CN209324522U - 一种燃气轮机发电机 - Google Patents

Abstract

一种燃气轮机发电机，包括：转轴、第一径向轴承、电机、第二径向轴承、特斯拉压气机、燃烧室、特斯拉涡轮机和第三径向轴承；转轴依次穿过第一径向轴承、电机、第二径向轴承、特斯拉压气机、特斯拉涡轮机和第三径向轴承；特斯拉压气机的进气入口与外界连通，排气出口与燃烧室的进气入口连通，所述燃烧室的排气出口与特斯拉涡轮机的进气入口连通，所述特斯拉涡轮机的排气出口与外界连通，第一径向轴承、第二径向轴承和第三径向轴承为非接触性轴承。本设备通过采用特斯拉压气机和特斯拉涡轮机，且其转子系统采用非接触性轴承支撑，提高了燃气轮机发电机的整体效率。

Description

一种燃气轮机发电机

技术领域

本实用新型涉及发电技术领域，特别涉及一种燃气轮机发电机。

背景技术

特斯拉涡轮机是一种无叶片的，由流体剪切力驱动的涡轮机，它被称为无叶片涡轮。特斯拉涡轮机应用了边界层效应，流体受黏滞力影响，会在管壁或者其它物体边缘形成一层很薄的边界层，在边界层内，固定表面的流速为零，离表面越远速度越大。利用这个效应就可以让高速运动的流体带动一组圆盘转动。特斯拉涡轮机的效率可达95％，比普通的叶片涡轮机高得多。虽然特斯拉涡轮机具有效率高的优点，但由于特斯拉涡轮机的扭矩低，对机械摩擦敏感度极高，现有的特斯拉涡轮机在轴承上的功率损耗较大，从而导致现有特斯拉涡轮机效率较低的问题，限制了特拉斯涡轮机的推广应用。

现有技术已有利用特斯拉涡轮机的特点设计涡轮使用，如：设置两个特斯拉涡轮机，在两个特斯拉涡轮机中间设置发电机，利用两个特斯拉涡轮机的循环做功，带动发电机连续发电。但这样的结构并非真正意义上的燃气轮机，相对于传统燃气轮机，效率仍然较低。同时，如果在现有技术上直接改进，增加燃烧室，燃烧室内的高温将会对发电机造成伤害，因此，尚无真正意义上的使用特斯拉涡轮机作为压气机和涡轮的燃气轮机。

发明内容

本实用新型实施例的目的是提供一种燃气轮机发电机，通过采用特斯拉压气机和特斯拉涡轮机，简化了结构，减小了体积，提高了燃气轮机发电机的整体效率高。

为解决上述技术问题，本实用新型实施例的第一方面提供了一种燃气轮机发电机，包括：转轴、第一径向轴承、电机、第二径向轴承、特斯拉压气机、燃烧室、特斯拉涡轮机和第三径向轴承；

所述转轴依次穿过所述第一径向轴承、电机、第二径向轴承、特斯拉压气机、特斯拉涡轮机和第三径向轴承；所述转轴在所述第一径向轴承、电机的定子、第二径向轴承和第三径向轴承内旋转；

所述转轴与所述特斯拉压气机的特斯拉涡轮盘和所述特斯拉涡轮机的特斯拉涡轮盘固定连接；

所述特斯拉压气机的进气入口与外界连通，排气出口与燃烧室的进气入口连通，所述燃烧室的排气出口与特斯拉涡轮机的进气入口连通，所述特斯拉涡轮机的排气出口与外界连通；所述第一径向轴承、第二径向轴承和第三径向轴承均为非接触性轴承。

进一步的，所述燃气轮机发电机还包括：

扩压器，设置在所述特斯拉压气机的排气出口与燃烧室的进气入口之间，用于对所述特斯拉压气机的排气出口排出的气体增压。

进一步的，所述燃气轮机发电机还包括：

喷嘴，所述喷嘴设置于所述燃烧室排气出口和特斯拉涡轮机之间，用于对所述燃烧室排气出口排出的气体增速。

进一步的，所述燃气轮机发电机还包括：

回热器，所述回热器的压缩空气进口与特斯拉压气机的排气出口连通，回热器的压缩空气出口与燃烧室的进气入口连通；所述回热器的高温气体入口与特斯拉涡轮机的排气口连通，所述回热器的高温气体出口与外界连通。

进一步的，所述燃气轮机发电机还包括：

壳体，所述转轴、第一径向轴承、电机、第二径向轴承、特斯拉压气机、燃烧室、特斯拉涡轮机和第三径向轴承均设置在所述壳体内，所述转轴靠近第一径向轴承一端设置在所述壳体的进气口处；

所述壳体的进气口两端分别与特斯拉压气机的进气入口和外界连通；

所述壳体的出气口两端分别与所述回热器的高温气体出口和外界连通。

进一步的，所述特斯拉压气机包括多个结构相同的第一圆盘；

所述第一圆盘上设置有第一定位孔和至少一个进气孔；

所述转轴穿过多个所述第一圆盘的第一定位孔，并与所述第一圆盘固定连接，优选地，相邻第一圆盘之间设置有调整间隙的第一垫片。

进一步的，所述特斯拉涡轮机包括：涡轮壳体和设置于所述涡轮壳体内的多个结构相同的第二圆盘；

所述涡轮壳体上设置有与所述燃烧室的排气出口连通的特斯拉涡轮机的进气入口；

所述第二圆盘设置有第二定位孔和至少一个排气孔；

所述转轴穿过所述涡轮壳体，并穿过所述第二圆盘的第二定位孔与所述多个第二圆盘固定连接，优选地，相邻第二圆盘之间设置有调整间隙的第二垫片。

进一步的，所述多个第一圆盘通过键安装在转轴上并用弹簧垫圈固定。

进一步的，所述进气孔为多个，均匀分布于所述第一圆盘表面，优选地，所述进气孔为3个；

和/或

所述排气孔为多个，均匀分布于所述第二圆盘表面，优选地，所述排气孔为3个。

进一步的，所述第一圆盘为静流式或离心式，静流式第一圆盘的两个表面均为光滑平面，离心式第一圆盘，其两个表面均设置增压元件，所述增压元件为设置于所述第一圆盘两个表面的增压槽或增压凸起；

优选的，在第一圆盘的两个表面设置增压槽时，设置与所述增压槽形状相匹配的增压金属箔片，其两端分别与相邻的两个所述第一圆盘的增压槽连接；

和/或所述第二圆盘为静流式，静流式第二圆盘的两个表面均为光滑平面。

进一步的，所述第一圆盘由普通钢材制成，

和/或

所述第二圆盘的材料为碳纤维增韧陶瓷，优选为金属基碳纤维复合陶瓷材料。

进一步的，相邻的所述第二圆盘间的间隙为2-12微米，优选为3-9 微米。

进一步的，所述金属基碳纤维复合陶瓷材料由下述步骤制作而成：

将碳纤维放入电解液中电镀；

对电镀后的碳纤维造型，得到预定形状的碳纤维；

将造型后的碳纤维加热至金属熔点，待金属熔化混合后冷却至室温，出料，得到所述金属基碳纤维复合材料；

在所述金属基碳纤维复合材料表面进行阳极氧化；

在经过阳极氧化的所述金属基碳纤维复合材料表面烧结陶瓷，得到所述金属基碳纤维复合陶瓷材料。

进一步的，所述燃气轮机发电机的转速为5-20万转/分钟，优选10 万转/分钟。

进一步的，所述燃气轮机发电机的燃料选自汽油、柴油、甲醇中的任一种。

进一步的，所述电机为动压轴承电机或启发一体式电机，优选的，所述电机为启发一体式动压轴承电机；

和/或，

所述燃烧室为内部设置有陶瓷衬套或者内壁具有陶瓷镀层或者内壁陶瓷化处理的金属壳体结构。

进一步的，所述特斯拉涡轮机的进气入口为多个，且沿所述转轴的轴向设置。

进一步的，所述转轴包括：通过联轴器连接的第一转轴和第二转轴；

所述第一转轴与所述电机和特斯拉压气机连接；

所述第二转轴与所述特斯拉涡轮机连接。

进一步的，所述燃气轮机发电机的发电功率为0.1kW-10kW，优选为 0.5kW-3kW。

本实用新型实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

1.通过采用特斯拉压气机和特斯拉涡轮机组成的燃气轮机发电机，且转子系统使用非接触轴承进行支撑，燃气轮机发电机的整体效率高；

2.通过采用回热器，对特斯拉涡轮机的高温尾气进行余热回收，进一步提高了能源的利用率和燃气轮机发电机的效率；

3.通过采用特斯拉压气机和特斯拉涡轮机，取消了对传统压气机和传统涡轮机中结构复杂的叶片加工这一工序，简化了压气机和涡轮机的结构，使其结构简单紧凑并减小了体积；

4.通过采用增压结构的特斯拉压气机，进一步提高了压气机压缩气体的工作效率；

5.通过采用由碳纤维增韧陶瓷材料制作的特斯拉涡轮机圆盘，提高了圆盘的强度和抵御高温气体射流的抗侵蚀能力；同时，可以满足对更大尺寸圆盘的要求时也不易变形。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的燃气轮机发电机的立体图；

图2是本实用新型实施例提供的特斯拉压气机立体原理图；

图3是本实用新型实施例提供的特斯拉压气机的平面剖视图；

图4是本实用新型实施例提供的第一圆盘结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的离心式第一圆盘增压槽结构示意图；

图6是本实用新型实施例提供的离心式第一圆盘增压凸起结构示意图；

图7是本实用新型实施例提供的离心式第一圆盘增压金属箔片结构示意图；

图8是本实用新型实施例提供的安装增压金属箔片的离心式第一圆盘示意图；

图9是本实用新型实施例提供的特斯拉压气机的空气流动方向示意图；

图10是本实用新型实施例提供的特斯拉涡轮机的立体剖视图；

图11是本实用新型特斯拉涡轮盘的金属基碳纤维复合陶瓷材料的制备方法流程图；

图12是本实用新型实施例提供的燃气轮机发电机的第一种控制方法流程图；

图13是本实用新型实施例提供的燃气轮机发电机的第二种控制方法流程图。

附图标记：

100、转轴，200、第一径向轴承，300、电机，400、第二径向轴承， 500、特斯拉压气机，510、第一圆盘，520、第一定位孔，530、进气孔， 540、第一垫片，550、键，560、弹簧垫圈，570、增压凸起，580、增压金属箔片，600、燃烧室，610、回热器，700、特斯拉涡轮机，710、第二圆盘，720、涡轮壳体，721、涡轮机进气口，730、第二定位孔，740、排气孔，750、第二垫片，800、第三径向轴承，900、壳体，910、壳体进气口，920、壳体出气口。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。

图1是本实用新型实施例提供的燃气轮机发电机的立体图。

请参照图1，本实用新型实施例的第一方面提供了一种燃气轮机发电机，包括：转轴100、第一径向轴承200、电机300、第二径向轴承400、特斯拉压气机500、燃烧室600、特斯拉涡轮机700和第三径向轴承800。转轴100依次穿过第一径向轴承200、电机300、第二径向轴承400、特斯拉压气机500、特斯拉涡轮机700和第三径向轴承800。转轴100与第一径向轴承200、电机300的定子、第二径向轴承400和第三径向轴承800 内旋转；转轴100与特斯拉压气机500的特斯拉涡轮盘和特斯拉涡轮机700 的特斯拉涡轮盘固定连接。特斯拉压气机500的进气入口与外界连通，排气出口与燃烧室600的进气入口连通，燃烧室600的排气出口与特斯拉涡轮机700的进气入口连通，特斯拉涡轮机700的排气出口与外界连通。第一径向轴承200、第二径向轴承400和第三径向轴承800均为非接触性轴承，由于燃气轮机的转子系统的转速非常高，普通机械轴承已不能满足工作转速的需求，非接触性轴承由于不存在机械接触，转子系统转速只受材料强度限制，功耗和噪声极低，能适用于多种复杂的应用环境。

优选的，燃气轮机发电机还包括扩压器，扩压器设置于特斯拉压气机 500的排气出口与燃烧室600的进气入口之间(图中未示出)，扩压器将从特斯拉压气机500的排气出口排出的气体的速度转化为压力，高压气体进入燃烧室600燃烧。

优选的，在燃烧室600排气出口与特斯拉涡轮机700之间设置有喷嘴 (图中未示出)，喷嘴将从燃烧室600的排气口排出的高温高压燃气的压力再转化成燃气的流速，高流速的燃气进入特斯拉涡轮机700做功。

优选的，燃气轮机发电机还包括回热器610，回热器610的压缩空气进口与特斯拉压气机500的排气出口连通，回热器610的压缩空气出口与燃烧室600的进气入口连通，回热器610的压缩空气进口和压缩空气出口相连通；回热器610的高温气体入口与特斯拉涡轮机700的排气口连通，回热器610的高温气体出口与外界连通，回热器610的高温气体入口与高温气体出口相连通。回热器610利用特斯拉涡轮机700的高温尾气实现对燃烧室600进气入口的进气预热，进一步提高了燃烧效率。

优选的，燃气轮机发电机还包括壳体900，转轴100、第一径向轴承 200、电机300、第二径向轴承400、特斯拉压气机500、燃烧室600、特斯拉涡轮机700和第三径向轴承800均设置在所述壳体900内。转轴100 靠近第一径向轴承200一端设置在所述壳体900的进气口910处，进气口 910两端分别与特斯拉涡轮机700的进气入口和外界连通；壳体900的出气口920两端分别与回热器610的的高温气体出口和外界连通。

图2是本实用新型实施例提供的特斯拉压气机立体原理图。

图3是本实用新型实施例提供的特斯拉压气机的平面剖视图。

图4是本实用新型实施例提供的第一圆盘结构示意图。

请参照图2、图3和图4，特斯拉压气机500包括多个结构相同的第一圆盘510；第一圆盘510上设置有第一定位孔520和至少一个进气孔530；第一定位孔520位于第一圆盘510的中心，其孔径与转轴100的直径相匹配；转轴100穿过多个第一圆盘510的第一定位孔520，并与第一圆盘510 固定连接。

可选的，进气孔530设置于第一圆盘510上靠近第一定位孔520处。

可选的，进气孔530为多个，且环绕第一定位孔520均匀分布。优选的，进气孔530为3个，且环绕第一定位520均匀分布。

相邻的两个第一圆盘510之间设置有用于调整间隙的第一垫片540，第一垫片540将相邻的两个第一圆盘510间隔预设距离。

优选的，多个圆盘510通过键550安装在转轴100上并用弹簧垫圈560 固定。

优选的，第一圆盘510为静流式，其两个表面均为光滑平面，如图4 所示。

图5是本实用新型实施例提供的离心式第一圆盘增压槽结构示意图。

图6是本实用新型实施例提供的离心式第一圆盘增压凸起结构示意图。

请参照图5和图6，在本实用新型实施例的一个实施方式中，第一圆盘510为离心式，即在圆盘510的两个表面设置增压元件，增压元件为设置于第一圆盘510两个表面的增压槽或增压凸起570，以提高特斯拉压气机500的增压能力。增压槽或增压凸起的结构如图5和图6所示。

图7是本实用新型实施例提供的离心式第一圆盘增压金属箔片结构示意图。

图8是本实用新型实施例提供的安装增压金属箔片的离心式第一圆盘示意图。

请参照图7和图8，在圆盘510的两个表面设置增压槽时，设置与所述增压槽形状相同的增压金属箔片580，增压金属箔片580两端分别与相邻的两个第一圆盘510的增压槽连接，进一步提高了特斯拉压气机500的增压能力。

第一圆盘510材料为普通钢材，第一圆盘510周围的气体温度较低，普通钢材即可满足第一圆盘510的使用要求，节省了生产成本。

优选的，参见图9，图9为特斯拉压气机500中空气的流动方向示意图。特斯拉压气机500工作时，空气从进气孔530进入第一圆盘510之间的间隙，随着第一圆盘510的高速旋转，第一圆盘510之间的间隙中的气体被加速、加压，加速、加压后的气体从斯拉压气机500的排气出口进入燃烧室600或者先进入回热器610后再进入燃烧室600和燃烧室600内的燃料混合燃烧。

图10是本实用新型实施例提供的特斯拉涡轮机的立体剖视图。

优选的，请参照图10，特斯拉涡轮机700包括：涡轮壳体720和设置于涡轮壳体720内的多个结构相同的第二圆盘710；涡轮壳体720上设置有与燃烧室600的排气出口连通的至少一个进气口721。第二圆盘710设置有第二定位孔730和排气孔740；转轴穿过涡轮壳体720，并穿过多个结构相同的第二圆盘710的第二定位孔730与多个第二圆盘710固定连接。第二圆盘710的个数和直径依据电机300的功率以及设计转速具体进行设计，在此不做限定。

优选的，相邻的两个第二圆盘710之间设置有用于调整间隙的第二垫片750。

可选的，相邻的两个第二圆盘710间的间隙为2-12微米；优选的，相邻的两个第二圆盘710间的间隙为3-9微米。

优选的，排气孔740设置在靠近第二定位孔730处。可选的，排气孔 740为多个，且均匀分布于第二圆盘710表面。优选的，排气孔740的数量为3个。

在本实用新型实施例的一个实施方式中，第二圆盘710为静流式，其两个表面为光滑平面。

可选的，第二圆盘710的材料为轻质耐高温材料；优选的，第二圆盘 710的材料为碳纤维增韧陶瓷。碳纤维增韧陶瓷具有极高的硬度和抗压强度，耐热性好，在高温下可以保持形状尺寸不变，能够抵御高温气体射流的侵蚀。具体的，碳纤维增韧陶瓷可选择为金属基碳纤维复合陶瓷材料，该陶瓷材料按照如下步骤制备，如图11所示：

S110、将碳纤维放入电解液中电镀；

S120、对电镀后的碳纤维造型，得到预定形状的碳纤维；

S130、将造型后的碳纤维加热至金属熔点，待金属熔化混合后冷却至室温，出料，得到所述金属基碳纤维复合材料；

S140、在所述金属基碳纤维复合材料表面进行阳极氧化，阳极氧化所起的作用可以让金属(具体可以选择为镍)和高温陶瓷的相接面融合更好，形成一个过渡面，在金属(镍)的表面形成氧化层；

S150、在经过阳极氧化的金属基碳纤维复合材料表面烧结耐高温陶瓷，得到金属基碳纤维复合陶瓷材料。

具体的，金属基碳纤维复合陶瓷材料为镍基碳纤维复合陶瓷材料，陶瓷为氧化钇稳定氧化锆YSZ。

具体的，步骤150包括：将氧化钇稳定氧化锆粉末喷洒至所述金属基碳纤维复合材料表面后进行热等静压烧结。具体过程为：在1-3Mpa下，将温度从室温25℃开始以1-5℃/分钟(优选3℃/分钟)的速度上升至 1400-1800℃(优选1600℃)；然后保温保压，保温时间为0.5-3小时(优选1小时)、保温压力为3-6Mpa；保温保压后，在1-3Mpa的压力下，以 3-7℃/分钟(优选5℃/分钟)的速度降温到室温25℃。如果升温或降温速度过快，会导致各组分收缩及相变不均匀，产生大量内应力，导致陶瓷开裂；如果保温压力和时长不足，同样会导致各组分收缩及相变不均匀，产生大量内应力，导致陶瓷开裂。

通过采用由碳纤维增韧陶瓷材料制作的特斯拉涡轮机圆盘，提高了圆盘的强度和抵御高温气体射流的抗侵蚀能力；同时，可以满足对更大尺寸圆盘的要求时也不易变形。

进一步的，本实用新型的燃气轮机发电机的转速为5-20万转/分钟，优选10万转/分钟。

进一步的，本实用新型的燃气轮机发电机的燃料可选用汽油、柴油、甲醇以及其他清洁能源等，优选甲醇，甲醇与汽油、柴油等燃油相比，其燃烧产生的燃气中没有油污，有利于提高特斯拉涡轮机700各圆盘之间的清洁度，便于燃气轮机发电机的维护和保养。

进一步的，由于特斯拉涡轮机700是利用流体的粘性将流体的动能转化为涡轮的机械能，因此正常情况下，涡轮做功过程中不会对转轴产生较大的轴向力，但是在涡轮做功过程中，受到流体气流的影响，会产生一定程度的轴向的抖动。

可选的，燃烧室600为内部设置有陶瓷衬套或者内壁具有陶瓷镀层或者内壁陶瓷化处理的金属壳体结构，因为陶瓷材料可以极大地提高燃烧室600的耐高温性能，同时具有很强的抗压能力。

另外，在上述附图及实施方式中，尽管特斯拉压气机500和特斯拉涡轮机700之间是通过一根转轴100刚性连接，且特斯拉涡轮机700的进气入口721只设置有一个，但是应当理解，本实用新型的具体实施方式不限于此。例如为了拆装和维护保养的方便，本实用新型的燃气轮机发电机也可以设置为双轴结构，即电机300和特斯拉压气机500共用一根转轴，特斯拉涡轮机700则设置有另一根转轴，两个转轴之间通过联轴器连接，这种设置也能够起到一定的隔热作用，及减少特斯拉涡轮机700中高温气体对特斯拉压气机500的影响。

优选的，为了提高特斯拉涡轮机700中各圆盘710之间的间隙中气流的均匀性，特斯拉涡轮机700的进气入口721也可以沿着转轴100的轴向设置为多个。

进一步地，本实用新型的燃气轮机发电机优选制作成小功率、小体积的发电机，发电机的发电功率为0.1kW-10kW,优选0.5kW-3kW。

本实用新型的第二方面提供了一种燃气轮机发电机的应用领域。具体的，燃气轮机发电机可用于增程式电动汽车、增程式电动摩托车、家用便携式电源等。当本实用新型的燃气轮机发电机用于增程式电动汽车时，由于其小巧轻便且发电功率较小，因此可以设置为24小时运行模式，以减少燃气轮机发电机频繁开启和关闭时的能量损失。

本实用新型的燃气轮机发电机还可以用于无人机的主动力电源或者其他飞行器的辅助动力源(APU)等。

下面就本实用新型的燃气轮机发电机的工作过程中的控制方法进行具体说明。

如前所示，径向轴承可以采用气磁混合径向轴承或气体动静压混合径向轴承。为了便于描述，将不需要转轴100转动就能起到润滑作用的轴承定义为静压轴承，转轴100转动到一定速度时才能工作的轴承定义为动压轴承。燃气轮机发电机中径向轴承可以采用气磁混合径向轴承或气体动静压混合径向轴承；气磁混合径向轴承中的径向磁轴承以及气体动静压混合径向轴承中的气体静压轴承可以称为静压轴承；气体动静压混合径向轴承中的气体动压轴承可以称为动压轴承。

图12是本实用新型实施例提供的燃气轮机发电机的第一种控制方法流程图。

请参照图12，本实用新型实施例的第三方面提供了一种燃气轮机发电机的控制方法，用于控制前述的燃气轮机发电机。该控制方法包括：

S11，开启径向轴承中的静压轴承，以使转轴100移动至预设径向位置。

其中，开启静压轴承包括：开启轴承中的磁轴承，和/或，向轴承中的静压进气节流孔输送气体。

S12，启动燃气轮机发电机，使转轴100启动。空气从特斯拉压气机 500的进气孔530进入多个圆盘510之间的间隙，随着特斯拉压气机500 的高速旋转，圆盘510之间的间隙中的气体被加速、加压，加速、加压后的气体从斯拉压气机500的排气出口进入燃烧室600和燃烧室600内的燃料混合燃烧；燃烧室600排出的高温高压气体通过燃烧室600的排气出口进入特斯拉涡轮机700的进气入口做功，高温高压气体带动特斯拉涡轮机 700的圆盘710转动做功，圆盘710带动转轴100旋转发电。

以下以电机为启发一体式电机为例，对燃气轮机发电机的启动过程进行具体描述。

燃气轮机控制器(Electronic Control Unit，简称ECU)接收到启动信号后，对电机功率控制器(Data Processing Center，简称DPC)发送电机驱动模式指令；DPC切换到电机驱动模式，DPC将燃气轮机内置电池的直流电进行变频，驱动电机工作，电机带动燃气轮机提升转速。

待燃气轮机的转速提升至点火转速后，打开燃料阀，进入点火程序。空气由进气口910进入特斯拉压气机500进行压缩后进入回热器610并被来自特斯拉涡轮机700排出的高温气体预热，预热后的压缩空气进入燃烧室600与燃料混合并燃烧，燃烧室600充分燃烧后的高温高压气体进入特斯拉涡轮机700对第二圆盘710做功，第二圆盘710带动转轴100旋转，特斯拉涡轮机700的排气从排气孔740排出后进入回热器610对进入燃烧室600前的冷压缩空气预加热后由回热器610的高温气体出口排出，由于特斯拉压气机500、特斯拉涡轮机700和电机300通过转轴100连接，特斯拉涡轮机700旋转带动特斯拉压气机500一起旋转至自持速度。

燃气轮机到达自持转速后，DPC挂起，电机空转继续增加油门，特斯拉涡轮机700继续提升功率，使转速提升至工作转速。ECU对DPC发送发电机模式指令；DPC切换到发电机模式，并将电机输出的交流电通过整流变压后输出用户所需电压电流。

S13、转轴100的转速加速至工作转速之后，关闭径向轴承静压轴承。

其中，关闭静压轴承包括：关闭轴承中的磁轴承，和/或，停止向轴承中的静压进气节流孔输送气体。

S14、燃气轮机发电机停机时，开启径向轴承中的静压轴承。

S15、转轴100的转速减速至零之后，关闭径向轴承中的静压轴承。

在上述过程中，控制转子系统中的轴承，使径向轴承中的静压轴承一直开启至转轴100的转速达到工作转速。

燃气轮机发电机停机时，控制转子系统中的轴承，使径向轴承中的静压轴承一直开启至转轴的转速为零。

图13是本实用新型实施例提供的燃气轮机发电机的第二种控制方法流程图。

本实用新型的第四方面提供了另一种燃气轮机发电机组的控制方法，如图13所示，包括：

S21、开启径向轴承中的静压轴承，以使转轴100移动至预设径向位置。

其中，开启静压轴承包括：开启轴承中的磁轴承，和/或，向轴承中的静压进气节流孔输送气体。

S22、启动燃气轮机发电机，转轴100启动，空气从特斯拉压气机500 的进气孔530进入多个圆盘510之间的间隙，随着特斯拉压气机500的高速旋转，圆盘510之间的间隙中的气体被加速、加压，加速、加压后的气体从斯拉压气机500的排气出口进入燃烧室600和燃烧室600内的燃料混合燃烧；燃烧室600排出的高温高压气体通过燃烧室600的排气出口进入特斯拉涡轮机700的进气入口做功，高温高压气体带动特斯拉涡轮机700 的圆盘710转动做功，圆盘710带动转轴100旋转发电。

S23、转轴的转速加速至第一预设值之后，关闭径向轴承中的静压轴承。

其中，第一预设值可以是额定转速的5％至30％。

其中，关闭静压轴承，包括：关闭轴承中的磁轴承，和/或，停止向轴承中的静压进气节流孔输送气体。

S24、转子系统加速至一阶临界速度或二阶临界速度时，开启径向轴承中的静压轴承。

S25、转子系统平稳度过一阶临界速度或二阶临界速度之后，关闭径向轴承中的静压轴承。

S26、燃气轮机发电机停机过程中，当转子系统减速至一阶临界速度或二阶临界速度时，开启径向轴承中的静压轴承。

S27、转子系统平稳度过一阶临界速度或二阶临界速度之后，关闭径向轴承中的静压轴承。

S28、转轴的转速减速至第二预设值时，开启径向轴承中的静压轴承。

其中，第二预设值可以等于第一预设值，也可以不等于第一预设值，第二预设值可以是额定转速的5％至30％。

S29、转轴100的转速减速至零之后，关闭径向轴承中的静压轴承。

在上述过程中，燃气轮机发电机启动之前，控制转子系统中的轴承，使径向轴承的静压轴承开启。这样，转轴100在径向轴承的静压轴承的作用下，被托起至预设径向位置。

燃气轮机发电机启动之后，转轴100的转速逐渐增大，当转轴100的转速达到第一预设值时，例如额定转速的5％至30％时，控制转子系统中的轴承，使径向轴承中的静压轴承停止工作。当转轴100的转速达到一阶临界速度或二阶临界速度时，控制转子系统中的轴承，使径向轴承的静压轴承重新开启。在转轴100的转速平稳度过一阶临界速度或二阶临界速度之后，控制转子系统中的轴承，使径向轴承中的静压轴承再次停止工作。

燃气轮机发电机停机过程中，转轴100的转速逐渐下降，当转轴100 的转速达到二阶临界速度或一阶临界速度时，控制转子系统中的轴承，使径向轴承的静压轴承再次开启。在转轴100的转速平稳度过二阶临界速度或一阶临界速度之后，控制转子系统中的轴承，使径向轴承中的静压轴承再次停止工作。当转轴100的转速下降至预定值时，例如额定转速的5％至30％时，控制转子系统中的轴承，使径向轴承的静压轴承再次开启直至转速降为零之后，控制转子系统中的轴承，使径向轴承中的静压轴承再次停止工作。

综上所述，本实用新型旨在保护一种燃气轮机发电机及控制方法，该燃气轮机包括：转轴、第一径向轴承、电机、第二径向轴承、特斯拉压气机、燃烧室、特斯拉涡轮机和第三径向轴承；转轴依次穿过第一径向轴承、电机、第二径向轴承、特斯拉压气机、特斯拉涡轮机和第三径向轴承；特斯拉压气机的进气入口与外界连通，排气出口与燃烧室的进气入口连通，燃烧室的排气出口与特斯拉涡轮机的进气入口连通，特斯拉涡轮机的排气出口与外界连通，第一径向轴承、第二径向轴承和第三径向轴承为非接触性轴承。本设备通过采用特斯拉压气机和特斯拉涡轮机，且其转子系统采用非接触性轴承支撑，提高了燃气轮机发电机的整体效率。

应当理解的是，本实用新型的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本实用新型的原理，而不构成对本实用新型的限制。因此，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。此外，本实用新型所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (44)

1.一种燃气轮机发电机，其特征在于，包括：转轴(100)、第一径向轴承(200)、电机(300)、第二径向轴承(400)、特斯拉压气机(500)、燃烧室(600)、特斯拉涡轮机(700)和第三径向轴承(800)；

所述转轴(100)依次穿过所述第一径向轴承(200)、电机(300)、第二径向轴承(400)、特斯拉压气机(500)、特斯拉涡轮机(700)和第三径向轴承(800)；所述转轴(100)在所述第一径向轴承(200)、电机(300)的定子、第二径向轴承(400)和第三径向轴承(800)内旋转；

所述转轴(100)与所述特斯拉压气机(500)的特斯拉涡轮盘和所述特斯拉涡轮机(700)的特斯拉涡轮盘固定连接；

所述特斯拉压气机(500)的进气入口与外界连通，排气出口与燃烧室(600)的进气入口连通，所述燃烧室(600)的排气出口与特斯拉涡轮机(700)的进气入口连通，所述特斯拉涡轮机(700)的排气出口与外界连通；

所述第一径向轴承(200)、第二径向轴承(400)和第三径向轴承(800)均为非接触性轴承。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机发电机，其特征在于，还包括：

扩压器，设置在所述特斯拉压气机(500)的排气出口与燃烧室(600)的进气入口之间，用于对所述特斯拉压气机(500)的排气出口排出的气体增压。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机发电机，其特征在于，还包括：

喷嘴，所述喷嘴设置于所述燃烧室(600)排气出口和特斯拉涡轮机(700)之间，用于对所述燃烧室(600)排气出口排出的气体增速。

4.根据权利要求1所述的燃气轮机发电机，其特征在于，还包括：

回热器(610)，所述回热器(610)的压缩空气进口与特斯拉压气机(500)的排气出口连通，回热器(610)的压缩空气出口与燃烧室(600) 的进气入口连通；所述回热器(610)的高温气体入口与特斯拉涡轮机(700)的排气口连通，所述回热器(610)的高温气体出口与外界连通。

5.根据权利要求4所述的燃气轮机发电机，其特征在于，还包括：壳体(900)，所述转轴(100)、第一径向轴承(200)、电机(300)、第二径向轴承(400)、特斯拉压气机(500)、燃烧室(600)、特斯拉涡轮机(700)和第三径向轴承(800)均设置在所述壳体(900)内，所述转轴(100)靠近第一径向轴承(200)一端设置在所述壳体(900)的进气口(910)处；

所述壳体(900)的进气口(910)两端分别与特斯拉压气机(500)的进气入口和外界连通；

所述壳体(900)的出气口(920)两端分别与所述回热器(610)的高温气体出口和外界连通。

6.根据权利要求1-5任一项所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述特斯拉压气机(500)包括多个结构相同的第一圆盘(510)；

所述第一圆盘(510)上设置有第一定位孔(520)和至少一个进气孔(530)；

所述转轴(100)穿过多个所述第一圆盘(510)的第一定位孔(520)，并与所述第一圆盘(510)固定连接。

7.根据权利要求6所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

相邻第一圆盘(510)之间设置有调整间隙的第一垫片(540)。

8.根据权利要求1-5任一项所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述特斯拉涡轮机(700)包括：涡轮壳体(720)和设置于所述涡轮壳体(720)内的多个结构相同的第二圆盘(710)；

所述涡轮壳体(720)上设置有与所述燃烧室(600)的排气出口连通的特斯拉涡轮机(700)的进气入口(721)；

所述第二圆盘(710)设置有第二定位孔(730)和至少一个排气孔(740)；

所述转轴(100)穿过所述涡轮壳体(720)，并穿过所述第二圆盘的第二定位孔(730)与所述多个第二圆盘(710)固定连接。

9.根据权利要求8所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

相邻第二圆盘(710)之间设置有调整间隙的第二垫片(750)。

10.根据权利要求6所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述多个第一圆盘(510)通过键(550)安装在转轴(100)上并用弹簧垫圈(560)固定。

11.根据权利要求7所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述多个第一圆盘(510)通过键(550)安装在转轴(100)上并用弹簧垫圈(560)固定。

12.根据权利要求6所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述进气孔(530)为多个，均匀分布于所述第一圆盘(510)表面。

13.根据权利要求12所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述进气孔(530)为3个。

14.根据权利要求7所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述进气孔(530)为多个，均匀分布于所述第一圆盘(510)表面。

15.根据权利要求14所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述进气孔(530)为3个。

16.根据权利要求8所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述排气孔(740)为多个，均匀分布于所述第二圆盘(710)表面。

17.根据权利要求16所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述排气孔(740)为3个。

18.根据权利要求9所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述排气孔(740)为多个，均匀分布于所述第二圆盘(710)表面。

19.根据权利要求18所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述排气孔(740)为3个。

20.根据权利要求6所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述第一圆盘(510)为静流式或离心式，静流式第一圆盘(510)的两个表面均为光滑平面，离心式第一圆盘(510)，其两个表面均设置增压元件，所述增压元件为设置于所述第一圆盘(510)两个表面的增压槽或增压凸起(570)。

21.根据权利要求20所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

在第一圆盘(510)的两个表面设置增压槽时，设置与所述增压槽形状相匹配的增压金属箔片(580)，其两端分别与相邻的两个所述第一圆盘(510)的增压槽连接。

22.根据权利要求7所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述第一圆盘(510)为静流式或离心式，静流式第一圆盘(510)的两个表面均为光滑平面，离心式第一圆盘(510)，其两个表面均设置增压元件，所述增压元件为设置于所述第一圆盘(510)两个表面的增压槽或增压凸起(570)。

23.根据权利要求22所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

在第一圆盘(510)的两个表面设置增压槽时，设置与所述增压槽形状相匹配的增压金属箔片(580)，其两端分别与相邻的两个所述第一圆盘(510)的增压槽连接。

24.根据权利要求8所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述第二圆盘(710)为静流式，静流式第二圆盘(710)的两个表面均为光滑平面。

25.根据权利要求9所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述第二圆盘(710)为静流式，静流式第二圆盘(710)的两个表面均为光滑平面。

26.根据权利要求6所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述第一圆盘(510)由普通钢材制成。

27.根据权利要求7所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述第一圆盘(510)由普通钢材制成。

28.根据权利要求8所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述第二圆盘(710)的材料为碳纤维增韧陶瓷。

29.根据权利要求28所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述第二圆盘(710)的材料为金属基碳纤维复合陶瓷材料。

30.根据权利要求9所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述第二圆盘(710)的材料为碳纤维增韧陶瓷。

31.根据权利要求30所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述第二圆盘(710)的材料为金属基碳纤维复合陶瓷材料。

32.根据权利要求8所述的燃气轮机发电机，其特征在于，相邻的所述第二圆盘(710)间的间隙为2-12微米。

33.根据权利要求32所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

相邻的所述第二圆盘(710)间的间隙为3-9微米。

34.根据权利要求9所述的燃气轮机发电机，其特征在于，相邻的所述第二圆盘(710)间的间隙为2-12微米。

35.根据权利要求34所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

相邻的所述第二圆盘(710)间的间隙为3-9微米。

36.根据权利要求1所述的燃气轮机发电机，其特征在于，所述燃气轮机发电机的转速为5-20万转/分钟。

37.根据权利要求36所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述燃气轮机发电机的转速为10万转/分钟。

38.根据权利要求1所述的燃气轮机发电机，其特征在于，所述燃气轮机发电机的燃料选自汽油、柴油、甲醇中的任一种。

39.根据权利要求1所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述电机(300)为动压轴承电机或启发一体式电机；

和/或

所述燃烧室(600)为内部设置有陶瓷衬套或者内壁具有陶瓷镀层或者内壁陶瓷化处理的金属壳体结构。

40.根据权利要求39所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述电机(300)为启发一体式动压轴承电机。

41.根据权利要求1所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述特斯拉涡轮机(700)的进气入口(721)为多个，且沿所述转轴(100)的轴向设置。

42.根据权利要求1所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述转轴(100)包括：通过联轴器连接的第一转轴和第二转轴；

所述第一转轴与所述电机(300)和特斯拉压气机(500)连接；

所述第二转轴与所述特斯拉涡轮机(700)连接。

43.根据权利要求1所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述燃气轮机发电机的发电功率为0.1kW-10kW。

44.根据权利要求43所述的燃气轮机发电机，其特征在于，

所述燃气轮机发电机的发电功率为0.5kW-3kW。