一种用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置

1.本发明涉及发电装置技术领域，具体涉及一种用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置。


背景技术：

2.压缩空气储能技术是非常具有潜力的一种储能方式，由于透平是压缩空气储能系统核心释能发电装置，所以透平的工作效率对整个系统高效运行起着至关重要的作用。
3.现有技术中的轴流透平发电装置在发电时需要传动轴以及联轴器与发电机相连，而上述传动轴和联轴器的存在则会使得轴系复杂，机械损耗升高，造成气流折转并且不均匀分布，形成较大的流动损失。所以本领域技术人员需要一种新的轴流透平变频发电装置解决现有透平与发电机组合导致的能量损耗高的问题。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中透平与发电机组合导致的能量损耗高的问题。为此，本发明提供一种用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，包括：
5.叶轮发电机，包括：转子轮盘、设置在所述转子轮盘两侧位置的电机定子，以及设置在所述转子轮盘上并与所述电机定子相对设置的电机转子；
6.转子叶片，所述转子叶片设置在所述转子轮盘上，且所述转子叶片、所述转子轮盘和所述电机转子三者集成设置在一起，以构成一体式结构；
7.变频器，与所述叶轮发电机相连，用于将所述叶轮发电机发出的电能转化为工频电能；且，所述转子叶片的转速可以根据需要调整。
8.可选的，用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，还包括：
9.透平导叶，设置在所述转子叶片的进气方向上，所述透平导叶用于对进入透平的气流加速，以通过加速后的气流通过所述转子叶片推动所述转子轮盘旋转做功。
10.可选的，用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，还包括：
11.导流支板，包括：设置在所述透平导叶的进气方向上的前导流支板，以及设置在所述转子叶片出气方向上的后导流支板；
12.所述前导流支板与进气导流罩相连，以支撑该进气导流罩；所述后导流支板与排气导流罩相连，以支撑该排气导流罩。
13.可选的，所述前导流支板和所述后导流支板内设置有供冷却管和/或电线通过的容置通道；
14.所述冷却管一端与所述叶轮发电机相连且另一端与所述冷却机构相连，以将所述叶轮发电机产生的热量通过所述冷却管移出该叶轮发电机；
15.所述电线一端与所述叶轮发电机相连且另一端与所述变频器相连。
16.可选的，所述前导流支板和所述后导流支板内的所述容置通道为两个；
17.所述前导流支板和所述后导流支板内分别设置有供冷却管和电线单独通过的容置通道。
18.可选的，所述供冷却管上还设置有用于调节冷却介质通入量的控制阀门。
19.可选的，用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，还包括：电网，所述叶轮发电机通过所述变频器与所述电网相连，以接收所述叶轮发电机产生的电磁感应电能。
20.可选的，所述转子轮盘上的转子叶片的截面型线为naca系列或clark系列。
21.可选的，所述变频器为四象限形式；
22.当轴流透平正常运行时，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；
23.当轴流透平启动时，所述电网通过所述变频器带动所述转子轮盘达到设计转速；
24.当轴流透平甩负荷故障时，所述变频器驱动所述转子轮盘制动，以防止透平飞车。
25.可选的，用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，还包括：
26.发电机转轴，所述转子轮盘固定设置在所述发电机转轴上，所述电机定子通过发电机轴承转动设置在所述发电机转轴上。
27.本发明技术方案，具有如下优点：
28.1.本发明提供的用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，包括：
29.叶轮发电机，包括：转子轮盘、设置在所述转子轮盘两侧位置的电机定子，以及设置在所述转子轮盘上并与所述电机定子相对设置的电机转子；
30.转子叶片，所述转子叶片设置在所述转子轮盘上，且所述转子叶片、所述转子轮盘和所述电机转子三者集成设置在一起，以构成一体式结构；
31.变频器，与所述叶轮发电机相连，用于将所述叶轮发电机发出的电能转化为工频电能；且，所述转子叶片的转速可以根据需要调整。
32.在本发明中，为了解决现有技术中透平与发电机组合导致的能量损耗高的问题。将转子叶片、转子轮盘和电机转子三者集成设置在一起，以构成一体式结构。再通过压缩空气介质或其它介质推动上述转子叶片转动，从而实现轴流透平变频发电装置的发电。上述结构无需复杂的轴系和联轴器，减少了制造成本，进而降低了机械损失。另外，透平为轴向进气、轴向排气，透平进出口气流不产生流向转折，避免了流动损失，进一步降低了能量损耗。并且，电机布置于转子轮盘，转子叶片的叶顶形状不受限制，可依据高效通流结构设计，效率提高。上述结构解决了现有技术中透平与发电机组合导致的能量损耗高的问题。此外，由于本发明中的上述透平结构将转子叶片、转子轮盘和电机转子三者集成设置在一起，采用一体式设计，也无需轴端密封装置，减少了制造成本，避免了轴端泄露。
33.并且，本发明中的发电装置还是轴流透平变频发电装置，通过设置上述变频器可以实现转子叶片的转速可以根据需要调整，不但可以实现轴流透平的变频工作，还可以保证涡轮处于最佳的运行效率。
34.2.本发明提供的用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，还包括：透平导叶，设置在所述转子叶片的进气方向上，所述透平导叶用于对进入透平的气流加速，以通过加速后的气流通过所述转子叶片推动所述转子轮盘旋转做功。
35.在本发明中，通过透平导叶可以有效地对进入透平的气流加速，上述透平导叶可以将气流的内能转化为动能以使该气流加速。
36.3.本发明提供的用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，还包括：导流支板，包括：设置在所述透平导叶的进气方向上的前导流支板，以及设置在所述转子叶片出气方向上的后导流支板；所述前导流支板与进气导流罩相连，以支撑该进气导流罩；所述后导流支板与排气导流罩相连，以支撑该排气导流罩。
37.在本发明中，通过上述前导流支板和后导流支板可以有效地分别支撑进气导流罩和排气导流罩，从而通过上述进气导流罩引导气流推动透平导叶，提高发电效率。
38.4.本发明提供的用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，所述前导流支板和所述后导流支板内设置有供冷却管和/或电线通过的容置通道；
39.所述冷却管一端与所述叶轮发电机相连且另一端与所述冷却机构相连，以将所述叶轮发电机产生的热量通过所述冷却管移出该叶轮发电机；所述电线一端与所述叶轮发电机相连且另一端与所述变频器相连。
40.在本发明中，通过将冷却管和电线布置在导流支板内，可以有效地优化轴流透平变频发电装置的空间布局。并且，还可以通过冷却管将所述叶轮发电机产生的热量带走，既能保证电机稳定可靠地工作，还能够对热能实现回收利用。
41.5.本发明提供的用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，所述供冷却管上还设置有用于调节冷却介质通入量的控制阀门。在本发明中，通过上述控制阀门可以实时调整通入叶轮发电机内的冷却介质量，从而保证叶轮发电机稳定可靠地运行。
42.6.本发明提供的用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，电网，所述叶轮发电机通过所述变频器与所述电网相连，以接收所述叶轮发电机产生的电磁感应电能。
43.所述变频器为四象限形式；当轴流透平正常运行时，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；当轴流透平启动时，所述电网通过所述变频器带动所述转子轮盘达到设计转速；当轴流透平甩负荷故障时，所述变频器驱动所述转子轮盘制动，以防止透平飞车。
44.在本发明中，通过上述变频器能够使本发明中的压缩空气储能透平实现变工况运行，具有响应灵敏、工作效率高的优点。而且，也能够在轴流透平甩负荷故障时实现转子轮盘制动，提高了压缩空气储能透平变工况运行的机动性和安全性。
附图说明
45.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。
46.图1为本发明提供的用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置的结构示意图。
47.附图标记说明：
48.1－叶轮发电机；2－转子轮盘；3－电机定子；4－电机转子；5－转子叶片；6－变频器；7－透平导叶；8－前导流支板；9－后导流支板；10－冷却管；11－电线；12－电网；13－控制阀门；14－发电机转轴；15－发电机轴承；16－进气导流罩；17－排气导流罩。
具体实施方式
49.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。
50.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。
51.实施例1
52.本实施例中提供一种用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，如图1所示，其包括：
53.叶轮发电机1，包括：转子轮盘2、设置在所述转子轮盘2两侧位置的电机定子3，以及设置在所述转子轮盘2上并与所述电机定子3相对设置的电机转子4；上述转子轮盘2上的转子叶片5的截面型线为naca系列；
54.发电机转轴14，所述转子轮盘2固定设置在所述发电机转轴14上，所述电机定子3通过发电机轴承15转动设置在所述发电机转轴14上；
55.透平导叶7，设置在所述转子叶片5的进气方向上，所述透平导叶7用于对进入透平的气流加速，以通过加速后的气流通过所述转子叶片5推动所述转子轮盘2旋转做功；
56.转子叶片5，所述转子叶片5设置在所述转子轮盘2上，且所述转子叶片5、所述转子轮盘2和所述电机转子4三者集成设置在一起，以构成一体式结构；
57.导流支板，包括：设置在所述透平导叶7的进气方向上的前导流支板8，以及设置在所述转子叶片5出气方向上的后导流支板9；所述前导流支板8与进气导流罩16相连，以支撑该进气导流罩16；所述后导流支板9与排气导流罩17相连，以支撑该排气导流罩17；在本实施例中，所述前导流支板8和所述后导流支板9内分别设置有供冷却管10和电线11通过的容置通道；且，上述前导流支板8和所述后导流支板9内设置有供冷却管10和电线11通过的容置通道；所述冷却管10一端与所述叶轮发电机1相连且另一端与所述冷却机构相连，以将所述叶轮发电机1产生的热量通过所述冷却管10移出该叶轮发电机1；所述电线11一端与所述叶轮发电机1相连且另一端与所述变频器6相连；另外，所述前导流支板8和所述后导流支板9内的所述容置通道为两个；所述前导流支板8和所述后导流支板9内分别设置有供冷却管10和电线11单独通过的容置通道；
58.变频器6，与所述叶轮发电机1相连，用于将所述叶轮发电机1发出的电能转化为工频电能；且，所述转子叶片5的转速可以根据需要调整；所述变频器6为四象限形式；当轴流透平正常运行时，所述变频器6用于将所述叶轮发电机1产生的电能转化为工频电能以满足所述电网12要求；当轴流透平启动时，所述电网12通过所述变频器6带动所述转子轮盘2达到设计转速；当轴流透平甩负荷故障时，所述变频器6驱动所述转子轮盘2制动，以防止透平飞车；
59.电网12，所述叶轮发电机1通过所述变频器6与所述电网12相连，以接收所述叶轮发电机1产生的电磁感应电能。
60.在本实施例中，为了实时调整通入叶轮发电机1内的冷却介质量，从而保证叶轮发电机1稳定可靠地运行。上述供冷却管10上还设置有用于调节冷却介质通入量的控制阀门13。
61.本实施例公开的轴流透平变频发电装置工作原理是：
62.气流进入透平后，在进气导流罩16的引导下，
63.先经过前导流支板8、后经过透平导叶7从而对进入透平的气流加速。之后，加速后的气流转子叶片5旋转做功。在上述过程中，该转子叶片5带动转子轮盘2转动，并带动电机转子4旋转；上述电机转子4与电机定子3形成相对运动，产生电磁感应电能，通过变频器6变为工频电流后传输至电网12。主流气流经过上述转子叶片5后，流经后导流支板9和排气导流罩17流出透平。
64.在运行过程中叶轮发电机1产生的热量可以通过埋于前导流支板8和后导流支板9中的冷却管10带走。并且，冷却气量可以通过控制阀门13调节。
65.当然，本实施例对轴流透平变频发电装置是否包括透平导叶7不做具体限定，在其它实施例中，本发明中的上述轴流透平变频发电装置不包括透平导叶7。
66.当然，本实施例对导流支板内是否都设置有供冷却管10和电线11通过的容置通道不做具体限定，在其它实施例中，上述前导流支板8和后导流支板9内仅设置有供冷却管10。或者，上述前导流支板8和后导流支板9内仅设置有上述电线11。
67.当然，本实施例对导流支板内是否都设置有供冷却管10和电线11通过的容置通道不做具体限定，在其它实施例中，所述前导流支板8和所述后导流支板9内的所述容置通道为1个；供冷却管10和电线11均设置在上述容置通道内。
68.当然，本实施例对转子轮盘2上的转子叶片5的截面型线不做具体限定，在其它实施例中，转子轮盘2上的转子叶片5的截面型线为clark系列。
69.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。

技术特征：
1.一种用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，其特征在于，包括：叶轮发电机(1)，包括：转子轮盘(2)、设置在所述转子轮盘(2)两侧位置的电机定子(3)，以及设置在所述转子轮盘(2)上并与所述电机定子(3)相对设置的电机转子(4)；转子叶片(5)，所述转子叶片(5)设置在所述转子轮盘(2)上，且所述转子叶片(5)、所述转子轮盘(2)和所述电机转子(4)三者集成设置在一起，以构成一体式结构；变频器(6)，与所述叶轮发电机(1)相连，用于将所述叶轮发电机(1)发出的电能转化为工频电能；且，所述转子叶片(5)的转速可以根据需要调整。2.根据权利要求1所述的用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，其特征在于，还包括：透平导叶(7)，设置在所述转子叶片(5)的进气方向上，所述透平导叶(7)用于对进入透平的气流加速，以通过加速后的气流通过所述转子叶片(5)推动所述转子轮盘(2)旋转做功。3.根据权利要求2所述的用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，其特征在于，还包括：导流支板，包括：设置在所述透平导叶(7)的进气方向上的前导流支板(8)，以及设置在所述转子叶片(5)出气方向上的后导流支板(9)；所述前导流支板(8)与进气导流罩(16)相连，以支撑该进气导流罩(16)；所述后导流支板(9)与排气导流罩(17)相连，以支撑该排气导流罩(17)。4.根据权利要求3所述的用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，其特征在于，所述前导流支板(8)和所述后导流支板(9)内设置有供冷却管(10)和/或电线(11)通过的容置通道；所述冷却管(10)一端与所述叶轮发电机(1)相连且另一端与所述冷却机构相连，以将所述叶轮发电机(1)产生的热量通过所述冷却管(10)移出该叶轮发电机(1)；所述电线(11)一端与所述叶轮发电机(1)相连且另一端与所述变频器(6)相连。5.根据权利要求4所述的用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，其特征在于，所述前导流支板(8)和所述后导流支板(9)内的所述容置通道为两个；所述前导流支板(8)和所述后导流支板(9)内分别设置有供冷却管(10)和电线(11)单独通过的容置通道。6.根据权利要求4所述的用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，其特征在于，所述供冷却管(10)上还设置有用于调节冷却介质通入量的控制阀门(13)。7.根据权利要求1所述的用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，其特征在于，还包括：电网(12)，所述叶轮发电机(1)通过所述变频器(6)与所述电网(12)相连，以接收所述叶轮发电机(1)产生的电磁感应电能。8.根据权利要求1所述的用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，其特征在于，所述转子轮盘(2)上的转子叶片(5)的截面型线为naca系列或clark系列。9.根据权利要求1所述的用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，其特征在于，所述变频器(6)为四象限形式；当轴流透平正常运行时，所述变频器(6)用于将所述叶轮发电机(1)产生的电能转化为工频电能以满足所述电网(12)要求；
当轴流透平启动时，所述电网(12)通过所述变频器(6)带动所述转子轮盘(2)达到设计转速；当轴流透平甩负荷故障时，所述变频器(6)驱动所述转子轮盘(2)制动，以防止透平飞车。10.根据权利要求1所述的用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，其特征在于，还包括：发电机转轴(14)，所述转子轮盘(2)固定设置在所述发电机转轴(14)上，所述电机定子(3)通过发电机轴承(15)转动设置在所述发电机转轴(14)上。

技术总结
本发明涉及发电装置技术领域，具体涉及一种用于压缩空气储能的轴流透平变频发电装置，包括：叶轮发电机，包括：转子轮盘、设置在所述转子轮盘两侧位置的电机定子，以及设置在所述转子轮盘上并与所述电机定子相对设置的电机转子；转子叶片，所述转子叶片设置在所述转子轮盘上，且所述转子叶片、所述转子轮盘和所述电机转子三者集成设置在一起，以构成一体式结构；变频器，与所述叶轮发电机相连，用于将所述叶轮发电机发出的电能转化为工频电能；且，所述转子叶片的转速可以根据需要调整。通过上述结构从而克服现有技术中透平与发电机组合导致的能量损耗高的问题。致的能量损耗高的问题。致的能量损耗高的问题。


技术研发人员：陈海生 王星 李文 朱阳历 徐玉杰
受保护的技术使用者：中国科学院工程热物理研究所
技术研发日：2023.02.07
技术公布日：2023/6/26