带有磁轴承的悬臂式涡轮机和发电机系统技术方案

一种用于使用来自工业操作、可再生能源和其他源的热量的电力生产的涡轮发电机装置。可以通过在转子和定子之间的间隙中引入液体来冷却该发电机，该液体在被引入之前已经被汽化或雾化，该液体被从涡轮机排出的气体冷凝。涡轮机具有通用设计，并因此可以相对容易被更改以结合具有在范围50KW至5MW内的额定功率输出的发电机来使用。此类更改部分通过使用模块化涡轮机芯座来实现，模块化涡轮机芯座装配有离散转子板和定子板，离散转子板和定子板的尺寸经设置用于预期的应用，其中涡轮机刷式密封件被选择以容纳来自所支撑的发电机的径向转子运动。该芯座可以相对容易被安装和从该涡轮机移除，以用于维护或改造。转子壳体被设计成相对容易进行机械加工到满足预期运行参数的尺寸。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】将热能转换为电力的系统、轴向涡轮机和制造涡轮机的方法相关申请数据本申请是2012年9月11日提交的名称为“AxialOverhungTurbineandGeneratorSystemForUseInAnOrganicRankineCycle”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引用以其整体并入本文。专利
本专利技术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，本专利技术涉及联接到直驱(direct-drive)电力发电机的悬臂式(overhung)涡轮机。背景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(“ORC”)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。
技术实现思路
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。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。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。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。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于将热能转换为电力的系统，所述系统包括：发电机，所述发电机具有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所述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，所述涡轮机具有至少一个定子和至少一个涡轮机转子，所述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，所述出口被定位成紧邻所述涡轮机的所述第一端部，以便使到所述发电机的热传递减到最小。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.09.11 US 61/699,6491.一种用于将热能转换为电力的系统，所述系统包括：发电机，所述发电机具有5MW或更小的功率输出，所述发电机具有近端、远端、发电机转子和发电机定子，所述发电机转子被布置用于在所述发电机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所述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，所述涡轮机具有至少一个涡轮机定子和至少一个涡轮机转子，所述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涡轮机定子的旋转运动，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，所述出口被定位成紧邻所述涡轮机的所述第一端部，以便使到所述发电机的热传递减到最小，所述至少一个涡轮机定子包括多个涡轮机定子板，所述至少一个涡轮机转子包括多个涡轮机转子板，并且所述涡轮机定子板和所述涡轮机转子板的接触表面在范围0.00005″至0.020″内是平坦的。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述发电机具有小于600KW的功率输出。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述涡轮机是多级涡轮机，并且所述至少一个涡轮机定子包括多个涡轮机定子，并且所述至少一个涡轮机转子包括多个涡轮机转子。4.根据权利要求3所述的系统，其中所述多个涡轮机转子包括以背对背结构布置的至少两个涡轮机转子。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述涡轮机包括壳体，并且所述多个涡轮机定子板和所述多个涡轮机转子板一起形成可拆卸地安装在所述壳体中的一体芯座。6.根据权利要求1所述的系统，其中所述发电机包括朝向所述发电机转子径向向内延伸的至少一个刷式密封件和从所述至少一个刷式密封件径向向内第一距离定位的刷式密封件支承座，所述第一距离被选择以允许所述至少一个刷式密封件接触所述刷式密封件支承座，所述至少一个刷式密封件被设置尺寸和配置为在启动和关闭期间，在所述第一磁径向轴承和所述第二磁径向轴承中的一个磁径向轴承被完全激励之前支撑所述发电机转子，以便维持所述发电机转子相对于所述旋转轴实质上同轴对准。7.根据权利要求1所述的系统，其中所述发电机包括用于可旋转地支撑所述发电机转子的至少一个滚动体轴承，所述至少一个滚动体轴承邻近所述第一磁径向轴承和所述第二磁径向轴承中的至少一个。8.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个涡轮机转子具有径向尺寸Δr，如在所述旋转轴与所述至少一个涡轮机转子的最外部分之间所测量的，所述涡轮机包括具有底板的罩，所述底板具有第一厚度，其中，所述第一厚度被选择以允许所述底板被机械加工到足以容纳所述至少一个涡轮机转子的厚度，所述至少一个涡轮机转子具有在Δr与1.4Δr之间变化的径向尺寸。9.根据权利要求1所述的系统，还包括具有带有表面的可移动背板的罩、与所述背板相对的罩壁、以及具有宽度l1的扩散器通道出口，其中所述背板的所述表面与所述罩壁隔开距离l4，其中，所述距离l4的范围在所述宽度l1的一半与所述宽度l1的四倍之间。10.根据权利要求9所述的系统，其中所述背板具有厚度，所述厚度被选择以允许所述背板被机械加工使得所述距离l4在所述宽度l1的一半与所述宽度l1的四倍之间。11.一种带有可互换部件的轴向涡轮机，包括：壳体，所述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接触表面的第二接触表面，所述转子板的所述第一接触表面和所述第二接触表面是实质上平行的，并且所述第一接触表面和所述第二接触表面中的每个接触表面在范围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，使得其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定子板的所述第一接触表面的第二接触表面，所述定子板的所述第一接触表面和第二接触表面是实质上平行的，并且所述定子板的所述第一接触表面和所述第二接触表面中的每个接触表面在范围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相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，进一步地，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轴向尺寸的空间，所述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，如相对于所述转子板和所述定子板中紧接所述空间的上游的一个的轴向弦杆所测量的。12.根据权利要求11所述的轴向涡轮机，其中所述转子板的所述第一接触表面和所述第二接触表面在0.0001″至0.015″内是平行的，以及所述定子板的所述第一接触表面和所述第二接触表面在0.0001″至0.015″内是平行的。13.根据权利要求12所述的轴向涡轮机，其中所述转子板的所述第一接触表面和所述第二接触表面在0.0005″至0.005″内是平行的，以及所述定子板的所述第一接触表面和所述第二接触表面在0.0005″至0.005″内是平行的。14.根据权利要求11所述的轴向涡轮机，其中所述多个转子板相对于彼此固定，并且所述多个定子板相对于彼此固定并相对于所述多个转子板定位，以便形成一体芯座系统。15.根据权利要求14所述的轴向涡轮机，其中所述一体芯座系统被可拆卸地联接到所述壳体。16.根据权利要求11所述的轴向涡轮机，还包括第一多个刷式密封件和第二多个刷式密封件，所述第一多个刷式密封件中的每个被定位成紧邻所述多个转子板中的对应的各自的转子板的所述最外部分，并且所述第二多个刷式密封件中的每个被定位成紧邻所述多个定子板中...

【专利技术属性】
技术研发人员：凯文·费尔曼，弗朗西斯·A·迪贝拉，大卫·亚皮克瑟，弗雷德里克·E·贝克尔，亚历山大·戈菲尔，
申请(专利权)人：康塞普斯ETI公司，
类型：发明
国别省市：美国;US