基于静压气浮轴承的ORC循环系统的制作方法

本实用新型涉及低温发电技术领域，特别是涉及一种基于静压气浮轴承的orc循环系统。

背景技术：

有机朗肯循环(orc)是采用低沸点有机工质(如制冷剂)，利用较低温度的热源完成制冷剂相变，实现朗肯循环发电的技术。液态有机工质在蒸发器(有时称为余热换热器)中被低温余热加热，产生高温高压气体，经过膨胀机膨胀驱动发电机产生电能，经过膨胀机后的低温低压气态制冷剂在冷凝器中冷却成液体，经冷媒泵加压送回到蒸发器，完成一个循环。

有机朗肯循环在地热能、太阳能、生物质能、海洋温差能和各种热力过程等具有低品位可用能的领域中已经得到广泛应用，不仅具有经济价值而且有利于环境保护。

orc余热发电技术面临的问题是循环效率低，发电量少，运行维护成本高、投资回报期长。其中膨胀发电机是制约orc机组性能的关键设备，膨胀发电机主要有两个类型，螺杆机和向心透平膨胀机。螺杆机可以低速运行，直接驱动工频发电机发电，而向心透平高速旋转经齿轮箱减速后驱动工频电机发电。现有系统存在着下列几个问题，严重延长了投资回报周期，使项目失去了经济性：

1.有机工质泄漏

膨胀发电机由将热能转变为机械能的转子或叶轮构成的膨胀机和将机械能转换为电能的发电机组成。发电机若与膨胀机置于同一个腔体中，则为全(半)封闭结构，有机工质不会泄漏到环境中；否则为开式膨胀发电机，有机工质会经过轴与发电机壳体之间的间隙泄漏到环境中,一般两到三个月就需要补充制冷剂。若采用开式结构，有机工质还会穿过密封和轴承间隙，造成有机工质和润滑油泄漏，现有解决办法是在轴封处增加泄漏气体和润滑油回收装置。

2.膨胀机效率低下

螺杆膨胀机常应用于小型和小微型orc机组中，它的效率取决于转子与转子、转子与机壳之间的间隙。间隙越小漏气损失越小，效率越高。但间隙尺寸不仅受制造精度和成本的限制，而且要考虑运行安全。转子采用润滑油密封的螺杆机的等熵效率一般在70％～80％之间，而不采用油封的等熵效率只有50％左右。

透平膨胀机在中小型orc机组中常为径向式结构，气流由径向流入轴向排出。透平膨胀机常常运行在几万转/分钟的范围，因此结构紧凑，尺寸比螺杆机小很多。与螺杆机一样，透平膨胀机的效率取决于叶轮与发电机壳体之间的间隙。由于叶轮转速快、尺寸小，间隙对叶轮的相对尺寸大，所以，小型透平膨胀机的效率一般低于螺杆机。此外，高速旋转的透平膨胀机常采用齿轮减速箱降低转速后驱动发电机工作，齿轮箱的损失依赖于减速比和功率，一般占膨胀机轴功的5％以上。

3.润滑及润滑油问题

常见膨胀机几乎都是采用油膜滑动轴承，由于润滑油会混入到制冷剂中，系统需要配置油气分离系统。润滑油会沉淀在换热器管壁上，增加热阻，降低换热效率进而降低发电量。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种无油、无泄漏、工作效率高的基于静压气浮轴承的orc循环系统。

本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统的其中一个方案，包括储液罐、冷媒泵、蒸发器、径向膨胀发电机组、冷凝器和并流器，所述径向膨胀发电机组包括发电机壳体，发电机壳体内一体式设置有变转速永磁发电机和透平，所述变转速永磁发电机内的转子随转轴转动，转轴由两个静压气浮轴承支撑，所述径向膨胀发电机组内设置有隔热冷却系统，所述隔热冷却系统包括喷流环、储液环、隔热气体腔和隔热液体腔，所述喷流环和储液环用于对发电机进行降温，所述隔热气体腔和隔热液体腔用于对静压气浮轴承进行隔热和降温，发电机壳体上设置有进气口和出气口，所述发电机壳体上的进气口和出气口分别连接蒸发器的出气口和冷凝器的进气口，所述变转速永磁发电机发出的电流经并流器转换为工频电流后输出。

本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统，其中所述透平的一侧设置有叶轮，叶轮安装在转轴的一端，叶轮的进气口和出气口分别连接发电机壳体上的进气口和出气口。

本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统，其中与叶轮位置相对的转轴的另一端安装有平衡盘，所述平衡盘外侧安装有端盖，端盖上开设有高压连接口和低压连接口，所述高压连接口与蒸发器的出气口连接，低压连接口与冷凝器的进气口连接。

本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统的另一个方案，其中所述透平的两侧均设置有叶轮，多个叶轮分别安装在转轴的两端，转轴两端的叶轮各设置有一组进气口和出气口，两组叶轮的进气口均与发电机壳体上的进气口相连，两组叶轮的出气口均与发电机壳体上的出气口相连。

本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统的另一个方案，其中所述透平的两侧均设置有叶轮，多个叶轮分别安装在转轴的两端，转轴两端的叶轮各设置有一组进气口和出气口，用于第一级膨胀的叶轮的出气口与用于第二级膨胀的叶轮的进气口之间设置有连接管，用于第一级膨胀的叶轮的进气口连接发电机壳体的进气口，用于第二级膨胀的叶轮的出气口连接发电机壳体的出气口。

本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统的另一个方案，其中所述透平的两侧均设置有叶轮，多个叶轮分别安装在转轴的两端，转轴两端的叶轮各设置有一组进气口和出气口，用于第一级膨胀的叶轮的出气口与用于第二级膨胀的叶轮的进气口之间设置有回热器，回热器的进水口连接蒸发器上的出水口，所述回热器用于加热第一级膨胀做功后的制冷剂。

本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统，其中所述发电机壳体上开设有为静压气浮轴承提供润滑液的轴承供液孔，提供润滑液的轴承供液孔与静压气浮轴承之间设置有供液管路，所述供液管路位于隔热气体腔和隔热液体腔之间，所述润滑液为系统中的制冷剂。

本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统，其中所述储液环由加工在发电机壳体内壁上的环形槽和变转速永磁发电机的定子铁芯的外壁构成，所述喷流环由加工在发电机壳体内壁上的环形凹槽和环形挡板构成，喷流环位于铜线端子的外侧的发电机壳体中，储液环和喷流环仅由设置在发电机壳体顶部的冷却流道相连通，所述环形挡板上加工有若干通孔，制冷剂经通孔喷射到铜线端子上。

本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统，其中所述发电机壳体中储液环的下部加工有制冷剂冷却入口，制冷剂冷却入口连接储液环，储液环内的冷却液为系统中的制冷剂，所述发电机壳体低于转子的位置上加工有机腔排放口，喷淋到铜线端子上的制冷剂结存在发电机壳底部，到达机腔排放口高度时排出。

本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统，其中所述隔热气体腔和隔热液体腔均为隔热空腔，隔热气体腔和隔热液体腔在两个轴承座上各设置有一组，其中设置在透平一侧的空腔为隔热气体腔，隔热气体腔内部含有空气或真空，设置在变转速永磁发电机一侧的空腔为隔热液体腔，隔热液体腔内部含有制冷剂。

本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统，其中所述隔热液体腔设置有冷却进液口和冷却排放口，冷却进液口通过减压阀与蒸发器进液口相连，冷却排放口与冷凝器的制冷剂进口相连。

本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统与现有技术不同之处在于，本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统采用的发电机组为一体式的径向膨胀发电机组，透平和变转速永磁发电机处于同一腔体中，径向膨胀发电机组向外界的唯一输出是发电机向外输出电力。本实用新型的发电机组采用全封闭式结构，减少接口，这样可以有效避免发电机组内有机工质的泄漏。

本实用新型的发电机组中发电机转轴的支撑采用静压气浮轴承，静压气浮轴承的润滑液采用系统中的制冷剂，无润滑油污染，降低了轴承损失。同时径向膨胀发电机组采用的变转速永磁发电机取消了齿轮箱，发出的高频电流经变频器调频成工频后并网，避免使用润滑油。

本实用新型的径向膨胀发电机组设计了一种新型高效隔热和冷却系统保障了静压气浮轴承的安全运行。静压气浮轴承的气膜设计厚度只有0.01mm左右，而膨胀机中气流的温度变化在60℃以上，如此大的温度变化导致的金属材料热胀冷缩足以导致轴承失效。因此保证轴承温度，避免气流的热和发电机的热传导到轴承和轴上是静压气浮轴承膨胀机的核心技术。

在隔热方面，本发明采用隔热气体腔来阻止透平侧的热传到轴承座上，同时避免发电机腔冷却膨胀机中的气流降低发电功率；透平一侧经轴封泄漏的气体和轴承排气一起经泄漏排气口排出机腔，避免进入电机腔中。

在冷却方面，冷却制冷剂从电机底部进入储液环，待储满后从发电机壳顶部的轴向连接管路进入到两侧的环型喷流槽，制冷剂结存在喷流槽中，到达指定高度后制冷剂经喷流孔喷射到铜线端子上，未汽化的液体制冷剂散落在发电机转子上对转子进行冷却。剩余未汽化的液体制冷剂积聚在电机腔底部，到达排放口后排入到冷凝器。

这个设计具有4个优点：1.发电机硅钢片外侧360°全部浸泡在液体制冷剂中，冷却换热量最大化；

2.集存在发电机腔底部的液体制冷剂使机腔内部成为汽液共存的双相状态，由于机腔与冷凝器相通具有系统最低的压力，因而使电机腔中的温度最低化；

3.集存在发电机腔底部的液体制冷剂将部分铜线端子浸泡其中，最大化了制冷剂与铜线端子的冷却换热量；

4.结存在发电机腔底部的液体制冷剂冷却了轴承座。

另外，发电机轴承采用静压气浮轴承也提高了系统的效率。静压气浮轴承转子晃动小，允许显著减少轴封间隙，降低漏气损失，提高透平机的等熵效率，进而提高系统的循环效率，缩短投资回报期。本实用新型的方案还采用变频器取代齿轮箱减少了传动损失。齿轮箱的损失与减速比成正比，若采用齿轮箱的损失约在2kw左右，则采用变频器的损失只有0.2kw。此外，采用变转速永磁电机的方案更加适应不稳定热源，提高所有工况的发电效率。因此，本方案相比无油螺杆机或油膜轴承向心透平有20个点左右的效率优势。

下面结合附图对本实用新型的基于静压气浮轴承的orc循环系统作进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统实施例1的结构示意图；

图2为本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统实施例2的结构示意图；

图3为本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统实施例2的主视剖视图；

图4为本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统实施例2的俯视图；

图5为本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统实施例3的工艺流程图；

图6为本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统实施例4的工艺流程图；

图中标记示意为：1-机腔排放口；2-泄漏排气口；3-轴承供液孔；4-轴承座；5-隔热液体腔；6-定子铁芯；7-铜线端子；8-发电机壳体；9-储液环；10-喷流环；11-静压气浮轴承；12-叶轮；13-隔热气体腔；14-供液管路；15-制冷剂冷却入口；16-冷却流道；17-连接管；18-端盖；19-平衡盘。

具体实施方式

以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例1

本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统包括储液罐、冷媒泵、蒸发器、径向膨胀发电机组、冷凝器和并流器。其中储液罐分别集成在冷媒泵和蒸发器内部，冷媒泵、蒸发器、径向膨胀发电机组和冷凝器的进出口依次连接，冷凝器的出液口与冷媒泵中的储液箱的进液口相连接，将循环后的液态冷却液再次送回到系统中循环。

如图1所示，径向膨胀发电机组包括发电机壳体8，发电机壳体8内一体设置有变转速永磁发电机和透平，径向膨胀发电机组内取消了齿轮箱，变转速永磁发电机发出的高频电流经变频器调频成工频后并网。

变转速永磁发电机内的转子随转轴转动，转轴由两个静压气浮轴承11支撑，静压气浮轴承11安装在轴承座4上。透平安装在转轴上，本实施例中透平包括一个叶轮12，叶轮12安装在转轴的一端，叶轮12用于带动转轴转动，膨胀做功。转轴另一端的对应位置安装有平衡盘19，平衡盘19用于平衡透平一侧叶轮12做功产生的轴向力。平衡盘19外侧安装有端盖18，端盖18上开设有高压连接口和低压连接口，其中高压连接口穿过发电机壳体8与蒸发器的出气口连接，低压连接口穿过发电机壳体8与冷凝器的进气口连接。制冷剂从高压连接口进入平衡盘19所在的腔体内，平衡盘外围设有密封装置用于隔离高压腔和低压腔，平衡盘两侧的压力差产生轴向力，抵消叶轮产生的轴向力。在本实施例中，径向膨胀发电机组中的透平和变转速永磁发电机处于同一腔体中，可以有效避免有机工质的泄漏。变转速永磁发电机发出的电流经并流器转换为工频电流后输出。

变转速永磁发电机中的静压气浮轴承11采用系统中的制冷剂进行润滑，无润滑油污染，降低了轴承损失。同时，静压气浮轴承11也提高了系统的效率。首先，静压气浮轴承的损失约为常用的油膜轴承损失1/100；其次，静压气浮轴承减少了轴封间隙，降低了透平叶轮顶部的漏气量，提高了膨胀发电机组的等熵效率。

发电机壳体8上设置有径向膨胀发电机组的进气口和出气口，径向膨胀发电机组的进气口与蒸发器的出气口相连，径向膨胀发电机组的出气口与冷凝器的进气口相连。叶轮12的进气口与发电机壳体8上的进气口相连，叶轮12的出气口与发电机壳体8上的出气口相连。高压气流从径向膨胀发电机组的进气口进入径向膨胀发电机组后带动透平转动，做功后的气流从径向膨胀发电机组的出气口排出。

径向膨胀发电机组作为orc的核心部件，其内置电机一旦烧毁，维修成本高，技术难度大，将会直接导致径向膨胀发电机组报废，所以也成为维护保养工作的关键所在。此外，内置电机冷却不良，会使电机温升提高，绕组绝缘值下降，膨胀机功耗增加，发电效率降低，设备性能下降。

径向膨胀发电机组内设置有隔热冷却系统，隔热冷却系统包括储液环9、喷流环10、隔热气体腔13和隔热液体腔5，喷流环10和储液环9用于对发电机腔体内进行降温，隔热气体腔13和隔热液体腔5用于对静压气浮轴承11进行隔热和降温。

储液环9由加工在发电机壳体8内壁上的环形槽和定子铁芯6的外壁构成，储液环9用于冷却定子铁芯6；喷流环10由加工在发电机壳体8内壁上的环形凹槽和环形挡板构成，喷流环10位于铜线端子7的外侧的发电机壳体8中，用于冷却铜线端子7。环形挡板上加工有若干通孔，制冷剂可以经通孔喷射到铜线端子上。在发电机壳体8的顶部设置有冷却流道16，喷流环10与储液环9之间通过冷却流道16相连通。

冷却发电机的冷却液采用冷媒泵出液口中流出的制冷剂，高压制冷剂经过减压阀后从发电机壳体8中储液环的下部加工的制冷剂冷却入口15进入储液环9。当储液环9中液位到达最高位时，制冷剂通过冷却流道16进入喷流环10。发电机壳体8低于转子的位置上加工有机腔排放口1，已经汽化的制冷剂从机腔排放口1排出，没有汽化的制冷剂存储在电机腔底部，到达机腔排放口1位置后亦从机腔排放口1排出。机腔排放口1与冷凝器上的制冷剂进口相连。发电机壳体8上加工有泄漏排气口2，透平一侧经轴封泄漏的气体和轴承排气一起经泄漏排气口2排出机腔，避免进入电机腔中。

隔热冷却系统中的隔热气体腔13和隔热液体腔5均为隔热空腔，隔热气体腔13和隔热液体腔5在两个轴承座4上各设置有一组，其中设置距发电机较远一侧的空腔为隔热气体腔13，内含空气或真空，隔热气体腔13用于阻断叶轮侧的高温气体向发电机腔传热；距发电机较近一侧的空腔为隔热液体腔5，隔热液体腔5用于降低轴承座4的温度。两层隔热空腔的优点在于既降低了轴承座4的温度，又避免降低叶轮侧高温气体的温度，导致叶轮输出功减少。

隔热液体腔5中的冷却液采用冷媒泵出液口中流出的制冷剂，高压制冷剂经过减压阀后从发电机壳体8上加工的冷却进液口进入隔热液体腔5。发电机壳体8上还设置有冷却排放口，在隔夜液体腔5内进行循环后的制冷剂从冷却排放口排出，冷却排放口与冷凝器上的制冷剂进口相连。

发电机壳体8上开设有为静压气浮轴承11提供润滑液的轴承供液孔3，轴承供液孔3与静压气浮轴承11之间设置有供液管路14，供液管路14位于两层隔热腔之间。供液管路14用于向静压气浮轴承11提供润滑液，润滑液采用从冷媒泵出液口流出的制冷剂。

本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统的基本工作原理为：冷媒泵将储液罐中储存的冷却液泵入循环管路中，冷却液在蒸发器中通过低温热源进行加热膨胀，膨胀后的高温高压的冷却液以气态形式进入径向膨胀发电机组中进行做功发电，做功后的冷却液在冷凝器的作用下变为低温液态的冷却液，回到储液罐重新进行循环。

本实用新型基于静压气浮轴承的orc循环系统采用的发电机组为一体式的径向膨胀发电机组，透平和变转速永磁发电机处于同一腔体中，径向膨胀发电机组向外界的唯一输出是发电机向外输出电力。本实用新型的发电机组采用全封闭式结构，减少接口，这样可以有效避免发电机组内有机工质的泄漏。

本实用新型的发电机组中发电机转轴的支撑采用静压气浮轴承，静压气浮轴承的润滑液采用系统中的制冷剂，无润滑油污染，降低了轴承损失。同时径向膨胀发电机组采用的变转速永磁发电机取消了齿轮箱，发出的高频电流经变频器调频成工频后并，也减少了润滑油的使用。

另外，发电机轴承采用静压气浮轴承也提高了系统的效率。本实用新型的方案采用变频器取代齿轮箱减少了传动损失。齿轮箱的损失与减速比成正比，若采用齿轮箱的损失约在2kw左右，则采用变频器的损失只有0.2kw。此外，采用变转速永磁电机的方案更加适应不稳定热源，提高所有工况的发电效率。因此，本方案相比无油螺杆机或油膜轴承向心透平有20个点左右的效率优势。

发电机冷却通道的结构对发电机冷却的效果与流体阻力的影响较大。本系统中变转速永磁发电机的制冷剂冷却入口15一侧的低温制冷剂液体经过定子铁芯6与外壳间的发电机冷却通道、铜线端子7与发电机壳体8之间的气隙，制冷剂液体在发电机冷却通道蒸发吸热，将发电机产生的热量带走。然后，从机腔排放口1汇流到主通道。

本实用新型中径向膨胀发电机组的发电机冷却流道结构在保证电机得到充分冷却的前提下，减少由于冷却发电机产生的有效过热，同时减小制冷剂流经电机冷却流道的压力损失，提高了径向膨胀发电机组的发电效率。

实施例2

如图2-图4所示，本实施例与实施例1不同之处在于，径向膨胀发电机组中的透平两侧均设置有叶轮12，本实施例中的叶轮12为两个，也可以根据实际需要在透平两侧设置多个。两个叶轮12分别安装在转轴的两端，且位于轴承座外侧。转轴两端的叶轮12各设置有一组进气口和出气口，两组叶轮12的进气口均与发电机壳体8上的进气口相连，两组叶轮12的出气口均与发电机壳体8上的出气口相连。

本实施例中发电机居中的双级膨胀机在实际工作中降低了轴向力，提高了轴承的寿命，因而提高了系统的可靠性。

实施例3

如图5所示，本实施例与实施例2不同之处在于，用于第一级膨胀的叶轮12的出气口与用于第二级膨胀的叶轮12的进气口之间设置有连接管17，用于第一级膨胀的叶轮12的进气口连接发电机壳体8的进气口，用于第二级膨胀的叶轮12的出气口连接发电机壳体8的出气口。

来自蒸发器的高温高压气流由第一级膨胀后由连接管17传送到第二级后继续膨胀，然后由径向膨胀发电机组的出气口进入冷凝器。两级透平的膨胀过程可以提高系统的循环效率。

实施例4

如图6所示，本实施例与实施例2不同之处在于，用于第一级膨胀的叶轮12的出气口与用于第二级膨胀的叶轮12的进气口之间设置有回热器，回热器的进水口连接蒸发器上的出水口，所述回热器用于加热第一级膨胀做功后的制冷剂。

回热器用于给经过第一级膨胀后的制冷剂加热，增加了热水端的换热量，提高了第二级膨胀的第二进液口温度。回热器的进水口连接蒸发器的出水口，回热器的热源采用蒸发器对制冷剂加热后的较低温度的水。系统中加入回热器后可以同时提高循环效率和发电量。

当保持热水端换热量不变时，由于回热器的存在可以减少蒸发器中的换热量，因而提高了蒸发器的饱和压力，提高了整个膨胀机径向膨胀发电机组的压比，显著增加了发电量，降低了冷凝器的换热量，同时提高了循环效率。蒸发器和冷凝器换热量减少带来的制造成本的降低可以抵消增加的回热器成本。

本实施例中的储液罐包括第一储液罐和第二储液罐，冷媒泵安装在第一储液罐和第二储液罐之间，第二储液罐的出液口连接蒸发器的进液口，冷凝器的出液口连接第一储液罐的进液口。冷却静压气浮轴承11和变转速永磁发电机的制冷剂由第二储液罐的出液口中流出。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。