专利名称：蒸汽动力系统中的膨胀机润滑的制作方法
技术领域：
本发明涉及闭合回路蒸汽动力产生系统中使用的膨胀机的润 滑，在该闭合回路蒸汽动力产生系统中润滑剂可溶于工作流体或可 与工作流体混溶。本发明尤其但并非专门涉及用于从诸如地热卤水、 工业废热源和内燃机废热流的中级或者低级热源来产生动力的系
统，其中所述系统的工作流体的最高温度极少超过150。C。这种系统 通常使用有机工作流体，诸如四氟乙烷、氯四氟乙烷1.1.1.3.3 -五氟 丙烷或者诸如异丁烷、正丁烷、异戊烷和正戊烷的轻质烃类，并工 作在兰金循环(Rankine cycle )或者其某个变型下。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于通过使用来自中级或 者低级热源中的热来产生动力的蒸汽动力产生系统，包括用于工作 流体的闭合回路，该系统包括加热装置，用于利用来自所述源的 热在通常不高于200°C的温度在压力下加热流体；分离器，用于将 流体的汽相与其液相分离；膨胀机，用于使蒸汽膨胀以产生动力； 冷凝器，用于对来自所述膨胀机的排出流体进行冷凝；给进泵装置， 用于将来自冷凝器的冷凝的液相返回到加热器；以及回流通路，用 于将来自分离器的液相返回到加热器，其中所述液相包括用于轴承 的润滑剂，所述润滑剂可溶于液相或者可与液相混溶，并且布置轴 承供给通路，用于将由所述给进泵装置加压的液相递送到用于所述 膨胀机的旋转元件的至少 一 个轴承。所述冷凝器最初还可以使来自 所述膨胀机的过热蒸汽降温。
利用该系统，所述润滑剂与工作流体的液相溶解或乳化在一起， 并且一部分离开分离器的液相沿着轴承供给通路被给进到轴承，其
中轴承中产生的热蒸发工作流体，使得在轴承中剩下充分浓缩的润 滑剂以提供充足的轴承润滑。优选地，在轴承周围和轴承之下设置 收集空间。离开所述轴承和进入膨胀机的润滑剂随着工作流体从膨 胀机排出，行进至冷凝器。润滑剂再次与冷凝器中形成的液相混合 或者溶解于其中，并经由给进泵返回到加热器。加热器的蒸发器部
分中润滑剂的堆积和沉积将会降低其效率，通过使润滑剂保持在经 过蒸发器部分的液体再循环中以及取出其中的部分使其流经膨胀 机、冷凝器和给进泵，来防止润滑剂的堆积和沉积。有利地，可以 以这种方式来润滑支撑膨胀机的 一 个或多个旋转元件的每个轴承。
所需要的润滑剂的总质量不超过工作流体的质量的5%。通常0.5% 至2%就足够了 。
所述膨胀机可以是旋转膨胀机。所述膨胀机可以例如是径向流 入或者轴向流动型涡轮机。特别在需要达到大约3MW的功率输出 时，该膨胀机可以是双螺杆型。当所述双螺杆型膨胀机是润滑转子 类型时，润滑剂将是适当的油，并且来自分离器的液体与油的混合 物中有些将被给进到膨胀器，通常经过提供给润滑转子双螺杆机械 的正常润滑口或者较接近高压口的类似口进行所述给进。
根据本发明的另 一方面，提供了 一种用于通过使用来自热源的 热来产生动力的蒸汽动力产生系统，包括用于工作流体的闭合回路， 所述系统包括加热装置，用于利用来自所述源的热在压力下加热 流体以产生蒸汽；多螺杆膨胀机，用于使蒸汽膨胀以产生动力；冷 凝器，用于对来自所述膨胀机的排出液体进行冷凝；给进泵装置， 用于将冷凝的流体从冷凝器返回到加热器，其中轴承供给通路被布
置为将由所述给进泵装置加压的液相递送到用于所述膨胀机的旋转 元件的至少一个轴7 义，并且递送到所述至少一个轴岸义的液相包4舌用 于膨胀机的润滑剂，所述润滑剂可溶于液相或者可与液相混溶。 在本发明的实施例中，液相可以从加热器的中间点递送。
现在将参考附图通过实例对本发明进行进 一 步地描述。
图1是根据本发明的蒸汽动力产生系统的回路图； 图2是与图1类似但包括改变的回^各图3是贯穿适合于在图1或图2的回路中使用的双螺杆膨胀机 的转子轴的剖面图4是图3的线IV-IV上的纵向截面图5是与图1和图2中所示的系统类似的系统的部件竖向布置 图；和
图6是使用单烟道锅炉的本发明备选实施例的回路图。
具体实施例方式
在图1中示出的有机兰金循环系统限定了用于有机工作流体的 闭合回路，该有才几工作流体在大气压力下具有低于100。C的沸点。 将按照重量达到5 % (通常在0.5和2%之间)的相容的天然润滑';^或者 合成润滑油添加到流体中。
所述回路包括热交换器组件1，用于在与诸如来自工业源的温度 达到大约150。C的废水或者地热卣水的热液体的逆流热交换中，加 热工作流体。
热交换器组件1限定了用于来自所述源的热流体的通路2，该通 路2从入口 3延伸至出口 4。该组件还限定了一条通路，该通路在与 通路2的逆流热交换中、通过用于加热液态工作流体的加热器部分5 和用于蒸发所述工作流体至少一部分的蒸发器部分6而延伸。
管路7从蒸发器6的出口通向分离器8,该分离器8在比加热器 部分6更高水平处，用于将蒸发器的蒸汽部分与液体部分相分离。 管路9和10用于将热液体部分返回加热器部分5和蒸发器部分6之 间的接合处11。
管路12将分离器8的蒸汽输出连接至双螺杆膨胀机14的入口 13,所述双螺杆膨胀机14用于使蒸汽膨胀至较低压力，并因此产生 动力以驱动诸如发电机G的外部负载。 管路15从膨胀机的排气出口 16通向冷凝器17，冷凝器17用于 使膨胀的蒸汽在与流过回路18的冷却流体的热交换中冷凝。
管路19将冷凝器的液体出口连接至给进泵F,所述给进泵F用 于使液体在压力下通过管路20返回到加热器。为了对膨胀机14的 轴承进行润滑和冷却，管路21从管路9和10的接合处22通向轴承 座23、 24的入口27、 28,该轴承座23, 24包含用于旋转膨胀机元 件的轴承。
轴承座23， 24在轴承周围提供了充分的空间，当工作流体由于 轴承中产生的热而蒸发到膨胀机中时，该空间用于接收将要浓缩的 液态工作流体的油含量。由于大量的工作流体作为蒸汽(因此不含 这种油)离开分离器8，所以将会使管路9、 10和21中的油含量增 加。当油离开轴承并流入膨胀机时，通过来自管路21的其他油来不 断地对其进行替换。油与蒸汽离开膨胀机出口 16，并溶解至在冷凝 器17中冷凝的液体中。
由于分离器8高于加热器部分5 (并且优选地高于蒸发器6), 并且由于管路9中的液体柱比蒸发器6和管路7中的流体柱更加稠 密，所以将存在经过蒸发器部分的连续循环。
类似地，给进泵F确保经过加热器部分5的连续循环。通过将 该流从接合处22分接到轴承，发生经过加热器部分、轴承、冷凝器 和给进泵的连续循环，使得能够防止加热器和蒸发器部分的表面上 的油聚积，而油聚积将会降低加热器和蒸发器部分的效率。
在膨胀机是润滑转子类型时，管路21还可以通过管路25连接 至膨胀机的正常供油口 26。
图2中示出的回路与图1中所示回路的不同之处在于，在热交 换器30中，在与由给进泵F递送到加热器部分5的入口的液体的逆 流中，对从接合处22分接出来的含有润滑剂的液体进行冷却，例如 从80°C冷却到35°C。因此，给进泵F的出口通过管路31连接至热 交换器30的预加热器部分32的入口 。预加热器部分32的出口通过 管路33连接至主加热器部分5的入口 。
不将润滑流直接从接合处22给进至轴承，而是通过管路34将 该流带到热交换器的冷却器部分35的入口，从而使该流经过冷却器 部分35与预加热器部分32中的液体进行冷却热交换，然后通过管 路36将该流给进到膨胀机轴承23、 24。在膨胀机是双螺杆膨胀机时， 还可以将润滑流带到转子表面润滑入口 37。
通过冷却润滑流，例如从90°C冷却到35°C，避免了工作流体瞬 间变成蒸汽并因此中断供给润滑剂的危险。另外，可以利用限制器 或者控制阀来控制该流不再蒸发。通过这种方式，还回收了轴承中 将会浪费的热，并使用该热来增加膨胀机的动力输出。递送到入口 37的流率取决于循环的工作流体以及工作条件，但是通常是递送到 转子轴承的总流的2至4倍的量级。
图3和图4示出了适合于在图1和图2的回路中使用的双螺杆 膨胀机。该膨胀机具有外壳40,该外壳40包含有与螺旋开槽的转子 42啮合的螺旋叶形转子41。正如在横截面中可以看出的，转子剖面 属于低摩擦力类型，优选EP 0898655中所公开的类型，其在它们的 节圆(pitch circle)区域中具有螺旋渐开带。在轴承座23、 24内的 转动轴承43、 44中支持转子41和42。转子41具有穿过轴承座24 突出的延伸部分45,具有密封组件46，用于驱动诸如发电机G的外 部负载。
在外壳上形成有转子表面润滑入口 37,该入口的位置在蒸汽入 口 13的下游，以确保充分的压力下降来提供足够的润滑流。
该流的工作流体部分形成了该流的主要部分并能够自由蒸发， 因此当该流的工作流体部分流经膨胀机时提供了功(work)，同时 将润滑剂沉积在转子表面。结果得到的过剩润滑剂由离开膨胀机去 往冷凝器的蒸汽流携带，并因此进行再循环。
可以理解，在转子轴承附近提供收集空间(47, 48 )是有利的。
当由内燃机的冷却套管和废气形成热源时，氯四氟乙烷是特别 适合的工作流体。
如图5所示，冷凝器17位于系统中的最高点处，加热器l和给
进泵位于下面。由于膨胀机14是容积式(positive displacement)类
型(例如双螺杆膨胀机)，该容积式类型能够容许在蒸汽流中可能 存在液滴，所以可以省略分离器8和液体回流管路9。相反，来自蒸 发器部分6的蒸汽通过管路51供给至膨胀机14的入口 13。
膨胀机入口 13位于一端的底部，低压蒸汽出口 16位于膨胀机 的顶部(相对于图4中示出的方向)。尽管过量的油将易于随着蒸 汽排入到管路15中，但是剩余的油可以保留在膨胀机14中。这将 在所有工作条件下确保转子表面的充分润滑，并且还将通过用油来 填充因转子之间和转子与外壳之间不可避免的净空(clearance )形成 的漏泄间隙，改善工作流体的密封。
正如所示，在冷凝器17中冷凝的液体通过管路19A传送到贮液 器52,该5!i液器52保存了工作流体的贮存。来自贮液器52的液体 通过管路19B传送至给进泵F的入口 。冷凝器17与给进泵之间的静 压头降低或者避免了入口中的空化(cavitation)对给进泵的危险。
如果发现膨胀机中油的积累太多时，则具有非常小内径的回油 管路53将膨胀机外壳底部中的出口 54连接到从冷凝器到给进泵的 回流通路，在这种情况下该回流通路连4妄至贮液器52。出口 54正好 位于螺杆膨胀机的主出口 16的上游的一个位置处，在该位置处压力 正好充分大于贮液器52中的压力，以使得过剩的油能够离开膨胀机。
加热器1优选的是平板类型热交换器，以及在液流在热交换器 30中进行冷却并被提供至轴承座23和24且如果需要提供到转子表 面润滑入口 26之前或者之后，到膨胀^L轴承的液流可以累积在贮存 容器55中。
如图6所示，在替代的实施例中，工作流体在单烟道锅炉60中 进行加热，在该单烟道锅炉60中，冷液体在入口 61处进入，微湿 的蒸汽在出口62离开，而没有经过分离器的内部再循环。在这种情 况下，包含在工作流体中的润滑剂(例如油)不能在锅炉中累积， 而是通过蒸汽传送以进入膨胀机14。然而，在给定压力下，在工作 流体中存在油具有提高蒸汽的饱和温度的效果，并且该效果可以用
于本实施例的优点。
当按照质量而言油的浓度为5%或者更少时，该温度偏移在多数
情况下可以忽略，并且工作流体的热力学性质与纯工作流体的热力 学性质几乎相同。在其中的工作流体经过蒸发器再循环的锅炉的情
况下，再循环流速率一般是经过锅炉的总体流体流的至少5倍。因 此，如果假定按照质量而言油浓度初始为2%,则大约20%的流体蒸 发所引起的油浓度增加对于流体性能具有可以忽略的影响。
然而，在单烟道锅炉中，使用相同的初始油浓度，随着蒸发的 进行，油的存在对流体特性具有不断增加的影响。因此，当蒸发初 始进行时，工作流体如同纯流体一样工作。然而，当完成80-90%的 蒸发后，剩余液体中的油浓度将变得相当大，对其进行的从外部热 源至锅炉的热传递将导致剩余液体变得过热，同时保留大多数油。 这意味着工作流体将会作为湿蒸汽与含有高百分比油的大约5-10%
液体 一 起进入膨胀机。在螺杆型或者其他类型的容积式膨胀机中， 液体的存在是有益的，这是因为
i) 它可以有助于密封间隙和润滑机器。
ii) 它在膨胀过程期间蒸发，从而降低了过热，其中过热的有机 工作流体一般会离开膨胀机14。
因此，过热液体有效地将油携带到膨胀机的旋转部分，并当进 行膨胀时，以与从传统锅炉重循环的液体中提取时所执行的方式完 全相同的方式使油沉积在那里。
在膨胀机中积累的油最终将被排放到冷凝器17中，在该冷凝器 17处将会使油再溶解或者带走油。因此，离开给进泵的冷工作流体 将包含油。冷工作流体因此可以从所述泵的下游提取，并直接传送 至轴承，而不进行预加热并且因此也不需要再生热交换器。因此， 正如所示，单烟道锅炉的使用使得进一步简化了润滑系统。
尽管在图6中没有示出，但是该图中的布置还可以包括图5所 示类型的贮液器布置，以收集和容纳在冷凝器17中冷凝的液体和/ 或来自膨胀机的过量油。
权利要求
1.一种用于通过使用来自热源的热来产生动力的蒸汽动力产生系统，包括用于工作流体的闭合回路，所述系统包括加热装置，用于利用来自所述源的热在压力下加热流体；分离器，用于将加热的流体的汽相与其液相分离；膨胀机，用于使蒸汽膨胀以产生动力；冷凝器，用于对来自所述膨胀机的排出流体进行冷凝；给进泵装置，用于将来自所述冷凝器的冷凝的流体返回到加热器；以及回流通路，用于将来自所述分离器的液相返回到加热器，其中所述液相包括用于轴承的润滑剂，所述润滑剂可溶于液相或者可与液相混溶，并且布置了轴承供给通路，用于将由所述给进泵装置加压的液相递送到用于所述膨胀机的旋转元件的至少一个轴承。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述加热装置包括蒸发器， 并且所述用于将来自所述分离器的液相返回到所述加热装置的回流 通路通向加热器及其蒸发器部分的接合处。
3. 根据权利要求1或2所述的系统，其中所述轴承供给通路从 所述加热装置的中间部分引出。
4. 根据权利要求1至3任一项所述的系统，其中收集空间设置 为与轴/K相连通。
5. 根据权利要求1至4任一项所述的系统，其中在轴承供给通 路中包括热交换器，用于在与来自给进泵的液体进行热交换中冷却 递送到所述轴承的 流o
6. 根据前述权利要求任一项所述的系统，其中所述膨胀机是旋 转膨胀机。
7. ^4居权利要求6所述的系统，其中所述轴承供给通路通向支 持膨胀机的 一 个或多个旋转元件的每个轴承。
8. 根据权利要求6或7所述的系统，其中所述膨胀机是双螺杆 机械。
9. 一种用于通过使用来自热源的热来产生动力的蒸汽动力产生系统，包括用于工作流体的闭合回路，所述系统包括加热装置， 用于利用来自所述源的热在压力下加热流体以产生蒸汽；多螺杆膨 胀机，用于使蒸汽膨胀以产生动力；冷凝器，用于对来自所述膨胀 机的排出液体进行冷凝；以及给进泵装置，用于将冷凝的流体从所 述冷凝器返回到加热器，其中轴承供给通路被布置为将由所述给进 泵装置加压的液相递送到用于所述膨胀机的旋转元件的至少一个轴 承，并且递送到所述轴承的液相包括用于所述膨胀机的润滑剂，所 述润滑剂可溶于液相或者可与液相混溶。
10. 根据前述权利要求任一项所述的系统，其中所述工作流体作 为湿蒸汽离开所述加热装置。
11. 根据权利要求10所述的系统，其中所述加热装置是单烟道 锅炉。
12. 根据权利要求8或9所述的系统，其中所述多螺杆机械属于
13. 根据权利要求12所述的系统，其中转子具有彼此基本滚动 接触的部分。
14. 根据权利要求13所述的系统，其中彼此基本滚动接触的转 子部分是由公共直线齿条部分限定的渐开部分。
15. 根据权利要求14或15所述的系统，其中彼此基本滚动接触 的转子部分定位于邻近所述转子剖面的节圆。
16. 根据前述权利要求任一项所述的系统，包括与所述冷凝器和 给进泵装置相连通的贮液器，用于接收所述冷凝器中冷凝的液体。
17. 根据权利要求12和权利要求16所述的系统，其中所述多螺 杆机械包括与贮液器相连通的润滑剂排放装置，用于从所述多螺杆 机械接收润滑剂。
18. 根据前述权利要求任一项所述的系统，其废热源是内燃机， 并且所述工作流体是氯四氟乙烷。
全文摘要
一种用于通过使用来自热源的热来产生动力的蒸汽动力产生系统。所述系统包括用于工作流体的闭合回路，并且包括热交换器组件(1)，用于利用来自所述源的热在压力下加热流体；分离器(8)，用于将加热的流体的汽相与其液相分离；膨胀机(14)，用于使蒸汽膨胀以产生动力；冷凝器(17)，用于对来自所述膨胀机(14)的排出流体进行冷凝；给进泵(F)，用于将来自冷凝器(17)的冷凝的流体返回到加热器；以及回流通路，用于将来自所述分离器的液相返回到加热器。该工作流体的液相包括润滑剂，该润滑剂可溶于液相或者可与液相混溶，并且布置了轴承供给通路(21)，用于将由给进泵(F)加压的液相递送到用于膨胀机的旋转元件的至少一个轴承。
文档编号F01K25/08GK101194084SQ200680020671
公开日2008年6月4日 申请日期2006年6月9日 优先权日2005年6月10日
发明者A·科瓦塞维克, I·K·史密斯, N·R·斯托西克 申请人:城市大学