CN107620616A - 一体式发电***及发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一体式发电***及发电方法，该一体式发电***包括：膨胀机及永磁发电机；所述膨胀机包括的至少一个向心透平与所述永磁发电机的转子固定在同一根旋转轴上，所述向心透平在外部输入的工质的驱动下带动所述旋转轴及所述转子转动；所述膨胀机的壳体与所述永磁发电机的壳体固定连接，所述旋转轴通过至少两个径向轴承固定于所述膨胀机的壳体与所述永磁发电机的壳体内部；所述永磁发电机的定子，用于根据所述转子的转动形成电能并输出；所述永磁发电机的壳体的壳壁上设置有冷却通道，所述冷却通道用于传输冷却介质，以对所述永磁发电机进行冷却。本方案无需在发电机内部设置冷却***。

Description

一体式发电***及发电方法

技术领域

本发明涉及发电技术领域，特别涉及一体式发电***及发电方法。

背景技术

随着环境问题日益受到关注，如何提高能源的利用率，减少环境污染已经成为研究热点。在工业生产中经常会产生一些废热，通过有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)可以回收这些废热进行发电，实现能源的重复利用，提高能源的利用率。在有机朗肯循环中，高压工质在膨胀机中膨胀驱动透平转动，进而使透平带动发电机转动进行发电。为了防止有害、易燃易爆或影响环境的工质从膨胀机的轴端泄露或混入空气对环境或用户造成危害，目前一般采用膨胀机与发电机一体式设计。

目前，在一体式设计的膨胀机与发电机中，发电机一般采用励磁发电机，由于励磁发电机在工作过程中会产生大量的热，为了保证励磁发电机能够正常工作，需要在励磁发电机的内部设置复杂的冷却***，造成发电机结构较为复杂，工作可靠性较差。

发明内容

本发明实施例提供了一体式发电***及发电方法，无需在发电机内部设置冷却***。

本发明实施例提供了一体式发电***，包括：膨胀机及永磁发电机；

所述膨胀机包括的至少一个向心透平与所述永磁发电机的转子固定在同一根旋转轴上，所述向心透平在外部输入的工质的驱动下带动所述旋转轴及所述转子转动；

所述膨胀机的壳体与所述永磁发电机的壳体固定连接，所述旋转轴通过至少两个径向轴承固定于所述膨胀机的壳体与所述永磁发电机的壳体内部；

所述永磁发电机的定子，用于根据所述转子的转动形成电能并输出；

所述永磁发电机的壳体的壳壁上设置有冷却通道，所述冷却通道用于传输冷却介质，以对所述永磁发电机进行冷却。

其中，

当所述旋转轴通过两个径向轴承固定于所述膨胀机的壳体与所述永磁发电机的壳体内部时，

所述两个径向轴承中的第一径向轴承固定于所述旋转轴的第一轴端或所述第一轴端与所述转子之间；

所述两个径向轴承中的第二径向轴承固定于所述旋转轴的第二轴端或所述第二轴端与所述转子之间。

在本发明一个优选实施例中，

当所述第一径向轴承固定于所述旋转轴的第一轴端，且所述第二径向轴承固定于所述旋转轴的第二轴端时，

所述向心透平及所述转子设置于所述第一径向轴承与所述第二径向轴承之间，且所述膨胀机的工质输出端与所述永磁发电机相邻。

在本发明另一个优选实施例中，

当所述第一径向轴承设置于所述第一轴端与所述转子之间，且所述第二径向轴承固定于所述旋转轴的第二轴端时，

所述向心透平固定于所述旋转轴的第一轴端，所述转子设置于所述第一径向轴承与所述第二径向轴承之间，且所述膨胀机的工质输入端与所述永磁发电机相邻。

在本发明有一个优选实施例中，

当所述第一径向轴承设置于所述第一轴端与所述转子之间，且所述第二径向轴承设置于所述第二轴端与所述转子之间时，

所述转子固定于所述旋转轴的中部；

所述膨胀机包括两个向心透平，其中，所述两个向心透平中的第一向心透平固定于所述旋转轴的第一轴端，所述两个向心透平中的第二向心透平固定于所述旋转轴的第二轴端，且所述膨胀机的工质输入端与所述永磁发电机相邻。

在本发明一个优选实施例中，

所述冷却通道以螺旋的形式设置于所述永磁发电机的壳体的壳壁上。

在本发明另一个优选实施例中，

所述冷却通道以至少两条环形通道并行的形式设置于所述永磁发电机的壳体的壳壁上。

在本发明一个优选实施例中，进一步包括：凝汽器；

所述凝汽器分别与所述膨胀机及所述冷却通道相连；

所述凝汽器，用于对所述膨胀机输出的所述工质进行冷凝，形成液态工质；

所述冷却通道，用于传输所述凝汽器形成的所述液态工质，以通过所述液态工质对所述永磁直驱发电机进行冷却。

在本发明一个优选实施例中，

该一体式发电***进一步包括：轴向轴承；

所述轴向轴承的内圈与所述旋转轴固定连接，所述轴向轴承的外圈与所述膨胀机的壳体或所述永磁发电机的壳体固定连接，用于对所述旋转轴的轴向位置进行固定。

在本发明一个优选实施例中，

该一体式发电***进一步包括：密封圈；

所述密封圈与所述旋转轴相连，位于所述膨胀机的壳体与所述永磁发电机的壳体的连接处，用于对所述膨胀机的壳体内的所述工质进行密封。

其中，

所述密封圈包括：迷宫密封圈、梳式密封圈、刷式密封圈、气密封装置、调料密封装置及机械密封装置中的任意一种。

在本发明一个优选实施例中，

所述径向轴承为电磁轴承。

在本发明另一个优选实施例中，

该一体式发电***进一步包括：至少两个停车轴承；

所述停车轴承与所述旋转轴相连，并与所述径向轴承相邻；

所述停车轴承，用于在所述电磁轴承没有正常工作时对所述旋转轴的径向位置进行限定。

本发明实施例还提供了利用上述任意一种一体式发电***进行发电的方法，包括以下步骤：

通过外部输入的工质对所述向心透平进行驱动，带动所述旋转轴及所述转子转动；

利用所述定子，根据所述转子的转动形成电能并输出；

通过所述冷却通道传输冷却介质，以对所述永磁发电机进行冷却。

在本发明一个优选实施例中，

所述通过所述冷却通道传输冷却介质，以对所述永磁发电机进行冷却包括：

通过所述凝汽器将所述膨胀机输出的所述工质进行冷凝，形成液态工质；

通过所述冷却通道传输所述凝汽器产生的所述液态工质，以通过所述液态工质对所述永磁发电机进行冷却。

本发明实施例提供的一体式发电***及发电方法，膨胀机的向心透平与永磁发电机的转子固定在同一跟旋转轴上，旋转轴固定于膨胀机及永磁发电机的壳体内部，将膨胀机与永磁发电机集成到一起。由于永磁发电机在工作过程中产生的热量较少，所以只需要在永磁发电机的壳体外部设置冷却通道，使冷却介质通过冷却通道对永磁发电机进行冷却便可以满足永磁发电机的冷却要求，从而无需在发电机内部设置冷却***。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例提供的一体式发电***的示意图；

图2是本发明一个实施例提供的两个径向轴承分别位于旋转轴两端的一体式发电***的示意图；

图3是本发明一个实施例提供的仅有一个径向轴承位于旋转轴端部的一体式发电***的示意图；

图4是本发明一个实施例提供的两个径向轴承均不位于旋转轴端部的一体式发电***的示意图；

图5是本发明一个实施例提供的冷却通道的示意图；

图6是本发明一个实施例提供的电磁轴承及停车轴承与旋转轴连接结构的示意图；

图7是本发明一个实施例提供的发电方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一体式发电***，包括：膨胀机101及永磁发电机102；

所述膨胀机101包括的至少一个向心透平1011与所述永磁发电机102的转子1021固定在同一根旋转轴103上，所述向心透平1011在外部输入的工质的驱动下带动所述旋转轴103及所述转子1021转动；

所述膨胀机101的壳体与永磁发电机102的壳体固定连接，所述旋转轴103通过至少两个径向轴承固定于所述膨胀机101的壳体与所述永磁发电机102的壳体内部；

所述永磁发电机102的定子1022，用于根据所述转子1021的转动形成电能并输出；

所述永磁发电机102的壳体的壳壁上设置有冷却通道，所述冷却通道用于传输冷却介质，以对所述永磁发电机102进行冷却。

本发明实施例提供的一体式发电***，膨胀机的向心透平与永磁发电机的转子固定在同一跟旋转轴上，旋转轴固定于膨胀机及永磁发电机的壳体内部，将膨胀机与永磁发电机集成到一起。由于永磁发电机在工作过程中产生的热量较少，所以只需要在永磁发电机的壳体外部设置冷却通道，使冷却介质通过冷却通道对永磁发电机进行冷却便可以满足永磁发电机的冷却要求，从而无需在发电机内部设置冷却***。

在本发明一个实施例中，可以通过两个径向轴承将旋转轴103固定于膨胀机101的壳体和永磁发电机102的壳体内部，两个径向轴承中的第一径向轴承可以固定在旋转轴103的第一轴端，也可以固定在旋转轴103的第一轴端与转子1021之间；两个径向轴承中的第二径向轴承可以固定在旋转轴103的第二轴端，也可以固定在旋转轴103的第二轴端与转子之间。根据第一径向轴承与第二径向轴承的固定位置，一体式发电***具有如下三种形式：

形式1：第一径向轴承固定于旋转轴的第一轴端，第二径向轴承固定于旋转轴的第二轴端；

形式2：第一径向轴承固定于旋转轴的第一轴端与转子之间，第二径向轴承固定于旋转轴的第二轴端；

形式3：第一径向轴承固定于旋转轴的第一轴端与转子之间，第二径向轴承固定于旋转轴的第二轴端与转子之间。

对于形式1：

在该形式1下，如图2所示，第一径向轴承2041和第二径向轴承2042分别固定于旋转轴203的两端，膨胀机201的向心透平2011及永磁发电机202的转子2021位于第一径向轴承2041与第二径向轴承2042之间，旋转轴203上依次固定有第一径向轴承2041、向心透平2011、转子2021及第二径向轴承2042；由膨胀机201的壳体2014和永磁发电机202的壳体2024组成的密封壳体，旋转轴203、向心透平2011及转子2021均位于该密封壳体内。此时，膨胀机201的工质输入端2012与第一径向轴承2041相邻，膨胀机201的工质输出端2013与永磁发电机202相邻。

如图2所示，工质从工质输入端2012进入膨胀机201后绝热膨胀，驱动向心透平2011转动，向心透平2011带动旋转轴203及转子2021转动，定子2022根据转子2021的转动形成电能并输出，工质膨胀做功完成后从工质输出端2013离开膨胀机201，由于旋转轴203、向心透平2011及转子2021全部位于膨胀机的壳体2014和永磁发电机的壳体2024组成的密封壳体内部，即使有部分工质从膨胀机201进入永磁发电机202，也不会造成工质的泄露。

工质输入端2012为膨胀机201的热端，工质输出端2013为膨胀机201的冷端，膨胀机201的冷端与永磁发电机202相对时，旋转轴203的长度较长，将第一径向轴承2041及第二径向轴承2042固定于旋转轴203的两端对旋转轴203进行支撑，可以防止旋转轴203在转动过程中产生较大的径向位移，从而减小旋转轴203、第一径向轴承2041及第二径向轴承2042的振动程度，提高膨胀机201及永磁发电机202的工作稳定性。

对于形式2：

在该形式2下，如图3所示，旋转轴303上依次固定有向心透平3011、第一径向轴承3041、转子3021及第二径向轴承3042，其中向心透平3011固定于旋转轴303的第一轴端，第二径向轴承3042固定于旋转轴303的第二轴端，由膨胀机301的壳体3014和永磁发电机302的壳体3024组成的密封壳体，旋转轴303、向心透平3011及转子3021均位于该密封壳体内。此时，膨胀机301的工质输入端3012与永磁发电机302相邻，膨胀机301的工质输出端3013处于旋转轴303向第一轴端方向的延长线上。

如图3所示，旋转轴303通过第一径向轴承3041及第二径向轴承3042固定在永磁发电机的壳体3024上，膨胀机的壳体3014与永磁发电机的壳体3024固定连接后，将向心透平3011、旋转轴303及转子3021密封在由膨胀机的壳体3014与永磁发电机的壳体3024组成的壳体内，由于旋转轴303没有穿过壳体壳壁，解决了工质容易从壳体上旋转轴穿过的位置发生泄漏的问题。

如图3所示，向心透平3011固定于旋转轴303的一端，此时可以将膨胀机301的工质输出端3013设置在旋转轴303向第一轴端方向的延长线上。由于向心透平3011为单级径向结构，对旋转轴303产生的驱动力比较稳定，因而将向心透平3011固定与旋转轴303的一端，旋转轴303以悬臂式结构对向心透平3011进行支撑时，旋转轴303、第一径向轴承3041及第二径向轴承3042也不会产生较强烈的振动，因而膨胀机301及永磁发电机302仍能够较稳定的工作。另外，膨胀机301的工质输出端3013设置在旋转轴303向第一轴端方向的延长线上，这种结构可以在膨胀机301的轴向上接凝汽器，高压工质通过向心透平3011之后延旋转轴303的方向直接流出膨胀机301，工质在流出膨胀机301的过程中受到的阻力较小，减小了工质的压力损失，提高了膨胀机301的效率。

对于形式3：

在该形式3下，如图4所示，膨胀机包括两级，分别为膨胀机401和膨胀机402，其中膨胀机401内设置有向心透平4011，膨胀机402内设置有向心透平4021，向心透平4011与向心透平4021分别固定于旋转轴404的两端；永磁发电机403的转子4031固定于旋转轴404的中部；第一径向轴承4051固定于向心透平4011与转子4031之间的旋转轴404上，第二径向轴承4052固定于向心透平4021与转子4031之间的旋转轴404上；旋转轴404上依次固定有向心透平4011、第一径向轴承4051、转子4031、第二径向轴承4052及向心透平4021。膨胀机401的工质输入端4012及膨胀机402的工质输入端4022均与旋转轴404相垂直，并与永磁发电机402相邻；膨胀机401的工质输出端4013及膨胀机402的工质输出端4023均位于旋转轴404的延长线上。

如图4所示，由膨胀机401、膨胀机402及永磁发电机403的壳体组成一个封闭的壳体，向心透平4011、向心透平4021、旋转轴404及转子4031均位于该封闭壳体内，由于旋转轴404没有穿过该封闭壳体的壳壁，因而无需在该封闭壳体上设置用于旋转轴404通过的孔，从而避免高压工质从封闭壳体上用于旋转轴404通过的孔处泄漏。

如图4所示，当膨胀机401及膨胀机402均为单级向心膨胀机，在旋转轴404的中部固定转子4031，在旋转轴404的两端分别固定向心透平4011及向心透平4021；由于膨胀机402比膨胀机401小，工质首先进入膨胀机402进行一级膨胀，工质膨胀后从膨胀机402的工质输出端4023输出，从膨胀机401的工质输入端4012输入，进入膨胀机401进行二级膨胀，这样工质经过二级膨胀提高了工质的能量转换效率。由于向心透平4011及向心透平4021分别固定在旋转轴404的两端，向心透平4011及向心透平4021在转动时对旋转轴404产生的轴向推力可以部分抵消，减小了旋转轴404所需承受的由向心透平产生的轴向推力，从而提高了旋转轴404的工作稳定性。

在本发明一个实施例中，根据冷却通道在永磁发电机的壳体上的布置方式，冷却通道可以具有如下两种布置方式：

布置方式1：螺旋缠绕的布置方式；

在布置方式1下，如图5所示，冷却通道502以螺旋的形式设置于永磁发电机的壳体501的壳壁上，冷却介质从入口5021进入冷却通道502，在冷却通道502中螺旋流动后从出口5022流出，冷却介质在冷却通道502中流动时将永磁发电机产生的热量带走，以对永磁发电机进行冷却。

布置方式2：多通道并行的布置方式；

在布置方式2下，冷却通道包括介质输入管、介质输出管及至少两条并行的环形通道，环形通道为“C”形结构，并列布置于永磁发电机的壳体的壳壁上；环形通道的一端与介质输入管相连，环形通道的另一端与介质输出管相连；冷却介质从介质输入管进入各个环形通道，冷却介质在环形通道内流动吸收永磁发电机产生的热量，冷却介质从介质输出管流出将永磁发电机产生的热量带走，以对永磁发电机进行冷却。如图2所示，冷却通道2023以8条环形通道并行的形式设置于永磁发电机的壳体2024的壳壁上；如图3所示，冷却通道3023以8条环形通道并行的形式设置于永磁发电机的壳体3024的壳壁上。

在本发明一个实施例中，可以通过冷却水等***外部的冷却介质对永磁发电机进行冷却，也可以将膨胀机输出的工质冷凝成液态后作为冷却介质对永磁发电机进行冷却。

当以工质作为冷却介质对永磁发直驱电机进行冷却时，一体式发电***进一步包括有凝汽器。凝汽器分别与冷却通道及膨胀机相连；凝汽器接收膨胀机输出的气态工质，对气态工质进行冷凝后形成液态工质，并通过管道将全部或部分液态工质传输给冷却通道；冷却通道对液态工质进行传输，液态工质可以吸收永磁发电机产生的热量，当液态工质从冷却通道中流出后，将永磁发电机生的热量带走，以对永磁发电机进行冷却。

由于膨胀机输出的高温低压工质需要经过凝汽器等设备成为低温低压工质，通过压缩设备对低温低压工质进行加压后形成低温高压工质，低温高压工质进入蒸发器成为高温高压工质，高压高温工质进入膨胀机膨胀做功后重新形成高温低压工质，实现工质的循环利用。将从凝汽器输出的低温低压工质或从压缩设备输出的低温高压工质输入永磁发电机上的冷却通道，一方面，低温工质可以更好的对永磁发电机进行冷却；另一方面，低温工质需要进入蒸发器进行吸热，将低温工质输入冷却通道，低温工质可以吸收永磁发电机产生的热量，在对永磁发电机进行冷却的同时实现低温工质的回热，提高了能源的利用率。

在本发明一个实施例中，一体式发电***进一步还包括有轴向轴承，轴向轴承的内圈与旋转轴固定连接，外圈与膨胀机的壳体或永磁发电机的壳体固定连接，轴向轴承用于对旋转轴的轴向位置进行固定。径向轴承可以对旋转轴的径向位置进行约束，但是不能提供对旋转轴轴向位置进行约束的力，而向心透平在转动过程中会对旋转轴施加轴向的推力，通过轴向轴承将旋转轴与膨胀机的壳体或永磁发电机的壳体相连，轴向轴承可以产生与向心透平产生的推力方向相反的力，该力用于抵消向心透平产生的推力，从而轴向轴承可以对旋转轴的轴向位置进行约束，保证旋转轴的工作稳定性。

如图2所示，轴向轴承207固定在旋转轴203的一端，与第一径向轴承2041相邻，轴向轴承207的内圈与旋转轴203相固定，外圈与膨胀机的壳体2014相固定。当向心透平2011转动对旋转轴203产生轴向推力时，轴向轴承207在旋转轴203上产生抵消该推力的力，以对旋转轴203的轴向位置进行约束，使旋转轴203与膨胀机的壳体2014在轴线方向上的相对位置处于允许的范围内。

如图3所示，轴向轴承307固定于旋转轴303的中部，与第一径向轴承3041相邻，轴向轴承307的内圈与旋转轴303相固定，外圈与永磁发电机的壳体3024相固定。当向心透平3011转动对旋转轴303产生轴向推力时，轴向轴承307在旋转轴303上产生抵消该推力的力，以对旋转轴303的轴向位置进行约束，使旋转轴303与永磁发电机的壳体3024在轴向的相对位置处于允许的范围内。

如图4所示，一体式发电***包括有两个轴向轴承，分别为轴向轴承4071及轴向轴承4072，轴向轴承4071及轴向轴承4072均固定于旋转轴404的中部，轴向轴承4071与第一径向轴承4051相邻，轴向轴承4072与第二径向轴承4052相邻。虽然旋转轴404的两端均设置有向心透平，但由于两个向心透平的规格不同或输入膨胀机工质的属性不同，两个向心透平对旋转轴404产生的推力不能够完全抵消，因而需要设置轴向轴承4071及轴向轴承4072对旋转轴404的轴向位置进行约束。轴向轴承4071与轴向轴承4072对称布置，使旋转轴404的受力更加均衡，保证旋转轴404能够稳定的转动。

需要说明的是，由于角接触轴承能够同时产生轴向作用力和径向作用力，当采用角接触轴承作为径向轴承时，角接触轴承本身可以对旋转轴的轴向位置进行约束，因而无需另外设置轴向轴承；另外，当旋转轴的轴径不唯一时，可以在密封壳体上设置限位结构，使旋转轴的轴肩与限位结构相接触，通过密封壳体上的限位结构对旋转轴的轴向位置进行约束，此时也无需另外设置轴向轴承。

在本发明一个实施例中，一体式发电***还可以包括密封圈，密封圈设置于膨胀机的壳体与永磁发电机的壳体的连接处，用于对膨胀机的壳体内的工质进行密封。密封圈可以为迷宫密封圈、梳式密封圈及刷式密封圈中的任意一种，可以通过气封、填料密封及机械密封等各种密封方式对膨胀机壳体内的工质进行密封。

如图2所示，在膨胀机的壳体2014与永磁发电机的壳体2024的连接处设置有用于旋转轴203通过的轴孔，密封圈206位于该轴孔处，并与旋转轴203相连。密封圈206对膨胀机201中的工质进行密封，防止膨胀机的壳体2014内较多的工质通过膨胀机的壳体2014及永磁发电机的壳体2024上的轴孔进入永磁发电机的壳体2024，造成永磁发电机202工作异常的情况发生，提高永磁发电机202运行的可靠性。

如图4所示的一体式发电***包括膨胀机401及膨胀机402，膨胀机401与永磁发电机403相连壳体上的轴孔处设置有密封圈4081，膨胀机402与永磁发电机403相连壳体上的轴孔处设置有密封圈4082；密封圈4081用于防止膨胀机401内的工质进入永磁发电机403，密封圈4082用于防止膨胀机402内的工质进入永磁放电机403内。

在本发明实施例中，密封圈可以为刷式密封圈，由于刷式密封圈的尺寸较小，通过刷式密封圈对膨胀机内的工质进行密封，可以减小旋转轴的长度，防止旋转轴在长度较长时产生较大幅度的径向振动，提高旋转轴工作的稳定性。

在本发明一个实施例中，用于对旋转轴径向位置进行约束的径向轴承可以为滚动轴承、滑动轴承等轴承，也可以为电磁轴承。由于电磁轴承通过电磁力对旋转轴进行支撑，电磁轴承本身与旋转轴并不进行直接接触，因而电磁轴承与旋转轴之间不存在摩擦，无需设置润滑冷却***，降低径向轴承的设计难度；另外，由于电磁轴承与旋转轴之间不存在摩擦，减少了旋转轴转动过程中能量的损耗，提高永磁发电机的发电效率。

在本发明一个实施例中，当径向轴承为电磁轴承时，一体式发电***还需要包括至少两个停车轴承，停车轴承与旋转轴相连，并与电磁轴承相邻；当电磁轴承工作异常时停车轴承可以对旋转轴进行支撑，以保证旋转轴能够安全的停止转动。

如图2所示的一体式发电***，停车轴承2051及停车轴承2052分别设置于旋转轴203的两端，停车轴承2051与电磁轴承2041相邻，停车轴承2052与电磁轴承2042相邻。当电磁轴承2041与电磁轴承2042中的一个或两个发生故障不能产生对旋转轴203进行支撑的电磁力时，停车轴承2051及停车轴承2052与旋转轴203相接触，对旋转轴203进行支撑，以使旋转轴203能够安全的停止转动，即实现旋转轴203的安全停车。

如图3所示的一体式发电***，停车轴承3051设置于旋转轴303的中部，与电磁轴承3041相邻；停车轴承3052设置于旋转轴303的一端，与电磁轴承3042相邻。当电磁轴承3041与电磁轴承3042中的一个或两个发生故障不能产生对旋转轴303的进行支撑的电磁力时，停车轴承3051及停车轴承3052与旋转轴303相接触，对旋转轴303进行支撑，以使旋转轴303能够安全的停止转动，即实现旋转轴303的安全停车。

如图4所示的一体式发电***，停车轴承4061设置于转子4031与向心透平4011之间，并与电磁轴承4051相邻；停车轴承4062设置于转子4031与向心透平4021之间，并与电磁轴承4052相邻。当电磁轴承4051与电磁轴承4052中的一个或两个发生故障不能产生对旋转轴404的进行支撑的电磁力时，停车轴承4061及停车轴承4062与旋转轴404相接触，对旋转轴404进行支撑，以使旋转轴404能够安全的停止转动，即实现旋转轴404的安全停车。

如图6所示，旋转轴601上设置有电磁轴承6031和电磁轴承6032，并设置有停车轴承6021及停车轴承6022，其中停车轴承6021与电磁轴承6031相邻，停车轴承6022与电磁轴承6032相邻，其中停车轴承6021和停车轴承6022的工作轴线比电磁轴承6031和电磁轴承6032的工作轴线低。当电磁轴承6031和电磁轴承6032没有输出电磁力或电磁力不足时，旋转轴601的轴线与停车轴承6021和停车轴承6022的工作轴线相重合，由停车轴承6021和停车轴承6022对旋转轴601进行支撑；当电磁轴承6031和电磁轴承6032正常输出电磁力时，旋转轴601在电磁力的作用下位置升高，旋转轴601与停车轴承6021及停车轴承6022分离，此时旋转轴601的轴线与电磁轴承6031和电磁轴承6032的工作轴线相重合，旋转轴601在电磁轴承6031和电磁轴承6032的电磁力作用下处于悬浮状态。其中，停车轴承6021和停车轴承6022可以为滑动轴承。

如图7所示，本发明一个实施例提供了利用本发明实施例提供的任意一种一体式发电***进行发电的方法，包括：

步骤701：通过外部输入的工质对所述向心透平进行驱动，带动所述旋转轴及所述转子转动；

步骤702：利用所述定子，根据所述转子的转动形成电能并输出；

步骤703：通过所述冷却通道传输冷却介质，以对所述永磁发电机进行冷却。

本发明实施例提供的发电方法，外部输入的工质对膨胀机的向心透平进行驱动，向心透平带动旋转轴及永磁发电机的转子转动，永磁发电机的定子根据转子的转动形成电能并输出，在永磁发电机发电的过程中，通过永磁发电机壳体外部的冷却通道传输冷却介质，以对永磁发电机进行冷却。由于永磁发电机工作过程中产生的热量较少，通过壳体外部设置的冷却通道对永磁发电机进行冷却便可以满足冷却要求，因而无需在发电机内部设置冷却***。

在本发明一个实施例中，可以通过凝汽器对膨胀机的工质输出端输出的工质进行冷凝，将冷凝成液体的输出工质作为冷却介质在冷却通道内传输，一方面实现对永磁发电机的冷却，另一方面可以对进入下一循环的工质进行回热，提高能源的利用率。

本发明提供的一体式发电***及发电方法至少具有如下有益效果：

1、在本发明的一体式发电***及发电方法中，膨胀机的向心透平与永磁发电机的转子固定在同一跟旋转轴上，旋转轴固定于膨胀机及永磁发电机的壳体内部，将膨胀机与永磁发电机集成到一起。由于永磁发电机在工作过程中产生的热量较少，所以只需要在永磁发电机的壳体外部设置冷却通道，使冷却介质通过冷却通道对永磁发电机进行冷却便可以满足永磁发电机的冷却要求，从而无需在发电机内部设置冷却***。

2、在本发明的一体式发电***及发电方法中，根据径向轴承的布置位置不同，一体式发电***具有多种不同的结构形式，不同的结构形式具有不同的优点，比如膨胀机的工质输出端与永磁发电机的转子相邻时，可以方便的将膨胀机输出的工质导入到冷却通道内对永磁发电机进行冷却；膨胀机的工质输入端与永磁发电机的转子相邻时，膨胀机可以在旋转轴的轴线方向输出工质，减小工质输出时受到的阻力，避免能量的损失；旋转轴两端均设置有向心透平时，两个向心透平可以平衡旋转轴受到的推力，提高旋转轴的转动稳定性。

3、在本发明的一体式发电***及发电方法中，将径向轴承布置于旋转轴的两端，可以实现旋转轴的两端支撑，避免旋转轴在转动过程中产生较大幅度的径向晃动，从而减小旋转轴及轴承的振动，提高膨胀机及永磁发电机的工作稳定性。

4、在本发明的一体式发电***及发电方法中，可以将电磁轴承作为径向轴承对旋转轴进行支撑，由于电磁轴承与旋转轴不进行直接接触，而是通过磁悬浮的形式对旋转轴进行支撑，电磁轴承与旋转轴之间不会产生摩擦，从而可以减小旋转轴转动过程中能量的损失；另外，由于没有摩擦，从而不会产生摩擦生热的现象，因而无需设置润滑冷却装置，降低轴承的设计难度。

5、在本发明的一体式发电***及发电方法中，当径向轴承为电磁轴承时，一体式发电***进一步包括有停车轴承，停车轴承可以在电磁轴承无法正常工作时使旋转轴安全停车，避免旋转轴、电磁轴承等部件的损坏，提高了一体式发电***的安全性。

6、在本发明的一体式发电***及发电方法中，膨胀机的工质输出端可以与永磁发电机外壳上的冷却通道相连，将膨胀机输出的工质冷却后作为冷却介质输入到冷却通道中，由于从膨胀机输出的工质需要进行重新加热以进入下一个循环，将工质作为冷却介质，一方面可以对永磁发电机进行冷却；另一方面可以通过永磁发电机对工质进行加热，以对永磁发电机产生的热量进行再次利用，提高能源的利用率。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (14)

1.一体式发电***，其特征在于，包括：膨胀机(101)及永磁发电机(102)；

所述膨胀机(101)包括的至少一个向心透平(1011)与所述永磁发电机(102)的转子(1021)固定在同一根旋转轴(103)上，所述向心透平(1011)在外部输入的工质的驱动下带动所述旋转轴(103)及所述转子(1021)转动；

所述膨胀机(101)的壳体与所述永磁发电机(102)的壳体固定连接，所述旋转轴(103)通过至少两个径向轴承固定于所述膨胀机(101)的壳体与所述永磁发电机(102)的壳体内部；

所述永磁发电机(102)的定子(1022)，用于根据所述转子(1021)的转动形成电能并输出；

所述永磁发电机(102)的壳体的壳壁上设置有冷却通道，所述冷却通道用于传输冷却介质，以对所述永磁发电机(102)进行冷却。

2.根据权利要求1所述的一体式发电***，其特征在于，

当所述旋转轴(101)通过两个径向轴承固定于所述膨胀机(101)的壳体与所述永磁发电机(102)的壳体内部时，

所述两个径向轴承中的第一径向轴承固定于所述旋转轴(103)的第一轴端或所述第一轴端与所述转子(1021)之间；

所述两个径向轴承中的第二径向轴承固定于所述旋转轴(103)的第二轴端或所述第二轴端与所述转子(1021)之间。

3.根据权利要求2所述的一体式发电***，其特征在于，

当所述第一径向轴承(2041)固定于所述旋转轴(203)的第一轴端，且所述第二径向轴承(2042)固定于所述旋转轴(203)的第二轴端时，

所述向心透平(2011)及所述转子(2021)设置于所述第一径向轴承(2041)与所述第二径向轴承(2042)之间，且所述膨胀机(201)的工质输出端(2013)与所述永磁发电机(102)相邻。

4.根据权利要求2所述的一体式发电***，其特征在于，

当所述第一径向轴承(3041)设置于所述旋转轴(303)第一轴端与所述转子(3021)之间，且所述第二径向轴承(3042)固定于所述旋转轴(303)的第二轴端时，

所述向心透平(3011)固定于所述旋转轴(303)的第一轴端，所述转子(3021)设置于所述第一径向轴承(3041)与所述第二径向轴承(3042)之间，且所述膨胀机(301)的工质输入端(3012)与所述永磁发电机(102)相邻。

5.根据权利要求2所述的一体式发电***，其特征在于，

当所述第一径向轴承(4051)设置于所述旋转轴(404)的第一轴端与所述转子(4031)之间，且所述第二径向轴承(4052)设置于所述第二轴端与所述转子(4031)之间时，

所述转子(4031)设置于于所述旋转轴(404)的中部；

所述膨胀机(401、402)包括两个向心透平，其中，所述两个向心透平中的第一向心透平(4011)固定于所述旋转轴(404)的第一轴端，所述两个向心透平中的第二向心透平(4021)固定于所述旋转轴(404)的第二轴端，且所述膨胀机(401、402)的工质输入端(4012、4022)与所述永磁发电机(102)相邻。

6.根据权利要求1所述的一体式发电***，其特征在于，

所述冷却通道(502)以螺旋的形式设置于所述永磁发电机(102)的壳体的壳壁(501)上；

或，

所述冷却通道以至少两条环形通道并行的形式设置于所述永磁发电机(102)的壳体的壳壁上。

7.根据权利要求6所述的一体式发电***，其特征在于，进一步包括：凝汽器；

所述凝汽器分别与所述膨胀机及所述冷却通道相连；

所述凝汽器，用于对所述膨胀机输出的所述工质进行冷凝，形成液态工质；

所述冷却通道，用于传输所述凝汽器形成的所述液态工质，以通过所述液态工质对所述永磁直驱发电机进行冷却。

8.根据权利要求1所述的一体式发电***，其特征在于，进一步包括：轴向轴承；

所述轴向轴承的内圈与所述旋转轴固定连接，所述轴向轴承的外圈与所述膨胀机(101)的壳体或所述永磁发电机(102)的壳体固定连接，用于对所述旋转轴的轴向位置进行固定。

9.根据权利要求1所述的一体式发电***，其特征在于，进一步包括：密封圈；

所述密封圈与所述旋转轴相连，位于所述膨胀机(101)的壳体与所述永磁发电机(102)的壳体的连接处，用于对所述膨胀机(101)的壳体内的所述工质进行密封。

10.根据权利要求9所述的一体式发电***，其特征在于，

所述密封圈包括：迷宫密封圈、梳式密封圈、刷式密封圈、气密封装置、填料密封装置及机械密封装置中的任意一种。

11.根据权利要求1所述的一体式发电***，其特征在于，

所述径向轴承为电磁轴承。

12.根据权利要求11所述的一体式发电***，其特征在于，进一步包括：至少两个停车轴承；

所述停车轴承与所述旋转轴相连，并与所述径向轴承相邻；

所述停车轴承，用于在所述电磁轴承没有正常工作时对所述旋转轴的径向位置进行限定。

13.利用权利要求1至12中任一所述的一体式发电***进行发电方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过外部输入的工质对所述向心透平(1011)进行驱动，带动所述旋转轴(103)及所述转子(1021)转动(701)；

利用所述定子(1022)，根据所述转子(1021)的转动形成电能并输出(702)；

通过所述冷却通道传输冷却介质，以对所述永磁发电机(102)进行冷却(703)。

14.根据权利要求13所述的发电方法，其特征在于，

所述通过所述冷却通道传输冷却介质，以对所述永磁发电机(102)进行冷却包括：

通过所述凝汽器将所述膨胀机(101)输出的所述工质进行冷凝，形成液态工质；

通过所述冷却通道传输所述凝汽器产生的所述液态工质，以通过所述液态工质对所述永磁发电机(102)进行冷却。