CN113864066B - 一种涡轮发电机及动力系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种涡轮发电机及动力系统，其中涡轮发电机包括涡轮机和发电机，发电机包括动力涡轮和发电端部；动力涡轮的进气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，发电端部位于涡轮机远离喷口的一侧，动力涡轮与发电端部传动连接。本公开通过使发电机的动力涡轮和发电端部分离布置，通过将动力涡轮设置于涡轮机的喷口的一侧，能够充分利用喷口的高温高压气流，推动动力涡轮做功；将发电端部布置于远离喷口的一侧，能够使发电端部不受喷口的高温气流的影响，提高发电端部的冷却效果，避免发电端部通过加大轮缘尺寸来提高散热效率，导致气隙磁阻增大，需要消耗更多的励磁磁动势来克服气隙磁阻等问题，从而提高发电效率。

Description

一种涡轮发电机及动力系统

技术领域

本公开涉及涡轮发电机，尤其涉及一种涡轮发电机及动力系统。

背景技术

涡轮发电机通常由涡轮机和发电机组成，发电机可以利用涡轮机喷出的膨胀气体发电，同时也受到高温气体的温度等因素影响，导致需要加大发电机的动力涡轮的轮缘尺寸，以提高发电机的散热能力。

当动力涡轮的轮缘尺寸加大时，动力涡轮的动片与静片之间的气隙磁阻增大，因此，需要更大的励磁磁动势克服气隙磁阻，导致涡轮发电机的发电效率较低等问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本公开提供一种涡轮发电机及动力系统，以提高涡轮发电机的发电效率。

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机，包括涡轮机和发电机，所述发电机包括动力涡轮和发电端部；

所述动力涡轮的进气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，所述发电端部位于所述涡轮机远离所述喷口的一侧，所述动力涡轮与所述发电端部传动连接。

在一种实施方式中，所述动力涡轮与所述发电端部通过传动轴传动连接，所述传动轴沿所述涡轮机的气体主流流向穿过所述涡轮机。

在一种实施方式中，所述动力涡轮和所述发电端同轴连接。

在一种实施方式中，所述发电端部包括定子和转子，所述动力涡轮与所述转子通过传动轴传动连接；

所述定子包括定子机匣和定子绕组组；所述定子绕组组环设于所述定子机匣上，所述转子安装于所述定子机匣内，所述转子包括转子机匣和转子永磁体组；所述转子永磁体组环设于所述转子机匣上，所述转子永磁体组与所述定子绕组组相对。

在一种实施方式中，所述转子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定子机匣的周壁；所述转子径向永磁体组和所述定子径向绕组组相对；和/或，

所述转子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定子机匣的端部；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定子机匣的轴向间隔设在所述定子机匣的周壁，每组所述定子径向绕组组均包括多个沿所述定子机匣的周向间隔分布的定子绕组；

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，每组所述转子径向永磁体组均包括多个沿所述转子机匣的周向间隔分布的转子永磁体。

在一种实施方式中，所述定子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定子机匣的内部连通；

所述转子还包括转子风扇，所述转子风扇设于所述转子机匣内，所述动力涡轮与所述转子风扇传动连接。

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，

所述发电端部布置于所述压气机的前方，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；所述发电端部的机匣与所述压气机的机匣固定相连。

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、所述燃气涡轮和所述动力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。

第二方面，本公开还提供一种动力系统，前述的涡轮发电机。

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：

本公开通过使发电机的动力涡轮的进气口位于涡轮机的喷口的一侧，并使发电机的发电端部位于涡轮机远离喷口的一侧，从而使发电机的动力涡轮和发电端部分离布置；通过将动力涡轮设置于涡轮机的喷口的一侧，能够充分利用喷口的高温高压气流，推动动力涡轮做功；而将发电端部布置于远离喷口的一侧，能够使发电端部不受喷口的高温气流的影响，提高发电端部的冷却效果，避免发电端部通过加大轮缘尺寸来提高散热效率，导致气隙磁阻增大，需要消耗更多的励磁磁动势来克服气隙磁阻等问题，从而提高发电效率。

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、发电端部300、传动轴400、外壳体101、燃烧室102、压气机103、压缩机104、燃气涡轮105、定子310、定子机匣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，本公开的实施例一方面提供了一种涡轮发电机，包括涡轮机100和发电机，其中，发电机包括动力涡轮200和发电端部300，在结构上，将动力涡轮200设置于涡轮机100的喷口的一侧，并使动力涡轮200的进气口与涡轮机100的喷口相对设置；具体的，在一种实施方式中，可以将动力涡轮200布置在涡轮机100喷出的气流流动方向上，并且在结构上使动力涡轮200的流道与涡轮机的流道相连通；同时，将发电端部300布置于涡轮机100远离喷口的一侧，并使动力涡轮200与发电端部300传动连接。

通过上述结构可知，本实施例通过将发电机分为动力涡轮200和发电端部300，并使发电机的动力涡轮的进气口位于涡轮机的喷口的一侧，并使发电机的发电端部位于涡轮机远离喷口的一侧，从而使发电机的动力涡轮和发电端部分离布置；一方面，能够利用涡轮机100喷出的高温高压膨胀气体推动动力涡轮200的工作，进而驱动发电端部300运行，将机械能转化为电能，实现发电的目的；另一方面，通过将发电机的动力涡轮200和发电端部300分离布置，将发电端部300布置于远离喷口的一侧，使发电端部300不受喷口高温高压气流的影响，提高发电端部的冷却效果，避免发电端部通过加大轮缘尺寸来提高散热效率，导致气隙磁阻增大，需要消耗更多的励磁磁动势来克服气隙磁阻等问题，从而提高发电效率。

作为可选的实施方式，本实施例在结构上将发电端部300布置于涡轮机100的进气口的向前延伸方向的位置，即涡轮机100的气流来流方向上，然后利用传动轴400的一端与动力涡轮200相连，另一端与发电端部300相连，使发电端部300与动力涡轮200传动连接，传动轴400沿涡轮机100的气体主流流向穿过涡轮机100，图1中A向为气体主流流向，在结构上使涡轮机100位于发电端部300和动力涡轮200之间，通过上述结构使发电端部300、涡轮机100和动力涡轮200呈同轴向一体化结构，发电端部300和动力涡轮200不影响涡轮机100的气流流向，保障涡轮机100的工作状态稳定，同时减少能量传递级数，提高动力涡轮200到发电端部300的能量传递效率。

本公开的涡轮发电机，其中发电端部300、涡轮机100和动力涡轮200的布局不限于上述结构，例如，在一种实施例中，可能将动力涡轮200设置于涡轮机100的喷口后方，将发电端部300设置于涡轮机100的侧方，通过传动机构使发电端部300与动力涡轮200传动连接；该结构中，发电端部300也能够远离涡轮机100的喷口，避免受喷口高温气流的影响。

参照图1和图2，作为优选的实施方式，发电端部300包括定子310和转子320；上述结构中，动力涡轮200与发电端部300的传动连接，具体是与发电端部300的转子320通过传动轴400传动连接。

参照图1和图2，本实施方式中，定子310包括定子机匣311和定子绕组组，转子320包括转子机匣321和转子永磁体组，在结构上，将转子320安装于定子机匣311内，将定子绕组组环设于定子机匣311上，将转子永磁体组环设于转子机匣321上，并且使转子永磁体组与定子绕组组相对设置。

参照图2，作为优选的实施方式，转子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的周向间隔分布的转子永磁体。定子绕组组包括定子径向绕组组312，定子径向绕组组312环设于定子机匣311的周壁；定子径向绕组组312包括多个沿定子机匣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。

基于上述结构，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在径向上悬浮于定子机匣311中，减少转子320转动的摩擦力，降低能量损坏，同时还能减少转子320机械转动的噪声。

参照图2，作为一种可选的实施方式，转子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设在相应定子机匣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在轴向上悬浮于定子机匣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，定子机匣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，以及在定子机匣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，使转子能够保持在定子机匣内，避免转子机匣的外端面与定子机匣的内端面直接接触，产生摩擦损耗等问题。

参照图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沿定子机匣311的轴向间隔设在定子机匣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沿定子机匣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在径向上悬浮于定子机匣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，定子机匣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；定子机匣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，能够减小定子机匣311与转子机匣321之间的径向间隙；以减小定子机匣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，转子320还包括转子风扇327，转子风扇327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；上述结构中，动力涡轮200与发电端部300的转子320通过传动轴400传动连接，具体为动力涡轮200与转子风扇327通过传动轴400传动连接，动力涡轮200通过传动轴400带动转子风扇327转动，从而驱动转子机匣321转动。可选的，定子机匣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可选地设置于定子机匣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与所述定子机匣311的内部连通；第二敞口315与涡轮机100的进风口相对设置，相对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上安装有导叶326，基于上述结构，转子风扇327能够起到气流引流的作用，使发电端部300不影响涡轮机100正常进气，确保涡轮机100的工作状态稳定。

参照图1，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，并且动力涡轮200安装于外壳体101内并与外壳体101匹配连接；发电端部300布置于压气机103的前方，并且发电端部的机匣与压气机103的机匣固定相连，使发电端部、涡轮机100以及动力涡轮200紧密相连，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，本实施例的涡轮发动机的工作原理如下：

发电端部300引入空气到压气机103内，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，动力涡轮200通过转动轴带动发电端部300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。定子机匣以圆筒状结构为例，定子机匣的周壁所指的是该圆筒状结构的筒壁，定子机匣的内周壁所指的是定子机匣的周壁朝向定子机匣内部空腔的一侧，定子机匣的端部所指的是该圆筒状结构的端部；定子机匣的内端面所指的是定子机匣的端部朝向定子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定子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)

1.一种涡轮发电机，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和发电端部；

所述动力涡轮的进气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，所述发电端部位于所述涡轮机远离所述喷口的一侧，所述动力涡轮与所述发电端部传动连接；

所述发电端部包括定子和转子，所述定子包括定子机匣和定子绕组组；所述转子安装于所述定子机匣内，所述转子包括转子机匣和转子永磁体组；

所述转子永磁体组包括转子径向永磁体组，所述转子径向永磁体组包括多个沿转子机匣的周向间隔分布的转子永磁体；

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包括多个沿定子机匣的周向间隔分布的定子绕组；

多个所述定子绕组中具有励磁绕组，所述励磁绕组产生的磁场与所述转子径向永磁体的磁场相互作用，使所述转子在径向上悬浮于所述定子机匣中；

所述定子机匣的内周壁间隔开设有三个第一周向凹槽，三个所述的定子径向绕组组分别对应安装于三个第一周向凹槽内，所述转子机匣外周壁间隔开设有三个第二周向凹槽，三个所述的转子径向永磁体组分别对应安装于三个第二周向凹槽内。

2.如权利要求1所述的涡轮发电机，其特征在于，所述动力涡轮与所述发电端部通过传动轴传动连接，所述传动轴沿所述涡轮机的气体主流流向穿过所述涡轮机。

3.如权利要求1所述的涡轮发电机，其特征在于，所述动力涡轮和所述发电端同轴连接。

4.如权利要求1～3任一项所述的涡轮发电机，其特征在于，所述动力涡轮与所述转子通过传动轴传动连接。

5.如权利要求4所述的涡轮发电机，其特征在于，所述转子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定子机匣的端部；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所述的涡轮发电机，其特征在于，所述定子径向绕组组沿所述定子机匣的轴向间隔设在所述定子机匣的周壁，每组所述定子径向绕组组均包括多个沿所述定子机匣的周向间隔分布的定子绕组；

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，每组所述转子径向永磁体组均包括多个沿所述转子机匣的周向间隔分布的转子永磁体。

7.如权利要求4所述的涡轮发电机，其特征在于，所述定子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定子机匣的内部连通；

所述转子还包括转子风扇，所述转子风扇设于所述转子机匣内，所述动力涡轮与所述转子风扇传动连接。

8.如权利要求1～3任一项所述的涡轮发电机，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，

所述发电端部布置于所述压气机的前方，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；所述发电端部的机匣与所述压气机的机匣固定相连。

9.如权利要求8所述的涡轮发电机，其特征在于，所述涡轮机还包括外壳体，所述压气机、所述压缩机、所述燃气涡轮和所述动力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。

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机。

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