CN116733544A - 一种电机集成式特斯拉涡轮发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机集成式特斯拉涡轮发电装置，采用涡轮外壳、特斯拉涡轮和叶轮发电机一体集成的结构，涡轮喷嘴将高压流体工质减压加速，内能转化为动能推动盘式叶轮转动。盘式叶轮与电机转子耦合，在流体工质带动下旋转，同时带动叶轮和电机转子相对于电机定子转动发电。涡轮喷嘴喷射的高速流体工质，在推动盘式叶轮做功的同时，也能进入电机定子与转子之间的间隙，实现对叶轮发电机的冷却。本发明具有结构紧凑、适用空间狭小、工质回收利用、响应速度快、扩大适用工质范围等技术效果。采用涡轮喷嘴可将更多内能转化为动能，降低损耗；利用变频器实现启动、运行和制动控制，减少工质消耗，防止涡轮飞车；广泛利用各类工质实现清洁环保发电。

Description

一种电机集成式特斯拉涡轮发电装置

技术领域

本发明属于叶轮机械与发电相结合的高效发电技术领域，涉及一种发电装置，具体涉及一种电机集成式特斯拉涡轮发电装置，可广泛应用于压缩空气储能、可再生能源利用、余热利用及超临界二氧化碳循环等领域。

背景技术

特斯拉涡轮是一种无叶片涡轮，利用边界层效应依靠作用在旋转圆盘表面上的粘性应力来拖动转子旋转。特斯拉涡轮的转子由一系列同轴平行的刚性圆盘构成，这些圆盘被安装在中心轴上，盘与盘之间保持微小的间隙。工作流体在喷嘴或蜗壳中加速，然后几乎切向射入到转子圆盘中，流体沿着圆盘表面形成边界层并在盘间隙中沿着螺旋路径流动，最后通过轴附近的孔或槽从转子中排出，圆盘与流体之间的摩擦力使圆盘旋转并输出转矩和功率。特斯拉涡轮具有结构简单、制作成本低、运行平稳、工作效率高等特性。

特斯拉涡轮可以作为一种高效、低噪音和低振动的涡轮机，用于产生旋转动力。将特斯拉涡轮与发电机集成构成发电装置，可以实现更高效、更环保的发电方式。其优点是可以利用各种低成本、低污染的流体介质，如水、空气、蒸汽等，来实现清洁、可再生的发电。而且，特斯拉涡轮的无叶片结构，可以减少噪音、震动和维护成本。此外，特斯拉涡轮与发电机的集成应用还可以用于其他的发电场景，例如水力发电、热能发电等。通过集成特斯拉涡轮，可以提高发电效率，降低噪音和振动，同时减少对环境的影响。

以中国发明专利申请CN201911056687.X所公开的“一种超高速特斯拉涡轮式煤油发电机”为例，高速发电机转子轴与特斯拉涡轮泵转子组件轴通过螺纹连接的形式连接，超高速特斯拉涡轮泵式煤油发电机引流火箭发动机高压高速煤油，作用在特斯拉涡轮泵转子叶片上，将流体作用于叶片的流体剪切力转化为供外输出的旋转机械能，驱动发电机进行发电。该技术直接采用引流火箭发动机高压高速煤油作为工作介质，将作用在转子叶片上的流体剪切力转化为供外输出的旋转机械能，驱动高速发电机同步旋转进行发电，不需要额外的增压装置，利用完的煤油经大流量过滤器过滤后，重新回到火箭煤油发动机进行二次利用，实现对现有高压液体能量的开发循环利用，本身不消耗能源。然而，该专利存在一些不足之处。首先，由于电机与特斯拉涡轮采用轴连接方式，集成度较低，体积较大。这可能会限制其在一些空间受限的应用中的使用。其次，电机冷却结构较为复杂，无法解决现有涡轮结构复杂、损耗高的问题。这可能导致电机在高速运转时产生过多的热量，影响其性能和寿命。

发明内容

(一)发明目的

针对现有技术的上述缺陷和不足，为解决现有特斯拉涡轮发电地图中所存在的体积较大、集成度较低、电机冷却结构较为复杂以及涡轮结构复杂、损耗高等技术问题，本发明提出了一种电机集成式特斯拉涡轮发电装置，通过采用叶轮发电机与特斯拉涡轮的高度集成结构，特斯拉涡轮内部工质可以为叶轮发电机提供冷却，进一步降低结构复杂程度，并且工质还能够回收一部分电机热量；并通过叶轮发电机与涡轮的高度集成结构，使得特斯拉涡轮本体转动惯量较低，能够根据负载需求快速启动或停机。

(二)技术方案

为实现该发明目的，解决其技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种电机集成式特斯拉涡轮发电装置，至少包括一涡轮外壳、一特斯拉涡轮和一叶轮发电机，其特征在于，

所述涡轮外壳整体呈薄壁圆柱筒状结构，其径向外边沿处设有一与其中空内腔连通并沿其切线延伸的涡轮喷嘴，所述涡轮喷嘴的进口通过管路与外部高压流体工质源连通，且所述涡轮喷嘴的型腔内壁形状构造为当高压流体工质通过该型腔时，其内能转化为动能而压力下降速度提升；

所述特斯拉涡轮整体设置在所述涡轮外壳内，至少包括一叶轮驱动转轴和一盘式叶轮，其中，

所述叶轮驱动转轴的两端通过支撑件密封且可转动地设置在所述涡轮外壳的前后两端壁的中心处，

所述盘式叶轮包括多个平行布置并以等距离散间隔分布的方式固定设置在所述叶轮驱动转轴上的刚性圆盘叶片，每一所述刚性圆盘叶片在径向上延伸至接近所述涡轮外壳的圆柱内壁的位置，且每一所述刚性圆盘叶片的径向内边缘附近沿周向设有若干工质通流孔，相邻各所述刚性圆盘叶片上的工质通流孔在周向位置上一一对应，所述涡轮外壳的轴向两端壁上设有与各所述工质通流孔在径向及周向位置上对应的工质排出口，并且相邻两所述刚性圆盘叶片之间的轴向间隙设置为使得流体工质沿圆盘叶片表面形成边界层并在该轴向间隙中沿着螺旋路径流动，继而使得所述盘式叶轮通过边界层粘性在流体工质带动下旋转；

所述叶轮发电机，至少包括整体均呈盘状结构的电机转子和电机定子，其中，所述电机转子包括一环形永磁体或多个扇形永磁体，所述环形永磁体或多个扇形永磁体以固定连接的方式设置在所述盘式叶轮中在轴向上位于最外侧的一刚性圆盘叶片的外端面上，且处于装配状态时，所述电机转子以与所述涡轮外壳的内壁及各临近部件无运动干涉的方式随所述盘式叶轮在所述涡轮外壳内转动；所述电机定子包括铁芯和线圈，所述铁芯和线圈固定设置在所述涡轮外壳的轴向端壁上或附近位置，且处于装配状态时，所述电机定子与电机转子在空间上紧邻布置并具有轴向间隙，二者之间的轴向间隙形成为气隙磁场。

本发明的电机集成式特斯拉涡轮发电装置中，所述涡轮喷嘴用于将高压流体工质进行减压加速并将其内能转化为动能喷射到盘式叶轮，所述盘式叶轮与所述电机转子固定在一起形成为一体结构，所述盘式叶轮通过边界层粘性在流体工质带动下旋转，带动所述电机转子相对于所述电机定子转动以实现发电，所述涡轮喷嘴喷射的高速流体工质在推动所述盘式叶轮做功的同时，也能进入所述电机定子与电机转子之间的间隙，实现对所述叶轮发电机的冷却。

优选地，所述涡轮喷嘴与外部高压流体工质源之间的连通管路上设有驱动工质流动的流体泵。

优选地，所述涡轮喷嘴的型腔内壁形状构造为渐缩式或缩放式。

优选地，所述盘式叶轮中各刚性圆盘叶片的表面粗糙度根据流体工质的粘性进行设定并加工制造。

优选地，所述盘式叶轮中各刚性圆盘叶片上的工质通流孔，其形状为扇形、圆形或矩形。

优选地，所述叶轮驱动转轴两端的支撑件为滚动轴承或电磁轴承。

优选地，所述电机转子的环形永磁体或多个扇形永磁体以过盈配合或胶粘方式固定设置在所述盘式叶轮中在轴向上位于最外侧的一刚性圆盘叶片的外端面上。

优选地，所述电机定子的铁芯和线圈固定设置在所述涡轮外壳的轴向端壁的内表面或外表面上。

优选地，所述电机定子的铁芯和线圈固定设置在位于所述涡轮外壳内的一固定支架上。

优选地，所述电机转子和电机定子的数量均为两个，所述涡轮外壳的轴向两端壁上分别设有一电机定子，所述盘式叶轮中在轴向上位于最外侧的两个刚性圆盘叶片上分别设有一电机转子。

优选地，所述叶轮发电机通过一变频器与电网相连，以接收所述叶轮发电机产生的电磁感应电能。

进一步地，所述变频器为四象限形式：

当所述特斯拉涡轮启动时，所述电网通过所述变频器带动所述盘式叶轮达到设计转速，然后再通入流体工质做功，以减少流体工质消耗量；

当所述特斯拉涡轮正常运行时，所述变频器用于将所述叶轮发电机产生的电能转化为工频电能以满足所述电网要求；

当所述特斯拉涡轮甩负荷故障时，所述变频器驱动所述述盘式叶轮制动，以防止涡轮飞车。

本发明的电机集成式特斯拉涡轮变频发电装置，其工作原理为：高压流体工质首先进入涡轮喷嘴，经过减压加速以后，随后进入涡轮外壳，推动其内部盘式叶轮转动，固定在盘式叶轮上的电机转子随之旋转，与固定在涡轮外壳上的电机定子形成相对运动，产生电磁感应电能，通过变频器变为工频电流后传输至电网。流体工质经过盘式叶轮做功后通过排气孔后排出涡轮外壳。当经过涡轮喷嘴后的高速流体工质在推动叶轮做功的同时，也能进入电机定子与转子之间的间隙，实现对电机的冷却。

(三)技术效果

同现有技术相比，本发明的电机集成式特斯拉涡轮发电装置具有以下有益且显著的技术效果：

(1)本发明的电机集成式特斯拉涡轮发电装置，采用盘式电机与特斯拉涡轮高度集成结构，结构紧凑，适用于狭小空间场合；

(2)本发明的电机集成式特斯拉涡轮发电装置，采用盘式电机与特斯拉涡轮高度集成结构，高速流体工质不仅能推动盘式叶轮转动，还能进入转子和定子之间的间隙为盘式电机提供冷却，进一步降低结构复杂程度，并且工质还能够回收一部分电机热量，提高了系统效率和使用寿命；

(3)本发明的电机集成式特斯拉涡轮发电装置，采用盘式电机与特斯拉涡轮高度集成结构，特斯拉涡轮本体转动惯量较低，能够根据负载需求快速启动或停机；

(4)本发明的电机集成式特斯拉涡轮发电装置，涡轮喷嘴能将高压流体工质进行减压加速，其内能更多转化为动能推动叶轮转动，盘式叶轮通过边界层粘性在流体工质推动下旋转，降低了因轴承等造成的损耗；

(5)本发明的电机集成式特斯拉涡轮发电装置，利用变频器实现了电机的启动、运行和制动控制，有助于减少流体工质消耗，并且可在甩负荷时驱动叶轮制动以防止涡轮飞车，提高了电机的响应速度和安全性；

(6)本发明的电机集成式特斯拉涡轮发电装置，可以广泛利用各类可再生能源作为流体工质，实现清洁、环保的发电。

附图说明

图1是本发明的电机集成式特斯拉涡轮变频发电装置示意图；

图2是图1的横截面结构示意图；

附图标记说明：

涡轮喷嘴1，叶轮发电机2，电机转子3，电机定子4，盘式叶轮5，叶轮驱动转轴6，工质通流孔7，轴承8，涡轮外壳9，变频器10，电网11。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。

如图1、2所示，本实施例中提供的电机集成式特斯拉涡轮变频发电装置，至少包括一涡轮外壳9、一特斯拉涡轮和一叶轮发电机2，涡轮外壳9整体呈薄壁圆柱筒状结构，其径向外边沿处设有一与其中空内腔连通并沿其切线延伸的涡轮喷嘴1，涡轮喷嘴1的进口通过管路与外部高压流体工质源连通，且涡轮喷嘴1的型腔内壁形状构造为当高压流体工质通过该型腔时，其内能转化为动能而压力下降速度提升。

特斯拉涡轮整体设置在涡轮外壳9内，至少包括一叶轮驱动转轴6和一盘式叶轮5，其中，叶轮驱动转轴6的两端通过支撑件密封且可转动地设置在涡轮外壳9的前后两端壁的中心处，盘式叶轮5包括多个平行布置并以等距离散间隔分布的方式固定设置在叶轮驱动转轴6上的刚性圆盘叶片，每一刚性圆盘叶片在径向上延伸至接近涡轮外壳9的圆柱内壁的位置，且每一刚性圆盘叶片的径向内边缘附近沿周向设有若干工质通流孔7，相邻各刚性圆盘叶片上的工质通流孔7在周向位置上一一对应，涡轮外壳9的轴向两端壁上设有与各工质通流孔7在径向及周向位置上对应的工质排出口，并且相邻两刚性圆盘叶片之间的轴向间隙设置为使得流体工质沿圆盘叶片表面形成边界层并在该轴向间隙中沿着螺旋路径流动，继而使得盘式叶轮5通过边界层粘性在流体工质带动下旋转、

叶轮发电机2，至少包括整体均呈盘状结构的电机转子3和电机定子4，其中，电机转子3包括一环形永磁体或多个扇形永磁体，环形永磁体或多个扇形永磁体以固定连接的方式设置在盘式叶轮5中在轴向上位于最外侧的一刚性圆盘叶片的外端面上，且处于装配状态时，电机转子3以与涡轮外壳9的内壁及各临近部件无运动干涉的方式随盘式叶轮5在涡轮外壳9内转动；电机定子4包括铁芯和线圈，铁芯和线圈固定设置在涡轮外壳9的轴向端壁上或附近位置，且处于装配状态时，电机定子4与电机转子3在空间上紧邻布置并具有轴向间隙，二者之间的轴向间隙形成为气隙磁场。

本发明的电机集成式特斯拉涡轮发电装置中，所述涡轮喷嘴1用于将高压流体工质进行减压加速并将其内能转化为动能喷射到盘式叶轮5，所述盘式叶轮5与所述电机转子3固定在一起形成为一体结构，所述盘式叶轮5通过边界层粘性在流体工质带动下旋转，带动所述电机转子3相对于所述电机定子4转动以实现发电，所述涡轮喷嘴1喷射的高速流体工质在推动所述盘式叶轮5做功的同时，也能进入所述电机定子4与电机转子3之间的间隙，实现对所述叶轮发电机2的冷却。

本发明优选的实例中，涡轮喷嘴1与外部高压流体工质源之间的连通管路上设有驱动工质流动的流体泵，涡轮喷嘴1的型腔内壁形状构造优选为渐缩式或缩放式。盘式叶轮5中各刚性圆盘叶片的表面粗糙度根据流体工质的粘性进行设定并加工制造。盘式叶轮5中各刚性圆盘叶片上的工质通流孔7，其形状为扇形、圆形或矩形。叶轮驱动转轴6两端的支撑件为滚动轴承或电磁轴承。此外，电机转子3的环形永磁体或多个扇形永磁体优选以过盈配合或胶粘方式固定设置在盘式叶轮5中在轴向上位于最外侧的一刚性圆盘叶片的外端面上。电机定子4的铁芯和线圈固定设置在涡轮外壳9的轴向端壁的内表面或外表面上，或者固定设置在位于涡轮外壳9内的一固定支架上。

本发明优选的实例中，电机转子3和电机定子4的数量均为两个，涡轮外壳9的轴向两端壁上分别设有一电机定子4，盘式叶轮5中在轴向上位于最外侧的两个刚性圆盘叶片上分别设有一电机转子3。

本发明优选的实例中，叶轮发电机2通过一变频器10与电网11相连，以接收叶轮发电机2产生的电磁感应电能，变频器10为四象限形式：当涡轮启动时，电网11通过变频器10带动盘式叶轮5达到设计转速，然后再通入流体工质做功，以减少流体工质消耗量；当涡轮正常运行时，变频器10用于将叶轮发电机2产生的电能转化为工频电能以满足电网11要求；当涡轮甩负荷故障时，变频器11驱动述盘式叶轮5制动，以防止涡轮飞车。

本实施例公开的电机集成式特斯拉涡轮发电装置，其工作原理是：流体工质首先进入涡轮喷嘴1，经过减压加速以后，随后进入涡轮外壳9，推动其内部盘式叶轮5转动，固定在盘式叶轮5上的电机转子3随之旋转，与固定在涡轮外壳9上的电机定子4形成相对运动，产生电磁感应电能，通过变频器10变为工频电流后传输至电网11。流体工质经过盘式叶轮5做功后通过排气孔7后排出涡轮外壳9。当经过涡轮喷嘴1后的高速流体工质在推动叶轮做功的同时，也能进入电机定子与转子之间的间隙，实现对电机的冷却。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.一种电机集成式特斯拉涡轮发电装置，至少包括一涡轮外壳、一特斯拉涡轮和一叶轮发电机，其特征在于，

所述涡轮外壳整体呈薄壁圆柱筒状结构，其径向外边沿处设有一与其中空内腔连通并沿其切线延伸的涡轮喷嘴，所述涡轮喷嘴的进口通过管路与外部高压流体工质源连通，且所述涡轮喷嘴的型腔内壁形状构造为当高压流体工质通过该型腔时，其内能转化为动能而压力下降速度提升；

所述特斯拉涡轮整体设置在所述涡轮外壳内，至少包括一叶轮驱动转轴和一盘式叶轮，其中，

所述叶轮驱动转轴的两端通过支撑件密封且可转动地设置在所述涡轮外壳的前后两端壁的中心处，

所述盘式叶轮包括多个平行布置并以等距离散间隔分布的方式固定设置在所述叶轮驱动转轴上的刚性圆盘叶片，每一所述刚性圆盘叶片在径向上延伸至接近所述涡轮外壳的圆柱内壁的位置，且每一所述刚性圆盘叶片的径向内边缘附近沿周向设有若干工质通流孔，相邻各所述刚性圆盘叶片上的工质通流孔在周向位置上一一对应，所述涡轮外壳的轴向两端壁上设有与各所述工质通流孔在径向及周向位置上对应的工质排出口，并且相邻两所述刚性圆盘叶片之间的轴向间隙设置为使得流体工质沿圆盘叶片表面形成边界层并在该轴向间隙中沿着螺旋路径流动，继而使得所述盘式叶轮通过边界层粘性在流体工质带动下旋转；

所述叶轮发电机，至少包括整体均呈盘状结构的电机转子和电机定子，其中，所述电机转子包括一环形永磁体或多个扇形永磁体，所述环形永磁体或多个扇形永磁体以固定连接的方式设置在所述盘式叶轮中在轴向上位于最外侧的一刚性圆盘叶片的外端面上，且处于装配状态时，所述电机转子以与所述涡轮外壳的内壁及各临近部件无运动干涉的方式随所述盘式叶轮在所述涡轮外壳内转动；所述电机定子包括铁芯和线圈，所述铁芯和线圈固定设置在所述涡轮外壳的轴向端壁上或附近位置，且处于装配状态时，所述电机定子与电机转子在空间上紧邻布置并具有轴向间隙，二者之间的轴向间隙形成为气隙磁场。

2.根据权利要求1所述的电机集成式特斯拉涡轮发电装置，其特征在于，所述涡轮喷嘴与外部高压流体工质源之间的连通管路上设有驱动工质流动的流体泵，所述涡轮喷嘴的型腔内壁形状构造为渐缩式或缩放式。

3.根据权利要求1所述的电机集成式特斯拉涡轮发电装置，其特征在于，所述盘式叶轮中各刚性圆盘叶片的表面粗糙度根据流体工质的粘性进行设定并加工制造；所述盘式叶轮中各刚性圆盘叶片上的工质通流孔，其形状为扇形、圆形或矩形。

4.根据权利要求1所述的电机集成式特斯拉涡轮发电装置，其特征在于，所述叶轮驱动转轴两端的支撑件为滚动轴承或电磁轴承。

5.根据权利要求1所述的电机集成式特斯拉涡轮发电装置，其特征在于，所述电机转子的环形永磁体或多个扇形永磁体以过盈配合或胶粘方式固定设置在所述盘式叶轮中在轴向上位于最外侧的一刚性圆盘叶片的外端面上。

6.根据权利要求1所述的电机集成式特斯拉涡轮发电装置，其特征在于，所述电机定子的铁芯和线圈固定设置在所述涡轮外壳的轴向端壁的内表面或外表面上。

7.根据权利要求1所述的电机集成式特斯拉涡轮发电装置，其特征在于，所述电机定子的铁芯和线圈固定设置在位于所述涡轮外壳内的一固定支架上。

8.根据权利要求1所述的电机集成式特斯拉涡轮发电装置，其特征在于，所述电机转子和电机定子的数量均为两个，所述涡轮外壳的轴向两端壁上分别设有一电机定子，所述盘式叶轮中在轴向上位于最外侧的两个刚性圆盘叶片上分别设有一电机转子。

9.根据权利要求1所述的电机集成式特斯拉涡轮发电装置，其特征在于，所述叶轮发电机通过一变频器与电网相连，以接收所述叶轮发电机产生的电磁感应电能。

10.根据权利要求1所述的电机集成式特斯拉涡轮发电装置，其特征在于，所述变频器为四象限形式：

当所述特斯拉涡轮启动时，所述电网通过所述变频器带动所述盘式叶轮达到设计转速，然后再通入流体工质做功，以减少流体工质消耗量；

当所述特斯拉涡轮正常运行时，所述变频器用于将所述叶轮发电机产生的电能转化为工频电能以满足所述电网要求；

当所述特斯拉涡轮甩负荷故障时，所述变频器驱动所述述盘式叶轮制动，以防止涡轮飞车。