[发明专利]零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机及系统与方法

说明书

本发明涉及一种零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机及系统与方法，发电机由第一、第二轴承室、进气室、主壳体、透平发电机转子、电机定子、尾壳体和通气管组成，透平机与发电机共用壳体，透平叶轮与电机转子直连，转子两端由磁轴承悬浮支撑，电机定子整体置于主壳体中，透平膨胀降温后的有机工质直接从环形绕组定子的内外流道流过，带走电机发热并用于系统回热部分，本发明通过一体化透平机和发电机设计，完全解决了密封问题，通过将电机整体作为透平工质流道，既解决了电机散热问题，又避免了散热系统额外的能量损耗，且充分利用了电机热量，通过磁轴承支撑和转子叶轮直连，减少了机械损耗，极大提高了系统效率。

技术领域

本发明涉及一种用于低温热源有机朗肯循环的透平发电系统，具体涉及一种零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机及系统与方法。

背景技术

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；

现有透平膨胀发电机大都采用机械轴承支撑，轴承的机械磨损降低了系统的机械效率，且需要单独安排轴承的润滑系统，现有一些使用有机工质对轴承进行润滑的，但其润滑流道十分复杂，对于以高转速运转的透平发电机，机械轴承的使用更是极大限制了整机寿命，同时现有中小功率向心透平膨胀发电机多采用叶轮轴悬臂支撑形式，悬臂段挠度大，高速旋转时振动较大；

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，对电机内部产生的热量也缺乏有效利用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种零泄漏、无轴承磨损、散热效果好、系统效率高的磁悬浮透平膨胀发电机及系统与方法。

一种零泄漏自冷却的磁悬浮透平膨胀发电机，由壳体、叶轮轴、电机轴、第一磁悬浮轴承系统、第二磁悬浮轴承系统、透平叶轮、环形绕组定子组成，所述壳体内部从前到后依次分为进气室、蜗室、排气道，所述进气室内还设置有第一轴承室，所述进气室底部与第一轴承室底部之间安装有透平机有叶喷嘴环，使得进气室仅通过所述透平机有叶喷嘴环与蜗室相通，所述排气道由前向后依次分为排气道上游、排气道中游、排气道下游，排气道下游内部设置有第二轴承室，所述叶轮轴从前向后依次为叶轮轴支撑段、叶轮轴叶轮安装段，所述电机轴从前向后依次为电机轴首段、电机轴中段永磁体、转子护套、电机轴尾段；

所述叶轮轴支撑段位于第一轴承室内，并通过所述第一磁悬浮轴承系统支撑；叶轮轴叶轮安装段伸入蜗室，所述透平叶轮安装于叶轮轴叶轮安装段；

所述电机轴首段与叶轮轴叶轮安装段首尾相连，电机轴首段位于排气道上游，所述电机轴中段永磁体和转子护套位于排气道中游，所述环形绕组定子安装于排气道中游，环形绕组定子的内槽作为排气道中游内流道，环形绕组定子的外槽作为排气道中游外流道，其中外槽流道面积可通过增加定子外径和减少外槽数的方法增大以适应透平排出的有机工质对流道面积的要求，透平后流过环形绕组定子内外流道的有机工质作为定子的散热介质，为定子铁芯、绕组以及转子护套散热，所述电机轴尾段伸入第二轴承室内，并通过所述第二磁悬浮轴承系统支撑；

所述第一轴承室与排气道上游由一根通气管道连通，平衡叶轮轮盘底部与叶轮出口处的气压，同时在透平发电机运转时，延叶轮轴支撑段泄漏进第一轴承室的有机工质，通过所述管道导回透平机排气道，实现泄漏工质的回收。