CN104975947A - 无叶片式燃气轮机发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能源利用技术领域，具体涉及一种发电装置。无叶片式燃气轮机发电装置，它包括：燃气轮机本体与电机；其技术方案是：燃气轮机部分，采用了无叶片式的压气机和涡轮机结构，用一组以相等微小间距隔开的同轴平行薄圆盘取代传统燃气轮机的叶片结构。发电机的转子轴随燃气轮机的中心轴一同高速旋转，发电并向外实现电力输出。本发明通过燃气轮机与电机的匹配，解决了燃气轮机的启动问题，同时，燃气轮机达到稳定工作状态时，带动发电机转子转动，实现电力输出，形成了一个完整的发电系统。

Description

无叶片式燃气轮机发电装置

技术领域

本发明涉及能源利用技术领域，具体涉及一种发电装置。

背景技术

伴随着环境保护的需要和电力市场自由化的发展趋势，传统的基于大型、低效、污染严重、远离消费者的发电厂的集中式供电模式亟需改变，分布式供电模式由此产生。分布式供电系统可以弥补大电网在安全稳定性方面的不足，实现应急供电；分布式供电系统亦可用于许多供电不集中的场合，用户可以就近发电，满足了分散式用电的需求。小型、清洁、可靠、廉价的发电装置成为分散式供电的基础。微型燃气轮机由于其能源利用率高，同时具有高功率密度和高能量密度的特点，成为分布式发电系统的理想发电装置。

另外，功率更小的，范围为W～KW的微型燃气轮机能够满足对微型动力源和便携式能源的需求。例如，对于功率不高的微型飞行器，微型涡轮机可成为一种有效的电力和动力源。对于小型、手持或者移动的电子设备，应用高功率密度的微型燃气轮机作为电力装置，可以替代传统的化学电池，实现便捷、高效、持续的电力供应。微型燃气轮机技术的发展，必将推动其在能源、电力、航空航天、舰船、车辆以及军事科技领域的应用。

燃气轮机的微小型化对其设计、制造和运行提出了更高的要求。装置结构的紧凑性、制造的经济性和运行的可靠性都是制约其应用的重要问题。当前，在对微型燃气轮机的研究中，燃气轮机的压气机和涡轮部件在结构上仍然沿用了传统燃气轮机中的叶片型式。微小化的叶片结构复杂，设计要求高，制造难度大，复杂工况下可靠性难于保证，为整机的微小型化带来困难，制约了微型燃气轮机发电装置的发展。

发明内容

本发明的目的是：为弥补现有技术的不足,使燃气轮机向微小型化发展,特提供一种无叶片式燃气轮机发电装置。

本发明的技术方案是：无叶片式燃气轮机发电装置，它包括：燃气轮机本体与电机；

燃气轮机本体包括:壳体、压气机圆盘组、涡轮机圆盘组以及燃气导向器；壳体两端分别设有进气口以及出气口，在进气口侧的壳体上设有燃油腔以及燃油喷嘴；壳体内部由中间隔板分隔成两个空腔，其中，进气口侧的空腔为混合气室，出气口侧的空腔为燃烧室；燃烧室通过设置在中间隔板上的火焰稳定器与混合气室连通；燃气导向器设置在燃烧室内，其圆周面上设有渐缩切口；涡轮机圆盘组安装在燃气导向器内；压气机圆盘组安装在混合气室内；

电机的转子通过轴承支撑在中间隔板上，并与位于中间隔板两侧的压气机圆盘组、涡轮机圆盘组固定连接。

对于燃气轮机本体部分，空气经进气口进入，在高速旋转的压气机圆盘部的压缩作用下实现升压，与燃油腔喷入的燃料充分混合后进入燃烧室燃烧，产生大量高温高压燃气。燃气在导向装置的引导下沿切向高速喷入涡轮机圆盘组的圆盘间隙内，依靠粘性力的作用带动圆盘组旋转。高温高压燃气的热力学能转化为转子的动能，燃气最终经涡轮机圆盘组中心出口排出，离开系统。压气机圆盘组部件和涡轮机圆盘组部件都与转子轴固连，这样，在系统启动并稳定工作后，转子动能一部分用来带动压气机压缩空气，另一部分可以实现能量输出，用于发电或者做功。

电机的作用主要有两个：在系统启动时，由于空气阻力和轴承支撑部件的摩擦力的作用，需要由电机带动转子旋转，辅助启动；在系统稳定工作时，改变电机的线路接法，使其变为发电机。发电机的转子轴随燃气轮机的中心轴一同高速旋转，发电并向外实现电力输出。

有益效果：(1)本发明通过燃气轮机与电机的匹配，解决了燃气轮机的启动问题，同时，燃气轮机达到稳定工作状态时，带动发电机转子转动，实现电力输出，形成了一个完整的发电系统。

(2)在系统的燃气轮机部分，本发明采用了无叶片式的压气机和涡轮机结构，用一组以相等微小间距隔开的同轴平行薄圆盘取代传统燃气轮机的叶片结构。这种结构利用了流体的边界层效应，当工质在圆盘间的微小间隔中运动时，可通过与圆盘的粘性力的作用来实现能量的传递。这种依靠流体粘性来传递动力的设计，改变了传统燃气轮机中通过工质与叶片的直接冲击和摩擦来传递动力的方式，大大简化了燃气轮机的系统结构，解决了燃气轮机叶片在制造和维护上的诸多问题。另外，这种无叶片式的结构与其他部件相互匹配，可以使整个装置结构简单、紧凑，尤其是在厘米级和毫米级的微型和超微型燃气轮机中，更能体现其优越性。

附图说明

图1为电机位于外部时的本发明的结构示意图；

图2为压气机圆盘组以及涡轮机圆盘组中的单片圆盘的结构示意图；

图3为燃气导向器的结构示意图；

图4为电机位于内部时的本发明的结构示意图；

其中，1-转子轴，2-进气口，3-燃油腔，4-燃油喷嘴，5-压气机圆盘组，6-火焰稳定器，7-燃烧室，8-涡轮机圆盘组，9-出气口，10-燃气导向器，11-轴承，12-中间隔板，13-壳体，14-电机、15-定子。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例提供一种无叶片式燃气轮机发电装置，它包括：燃气轮机本体与电机14。

其中燃气轮机本体包括:壳体13、压气机圆盘组5、涡轮机圆盘组8以及燃气导向器10；壳体13两端分别设有进气口2以及出气口9，在进气口2侧的壳体13上设有燃油腔3以及燃油喷嘴4；壳体13内部由中间隔板12分隔成两个空腔，其中，进气口2侧的空腔为混合气室，出气口9侧的空腔为燃烧室7；燃烧室7通过设置在中间隔板12上的火焰稳定器6与混合气室连通；如图3所示，燃气导向器10设置在燃烧室7内，其圆周面上设有渐缩切口；涡轮机圆盘组8安装在燃气导向器10内；压气机圆盘组5安装在混合气室内；

电机14的转子1通过轴承11支撑在中间隔板12上，并与位于中间隔板12两侧的压气机圆盘组5、涡轮机圆盘组8固定连接。

系统由静止状态启动时，由电机14带动转子轴1转动，压气机圆盘组5和涡轮机圆盘组8与转子轴1固连，与轴一同转动；在粘性力的作用下，旋转的压气机圆盘组5对间隙内的气体有沿径向向外“泵出”的作用，并在中心开口处形成真空；空气从外部经进气口2吸入，进入圆盘间隙中，经圆盘“泵出”后聚集在压气机圆盘组5与壳体13的空腔中，压力升高；燃油储存在燃油腔3中，并由燃油喷嘴4喷入高压空气的空腔中，与空气混合，形成混合气；

燃油与空气的混合气由火焰稳定器6的开口进入到燃烧室7中，经点火装置点火后燃烧，形成高温高压的燃气；燃气导向器10上沿周向开有切向导向槽，形成切向喷嘴结构。涡轮机圆盘组8安装在燃气导向器10内圆，与燃气导向器10内圆面保持微小的径向间隙。高温燃气进入燃气导向器10，在燃气导向器10渐缩切口内速度进一步升高，最后沿切向喷入涡轮机圆盘组8的圆盘间隙中，高温燃气在粘性作用下与圆盘发生动量交换，将热力学能转换成转子动能；高温高压燃气在圆盘间隙内减速降压，最终由圆盘中心开口流出，经出气口9离开系统；

由燃气转换到转子部件的动能，一部分带动压气机圆盘组5旋转压缩空气，维持系统持续稳定运转，另一部分带动电机转子转动，通过改变电机14的接通方式，可以将电机14改为发电机，产生电能并对外输出。

参见附图2，压气机圆盘组5以及涡轮机圆盘组8中的单片圆盘主体均以辐条连接中心的盘毂，两部分间为开口结构，用于流动介质出入，在盘毂上开有键槽，并通过花键与转子1连接；单片圆盘之间通过垫片隔开，使各圆盘之间保持微小间隙，单片圆盘平行的安装在转子1上。在压气机处，气体沿轴向由压气机圆盘组中心开口流入，进入各圆盘间隙内；在涡轮机处，高温燃气沿切向喷入圆盘组外缘进入各圆盘间隙，做功后从圆盘组中心开口流出。

电机14可以置于燃气轮机外部，也可以集成在燃气轮机内部。如图1所示，将电机14置于燃气轮机的外部，又可以将其布置在入口端和出口端。这样，燃气轮机本体可以设计得较小，但需要对燃气轮机进口和出口进行特别的壳体设计，以保证气体通道的顺畅。

如图4所示，将电机14安装在燃气轮机的内部(电机定子15集成于中间隔板12上)。电机的结构可与传统电机结构不同，在微型和超微型燃气轮机中，电机的转子和定子可由极性材料涂层来制作。这种布置方式可以使整个系统的尺寸进一步缩小，并可以消除电机置于燃气轮机外面时对系统进气和出气影响。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.无叶片式燃气轮机发电装置，它包括：燃气轮机本体与电机(14),其特征在于:

所述燃气轮机本体包括:壳体(13)、压气机圆盘组(5)、涡轮机圆盘组(8)以及燃气导向器(10)；所述壳体(13)两端分别设有进气口(2)以及出气口(9)，在所述进气口(2)侧的所述壳体(13)上设有燃油腔(3)以及燃油喷嘴(4)；所述壳体(13)内部由中间隔板(12)分隔成两个空腔，其中，所述进气口(2)侧的空腔为混合气室，所述出气口(9)侧的空腔为燃烧室(7)；所述燃烧室(7)通过设置在所述中间隔板(12)上的火焰稳定器(6)与所述混合气室连通；所述燃气导向器(10)设置在所述燃烧室(7)内，其圆周面上设有渐缩切口；所述涡轮机圆盘组(8)安装在所述燃气导向器(10)内；所述压气机圆盘组(5)安装在所述混合气室内；

所述电机(14)的转子(1)通过轴承(11)支撑在所述中间隔板(12)上，并与位于所述中间隔板(12)两侧的所述压气机圆盘组(5)、所述涡轮机圆盘组(8)固定连接。

2.如权利要求1所述的无叶片式燃气轮机发电装置，其特征在于，所述压气机圆盘组(5)以及所述涡轮机圆盘组(8)中的单片圆盘主体均以辐条连接中心的盘毂，两部分间为开口结构，在所述盘毂上开有键槽，并通过花键与所述转子(1)连接；单片圆盘之间通过垫片隔开，平行的安装在所述转子(1)上。

3.如权利要求1或2所述的无叶片式燃气轮机发电装置，其特征在于，所述电机(14)位于所述壳体(13)外侧。

4.如权利要求1或2所述的无叶片式燃气轮机发电装置，其特征在于，所述电机(14)通过其定子(15)安装在所述中间隔板(12)内。