一种带锥形转子发电机的余热发电系统的制作方法

本发明属于新型的一种余热发电系统的余热利用和回收领域，具体涉及适用于膨胀机产生轴向拉力大、有轴承或无轴承结构的一种带锥形转子发电机的余热发电系统。

背景技术：

能源短缺是全球性问题，日益引起人们的高度关注，也是目前制约各种能耗行业可持续发展的主要问题。各种工业中余热具有温度高、压强大、能量高的特点，若直接排入大气，会造成大量的热量被浪费，同时也会给目前已经严重的全球温室效应带来更大的压力。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决余热浪费，将热能转换为机械能在转化为电能的方法，提供了一种带锥形转子发电机的余热发电系统。

本发明一种带锥形转子发电机的余热发电系统，它由做功工质、换热装置及电气系统三部分组成，其中做功工质为有机介质，即可选R245fa、R123、R134a、R600a等有机介质任一种；换热装置包括冷凝器、蒸发器及工质泵；电气系统包括径向涡轮膨胀机、PWM变流装置及锥形转子发电机。经工质泵加压后的有机介质经蒸发器加热，高温高压的有机介质经管道进入径向涡轮膨胀机内腔，驱动径向涡轮膨胀机旋转，实现热能与机械能转换；径向涡轮膨胀机直接固定在所述锥形转子发电机轴伸端，旋转的径向涡轮膨胀机带动发电机转子进行机械能转换成电能；锥形转子发电机外接PWM变流装置，对外输出电能，最后做功后乏气经管道在所述冷凝器里进行冷却，在经工质泵加压后进入蒸发器进行热能交换，从而完成一次循环。

所述锥形转子发电机可为有承轴或无轴承结构其中一种。

所述锥形转子发电机为有轴承结构时，高温高压的有机介质对涡轮膨胀机进行旋转做功后，形成了低温低压的乏气排出涡轮膨胀机内腔，从而有机介质做功前后压差的原因，使径向涡轮膨胀机产生一个轴向拉力F_R，由于径向涡轮膨胀机与发电机中的锥形转子同轴，根据电机运行原理，发电机中的锥形转子上产生电磁轴向力F_L，且轴向拉力F_R和电磁轴向力F_L方向相反，而发电机中的锥形转子的电磁轴向力F_L可以随着径向涡轮膨胀机随有机介质的压力变化时产生轴向拉力F_R可进行调节，则完全可抵消。

所述锥形转子为无轴承结构时，在锥形转子发电机定子中，一并嵌入功率绕组和悬浮绕组两套绕组，系统工作时，两套绕组通入同频率的三相交流电，将锥形转子发电机转子和所述径向涡轮膨胀机悬浮起来；达到无轴承结构的效果，同时也兼顾了功率绕组作用。

本发明的有益效果在于，本发明提供的一种带锥形转子发电机的余热发电系统，当选有轴承发电机结构型式时，发电机工作时的锥形转子产生的电磁轴向力F_L与径向涡轮膨胀机做功工质的压力变化时产生轴向拉力F_R可进行调节，且方向相反，并可完全抵消，则无需专用轴承克服轴向力的装置；当选锥形转子无轴承发电机时，定子绕组中嵌入功率绕组和悬浮绕组两套绕组，将锥形转子发电机和径向涡轮膨胀机悬浮起来，实现了无轴承结构效果，取消发电机的润滑轴承机构，发电机与径向涡轮膨胀机之间的动密封结构转换成了静密封，降低了密封要求，加强了密封效果，同时减少了发电机的机械摩擦损耗，提高了发电机的电转换效率和可靠性，同时兼顾了力矩绕组的作用；使发电系统具备的制造成本低，结构简单，维护周期长，效率高特点。也对系统的有机介质的纯度得到保障，增加系统的使用寿命。

附图说明

图1所示为本发明一种带锥形转子发电机的余热发电系统的结构图；

图2所示为本发明中径向涡轮膨胀机与锥形转子发电机直连受力示意图；

图3所示为本发明中径向涡轮膨胀机与锥形转子发电机X,Y,Z受力示意图；

图中：1、冷凝器，2、有机介质，3、工质泵，4、蒸发器，5、锥形转子发电机，6、PWM变流装置，7、径向涡轮膨胀机，8、发电机定子，9、发电机中的锥形转子。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

如图1所示，本发明一种带锥形转子发电机的余热发电系统，它由做功工质、换热装置及电气系统三部分组成，其中做功工质为有机介质（2），其可选R245fa、R123、R134a、R600a任一种；换热装置由冷凝器（1）、蒸发器（4）及工质泵(3)组成；电气系统由径向涡轮膨胀机（7）、PWM变流装置（6）及锥形转子发电机（5）组成。

系统中，冷凝器（1）出口接入工质泵（3）入口，低温低压的有机介质（2）在冷却器（1）冷却后经工质泵（3）加压后进入经蒸发器（4）加热，高温高压的有机介质（2）再经管道高速的流入径向涡轮膨胀机（7）内腔，驱动径向涡轮膨胀机（7）旋转做功，实现热能与机械能转换；由于径向涡轮膨胀机（7）与锥形转子发电机（5）同轴联接，驱动发电机中的锥形转子（9）旋转进行机械能转换成电能；锥形转子发电机（5）外接PWM变流装置（6）；对外输出电能，最后做功后乏气经管道在所述冷凝器（1）里进行冷却；再经工质泵（3）加压后进入蒸发器（4）进行热能交换，从而完成一次循环，再循环做功。

如图2所示，所述锥形转子发电机（5）可为有承轴结构或无轴承结构：

所述锥形转子发电机（5）为有轴承结构时，如图2所示，高温高压的有机介质（2）驱动径向涡轮膨胀机（7）旋转，进行热能与机械能的转换，做功后形成了低温低压的有机介质（2）排出径向涡轮膨胀机（7）内腔，从而有机介质（2）做功前后压差的原因，使径向涡轮膨胀机（7）产生一个轴向拉力FR，如公式（一）：

F_R=F_进-F_出 （一）

公式一中：F_进=k1P_进×S,F_出=k2P_出×S,

式中：P_进—径向涡轮膨胀机的进口压力（N/m2）

P_出—径向涡轮膨胀机的进口压力（N/m2）

S—径向涡轮膨胀机有效工作面积（m2）

k1，k2—经验系数

由于径向涡轮膨胀机（7）与发电机中的锥形转子（9）同轴，根据电机运行原理，发电机中的锥形转子（9）上产生电磁轴向力FL，如公式（二）：

式中：Dav —平均直径（mm）

α —转子的锥角（º）

_efi —有效铁芯长（mm）

B_δ —气隙磁密（T）

β —气隙磁密均方根与最大值之比

由公式（一）、（二）可知，轴向拉力F_R和电磁轴向力F_L方向相反，且发电机中的锥形转子（9）的电磁轴向力F_L可以随着径向涡轮膨胀机（7）随有机介质（2）的压力变化时产生轴向拉力F_R可进行调节，并可完全抵消。

所述锥形转子发电机（5）为无轴承结构时，在所述锥形转子发电机定子（8）中，一并嵌入极对数相差为二倍的功率绕组和悬浮绕组两套绕组，系统工作时，两套绕组通入同频率的三相交流电，在产生的磁场在某气隙处方向相同，磁场增强，且与之对称的气隙处方向相反，磁场减弱，发电机中的锥形转子（9）将受到沿磁场增强方向的麦克斯韦力，即悬浮力，将锥形转子发电机（5）和径向涡轮膨胀机（7）悬浮起来，达到无轴承结构的效果。所受的X，Y，Z方向的麦克斯韦力图3所示，其公式三：

（三）

式中：—气隙磁密幅值

α —转子的锥角（º）

—功率绕组和悬浮绕组的初始相位角（º）

其中：;式中： 为励磁电流幅值。

而径向悬浮力与磁场强度成正比，磁场强度又与电流的幅值成正比，因此通过控制两套绕组中电流的幅值可控制锥形转子9所受径向力的大小；同时也兼顾了功率绕组作用。

本发明提供的一种带锥形转子发电机的余热发电系统，当选有轴承发电机结构型式时，发电机工作时的锥形转子发电机（5）转子产生的电磁轴向力F_L与径向涡轮膨胀机（7）随有机介质（2）的压力变化时产生轴向拉力F_R可进行调节，且大小相等，方向相反，从而完全可抵消，则无需专用轴承克服轴向力的装置；当选锥形转子无轴承发电机时，定子绕组中嵌入功率绕组和悬浮绕组两套绕组，将锥形转子发电机（5）和径向涡轮膨胀机（7）悬浮起来，实现了无轴承结构目的，取消发电机的润滑轴承机构，锥形转子发电机（5）与径向涡轮膨胀机（7）之间的动密封结构转换成了静密封，降低了密封要求，加强了密封效果，同时减少了锥形转子发电机（5）的机械摩擦损耗，提高了锥形转子发电机（5）的电转换效率和可靠性，同时兼顾了功率绕组的作用；使发电系统具备的制造成本低，结构简单，维护周期长，效率高特点。也对系统的有机介质（2）的纯度得到保障，增加系统的使用寿命。

本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。