CN214366395U - 双轴发电燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双轴发电燃气轮机，包括第一转子系统和第二转子系统；所述第一转子系统包括第一转轴、第一电机、压气机、第一涡轮和燃烧室，压气机的排气端与燃烧室的入口端连通，燃烧室的排气端与第一涡轮的进气端连通；所述第二转子系统包括第二转轴、第二涡轮和第二电机；所述第一转轴和第二转轴同轴设置；所述第一涡轮的排气端与第二涡轮的进气端连通。本实用新型含两根发电轴，且两根发电轴之间解耦，转速不必相同，便于灵活匹配涡轮的气动设计。转轴长度短，容易保障轴上零件同轴度，加工更容易，集成度高，整机可靠性高。当压气机的落压比较高时，涡轮可设置为两个或多个，以充分利用压气机产生的压差，获得较高的发电效率。

Description

双轴发电燃气轮机

技术领域

本实用新型涉及一种双轴发电燃气轮机，属于燃气轮机技术领域。

背景技术

工业燃气轮机主要包括压气机、燃烧室及透平三大部件。空气进入压气机后被压缩成高温高压的空气，然后供给燃烧室燃料燃烧，其产生的高温高压燃气在透平中膨胀做功。

现有技术中，燃气轮机的各部件设置在一根轴上，由于压气机、涡轮均在此轴上，结构简单，经济性好，但当所需功率较大时，轴长较长，设计难度高。理论上，单转子结构微型燃气轮机的压气机可以作成任意多的级数以达到一定的增压比。但单转子的结构限制使所有零件都安装在同一根主轴之上，当单转子的转速突然下降时，压气机的高压部分会因得不到足够的转速而效率严重下降，同时，压气机低压部分的载荷会急剧上升，低压压气机部分超载运行时就会引起喘振，而在正常运行中，喘振是不被允许的。为解决此问题，通常会在压气机前加装导流叶片或者在压气机的中间级上进行放气，即空放掉一部分被增压的空气以减少压气机低压部分的载荷。此种方式缺点明显，不仅会大大降低效率，而且在高增压比的压气机上的作用也不是十分的明显。

此外，目前燃气轮机中压气机所用叶轮分为开式、半开式和闭式，三种叶轮的特点如下：

(1)开式叶轮：摩擦损失和流动阻力很大，叶轮效率最低，易产生振动，不宜在高转速下工作。

(2)半开式叶轮：摩擦损失和流动阻力较开式的小，效率较高，有一定的刚度和强度，允许在较高的圆周速度下工作。

(3)闭式叶轮：摩擦损失和流动阻力均最小，效率最高，但是由于结构复杂、笨重，以及轮盖在旋转时会对叶片产生巨大的应力，其强度较差，不宜于高转速工况下使用。

目前的压气机采用的叶轮多为半开式叶轮。压气机需要克服的难题在于如何获得较小的摩擦损失和流动阻力、较高的效率、轻巧并具有高强度。

目前的压气机普遍采用多个径向轴承和推力轴承组成的轴承组，往往需要足够长的转轴进行安装，带来的问题是压气机轴向尺寸增加，如果将该类型的压气机用在微型燃气轮机发电机组等设备中，会增大设备所占用的空间，同时增加整体重量，不利于集成化设计，且布置多个轴承所带来的加工及装配误差会增大，加工及装配难度高。

发明内容

针对上述现有技术，本实用新型提供了一种双轴发电燃气轮机，其无需较长的转轴，容易保障轴上零件同轴度，加工更容易，集成度高，整机可靠性高。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种双轴发电燃气轮机，包括第一转子系统和第二转子系统；所述第一转子系统包括第一转轴、第一电机、压气机、第一涡轮和燃烧室，其中，第一电机、压气机和第一涡轮由前到后依次套设在第一转轴上，压气机的排气端与燃烧室的入口端连通，燃烧室的排气端与第一涡轮的进气端连通；

所述第二转子系统包括第二转轴、第二涡轮和第二电机，其中，第二涡轮、第二电机从前到后依次套设在第二转轴上；

所述第一转轴和第二转轴同轴设置，且第一转轴设置在第二转轴之前；所述第一涡轮的排气端与第二涡轮的进气端连通。

进一步的，所述第一电机为启发一体式电机。压气机启动时由启发一体式电机带动，启发一体式电机先作为电动机带动压气机旋转，待加速到能独立运行后脱开，然后作为发电机，由第一涡轮转动带动第一转轴转动进而带动第一电机发电。

进一步的，所述燃烧室为回转的回流燃烧室或轴流燃烧室，燃烧室的轴心与第一转轴同轴，环绕第一转轴设置且位于压气机或/和第一涡轮的外围。

进一步的，所述第一转子系统还包括回热器；所述回热器设有第一进口、第一出口、第二进口和第二出口；压气机的出口与回热器的第一进口连通，回热器的第一出口与燃烧室的入口端连通，第一涡轮的排气端与回热器的第二进口连通，回热器的第二出口与第二涡轮的进气端连通。工作时，工质(比如空气)从压气机入口进入，经压气机压缩后，从其出口进入回热器的第一进口，并从第一出口流出，进入燃烧室燃烧后进入第一涡轮的进气端，推动第一涡轮旋转做功；工质经第一涡轮做功后，从第一涡轮的排气端进入回热器的第二进口，在回热器内换热后从其第二出口流出，进入第二涡轮，流出的气体推动第二涡轮旋转做功，进而带动第二电机发电。

进一步的，所述压气机为闭式叶轮压气机；所述闭式叶轮压气机包括转轴，转轴上套设闭式叶轮和电机；所述闭式叶轮，包括后盖、叶片、套体和前盖，其中，后盖设置在套体尾端，且后盖与套体中心设置一体的通孔用于套设并固定于转轴上；叶片环绕套体设置且朝同一方向旋转，叶片的一端与套体外壁连接，另一端与后盖端面连接；前盖罩设于叶片上，前盖呈圆台环状；前盖的进气面为沿叶片脊线轮廓光滑过渡的曲面，背气面设有与叶片端部相吻合的凹槽，各凹槽对应的叶片端部嵌入凹槽内紧配合连接；叶片、后盖和前盖之间形成流道；前盖尾部和后盖之间由叶片隔成间隔的出风口，气体由叶片前部经流道从出风口流出。

进一步的，所述后盖、叶片和套体一体成型。

进一步的，所述叶片外缘在轴向上凸出于后盖端面。

进一步的，所述叶片包括较长的主叶片和较短的分流叶片，主叶片和分流叶片依次间隔设置。所述前盖凹槽分为主叶片槽和分流叶片槽，分别对应主叶片和分流叶片端部设置。

进一步的，所述前盖的前沿凸出于叶片前沿，或平于叶片前沿，或短于叶片前沿。

进一步的，所述前盖由碳纤维复合材料制成。

进一步的，所述闭式叶轮外罩设静子，静子上正对前盖的部分均匀开设一圈或多圈气孔，该处进气后可分解为轴向和径向的气流，径向气流将使叶轮悬浮于静子内稳定转动，轴向气流将叶轮向后推，静子用作空气轴承同时起到了径向轴承和推力轴承的作用。

进一步的，所述第一转轴或/和第二转轴上设置推力轴承及推力盘。

进一步的，所述第一转轴或/和第二转轴上设置至少一个径向轴承。具体地，对于第一转子系统，径向轴承可以设置在转轴的前端，可以解决第一转轴前端悬臂过长、且由于电机的磁力而引起转轴偏移的问题。此外，径向轴承还可以设置在第一电机的一侧或两侧，或者压气机和第一涡轮之间。

进一步的，所述第一涡轮设置为两个或多个并串联于第一转轴上；相邻的涡轮之间可设置径向轴承。工作时，燃烧室或回热器的第二出口的排气依次推动各个涡轮转动做功。

进一步的，所述第二涡轮设置为两个或多个并串联于第二转轴上；相邻的涡轮之间可设置径向轴承。工作时，第一涡轮的排气依次推动各个第二涡轮转动做功。

进一步的，第一电机的功率为20～30KW，第二电机的功率为120～130KW，燃气轮机总体功率为140～160KW。

本实用新型的双轴发电燃气轮机，含两根发电轴，且两根发电轴之间解耦，转速不必相同，便于灵活匹配涡轮的气动设计。本实用新型的双轴发电燃气轮机，含两根转轴，与采用一根较长的转轴相比，在保证高功率的同时，每根转轴所需长度较短，转轴长度缩短(转轴上轴承数量越少，转轴长度越短，设备的整体长度越短，集成化更高)，容易保障轴上零件同轴度，加工更容易，集成度高，整机可靠性高。当压气机的落压比较高时，第一涡轮或/和第二涡轮可设置为两个或多个，以充分利用压气机产生的压差，获得较高的发电效率。本实用新型的压气机采用闭式叶轮，可以获得较小的摩擦损失和流动阻力、较高的效率、轻巧并具有高强度。

本实用新型所采用的闭式叶轮压气机，设置可拆卸的前盖，前盖呈圆台环状，进气面为沿叶片脊线轮廓光滑过渡的曲面，背气面设有与叶片端部相吻合的凹槽，工作时摩擦损失小，流动阻力小，效率高；工作时前盖与叶片之间紧密咬合，气体由叶片前部经流道从出风口流出，气体泄露极少。前盖由碳纤维复合材料制成，叶轮整体质量轻且具有高强度，转动时叶片(金属材质)会膨胀，而前盖不膨胀，因此随着转动的增快、时间的增长，叶片和前盖的凹槽之间的咬合会越来越紧(设置有静子作为空气轴承时，其进气也会施加在前盖上，进一步防止叶片和前盖的凹槽分离)，适合高速旋转工况。设有分流叶片，既可以减少进口气流的堵塞，又可以提高叶轮出口的滑移系数，不仅使叶轮效率提高，而且由于改善了叶轮出口的流场，从而可以提高压气机的整机效率。本实用新型的闭式叶轮压气机，设有斜向推力结构，静子用作空气轴承同时起到了径向轴承和推力轴承的作用(从气孔内向静子和叶轮之间的间隙内通入气体，使间隙内形成均匀稳定的气膜，使叶轮在静子内稳定旋转，从而起到空气轴承的作用)，可以减少甚至取代原有的径向轴承及推力轴承。静子兼做推力轴承时，若转轴上还设置其他径向轴承，相当于有多个径向轴承支撑，整体振动小，运行稳定。若转轴上没有其他径向轴承或者只含有少量径向轴承，则缩短转轴长度，容易保障轴上零件同轴度，加工更容易，集成度高，整机可靠性高。

本实用新型使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。提及的术语和短语如有与公知含义不一致的，以本实用新型所表述的含义为准。

附图说明

图1：实施例1的双轴发电燃气轮机结构原理示意图。

图2：实施例2的双轴发电燃气轮机结构原理示意图。

其中，100、第一转轴；200、第一电机；300、压气机；400、第一涡轮；500、燃烧室；600、第二转轴；700、第二涡轮；800、第二电机；900、回热器。

图3：闭式叶轮压气机的结构示意图。

图4：闭式叶轮的结构示意图。

图5：后盖、叶片和套体的结构示意图。

图6：图5的主视图。

图7：图5的侧视图。

图8：图7中A-A位置的剖视图。

其中，1、转轴；2、叶轮；201、后盖；202、叶片；203、套体；204、前盖；205、流道；206、出风口；3、静子；301、气孔；4、电机。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步的说明。然而，本实用新型的范围并不限于下述实施例。本领域的专业人员能够理解，在不背离本实用新型的精神和范围的前提下，可以对本实用新型进行各种变化和修饰。

实施例1双轴发电燃气轮机

一种双轴发电燃气轮机，包括第一转子系统和第二转子系统，如图1所示；所述第一转子系统包括第一转轴100、第一电机200、压气机300、第一涡轮400和燃烧室500，其中，第一电机200、压气机300和第一涡轮400由前到后依次套设在第一转轴100上，压气机300的排气端与燃烧室500的入口端连通，燃烧室500的排气端与第一涡轮400的进气端连通；

所述第二转子系统包括第二转轴600、第二涡轮700和第二电机800，其中，第二涡轮700、第二电机800从前到后依次套设在第二转轴600上；

所述第一转轴100和第二转轴600同轴设置，且第一转轴100设置在第二转轴600之前；所述第一涡轮400的排气端与第二涡轮700的进气端连通。

所述第一电机200可以为启发一体式电机。压气机300启动时由启发一体式电机带动，启发一体式电机先作为电动机带动压气机300旋转，待加速到能独立运行后脱开，然后作为发电机，由第一涡轮400转动带动第一转轴100转动进而带动第一电机200发电。

所述燃烧室500可以为回转的回流燃烧室或轴流燃烧室，燃烧室500的轴心与第一转轴100同轴，环绕第一转轴100设置且位于压气机300或/和第一涡轮400的外围。

所述第一涡轮400可设置为两个或多个并串联于第一转轴100上；相邻的涡轮之间可设置径向轴承。工作时，燃烧室500或回热器900的第二出口的排气依次推动各个涡轮转动做功。

所述第二涡轮600可设置为两个或多个并串联于第二转轴600上；相邻的涡轮之间可设置径向轴承。工作时，第一涡轮400的排气依次推动各个第二涡轮600转动做功。

第一电机200的功率为20～30KW，第二电机800的功率为120～130KW，燃气轮机总体功率为140～160KW。

工作时，工质(比如空气)从压气机300入口进入，经压气机300压缩后，从其出口进入燃烧室500，燃烧后进入第一涡轮400的进气端，推动第一涡轮400旋转做功；工质经第一涡轮400做功后，从第一涡轮400的排气端进入第二涡轮700，流出的气体推动第二涡轮700旋转做功，进而带动第二电机800发电。

实施例2双轴发电燃气轮机

一种双轴发电燃气轮机，包括第一转子系统和第二转子系统，如图2所示；所述第一转子系统包括第一转轴100、第一电机200、压气机300、第一涡轮400、燃烧室500和回热器900，其中，第一电机200、压气机300和第一涡轮400由前到后依次套设在第一转轴100上；

所述第二转子系统包括第二转轴600、第二涡轮700和第二电机800，其中，第二涡轮700、第二电机800从前到后依次套设在第二转轴600上；

所述第一转轴100和第二转轴600同轴设置，且第一转轴100设置在第二转轴600之前；

所述回热器900设有第一进口、第一出口、第二进口和第二出口；压气机300的出口与回热器900的第一进口连通，回热器900的第一出口与燃烧室500的入口端连通，燃烧室500的排气端与第一涡轮400的进气端连通；第一涡轮400的排气端与回热器900的第二进口连通，回热器900的第二出口与第二涡轮700的进气端连通。

所述第一电机200可以为启发一体式电机。压气机300启动时由启发一体式电机带动，启发一体式电机先作为电动机带动压气机300旋转，待加速到能独立运行后脱开，然后作为发电机，由第一涡轮400转动带动第一转轴100转动进而带动第一电机200发电。

所述燃烧室500可以为回转的回流燃烧室或轴流燃烧室，燃烧室500的轴心与第一转轴100同轴，环绕第一转轴100设置且位于压气机300或/和第一涡轮400的外围。

所述第一涡轮400可设置为两个或多个并串联于第一转轴100上；相邻的涡轮之间可设置径向轴承。工作时，燃烧室500或回热器900的第二出口的排气依次推动各个涡轮转动做功。

所述第二涡轮600可设置为两个或多个并串联于第二转轴600上；相邻的涡轮之间可设置径向轴承。工作时，第一涡轮400的排气依次推动各个第二涡轮600转动做功。

第一电机200的功率为20～30KW，第二电机800的功率为120～130KW，燃气轮机总体功率为140～160KW。

工作时，工质(比如空气)从压气机300入口进入，经压气机300压缩后，从其出口进入回热器900的第一进口，并从第一出口流出，进入燃烧室500燃烧后进入第一涡轮400的进气端，推动第一涡轮400旋转做功；工质经第一涡轮400做功后，从第一涡轮400的排气端进入回热器900的第二进口，在回热器900内换热后从其第二出口流出，进入第二涡轮700，流出的气体推动第二涡轮700旋转做功，进而带动第二电机800发电。

实施例3双轴发电燃气轮机

与实施例1、实施例2的不同之处在于：实施例1、实施例2中的压气机300为闭式叶轮压气机；闭式叶轮压气机包括转轴1，转轴1上套设闭式叶轮2和电机4，闭式叶轮2外罩设静子3，如图3所示。

所述闭式叶轮包括后盖201、叶片202、套体203和前盖204，如图4～8所示，其中，后盖201设置在套体203尾端，且后盖201与套体203中心设置一体的通孔用于套设并固定于转轴1上；叶片202环绕套体203设置且朝同一方向旋转，叶片202的一端与套体203外壁连接，另一端与后盖201端面连接；前盖204罩设于叶片202上，前盖204呈圆台环状；前盖204的进气面为沿叶片202脊线轮廓光滑过渡的曲面，背气面设有与叶片202端部相吻合的凹槽，各凹槽对应的叶片202端部嵌入凹槽内紧配合连接；叶片202、后盖201和前盖204之间形成流道205；前盖204尾部和后盖201之间由叶片202隔成间隔的出风口206，气体由叶片202前部经流道205从出风口206流出。

所述后盖201、叶片202和套体203一体成型，如图5～8所示。

所述叶片202外缘在轴向上凸出于后盖201端面。

所述叶片202包括较长的主叶片和较短的分流叶片，主叶片和分流叶片依次间隔设置。所述前盖204凹槽分为主叶片槽和分流叶片槽，分别对应主叶片和分流叶片端部设置。

所述前盖204的前沿凸出于叶片202前沿，或平于叶片202前沿，或短于叶片202前沿。

所述前盖204可以由碳纤维复合材料制成。

所述静子3上正对前盖204的部分均匀开设一圈或多圈气孔301，该处进气后可分解为轴向和径向的气流，径向气流将使叶轮悬浮于静子3内稳定转动，轴向气流将叶轮向后推，静子3用作空气轴承同时起到了径向轴承和推力轴承的作用。

上述闭式叶轮压气机，设置可拆卸的前盖，前盖呈圆台环状，进气面为沿叶片脊线轮廓光滑过渡的曲面，背气面设有与叶片端部相吻合的凹槽，工作时摩擦损失小，流动阻力小，效率高；工作时前盖与叶片之间紧密咬合，气体由叶片前部经流道从出风口流出，气体泄露极少。前盖由碳纤维复合材料制成，叶轮整体质量轻且具有高强度，转动时叶片(金属材质)会膨胀，而前盖不膨胀，因此随着转动的增快、时间的增长，叶片和前盖的凹槽之间的咬合会越来越紧，适合高速旋转工况。设有分流叶片，既可以减少进口气流的堵塞，又可以提高叶轮出口的滑移系数，不仅使叶轮效率提高，而且由于改善了叶轮出口的流场，从而可以提高压气机的整机效率。设有斜向推力结构，静子用作空气轴承同时起到了径向轴承和推力轴承的作用(从气孔内向静子和叶轮之间的间隙内通入气体，使间隙内形成均匀稳定的气膜，使叶轮在静子内稳定旋转，从而起到空气轴承的作用)，可以减少甚至取代原有的径向轴承及推力轴承。静子兼做推力轴承时，若转轴上还设置其他径向轴承，相当于有多个径向轴承支撑，整体振动小，运行稳定。若转轴上没有其他径向轴承或者只含有少量径向轴承，则缩短转轴长度，容易保障轴上零件同轴度，加工更容易，集成度高，整机可靠性高。另外，气孔的进气会施加在前盖上，可更好地防止叶片和前盖的凹槽分离，更适合于高速旋转工况。

实施例4双轴发电燃气轮机

与实施例1、实施例2、实施例3的不同之处在于：

所述第一转轴100或/和第二转轴600上设置推力轴承及推力盘。

所述第一转轴100或/和第二转轴600上设置至少一个径向轴承。具体地，对于第一转子系统，径向轴承可以设置在转轴的前端，可以解决第一转轴100前端悬臂过长、且由于电机的磁力而引起转轴偏移的问题。此外，径向轴承还可以设置在第一电机200的一侧或两侧，或者压气机300和第一涡轮400之间。

给本领域技术人员提供上述实施例，以完全公开和描述如何实施和使用所主张的实施方案，而不是用于限制本文公开的范围。对于本领域技术人员而言显而易见的修饰将在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种双轴发电燃气轮机，其特征在于：包括第一转子系统和第二转子系统；所述第一转子系统包括第一转轴、第一电机、压气机、第一涡轮和燃烧室，其中，第一电机、压气机和第一涡轮由前到后依次套设在第一转轴上，压气机的排气端与燃烧室的入口端连通，燃烧室的排气端与第一涡轮的进气端连通；

所述第二转子系统包括第二转轴、第二涡轮和第二电机，其中，第二涡轮、第二电机从前到后依次套设在第二转轴上；

所述第一转轴和第二转轴同轴设置，且第一转轴设置在第二转轴之前；所述第一涡轮的排气端与第二涡轮的进气端连通。

2.根据权利要求1所述的双轴发电燃气轮机，其特征在于：所述第一电机为启发一体式电机；或/和：所述燃烧室为回转的回流燃烧室或轴流燃烧室，燃烧室的轴心与第一转轴同轴，环绕第一转轴设置且位于压气机或/和第一涡轮的外围。

3.根据权利要求1所述的双轴发电燃气轮机，其特征在于：所述第一转子系统还包括回热器；所述回热器设有第一进口、第一出口、第二进口和第二出口；压气机的出口与回热器的第一进口连通，回热器的第一出口与燃烧室的入口端连通，第一涡轮的排气端与回热器的第二进口连通，回热器的第二出口与第二涡轮的进气端连通。

4.根据权利要求1或2或3所述的双轴发电燃气轮机，其特征在于：所述压气机为闭式叶轮压气机；所述闭式叶轮压气机包括转轴，转轴上套设闭式叶轮和电机；所述闭式叶轮，包括后盖、叶片、套体和前盖，其中，后盖设置在套体尾端，且后盖与套体中心设置一体的通孔用于套设并固定于转轴上；叶片环绕套体设置且朝同一方向旋转，叶片的一端与套体外壁连接，另一端与后盖端面连接；前盖罩设于叶片上，前盖呈圆台环状；前盖的进气面为沿叶片脊线轮廓光滑过渡的曲面，背气面设有与叶片端部相吻合的凹槽，各凹槽对应的叶片端部嵌入凹槽内紧配合连接；叶片、后盖和前盖之间形成流道；前盖尾部和后盖之间由叶片隔成间隔的出风口，气体由叶片前部经流道从出风口流出。

5.根据权利要求4所述的双轴发电燃气轮机，其特征在于：所述后盖、叶片和套体一体成型；

或/和：所述叶片外缘在轴向上凸出于后盖端面；

或/和：所述叶片包括较长的主叶片和较短的分流叶片，主叶片和分流叶片依次间隔设置，所述前盖凹槽分为主叶片槽和分流叶片槽，分别对应主叶片和分流叶片端部设置；

或/和：所述前盖的前沿凸出于叶片前沿，或平于叶片前沿，或短于叶片前沿；

或/和：所述前盖由碳纤维复合材料制成。

6.根据权利要求4所述的双轴发电燃气轮机，其特征在于：所述闭式叶轮外罩设静子，静子上正对前盖的部分均匀开设一圈或多圈气孔，该处进气后可分解为轴向和径向的气流，径向气流将使叶轮悬浮于静子内稳定转动，轴向气流将叶轮向后推，静子用作空气轴承同时起到了径向轴承和推力轴承的作用。

7.根据权利要求1或2或3所述的双轴发电燃气轮机，其特征在于：所述第一转轴或/和第二转轴上设置推力轴承及推力盘。

8.根据权利要求1或2或3所述的双轴发电燃气轮机，其特征在于：所述第一转轴或/和第二转轴上设置至少一个径向轴承；

或/和：对于第一转子系统，径向轴承设置在转轴的前端；

或/和：径向轴承设置在第一电机的一侧或两侧，或者压气机和第一涡轮之间。

9.根据权利要求1或2或3所述的双轴发电燃气轮机，其特征在于：所述第一涡轮设置为两个或多个并串联于第一转轴上；相邻的涡轮之间设置或不设置径向轴承；

或/和：所述第二涡轮设置为两个或多个并串联于第二转轴上；相邻的涡轮之间设置或不设置径向轴承。

10.根据权利要求1或2或3所述的双轴发电燃气轮机，其特征在于：所述第一电机的功率为20～30KW，第二电机的功率为120～130KW，燃气轮机总体功率为140～160KW。

Images