基于永磁及磁懸浮技術的一體化渦輪機組的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于永磁及磁懸浮技術的一體化渦輪機組。渦輪機械的密封型要求較高，齒輪系統復雜，能量損失較大。本發明將全密封結構的渦輪機和發電機（或電動機）設置在同一轉軸上；轉軸一端置于渦輪機中，進行氣體膨脹（或壓縮）；轉軸另一端置于發電機（或電動機）中，設置發電機轉子，發電機轉子外設置發電機定子鐵芯和繞組；軸的尾端依次設置磁懸浮支承軸承和磁懸浮止推軸承；發電機所有部件均置于發電機外殼中。本發明的發電機（或電動機）始終保證和渦輪機同一轉速，采用同一殼體，無需軸端密封，整個機組工作介質可以做到完全無泄漏；磁懸浮軸承實現無接觸支承轉子，避免了軸承的摩擦損失，從而提高了渦輪機組的整體效率。
【專利說明】基于永磁及磁懸浮技術的一體化満輪機組
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種渦輪機，具體涉及ー種基于永磁及磁懸浮技術的一體化渦輪機組。
【背景技術】
[0002]隨著潤輪機械(Turbine machinery)技術的不斷發展，潤輪機械在現代エ業及航天航空領域得到了廣泛的應用，尤其是小型化的渦輪機更是越來越多的得到應用，如天然氣壓縮機(Natural gas compressor)、油井氣膨脹機(gas expander)、微型燃氣輪機(gasturbine)、基于ORC技術的汽輪機等。由于應用行業的不同及工作介質的不同，以上渦輪機械的轉速要求較高、密封性要求更高，很多工作介質由于具有易燃易爆、劇毒、價值昂貴等原因不能對外泄露。
[0003]傳統的渦輪機械均應用各種密封來解決工作介質的對外泄露，如干氣密封、機械密封、碳環密封、蜂窩密封等，密封的外部供給系統非常復雜，壽命有限，且造價昂貴，而且不能完全隔絕工作介質的泄露。
[0004]現有的傳統渦輪機大部分采用普通電機驅動，而且電機由于受自身工作原理的限制，無法直接達到渦輪機所需的轉速，一般都需要通過齒輪變速方式來解決渦輪機所需的速度，齒輪系統不但系統復雜而且會給整個渦輪機械帶來效率的降低和能量的損失。
[0005]現有的渦輪機械和發電機都采用接觸式軸承(如合金滑動軸承、滾珠軸承等)，該類軸承一般都需要ー套外部冷卻和潤滑系統，而且該系統的介質與渦輪機工作介質可能不相客，甚至發生化學反應，軸承也增加渦輪機械的功率消耗。
[0006]該發明將廣泛應用于天然氣管線降壓能量回收膨脹機、基于ORC技術的低溫余熱回收渦輪膨脹機、微型燃氣輪機、微型離心壓縮機、天然氣管線壓縮機、航天航空器的壓縮機及制冷膨脹機、各種離心空調壓縮機等。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是提供一種基于永磁及磁懸浮技術的一體化渦輪機組，不僅有效實現整個機組工作介質的完全無泄漏，還可避免軸承的摩擦損失。
[0008]本發明所采用的技術方案是:
基于永磁及磁懸浮技術的一體化潤輪機組，其特征在于:
包含有設置在同一轉軸上的渦輪機和發電機，渦輪機為膨脹機。
[0009]所述轉軸的一端置于渦輪機中，軸外設置動葉和靜葉，動葉和靜葉外部設置渦輪機蝸殼；渦輪機蝸殼前端設置接收高壓工作介質的進氣室，后端設置排氣ロ ；
所述轉軸的另一端置于發電機中，設置發電機轉子，發電機轉子外設置發電機定子鐵芯和繞組；軸的尾端依次設置磁懸浮支承軸承和磁懸浮止推軸承；發電機所有部件均置于發電機外殼中，電カ通過發電機外殼外設置的發電機封閉式接線端子箱輸出。
[0010]所述發電機定子鐵芯和繞組外設置有冷卻套，冷卻套上設置有伸出發電機外殼的冷卻液入口和冷卻液出口。
[0011]基于永磁及磁懸浮技術的一體化渦輪機組，其特征在于:
包含有設置在同一轉軸上的渦輪機和電動機，渦輪機為壓縮機。
[0012]所述轉軸的一端置于渦輪機中，軸外設置渦輪，渦輪外部設置渦輪機蝸売；渦輪機蝸殼上設置有用于輸出高壓工作介質的噴嘴組和噴嘴流量調節機構；
所述轉軸的另一端置于電動機中，設置電動機轉子，電動機轉子外設置電動機定子鐵芯和繞組；軸的尾端依次設置磁懸浮支承軸承和磁懸浮止推軸承；電動機所有部件均置于電動機外殼中。
[0013]所述電動機定子鐵芯和繞組外設置有冷卻套，冷卻套上設置有伸出電動機外殼的冷卻液入口和冷卻液出口。
[0014]本發明具有以下優點:
本發明是一種將磁懸浮技術與永磁技術結合在一起的ー種特殊渦輪機械，將渦輪機和電動機(發動機)設計在同一轉速的ー根軸上，電動機(發電機)采用變頻控制始終保證和渦輪同一轉速，采用同一殼體，無需軸端密封，整個機組工作介質可以做到完全無泄漏；磁懸浮軸承實現無接觸支承轉子，避免了軸承的摩擦損失，從而提高了渦輪機發電機的整體效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明結構的水平布局。
[0016]圖2為本發明結構的垂直布局。
[0017]圖中，1-進氣室，2-噴嘴，3-動カ渦輪，4-渦輪機蝸殼，5-發電機外殼，6-冷卻套，7-磁懸浮支承軸承，8-磁懸浮止推軸承，9-發電機轉子，10-封閉式出線端子箱，11-發電機定子鐵芯和繞組，12-冷卻液入口，13-冷卻液出口，14-渦輪，15-噴嘴組，16-噴嘴流量調節機構。
【具體實施方式】
[0018]下面結合【具體實施方式】對本發明進行詳細的說明。
[0019]本發明所涉及的一種基于永磁及磁懸浮技術的一體化渦輪機組，將渦輪機和發電機(或電動機)設計在同一轉速的一根轉軸上。
[0020]1、當渦輪機為膨脹機吋:
一體化渦輪機組包含有設置在同一轉軸上的渦輪機和發電機。轉軸的一端置于渦輪機中，軸外設置動葉3和靜葉2，動葉3和靜葉2外部設置渦輪機蝸殼4 ;渦輪機蝸殼4前端設置接收高壓工作介質的進氣室1，后端設置排氣ロ。轉軸的另一端置于發電機中，軸外設置發電機轉子9，發電機轉子9外設置發電機定子鐵芯和繞組11 ;軸的尾端依次設置磁懸浮支承軸承7和磁懸浮止推軸承8 ;發電機所有部件均置于發電機外殼5中，電カ通過發電機外殼5外設置的發電機封閉式接線端子箱10輸出。發電機定子鐵芯和繞組11外設置有冷卻套6，冷卻套6上設置有伸出發電機外殼5的冷卻液入口 12和冷卻液出ロ 13。
[0021]機組工作前，磁懸浮控制系統向磁懸浮軸承提供電力，磁懸浮支承軸承7和磁懸浮止推軸承8根據發電機轉子9的動態カ矩將發電機轉子9懸浮起來，并可根據發電機轉子9工作過程的カ矩不斷調節改變轉子的位置，使得發電機轉子9始終處于軸承的中心。磁懸浮軸承準備完成后，高壓工作介質(如ORC的有機エ質，天燃氣、蒸汽等)經過管線送入渦輪機即膨脹機的進氣室1，經過靜葉2和動葉3做功，從渦輪機蝸殼4排出，將扭矩通過轉軸傳遞到發電機轉子9發出電力，電カ通過發電機封閉式接線端子箱10將電カ傳出。由于發電機和渦輪機全部是封閉式的，介質不會泄露，而低溫高壓的工作介質通過冷卻液入ロ 12進入發電機的冷卻套6，再從冷卻液出口 13出來，將發電機的熱量帶到工作介質之中，提高工作介質的焓，達到及給發電機降溫又回收能量的目的。
[0022]2、當渦輪機為壓縮機吋:
一體化渦輪機組包含有設置在同一轉軸上的渦輪機和電動機。轉軸的一端置于渦輪機中，軸外設置渦輪14，渦輪14外部設置渦輪機蝸殼4 ;渦輪機蝸殼4上設置有用于輸出高壓工作介質的噴嘴組15和噴嘴流量調節機構16。轉軸的另一端置于電動機中，設置電動機轉子，電動機轉子外設置電動機定子鐵芯和繞組；軸的尾端依次設置磁懸浮支承軸承7和磁懸浮止推軸承8;電動機所有部件均置于電動機外殼中，控制和動カ(電力)輸出線均通過封閉的接線端子10與外界鏈接。電動機定子鐵芯和繞組外設置有冷卻套6，冷卻套6上設置有伸出電動機外殼的冷卻液入口 12和冷卻液出口 13。
[0023]機組工作前，磁懸浮控制系統向磁懸浮軸承提供電力，磁懸浮支承軸承7和磁懸浮止推軸承8根據電動機轉子的動態カ矩將電動機轉子懸浮起來，并可根據電動機轉子エ作過程的カ矩不斷調節改變轉子的位置，使得電動機轉子始終處于軸承的中心。磁懸浮軸承準備完成后，起動電動機轉子帶動渦輪14氣態的工作介質(如空調的冷媒，天燃氣、空氣、蒸汽等)，在渦輪14內得到壓縮，從渦輪機蝸殼4排出壓カ得到升高的工作介質，由于電動機和渦輪機全部是封閉式的，介質不會泄露，此時電動機內充滿的工作介質被從電動機殼體排到進ロ管道可以帶走部分熱量，剰余大部分熱量被低溫液態的工作介質通過電動機冷卻液進ロ 12進入電動機的冷卻套6，再從冷卻液出口 13出來，將電動機的熱量帶到工作介質之中。該冷卻液也是透平的工作介質，具有絕緣和滅弧作用。
[0024]本發明具有以下三個主要技術要點:
1、使用了機電一體化的整體渦輪結構設計思想，高度集成化的設計理念，實現機電ー體化的全屏蔽結構特種渦輪機械，充分保證了工作介質的封閉運行；電動機(發電機)采用變頻控制始終保證和渦輪機同一轉速，作為發電機使用時我們采用交流一直流一交流的轉換方式達到與公網頻率的一致性。
[0025]2、利用工作介質的相變換熱原理制作成機組冷卻裝置，當工作介質是碳氫氟化合物時(如五氟丙烷R245fa)，由于該物質的特殊化學結構、不導電無腐蝕，當該物質進入電機(發電機)定子內部不但可以通過自身氣化帶走電機內部的熱量，還可以起到屏蔽滅弧的作用，還因為該物質氣化溫度較低(小于16°C)所以對導線的冷卻作用大于傳統的間接冷卻方式風冷，所以該發明可以將相同體積電機(發電機)的功率可以提高60%，エ質在電機內吸收了熱焓得以提高還是ー種間接地能量回收再利用。
[0026]3、一體化渦輪機采用了全數字化多軸控制的主動磁懸浮軸承，主動式磁懸浮軸承(AMB)概述主動式磁懸浮軸承對軸進行無接觸、無磨損、無潤滑，并進行動力學行為的主動控制，磁懸浮軸承對解決傳統機械中的轉子動力學問題提供了ー種理想的技術方案。基本原理:AMB是通過電磁鐵的實時動態控制，同期產生受控的非接觸磁場カ來實現物體的懸浮。傳感器檢測到轉子相對于參考位置的變化，作為控制器器的微處理器就此給出ー個控制信號，通過功率放大器后轉換為控制電流，最終的結果是形成的磁場カ始終維持著轉子子懸浮在設定的位置上。
[0027]本發明的內容不限于實施例所列舉，本領域普通技術人員通過閱讀本發明說明書而對本發明技術方案采取的任何等效的變換，均為本發明的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1.基于永磁及磁懸浮技術的一體化潤輪機組，其特征在于: 包含有設置在同一轉軸上的渦輪機和發電機，渦輪機為膨脹機。
2.根據權利要求1所述的基于永磁及磁懸浮技術的一體化渦輪機組，其特征在于: 所述轉軸的一端置于渦輪機中，軸外設置動葉(3)和靜葉(2)，動葉(3)和靜葉(2)外部設置渦輪機蝸殼(4);渦輪機蝸殼(4)前端設置接收高壓工作介質的進氣室(1)，后端設置排氣ロ ； 所述轉軸的另一端置于發電機中，設置發電機轉子(9)，發電機轉子(9)外設置發電機定子鐵芯和繞組(11);軸的尾端依次設置磁懸浮支承軸承(7)和磁懸浮止推軸承(8);發電機所有部件均置于發電機外殼(5)中，電カ通過發電機外殼(5)外設置的發電機封閉式接線端子箱(10)輸出。
3.根據權利要求2所述的基于永磁及磁懸浮技術的一體化渦輪機組，其特征在于: 所述發電機定子鐵芯和繞組(11)外設置有冷卻套(6)，冷卻套(6)上設置有伸出發電機外殼(5)的冷卻液入口(12)和冷卻液出口(13)。
4.基于永磁及磁懸浮技術的一體化潤輪機組，其特征在于: 包含有設置在同一轉軸上的渦輪機和電動機，渦輪機為壓縮機。
5.根據權利要求4所述的基于永磁及磁懸浮技術的一體化渦輪機組，其特征在于: 所述轉軸的一端置于渦輪機中，軸外設置渦輪(14)，渦輪(14)外部設置渦輪機蝸殼(4);渦輪機蝸殼(4)上設置有用于輸出高壓工作介質的噴嘴組(15)和噴嘴流量調節機構(16)； 所述轉軸的另一端置于電動機中，設置電動機轉子，電動機轉子外設置電動機定子鐵芯和繞組；軸的尾端依次設置磁懸浮支承軸承(7)和磁懸浮止推軸承(8);電動機所有部件均置于電動機外殼中。
6.根據權利要求5所述的基于永磁及磁懸浮技術的一體化潤輪機組,其特征在于: 所述電動機定子鐵芯和繞組外設置有冷卻套(6)，冷卻套(6)上設置有伸出電動機外殼的冷卻液入口(12)和冷卻液出ロ(13)。
【文檔編號】F01D15/10GK103557036SQ201310492673
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月21日 優先權日:2013年10月21日
【發明者】蒲亞民 申請人:陜西博爾能源科技有限公司