本發(fā)明屬于新型的一種余熱發(fā)電系統(tǒng)的余熱利用和回收領(lǐng)域，具體涉及適用于膨脹機產(chǎn)生軸向拉力大、有軸承或無軸承結(jié)構(gòu)的一種帶錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機的余熱發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

能源短缺是全球性問題，日益引起人們的高度關(guān)注，也是目前制約各種能耗行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要問題。各種工業(yè)中余熱具有溫度高、壓強大、能量高的特點，若直接排入大氣，會造成大量的熱量被浪費，同時也會給目前已經(jīng)嚴重的全球溫室效應(yīng)帶來更大的壓力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為解決余熱浪費，將熱能轉(zhuǎn)換為機械能在轉(zhuǎn)化為電能的方法，提供了一種帶錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機的余熱發(fā)電系統(tǒng)。

本發(fā)明一種帶錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機的余熱發(fā)電系統(tǒng)，它由做功工質(zhì)、換熱裝置及電氣系統(tǒng)三部分組成，其中做功工質(zhì)為有機介質(zhì)，即可選R245fa、R123、R134a、R600a等有機介質(zhì)任一種；換熱裝置包括冷凝器、蒸發(fā)器及工質(zhì)泵；電氣系統(tǒng)包括徑向渦輪膨脹機、PWM變流裝置及錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機。經(jīng)工質(zhì)泵加壓后的有機介質(zhì)經(jīng)蒸發(fā)器加熱，高溫高壓的有機介質(zhì)經(jīng)管道進入徑向渦輪膨脹機內(nèi)腔，驅(qū)動徑向渦輪膨脹機旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)熱能與機械能轉(zhuǎn)換；徑向渦輪膨脹機直接固定在所述錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機軸伸端，旋轉(zhuǎn)的徑向渦輪膨脹機帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子進行機械能轉(zhuǎn)換成電能；錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機外接PWM變流裝置，對外輸出電能，最后做功后乏氣經(jīng)管道在所述冷凝器里進行冷卻，在經(jīng)工質(zhì)泵加壓后進入蒸發(fā)器進行熱能交換，從而完成一次循環(huán)。

所述錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機可為有承軸或無軸承結(jié)構(gòu)其中一種。

所述錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機為有軸承結(jié)構(gòu)時，高溫高壓的有機介質(zhì)對渦輪膨脹機進行旋轉(zhuǎn)做功后，形成了低溫低壓的乏氣排出渦輪膨脹機內(nèi)腔，從而有機介質(zhì)做功前后壓差的原因，使徑向渦輪膨脹機產(chǎn)生一個軸向拉力F_R，由于徑向渦輪膨脹機與發(fā)電機中的錐形轉(zhuǎn)子同軸，根據(jù)電機運行原理，發(fā)電機中的錐形轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生電磁軸向力F_L，且軸向拉力F_R和電磁軸向力F_L方向相反，而發(fā)電機中的錐形轉(zhuǎn)子的電磁軸向力F_L可以隨著徑向渦輪膨脹機隨有機介質(zhì)的壓力變化時產(chǎn)生軸向拉力F_R可進行調(diào)節(jié)，則完全可抵消。

所述錐形轉(zhuǎn)子為無軸承結(jié)構(gòu)時，在錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機定子中，一并嵌入功率繞組和懸浮繞組兩套繞組，系統(tǒng)工作時，兩套繞組通入同頻率的三相交流電，將錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機轉(zhuǎn)子和所述徑向渦輪膨脹機懸浮起來；達到無軸承結(jié)構(gòu)的效果，同時也兼顧了功率繞組作用。

本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明提供的一種帶錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機的余熱發(fā)電系統(tǒng)，當選有軸承發(fā)電機結(jié)構(gòu)型式時，發(fā)電機工作時的錐形轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電磁軸向力F_L與徑向渦輪膨脹機做功工質(zhì)的壓力變化時產(chǎn)生軸向拉力F_R可進行調(diào)節(jié)，且方向相反，并可完全抵消，則無需專用軸承克服軸向力的裝置；當選錐形轉(zhuǎn)子無軸承發(fā)電機時，定子繞組中嵌入功率繞組和懸浮繞組兩套繞組，將錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機和徑向渦輪膨脹機懸浮起來，實現(xiàn)了無軸承結(jié)構(gòu)效果，取消發(fā)電機的潤滑軸承機構(gòu)，發(fā)電機與徑向渦輪膨脹機之間的動密封結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成了靜密封，降低了密封要求，加強了密封效果，同時減少了發(fā)電機的機械摩擦損耗，提高了發(fā)電機的電轉(zhuǎn)換效率和可靠性，同時兼顧了力矩繞組的作用；使發(fā)電系統(tǒng)具備的制造成本低，結(jié)構(gòu)簡單，維護周期長，效率高特點。也對系統(tǒng)的有機介質(zhì)的純度得到保障，增加系統(tǒng)的使用壽命。

附圖說明

圖1所示為本發(fā)明一種帶錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機的余熱發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖2所示為本發(fā)明中徑向渦輪膨脹機與錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機直連受力示意圖；

圖3所示為本發(fā)明中徑向渦輪膨脹機與錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機X,Y,Z受力示意圖；

圖中：1、冷凝器，2、有機介質(zhì)，3、工質(zhì)泵，4、蒸發(fā)器，5、錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機，6、PWM變流裝置，7、徑向渦輪膨脹機，8、發(fā)電機定子，9、發(fā)電機中的錐形轉(zhuǎn)子。

具體實施方式

下文將結(jié)合具體附圖詳細描述本發(fā)明具體實施例。應(yīng)當注意的是，下述實施例中描述的技術(shù)特征或者技術(shù)特征的組合不應(yīng)當被認為是孤立的，它們可以被相互組合從而達到更好的技術(shù)效果。

如圖1所示，本發(fā)明一種帶錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機的余熱發(fā)電系統(tǒng)，它由做功工質(zhì)、換熱裝置及電氣系統(tǒng)三部分組成，其中做功工質(zhì)為有機介質(zhì)（2），其可選R245fa、R123、R134a、R600a任一種；換熱裝置由冷凝器（1）、蒸發(fā)器（4）及工質(zhì)泵(3)組成；電氣系統(tǒng)由徑向渦輪膨脹機（7）、PWM變流裝置（6）及錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機（5）組成。

系統(tǒng)中，冷凝器（1）出口接入工質(zhì)泵（3）入口，低溫低壓的有機介質(zhì)（2）在冷卻器（1）冷卻后經(jīng)工質(zhì)泵（3）加壓后進入經(jīng)蒸發(fā)器（4）加熱，高溫高壓的有機介質(zhì)（2）再經(jīng)管道高速的流入徑向渦輪膨脹機（7）內(nèi)腔，驅(qū)動徑向渦輪膨脹機（7）旋轉(zhuǎn)做功，實現(xiàn)熱能與機械能轉(zhuǎn)換；由于徑向渦輪膨脹機（7）與錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機（5）同軸聯(lián)接，驅(qū)動發(fā)電機中的錐形轉(zhuǎn)子（9）旋轉(zhuǎn)進行機械能轉(zhuǎn)換成電能；錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機（5）外接PWM變流裝置（6）；對外輸出電能，最后做功后乏氣經(jīng)管道在所述冷凝器（1）里進行冷卻；再經(jīng)工質(zhì)泵（3）加壓后進入蒸發(fā)器（4）進行熱能交換，從而完成一次循環(huán)，再循環(huán)做功。

如圖2所示，所述錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機（5）可為有承軸結(jié)構(gòu)或無軸承結(jié)構(gòu)：

所述錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機（5）為有軸承結(jié)構(gòu)時，如圖2所示，高溫高壓的有機介質(zhì)（2）驅(qū)動徑向渦輪膨脹機（7）旋轉(zhuǎn)，進行熱能與機械能的轉(zhuǎn)換，做功后形成了低溫低壓的有機介質(zhì)（2）排出徑向渦輪膨脹機（7）內(nèi)腔，從而有機介質(zhì)（2）做功前后壓差的原因，使徑向渦輪膨脹機（7）產(chǎn)生一個軸向拉力FR，如公式（一）：

F_R=F_進-F_出 （一）

公式一中：F_進=k1P_進×S,F_出=k2P_出×S,

式中：P_進—徑向渦輪膨脹機的進口壓力（N/m2）

P_出—徑向渦輪膨脹機的進口壓力（N/m2）

S—徑向渦輪膨脹機有效工作面積（m2）

k1，k2—經(jīng)驗系數(shù)

由于徑向渦輪膨脹機（7）與發(fā)電機中的錐形轉(zhuǎn)子（9）同軸，根據(jù)電機運行原理，發(fā)電機中的錐形轉(zhuǎn)子（9）上產(chǎn)生電磁軸向力FL，如公式（二）：

式中：Dav —平均直徑（mm）

α —轉(zhuǎn)子的錐角（o）

_efi —有效鐵芯長（mm）

B_δ —氣隙磁密（T）

β —氣隙磁密均方根與最大值之比

由公式（一）、（二）可知，軸向拉力F_R和電磁軸向力F_L方向相反，且發(fā)電機中的錐形轉(zhuǎn)子（9）的電磁軸向力F_L可以隨著徑向渦輪膨脹機（7）隨有機介質(zhì)（2）的壓力變化時產(chǎn)生軸向拉力F_R可進行調(diào)節(jié)，并可完全抵消。

所述錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機（5）為無軸承結(jié)構(gòu)時，在所述錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機定子（8）中，一并嵌入極對數(shù)相差為二倍的功率繞組和懸浮繞組兩套繞組，系統(tǒng)工作時，兩套繞組通入同頻率的三相交流電，在產(chǎn)生的磁場在某氣隙處方向相同，磁場增強，且與之對稱的氣隙處方向相反，磁場減弱，發(fā)電機中的錐形轉(zhuǎn)子（9）將受到沿磁場增強方向的麥克斯韋力，即懸浮力，將錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機（5）和徑向渦輪膨脹機（7）懸浮起來，達到無軸承結(jié)構(gòu)的效果。所受的X，Y，Z方向的麥克斯韋力圖3所示，其公式三：

（三）

式中：—氣隙磁密幅值

α —轉(zhuǎn)子的錐角（o）

—功率繞組和懸浮繞組的初始相位角（o）

其中：;式中： 為勵磁電流幅值。

而徑向懸浮力與磁場強度成正比，磁場強度又與電流的幅值成正比，因此通過控制兩套繞組中電流的幅值可控制錐形轉(zhuǎn)子9所受徑向力的大?。煌瑫r也兼顧了功率繞組作用。

本發(fā)明提供的一種帶錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機的余熱發(fā)電系統(tǒng)，當選有軸承發(fā)電機結(jié)構(gòu)型式時，發(fā)電機工作時的錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機（5）轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電磁軸向力F_L與徑向渦輪膨脹機（7）隨有機介質(zhì)（2）的壓力變化時產(chǎn)生軸向拉力F_R可進行調(diào)節(jié)，且大小相等，方向相反，從而完全可抵消，則無需專用軸承克服軸向力的裝置；當選錐形轉(zhuǎn)子無軸承發(fā)電機時，定子繞組中嵌入功率繞組和懸浮繞組兩套繞組，將錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機（5）和徑向渦輪膨脹機（7）懸浮起來，實現(xiàn)了無軸承結(jié)構(gòu)目的，取消發(fā)電機的潤滑軸承機構(gòu)，錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機（5）與徑向渦輪膨脹機（7）之間的動密封結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成了靜密封，降低了密封要求，加強了密封效果，同時減少了錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機（5）的機械摩擦損耗，提高了錐形轉(zhuǎn)子發(fā)電機（5）的電轉(zhuǎn)換效率和可靠性，同時兼顧了功率繞組的作用；使發(fā)電系統(tǒng)具備的制造成本低，結(jié)構(gòu)簡單，維護周期長，效率高特點。也對系統(tǒng)的有機介質(zhì)（2）的純度得到保障，增加系統(tǒng)的使用壽命。

本文雖然已經(jīng)給出了本發(fā)明的一些實施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解，在不脫離本發(fā)明精神的情況下，可以對本文的實施例進行改變。上述實施例只是示例性的，不應(yīng)以本文的實施例作為本發(fā)明權(quán)利范圍的限定。