一种应用于发动机余热回收的高参数ORC透平发电设备，发电机的转轴和膨胀机的主轴相联结，以实现将膨胀机的做功转化为电能进行储存或利用，膨胀机包括进气管道、包括若干静叶的喷嘴组、叶轮、透平转子及壳体，膨胀机采用超音速轴流冲动式设计，透平转子通过轴承固定在壳体上，喷嘴组中相邻静叶片之间形成的流道呈现缩放式，并在喉部形成特殊型线设置，叶轮固定在转子上且叶轮旋转带动透平转子转动，进气管道进气，气流体流经缩放式流道加速并在喉部达到音速并持续加速后，冲击所述叶轮旋转后通过排气腔排出，叶轮旋转带动透平转子转动，透平转子带动发电机的转轴同轴转动。适用大压比，小流量的高参数ORC乙醇透平，获得可实现的最高膨胀效率。
High parameter Orc turbine power generation equipment and orc device for engine waste heat recovery
【技术实现步骤摘要】
应用于发动机余热回收的高参数ORC透平发电设备及ORC装置
本专利技术涉及了柴油发动机废气回收再利用系统，特别涉及应用于发动机余热回收的高参数ORC透平发电设备及ORC装置。
技术介绍
随着能源短缺形势的日益严峻，节能减排已成为时代发展的主题。对于车用发动机，其有效利用的能量仅占总热量的三分之一左右，而大部分主要以尾气排放和散热的形式流失。在研究如何高效地利用发动机废热等各方案里面，ORC循环(有机朗肯循环)以其较高的循环利用效率而受到研究学者的青睐。浙江银轮机械股份有限公司在申请号为201410163424.X中公开了一种基于ORC系统的柴油发电机废热发电装置，包括ORC冷媒循环系统、发动机缸套水循环系统、发动机尾气系统、增压空气系统和外部冷却水系统。该专利最显著的特征是，在整个发电装置正常运行后，因发动机的水箱和增压中冷器无需工作，可直接切断柴油发电机的对风扇的功率输出，从而实现对外输出的净发电量大幅提升。本专利的另一个显著特点是，利用发动机缸套水为载体充分吸收发动机气缸壁和发动机尾气的热量，避免ORC冷媒与高温废气直接热交换带来冷媒局部高温失效的问题。通过对本系统各个部件有效控制，通过发动机废热回收再利用，提高发动机单位燃油消耗的发电量，缩短发电机的投资回报周期。普通的朗肯循环广泛应用于汽轮机发电，其采用的工质一般为水蒸气。有机朗肯循环则不同，它针对发动机废热的压力、温度等工作特性，选用有机物作为循环工质，如R123，R245fa，R134a等等。银轮等公司有关车辆/船舶在内交通运输工具的发动机尾气余热利用，采用的方案是把发动机高温烟气(温度350C左右)采用水吸热，生成低参数的热水(如温度100C左右)，再用热水驱动低沸点介质(如R134a、R245fa、烷烃等制冷剂)的ORC，这样的低参数ORC循环效率较低，只有5％左右。低参数ORC，换热因为多了中间回路，有热水泵循环，经过多个换热器，增加系统功率消耗，对外净输出功减少；系统变得复杂，设备数量增加，成本和重量增加，可靠性降低；低参数换热，对数平均温差小，相同换热量情况下需要的换热面积大，换热器体积和重量增加。高参数ORC一个核心难点是实现热功转换的透平因为压比大、流量小，设计制造困难。首先，压比大，流量小；其次，系统需要密闭，无工质泄漏，高转速的透平轴封困难；还有，高转速带来转子动力学设计困难，径向/轴向轴承选型困难。现有的轴流式有机工质发电膨胀机，其内部结构较复杂，效率较低，不能完全隔绝有机工质的泄漏，且现有的轴流式有机工质发电膨胀机多为径向装配，但是径向装配中容易因中分面变形而引起工质泄漏，而且径向装配在上下壳体装配时无法采用密封圈只能在中分面上涂密封胶对有机工质进行密封，这不仅加大了机组的拆装难度，且密封性不是很好。重庆江增船舶重工有限公司在申请号为201810033962.5公开了一种拆装方便且密封更好的轴流式有机工质透平膨胀机。它包括进气壳、排气壳和转子，所述排气壳固定连接在进气壳上，所述进气壳内侧设有喷嘴环座，喷嘴环座的一个侧壁与进气壳的侧壁围合成进气流道，喷嘴环座的另一个侧壁延伸至排气壳内侧并与排气壳的侧壁围合成排气流道，喷嘴环座上设有多级喷嘴环，多级喷嘴环的输入端与进气流道连通，多级喷嘴环的输出端与排气流道连通，所述多级喷嘴环与转子之间设有级间气封，所述喷嘴环座、多级喷嘴环和级间气封均为上下剖分结构，所述转子的一端通过第一轴承安装在进气壳上，所述转子的另一端通过第二轴承安装在排气壳上。本专利技术轴流式有机工质透平膨胀机在进气壳内侧设有喷嘴环座，喷嘴环座的一个侧壁与进气壳的侧壁围合成进气流道，喷嘴环座的另一个侧壁延伸至排气壳内侧并与排气壳的侧壁围合成排气流道，喷嘴环座上设有多级喷嘴环，多级喷嘴环的输入端与进气流道连通，多级喷嘴环的输出端与排气流道连通，多级喷嘴环与转子之间设有级间气封，喷嘴环座、多级喷嘴环和级间气封均为上下剖分结构，这样就形成了一种以喷嘴环座、多级喷嘴环和级间气封为内壳、以进气壳和排气壳为外壳的内外壳形式，内壳为上下剖分结构，减轻了安装难度，而外壳没有剖分，简化了机组结构的复杂度，同时提高了机组的气密性。上述的两端支撑和密封的低速多级轴流式有机工质透平膨胀机结构设计仅适用于低温低参数ORC中，不适合用作高参数ORC透平膨胀机。因为多级轴流结构两端密封，特别是高压端做到绝对密封困难；透平转速低，焓降大，所以级速比u/c偏离最佳速比，级效率低；机组级数多，轴向长度长，如提高转速达到高转速(10krpm以上)，转子动力学设计不合格；同样因为轴向长度长，机组热膨胀量大，为了保证机组运行安全，必须留有足够动静间隙，这会增加内部漏气损失，机组效率更低。综合各方面原因，这种多级轴流结构设计不适合发动机高参数ORC对透平膨胀机的效率高、冷热态启动便利，尺寸小重量轻、高可靠性等要求。
技术实现思路
本专利技术提供了一种应用于发动机余热回收的高参数ORC透平发电设备，以解决现有技术中实现热功转换的透平因为压比大、流量小，设计制造困难的技术问题。一种应用于发动机余热回收的高参数ORC透平发电设备，包括透平膨胀机和发电机，发电机的转轴和膨胀机的主轴相联结，以实现将膨胀机的做功转化为电能进行储存或利用，其中，膨胀机采用单级悬臂式结构,膨胀机进一步包括进气管道、包括若干静叶的喷嘴组、叶轮、透平转子及壳体，所述膨胀机采用超音速轴流冲动式设计，透平转子通过轴承固定在壳体上，喷嘴组中相邻静叶片之间形成的流道呈现缩放式，并在喉部形成型线设置，叶轮固定在转子上且叶轮旋转带动透平转子转动，其中静叶通过拉法尔管的结构设计获得两倍及其以上的出口音速。进一步优选的，所述膨胀机的动叶为流动全程超音速设计。进气管道进气，气流体流经缩放式流道加速并在喉部达到音速，冲击所述叶轮旋转后通过排气腔排出，所述叶轮旋转带动透平转子转动，透平转子带动发电机的转轴同轴转动。进一步优选的，高参数ORC透平发电设备还包括非接触式高速磁性联轴器，所述非接触式高速磁性联轴器进一步包括装有磁体的内转子、隔离套和装有磁体的外转子，在内转子的外周部、外转子的内周部安装有高性能永磁体，隔离套把内转子密封在膨胀机的壳体内，所述内转子与透平转子同轴固定，所述外转子与发电机的转轴同轴固定，所述联轴器的内转子与外转子通过各自安装的N-S高性能永磁体非接触式磁极传动。进一步优选的，膨胀机还包括调节阀组，每一调节阀控制若干喷嘴组的流道，并且根据发动机的负荷适应性打开或关闭对应个数的调节阀组，以控制喷嘴组的流道开合。进一步优选的，喷嘴的喷嘴组中相邻静叶片之间形成的流道呈现缩放式，并在喉部形成型线设置，该型线采用B样条曲线设计保证叶片表面的光顺性,叶片喉部的尺寸范围为0.2-0.8mm,流体流经所述喉部以达到音速。进一步优选的，高速旋转的内转子被隔离套包裹，中间设有一定间隙,其间隙内被工质蒸汽充设。进一步优选的，在内转子靠近叶轮的一侧，设置一个微型喷雾头，从ORC系统工质泵出口引出一股低温液态循环工质，进入微型喷雾头，产生微米级本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种应用于发动机余热回收的高参数ORC透平发电设备，包括透平膨胀机和发电机，其特征在于，发电机的转轴和膨胀机的主轴相联结，其中，/n膨胀机采用单级悬臂式结构,进一步包括进气管道、包括若干静叶的喷嘴组、叶轮、透平转子及壳体，所述膨胀机采用超音速轴流冲动式设计，透平转子通过轴承固定在壳体上，喷嘴组中相邻静叶片之间形成的流道呈现缩放式，并在喉部形成型线设置，叶轮固定在转子上且叶轮旋转带动透平转子转动，其中静叶通过拉法尔管的结构设计获得两倍及其以上的出口音速。/n
【技术特征摘要】
1.一种应用于发动机余热回收的高参数ORC透平发电设备，包括透平膨胀机和发电机，其特征在于，发电机的转轴和膨胀机的主轴相联结，其中，
膨胀机采用单级悬臂式结构,进一步包括进气管道、包括若干静叶的喷嘴组、叶轮、透平转子及壳体，所述膨胀机采用超音速轴流冲动式设计，透平转子通过轴承固定在壳体上，喷嘴组中相邻静叶片之间形成的流道呈现缩放式，并在喉部形成型线设置，叶轮固定在转子上且叶轮旋转带动透平转子转动，其中静叶通过拉法尔管的结构设计获得两倍及其以上的出口音速。
2.如权利要求1所述的应用于发动机余热回收的高参数ORC透平发电设备，其特征在于，所述膨胀机的动叶为流动全程超音速设计。
3.如权利要求1所述的高参数ORC透平发电设备，其特征在于，还包括非接触式高速磁性联轴器，所述非接触式高速磁性联轴器进一步包括装有磁体的内转子、隔离套和装有磁体的外转子，在内转子的外周部、外转子的内周部安装有高性能永磁体，隔离套把内转子密封在膨胀机的壳体内，所述内转子与透平转子同轴固定，所述外转子与发电机的转轴同轴固定，所述联轴器的内转子与外转子通过各自安装的N-S高性能永磁体非接触式磁极传动。
4.如权利要求1或3所述的高参数ORC...
【专利技术属性】
技术研发人员：林钢，陈一峰，戴军，
申请(专利权)人：上海慕帆动力科技有限公司，
类型：新型
国别省市：上海;31
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