CN107387172A - 立式双级永磁气悬浮orc余热发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种立式双级永磁气悬浮ORC余热发电机，由膨胀机的上下双蜗壳、上下双叶轮、发电机定子系统、发电机转子系统、上气悬浮轴承部件、下永磁气悬浮轴承部件构成；膨胀机的上下双蜗壳位于发电机的上下两端，分别固定在上气悬浮轴承部件和下永磁气悬浮轴承部件上，上气悬浮轴承部件和下永磁气悬浮轴承部件分别安装在发电机外壳的基座的上下两端，上下双叶轮分别固定在发电机转子系统的发电机转轴的上下两端；发电机转子系统位于发电机外壳的中部，由上气悬浮轴承部件和下永磁气悬浮轴承部件支承；发电机定子系统位于发电机转子系统的外侧，发电机定子系统与发电机转子系统之间有气隙。本发明充分利用余热资源，有着广阔市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种立式双级永磁气悬浮ORC（Organic Rankine Cycle，有机工质朗肯循环）余热发电机，属于发电机设计制造领域。
背景技术
永磁气悬浮轴承是利用永磁体所产生的磁场力承受转子工作载荷并采用气悬浮轴承作为辅助控制轴承将转子悬浮于空中，使转子和定子之间无摩擦的一种高性能轴承。与传统机械轴承相比，它具有磨损小、能耗低、转速高、寿命长等优点，特别适用于高速、真空、超洁净等特殊环境，在能源交通、军工医疗、航空航天机器人以及余热发电等高科技领域有着广阔的应用前景。永磁气悬浮轴承作为磁悬浮轴承的一种，完全依靠永磁体本身所产生的永久磁力和气悬浮力来实现转轴所有自由度上的稳定悬浮。相比主动磁悬浮轴承，它具备体积小、功耗小、无需电子控制器和结构简单等优点。
永磁气悬浮轴承所具备的一系列优点决定了它具有极其重要的应用价值。近年来，将永磁轴承应用于发电机领域取得了一系列的成果，但都属于低转速风力发电机，且对于永磁轴承的设计至今还未形成一套系统的、通用的方法。因此研究一种高转速的永磁气悬浮轴承支承发电机，使其能大规模的工业应用很有必要。
发明内容
本发明就是为了克服现有技术的不足，提供一种立式双级永磁气悬浮ORC余热发电机，用于工业余热回收的发电环节，旨在一方面使永磁气悬浮轴承能够工业化应用，发挥其优势，使其应用于发电机领域，另一方面能够带来发电机技术方面的革新。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种立式双级永磁气悬浮ORC余热发电机，由膨胀机的上下双蜗壳、上下双叶轮、发电机定子系统、发电机转子系统、上气悬浮轴承部件、下永磁气悬浮轴承部件构成；所述膨胀机的上下双蜗壳位于发电机的上下两端，分别固定在上气悬浮轴承部件和下永磁气悬浮轴承部件上，所述上气悬浮轴承部件和下永磁气悬浮轴承部件分别安装在发电机外壳的基座的上下两端，所述上下双叶轮分别固定在发电机转子系统的发电机转轴两端；所述发电机转子系统位于发电机外壳的中部，由上气悬浮轴承部件和下永磁气悬浮轴承部件支承；所述发电机定子系统位于发电机转子系统的外侧，发电机定子系统与发电机转子系统之间有气隙；有机工质五氟丙烷通过工厂里的余热资源变成高压气体，从膨胀机的上下双蜗壳进气口进入，推动上下双叶轮转动，从而带动转子在定子中转动，使发电机发电。
所述发电机外壳由两个相嵌的冷却水套和基座组成，其中，两个相嵌的冷却水套分为内套、外套，内套外表面上开有冷却螺旋水槽。
所述发电机定子系统由定子绕组、定子铁芯构成，所述定子铁芯固定在发电机外壳的冷却内套上，是定子绕组的安装和固定部分，也是主要磁路，采用梨形槽结构，由带槽的硅钢定子冲片叠压而成，定子槽型采用半闭口槽；所述定子绕组采用三相双层短距绕组，三相绕组采用星型法连接。
所述发电机转子系统采用内置径向磁路式转子结构，由发电机转轴、转子压板一、转子磁钢、转子铁芯、转子保护套、转子压板二构成，所述发电机转轴与转子铁芯相连，转子铁芯与转子磁钢相连，其中，转子磁钢选取瓦片形和矩形的结合形式，即转子磁钢外围采用圆弧段，左右及内边采用直线段，转子磁钢镶嵌在转子铁芯周围；为提高高速旋转状态下发电机转子的强度，发电机转子外面设有转子保护套；发电机转轴带动转子铁芯旋转，在发电机定子系统中产生感应电动势而发电；转子压板一和转子压板二压盖在发电机转子两端，起到固定导磁作用。
所述上气悬浮轴承部件由上气悬浮轴承座、上径轴向气悬浮轴承、上气悬浮轴承轴套、自锁垫片、螺母构成；其中，上气悬浮轴承座通过内六角圆头螺钉与发电机外壳相连接，上径轴向气悬浮轴承通过内六角圆头螺钉与上气悬浮轴承座相连，上气悬浮轴承座上开有气孔，用于插入气管，上径轴向气悬浮轴承上有气嘴，用于连接输送高压气体的气管，上气悬浮轴承座的气孔与上径轴向气悬浮轴承上的气嘴相对齐；上气悬浮轴承轴套由上面的自锁垫片和螺母轴向定位。
所述下永磁气悬浮轴承部件由下永磁气悬浮轴承轴套动磁环座、下永磁气悬浮轴承座、动定磁环、下永磁气悬浮轴承定磁环座、调整垫片、调节螺母、推力盘、下径轴向气悬浮轴承构成；其中，下永磁气悬浮轴承座通过内六角螺钉与发电机外壳相连，下径轴向气悬浮轴承通过内六角螺钉与下永磁气悬浮轴承座相连，下永磁气悬浮轴承座上开有气孔，用于插入气管，下径轴向气悬浮轴承上有气嘴，用于连接输送高压气体的气管，下永磁气悬浮轴承座的气孔与下径轴向气悬浮轴承上的气嘴相对齐；下永磁气悬浮轴承轴套动磁环座、下永磁气悬浮轴承定磁环座放在下径轴向气悬浮轴承末端部和下永磁气悬浮轴承座上，动定磁环放置在相应的下永磁气悬浮轴承轴套动磁环座、下永磁气悬浮轴承定磁环座中，其中的调整垫片用于调整动定磁环的相对位置间隙；动定磁环间的斥力用于承受整个旋转部分发电机转轴上转子的重量，调节螺母用于调节推力盘与下径轴向气悬浮轴承推力面间的气隙，由于下径轴向气悬浮轴承的承载力相对比较小，它只对发电机转子系统起径轴向的辅助保护定位控制作用和承受径向离心力、轴向动不平衡载荷作用。
与现有技术相比，本发明具有如下的突出的实质性特点和显著的优点：
本发明设计合理，结构紧凑，运行可靠，采用永磁气悬浮轴承支承，主要轴向工作载荷转子重力由磁环间的磁力承受，辅助径轴向气悬浮轴承不承受主要轴向工作载荷转子重力、只起到径轴向辅助保护定位控制作用和承受径向离心力、轴向动不平衡载荷作用，寿命长，无需油润滑，磨损小，能够利用余热产生的高压气源在高转速下运行，充分利用了工厂里的余热资源，起到环保、节能作用，有着广阔的市场应用前景。
附图说明
图1是本发明的整体余热发电机结构示意图。
图2是本发明的上气悬浮轴承部件结构示意图。
图3是本发明的下永磁气悬浮轴承部件结构示意图。
图4是本发明的转子系统结构示意图。
图5是本发明的定子冲片结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。
如图1所示，一种立式双级永磁气悬浮ORC余热发电机，由膨胀机的上下双蜗壳1、上下双叶轮2、发电机定子系统、发电机转子系统、上气悬浮轴承部件4、下永磁气悬浮轴承部件12构成；所述膨胀机的上下双蜗壳1位于发电机的上下两侧，分别固定在上气悬浮轴承部件4和下永磁气悬浮轴承部件12上，所述上气悬浮轴承部件4和下永磁气悬浮轴承部件12分别安装在发电机外壳的基座的上下两端，所述上下双叶轮2分别固定在发电机转子系统的发电机转轴3的上下两端；所述发电机转子系统位于发电机外壳的中部，由上气悬浮轴承部件4和下永磁气悬浮轴承部件12支承；所述发电机定子系统位于发电机转子系统的外侧，发电机定子系统与发电机转子系统之间有气隙；有机工质五氟丙烷通过工厂里的余热资源变成高压气体，从膨胀机的上下双蜗壳1的进气口进入发电机，推动上下双叶轮2转动，从而带动转子在定子中转动，使发电机发电。
所述发电机外壳由两个相嵌的冷却水套和基座组成，其中，两个相嵌的冷却水套分为内套、外套，内套外表面上开有冷却螺旋水槽。
所述发电机定子系统由定子绕组5、定子铁芯6构成，所述定子铁芯6固定在发电机外壳的冷却内套上，是定子绕组5的安装和固定部分，也是主要磁路，采用梨形槽结构，由带槽的硅钢定子冲片叠压而成，如图5所示，定子槽型采用半闭口槽；所述定子绕组5采用三相双层短距绕组，三相绕组采用星型法连接。
如图4所示，所述发电机转子系统采用内置径向磁路式转子结构，由发电机转轴3、转子压板一7、转子磁钢8、转子铁芯9、转子保护套10、转子压板二11构成，所述发电机转轴3与转子铁芯9相连，转子铁芯9与转子磁钢8相连，其中，转子磁钢8选取瓦片形和矩形的结合形式，即转子磁钢8外围采用圆弧段，左右及内边采用直线段，转子磁钢8镶嵌在转子铁芯9周围；为提高高速旋转状态下发电机转子的强度，发电机转子外面设有转子保护套10；发电机转轴3带动转子铁芯9旋转，在发电机定子系统中产生感应电动势而发电；转子压板一7和转子压板二11压盖在发电机转子两端，起到固定导磁作用。
如图2所示，所述上气悬浮轴承部件4由上气悬浮轴承座13、上径轴向气悬浮轴承14、上气悬浮轴承轴套15、自锁垫片16、螺母17构成；其中，上气悬浮轴承座13通过内六角圆头螺钉与发电机外壳相连接，上径轴向气悬浮轴承14通过内六角圆头螺钉与上气悬浮轴承座13相连，上气悬浮轴承座13上开有气孔，用于插入气管，上径轴向气悬浮轴承14上有气嘴，用于连接输送高压气体的气管，上气悬浮轴承座13的气孔与上径轴向气悬浮轴承14上的气嘴相对齐；上气悬浮轴承轴套15由上面的自锁垫片16和螺母17轴向定位。
如图3所示，所述下永磁气悬浮轴承部件12由下永磁气悬浮轴承轴套动磁环座18、下永磁气悬浮轴承座19、动定磁环20、下永磁气悬浮轴承定磁环座21、调整垫片22、调节螺母23、推力盘24、下径轴向气悬浮轴承25构成；其中，下永磁气悬浮轴承座19通过内六角螺钉与发电机外壳相连，下径轴向气悬浮轴承25通过内六角螺钉与下永磁气悬浮轴承座19相连，下永磁气悬浮轴承座19上开有气孔，用于插入气管，下径轴向气悬浮轴承25上有气嘴，用于连接输送高压气体的气管，下永磁气悬浮轴承座19的气孔与下径轴向气悬浮轴承25上的气嘴相对齐；下永磁气悬浮轴承轴套动磁环座18、下永磁气悬浮轴承定磁环座21放在下径轴向气悬浮轴承25末端部和下永磁气悬浮轴承座19上，动定磁环20放置在相应的下永磁气悬浮轴承轴套动磁环座18、下永磁气悬浮轴承定磁环座21中，其中的调整垫片22用于调整动定磁环20的相对位置间隙；动定磁环20间的斥力用于承受整个旋转部分发电机转轴3上转子的重量，调节螺母23用于调节推力盘24与下径轴向气悬浮轴承25推力面间的气隙，由于下径轴向气悬浮轴承25的承载力相对比较小，它只对发电机转子系统起径轴向的辅助保护定位控制作用和承受径向离心力、轴向动不平衡载荷作用。
Claims (6)
1.一种立式双级永磁气悬浮ORC余热发电机，其特征在于，由膨胀机的上下双蜗壳（1）、上下双叶轮（2）、发电机定子系统、发电机转子系统、上气悬浮轴承部件（4）、下永磁气悬浮轴承部件（12）构成；所述膨胀机的上下双蜗壳（1）位于发电机的上下两端，分别固定在上气悬浮轴承部件（4）和下永磁气悬浮轴承部件（12）上，所述上气悬浮轴承部件（4）和下永磁气悬浮轴承部件（12）分别安装在发电机外壳基座的上下两端，所述上下双叶轮（2）分别固定在发电机转子系统的发电机转轴（3）的上下两端；所述发电机转子系统位于发电机外壳的中部，由上气悬浮轴承部件（4）和下永磁气悬浮轴承部件（12）支承；所述发电机定子系统位于发电机转子系统的外侧，发电机定子系统与发电机转子系统之间有气隙；有机工质五氟丙烷通过工厂里的余热资源变成高压气体，从膨胀机的上下双蜗壳（1）的进气口进入发电机，推动上下双叶轮（2）转动，从而带动转子在定子中转动，使发电机发电。
2.根据权利要求1所述的立式双级永磁气悬浮ORC余热发电机，其特征在于，所述发电机外壳由两个相嵌的冷却水套和基座组成，其中，两个相嵌的冷却水套分为内套、外套，内套外表面上开有冷却螺旋水槽。
3.根据权利要求1所述的立式双级永磁气悬浮ORC余热发电机，其特征在于，所述发电机定子系统由定子绕组（5）、定子铁芯（6）构成，所述定子铁芯（6）固定在发电机外壳的冷却内套上，是定子绕组（5）的安装和固定部分，也是主要磁路，采用梨形槽结构，由带槽的硅钢定子冲片叠压而成，定子槽型采用半闭口槽；所述定子绕组（5）采用三相双层短距绕组，三相绕组采用星型法连接。
4.根据权利要求1所述的立式双级永磁气悬浮ORC余热发电机，其特征在于，所述发电机转子系统采用内置径向磁路式转子结构，由发电机转轴（3）、转子压板一（7）、转子磁钢（8）、转子铁芯（9）、转子保护套（10）、转子压板二（11）构成，所述发电机转轴（3）与转子铁芯（9）相连，转子铁芯（9）与转子磁钢（8）相连，其中，转子磁钢（8）选取瓦片形和矩形的结合形式，即转子磁钢（8）外围采用圆弧段，左右及内边采用直线段，转子磁钢（8）镶嵌在转子铁芯（9）周围；为提高高速旋转状态下发电机转子的强度，发电机转子外面设有转子保护套（10）；发电机转轴（3）带动转子铁芯（9）旋转，在发电机定子系统中产生感应电动势而发电；转子压板一（7）和转子压板二（11）压盖在发电机转子两端，起到固定导磁作用。
5.根据权利要求1所述的立式双级永磁气悬浮ORC余热发电机，其特征在于，所述上气悬浮轴承部件（4）由上气悬浮轴承座（13）、上径轴向气悬浮轴承（14）、上气悬浮轴承轴套（15）、自锁垫片（16）、螺母（17）构成；其中，上气悬浮轴承座（13）通过内六角圆头螺钉与发电机外壳相连接，上径轴向气悬浮轴承（14）通过内六角圆头螺钉与上气悬浮轴承座（13）相连，上气悬浮轴承座（13）上开有气孔，用于插入气管，上径轴向气悬浮轴承（14）上有气嘴，用于连接输送高压气体的气管，上气悬浮轴承座（13）的气孔与上径轴向气悬浮轴承（14）上的气嘴相对齐；上气悬浮轴承轴套（15）由上面的自锁垫片（16）和螺母（17）轴向定位。
6.根据权利要求1所述的立式双级永磁气悬浮ORC余热发电机，其特征在于，所述下永磁气悬浮轴承部件（12）由下永磁气悬浮轴承轴套动磁环座（18）、下永磁气悬浮轴承座（19）、动定磁环（20）、下永磁气悬浮轴承定磁环座（21）、调整垫片（22）、调节螺母（23）、推力盘（24）、下径轴向气悬浮轴承（25）构成；其中，下永磁气悬浮轴承座（19）通过内六角螺钉与发电机外壳相连，下径轴向气悬浮轴承（25）通过内六角螺钉与下永磁气悬浮轴承座（19）相连，下永磁气悬浮轴承座（19）上开有气孔，用于插入气管，下径轴向气悬浮轴承（25）上有气嘴，用于连接输送高压气体的气管，下永磁气悬浮轴承座（19）的气孔与下径轴向气悬浮轴承（25）上的气嘴相对齐；下永磁气悬浮轴承轴套动磁环座（18）、下永磁气悬浮轴承定磁环座（21）放在下径轴向气悬浮轴承（25）末端部和下永磁气悬浮轴承座（19）上，动定磁环（20）放置在相应的下永磁气悬浮轴承轴套动磁环座（18）和下永磁气悬浮轴承定磁环座（21）中，其中的调整垫片（22）用于调整动定磁环（20）的相对位置间隙；动定磁环（20）间的斥力用于承受整个旋转部分发电机转子轴（3）上转子的重量，调节螺母（23）用于调节推力盘（24）与下径轴向气悬浮轴承（25）推力面间的气隙，由于下径轴向气悬浮轴承（25）的承载力相对比较小，它只对发电机转子系统起径轴向的辅助保护定位控制作用和承受径向离心力、轴向动不平衡载荷作用。
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