一种超临界二氧化碳透平发电机 |
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| 申请号 | CN201710621043.5 | 申请日 | 2017-07-26 | 公开(公告)号 | CN107448246A | 公开(公告)日 | 2017-12-08 |
| 申请人 | 中国科学院工程热物理研究所; | 发明人 | 韩东江; 杨金福; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种超临界二 氧 化 碳 透平发 电机 ，该超临界二氧化碳发电机主要由电机壳体及其内部设置的 定子 线圈、 转子 、 轴承 组成，轴承采用超临界二氧化碳作为润滑工质，轴承排气引入透平出口气流中，本发明提出的透平发电机结构，电机、透平与密封结构同轴连接，取消了传统的 联轴器 连接，具有结构紧凑且简单、功率 密度 高等优点，将轴承气排气引入透平出口气流中，实现零 泄漏 ，同时本发明的透平发电机，整个实验样机中无油、无空气，适用于微小型超临界二氧化碳动 力 循环。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种超临界二氧化碳透平发电机，包括电机壳体、定子、转子和轴承，定子固定在电机壳体内，轴承套设在转子和电机壳体之间，用于支撑转子相对于定子进行转动，所述轴承采用超临界二氧化碳作为润滑工质。 |
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| 说明书全文 | 一种超临界二氧化碳透平发电机技术领域[0001] 本发明涉及一种发电装置，尤其是一种超临界二氧化碳透平发电机。 背景技术[0002] 以超临界二氧化碳涡轮机为核心技术的超临界二氧化碳发电系统在余热发电方面有较宽泛的应用优势，各项技术指标都优于在用的水蒸汽朗肯循环系统和当前最先进的有机朗肯循环系统，特别是在发电效率和设备体积方面有着明显的优势。 [0003] 在超临界二氧化碳动力循环中，超临界二氧化碳透平发电装置作为热-功-电转化的核心动力设备，是其后续应用与发展的关键之一。以10MWe发电功率为界，大于10MWe发电功率的超临界二氧化碳涡轮机可采用商用技术，其技术成熟度和经济成本相对较低，而小于10MWe发电功率的超临界二氧化碳透平发电装置集成高速永磁电机、气体轴承、高参数透平等高技术，是影响超临界二氧化碳动力循环应用与示范的关键。 发明内容[0004] (一)要解决的技术问题 [0005] 有鉴于此，本发明提供一种超临界二氧化碳透平发电机，用以解决上述问题。 [0006] (二)技术方案 [0007] 一种超临界二氧化碳透平发电机，包括电机壳体、定子、转子和轴承，定子固定在电机壳体内，轴承套设在转子和电机壳体之间，用于支撑转子相对于定子进行转动，所述轴承采用超临界二氧化碳作为润滑工质。 [0008] 在本发明一些示例性实施例中，转子包括透平轮，发电机在透平轮处设置有透平进口和透平出口，透平进口用于将超临界二氧化碳通入透平轮做功，透平出口用于将做功后的超临界二氧化碳排出透平发电机。 [0009] 在本发明一些示例性实施例中，电机壳体开有轴承进气孔，用于从壳体外部向轴承通入超临界二氧化碳；电机壳体开有轴承排气孔，用于将从轴承排出的超临界二氧化碳排出壳体。 [0010] 在本发明一些示例性实施例中，轴承进气孔连接透平进口，用于从透平进口处的超临界二氧化碳气流中分流出部分超临界二氧化碳通入轴承；轴承排气孔连接透平出口，用于将从轴承排出的超临界二氧化碳汇入透平出口气流中。 [0011] 在本发明一些示例性实施例中，透平进口和轴承进气孔之间设置有储气罐和压力控制阀门；储气罐入口连接透平进口，用于储存从透平进口处的超临界二氧化碳气流中分流出的部分超临界二氧化碳；压力控制阀门连接在储气罐出口和轴承进气孔之间，用于控制通入轴承的超临界二氧化碳的压力；轴承排气孔和透平出口之间设置有抽吸泵，用于将轴承排出的超临界二氧化碳汇入透平出口气流中。 [0012] 在本发明一些示例性实施例中，定子包括定子铁芯和定子线圈，定子铁芯中设置有定子冷却通道，电机壳体开设有从定子冷却通道通连通至电机壳体外部的定子冷却气进口和定子冷却气出口；定子冷却气进口连接透平出口，用于将透平出口的低温超临界二氧化碳引入定子冷却通道中对定子进行冷却；定子冷却气出口连接透平出口，用于将定子冷却通道中的超临界二氧化碳引回透平出口。 [0013] 在本发明一些示例性实施例中，所述电机壳体还包括蜗壳和导流器，超临界二氧化碳工质首先从透平进口进入蜗壳，然后通过导流器将蜗壳内的超临界二氧化碳引入透平轮。 [0015] 在本发明一些示例性实施例中，电机壳体还包括承压壳体、轴承套、端盖、轴承压盖和干气密封的静止件；承压壳体呈筒状，轴承套、轴承压盖和干气密封的静止件设置在承压壳体的一端，轴承压盖开有供永磁转轴穿设的转轴孔，永磁转轴在所述转轴孔位置套设有干气密封的旋转件，所述轴承套、轴承压盖、干气密封的静止件和干气密封的旋转件将承压壳体一端密封；端盖设置在承压壳体另一端，用于将承压壳体另一端密封；所述轴承压盖上还设置有迷宫密封。 [0016] 在本发明一些示例性实施例中，轴承包括纯径向轴承、径向-止推联合轴承和纯止推轴承；纯径向轴承套设在轴承套和永磁转轴之间，径向-止推联合轴承和纯止推轴承连接在永磁转轴另一端，套设在承压壳体与永磁转轴之间。 [0017] (三)有益效果 [0018] 本发明提出的一种超临界二氧化碳透平发电机，采用透平与高速永磁电机同轴的一体化设计方式，发电机结构紧凑，功率密度高；轴承润滑与电机冷却采用超临界二氧化碳工质，无油无空气，系统简单；采用干气密封与封闭密封相结合的方式，实现零泄漏，适用于微小型超临界二氧化碳动力循环。附图说明 [0019] 图1为本发明实施例提供的超临界二氧化碳透平发电机的结构剖视图； [0020] 图2为本发明实施例提供的透平轮和蜗壳结构示意图； [0021] 图3为本发明实施例提供的超临界二氧化碳润滑过程和冷却过程示意图。 [0022] 【符号说明】 [0023] 1-承压壳体；2-轴承套；3-端盖；4-蜗壳；5-导流器；6-干气密封静止件；7-干气密封旋转件；8-永磁转轴；9-透平轮；10-锁紧螺母；11-纯径向轴承；12-径向-止推混合轴承；13-纯止推轴承；14-定子线圈；15-轴承排气孔；16-轴承进气孔；17-定子铁芯；18-定子冷却通道；19-迷宫密封；20-轴承压盖；21-定子冷却气进口；22-定子冷却气出口。 具体实施方式[0024] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。 [0025] 本发明实施例提供一种超临界二氧化碳透平发电机，图1为本发明实施例提供的超临界二氧化碳透平发电机的结构剖视图，如图1所示，超临界二氧化碳透平发电机包括电机壳体及其内部设置的定子、转子和轴承。 [0026] 电机壳体包括承压壳体1、轴承套2、端盖3、蜗壳4、导流器5、轴承压盖20和干气密封的静止件6。承压壳体1大致呈圆筒形，轴承套2、轴承压盖20和干气密封的静止件6设置在承压壳体的一端，轴承压盖20开有供永磁转轴8穿设的转轴孔，永磁转轴8在该转轴孔位置处套设有干气密封的旋转件，所述轴承套、轴承压盖、干气密封的静止件和干气密封的旋转件将承压壳体一端密封，导流器5和蜗壳4设置在该密封端的外部，端盖3设置在承压壳体1的另一端。将承压壳体的另一端密封。 [0027] 定子包括定子铁芯17和定子线圈14，定子铁芯17通过过盈的方式固定在承压壳体1内。 [0028] 转子包括永磁转轴8、透平轮9、干气密封的旋转件7和锁紧螺母10，永磁转轴8设置在承压壳体1的中心轴位置，在对应定子线圈14的位置设置有永磁体，永磁转轴8上的永磁体采用双半环磁钢组成的环形磁钢，径向上用保护套固定，透平轮9和干气密封旋转件7通过微过盈的方式连接在永磁转轴8一端，轴向通过锁紧螺母10固定。转子通过轴承连接在承压壳体上。透平轮9和高速永磁转轴同轴连接，取消了传统的联轴器结构，使超临界二氧化碳透平发电机结构更加紧凑。 [0029] 透平轮可为径流式或者轴流式，本实施例中，透平轮采用径流式，图2为本发明实施例的透平轮和蜗壳结构示意图，如图2所示，超临界二氧化碳工质首先从透平进口进入蜗壳4，然后通过导流器5将蜗壳4内的超临界二氧化碳引入透平轮9，超临界二氧化碳从透平轮径向进入，对透平轮做功后从中心轴向的透平轮出口排出，透平轮将超临界二氧化碳工质中的内能转化为旋转动能，带动同轴旋转的高速永磁发电机发电，输出电能。 [0030] 轴承包括纯径向轴承11、径向-止推联合轴承12和纯止推轴承13，纯径向轴承11安装在轴承套2和永磁转轴8之间，径向-止推联合轴承12和纯止推轴承13安装在永磁转轴8另一端，套设在壳体与永磁转轴8之间，径向-止推联合轴承12位于纯止推轴承13外侧。纯径向轴承11、径向-止推联合轴承12和纯止推轴承13均为气体轴承，采用超临界二氧化碳作为润滑工质，在与纯径向轴承11对应位置，轴承套2和承压壳体开有轴承进气孔16，用于向纯径向轴承通入超临界二氧化碳；在与径向-止推联合轴承12和纯止推轴承13的对应位置，承压壳体也开有轴承进气孔16，用于向径向-止推联合轴承12和纯止推轴承13通入超临界二氧化碳；同时在轴承套和承压壳体中还开有轴承排气孔15，用于将从纯径向轴承排出的超临界二氧化碳排出壳体，以及将径向-止推联合轴承12和纯止推轴承13排出的超临界二氧化碳排出壳体。 [0031] 外部气源提供的超临界二氧化碳部分通过透平进口进入蜗壳，部分传输至轴承，即从透平进口处的超临界二氧化碳气流中分流出一部分超临界二氧化碳通入轴承。如图3所示，轴承进气孔16在发电机外部连接有轴承供气系统，轴承供气系统包括储气罐和压力控制阀门，外部气源提供的超临界二氧化碳部分通过透平进口进入蜗壳，部分进入储气罐，储气罐储存从透平进口气流中分流出的一部分超临界二氧化碳，储气罐出口和轴承进气孔16之间连接有压力控制阀门，用于控制通入轴承的超临界二氧化碳的压力。 [0032] 轴承排出的超临界二氧化碳汇入透平出口排出的超临界二氧化碳气流中，如图2所示，轴承排气孔15在发电机外部连接有抽吸泵，用于将轴承排出的超临界二氧化碳引入透平出口的气流中。 [0033] 纯止推轴承、径向-止推混合轴承的推力特性设计需结合超临界二氧化碳透平产生的轴向力以及永磁电机设计时产生的轴向力进行联合设计。 [0034] 超临界二氧化碳透平发电机的密封方式采用动密封与静密封混合密封的方式，动密封采用干气密封与迷宫密封19混合密封的方式，静密封采用封闭密封的方式，其中干气密封方式采用动压螺旋槽在干气密封旋转件7与干气密封的静止件6之间形成动压密封气膜，达到密封效果，封闭密封方式如图1中端盖3。 [0035] 透平发电机采用超临界二氧化碳工质进行冷却，如图1和图3所示，定子铁芯17中设置有定子冷却通道18，定子冷却通道18开设有定子冷却气进口21和定子冷却气出口22。通过定子冷却气进口21和管道将透平出口的低温超临界二氧化碳部分引入定子冷却通道 18中对定子铁芯17进行冷却，然后再通过定子冷却气出口22和管道将超临界二氧化碳汇入透平出口的气流排出。 [0036] 本发明的超临界二氧化碳透平发电机，运行转速在60000rpm以上，发电功率在50kW～200kW，透平发电机只有超临界二氧化碳一种工质，无油无空气；透平轮和高速永磁转轴子同轴连接，取消了传统的联轴器结构，使透平发电机结构紧凑，功率密度高；轴承气排气引入透平出口气流中，实现零泄漏，本发明的超临界二氧化碳透平发电机适用于微小型超临界二氧化碳动力循环用发电机。 [0037] 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。 [0039] 除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。 [0040] 再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。 [0041] 此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。 [0042] 类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。 [0043] 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，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。 |
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