CN104564177A - 一种小型超高速涡轮发电机 - Google Patents

Abstract

本发明属于涡轮发电技术领域，具体公开一种小型超高速涡轮发电机，包括内壳体，空心通油组合轴系安装在内壳体内，涡轮安装在组合轴系一端，涡轮腔与内壳体内部油腔之间通过机械密封组件隔绝；组合轴系外部、内壳体内嵌有发电机定子组件，内壳体与外壳体之间的夹层内设有螺旋油管，螺旋油管与内壳体内部油腔连通；内壳体、外壳体、螺旋油管之间形成热交换区域；内、外壳体端面连接涡轮进气组件，涡轮进气组件外侧连接排气盖，排气盖上沿气流方向顺序设置引气管、回气管，分别连通至外壳体上的引气接头、回气接头，实现从排气气流中引一部分气流进入热交换区域并回到排气主流。该发电机能够高长时可靠性运行、实现内部油路自循环和气液热交换。

Description

一种小型超高速涡轮发电机

技术领域

本发明属于涡轮发电技术领域，具体涉及一种小型超高速涡轮发电机。

背景技术

涡轮发电机作为一种能源机构，可以有效地将气体内能转化为电能，为用电设备持续供电或用于电池充电。小型（包络尺寸小于Φ200mm*300mm）超高速（转速70krpm以上）涡轮发电技术以其较大的功率质量比，在航空、航天领域有广阔的应用前景。

由于尺寸较小，功率较大（几千瓦至数十千瓦级），发电机损耗及由于轴系超高速旋转带来的轴承及动密封损耗造成的内部发热问题成为此类发电机技术方案及结构设计的一个关键问题。

目前，国外航空航天领域小型超高速涡轮发电机已有了长足的发展和应用，而国内该领域的研究还刚起步，近年来已开展了小型超高速涡轮发电机的研制工作（5kW级），采用增加辅助循环泵站的方式，利用润滑油液对轴系内部进行冷却，但是由于对油液本身没有冷却，简单依靠在管道流动中的散热，冷却效果有限，且由于需要较大的油液流量，进一步造成功耗加大，最终导致产品无法长时间连续可靠工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型超高速涡轮发电机，该发电机能够长时高可靠性运行，能够实现内部油路自循环和气液热交换。

实现本发明目的的技术方案：一种小型超高速涡轮发电机，该电机包括内壳体、外壳体、涡轮、空心通油组合轴系、螺旋油管、排气盖、回气管、引气管、涡轮进气组件、发电机定子组件、发电机转子组件、机械密封组件，内壳体内部充满润滑冷却油液，空心通油组合轴系安装在内壳体内且浸泡在油液当中，涡轮安装在空心通油组合轴系一端，涡轮（4）的涡轮腔与内壳体内部油腔之间通过机械密封组件隔绝；空心通油组合轴系外部、内壳体内嵌有发电机定子组件，内壳体与外壳体之间的夹层内设有螺旋油管，螺旋油管与内壳体内部油腔连通；内壳体、外壳体、螺旋油管之间形成热交换区域；内、外壳体端面连接涡轮进气组件，涡轮进气组件外侧连接排气盖，排气盖上沿气流方向顺序设置引气管、回气管，分别连通至外壳体上的引气接头、回气接头，从而实现从排气气流中引一部分气流进入热交换区域并回到排气主流。

所述的内壳体右端尾孔内插接有电缆插座。

所述的空心通油组合轴系包括涡轮轴、进油轴、径向轴承、径向推力混合轴承、推力轴承、发电机转子组件、推力盘、螺杆吸油泵，涡轮轴的右端连接涡轮，涡轮轴中部外套有推力盘，推力盘两侧分别设有推力轴承和径向推力混合轴承，涡轮轴的右端腔体内设有发电机转子组件，进油轴的左端连接涡轮轴并将发电机转子组件紧固在涡轮轴内，进油轴右端内孔插接有螺杆吸油泵；进油轴右端中部套有径向轴承；空心通油组合轴系外部、内壳体内嵌有发电机定子组件。

所述的发电机定子组件的与电缆插座通过内部线缆连接。

所述的内壳体由内上壳体、内下壳体组合形成。

所述的内上壳体顶部设有涡轮端油管接头，螺旋油管的一端通过涡轮端油管接头与内壳体内部涡轮端的油腔连通。

所述的内下壳体底部设有油泵端油管接头，螺旋油管的另一端通过油泵端油管接头与内壳体内部油泵端的油腔连通。

所述的外壳体上部设有与涡轮端油管接头内部连通的出油嘴组件，的外壳体底部设有与油泵端油管接头内部连通的充油嘴组件。

所述的外壳体底部设有引气接头，引气管通过引气接头与热交换区域连通。

所述的外壳体上部设有回气接头，回气管通过回气接头与热交换区域连通。

本发明的有益技术效果在于：（1）壳体设计成内外两层，内壳体采用上下切分式。内外壳体间的空腔区域能提供油与气进行热交换的场所；此外采用切分式壳体设计能大大简化轴系安装过程。（2）油液在机体内部循环流动，在保证密封的前提下可以有效减少了润滑油的重量，有利于系统减重。（3）气液热交换在机体内部进行，油液在螺纹缠绕在内壳体上的金属软管内部流动，与外部热交换腔体内低温气体进行充分的热交换，可以有效降低油液温度，同时气体流过机体内部也可直接带走内部大量热量；（4）热交换结构与涡轮发电机本体采用高度融合的一体化设计，集成度高，无需附加设备，利于提高工作可靠性。能够实现发电机机体内部的有效降温，适应轴系长时高负荷高转速的工况，并提高可靠性。

附图说明

图1为本发明所提供的一种小型超高速涡轮发电机的二维剖视示意图；

图2为本发明所提供的一种小型超高速涡轮发电机的三维剖视示意图；

图3为本发明所提供的一种小型超高速涡轮发电机的二维局部剖视示意图；

图4为本发明所提供的双层切分式壳体的结构示意图；

图5为本发明所提供的外壳体的结构示意图；

图6为本发明所提供的涡轮及空心组合轴系的二维剖视示意图；

图7为本发明所提供的涡轮及空心组合轴系的油路示意图；

图8为本发明所提供的涡轮轴及其外壁螺旋槽的三维结构示意图；

图9为本发明所提供的涡轮轴及其内壁螺旋槽的三维结构示意图；

图10为本发明所提供的螺旋油管的三维结构示意图。

图中：1.内上壳体，2内下壳体，3.外壳体，4.涡轮，5.涡轮轴，6.进油轴，7.发电机转子组件，8.推力盘，9.径向轴承，10径向推力混合轴承，11.推力轴承，12.内壁螺旋槽，13.径向直槽，14.涡轮轴径向小孔阵列，15.径向通油孔，16.螺杆吸油泵，17.轴端孔，18.外壁螺旋槽，19.螺旋油管，20.涡轮端油管接头，21.油泵端油管接头，22.集油腔，23.油泵端油腔，24.排气盖，25.引气接头，26.引气管，27.热交换区域，28.回气接头，29.回气管，30.推力盘轴向小孔，31.涡轮端油腔，32.涡轮进气组件，33.发电机定子组件，34.机械动密封组件，35.出油嘴组件，36.充油嘴组件，37.电缆插座，38.进油轴径向小孔阵列，39.涡轮进气组件的进气嘴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2、图3和图6所示，本发明所提供的一种小型超高速涡轮发电机包括内上壳体1、内下壳体2、外壳体3、涡轮4、涡轮轴5、进油轴6、发电机转子组件7、推力盘8、径向轴承9、径向推力混合轴承10和推力轴承11、螺杆吸油泵16、螺旋油管19、涡轮端油管接头20、油泵端油管接头21、排气盖24、引气接头25、引气管26、回气接头28、回气管29、涡轮进气组件32、发电机定子组件33、机械动密封组件34、出油嘴组件35、充油嘴组件36、电缆插座37。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，壳体分为内外两层，内壳体采用上下切分式，分别为内上壳体1和内下壳体2。内上壳体1和内下壳体2接形成内壳体，内壳体整体套在外壳体3内，内外壳体间的夹层为热交换区域27。

如图6和图7所，空心通油组合轴系包括涡轮轴5、进油轴6、发电机转子组件7、推力盘8、径向轴承9、径向推力混合轴承10和推力轴承11、螺杆吸油泵16。涡轮轴5上设有内壁螺旋槽12、径向直槽13、涡轮轴径向小孔阵列14、外壁螺旋槽18。进油轴6上设有轴端孔17、进油轴径向小孔阵列38。推力盘8上设有轴向小孔30、径向通油孔15。涡轮4通过螺纹固定连接在涡轮轴5的左端端部，涡轮轴5的右端连接有进油轴6，两者通过螺纹固定连接，并将发电机转子组件（7）紧固在涡轮轴6右端的内腔内，涡轮轴5和进油轴6形成内部通油的空心通油组合轴系的主体。推力盘8套在涡轮轴5一侧的台肩处，且两者之间键联接，使两者能够同轴旋转。整个轴系分布有三个油浮箔片轴承，分别为径向轴承9、径向推力混合轴承10和推力轴承11。涡轮轴5上设有径向推力混合轴承10和推力轴承11，径向推力混合轴承10和推力轴承11分别位于推力盘8的两侧。进油轴6的右端中部外套有径向轴承9。机械动密封组件34与推力盘8紧密贴合形成机械密封副，使涡轮腔（气腔）与内壳体内部的油腔密封隔绝。进油轴6的轴端孔17内嵌套有螺杆吸油泵16。空心组合式轴系整体放置在内上壳体1和内下壳体2组成的内壳体内部，浸泡在油液中。空心通油组合轴系外部、内壳体内嵌有发电机定子组件33。内壳体尾端密封插接有与电缆插座37，发电机定子组件33的输出电缆连接在电缆插座37上。

如图6、图8和图9所，涡轮轴5与发电机转子组件7接触的内表面开有螺旋槽12和径向直槽13，以实现组合轴空心轴系内部通油功能，并通过涡轮轴径向小孔阵列14、进油轴径向小孔阵列38在高速旋转时向径向轴承9和径向推力混合轴承10供油。推力盘8开有与涡轮轴5内部相通的径向通油孔15，如图3所示，同时推力盘8开有轴向小孔30，空心通油组合轴系旋转时通过离心力作用向外甩油，即空心通油组合轴系旋转时通过径向通油孔15、轴向小孔30向推力轴承11和径向推力混合轴承10供油。螺杆吸油泵16与涡轮4同轴高速旋转，吸入润滑/冷却油并增压。

如图8和图9所示，在涡轮轴5与发电机转子组件7接触位置的内、外壁分别开旋向相反的螺旋槽，涡轮轴5内壁开有内螺旋槽12，涡轮轴5外壁开有外螺旋槽18。高速旋转时，通过螺旋槽的增压作用，内壁螺旋槽12内的油液向涡轮4端流动；而外壁螺旋槽18内的油液则向螺杆吸油泵16端流动。

如图1、图3和10所示，内壳体与外壳体3之间缠绕有螺旋油管19，螺旋油管19通过涡轮端油管接头20和油泵端油管接头21与内壳体内部的油腔连通。螺旋油管19是金属软管。螺旋油管19的一端与涡轮端油管接头20固定连接，螺旋油管19的另一端与油泵端油管接头21固定连接。涡轮端油管接头20通过螺栓固定连接在内上壳体1左端顶部，涡轮端油管接头20与推力盘8外缘处的集油腔22连通。油泵端油管接头21通过螺栓固定连接在内下壳体2右端底部，且油泵端油管接头21与内壳体内部油泵端油腔23连通。外壳体3上安装与涡轮端油管接头20内部连通的出油嘴组件35和与油泵端油管接头21内部连通的充油嘴组件36。

如图1、图2、图3、图9和图10所示，内壳体左端安装涡轮进气组件32，涡轮进气组件32为环形并套在涡轮4外，用于给涡轮4提供高能气体，从而驱动涡轮4做功。涡轮进气组件32通过螺栓与内上壳体1、内下壳体2、外壳体3固定连接。排气盖24通过螺栓固定在涡轮进气组件32的外侧。

外壳体3油泵端充油嘴组件36所在横截面区域焊接有引气接头25，排气盖24在气流上游位置开引流孔并焊接有引气管26，引气管26连通至引气接头25，引气管26中部通过球头外套螺母形式连接或断开以方便拆装。外壳体3涡轮端出油嘴组件35所在横截面区域焊接有回气接头28，排气盖24在气流下游位置开回流孔并焊接有回气管29，回气管29连通至回气接头28，同样，回气管29中部通过球头外套螺母形式连接或断开以方便拆装。

下面结合附图1至图10，详细描述本发明所提供的一种小型超高速涡轮发电机的工作原理：

如图1、图2和图10所示，将涡轮进气组件的进气嘴39与高能气源连通，通过涡轮进气组件32的喷嘴孔向涡轮4吹送高能气体，高能气体驱动涡轮4做功，涡轮4带动同轴的发电机转子组件7旋转。

如图6、图7、图8和图9所示，旋转轴系带动螺杆吸油泵16工作，油液从油泵腔23被螺杆吸油泵16吸入空心通油组合轴系中心孔内，沿空心通油组合轴系中心内孔流道向涡轮4端流动。空心通油组合轴系内部少量油液通过涡轮轴径向小孔阵列14和推力盘8的轴向小孔阵列30给径向推力混合轴承10、推力轴承11供油，以及通过进油轴径向小孔阵列38给径向轴承9供油；大部分油液经推力盘8的径向通油孔15被高速旋转产生的离心力甩出，在集油腔22内聚集增压后进入螺旋油管19，在螺旋油管19中流动的同时与在热交换区域流动的低温气体进行热交换，然后流回到油泵端油腔23，实现油液的主循环回路。此外，如图3所示，通过轴系的径向小孔阵列14和轴向小孔30向各个轴承提供的油液汇聚在涡轮端油腔31，通过涡轮轴5的外壁螺旋槽18的增压作用向油泵端油腔23流动，从而实现次级循环回路。

如图1、图2和图10所示，螺旋油管19缠绕在内壳体上，油液在螺旋油管19中自涡轮4端向螺杆吸油泵16端流动；涡轮4做功后向排气盖24排出的低温排气通过引气管26和引气接头25被引流至内壳体和外壳体3之间的空腔即热交换区域27内，与螺旋油管19内的油液进行热交换，然后通过回气接头28和回气管29回到排气盖24内，，实现从排气气流中引一部分气流进入热交换区域并回到排气主流，达到冷却油液和机体的目的。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。例如本发明中的径向轴承9、径向推力混合轴承10和推力轴承11、发电机发电机转子组件7、发电机定子组件33等均可以采用现有技术中的产品。

Claims (10)

1.一种小型超高速涡轮发电机，其特征在于：该电机包括内壳体、外壳体（3）、涡轮（4）、空心通油组合轴系、螺旋油管（19）、排气盖（24）、回气管（29）、引气管（26）、涡轮进气组件（32）、发电机定子组件（33）、发电机转子组件（7）、机械密封组件（34），内壳体内部充满润滑冷却油液，空心通油组合轴系安装在内壳体内且浸泡在油液当中，涡轮（4）安装在空心通油组合轴系一端，涡轮（4）的涡轮腔与内壳体内部油腔之间通过机械密封组件（34）隔绝；空心通油组合轴系外部、内壳体内嵌有发电机定子组件（33），内壳体与外壳体（3）之间的夹层内设有螺旋油管（19），螺旋油管（19）与内壳体内部油腔连通；内壳体、外壳体（3）、螺旋油管（19）之间形成热交换区域（27）；内、外壳体端面连接涡轮进气组件（32），涡轮进气组件（32）外侧连接排气盖（24），排气盖（24）上沿气流方向顺序设置引气管（26）、回气管（29），分别连通至外壳体上的引气接头（25）、回气接头（28）。

2.根据权利要求1中所述的一种小型超高速涡轮发电机，其特征在于：所述的内壳体右端尾孔内插接有电缆插座（37）。

3.根据权利要求2所述的一种小型超高速涡轮发电机，其特征在于：所述的空心通油组合轴系包括涡轮轴（5）、进油轴（6）、径向轴承（9）、径向推力混合轴承（10）、推力轴承（11）、发电机转子组件（7）、推力盘（8）、螺杆吸油泵（16）。涡轮轴（5）的左端端部连接涡轮（4），涡轮轴（5）中部外套有推力盘（8），推力盘（8）两侧分别设有推力轴承（11）和径向推力混合轴承（10），涡轮轴（5）的右端腔体内设有发电机转子组件（7），进油轴（6）的左端连接涡轮轴（5）并将发电机转子组件（7）紧固在涡轮轴（5）内，进油轴（6）右端内孔插接有螺杆吸油泵（16）；进油轴（6）的右端中部套有径向轴承（9）；空心通油组合轴系外部、内壳体内嵌有发电机定子组件（33）。

4.根据权利要求3所述的一种小型超高速涡轮发电机，其特征在于：所述的发电机定子组件（33）与电缆插座（37）通过导线线缆连接。

5.根据权利要求4所述的一种小型超高速涡轮发电机，其特征在于：所述的内壳体由内上壳体（1）、内下壳体（2）组合形成。

6.根据权利要求5所述的一种小型超高速涡轮发电机，其特征在于：所述的内上壳体（1）顶部设有涡轮端油管接头（20），螺旋油管（19）的一端通过涡轮端油管接头（20）与内壳体内部涡轮端的油腔连通。

7.根据权利要求6所述的一种小型超高速涡轮发电机，其特征在于：所述的内下壳体（2）底部设有油泵端油管接头（21），螺旋油管（19）的另一端通过油泵端油管接头（21）与内壳体内部油泵端的油腔连通。

8.根据权利要求7所述的一种小型超高速涡轮发电机，其特征在于：所述的外壳体（3）上部设有与涡轮端油管接头（20）内部连通的出油嘴组件（35），的外壳体（3）底部设有与油泵端油管接头（21）内部连通的充油嘴组件（36）。

9.根据权利要求8所述的一种小型超高速涡轮发电机，其特征在于：所述的外壳体（3）底部设有引气接头（25），引气管（26）通过引气接头（25）与热交换区域（27）连通。

10.根据权利要求9所述的一种小型超高速涡轮发电机，其特征在于：所述的外壳体（3）上部设有回气接头（28），回气管（29）通过回气接头（28）与热交换区域（27）连通。