CN102733866B - 一种紧凑式高负荷动力涡轮发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑式高负荷动力涡轮发电机，包括动力涡轮及发电机，二者直接相连，采用高负荷的涡轮叶片设计方案，动叶最大气流折转角大于120°，静叶最大气流折转角大于100°，最大载荷系数大于3，可保证涡轮发电功率等级为3MW~6MW时，涡轮机匣最大直径不超过1米，并且得益于涡轮叶片的大折转角设计，无需更高的线速度，可以实现涡轮轴在较低转速区间运行，保证在涡轮发电功率等级为3MW6MW时转速恒定为3000转/分钟，本发明的涡轮轴直接与发电机相连，省略了传统涡轮发电机中的齿轮减速箱及其配套的润滑冷却系统，大大的降低了系统的复杂程度，整体涡轮发电机结构较为紧凑。

Description

一种紧凑式高负荷动力涡轮发电机

技术领域

本发明涉及一种紧凑式高负荷动力涡轮发电机，尤其涉及一种涡轮轴直接与发电机相连的紧凑式高负荷动力涡轮发电机，能够利用燃气发生器的排气余能来发电。

背景技术

动力涡轮发电机的气源来自燃气发生器。由于燃气发生器排气具有较高的压力和温度，因此含有较大的余能，可以用来发电。从燃气发生器排出的高温高压气体经过动力涡轮叶片后膨胀做功，并将这些机械功通过动力涡轮轴传递给发电机发出电能。

对于传统的动力涡轮，载荷系数（Work Factor）一般小于2，载荷系数的定义为：

其中△h为单位流量下涡轮进出口总焓差（涡轮功），U为涡轮叶片50%展向位置的线速度。载荷系数反映的是涡轮在给定线速度（转速）下的做功能力，载荷系数越大，涡轮做功能力越强。在转速恒定的情况下，为了使得涡轮发电机满足设计需要的发电功率，传统的动力涡轮设计将会造成涡轮级数增多，涡轮叶片叶顶直径增大，这两方面因素均会造成加工及制造成本的增加。

同时，对于发电功率等级为3MW~6MW的动力涡轮发电机，为使动力涡轮有更高的做功能力，则要求涡轮转速较高（大于3000转/分钟）以保证足够的线速度。而发电机为了保持发电频率为50Hz，其需要的输入转速为3000转/分钟或者更低的1500转/分钟，这就出现了传统动力涡轮转速与发电机需求转速的不匹配。为了解决这个问题，需要在动力涡轮与发电机之间加入齿轮减速箱。齿轮减速箱的工作原理是能够将动力涡轮的高输入转速降低至发电机需要的3000转/分钟，这样发电机就能正常工作。因此传统的动力涡轮发电机除了包含动力涡轮（20）与发电机（30），动力涡轮（20）的涡轮轴并不直接（30）与发电机相连，二者之间还需要加入齿轮减速箱（40）和与其配套的润滑及冷却系统（50），如图1所示。

加入齿轮减速箱的缺点是：齿轮减速箱及其配套的润滑及冷却系统增加了系统的复杂程度。

综上可知，功率在3~6MW范围内的传统动力涡轮发电机的缺点是涡轮负荷不高、尺寸较大、部件较多，结构不够紧凑同时加工成本较高。

发明内容

针对现有技术的缺点和不足，本发明提供了一种紧凑式高负荷动力涡轮发电机，由于采用了高负荷涡轮叶片设计，降低了加工及制造成本，并可保证涡轮以3000转/分钟运行，从而省略了齿轮减速箱及其配套的润滑冷却系统，降低了系统的复杂程度，使得整体结构较为简单紧凑。

本发明为解决其技术问题所采取的技术方案为：

一种紧凑式高负荷动力涡轮发电机，包括动力涡轮及发电机，其特征在于，所述动力涡轮的涡轮轴直接与发电机相连，所述涡轮轴的转速恒定为3000转/分钟，动力涡轮的动叶最大气流折转角大于120°，轴向弦长20-35mm，最大厚度位置位于30%-35%轴向弦长处，稠度1.3-1.8，静叶最大气流折转角大于100°，轴向弦长25-45mm，最大厚度位置位于15%-20%轴向弦长处，稠度1.0-1.5，动叶和静叶高度为50-200mm，涡轮流道的平均半径为400-500mm。

优选地，动力涡轮的级数不多于4级，各级载荷系数不小于3、各级反力度不大于0.3、流量系数不大于0.7。

优选地，动力涡轮的轮毂和机匣型线的具体形式（等内径设计、等外径设计或等中径设计）及具体尺寸可以根据叶冠和轮盘的设计需要进行调整。涡轮叶片型线可以采用B样条、贝塞尔曲线、多圆弧等多种形式。

优选地，动力涡轮的级数不多于4级，涡轮效率不低于88%。

优选地，所述涡轮发电机的发电功率为3MW~6MW之间。

进一步地，涡轮机匣的最大直径不超过1米。

同现有技术的涡轮发电机相比，本发明具有以下显著的技术效果：

1、本发明的涡轮发电机，在实现结构紧凑的同时，具有高负荷的动力输出，涡轮发电机的发电功率达到3MW 6MW之间；

2、本发明的涡轮发电机采用超高负荷的涡轮叶片设计方案，对涡轮的动叶、静叶以及涡轮流道同时进行了优化改进，使得动力涡轮的最大载荷系数大于3，涡轮效率不低于88%；得益于涡轮叶片的大折转角设计，无需更高的线速度，可以实现涡轮轴在较低转速区间运行，保证在涡轮发电功率等级为3MW 6MW时转速恒定为3000转/分钟；

3、本发明的涡轮发电机中，涡轮叶片的叶顶直径小，使得涡轮机匣的最大直径不超过1米，涡轮发电机的整体结构非常紧凑。

附图说明

图1传统动力涡轮发电机结构示意图；

图2本发明的紧凑式高负荷动力涡轮发电机结构示意图；

图3本发明的紧凑式高负荷动力涡轮发电机局部放大图；

图4本发明的高负荷动力涡轮静叶叶片型线；

图5本发明的高负荷动力涡轮动叶叶片型线；

图6本发明的高负荷动力涡轮流道示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明的重点在于设计超高负荷动力涡轮叶型，因为随着涡轮负荷的升高，涡轮效率是逐渐下降的，为了获得较高的涡轮效率，这就需要对涡轮叶型进行较为详细的设计。

图2、图3示出了本发明的紧凑式高负荷动力涡轮发电机的基本结构。从图2、3中可以看出，本发明的紧凑式高负荷动力涡轮发电机10，包括动力涡轮20发电机40，动力涡轮20的涡轮轴23直接与发电机30相连，涡轮轴23的转速恒定为3000转/分钟。

图4-6示出了本发明的高负荷动力涡轮叶片型线及涡轮流道。动叶进出口气流折转角是衡量涡轮叶片负荷的一个重要因素，传统的动力涡轮设计由于没有转速及涡轮动叶叶顶直径的限制，可以选取较小的气流折转角，这使得传统动力涡轮设计的涡轮载荷系数为2左右。本发明设计的高负荷动力涡轮，动叶最大气流折转角大于120°，轴向弦长20-35mm，最大厚度位置位于30%-35%轴向弦长处，稠度1.3-1.8，静叶最大气流折转角大于100°，轴向弦长25-45mm，最大厚度位置位于15%-20%轴向弦长处，稠度1.0-1.5。动力涡轮的各级载荷系数不小于3、各级反力度不大于0.3、流量系数不大于0.7。动叶和静叶高度为50-200mm，最大涡轮叶片载荷系数达到3以上。

参见图4、5，气流折转角的定义为进口气流角a1加上出口气流角a2。

图6示出了本发明的高负荷动力涡轮流道示意图，其中标号为S1、S2、S3、S4的部件为涡轮的静叶，标号为R1、R2、R3、R4的部件为涡轮的动叶。本发明的高负荷动力涡轮动叶和静叶高度为50-200mm，涡轮流道的平均半径为400-500mm，轮毂和机匣型线的具体形式（等内径设计、等外径设计或等中径设计）及具体尺寸可以根据叶冠和轮盘的设计需要进行调整。涡轮叶片型线可以采用B样条、贝塞尔曲线、多圆弧等多种形式。

为了保证在高负荷情况下动力涡轮能够达到所需要的发电功率及效率，本发明在设计动力涡轮叶片时对涡轮流道及叶片型线进行多次优化，并保证动力涡轮的级数不多于4级，涡轮效率不低于88%，发电功率在3MW 6MW左右，涡轮机匣24最大直径不超过1米。本发明的涡轮发电机的上述超高负荷的涡轮叶片及流道设计方案中，对涡轮的动叶、静叶以及涡轮流道同时进行了优化改进，在实现结构紧凑的同时，具有高负荷的动力输出，涡轮叶片的叶顶直径小，涡轮机匣的最大直径不超过1米，而涡轮发电机的发电功率在3MW 6MW左右，涡轮发电机的整体结构非常紧凑。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种紧凑式高负荷动力涡轮发电机，包括动力涡轮及发电机，其特征在于，

所述动力涡轮的涡轮轴与发电机直接相连，所述涡轮轴的转速恒定为3000转/分钟，

所述动力涡轮的动叶最大气流折转角大于120°，轴向弦长20-35mm，最大厚度位置位于30%-35%轴向弦长处，稠度1.3-1.8，

所述动力涡轮的静叶最大气流折转角大于100°，轴向弦长25-45mm，最大厚度位置位于15%-20%轴向弦长处，稠度1.0-1.5，

所述动力涡轮的动叶和静叶高度为50-200mm，流道平均半径为400-500mm。

2.如权利要求1所述的紧凑式高负荷动力涡轮发电机，其特征在于，所述动力涡轮的级数不多于4级，各级载荷系数不小于3,各级反力度不大于0.3,流量系数不大于0.7。

3.如权利要求1或2所述的紧凑式高负荷动力涡轮发电机，其特征在于，所述动力涡轮的轮毂和机匣的型线及具体尺寸根据叶冠和轮盘的设计需要进行调整，涡轮叶片型线采用B样条、贝塞尔曲线或多圆弧形式。

4.如权利要求1所述的紧凑式高负荷动力涡轮发电机，其特征在于，所述涡轮发电机的发电功率在3MW~6MW之间。

5.如权利要求1所述的紧凑式高负荷动力涡轮发电机，其特征在于，所述动力涡轮的级数不多于4级，涡轮效率不低于88%。

6.如权利要求1所述的紧凑式高负荷动力涡轮发电机，其特征在于，所述动力涡轮的机匣的最大直径不超过1米。

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