[發明專利]一種應用于ORC的高速透平-發電機的主軸密封裝置

有效

• 申請號: 201410008932.0
• 申請日: 2014-01-07
• 公開（公告）號: CN103746493A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發明（設計）人: 謝輝;楊燦
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H02K5/124
• 分類號: H02K5/124
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李麗萍

技術領域

本發明屬于內燃機余熱能量技術領域，尤其涉及一種應用于ORC（有機朗肯循環）的高速透平-發電機的主軸密封裝置。

背景技術

根據內燃機的能量平衡分析，目前，內燃機燃料燃燒所釋放的能量只有三分之一左右被有效利用，其余能量最終均以廢熱的形式耗散到大氣當中，因此將內燃機的余熱能進行有效回收和利用是進一步提高內燃機效率，降低二氧化碳排放，實現低碳內燃機的一條重要途徑。

基于對內燃機余熱能回收利用對減少石油消耗、降低CO₂排放的重要性的認識，國際上工業發達國家紛紛將內燃機余熱能高效回收利用技術作為提高內燃機效率的未來技術而列入科技研究計劃，搶占內燃機節能減排新技術挑戰的先機。日本文部省在2005年發布的第八次技術預見調查報告中，將余熱能利用列為未來30年技術發展的100個重要課題之一。日本豐田、本田等公司將余熱能利用作為汽車內燃機未來技術而投入重金加以研究。在歐洲，歐盟在第七框架行動計劃中，啟動了“HeatReCar”的汽車內燃機余熱能利用研究計劃，由德國、法國、意大利、瑞典等國家的大學、研究機構和企業參加。2010年1月11日，美國能源部長朱棣文宣布啟動3.75億美元的提高重型卡車和乘用車效率的研究計劃，其中內燃機余熱能回收利用是5大關鍵技術之一。

內燃機的余熱能主要分布于內燃機的冷卻液和排氣。前期的研究表明：雖然冷卻液和排氣均攜帶了30%左右的燃油能量，但是由于熱力學第二定律的限制，冷卻液中可用能（火用量）卻只能占到燃油能量的3%左右，并且較低的熱源溫度也決定了其在移動動力裝置上的利用難度。相較于冷卻液，排氣所攜帶的能量因為其較高的溫度而具有更高的回收潛力和回收價值。

BMW公司在SAE2009-01-0174一文中在余熱能回收技術的復雜度、成本和能量回收潛力等方面，對目前理論可行的諸多技術進行了較為詳細地對比研究，并指出朗肯底循環是一項值得青睞的技術。同時，有機工質潛熱小，蒸發溫度低，且膨脹過程不易析出液滴等特點使得ORC成為中低溫能量轉換與利用的熱點技術。

膨脹機是ORC的熱功轉換部件，是小功率ORC系統的核心部件。高速透平膨脹機因為其在小流量大膨脹比時的優良性能而成為較優的選擇。針對高速透平膨脹機驅動發電機發電的技術方案，其高速透平－發電機的主軸存在著串氣的問題。具體而言，高溫高壓的有機工質蒸汽會通過透平膨脹機葉輪與蝸殼之間的間隙泄露到輪背，進而順著主軸泄露到高速電機的腔體之中，會帶來如下兩點問題：

1.電機的腔體內部充滿著低壓的有機工質蒸汽，以R123工質為例，在3bar下飽和蒸汽的密度是18.132kg/m^3，相當于常溫常壓下控制密度的14倍。發電機的轉子高速地在粘稠的有機工質中運轉，使得發電機的轉子發熱，溫度升高，需要額外配有冷卻回路對轉子進行冷卻；并且同時風磨損失增加，降低發電機的效率。

2.高速軸承會侵泡在較高溫的有機工質蒸汽中，使得高速軸承的冷卻面臨著更大的困難，并且有機工質和潤滑油還可能有一定的互溶性，有可能降低高速軸承的潤滑性能。

綜上所述，解決問題的根本措施在于抑制有機工質蒸汽沿著主軸泄露到高速發電機腔體中，而該問題在已有的文獻和專利中尚鮮有考慮和報道。

發明內容

針對應用于ORC的高速透平-發電機存在主軸泄露串氣的應用問題，本發明提供一種應用于ORC的高速透平-發電機的主軸密封裝置，解決了主軸串氣的技術難點，從而抑制有機工質蒸汽沿著主軸泄露到高速發電機腔體中，提高了發電機效率以及熱安全性能。