專利名稱：用于高溫有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)的密封式馬達冷卻的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及有機蘭金循環(huán)(ORC)系統(tǒng)，并且更具體地，涉及用于有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)的二級冷卻系統(tǒng)。
背景技術：
有機蘭金循環(huán)是以有機流體制冷劑代替水/水蒸氣作為工作流體的蒸氣動力循環(huán)。該工作流體在“蒸發(fā)器/鍋爐”中由廢熱源或低品質熱源來加熱。流體以液體作為開始而以蒸氣作為結束。高壓制冷劑蒸氣在渦輪機中膨脹以產生電力。從渦輪機排出的低壓蒸氣冷凝，然后被送回到泵以重新啟動該循環(huán)。用于發(fā)電的簡單蘭金循環(huán)遵循如下工藝順序:I)絕熱壓力(adiabaticpressure)通過泵上升；2)在預熱器、蒸發(fā)器和過熱器中的等壓加熱(isobaric heataddition) ;3)在潤輪機中絕熱膨脹(adiabatic expansion);以及4)在冷凝器中的等壓放熱(isobaric heat rejection),但其它循環(huán)改動也是可能的,諸如添加蒸氣到液體回流換熱器(recuperator)等。有機蘭金循環(huán)發(fā)電機可以是密封的或非密封的。非密封式發(fā)電機不共享工作流體環(huán)境，并且通常通過空氣或水來冷卻。密封式發(fā)電機共享并且通過來自于主循環(huán)的制冷劑來冷卻。圖1示意性地圖示了具有標準密封式發(fā)電機冷卻的常規(guī)有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)。液體制冷劑的少量二級流從泵出口排出并且被輸送至發(fā)電機外殼。在此情況下，流體首先被輸送通過定子冷卻夾套，而且在從定子損耗吸熱的同時部分地沸騰。然后剩余的兩相制冷劑被噴灑到從轉子損耗和風阻損失吸熱的轉子室(rotor volume)中。然后在渦輪機排氣裝置的下游排放經(jīng)氣化的制冷劑。

發(fā)明內容
根據(jù)本公開的示例性方面的有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)包括由工作流體驅動的渦輪機和由渦輪機驅動的發(fā)電機。發(fā)電機包括在亞大氣壓力下的轉子室，工作流體被噴灑到所述轉
子室中。根據(jù)本公開的示例性方面的有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)包括與亞大氣壓力下的轉子室連通的二級冷卻流回路，所述二級冷卻流回路將工作流體噴灑到所述轉子室中。根據(jù)本公開的示例性方面的操作有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)的方法包括將工作流體噴灑到亞大氣壓力下的轉子室中。


從公開的非限制性實施方式的以下詳細說明中，各種特征對于本領域技術人員將變得顯而易見。本詳細說明的附圖可簡要描述如下:
圖1為相關技術的有機蘭金循環(huán)的示意圖，其中低側飽和溫度為足夠冷以便提供發(fā)電機冷卻；以及
圖2為根據(jù)一個公開的非限制性實施方式的有機蘭金循環(huán)的示意圖，其中低側飽和溫度對于直接發(fā)電機冷卻和二級冷卻流回路過于溫暖；
圖3為具有二級冷卻流回路的有機蘭金循環(huán)的渦輪機發(fā)電機的詳細視圖。圖4為具有雙迷宮式密封件的軸密封件的詳細截面視圖。
具體實施例方式圖2示意性地圖示了有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)20。有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)20總體上包括電力產生渦輪機22，電力產生渦輪機22由諸如硅氧烷MM、Novec649或其它高沸點的制冷劑等工作流體來驅動。渦輪機22驅動產生電力的發(fā)電機24。制冷劑泵26增加來自冷凝器28的工作流體的壓力。諸如鍋爐等蒸發(fā)器30接收來自熱源回路(在該示例中為熱油)36的相當多的熱輸入、使工作流體氣化，然后蒸氣被傳送通過至渦輪機22。在離開渦輪機22后，相對較低壓力的蒸氣傳送至冷凝器28，其在冷凝器28處通過與冷卻流體系統(tǒng)38的熱交換關系而被冷凝。然后通過泵26使經(jīng)冷凝的工作流體環(huán)行至蒸發(fā)器30以完成循環(huán)。然而，應當認識到的是，可以替代地使用另外的循環(huán)和其它流體。參看圖3，發(fā)電機24總體上包括殼體40、定子42、轉子44以及轉子密封件46。轉子密封件46使發(fā)電機24與渦輪機22分離，渦輪機22總體上包括徑向向心渦輪機(radialinflow turbine) 48、渦殼50和噴嘴、護罩以及擴散器。即是說，轉子密封件46使渦輪機室(turbine volume) T從轉子室G分離。徑向向心潤輪機48響應于通過潤殼50輸送的工作流體在渦輪機室T內圍繞軸線A旋轉，以便通過轉子44驅動發(fā)電機22。徑向向心渦輪機48使轉子44圍繞旋轉軸線A在定子42內旋轉。圖3中所示的實例為具有磁性軸承但無齒輪的無油高速直接驅動系統(tǒng)，但其它實施方式將具有相同的密封和冷卻要求。二級冷卻流回路51將相對少量的冷卻流體輸送至發(fā)電機22，以提供發(fā)電機22的熱管理。二級冷卻流回路51總體上包括冷熱交換器(cold heat exchanger) 52以冷凝工作流體，并且通過主排出管線54有效地將工作流體從殼體40中抽出。二級環(huán)路冷凝器52也接收冷卻流體。主排出管線54從殼體40除去蒸氣和液體工作流體，并且在轉子室G內生成亞大氣壓力。在冷熱交換器下方的是用以積聚液體的接收容器53。泵56將來自接收容器53的經(jīng)冷凝的/經(jīng)冷卻的工作流體泵送至由節(jié)流閥57和止回閥59構成的閥系統(tǒng)。改變閥57以設定泵出口處的壓力。如果閥57大開，則泵出口壓力將僅稍微高于轉子腔壓力且遠低于初級系統(tǒng)壓力。止回閥59將保持關閉，并且制冷劑將不會流過管線261。當閥57關閉時，泵出口壓力升高，直到它在26處超過初級系統(tǒng)壓力并且制冷劑流出二級冷卻環(huán)路51而到達初級環(huán)路為止。由于流通過密封件46泄漏到二級冷卻環(huán)路51中，故該流是不可避免的并且必須被除去，否則環(huán)路51最終會充滿液體工作流體。因此，使用閥57來控制回路51中的工作流體的量。液體工作流體從閥57流入定子冷卻夾套以吸收來自定子42的由焦耳加熱(jouleheating)生成的熱,而且液體工作流體部分地沸騰。然后將工作流體通過噴嘴58噴灑到轉子室G中。應當認識到的是，可圍繞轉子44沿周向布置一個或多個噴嘴。由于工作流體接收了來自定子42的熱，故此時工作流體是兩相的。可在噴嘴處使用較小的壓降來分散工作流體。由于工作流體在殼體40內處于飽和環(huán)境，故工作流體將處于由其壓力確定的溫度下。工作流體在轉子44與定子42之間經(jīng)過，并且在朝轉子44噴灑時進一步接收由風阻損失和轉子內部損耗生成的熱。此后，工作流體聚積在殼體40中且進入主排出管線54。參看圖4，在周向凹槽62的各個側部上使用雙迷宮式密封件46A和46B。在一個公開的非限制性實施方式中，密封排放管線58與轉子密封件46連通以防止來自徑向向心渦輪機46的相對較熱的蒸氣吹過密封件46與支承轉子44的軸承系統(tǒng)60相接觸。在公開的非限制性實施方式中，密封件46可包括周向凹槽62或描繪轉子室G與渦輪機室T之間的分離的其它通路。凹槽62與密封排放管線58連通，從而提供從轉子密封件46到主排出管線54的旁路。應當理解的是，諸如，“前”、“后”、“上”、“下”、“上方”、“下方”等相對位置的術語都
參照了載體的正常操作狀態(tài)，而不應當被認為是以其它方式進行限制。應當理解的是，相似的參考標號在若干附圖各處都標識對應的或類似的元件。還
應當理解的是，盡管在圖示出的實施方式中公開了具體的構件布置，但其它布置將由此受益盡管示出、描述和要求了具體的步驟次序，但應當理解的是，除非另有指出，則步驟可以以任何順序執(zhí)行、單獨執(zhí)行或組合執(zhí)行，并且仍將受益于本公開。上述說明是示例性的而不是由內在的限制所限定。本文公開了各種非限制性的實施方式，然而本領域的普通技術人員將認識到按照以上教導的各種改型和變型將落入所附權利要求的范圍內。因此，應當理解的是，在所附權利要求的范圍內，可以不同于具體描述的那樣來實踐本公開。出于此原因，應當研究所附權利要求來確定真實的范圍和內容。
權利要求
1.一種有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)，其包括: 由工作流體驅動的渦輪機；以及 由所述渦輪機驅動的發(fā)電機，所述發(fā)電機包括在亞大氣壓力下的轉子室，所述工作流體被噴灑到所述轉子室中。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述工作流體為硅氧烷MM。
3.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述工作流體為Novec649。
4.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述工作流體在所述發(fā)電機的定子上通過。
5.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括轉子密封件，所述轉子密封件使所述轉子室從渦輪機室分離。
6.根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括與所述轉子密封件連通的排放管線。
7.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括與所述轉子室連通的主排出管線。
8.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述排放管線與所述主排出管線連通。
9.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括與所述主排出管線連通的熱交換器。
10.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括在所述熱交換器下游的泵。
11.一種有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)，其包括: 與在亞大氣壓力下的轉子室連通的二級冷卻流回路，所述二級冷卻流回路將工作流體噴灑到所述轉子室中。
12.根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述工作流體在所述轉子室內的定子上通過。
13.根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括轉子密封件，所述轉子密封件使所述轉子室從渦輪機室分離。
14.根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括與所述轉子密封件連通的排放管線。
15.根據(jù)權利要求14所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括與所述轉子室和所述排放管線連通的主排出管線。
16.根據(jù)權利要求15所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括與所述主排出管線連通的熱交換器、在所述熱交換器下游的泵以及閥，所述閥能操作以增加泵出口壓力，直到所述泵出口壓力超過初級系統(tǒng)壓力，使得所述工作流體流出所述二級冷卻環(huán)路到達初級冷卻環(huán)路。
17.一種操作有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)的方法，其包括: 將工作流體噴灑到在亞大氣壓力下的轉子室中。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，所述方法還包括: 在所述噴灑之前使所述工作流體在定子上通過。
19.根據(jù)權利要求17所述的方法，所述方法還包括: 利用轉子密封件使所述轉子室從渦輪機室分離；以及 從所述轉子密封件排放所述工作流體。
20.根據(jù)權利要求17所述的方法，所述方法還包括: 關閉閥以增加泵出口壓力，直到所述泵出口壓力超過初級系統(tǒng)壓力，并且所述工作流體流出二級冷卻環(huán)路到達初級冷卻環(huán)路。
全文摘要
用于高溫有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)的密封式馬達冷卻。本發(fā)明涉及一種有機蘭金循環(huán)系統(tǒng)，其包括在亞大氣壓力下的轉子室，工作流體被噴灑到轉子室中。
文檔編號F01D25/12GK103174473SQ20121056130
公開日2013年6月26日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權日2011年12月22日
發(fā)明者F.J.科斯維爾, B.P.比德曼 申請人:聯(lián)合工藝公司