在发电机29和压缩机27之间的中心位置。由于这些后者是驱动机，因此通过在其间布置涡轮膨胀机25，优化了沿轴线21的机械动力的传输。

此外，就入口和出口而言，涡轮机的取向可以以各种方式被选择。然而，在优选实施方案中，如图3所示，涡轮膨胀机25被布置有朝向发电机取向的排放侧，使得将较少热负载被施加于发电机29。

图4示出了与图3相同的装置，并且相同的附图标记指定与图3相同的组件。然而，在图4中，如IC中示意性示出，压缩机27是中间冷却的多区段压缩机。因此，压缩机27包括两个入口凸缘和两个出口凸缘。来自第一压缩机区段的部分压缩气体在中冷器中冷却(参见图2的中冷器37)，并且被递送到第二压缩机区段用于进一步压缩。

图5示出了与图3相同的装置，并且相同的附图标记指定了与图3相同的组件。然而，在图5中，如RH中示意性示出，涡轮膨胀机25是再加热的多区段涡轮膨胀机。涡轮膨胀机25具有两个入口凸缘和两个出口凸缘。如图2中示意性示出，在被递送到第二涡轮膨胀机区段的入口之前，高压涡轮膨胀机区段中部分膨胀的工作流体再加热。

图6示出了与图3相同的装置，但是使用经中间冷却的多区段的压缩机27(参见IC)和多区段的再加热涡轮膨胀机25(参见RH)。

虽然在图3、图4、图5和图6的实施方案中，轴线31被形成为单个轴，但是在其它实施方案中，轴线31可以包括两个或更多个轴线区段，即通过相应接头彼此联接的两个或更多个轴。

图7、图8、图9和图10的实施方案类似于图3、图4、图5、图6的实施方案，但是轴线31由两个轴线部分形成，即，两个轴(标记为31.1和31.2)，通过接头51彼此联接。

接头51可以是机械接头，诸如柔性接头或刚性接头，诸如Hirth接头。在其它实施方案中，可以使用磁性接头来代替。如果使用磁力接头，则壳体21实际上可以是由两个独立的壳体形成的壳体装置，每个装置都是密封的，即没有任何机械旋转组件突出于壳体或壳体部分之外。沿着轴线的扭矩通过相邻的壳体进行磁性传输。

在图7、图8、图9和图10的实施方案中，接头51有利地被布置在发电机29与涡轮膨胀机25之间。如果使用磁性接头51，则发电机壳体与涡轮膨胀机和压缩机壳体以物理方式隔离。这允许将发电机冷却气体系统与工作流体回路隔离并且控制发电机风阻损失。

如上所述，结合图3、图4、图5和图6，发电机29、涡轮膨胀机25和压缩机27的相互位置以及推力轴承42的位置可以不同于所示出的位置。

沿轴线31使用接头51，特别是柔性或磁性接头，减少轴或轴线部分在接头两侧的径向联接，并且减轻转子动态风险。

在图7、图8、图9和图10的实施方案中，需要大量的径向主动磁悬浮轴承41，因为在接头51的每一侧都需要径向轴承。

虽然在上述实施方案中，密封壳体装置包括单个壳体，如果沿轴线31设置一个或多个磁性接头，则壳体装置可以由两个或更多个独立的壳体或壳体部分形成。使用磁性接头和两个彼此连接的壳体来形成密封壳体装置的可能的实施方案，如图11所示。再次标记为21的集成式涡轮增压发电机，并且其各种部件使用图3至图10中使用的相同附图标记进行标记。

集成式涡轮增压发电机21包括密封壳体装置23，其包括第一壳体或壳体部分23.1和按顺序被布置并且彼此机械联接的第二壳体或壳体部分23.2。

涡轮膨胀机25包括第一涡轮膨胀机区段25.1和第二涡轮膨胀机区段25.2，以及设置有再加热(RH)。压缩机27是经中间冷却的压缩机(IC)，并且包括第一压缩机区段27.1和第二压缩机区段27.2。涡轮膨胀机25和压缩机27被容纳在壳体部分31.2中并且被支撑在轴线部分31.2上。后者由径向轴承41.3、41.4、41.5和推力轴承42支撑。

发电机29被容纳在壳体部分23.1中并且通过两个径向轴承41.1和41.2被支撑在其中，以在轴线部分31.1上旋转。

磁性接头51连接轴线部分31.1和轴线部分31.2，以及传输由涡轮膨胀机25从轴线部分31.2到轴线部分31.1产生的扭矩，以驱动发电机29。

磁性接头51包括容纳在壳体部分23.1中的第一磁性接头部分51.1和容纳在壳体部分23.2中的第二磁性接头部分51.2。磁性接头的两个部分被磁性联接而不是被机械联接，使得它们可以通过毗邻的第一壳体部分和第二壳体部分23.1和23.2的实体墙彼此分离。电力通过磁性接头51的磁场通过壳体部分的面向壁传输。

当使用包括两个独立的壳体部分23.1和23.2的壳体装置时，在两个壳体部分的内部之间获得完整的分离。在图11的示例性实施方案中，发电机29因此与涡轮机密封隔离，并且在发电机29和两个涡轮机(即涡轮膨胀机25和压缩机27之间)之间不需要沿轴线31的旋转密封件。

如上所述，主动磁悬浮轴承41、42和发电机29可以设置有使用由集成式涡轮增压发电机处理作为冷却介质的工作流体的冷却回路。图12和图13示出了主动磁悬浮轴承41的示意图和具有相关示意性表示的冷却回路的电动发电机29的示意图。

图12中示出了用于主动磁悬浮轴承41、42的冷却回路61，并且包括循环泵或风扇62和热交换器63，冷却介质通过该冷却回路循环以排放从主动轴承41、42去除的热量。附图标记64、65指示用于冷却介质通过主动磁悬浮轴承41、42循环的空腔和管道。

图13中示意性地示出了用于发电机29的冷却回路67。发电机29被表示为包括旋转地安装在轴31上的转子29.1和固定地容纳在壳体23中的定子29.2。泵或风扇68使冷却介质循环通过热交换器69以从其去除热量。空腔70和管道71被设置在壳体23内部，用于使冷却介质循环通过发电机29的定子29.2。

冷却回路61和67可以组合在单个冷却回路中。

通过使用与冷却介质相同的工作流体，由集成式涡轮增压发电机21和相关的冷却回路组成的系统可以被密封，从而避免工作流体朝向壳体23周围的环境泄漏。

虽然已经依据各种特定实施方案描述了本发明，但本领域技术人员将明白，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，许多修改、变化和省略是可能的。

Claims

1.一种集成式密封涡轮增压发电机(21)，包括：

密封壳体装置(23；23.1,23.2)；

涡轮膨胀机(25；25.1,25.2)，所述涡轮膨胀机被布置在所述密封壳体装置中；

流体加压涡轮机(27；(27.1,27.2)，所述流体加压涡轮机被布置在所述密封壳体装置中(23；23.1,23.2)；和

发电机(29)，所述发电机被布置在所述密封壳体装置中(23；

23.1,23.2)；

其中：

所述涡轮膨胀机(25；25.1,25.2)，所述流体加压涡轮机(27；27.1,27.2)和所述发电机(29)均被布置在公共轴线上(31；31.1,31.2)，包括在所述密封壳体装置中(23；23.1,23.2)通过主动磁悬浮轴承(41,41.1-41.5)旋转支撑的至少一个轴；

所述涡轮膨胀机(25；25.1,25.2)和所述流体加压涡轮机(27；27.1,27.2)中的至少一者被布置在轴承之间；和

所述发电机(29)被布置在所述公共轴线(31；31.1,31.2)的一端部处的轴承之间。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压发电机(21)，其中所述轴线(31；31.1,31.2)包括至少两个轴部分(31.1,31.2)，所述至少两个轴部分通过其间的接头(51)彼此联接并且由主动磁悬浮轴承支撑(41,41.1-41.5)。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮增压发电机(21)，其中所述流体加压涡轮机(27；27.1,27.2)是压缩机和泵中的一者。

4.根据前述权利要求中一项或多项所述的涡轮增压发电机(21)，其中所述流体加压涡轮机(27；27.1,27.2)是包括至少两个区段(27.1,27.2)的多区段涡轮机。

5.根据权利要求4所述的涡轮增压发电机(21)，其中所述多区段流体加压涡轮机(27.1,27.2)是中冷涡轮机。

6.根据前述权利要求中一项或多项所述的涡轮增压发电机(21)，其中所述涡轮膨胀机(25；25.1,25.2)是包括至少两个区段(25.1,25.2)的多区段涡轮膨胀机。

7.根据权利要求6所述的涡轮增压发电机(21)，其中所述多区段涡轮膨胀机(25；25.1,25.2)是再加热涡轮膨胀机。

8.根据前述权利要求中一项或多项所述的涡轮增压发电机(21)，其中所述涡轮膨胀机(25；25.1,25.2)被布置在所述发电机(29)与所述流体加压涡轮机(27；27.1,27.2)之间的中间位置中。

9.根据权利要求8所述的涡轮增压发电机(21)，其中所述涡轮膨胀机(25；25.1,25.2)被布置沿着具有面向所述流体加压涡轮机(27；27.1,27.2)的气体入口端部和面向所述发电机(29)的气体出口端部的所述轴线(31；31.1,31.2)。

10.根据前述权利要求中一项或多项所述的涡轮增压发电机(21)，其中所述涡轮膨胀机(25；25.1,25.2)和所述流体加压涡轮机(27；27.1,27.2)中的每一者均被布置在相应轴承(41,41.1-41.5)之间。

11.一种热力学系统，包括：废热源(7)，所述废热源适于将热量传递到经过根据前述权利要求中一项或多项所述的集成式涡轮增压发电机(21)处理的工作流体，其中所述涡轮增压发电机适于将部分所述废热转换成电力。