带有磁轴承的悬臂式涡轮机和发电机系统的制作方法
【专利说明】带有磁轴承的悬臂式涡轮机和发电机系统
[0001]相关申请数据
[0002]本申请是2012年9月11日提交的名称为“Axial Overhung Turbine andGenerator System For Use In An Organic Rankine Cycle” 的美国临时专利申请序列号为61/699，649的非临时申请，该美国临时专利申请通过弓I用以其整体并入本文。
发明领域
[0003]本发明总体上涉及用于工业废热回收和其他应用的涡轮发电机电力系统领域。特别地，本发明涉及联接到直驱(direct-drive)电力发电机的悬臂式(overhung)祸轮机。
[0004]背景
[0005]关于气候变化和能源成本上升的担忧以及将各种工业操作费用减到最小的愿望，共同引起增强注重收集此类操作中产生的废热。有机郎肯循环(“0RC”)涡轮发电机电力系统已用于工业废热回收。遗憾的是，用于收集废热并将其转换为电力的公知系统对于特定工业操作中可用的空间往往太大、在效率上低于预期的效率、需要比可用热量更多的热量来高效运行、太昂贵以至于不能针对某些应用进行制造或需要比预期的更多的维护。在其他应用中，诸如地热能回收和某些海洋热能工程，可利用丰富的热量并且高效的ORC系统是将这样的热量转换为电力的令人满意的装置。然而，即使在这样的其它的应用中，公知的ORC系统对于一些这样的应用往往过于昂贵，比预期效率低和/或比预期需要更多的维护。
【发明内容】
[0006]在一个实施中，本公开涉及用于将热能转换为电力的系统。该系统包括:发电机，该发电机具有5丽或更小的功率输出，所述发电机具有近端、远端、发电机转子和定子，所述发电机转子被布置用于在所述定子内围绕旋转轴进行旋转运动，所述发电机还包括定位成邻近所述近端的第一磁径向轴承和定位成邻近所述远端的第二磁径向轴承，所述第一磁径向轴承和第二磁径向轴承环绕所述发电机转子并在运行期间保持所述发电机转子相对于所述旋转轴实质上同轴对准；以及涡轮机，该涡轮机具有至少一个定子和至少一个涡轮机转子，该至少一个涡轮机转子被支撑用于围绕所述旋转轴相对于所述至少一个定子的旋转运动，所述至少一个涡轮机转子与所述发电机转子联接以便旋转驱动所述发电机转子，所述涡轮机具有附接于所述发电机的所述近端的第一端部，其中所述至少一个涡轮机转子具有悬臂式结构，使得没有径向轴承被包括在所述涡轮机中用于径向支撑所述至少一个涡轮机转子进行旋转运动，所述涡轮机还包括用于接收在第一温度的工作流体的入口和用于排出在第二温度的所述工作流体的出口，所述第二温度低于所述第一温度，所述出口定位成紧邻所述涡轮机的所述第一端部，以便使传递到所述发电机的热量减到最小。
[0007]在另一个实施中，本公开涉及用于将热能转换为电力的系统。该系统包括:发电机，该发电机具有5MW或更小的功率输出，所述发电机具有近端、远端、发电机转子和定子，所述发电机转子被布置用于在所述定子内围绕旋转轴进行旋转运动，所述发电机还包括定位成邻近所述近端的第一流体膜轴承和定位成邻近所述远端的第二流体膜轴承，所述第一流体膜轴承和第二流体膜轴承环绕所述发电机转子并在运行期间保持所述发电机转子相对于所述旋转轴实质上同轴对准；以及涡轮机，该涡轮机具有至少一个定子和至少一个涡轮机转子，该涡轮机转子被支撑用于围绕所述旋转轴相对于所述至少一个定子的旋转运动，所述至少一个涡轮机转子与所述发电机转子联接以便旋转驱动所述发电机转子，所述涡轮机具有附接于所述发电机的所述近端的第一端部，其中所述至少一个涡轮机转子具有悬臂式结构，使得没有径向轴承被包括在所述涡轮机中用于径向支撑所述至少一个涡轮机转子进行旋转运动，所述涡轮机还包括用于接收在第一温度的工作流体的入口和用于排出在第二温度的所述工作流体的出口，所述第二温度低于所述第一温度，所述出口定位成紧邻所述涡轮机的所述第一端部，以便使传递到所述发电机的热量减到最小。
[0008]在又一个实施中，本公开涉及具有可互换部件的轴向涡轮机。轴向涡轮机包括:壳体，该壳体具有内部和第一旋转轴；多个转子板，每个转子板具有中心线、第一接触表面和接触所述第一表面的第二接触表面，所述第一接触表面和第二接触表面是实质上平行的，并且所述第一接触表面和第二接触表面中的每个在范围0.00005"至0.020"内是平坦的，其中所述多个转子板被定位成彼此紧邻，使得所述转子板的所述中心线是相互同轴的，并且与所述第一旋转轴同轴，以便界定多级转子组件的转子部分，所述多个转子板中的每个转子板具有径向最外部分；多个定子板，每个定子板具有中心线、第一接触表面和接触所述第一表面的第二接触表面，所述第一表面和第二表面是实质上平行的，并且所述第一表面和第二表面中的每个表面在范围0.00005"至0.020"内是平坦的，其中所述多个定子板被定位成彼此紧邻，使得所述定子板的所述中心线是相互同轴的，并且与所述第一旋转轴同轴，以便界定多级定子组件的定子部分，所述多个定子板中的每个定子板具有径向最内部分；其中，所述多个转子板被定位成与所述多个定子板中的对应的各自的定子板呈交替关系，以便与上游方向一起界定多级转子组件，另外，其中所述多个转子板中的至少一个转子板包括具有轴向弦杆的第一多个叶片，并且所述多个定子板中的邻近的定子板包括具有轴向弦杆的第二多个叶片，其中所述第一多个叶片与所述第二多个叶片轴向隔开以界定具有一定轴向尺寸的空间，该轴向尺寸在一个轴向弦杆的1%的1/4至两个轴向弦杆之间，如相对于紧接所述空间的上游的所述转子板和定子板中的一个的轴向弦杆所测量的。
[0009]在又一个实施中，本公开涉及用于将热能转换为电力的系统。该系统包括:涡轮机，该涡轮机具有入口、出口、定子和涡轮机转子，其中所述涡轮机被配置为经由所述入口接收第一体积的工作流体并经由所述出口排出所述第一体积的工作流体，其中所述涡轮机转子围绕旋转轴旋转；发电机，其与所述涡轮机联接，所述发电机具有定子和发电机转子，所述发电机转子与所述涡轮机转子联接，以便由所述涡轮机转子围绕所述旋转轴进行旋转驱动，所述发电机包括在所述发电机转子与所述定子之间的用于接收第二体积的所述工作流体的间隙，所述间隙具有进入端口和引出端口 ；并且其中，当所述第二体积的工作流体被引入所述间隙中时，所述第一体积的所述工作流体具有比所述第二体积的工作流体的温度更高的温度，并且存在于所述间隙中的所述第二体积的工作流体冷却所述发电机转子和所述定子。
[0010]在又一个实施中，本公开涉及多级涡轮机芯座(cartridge)。涡轮机芯座包括:多个转子板，每个转子板具有中心线，第一接触表面和接触所述第一接触表面的第二接触表面，所述第一接触表面和第二接触表面是实质上平行的，并且所述第一接触表面和第二接触表面中的每个在范围0.00005"至0.020"内是平坦的，其中所述多个转子板被定位成彼此紧邻，使得所述转子板的所述中心线是相互同轴的；多个定子板，每个定子板具有中心线、第一接触表面和接触所述第一表面的第二接触表面，所述第一接触表面和第二接触表面是实质上平行的，并且所述第一接触表面和第二接触表面中的每个在范围0.00005"至0.020"内是平坦的，其中所述多个定子板被定位成彼此紧邻，使得所述定子板的所述中心线是相互同轴的；并且其中，所述多个转子板被定位成与所述多个定子板中的对应的各自的定子板呈交替的关系，以便与上游方向一起界定多级转子组件，另外，其中所述多个转子板中的至少一个转子板包括具有轴向弦杆的第一多个叶片，并且所述多个定子板中的邻近的定子板包括具有轴向弦杆的第二多个叶片，其中所述第一多个叶片与所述第二多个叶片轴向隔开以限定具有一定轴向尺寸的空间，该轴向尺寸在一个轴向弦杆的1%的1/4至两个轴向弦杆之间，如相对于紧接所述空间的上游的所述转子板和定子板中的一个的轴向弦杆所测量的。
[0011]在又一个实施中，本公开涉及用于将热能转换为电力的系统。该系统包括:发电机，该发电机具有近端、远端、发电机转子和定子，所述发电机转子被布置用于在所述定子内围绕旋转轴进行旋转运动，所述发电机还包括定位成邻近所述近端的第一磁径向轴承和定位成邻近所述远端的第二磁径向轴承，所述第一磁径向轴承和第二磁径向轴承环绕所述发电机转子并在运行期间保持所述发电机转子相对于所述旋转轴实质上同轴对准；以及涡轮机，该涡轮机具有至少一个定子和至少一个涡轮机转子，该至少一个涡轮机转子被支撑用于在所述至少一个定子内围绕所述旋转轴的旋转运动，所述至少一个涡轮机转子与所述至少一个发电机转子联接以便旋转驱动所述发电机转子，所述至少一个涡轮机转子以悬臂式结构附接于所述发电机的所述近端，使得没有径向轴承被包括在所述涡轮机中用于径向支撑所述至少一个涡轮机转子进行旋转运动，所述至少一个涡轮机转子具有径向最外表面，并且所述至少一个定子具有径向最内表面，所述涡轮机还包括至少一个支承座、啮合所述至少一个转子的所述径向最外表面的第一刷式密封件(brush seal)、以及嗤合所述至少一个支承座的第二刷式密封件。
[0012]在又一个实施中，本公开涉及制造用于驱动发电机的涡轮机的方法，所述涡轮机具有足以驱动发电机产生在范围为50KW至5MW内的电力的功率输出。该方法包括:提供具有底板的通用涡轮机罩，该底板具有第一厚度；提供具有径向高度的转子级，该转子级被定位在涡轮机罩中；以及，从该罩机械加工掉材料以减小底板的厚度并机械加工掉材料以减小转子级的径向高度，执行所述机械加工以便生产具有足以驱动发电机产生目标值在范围50KW至5MW内的最大电力输出的功率输出的涡轮机。
[0013]附图简述
[0014]为了说明本发明的目的，附图示出本发明的一个或多个实施例的各个方面。然而，应当理解，本发明并不限于在附图中示出的精确布置和工具，在附图中:
[0015]图1是ORC涡轮发电机系统的示意图；
[0016]图2是在图1中示出的系统的涡轮机和发电机的示意图，其中示意性示出了发电机的内部细节；
[0017]图3类似于图1，除了其描绘ORC涡轮发电机系统的可替代实施例以外；
[0018]图4a是在图1中描绘的涡轮机组件的多级轴向涡轮机实施例的横截面视图以及在图1中描绘的发电机的局部剖视图，其示意性地示出了被包括在发电机的一个实施例中的轴承，为了清楚地说明，发电机的转子和定子被移除；
[0019]图4b类似于图4a，除了其示出在图1中描绘的涡轮机组件的单极径向涡轮机实施例以外；
[0020]图4c类似于图4b，除了其示出在图4b中描绘的涡轮机组件的多极径向涡轮机实施例以外；
[0021]图4d类似于图4c，除了在图4c中描绘的多级径向涡轮机组件的转子被布置成背靠背的结构以外；
[0022]图5是可用于在图4a中示出的涡轮机的涡轮机芯座的一个实施例的横截面视图；
[0023]图6是在图4a中示出的涡轮机的一部分的放大的横截面视图，其说明罩背板的一部分和整个涡轮机芯座；
[0024]图7是示出两个定子板和一个转子板的相对放置的透视图，其中该转子板的固定隔板在图4a中描绘的涡轮机的多级实施例中使用；
[0025]图8是示出各板的相对放置的用于在图4a中描绘的涡轮机的多级实施例的三个转子板的透视图；
[0026]图9是在图6中示出的涡轮机的一部分的横截面侧视图，其说明涡轮机的刷式密封件和其他细节；以及
[0027]图10类似于图9，除了其描绘涡轮机的可替代实施例以外。
[0028]详细描述
[0029]本公开涉及一种用于生成废热或与其他热源有关的有机朗肯循环(ORC)、卡林娜循环(Kali