[发明专利]一种应用于ORC的高速透平-发电机的主轴密封装置

说明书

技术领域

本发明属于内燃机余热能量技术领域，尤其涉及一种应用于ORC（有机朗肯循环）的高速透平-发电机的主轴密封装置。

背景技术

根据内燃机的能量平衡分析，目前，内燃机燃料燃烧所释放的能量只有三分之一左右被有效利用，其余能量最终均以废热的形式耗散到大气当中，因此将内燃机的余热能进行有效回收和利用是进一步提高内燃机效率，降低二氧化碳排放，实现低碳内燃机的一条重要途径。

基于对内燃机余热能回收利用对减少石油消耗、降低CO₂排放的重要性的认识，国际上工业发达国家纷纷将内燃机余热能高效回收利用技术作为提高内燃机效率的未来技术而列入科技研究计划，抢占内燃机节能减排新技术挑战的先机。日本文部省在2005年发布的第八次技术预见调查报告中，将余热能利用列为未来30年技术发展的100个重要课题之一。日本丰田、本田等公司将余热能利用作为汽车内燃机未来技术而投入重金加以研究。在欧洲，欧盟在第七框架行动计划中，启动了“HeatReCar”的汽车内燃机余热能利用研究计划，由德国、法国、意大利、瑞典等国家的大学、研究机构和企业参加。2010年1月11日，美国能源部长朱棣文宣布启动3.75亿美元的提高重型卡车和乘用车效率的研究计划，其中内燃机余热能回收利用是5大关键技术之一。

内燃机的余热能主要分布于内燃机的冷却液和排气。前期的研究表明：虽然冷却液和排气均携带了30%左右的燃油能量，但是由于热力学第二定律的限制，冷却液中可用能（火用量）却只能占到燃油能量的3%左右，并且较低的热源温度也决定了其在移动动力装置上的利用难度。相较于冷却液，排气所携带的能量因为其较高的温度而具有更高的回收潜力和回收价值。

BMW公司在SAE2009-01-0174一文中在余热能回收技术的复杂度、成本和能量回收潜力等方面，对目前理论可行的诸多技术进行了较为详细地对比研究，并指出朗肯底循环是一项值得青睐的技术。同时，有机工质潜热小，蒸发温度低，且膨胀过程不易析出液滴等特点使得ORC成为中低温能量转换与利用的热点技术。

膨胀机是ORC的热功转换部件，是小功率ORC系统的核心部件。高速透平膨胀机因为其在小流量大膨胀比时的优良性能而成为较优的选择。针对高速透平膨胀机驱动发电机发电的技术方案，其高速透平－发电机的主轴存在着串气的问题。具体而言，高温高压的有机工质蒸汽会通过透平膨胀机叶轮与蜗壳之间的间隙泄露到轮背，进而顺着主轴泄露到高速电机的腔体之中，会带来如下两点问题：

1.电机的腔体内部充满着低压的有机工质蒸汽，以R123工质为例，在3bar下饱和蒸汽的密度是18.132kg/m^3，相当于常温常压下控制密度的14倍。发电机的转子高速地在粘稠的有机工质中运转，使得发电机的转子发热，温度升高，需要额外配有冷却回路对转子进行冷却；并且同时风磨损失增加，降低发电机的效率。

2.高速轴承会侵泡在较高温的有机工质蒸汽中，使得高速轴承的冷却面临着更大的困难，并且有机工质和润滑油还可能有一定的互溶性，有可能降低高速轴承的润滑性能。

综上所述，解决问题的根本措施在于抑制有机工质蒸汽沿着主轴泄露到高速发电机腔体中，而该问题在已有的文献和专利中尚鲜有考虑和报道。

发明内容

针对应用于ORC的高速透平-发电机存在主轴泄露串气的应用问题，本发明提供一种应用于ORC的高速透平-发电机的主轴密封装置，解决了主轴串气的技术难点，从而抑制有机工质蒸汽沿着主轴泄露到高速发电机腔体中，提高了发电机效率以及热安全性能。