CN113847144A - 一种涡轮发电装置及动力系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种涡轮发电装置及动力系统，其中发电装置包括涡轮机和发电机；发电机包括动力涡轮、定子和转子；动力涡轮的流道进口位于涡轮机的喷口的一侧，动力涡轮的流道与涡轮机的流道连通；定子设置于动力涡轮内，转子通过磁悬浮设置于动力涡轮的流道内；涡轮机的喷口用于向动力涡轮的流道提供驱动转子转动的流体。本公开的涡轮发电装置的涡轮机与发电机之间无需通过轴系连接，从而能够克服轴系连接结构在传动过程的摩擦损耗等问题，降低涡轮发电机的热耗率，提高发电效率。

Description

一种涡轮发电装置及动力系统

技术领域

本公开涉及发电装置，尤其涉及一种涡轮发电装置及动力系统。

背景技术

涡轮发电机通常包括涡轮机和发电机，为了使发电机的转子能够在涡轮机的驱动下转动，传统的涡轮发电机一般通过轴系连接结构使转子与涡轮机相连。

传统轴系连接结构在转动时会产生巨大的噪音，对环境造成声音污染，并且由于轴系连接结构在传动过程的摩擦损耗，增加了涡轮发电机的热耗率，导致发电效率较低。

发明内容

为解决上述技术问题，本公开提供一种涡轮发电装置及动力系统，以提高涡轮发电装置的发电效率，同时降低发电过程的噪音。

为了实现上述目的，本公开提供如下技术方案：

第一方面，本公开提供一种涡轮发电装置，包括涡轮机和发电机；所述发电机包括动力涡轮、定子和转子；

所述动力涡轮的流道进口位于所述涡轮机的喷口的一侧，所述动力涡轮的流道与所述涡轮机的流道连通；

所述定子设置于所述动力涡轮内，所述转子通过磁悬浮设置于所述动力涡轮的流道内；所述涡轮机的喷口用于向所述动力涡轮的流道提供驱动所述转子转动的流体。

在一种实施方式中，所述转子具有带动所述转子转动的转子风扇，且所述转子风扇的扇面与所述动力涡轮的流道进口相对。

在一种实施方式中，所述定子具有定子绕组组，所述转子具有永磁体组，所述永磁体组与所述定子绕组组磁悬浮连接。

在一种实施方式中，所述动力涡轮具有动力涡轮机匣；所述定子绕组组环设于所述动力涡轮机匣上，所述转子包括转子机匣和永磁体组；所述永磁体组环设于所述转子机匣上，所述永磁体组与所述定子绕组组相对。

在一种实施方式中，所述永磁体组包括转子径向永磁体组，所述转子径向永磁体组环设于所述转子机匣的周壁；所述定子绕组组包括定子径向绕组组，所述定子径向绕组组环设于所述动力涡轮机匣的周壁；所述转子径向永磁体组和所述定子径向绕组组相对；和/或

所述永磁体组包括至少一组转子轴向永磁体组,每组所述转子轴向永磁体组设在相应所述转子机匣的端部；所述定子绕组组包括至少一个轴向线圈，每个所述轴向线圈设在相应所述动力涡轮机匣的端部；所述轴向线圈与所述转子轴向永磁体组相对设置。

在一种实施方式中，所述定子径向绕组组的数量至少为一组，当所述定子径向绕组组的数量为多组，所述定子径向绕组组沿所述动力涡轮机匣的轴向间隔设在所述动力涡轮机匣的周壁；

所述转子径向永磁体组的数量至少为一组，当所述转子径向永磁体组的数量为多组，所述转子径向永磁体组沿所述转子机匣的轴向间隔设在所述转子机匣的周壁。

在一种实施方式中，所述定子径向绕组组包括多个沿所述动力涡轮机匣的周向间隔分布的定子绕组；

所述转子径向永磁体组包括多个沿所述转子机匣的周向间隔分布的永磁体。

在一种实施方式中，所述动力涡轮机匣具有相对的第一敞口和第二敞口，所述转子机匣具有相对的第三敞口和第四敞口；所述第二敞口与所述涡轮机的进风口相对；所述转子机匣的内部通过所述第一敞口和所述第二敞口与所述动力涡轮机匣的内部连通。

在一种实施方式中，所述转子风扇的扇叶与所述转子机匣相连。

在一种实施方式中，所述涡轮机包括压气机、压缩机、燃烧室以及燃气涡轮；其中，

所述压气机、所述压缩机和所述燃气涡轮同轴连接，所述燃烧室位于所述压缩机与所述燃气涡轮之间，所述动力涡轮位于所述燃气涡轮的后方，所述动力涡轮的轮缘尺寸大于所述燃气涡轮的轮缘尺寸。

在一种实施方式中，所述涡轮机还包括外壳体，所述压气机、所述压缩机和所述燃气涡轮均安装于所述外壳体内并分别与所述外壳体匹配连接；所述燃烧室与所述外壳体一体成型；所述动力涡轮机匣与所述外壳体相连。

第二方面，本公开还提供一种动力系统，前述的涡轮发电装置。

在一种实施方式中，所述燃烧室与所述外壳体一体成型。

上述技术方案中的优点或有益效果至少包括：

本公开的涡轮发电装置，通过使发电机的动力涡轮位于涡轮机的喷口的一侧，且将转子风扇的受风面与所述动力涡轮的流道进口相对，从而能够充分利用涡轮机喷口的高温高压流体，推动转子风扇转动进而带动磁悬浮设置于动力涡轮内的转子转动，实现发电，因此涡轮机与发电机之间无需通过轴系连接，从而能够克服轴系连接结构在传动过程的摩擦损耗等问题，降低涡轮发电机的热耗率，提高发电效率。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1示出了根据本公开示例性实施例的涡轮发电机的剖视结构示意图；

图2示出了根据本公开示例性实施例的发电端部的剖视结构示意图；

涡轮机100、动力涡轮200、外壳体101、燃烧室102、压气机103、压缩机104、燃气涡轮105、定子310、动力涡轮机匣311、定子径向绕组组312、轴向线圈313、第一敞口314、第二敞口315、转子320、转子机匣321、转子径向永磁体组322、转子轴向永磁体323、第三敞口324、第四敞口325、导叶326、转子风扇327。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

本公开使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。本公开中提及的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等概念仅用于对不同的装置或元件进行区分，并非用于限定这些装置或元件所执行的功能的顺序或相互依存关系，不能理解为指示或暗示相对重要性。

参照图1和图2，本公开的实施例一方面提供了本公开提供一种涡轮发电装置，包括涡轮机100和发电机；发电机包括动力涡轮200、定子310和转子320；动力涡轮200的流道进口位于涡轮机100的喷口的一侧，动力涡轮200的流道与涡轮机100的流道连通；定子310设置于动力涡轮200内，转子320通过磁悬浮设置于动力涡轮200内；涡轮机100的喷口用于向动力涡轮200的流道提供驱动转子320转动的流体。

当涡轮机100工作时，从喷口喷出高温高压流体，高温高压流体进入动力涡轮200内，驱动发电机的转子320转动，将机械能转化为电能，转子320转动产生的旋转磁场，使定子310的定子绕组产生感应电流，从而将机械能转化为电能，实现发电。

参照图1和图2，作为可选的实施方式，上述转子具有带动转子转动的转子风扇，且转子风扇的扇面与动力涡轮的流道进口相对。此时，从喷口喷出高温高压流体进入动力涡轮的流道内时，高温高压流体可以冲击转子风扇的扇面，进而驱动转子风扇的转动，达到发电的目的。

上述转子风扇的扇叶可以根据实际情况安装，例如：可以根据扇叶受风面积最大的原理安装转子风扇的扇叶，使得转子风扇的受风面最大的扇面朝向动力涡轮的进气口，该转子风扇327可以安装于转子机匣321内，且其扇叶与转子机匣321的内周壁相连；从而使转子风扇327能够带动转子320转动。

参照图1和图2，本公开实施例的涡轮发电装置，发电机的定子310和转子320均设置于动力涡轮200内，并且转子320具有能够带动转子320转动的转子风扇327，由于转子320通过磁悬浮设置于动力涡轮200内，因此转子320能够在动力涡轮200内旋转，且不与动力涡轮200产生机械摩擦；在结构上，通过使发电机的动力涡轮200位于涡轮机100的喷口的一侧，且将转子风扇327的受风面与动力涡轮200的流道进口相对，从而能够充分利用涡轮机100喷口的高温高压流体，推动转子风扇327转动进而带转子320旋转，实现发电，由于转子320通过磁悬浮设置于动力涡轮200内，因此涡轮机100与发电机之间无需通过轴系连接，从而能够克服轴系连接结构在传动过程的摩擦损耗等问题，降低涡轮发电机的热耗率，提高发电效率。

参照图1和图2，本实施方式中，定子310包括定子绕组组，转子320包括转子机匣321和永磁体组，在结构上，将转子320安装于动力涡轮机匣311内，将定子绕组组环设于动力涡轮机匣311上，将永磁体组环设于转子机匣321上，并且使永磁体组与定子绕组组相对设置。永磁体组与定子绕组组能够磁悬浮连接。

参照图1和图2，作为优选的实施方式，永磁体组包括转子径向永磁体组322，转子径向永磁体组322环设于转子机匣321的周壁；转子径向永磁体组322包括多个沿转子机匣321的周向间隔分布的永磁体。定子绕组组包括定子径向绕组组312，定子径向绕组组312环设于动力涡轮机匣311的周壁；定子径向绕组组312包括多个沿动力涡轮机匣311的周向间隔分布的定子绕组；转子径向永磁体组322和定子径向绕组组312相对。其中，定子绕组的数量和转子径向永磁体的数量根据实际应用需求可选的设置。

一方面当转子320转动时，转子径向永磁体322的磁场穿过定子径向绕组组312的定子绕组的线圈，使定子绕组的线圈不断切割磁感线，此时，定子绕组为电枢绕组，能够产生感应电动势，从而将机械能转化为电能；另一方面，可以通过向一部分定子绕组线圈通电，使定子绕组作为励磁绕组，产生磁场，并与转子径向永磁体322的磁场相互作用，从而使得转子320在径向上悬浮于动力涡轮机匣311中，减少转子320转动的摩擦力，降低摩擦损耗，降低涡轮发电机的热耗率，同时还能减少转子320机械转动的噪声。

参照图1和图2，作为一种可选的实施方式，永磁体组还包括至少一组转子轴向永磁体组323,每组转子轴向永磁体组323设在相应转子机匣321的端部；定子绕组组包括至少一个轴向线圈313，每个轴向线圈312设在相应动力涡轮机匣311的端部；轴向线圈312与转子轴向永磁体组323相对设置。

基于上述结构，通过对轴向线圈313通电，产生磁场，与转子轴向永磁体323的磁场相互作用，从而为转子320提供轴向的悬浮支撑力，使转子320在轴向上悬浮于动力涡轮机匣311中，通过磁力支撑以保持转子320的轴向悬浮状态，减少摩擦力。

参照图1和图2，作为优选的实施方案，转子机匣321的两个外端面分别具有沿其周向环设的转子轴向永磁体323，即在转子机匣321的轮缘上装配转子轴向永磁体323；同时，动力涡轮机匣311的两个内端面分别具有沿其周向环的轴向线圈313，并且轴向线圈313与转子轴向永磁体323相对设置；本实施方式中，通过在转子机匣321的两个外端面分别设置转子轴向永磁体323，以及在动力涡轮机匣311的两个内端面分别设置轴向线圈313，确保转子在其轴向上受到对称的悬浮支撑力，使转子能够保持在动力涡轮机匣内，避免转子机匣的外端面与动力涡轮机匣的内端面直接接触，产生摩擦损耗等问题。

参照图1和图2，作为优选的实施方式，定子径向绕组组312的数量至少为一组，当定子径向绕组组的数量为多组，定子径向绕组组312沿动力涡轮机匣311的轴向间隔设在动力涡轮机匣311的周壁；转子径向永磁体组322的数量至少为一组，当转子径向永磁体组322的数量为多组，转子径向永磁体322组沿转子机匣321的轴向间隔设在转子机匣321的周壁。

参照图1和图2，本实施方式以定子径向绕组组312的数量为三个，转子径向永磁体组322的数量为三个为例，三个定子径向绕组组312沿动力涡轮机匣311的轴向间隔设置；三个转子径向永磁体组322沿转子机匣321的轴向间隔设置；本实施方式通过设置三个定子径向绕组组312，在实际工作中，可以将位于中间的一组定子径向绕组组312为作为径向推进绕组组，将其余两个作为为径向悬浮绕组组，同理，将位于中间的转子径向永磁体组322作为转子径向推进永磁体组，将其余两个作为转子径向悬浮永磁体组，通过对径向悬浮绕组组的定子绕组的线圈通电，使其产生磁场与转径向悬浮永磁体组相互作用，从而使得转子320在径向上悬浮于动力涡轮机匣311中；通过转子320的旋转，使径向推进绕组组的定子绕组的线圈切割转子320径向推进永磁体组的转子径向永磁体的磁感线，产生感应电动势，从而将机械能转化为电能。

参照图1和图2，作为可选的实施方式，动力涡轮机匣311的内周壁间隔开设有三个第一周向凹槽，三个定子径向绕组组312分别对应安装于三个第一周向凹槽内；转子机匣321的外周壁间隔开设有三个第二周向凹槽，三个转子径向永磁体组322分别对应安装于三个第二周向凹槽内；动力涡轮机匣311的两个内端面分别沿其周向环设有第一轮缘凹槽，在转子机匣321的两个外端面分别沿其周向环设有第二轮缘凹槽；轴向线圈313安装于第一轮缘凹槽内，转子轴向永磁体323安装于第二轮缘凹槽内，通过上述结构，通过上述结构，能够减小动力涡轮机匣311与转子机匣321之间的径向间隙；以减小动力涡轮机匣311与转子机匣321之间的轴向间隙，从而进一步减小间隙磁阻，提高发电效率。

参照图1和图2，作为可选的实施方式，还可以将定子绕组组设置于动力涡轮机匣的外侧，便于冷却与给供输电。

参照图1和图2，动力涡轮机匣311具有相对的第一敞口314和第二敞口315，第一敞口314和第二敞口315可选地设置于动力涡轮机匣311的两个端部，转子机匣321具有相对的第三敞口324和第四敞口325；第三敞口324和第四敞口325可选地设置于转子机匣的两个端部；转子机匣321的内部通过所述第一敞口214和所述第二敞口315与所述动力涡轮机匣311的内部连通；第二敞口315与涡轮机100的进风口相对设置，气体主流可通过所述第一敞口314、所述第二敞口315、所述第三敞口324和所述第四敞口325进入所述涡轮机内；第三敞口324和/或第四敞口325上安装有导叶326，能够起到流体引流的作用。

参照图1和图2，作为可选的实施方式，涡轮机100包括外壳体101、燃烧室102以及依次连接的压气机103、压缩机104和燃气涡轮105，压气机103、压缩机104、和燃气涡轮105均安装于外壳体101内并分别与外壳体101匹配连接；其中，压气机103可选用轴流压气机103，压缩机104可选用离心压缩机104，压气机103、压缩机104和燃气涡轮105能够同轴连接，由同一根轴驱动转动，燃烧室102与外壳体101一体成型，并设置于压缩机104与燃气涡轮105之间；本实施例中，动力涡轮200布置于燃气涡轮105的后方，动力涡轮200的轮缘尺寸需大于燃气涡轮105的轮缘尺寸，具体大小视情况或者需求而定，以使高温燃气通道保持不变；动力涡轮机匣311与外壳体101匹配连接；形成结构紧凑的一体化结构。所述本实施例的涡轮机100也可选用其他结构的传统的涡轮机100。

参照图1和图2，本实施例的涡轮发动机的工作原理如下：

由压气机103对空气进行初步的整流和压缩后，将整流压缩后的空气传入到压缩机104内，由压缩机104进一步压缩，以提高空气压力，经过压缩机104压缩后的空气进入燃烧室102，与燃料混合，使燃料燃烧，产生燃烧气体，燃烧气体膨胀驱动燃气涡轮105转动，由于燃气涡轮105与压气机103和压缩机104同轴连接，燃气涡轮105通过轴传动扭矩以驱动压气机103和压缩机104转动，同时膨胀气体通过燃气涡轮105增压后驱动动力涡轮200的转子320转动，从而产生电能。

本公开的实施例另一方面还提供了一种动力系统，该动力系统包括了前述的涡轮发电机。

本实施例的涡轮发动机和动力系统均可应用于混合动力汽车、混合动力飞行器等混合动力装置，具有能量转化效率高、噪声小、工作稳定等优点。

本公开的实施例中，转子机匣以圆筒状结构为例，转子机匣的周壁所指的是该圆筒状结构的筒壁，转子机匣的外周壁所指的是转子机匣的周壁远离转子机匣内部空腔的一侧，转子机匣的端部即转子轮缘，所指的是该圆筒状结构的端部，转子机匣的外端面所指的是转子机匣的端部远离转子机匣内部空间的一侧面。动力涡轮机匣以圆筒状结构为例，动力涡轮机匣的周壁所指的是该圆筒状结构的筒壁，动力涡轮机匣的内周壁所指的是动力涡轮机匣的周壁朝向动力涡轮机匣内部空腔的一侧，动力涡轮机匣的端部所指的是该圆筒状结构的端部；动力涡轮机匣的内端面所指的是动力涡轮机匣的端部朝向动力涡轮机匣内部空间的一侧面。需要说明的是，上述例举仅是为便于描述，本公开的转子机匣和动力涡轮机匣并不限于圆筒状结构。

在本公开的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种涡轮发电装置，其特征在于，包括涡轮机和发电机；所述发电机包括动力涡轮、定子和转子；

所述动力涡轮的流道进口位于所述涡轮机的喷口的一侧，所述动力涡轮的流道与所述涡轮机的流道连通；

所述定子设置于所述动力涡轮内，所述转子通过磁悬浮设置于所述动力涡轮的流道内；所述涡轮机的喷口用于向所述动力涡轮的流道提供驱动所述转子转动的流体。

2.如权利要求1所述的涡轮发电装置，其特征在于，所述转子具有带动所述转子转动的转子风扇，且所述转子风扇的扇面与所述动力涡轮的流道进口相对。

3.如权利要求1所述的涡轮发电装置，其特征在于；所述定子具有定子绕组组，所述转子具有永磁体组，所述永磁体组与所述定子绕组组磁悬浮连接。

4.如权利要求3所述的涡轮发电装置，其特征在于；

所述动力涡轮具有动力涡轮机匣；所述定子绕组组环设于所述动力涡轮机匣上，所述转子还包括转子机匣和永磁体组；所述永磁体组环设于所述转子机匣上，所述永磁体组与所述定子绕组组相对。

5.如权利要求3或4所述的涡轮发电装置，其特征在于，所述永磁体组包括转子径向永磁体组，所述转子径向永磁体组环设于所述转子机匣的周壁；所述定子绕组组包括定子径向绕组组，所述定子径向绕组组环设于所述动力涡轮机匣的周壁；所述转子径向永磁体组和所述定子径向绕组组相对；和/或

所述永磁体组包括至少一组转子轴向永磁体组,每组所述转子轴向永磁体组设在相应所述转子机匣的端部；所述定子绕组组包括至少一个轴向线圈，每个所述轴向线圈设在相应所述动力涡轮机匣的端部；所述轴向线圈与所述转子轴向永磁体组相对设置。

6.如权利要求5所述的涡轮发电装置，其特征在于，所述定子径向绕组组的数量至少为一组，当所述定子径向绕组组的数量为多组，所述定子径向绕组组沿所述动力涡轮机匣的轴向间隔设在所述动力涡轮机匣的周壁；

所述转子径向永磁体组的数量至少为一组，当所述转子径向永磁体组的数量为多组，所述转子径向永磁体组沿所述转子机匣的轴向间隔设在所述转子机匣的周壁。

7.如权利要求5所述的涡轮发电装置，其特征在于，所述定子径向绕组组包括多个沿所述动力涡轮机匣的周向间隔分布的定子绕组；

所述转子径向永磁体组包括多个沿所述转子机匣的周向间隔分布的永磁体。

8.如权利要求4所述的涡轮发电装置，其特征在于，所述动力涡轮机匣具有相对的第一敞口和第二敞口，所述转子机匣具有相对的第三敞口和第四敞口；所述第二敞口与所述涡轮机的进风口相对；所述转子机匣的内部通过所述第一敞口和所述第二敞口与所述动力涡轮机匣的内部连通。

9.如权利要求1-4任一项所述的涡轮发电装置，其特征在于，所述涡轮机包括压气机、压缩机、燃烧室以及燃气涡轮；其中，

所述压气机、所述压缩机和所述燃气涡轮同轴连接，所述燃烧室位于所述压缩机与所述燃气涡轮之间，所述动力涡轮位于所述燃气涡轮的后方，所述动力涡轮的轮缘尺寸大于所述燃气涡轮的轮缘尺寸。

10.一种动力系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的涡轮发电装置。

Images