CN210164503U - 应用于发动机余热回收的高参数orc透平发电设备及orc装置 - Google Patents

Abstract

一种应用于发动机余热回收的高参数ORC透平发电设备，发电机的转轴和膨胀机的主轴相联结，以实现将膨胀机的做功转化为电能进行储存或利用，膨胀机包括进气管道、包括若干静叶的喷嘴组、叶轮、透平转子及壳体，膨胀机采用超音速轴流冲动式设计，透平转子通过轴承固定在壳体上，喷嘴组中相邻静叶片之间形成的流道呈现缩放式，并在喉部形成特殊型线设置，叶轮固定在转子上且叶轮旋转带动透平转子转动，进气管道进气，气流体流经缩放式流道加速并在喉部达到音速并持续加速后，冲击所述叶轮旋转后通过排气腔排出，叶轮旋转带动透平转子转动，透平转子带动发电机的转轴同轴转动。适用大压比，小流量的高参数ORC乙醇透平，获得可实现的最高膨胀效率。

Description

应用于发动机余热回收的高参数ORC透平发电设备及ORC装置

技术领域

本发明涉及了柴油发动机废气回收再利用系统，特别涉及应用于发动机余热回收的高参数ORC透平发电设备及ORC装置。

背景技术

随着能源短缺形势的日益严峻，节能减排已成为时代发展的主题。对于车用发动机，其有效利用的能量仅占总热量的三分之一左右，而大部分主要以尾气排放和散热的形式流失。在研究如何高效地利用发动机废热等各方案里面，ORC循环(有机朗肯循环)以其较高的循环利用效率而受到研究学者的青睐。

浙江银轮机械股份有限公司在申请号为201410163424.X中公开了一种基于ORC系统的柴油发电机废热发电装置，包括ORC冷媒循环系统、发动机缸套水循环系统、发动机尾气系统、增压空气系统和外部冷却水系统。该专利最显著的特征是，在整个发电装置正常运行后，因发动机的水箱和增压中冷器无需工作，可直接切断柴油发电机的对风扇的功率输出，从而实现对外输出的净发电量大幅提升。本专利的另一个显著特点是，利用发动机缸套水为载体充分吸收发动机气缸壁和发动机尾气的热量，避免ORC冷媒与高温废气直接热交换带来冷媒局部高温失效的问题。通过对本系统各个部件有效控制，通过发动机废热回收再利用，提高发动机单位燃油消耗的发电量，缩短发电机的投资回报周期。

普通的朗肯循环广泛应用于汽轮机发电，其采用的工质一般为水蒸气。有机朗肯循环则不同，它针对发动机废热的压力、温度等工作特性，选用有机物作为循环工质，如R123，R245fa，R134a等等。银轮等公司有关车辆/ 船舶在内交通运输工具的发动机尾气余热利用，采用的方案是把发动机高温烟气(温度350C左右)采用水吸热，生成低参数的热水(如温度100C左右)，再用热水驱动低沸点介质(如R134a、R245fa、烷烃等制冷剂)的ORC，这样的低参数ORC循环效率较低，只有5％左右。

低参数ORC，换热因为多了中间回路，有热水泵循环，经过多个换热器，增加系统功率消耗，对外净输出功减少；系统变得复杂，设备数量增加，成本和重量增加，可靠性降低；低参数换热，对数平均温差小，相同换热量情况下需要的换热面积大，换热器体积和重量增加。

高参数ORC一个核心难点是实现热功转换的透平因为压比大、流量小，设计制造困难。首先，压比大，流量小；其次，系统需要密闭，无工质泄漏，高转速的透平轴封困难；还有，高转速带来转子动力学设计困难，径向/轴向轴承选型困难。

现有的轴流式有机工质发电膨胀机，其内部结构较复杂，效率较低，不能完全隔绝有机工质的泄漏，且现有的轴流式有机工质发电膨胀机多为径向装配，但是径向装配中容易因中分面变形而引起工质泄漏，而且径向装配在上下壳体装配时无法采用密封圈只能在中分面上涂密封胶对有机工质进行密封，这不仅加大了机组的拆装难度，且密封性不是很好。

重庆江增船舶重工有限公司在申请号为201810033962.5公开了一种拆装方便且密封更好的轴流式有机工质透平膨胀机。它包括进气壳、排气壳和转子，所述排气壳固定连接在进气壳上，所述进气壳内侧设有喷嘴环座，喷嘴环座的一个侧壁与进气壳的侧壁围合成进气流道，喷嘴环座的另一个侧壁延伸至排气壳内侧并与排气壳的侧壁围合成排气流道，喷嘴环座上设有多级喷嘴环，多级喷嘴环的输入端与进气流道连通，多级喷嘴环的输出端与排气流道连通，所述多级喷嘴环与转子之间设有级间气封，所述喷嘴环座、多级喷嘴环和级间气封均为上下剖分结构，所述转子的一端通过第一轴承安装在进气壳上，所述转子的另一端通过第二轴承安装在排气壳上。本发明轴流式有机工质透平膨胀机在进气壳内侧设有喷嘴环座，喷嘴环座的一个侧壁与进气壳的侧壁围合成进气流道，喷嘴环座的另一个侧壁延伸至排气壳内侧并与排气壳的侧壁围合成排气流道，喷嘴环座上设有多级喷嘴环，多级喷嘴环的输入端与进气流道连通，多级喷嘴环的输出端与排气流道连通，多级喷嘴环与转子之间设有级间气封，喷嘴环座、多级喷嘴环和级间气封均为上下剖分结构，这样就形成了一种以喷嘴环座、多级喷嘴环和级间气封为内壳、以进气壳和排气壳为外壳的内外壳形式，内壳为上下剖分结构，减轻了安装难度，而外壳没有剖分，简化了机组结构的复杂度，同时提高了机组的气密性。

上述的两端支撑和密封的低速多级轴流式有机工质透平膨胀机结构设计仅适用于低温低参数ORC中，不适合用作高参数ORC透平膨胀机。因为多级轴流结构两端密封，特别是高压端做到绝对密封困难；透平转速低，焓降大，所以级速比u/c偏离最佳速比，级效率低；机组级数多，轴向长度长，如提高转速达到高转速(10krpm以上)，转子动力学设计不合格；同样因为轴向长度长，机组热膨胀量大，为了保证机组运行安全，必须留有足够动静间隙，这会增加内部漏气损失，机组效率更低。综合各方面原因，这种多级轴流结构设计不适合发动机高参数ORC对透平膨胀机的效率高、冷热态启动便利，尺寸小重量轻、高可靠性等要求。

发明内容

本发明提供了一种应用于发动机余热回收的高参数ORC透平发电设备，以解决现有技术中实现热功转换的透平因为压比大、流量小，设计制造困难的技术问题。

一种应用于发动机余热回收的高参数ORC透平发电设备，包括透平膨胀机和发电机，发电机的转轴和膨胀机的主轴相联结，以实现将膨胀机的做功转化为电能进行储存或利用，其中，

膨胀机采用单级悬臂式结构,膨胀机进一步包括进气管道、包括若干静叶的喷嘴组、叶轮、透平转子及壳体，所述膨胀机采用超音速轴流冲动式设计，透平转子通过轴承固定在壳体上，喷嘴组中相邻静叶片之间形成的流道呈现缩放式，并在喉部形成型线设置，叶轮固定在转子上且叶轮旋转带动透平转子转动，其中静叶通过拉法尔管的结构设计获得两倍及其以上的出口音速。

进一步优选的，所述膨胀机的动叶为流动全程超音速设计。进气管道进气，气流体流经缩放式流道加速并在喉部达到音速，冲击所述叶轮旋转后通过排气腔排出，所述叶轮旋转带动透平转子转动，透平转子带动发电机的转轴同轴转动。

进一步优选的，高参数ORC透平发电设备还包括非接触式高速磁性联轴器，所述非接触式高速磁性联轴器进一步包括装有磁体的内转子、隔离套和装有磁体的外转子，在内转子的外周部、外转子的内周部安装有高性能永磁体，隔离套把内转子密封在膨胀机的壳体内，所述内转子与透平转子同轴固定，所述外转子与发电机的转轴同轴固定，所述联轴器的内转子与外转子通过各自安装的N-S高性能永磁体非接触式磁极传动。

进一步优选的，膨胀机还包括调节阀组，每一调节阀控制若干喷嘴组的流道，并且根据发动机的负荷适应性打开或关闭对应个数的调节阀组，以控制喷嘴组的流道开合。

进一步优选的，喷嘴的喷嘴组中相邻静叶片之间形成的流道呈现缩放式，并在喉部形成型线设置，该型线采用B样条曲线设计保证叶片表面的光顺性, 叶片喉部的尺寸范围为0.2-0.8mm,流体流经所述喉部以达到音速。

进一步优选的，高速旋转的内转子被隔离套包裹，中间设有一定间隙, 其间隙内被工质蒸汽充设。

进一步优选的，在内转子靠近叶轮的一侧，设置一个微型喷雾头，从ORC 系统工质泵出口引出一股低温液态循环工质，进入微型喷雾头，产生微米级粒径的喷雾，并扩散到内转子和隔离套之间间隙，利用介质微液滴气化吸热的原理，带走内转子鼓风产生的热量，以防止隔离套工作温度超温。

一种ORC装置，包括ORC工质循环系统、发动机尾气系统、发电系统、增压空气系统和外部冷却水系统，其中发电系统采用如上所述的透平发电设备。

与现有技术相比，本发明的特点如下：

首先，本发明采用超音速冲动式型线设计，设计叶轮转速约80krpm，采用单级悬臂式结构，轴系长度短，转子动力学合格，有较为成熟可靠的轴承、密封零部件供配套。并且，由于气体流的加速可以达到音速后推动叶轮旋转做功，整个膨胀机设计结构的小巧且紧凑，稳定性强。适用大压比，小流量的高参数ORC乙醇透平，采用冲动式超音速设计，获得可实现的最高膨胀效率。

该透平设计的特点在于动静叶中的流动都是超音速的。其中静叶通过拉法尔管的结构设计获得两倍以上的出口音速，通过优化型线设计，减少了流体在收缩、放射管道内部加速产生的损失，特别是喉口最窄处的几何特性以及和前后通道的连接特性经过了优化处理从而减少损失。静叶出口段的型线设计考虑到了复杂的膨胀波系的产生以及对动叶入口的影响，通过合理的静叶出口角度以及动静间隙之间的匹配，可以将动静之间波系的影响降至最低的水平。

动叶设计的特点在于流动全程超音速，而且进出口角度偏转极大，容易产生脱流。动叶的设计特别针对超音速流动的特点，减小了进出口边的厚度，型线上更多采用直线与曲线结合的方式，通过计算流体力学环境下仿真计算优化得到流动和波系损失最小的型线和叶片数方案。

其次，本发明可以获得相对较低的转速，而且利用喷嘴部分进气进行负荷调节，在发动机低负荷(余热少的工况)仍具有较好的经济性。具体就是发动机最低负荷时，喷嘴只开一组，部分进气度20％时运行；在发动机平均负荷时，通过阀门调节，喷嘴可以在部分进气度40％、60％情况运行；在发动机最大负荷时，阀门全开，喷嘴可以在部分进气度80％下运行，此时最大功率达到20kW。在平均负荷下，透平具有62％的等熵效率，是相同参数下可行的同时具有最高效率的透平方案。即喷嘴采用部分进气设计，调节透平负荷与上游发动机余热负荷匹配，并具有最佳循环效率。

再次，本发明应为ORC是闭式循环，系统必须具有良好密闭性，特别是透平轴封部位。本发明设计，透平为悬臂式，变常规两侧密封为单侧密封，而且是只有叶轮低压侧需要密封。由于透平转速高达80krpm-110krpm，常规机械密封、干气密封均无法做到完全密封零泄漏，且寿命、可靠性未知。本发明提出非接触式高速磁性联轴器来转递扭矩，同时两个磁体间的非金属隔离套承受透平低压侧压力，变轴封的动密封为隔离套的静密封，实现轴封出循环工质零泄露；同时非金属隔离套没有一般磁性联轴器传动的涡流损失，保证了较高的传动效率。特别是采用非金属材料隔离套的磁性联轴器传动，解决ORC系统密封问题，无工质泄漏。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

图1是本发明的应用于发动机余热回收的高参数ORC透平发电设备结构框图。

图2为超音速冲动式设计的原理简图；

图3为非接触式高速磁性联轴器的原理示意图；

图4为ORC的一种实例图。

具体实施方式

以下结合附图，具体说明本发明。

透平膨胀机按气体在叶轮中的流向分为轴流式、向心径流式和向心径轴流式三类。按气体在叶轮中是否继续膨胀又分为反击式(反动式)和冲击式 (冲动式)两类。气体在叶轮中继续膨胀的称反击式，不继续膨胀的称冲击式。现有设备中广泛采用单级向心径轴流反击式透平膨胀机。透平膨胀机的工作原理与汽轮机相似。压缩气体通过喷嘴和工作叶轮时膨胀，推动工作轮回转，并输出外功。压缩气体由蜗壳进入喷嘴，在喷嘴中膨胀并获得极高的速度。高速气流从喷嘴以巨大的速度冲击工作叶轮上的叶片，使工作叶轮回转并对外做功。气体本身则降温冷却，并从膨胀机的中排出。上述仅是透平膨胀机的简单介绍。在本发明中，高参数ORC透平发电设备采用的是轴流冲动式透平膨胀机。

请参阅图1，其为一种应用于发动机余热回收的高参数ORC透平发电设备，包括透平膨胀机1和发电机3，发电机3的转轴31和膨胀机1的主轴 12相联结，以实现将膨胀机的做功转化为电能进行储存或利用。在本发明中，其中，透平膨胀机1通过非接触式高速磁性联轴器来实现与发电机3的转轴 31联结，当然也可以是其它方式的联结。在本实例中，所谓的联结是指完成膨胀机1的主轴的转动做功转化为发电机3的转轴31的转动，并非用于限制物理上的连接或连动。

膨胀机1进一步包括进气管道15、包括若干静叶的喷嘴组16、叶轮17、透平转子12、机组底板14、透平支撑板13、排气腔室19、冷却腔室18、轴承11和壳体。机组底板14主要是为了给膨胀机1和发电机3实现支撑功能。膨胀机1本体通过透平支撑板13安装在机组底板14上。透平转子12通过若干轴承11安装在壳体上。连接进气腔室(图中未绘示)的进气管道15与喷嘴组16中相邻静叶片形成进气流道，高速气流从喷嘴以巨大的速度冲击进气流道，喷嘴的喷嘴组16中相邻静叶片之间形成的流道呈现缩放式(如图2所示)，并在喉部形成型线设置，叶轮17固定在透平转子11上且叶轮 17旋转带动透平转子11转动。

进气管道15与喷嘴组16中相邻静叶片形成进气流道，进气流道的气流通过冷却腔室18与排气腔室19连通，并通过排气腔室19最终把气体排出。进气管道进气，气流体流经缩放式流道加速并在喉部达到音速并持续加速(比如，通过控制高速气体的速度在一定速率，以达到持续加速的功效,该速度可以经过多次实验得到,记录到达喉部达到音速时对应的速率)后，冲击所述叶轮17旋转后通过排气腔排出，所述叶轮17旋转带动透平转子12转动，透平转子12带动发电机的转轴同轴转动。

膨胀机采用超音速轴流冲动式设计，轴流冲动式设计上述已经说明就不再详细说明。所述超音速本发明是指高速气流从喷嘴以巨大的速度冲击经缩放式流道加速，在喉部达到音速的功效。本发明中要在喉部达到音速，一般来说，相邻静叶片之间形成的流道呈现缩放式，即流经喷嘴的速度不减(流经喷嘴的最终出口速度马赫数达2-3范围)，压力不变，流道呈上宽下渐变成线状，可以实现气流在喉部达到音速的功效，该型线采用B样条曲线设计保证叶片表面的光顺性，减少气体的流动损失。当然，本发明中叶片喉部的尺寸范围为0.2-0.8mm,流体流经所述喉部以达到音速的功效更明显。在本实例中喉部的尺寸为0.4mm，其效果更为明显。

膨胀机还包括调节阀组(图中未绘示)，每一调节阀控制若干喷嘴组的流道，并且根据发动机的负荷适应性打开或关闭对应个数的调节阀组，以控制喷嘴组的流道开合。发明可以获得相对较低的转速，而且利用喷嘴部分进气进行负荷调节，在发动机低负荷(余热少的工况)仍具有较好的经济性。具体就是发动机最低负荷时，喷嘴只开一组，部分进气度20％时运行；在发动机平均负荷时，通过阀门调节，喷嘴可以在部分进气度40％、60％情况运行；在发动机最大负荷时，阀门全开，喷嘴可以在部分进气度80％下运行，此时最大功率达到20kW。在平均负荷下，透平具有62％的等熵效率，是相同参数下可行的同时具有最高效率的透平方案。即喷嘴采用部分进气设计，调节透平负荷与上游发动机余热负荷匹配，并具有最佳循环效率。

高参数ORC透平发电设备还包括非接触式高速磁性联轴器2，所述非接触式高速磁性联轴器2进一步包括装有磁体的内转子21、隔离套22和装有磁体的外转子23，在内转子21的外周部、外转子23的内周部安装有高性能永磁体24和25(请参阅图3)，隔离套22把内转子21密封在膨胀机1的壳体内，所述内转子21与透平转子11同轴固定，所述外转子23与发电机的转轴31同轴固定，所述联轴器的内转子21与外转子23通过各自安装的N-S 高性能永磁体非接触式磁极传动。外转子23的内周部可以沿周面分别挖设若干槽，把高性能永磁体分别设置在其槽内。

隔离套22把内转子21密封在膨胀机蜗壳内，承受1bar-5bara工作压力。中间的隔离套22采用新型非金属材料(特种工程塑料，PEEK聚醚醚酮材质)，有利于磁力线穿透，同时内部不产生的涡流损失，具有较高的传动效率。高速旋转的(通常转子转速大于10krpm可称为高速，本案转速达80krpm以上) 内转子21被隔离套22包裹，中间间隙(比如本实例中采用1mm)内被工质蒸汽充满，由于介质的粘性作用，高速旋转的内转子21对厚度1mm的圆环气体产生鼓风效应，部分机械功转换为气体的内能，使气体温度升高。由于非金属隔离套材料许用温度120℃，为防止超温，专门设计有特殊冷却措施防止发生超温。在内转子21靠近叶轮17的一侧，设置一个微型喷雾头，从ORC 系统工质泵出口引出一股低温液态循环工质(温度约80℃)，进入微型喷雾头，产生30微米粒径的喷雾，并扩散到内转子21和隔离套22之间1mm的间隙，利用介质微液滴气化吸热的原理，带走内转子21鼓风产生的热量，防止隔离套工作温度超温。

在本实例中，隔离套22与外转子23轴固定，并可以通过电机支撑板34 固定在机组底板14上。电机转子31通过电机轴承33与高速电机32连接。外设电机冷却接口35.特别是采用非金属材料隔离套的磁性联轴器传动，解决ORC系统密封问题，无工质泄漏。

实施例

请参阅图4，一种ORC装置，包括ORC工质循环系统、发动机尾气系统、发电系统、增压空气系统和外部冷却水系统，其中发电系统采用上述所述的透平发电设备。

采用尾气高温余热直接加热，选择合适的工质是高参数ORC难点之一，现有专利提到的冷媒如R245fa、R134a使用温度较低，不超过150C，否则高温情况下会发生分解，分解的氟化氢HF具有很强的腐蚀性，极易挥发，对人和环境有毒。这类工质有温室效应对臭氧有破坏作用，而制冷剂较为昂贵。在ORC循环工质选择上，本申请人经过多次的推导及实验，考虑到醇类。因甲醇有剧毒，人体吸入/摄入少量可致失明甚至死亡，甲醇用于制造甲醛和农药，所以是不允许应用在汽车上；而乙醇无毒，而且ORC循环性能角度，乙醇与甲醇相当，综合乙醇易获取、价格低廉、运输保存方便等优点，用乙醇溶液作为循环工质是更佳的选择。

本申请人采用乙醇和水混合物(比如，乙醇浓度95％)，经过计算和试验，含有少量水的乙醇工质能充分地从发动机高温烟气中吸热，而乙醇本身并不会因为高温发生分解，得到的高参数乙醇蒸汽(高压力3.5MPa，265C)具有更高的做功能力，乙醇工质性质稳定，价格低廉，容易获取；另外极大减轻了纯乙醇对金属材料的腐蚀影响，延长设备使用寿命。乙醇溶液工质为乙醇和水的二元共沸混合物，该混合物具有比单一工质具有更低的沸点，更容易被中低温品位热源加热产生相变，并且，乙醇浓度控制在93％-96％范围，含 4％-7％氧化剂水的乙醇蒸气在叶轮表面形成一层对表面材料起到钝化保护的氧化层薄膜，且4％-7％的乙醇蒸气含水量对进入高速膨胀机叶轮的水蚀危害相对较小。

参照附图4，本发明的一种新型的基于ORC系统柴油发动机废气发电装置的一种实施例。装置包括ORC乙醇循环系统、发动机尾气系统、发电系统、增压空气系统和外部冷却水系统等五个子系统。下面分别介绍5个子系统具体工作流程和能量传递过程：

ORC冷媒循环系统

为提高系统的轴功率和系统效率，采用乙醇和水的混合物作为冷媒工质。储液罐(34)中的乙醇溶液工质经过泵(35)增压到所需蒸发压力，然后经过中间空气冷却器(36)吸收冷却器中高达120℃-200℃的高压空气的热量进行预热，之后乙醇工质一部分进入尾气循环系统换热器(38)，一部分进入尾管换热器(37)，工质乙醇在吸收换热器(37)、(38)中柴油发动机尾气的热量之后，变成高温高压蒸汽；高温高压蒸汽汇合之后先是通过一个气体过滤器(43)，然后流入超音速轴流式膨胀机(31)，推动膨胀机(31)做功；从膨胀机(31)出来的是低压气态乙醇工质，然后进入冷凝器(33)，在冷凝器(33)中放热，从气态冷凝为液态；液态乙醇工质再回到储液罐，从而实现了整个ORC系统循环。

发动机尾气系统

从发动机(39)排出的尾气(42)温度超过350℃，一部分经过尾气循环系统换热器(38)，然后与增压空气(40)混合进行二次充分燃烧利用，以此来提高燃料利用效率；一部分经过一定的净化处理经过尾管换热器(37) 流出后，直接排入环境；在ORC发电装置启动前或是故障维修期间，通过阀门切换，将从发动机充分燃烧排放出来的尾气经过一定的净化处理之后，不流经尾管换热器(37)而直接排入环境，从而可以避免换热器的干烧。

发电系统

通过将发电机(32)的转轴与膨胀机(31)主轴相联结，从而将膨胀机 (31)的做功转化为电能进行储存或利用。请参阅图1至图3，其为一种实施例。

增压空气系统

环境空气经过发动机的涡轮增压器后，变成温度高达120℃-200℃的高压空气；增压空气进入空气换热器(36)，把热量传递给乙醇工质，自身温度降低，然后进入发动机；

外部冷却水系统

外部冷却水经过冷凝器(33)，吸收气态乙醇工质的热量，使其成为低温低压的液态乙醇溶液。

高温ORC循环采用乙醇和水混合物，乙醇浓度控制在93％-96％范围。高达80krpm转速的叶轮为了满足转子动力学设计，采用轻量化的钛合金制造。而纯的乙醇蒸气在200℃以上高温下，对钛合金材质叶轮会产生应力腐蚀，影响叶轮长期安全运行。含少量氧化剂(水)的乙醇蒸气，因氧化剂水的作用能够在钛材表面形成一层氧化层薄膜，对主体钛合金起到钝化保护作用，但过多的水，会显著降低ORC循环热力性能，而且在换热器较高的工作压力下(35barg)即使被高温烟气加热，水可能不完全蒸发成干气状态，这些小液滴形式的水份进入高速膨胀机会引起叶轮水蚀损坏。经过计算，4％-7％的含水量就能对钛合金叶轮及起到良好的钝化保护作用，对叶轮的水蚀危害最低，同时对ORC的性能下降微小。

原有常规ORC利用方案是采用缸套水去吸收发动机尾气热量，缸套水温度升高有限，一般为98℃～110℃。以缸套水作为热源再驱动ORC低沸点介质，如R134a、R245fa制冷剂，由于热源温度低，加热的制冷剂压力、温度参数较低，通常温度只有70℃～90℃，所以循环效率相对较低只有5％左右；而采用发动机尾气直接加热ORC循环介质(比如，采用乙醇浓度为95％的乙醇溶液工质)，乙醇蒸汽的温度能达到约260℃，高的蒸汽初参数带来循环效率的大幅提升，效率达12％，系统具有更高的做功能力。

应该理解到的是：上述实施例只是本发明的说明，任何不超出本发明实质精神和原则范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于发动机余热回收的高参数ORC透平发电设备，包括透平膨胀机和发电机，其特征在于，发电机的转轴和膨胀机的主轴相联结，其中，

膨胀机采用单级悬臂式结构,进一步包括进气管道、包括若干静叶的喷嘴组、叶轮、透平转子及壳体，所述膨胀机采用超音速轴流冲动式设计，透平转子通过轴承固定在壳体上，喷嘴组中相邻静叶片之间形成的流道呈现缩放式，并在喉部形成型线设置，叶轮固定在转子上且叶轮旋转带动透平转子转动，其中静叶通过拉法尔管的结构设计获得两倍及其以上的出口音速。

2.如权利要求1所述的应用于发动机余热回收的高参数ORC透平发电设备，其特征在于，所述膨胀机的动叶为流动全程超音速设计。

3.如权利要求1所述的高参数ORC透平发电设备，其特征在于，还包括非接触式高速磁性联轴器，所述非接触式高速磁性联轴器进一步包括装有磁体的内转子、隔离套和装有磁体的外转子，在内转子的外周部、外转子的内周部安装有高性能永磁体，隔离套把内转子密封在膨胀机的壳体内，所述内转子与透平转子同轴固定，所述外转子与发电机的转轴同轴固定，所述联轴器的内转子与外转子通过各自安装的N-S高性能永磁体非接触式磁极传动。

4.如权利要求1或3所述的高参数ORC透平发电设备，其特征在于，膨胀机还包括调节阀组，每一调节阀控制若干喷嘴组的流道，并且根据发动机的负荷适应性打开或关闭对应个数的调节阀组，以控制喷嘴组的流道开合。

5.如权利要求1或3所述的高参数ORC透平发电设备，其特征在于，喷嘴的喷嘴组中相邻静叶片之间形成的流道呈现缩放式，并在喉部形成型线设置，该型线采用B样条曲线设计保证叶片表面的光顺性,叶片喉部的尺寸范围为0.2-0.8mm,流体流经所述喉部以达到音速。

6.如权利要求3所述的高参数ORC透平发电设备，其特征在于，高速旋转的内转子被隔离套包裹，中间设有一定间隙,其间隙内被工质蒸汽充设。

7.如权利要求6所述的高参数ORC透平发电设备，其特征在于，在内转子靠近叶轮的一侧，设置一个微型喷雾头，从ORC系统工质泵出口引出一股低温液态循环工质，进入微型喷雾头，产生微米级粒径的喷雾，并扩散到内转子和隔离套之间间隙，利用介质微液滴气化吸热的原理，带走内转子鼓风产生的热量，以防止隔离套工作温度超温。

8.一种ORC装置，包括ORC工质循环系统、发动机尾气系统、发电系统、增压空气系统和外部冷却水系统，其中发电系统采用如权项1至权项7所述的透平发电设备。

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