涡轮机的制作方法

本实用新型涉及低温余热回收发电技术领域，特别涉及一种涡轮机。

背景技术：

在低品位余热回收领域，有机朗肯循环技术是主要热-功(电)技术之一，虽然相比于传统的水蒸汽朗肯循环发电技术，有机朗肯循环技术系统简化、效率高，但低品位余热回收设备的效率仍然较低，投资回收期长，这是限制低品位余热回收发电行业发展的主要因素之一。

现有的采用磁悬浮涡轮膨胀机发电的有机朗肯循环系统，虽然提高了膨胀机的效率和寿命，但由于辅机寿命、效率仍然很低，导致系统总的热电效率不高，特别是循环工质泵，若采用磁悬浮离心工质泵则耗电量较高、价格高，若采用普通工质泵则耗电量高、价格较高、寿命短、维护费用高。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种涡轮机，该涡轮机结构简单、成本低，且热电效率高。

根据本实用新型的涡轮机，包括：电机壳、涡壳和工质泵壳，所述电机壳限定出第一安装空间，所述涡壳限定出第二安装空间，所述工质泵壳限定出第三安装空间，所述第一安装空间与所述第二安装空间隔断开，所述第一安装空间与所述第三安装空间隔开；

定子组件，所述定子组件设置在所述电机壳的内壁上且所述定子组件包括：定子铁心和缠绕在所述定子铁芯上的定子线圈；

转子轴，所述转子轴包括：从前向后依次相连的工质泵转子轴、电机转子轴和涡轮转子轴，所述工质泵转子轴的前端位于所述第三安装空间内，所述电机转子轴位于所述第一安装空间内，所述涡轮转子轴的后端位于所述第二安装空间内，所述电机轴内嵌设有永磁铁芯，所述永磁铁芯与所述定子组件正对；

前径向永磁偏置磁悬浮轴承和后径向永磁偏置磁悬浮轴承，所述前径向永磁偏置磁悬浮轴承设置在所述电机壳上且与所述工质泵转子轴正对以将所述工质泵转子轴支撑在所述电机壳上，所述后径向永磁偏置磁悬浮轴承设置在所述电机壳上且与所述涡轮转子轴正对以将所述涡轮转子轴支撑在所述电机壳上；

轴向永磁偏置磁悬浮轴承，所述轴向永磁偏置磁悬浮轴承设置在所述电机壳前端以限制所述转子轴的轴向位移；

膨胀涡轮，所述膨胀涡轮设置在所述涡轮转子轴的后端且位于所述第二安装空间，所述第二安装空间包括：进气通道、涡轮工作室和排气通道，所述涡轮工作室分别与所述进气通道和所述排气通道连通，所述膨胀涡轮位于所述涡轮工作室中，气态工质从所述进气通道进入到所述涡轮工作室，在对所述膨胀涡轮进行做功后从所述排气通道排出；

离心叶轮，所述离心叶轮设置在所述工质泵转子轴的前端且位于所述第三安装空间，所述离心叶轮适于对从所述排气通道排出的工质进行增压，其中所述第三安装空间具有工质泵进口和工质泵出口，所述工质泵进口与所述排气通道连通，所述工质泵出口与所述进气通道连通。

根据本实用新型的涡轮机，通过将工质泵转子轴、电机转子轴和涡轮转子轴集成在一起，使得膨胀涡轮可以直接对工质泵的离心叶轮进行驱动，省去了利用发电机产生的电量再供给工质泵电动机，由电动机再驱动工质泵转动的步骤，避免了从热能到电能转换、电能到机械能转换的能量转化过程中不必要的损耗，使得涡轮机的热电效率得到显著提高。

根据本实用新型的一个实施例，所述电机壳、所述涡壳和所述工质泵壳均为一体成型件。

根据本实用新型的一个实施例，所述电机壳上设置有冷却通道，所述冷却通道用于冷却所述定子组件和所述电机壳上部的电机控制器。

根据本实用新型的一个实施例，所述冷却通道的入口与所述工质泵出口相连，所述冷却通道的出口与所述排气通道相连。

根据本实用新型的一个实施例，所述排气通道与所述工质泵进口之间设置有冷凝器。

根据本实用新型的一个实施例，所述工质泵出口与所述进气通道之间设置有蒸发器。

根据本实用新型的一个实施例，所述蒸发器与所述进气通道之间设置有气液分离器，所述气液分离器具有进气口、出气口和排液口，所述进气口与所述蒸发器的出口相连，所述出气口与所述进气通道相连，所述排液口与所述蒸发器的进口相连。

根据本实用新型的一个实施例，所述蒸发器的进口与所述冷凝器的出口之间还设置有工质旁路调节机构。

根据本实用新型的一个实施例，所述涡轮机还包括：应急供电装置，所述应急供电装置与所述定子线圈相连，在电网突然断电时利用所述涡轮机的剩余动能发电以为所述前径向永磁偏置磁悬浮轴承、所述后径向永磁偏置磁悬浮轴承和所述轴向永磁偏置磁悬浮轴承供电。

根据本实用新型的一个实施例，所述第一安装空间与所述第二安装空间之间设置有第一密封结构，所述第一安装空间与所述第三安装空间之间设置有第二密封结构。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型实施例的涡轮机的示意图；

图2是根据本实用新型实施例的轴向永磁偏置磁悬浮轴承的示意图；

图3是根据本实用新型实施例的前径向永磁偏置磁悬浮轴承的示意图；

图4是根据本实用新型实施例的涡轮机的工作示意图。

附图标记：

涡轮机100，

电机壳111，第一安装空间101，冷却通道104，下出线口105，涡壳112，第二安装空间102，进气通道102a，涡轮工作室102b，排气通道102c，工质泵壳113，第三安装空间103，

定子组件120，

转子轴，电机转子轴131，永磁铁芯131a，涡轮转子轴132，工质泵转子轴133，

前径向永磁偏置磁悬浮轴承141，后径向永磁偏置磁悬浮轴承142，

轴向永磁偏置磁悬浮轴承150，膨胀涡轮160，离心叶轮170，

冷凝器181，蒸发器182，气液分离器183，工质旁路调节机构184，

第一密封结构191，二密封结构192。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面结合图1至图4对本实用新型实施例的涡轮机100进行详细描述。

根据本实用新型实施例的涡轮机100可以包括电机壳111、涡壳112、工质泵壳113、定子组件120、转子轴、前径向永磁偏置磁悬浮轴承141、后径向永磁偏置磁悬浮轴承142，轴向永磁偏置磁悬浮轴承150、膨胀涡轮160和离心叶轮170。

其中，如图1-3所示，电机壳111限定出第一安装空间101，涡壳112限定出第二安装空间102，工质泵壳113限定出第三安装空间103。也就是说，第一安装空间101与第二安装空间102互不连通，第一安装空间101与第三安装空间103互不连通。第二安装空间102和第三安装空间103的工质不会进入到第一安装空间101而影响第一安装空间101内的零部件的稳定运行。

定子组件120设置在电机壳111的内壁上，定子组件120包括定子铁芯和定子线圈，定子线圈缠绕在定子铁芯上。

转子轴包括从前向后依次相连的工质泵转子轴133、电机转子轴131和涡轮转子轴132，工质泵转子轴133与电机转子轴131的后端位于第三安装空间103内且其余大部分位于第一安装空间101内，电机转子轴131位于第一安装空间101内，涡轮转子轴132的后端位于第二安装空间102内且其与大部分位于第一安装空间101内，其中电机转子轴131内嵌设有永磁铁芯131a，永磁铁芯131a与定子组件120正对。

在转子轴转动时，转子轴上的永磁铁芯131a会生成旋转的磁场，由此定子组件120中的定子线圈会切割磁场并感应出电流，从而将机械能转化为电能。

前径向永磁偏置磁悬浮轴承141设置在电机壳111上且与工质泵转子轴133正对以将工质泵转子轴133支撑在电机壳111上，后径向永磁偏置磁悬浮轴承142设置在电机壳111上且与涡轮转子轴132正对以将涡轮转子轴132支撑在电机壳111上。由此，前径向永磁偏置磁悬浮轴承141和后径向永磁偏置磁悬浮轴承142分别将转子轴的前后两端支撑在壳体上。

需要说明的是，本实用新型所述的前径向永磁偏置磁悬浮轴承141与工质泵转子轴133正对的意思为前径向永磁偏置磁悬浮轴承141套设在工质泵转子轴133上且不与工质泵转子轴133发生直接的物理接触，工质泵转子轴133悬置；后径向永磁偏置磁悬浮轴承142与涡轮转子轴132正对的意思为后径向永磁偏置磁悬浮轴承142套设在涡轮转子轴132上且不与工质泵转子轴133发生直接的物理接触，涡轮转子轴132悬置。由此转子轴悬置，不与轴承或其他零部件发生物理接触，大大降低了转子轴转动时的摩擦力，降低了机械能由于摩擦而产生的损耗，能量的转化率更高。

轴向永磁偏置磁悬浮轴承150设置在电机壳111前端上以限制转子轴的轴向位移，由此避免转子轴在轴向上发生窜动。具体地，轴向永磁偏置磁悬浮轴承150可以设置在电机壳111上，转子轴上可以设置有与轴向永磁偏置磁悬浮轴承150正对的法兰，轴向永磁偏置磁悬浮轴承150不与法兰发生直接的物理接触，大大降低了转子轴转动时的摩擦力，降低了机械能由于摩擦而产生的损耗，能量的转化率更高。

轴向永磁偏置磁悬浮轴承150可以为一个或两个，当轴向永磁偏置磁悬浮轴承150为两个时，两个轴向永磁偏置磁悬浮轴承150分别位于转子轴的两侧且彼此正对，进而两个轴向永磁偏置磁悬浮轴承150可以将转子轴在轴向上夹紧。其中，轴向永磁偏置磁悬浮轴承150的引线可以从电机壳111的下出线口105引出。

膨胀涡轮160设置在涡轮转子轴132的后端且位于第二安装空间102，第二安装空间102包括进气通道102a、涡轮工作室102b和排气通道102c，涡轮工作室102b分别与进气通道102a和排气通道102c连通，膨胀涡轮160位于涡轮工作室102b中，气态工质从进气通道102a进入到涡轮工作室102b，在对膨胀涡轮160做功后从排气通道102c排出。

从进气通道102a进入到涡轮工作室102b中的气态工质为经过加热后的温度较高的气态工质，从而可以推动膨胀涡轮160转动，膨胀涡轮160转动以带动转子轴转动，然后将机械能转化为电能。

离心叶轮170设置在工质泵转子轴133的前端且位于第三安装空间103内，离心叶轮170适于对排气通道102c排出的工质进行增压，其中第三安装空间103具有工质泵进口和工质泵出口，工质泵进口与排气通道102c连通，工质泵出口与进气通道102a连通。

也就是说，从排气通道102c排出的工质可以进入到第三安装空间103，第三安装空间103内的离心叶轮170转动以对工质进行加压，然后加压后的工质可以进入到进气通道102a。当然，可以理解的是，排气通道102c与工质泵进口之间可以设置其他对工质进行处理装置，工质泵出口与进气通道102a之间也可以设置其他对工质进行处理的装置，后面将会详细描述。

下面简单描述下本实用新型实施例的涡轮机100的工作过程。

首先利用余热对工质进行加热，使得工质汽化，气态工质通过进气通道102a进入到涡轮工作室102b，驱动膨胀涡轮160转动，膨胀涡轮160带动转子轴转动。转子轴上的电机转子轴131上设置有永磁铁芯，从而形成旋转的磁场，定子线圈切割磁场以产生电能。

同时，由于转子轴还包括工质泵转子轴133，因此工质泵转子轴133可以带动离心叶轮170转动。对膨胀涡轮160做功后的气态工质经过冷却后液化，进入到第三安装空间103，离心叶轮170转动而对液态工质进行加压，加压后的液态工质利用余热汽化进入到进气通道102a，形成一个完整的循环。

也就是说，与传统的涡轮机不同，本实用新型不再是由膨胀涡轮带动发电机产生电能，然后通过电能驱动工质泵工作；而是使膨胀涡轮160同时驱动电机转子轴131和工质泵转子轴133转动，进而离心叶轮170旋转以对液态的工质进行加压。

膨胀涡轮160同时驱动涡轮转子轴132、电机转子轴131和工质泵转子轴133转动，省去了利用发电机产生的电量再供给工质泵电动机，由电动机再驱动工质泵转动的步骤，避免了从热能到电能转换、电能到机械能转换的能量转化过程中不必要的损耗，使得涡轮机100的热电效率得到显著提高。

另外，将驱动涡轮转子轴132、电机转子轴131和工质泵转子轴133集成在一起，省去了驱动工质泵转动的电动机，大大降低了材料成本，简化了系统结构，有利于降低转子轴的转矩脉动，简单可靠且成本低。

同时，本实用新型实施例的转子轴采用磁悬浮轴承进行支撑，大大降低了转子轴在转动过程中的摩擦力，减少了转子轴在转动过程中的能量损耗。且本实用新型实施例的磁悬浮轴承采用的是永磁偏置磁悬浮轴承，相较于传统的普通磁悬浮轴承，功率损耗得到了大幅降低。

在本实用新型的一些实施例中，电机壳111、涡壳112和工质泵壳113均为一体成型件。由此，简化了涡轮机100的外壳结构，强化了涡轮机100的外壳强度，且至少在一定程度上提高了涡轮机100的外壳的生产效率。

在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，电机壳111上设置有冷却通道104，冷却通道104用于冷却定子组件120和电机壳111上的电机控制器。由此，可以带走定子组件120产生的大量热量，避免定子组件120由于温度过高而对工作稳定性造成影响。

进一步地，冷却通道104的入口与工质泵出口相连，冷却通道104的出口与排气通道102c相连。也就是说，经过离心叶轮170加压后的工质可以进入到冷却通道104，吸收定子组件120和电机壳111上的热量后，进入到排气通道102c，然后再返回至离心叶轮170所在的第三安装空间103，形成一个循环。

在本实用新型的一些实施例中，排气通道102c与工质泵进口之间设置有冷凝器181。也就是说，在对膨胀涡轮160做功后的气态工质可以经过冷凝器181进行冷却，从而气态工质可以转变为液态工质，方便离心叶轮170对工质进行加压。

进一步地，工质泵出口与进气通道102a之间设置有蒸发器182，蒸发器182可以对液态工质进行加热，使得液态工质进行汽化，从而气态工质可以对膨胀涡轮160进行做功，蒸发器182的热量可以来自于低品位的热源。

更进一步地，蒸发器182与进气通道102a之间还设置有气液分离器183，气液分离器183具有进气口、出气口和排液口，其中进气口和蒸发器182的出口相连，出气口和进气通道102a相连，排液口和蒸发器182的进口相连。从而从蒸发器182的出口排出的工质可以在气液分离器183中进行气液分离，气态工质可以直接从出气口进入到进气通道102a，分离出液态的工质可以从排液口返回至蒸发器182，进行受热汽化。

在本实用新型的一些实施例中，蒸发器182的进口与冷凝器181的出口之间还设置有工质旁路调节机构184。也就是说，从冷凝器181的出口排出的液态工质进入到工质泵壳113内后可以进入到蒸发器182中，也可以回到冷凝器181出口再进行加压。工质旁路调节机构184可以对进入到工质泵壳113和蒸发器182的工质流量进行调整。

需要说明的是，本实用新型实施例所述的工质泵壳113内即为离心叶轮170所处的第三安装空间103。

在本实用新型的一些实施例中，涡轮机100还包括供电装置，供电装置用于为定子线圈、前径向永磁偏置磁悬浮轴承141、后径向永磁偏置磁悬浮轴承142和轴向永磁偏置磁悬浮轴承150供电；其中定子线圈可选择地与前径向永磁偏置磁悬浮轴承141、后径向永磁偏置磁悬浮轴承142和轴向永磁偏置磁悬浮轴承150相连，以在供电装置断电后为前径向永磁偏置磁悬浮轴承141、后径向永磁偏置磁悬浮轴承142和轴向永磁偏置磁悬浮轴承150供电。

在本实用新型的一些实施例中，涡轮机100还包括应急供电装置，应急供电装置与所述定子线圈相连，在电网突然断电时应急供电装置利用涡轮机100的剩余动能发电，并为前径向永磁偏置磁悬浮轴承141、后径向永磁偏置磁悬浮轴承142和轴向永磁偏置磁悬浮轴承150供电。

由此，避免磁悬浮轴承突然断电出现失稳的现象，有效实现了磁悬浮轴承的自我保护。

在本实用新型的一些实施例中，第一安装空间101与第二安装空间102之间设置有第一密封结构191，第一安装空间101与第二安装空间102之间设置有第二密封结构192。第一密封结构191可以有效避免涡壳112内的工质进入到电机壳111内，第二密封结构192可以有效避免工质泵壳113内的工质进入到电机壳111内，确保了电机壳111内部的密封性，使得电机壳111内部的零部件能够稳定高效地工作。

下面结合图4详细描述本实用新型实施例的涡轮机100的工作过程。

首先，液态工质经过蒸发器182的加热后进入到气液分离器183中，气液分离器183将气态工质导入到进气通道102a，同时将液态工质导入到蒸发器182的进口以便进行受热汽化；气态工质从进气通道102a进入到涡轮工作室102b并对膨胀涡轮160进行做功，驱动膨胀涡轮160转动。

膨胀涡轮160带动转子轴转动，其中转子轴上的电机转子轴131上设置有永磁体，进而形成旋转的磁场，定子线圈切割磁场线而产生电流，进而机械能可以转化为电能，然后将电能收集起来；同时，转子轴上的工质泵转子轴133上设置有离心叶轮170，离心叶轮170也在膨胀涡轮160的带动下转动。

气态工质在对膨胀涡轮160做工后，进入到冷凝器181中进行冷却，实现气态向液态的转换，然后液态工质进入到第三安装空间103内，经由第三安装空间103内的离心叶轮170加压后进入到蒸发器182中，从而形成一个完整的循环。

其中，冷凝器181的出口与蒸发器182的进口之间还设置有工质旁路调节机构184，工质旁路调节机构184可以对进入到工质泵壳113和蒸发器182的工质流量进行调整。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。