CN115788675A - 一种电气传动管道式布雷顿循环发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发电装置技术领域，具体涉及一种电气传动管道式布雷顿循环发电装置，包括：进气导流机构；增压机构，包括：轴流压气机电机和轴流压气机增压级；轴流压气机电机驱动轴流压气机增压级旋转并对进气导流机构引入的气体增压；加热装置，用于对气体加热；轴流涡轮叶轮，与加热装置的气体出口相连通；发电机构，与加热装置相连，包括：轮缘发电机转子和轮缘发电机定子。上述结构可以克服现有技术中的布雷顿循环发电装置其压气机与涡轮需要通过传动轴共轴传动连接，导致压气机与涡轮往往需要牺牲其中一方的性能从而实现转速的匹配，以及，燃机的压气机进口或涡轮出口采用径向结构，造成气流折转并且不均匀分布，形成较大的流动损失的问题。

Description

一种电气传动管道式布雷顿循环发电装置

技术领域

本发明涉及发电装置技术领域，具体涉及一种电气传动管道式布雷顿循环发电装置。

背景技术

布雷顿循环发动机是一种以气体为工质的热力循环发动机，是吸气式喷发动机，与燃气轮机的工作原理相同。在各类能源系统中，布雷顿循环燃机以其功率密度高的特点得到广泛应用。

但是，现有技术中的布雷顿循环燃机存在如下缺点：1、压气机与涡轮共轴连接，导致其二者转速一致，导致压气机与涡轮往往需要牺牲其中一方的性能从而实现转速的匹配的问题。2、常见布雷顿燃机在发电时需要传动轴，有时还需要变速齿轮箱从而与发电机相连，而上述传动轴的存在，则会导致燃机的压气机进口或涡轮出口采用径向结构，造成气流折转并且不均匀分布，形成较大的流动损失的问题。

为克服上述问题，本领域人员需要一种新的布雷顿循环发电装置解决上述问题。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的布雷顿循环发电装置其压气机与涡轮需要通过传动轴共轴传动连接，导致压气机与涡轮往往需要牺牲其中一方的性能从而实现转速的匹配，以及，燃机的压气机进口或涡轮出口采用径向结构，造成气流折转并且不均匀分布，形成较大的流动损失的问题。为此，本发明提供一种电气传动管道式布雷顿循环发电装置，包括：

进气导流机构，用于对进入布雷顿循环发电装置内的气体整流；

增压机构，与所述进气导流机构相连，所述增压机构包括：轴流压气机电机和轴流压气机增压级；所述轴流压气机电机驱动所述轴流压气机增压级旋转并对所述进气导流机构引入的气体增压；

加热装置，与所述增压机构相连，所述加热装置用于对所述气体加热，以使所述气体吸收外部热源热量升温；

轴流涡轮叶轮，与所述加热装置的气体出口相连通；

发电机构，与所述加热装置相连，所述发电机构包括：轮缘发电机转子和轮缘发电机定子；

所述气体通入所述轴流涡轮叶轮膨胀做功，带动所述轮缘发电机转子转动并使所述轮缘发电机定子产生感应电动势发电；一部分电能经轴流涡轮变频器整流后进入电网提供电能，另一部分电能则通过轴流压气机变频器继续驱动所述轴流压气机电机对气体进行压缩，形成能量循环。

可选的，电气传动管道式布雷顿循环发电装置，还包括：

轴流涡轮导叶，所述轴流涡轮导叶设置在所述加热装置和所述发电机构之间，用于将加热后的所述气体引入所述轴流涡轮叶轮膨胀做功。

可选的，所述进气导流机构包括：轴流压气机进气导流罩和轴流压气机进气导叶；所述轴流压气机进气导流罩将气体整流并通过所述轴流压气机进气导叶通入所述增压机构内。

可选的，所述轴流压气机电机和所述轴流涡轮叶轮的转速不同，所述轴流涡轮叶轮根据运行工况随时变化，以保证所述轴流涡轮叶轮的运行效率。

可选的，所述轴流压气机增压级的数量为至少两级；且，所述轴流压气机增压级为永磁电机或同步电机或异步电机。

可选的，所述轴流涡轮叶轮和所述轴流涡轮导叶组成轴流涡轮；所述轴流涡轮的涡轮数量为1级。

可选的，所述轴流涡轮导叶的出口导叶形状根据涡轮出口流场进行设计，所述出口导叶截面形状为NACA翼型或Clark翼型，以对涡轮出口流体进行整流以减少流动损失。

可选的，所述轮缘发电机转子与所述轴流涡轮叶轮的外缘顶部集成固定相连，以使所述轴流涡轮叶轮驱动所述轮缘发电机转子转动；

所述轮缘发电机定子固定设置在发电装置外壳上；

所述发电机构为感应电机或开关磁阻电机或直流电机或永磁同步电机。

可选的，电气传动管道式布雷顿循环发电装置，还包括：

轮缘发电机轴承，所述轮缘发电机轴承用于支撑所述轴流涡轮叶轮，以使所述轴流涡轮叶轮在转轴上转动；所述轮缘发电机轴承为电磁轴承。

可选的，所述轴流压气机变频器为四象限形式，用于将电网电能转化为驱动所述轴流压气机电机旋转的能量；

所述轴流涡轮变频器用于将所述发电机构发出的电能转化为工频电能以满足电网要求；且，所述轴流涡轮变频器为四象限形式，数量与轴流涡轮数量相同。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的电气传动管道式布雷顿循环发电装置，包括：

进气导流机构，用于对进入布雷顿循环发电装置内的气体整流；

增压机构，与所述进气导流机构相连，所述增压机构包括：轴流压气机电机和轴流压气机增压级；所述轴流压气机电机驱动所述轴流压气机增压级旋转并对所述进气导流机构引入的气体增压；

加热装置，与所述增压机构相连，所述加热装置用于对所述气体加热，以使所述气体吸收外部热源热量升温；

轴流涡轮叶轮，与所述加热装置的气体出口相连通；

发电机构，与所述加热装置相连，所述发电机构包括：轮缘发电机转子和轮缘发电机定子；

所述气体通入所述轴流涡轮叶轮膨胀做功，带动所述轮缘发电机转子转动并使所述轮缘发电机定子产生感应电动势发电；一部分电能经轴流涡轮变频器整流后进入电网提供电能，另一部分电能则通过轴流压气机变频器继续驱动所述轴流压气机电机对气体进行压缩，形成能量循环。

在本发明中，通过让压气机与涡轮之间的能量传递采用电能而不是机械轴，从而克服了现有技术中的布雷顿循环发电装置其压气机与涡轮需要通过传动轴共轴传动连接，导致压气机与涡轮往往需要牺牲其中一方的性能从而实现转速的匹配，以及，燃机的压气机进口或涡轮出口采用径向结构，造成气流折转并且不均匀分布，形成较大的流动损失的问题。进而使压气机与涡轮二者能够根据各自最佳转速工作以提高效率和运行稳定性。并且，上述电气传动管道式布雷顿循环发电装置产生的能量传递采用电能传递，从而替代了传统的复杂轴系将能量传递给发电机，因为取消了传统传动轴，避免了径向进气和排气流折转不均匀的问题，实现了设备整体流动效率增加。

2.本发明提供的电气传动管道式布雷顿循环发电装置，所述进气导流机构包括：轴流压气机进气导流罩和轴流压气机进气导叶；所述轴流压气机进气导流罩将气体整流并通过所述轴流压气机进气导叶通入所述增压机构内。

在本发明中，通过上述轴流压气机进气导流罩和轴流压气机进气导叶可以将气流引导至外径处做功，能够降低常见无轴涡轮中心流场湍流度，减少流动损失，从而提高发电效率。

3.本发明提供的电气传动管道式布雷顿循环发电装置，还包括：轴流涡轮导叶，所述轴流涡轮导叶设置在所述加热装置和所述发电机构之间，用于将加热后的所述气体引入所述轴流涡轮叶轮膨胀做功。

上述轴流涡轮导叶轴流涡轮导叶可以有效地对加热装置加热后的所述气体引入所述轴流涡轮叶轮膨胀做功。

4.本发明提供的电气传动管道式布雷顿循环发电装置，所述轴流压气机电机和所述轴流涡轮叶轮的转速不同，所述轴流涡轮叶轮根据运行工况随时变化，以所述轴流压气机电机和保证所述轴流涡轮叶轮的运行效率和运行稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的电气传动管道式布雷顿循环发电装置的结构示意图。

附图标记说明：

1－轴流压气机电机；2－轴流压气机增压级；3－加热装置；4－轴流涡轮叶轮；5－轮缘发电机转子；6－轮缘发电机定子；7－轴流涡轮变频器；8－电网；9－轴流压气机变频器；10－轴流涡轮导叶；11－轴流压气机进气导流罩；12－轴流压气机进气导叶；13－发电装置外壳；14－轮缘发电机轴承；15－转轴。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

本实施例中提供一种电气传动管道式布雷顿循环发电装置，如图1所示，其包括：

进气导流机构，用于对进入布雷顿循环发电装置内的气体整流；

增压机构，与所述进气导流机构相连，所述增压机构包括：轴流压气机电机1和轴流压气机增压级2；所述轴流压气机电机1驱动所述轴流压气机增压级2旋转并对所述进气导流机构引入的气体增压；所述轴流压气机增压级2的数量为两级；且，所述轴流压气机增压级2为永磁电机；

加热装置3，与所述增压机构相连，所述加热装置3用于对所述气体加热，以使所述气体吸收外部热源热量升温；

轴流涡轮导叶10，所述轴流涡轮导叶10设置在所述加热装置3和所述发电机构之间，用于将加热后的所述气体引入所述轴流涡轮叶轮4膨胀做功；上述轴流涡轮导叶10的出口导叶形状根据涡轮出口流场进行设计，所述出口导叶截面形状为NACA翼型，以对涡轮出口流体进行整流以减少流动损失；

轴流涡轮叶轮4，与所述轴流涡轮导叶10相连通；

发电机构，与所述加热装置3相连，所述发电机构包括：轮缘发电机转子5和轮缘发电机定子6；上述发电机构为感应电机。所述轮缘发电机转子5与所述轴流涡轮叶轮4的外缘顶部集成固定相连，以使所述轴流涡轮叶轮4驱动所述轮缘发电机转子5转动；所述轮缘发电机定子6固定设置在发电装置外壳13上；

轮缘发电机轴承14，所述轮缘发电机轴承14用于支撑所述轴流涡轮叶轮4，以使所述轴流涡轮叶轮4在转轴15上转动；所述轮缘发电机轴承14为电磁轴承。

所述气体通入所述轴流涡轮叶轮4膨胀做功，带动所述轮缘发电机转子5转动并使所述轮缘发电机定子6产生感应电动势发电；一部分电能经轴流涡轮变频器7整流后进入电网8提供电能，另一部分电能则通过轴流压气机变频器9继续驱动所述轴流压气机电机1对气体进行压缩，形成能量循环。上述轴流压气机电机1和轴流涡轮叶轮4的转速不同，所述轴流涡轮叶轮4根据运行工况随时变化，以保证所述轴流涡轮叶轮4的运行效率。

在本实施例中，上述轴流压气机变频器9为四象限形式，用于将电网电能转化为驱动所述轴流压气机电机1旋转的能量；

所述轴流涡轮变频器7用于将所述发电机构发出的电能转化为工频电能以满足电网要求；且，所述轴流涡轮变频器7为四象限形式，数量与轴流涡轮数量相同。

在本实施例中，所述进气导流机构包括：轴流压气机进气导流罩11和轴流压气机进气导叶12；所述轴流压气机进气导流罩11将气体整流并通过所述轴流压气机进气导叶12通入所述增压机构内。

在本实施例中，所述轴流涡轮叶轮4和所述轴流涡轮导叶10组成轴流涡轮；所述轴流涡轮的涡轮数量为1级。

当然，本实施例对轴流压气机增压级2的数量不做具体限定，在其它实施例中，所述轴流压气机增压级2的数量还可以为三级。

当然，本实施例对轴流压气机增压级2的电机类型不做具体限定，在其它实施例中，轴流压气机增压级2还可以为同步电机或者是异步电机。

当然，本实施例对轴流涡轮导叶10的出口导叶形状不做具体限定，在其它实施例中，轴流涡轮导叶10的出口导叶形状根据涡轮出口流场进行设计，所述出口导叶截面形状为Clark翼型，以对涡轮出口流体进行整流以减少流动损失。

当然，本实施例对发电机构的类型不做具体限定，在其它实施例中，发电机构还可以为开关磁阻电机，或者是直流电机、永磁同步电机。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种电气传动管道式布雷顿循环发电装置，其特征在于，包括：

进气导流机构，用于对进入布雷顿循环发电装置内的气体整流；

增压机构，与所述进气导流机构相连，所述增压机构包括：轴流压气机电机(1)和轴流压气机增压级(2)；所述轴流压气机电机(1)驱动所述轴流压气机增压级(2)旋转并对所述进气导流机构引入的气体增压；

加热装置(3)，与所述增压机构相连，所述加热装置(3)用于对所述气体加热，以使所述气体吸收外部热源热量升温；

轴流涡轮叶轮(4)，与所述加热装置(3)的气体出口相连通；

发电机构，与所述加热装置(3)相连，所述发电机构包括：轮缘发电机转子(5)和轮缘发电机定子(6)；

所述气体通入所述轴流涡轮叶轮(4)膨胀做功，带动所述轮缘发电机转子(5)转动并使所述轮缘发电机定子(6)产生感应电动势发电；一部分电能经轴流涡轮变频器(7)整流后进入电网(8)提供电能，另一部分电能则通过轴流压气机变频器(9)继续驱动所述轴流压气机电机(1)对气体进行压缩，形成能量循环。

2.根据权利要求1所述的电气传动管道式布雷顿循环发电装置，其特征在于，还包括：

轴流涡轮导叶(10)，所述轴流涡轮导叶(10)设置在所述加热装置(3)和所述发电机构之间，用于将加热后的所述气体引入所述轴流涡轮叶轮(4)膨胀做功。

3.根据权利要求1所述的电气传动管道式布雷顿循环发电装置，其特征在于，所述进气导流机构包括：轴流压气机进气导流罩(11)和轴流压气机进气导叶(12)；所述轴流压气机进气导流罩(11)将气体整流并通过所述轴流压气机进气导叶(12)通入所述增压机构内。

4.根据权利要求1所述的电气传动管道式布雷顿循环发电装置，其特征在于，所述轴流压气机电机(1)和所述轴流涡轮叶轮(4)的转速不同，所述轴流涡轮叶轮(4)根据运行工况随时变化，以保证所述轴流涡轮叶轮(4)的运行效率。

5.根据权利要求1所述的电气传动管道式布雷顿循环发电装置，其特征在于，所述轴流压气机增压级(2)的数量为至少两级；且，所述轴流压气机增压级(2)为永磁电机或同步电机或异步电机。

6.根据权利要求2所述的电气传动管道式布雷顿循环发电装置，其特征在于，所述轴流涡轮叶轮(4)和所述轴流涡轮导叶(10)组成轴流涡轮；所述轴流涡轮的涡轮数量为1级。

7.根据权利要求2所述的电气传动管道式布雷顿循环发电装置，其特征在于，所述轴流涡轮导叶(10)的出口导叶形状根据涡轮出口流场进行设计，所述出口导叶截面形状为NACA翼型或Clark翼型，以对涡轮出口流体进行整流以减少流动损失。

8.根据权利要求2所述的电气传动管道式布雷顿循环发电装置，其特征在于，所述轮缘发电机转子(5)与所述轴流涡轮叶轮(4)的外缘顶部集成固定相连，以使所述轴流涡轮叶轮(4)驱动所述轮缘发电机转子(5)转动；

所述轮缘发电机定子(6)固定设置在发电装置外壳(13)上；

所述发电机构为感应电机或开关磁阻电机或直流电机或永磁同步电机。

9.根据权利要求1所述的电气传动管道式布雷顿循环发电装置，其特征在于，还包括：

轮缘发电机轴承(14)，所述轮缘发电机轴承(14)用于支撑所述轴流涡轮叶轮(4)，以使所述轴流涡轮叶轮(4)在转轴(15)上转动；所述轮缘发电机轴承(14)为电磁轴承。

10.根据权利要求1所述的电气传动管道式布雷顿循环发电装置，其特征在于，所述轴流压气机变频器(9)为四象限形式，用于将电网电能转化为驱动所述轴流压气机电机(1)旋转的能量；

所述轴流涡轮变频器(7)用于将所述发电机构发出的电能转化为工频电能以满足电网要求；且，所述轴流涡轮变频器(7)为四象限形式，数量与轴流涡轮数量相同。

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