一种微型对转式燃气涡轮发电机及其工作方法与流程

1.本发明涉及一种微型对转式燃气涡轮发电机及其工作方法，属于燃气涡轮发电机技术领域。


背景技术：

2.目前微型燃气涡轮发电机技术具有十分广泛的应用，并已在坦克、雷达、炮车、导弹系统等武器装备领域取得应用。目前大量使用的微型燃气涡轮发电机方案普遍结构形式为发电机与燃气涡轮及压气机等同轴式布置结构，此种结构方案也具有一些弊端：由于发电机与涡轮、压气机同轴布置，因此运转过程中由于燃烧不稳定产生的振动会直接影响到发电机的输出，涡轮、压气机、发电机轴系振动容易相互耦合。同时，由于所有旋转件均在同一轴系上，轴系转动惯量较大，启动加速力矩大，启动响应慢。涡轮、发电机及压缩机在变工况时很难保证在最佳效率点工作。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种微型对转式燃气涡轮发电机及其工作方法，解决了现有发电机轴系转动惯量较大、发电机及压缩机难以全部保证在最佳效率点工作等技术问题，本发明能够有效避免振动耦合，实现最佳效率匹配。
4.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种微型对转式燃气涡轮发电机，包括整机壳体和设于整机壳体内部的启动电机、压气机叶轮、第一级涡轮、转轴、环形燃烧室、第一级导叶、可调导叶、单级双列复速级涡轮、发电机轴、发电机定子；
6.启动电机、压气机叶轮与第一级涡轮同轴安装于转轴上，并保持同步旋转，启动电机和压气机叶轮安装于转轴前端，第一级涡轮安装于转轴的后端，压气机叶轮位于启动电机后方，启动电机用于启动转轴的旋转；
7.第一级导叶设于第一级涡轮前方，环形燃烧室设于压气机叶轮和第一级导叶之间；整机壳体上设有空气入口；外部空气在压气机叶轮旋转作用下增压后进入环形燃烧室，环形燃烧室燃烧后产生的燃气经第一级导叶膨胀加速后驱动第一级涡轮旋转；
8.可调导叶设于第一级涡轮和单级双列复速级涡轮之间，用于调节经第一级涡轮排出后的燃气的速度和方向；发电机轴位于发电机定子的腔体内部，发电机轴的前端安装单级双列复速级涡轮，单级双列复速级涡轮用于在经可调导叶排出后的燃气的作用下带动发电机轴旋转，将机械能转换为交流电能。
9.进一步的，转轴穿过环形燃烧室和第一级导叶中心；转轴通过滚动轴承安装于整机壳体内部；环形燃烧室和第一级导叶固定安装于整机壳体内部。
10.进一步的，环形燃烧室内部安装有燃油喷嘴和点火器；燃油喷嘴与外部油箱连通；
11.用于连通燃油喷嘴与外部油箱的管路上设有燃油调节阀。
12.进一步的，整机壳体所设空气入口处设置空气过滤网。
13.进一步的，可调导叶固定安装于整机壳体内部；
14.发电机轴利用滚动轴承支撑于发电机定子的腔体内部。
15.进一步的，还包括输出端子和控制器；
16.输出端子用于获取发电机轴的转速信息，并将转速信息输出至控制器，控制器根据转速信息控制燃油调节阀和可调导叶，实现燃气涡轮发电机功率的控制。
17.进一步的，启动电机、压气机叶轮、转轴和第一级涡轮组成一套独立的轴系，用于配合环形燃烧室和第一级导叶产生做功的燃气；
18.单级双列复速级涡轮和发电机轴组成另一套独立的轴系，用于实现燃气机械能向交流电能的转换。
19.上述一种微型对转式燃气涡轮发电机的工作方法，包括：
20.启动电机启动转轴的旋转，转轴带动压气机叶轮旋转；
21.外部空气在压气机叶轮旋转作用下进入环形燃烧室，环形燃烧室点火后产生的燃气经第一级导叶膨胀加速后驱动第一级涡轮旋转；
22.第一级涡轮带动压气机叶轮旋转，外部空气在压气机叶轮旋转作用下不断进入环形燃烧室，环形燃烧室不断产生燃气；
23.环形燃烧室产生的燃气经第一级导叶和第一级涡轮后到达可调导叶；
24.经可调导叶排出后的燃气驱动单级双列复速级涡轮旋转，单级双列复速级涡轮的旋转带动发电机轴旋转，输出交流电能。
25.进一步的，输出的交流电能稳定后，关闭启动电机。
26.进一步的，环形燃烧室内部安装有燃油喷嘴和点火器；燃油喷嘴与外部油箱连通；
27.用于连通燃油喷嘴与外部油箱的管路上设有燃油调节阀；
28.输出端子获取发电机轴的转速信息，并将转速信息输出至控制器，控制器根据转速信息控制燃油调节阀和可调导叶，实现燃气涡轮发电机功率的控制。
29.本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：
30.(1)本发明创造性的提出一种燃气涡轮发电机，将涡轮发电机中核心的涡轮压缩机轴系与涡轮发电机轴系分开设计，涡轮压缩机轴系只负责参与燃烧部分的工作产生燃气，涡轮发电机部分轴系只负责转换能量，将燃气动能转换为交流电能，燃烧部分与发电部分之间无机械连接，通过工作介质燃气实现软连接，中间再设置可调角度的导叶，最终实现最佳效率匹配；
31.(2)本发明通过对可调导叶角度的控制和燃油调节阀喷油量的控制，能够准确高效的控制交流电输出功率，并实现大负载功率范围内的变工况使用；
32.(3)本发明结构紧凑简单、自成体系、容易实现发电机连续长时间工作、及多次启动和重复利用，因此可推广至航天技术以外的其他领域。
附图说明
33.图1为本发明一种微型对转式燃气涡轮发电机方案原理图；
34.图中，1-空气过滤网，2-启动电机，3-压气机叶轮，4-环形燃烧室，5-第一级导叶，6-第一级涡轮，7-可调导叶，8-单级双列复速级涡轮，9-发电机轴，10-发电机定子，11-输出端子，12-控制器，13-油箱，14-燃油调节阀，15-点火器，16-燃油喷嘴，17-整机壳体，18-转
轴。
具体实施方式
35.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
36.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
37.以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
38.本发明旨在提出一种高效率、启动响应快、功率可调节的燃气涡轮发电机方案。
39.在一种具体的实施方式中，本发明燃气涡轮发电机主要由如下部分组成：空气过滤网、启动电机、压气机叶轮、环形燃烧室、第一级导叶、第一级涡轮、可调导叶、单级双列复速级涡轮、发电机轴、发电机定子、输出端子、控制器、燃油调节阀、点火器、油箱、燃油喷嘴及整机壳体等。
40.其中空气过滤网、启动电机、压气机叶轮、环形燃烧室、燃油喷嘴、点火器、第一级导叶与第一级涡轮等组成核心机部分，启动电机、压气机叶轮与第一级涡轮同轴连接，环形燃烧室和第一级导叶置于压气机叶轮与第一级涡轮之间，该部分的主要作用是通过燃烧燃料后产生高温高速燃气，其工作原理是通过启动电机同轴带动压气机叶轮和涡轮高速旋转，压气机叶轮通过空气过滤网将环境中的空气吸入并压缩至环形燃烧室，燃油调节阀将油箱中的燃料进行流量调节后输送至燃油喷嘴，并喷注至环形燃烧室后与增压的空气混合，再通过点火器点燃后开始燃烧产生高温高压燃气，高温高压燃气通过第一级导叶膨胀加速后驱动第一级涡轮旋转，第一级涡轮同轴驱动压气机叶轮旋转，由此连续不断产生燃气。
41.可调导叶、单级双列复速级涡轮、发电机转子与发电机定子等组成动力输出部分，驱动完第一级涡轮后的高速燃气再通过可调导叶调整排出燃气速度和方向后，再驱动单级双列复速级涡轮高速旋转，单级双列复速级涡轮同轴驱动发电机转子高速旋转，发电机轴在发电机定子腔内旋转将机械能转换为交流电能输出。
42.输出端子、控制器、燃油调节阀等组成控制部分，根据设定的输出要求，控制器对发电机端子输出参数进行检测后，对燃油调节阀发出控制指令，并实现对燃油喷注量和可调导叶角度的调整，调节后的燃油通过燃油喷嘴喷注到环形燃烧室内，实现对发电机输出性能的控制。
43.核心机部分、动力输出部分及控制部分等均安装在整机壳体内形成一个统一的整体，壳体部分中同时集成有压气机导叶及涡壳功能。
44.本发明发电机适用于输出功率在30kw以内，并以燃烧汽油、煤油或酒精与空气混合物为主，核心机与动力部分工作转速在60000rpm以上。
45.本发明将涡轮发电机中核心的涡轮压缩机轴系与涡轮发电机轴系分开设计，涡轮
压缩机轴系只负责参与燃烧部分的工作产生燃气，涡轮发电机部分轴系只负责转换能量，将燃气动能转换为交流电能，燃烧部分与发电部分之间无机械连接，通过工作介质燃气实现软连接，中间再设置可调角度的导叶，最终实现最佳效率匹配。此发明方案由于参与燃烧部分的轴系结构简单，转动惯量小，因此可实现快速启动响应，并容易调节。
46.本发明由于采用了两套相互独立的轴系工作，第一级涡轮与单级双列复速级涡轮之间无机械连接，核心机部分轴系结构零件少，转动惯量小，可以实现快速启动响应，第一级涡轮的排气通过可调导叶调整角度后继续驱动单级双列复速级涡轮运转进行发电，由此保证两套轴系均在最佳效率点进行工作。
47.实施例：
48.本发明给出一种具体实施例，图1是本发明的方案原理图。
49.在本实施例中，燃气涡轮发电机包括：空气过滤网1、启动电机2、转轴18、压气机叶轮3、环形燃烧室4、第一级导叶5、第一级涡轮6、可调导叶7、单级双列复速级涡轮8、发电机轴9、发电机定子10、输出端子11、控制器12、燃油调节阀14、点火器15、油箱13、燃油喷嘴16及整机壳体17等。
50.其中空气过滤网1、启动电机2、压气机叶轮3、环形燃烧室4、燃油喷嘴16、第一级导叶5与第一级涡轮6等组成核心机部分，启动电机2、压气机叶轮3与第一级涡轮6同轴连接，启动电机2和压气机叶轮3安装于转轴18前端，第一级涡轮6安装于转轴18的后端，环形燃烧室4和第一级导叶5置于压气机叶轮3与第一级涡轮6之间，该部分的主要作用是通过燃烧燃料后产生高温高速燃气，其工作原理是通过启动电机2同轴带动压气机叶轮3和涡轮6高速旋转，压气机叶轮3通过空气过滤网1将环境中的空气吸入并压缩至环形燃烧室4，燃油调节阀14将外部的油箱13中的燃料进行流量调节后输送至燃油喷嘴16，并喷注至环形燃烧室4后与增压的空气混合，再通过点火器15点燃后开始燃烧产生高温高压燃气，高温高压燃气通过第一级导叶5膨胀加速后驱动第一级涡轮6旋转，第一级涡轮6同轴驱动压气机叶轮3旋转，由此连续不断产生燃气。
51.可调导叶7、双列复速级涡轮8、发电机轴9与发电机定子10等组成动力输出部分，驱动完第一级涡轮6后的高速燃气再通过可调导叶7调整排出燃气速度和方向后，再驱动单级双列复速级涡轮8高速旋转，单级双列复速级涡轮8同轴驱动发电机轴9高速旋转，发电机轴9在发电机定子10腔内旋转将机械能转换为交流电能输出。
52.输出端子11、控制器12、燃油调节阀14及点火器15等组成控制部分，根据设定的输出要求，控制器12对发电机端子11输出参数进行检测后，对燃油调节阀14发出控制指令，并实现对燃油喷注量和可调导叶7角度的调整，调节后的燃油通过燃油喷嘴16喷注到环形燃烧室4内，实现对发电机输出性能的控制。
53.核心机部分、动力输出部分及控制部分等均安装在整机壳体17内形成一个统一的整体，壳体部分中同时集成油压气机导叶及涡壳功能。
54.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

技术特征：
1.一种微型对转式燃气涡轮发电机，其特征在于，包括整机壳体(17)和设于整机壳体(17)内部的启动电机(2)、压气机叶轮(3)、第一级涡轮(6)、转轴(18)、环形燃烧室(4)、第一级导叶(5)、可调导叶(7)、单级双列复速级涡轮(8)、发电机轴(9)、发电机定子(10)；启动电机(2)、压气机叶轮(3)与第一级涡轮(6)同轴安装于转轴(18)上，并保持同步旋转，启动电机(2)和压气机叶轮(3)安装于转轴(18)前端，第一级涡轮(6)安装于转轴(18)的后端，压气机叶轮(3)位于启动电机(2)后方，启动电机(2)用于启动转轴(18)的旋转；第一级导叶(5)设于第一级涡轮(6)前方，环形燃烧室(4)设于压气机叶轮(3)和第一级导叶(5)之间；整机壳体(17)上设有空气入口；外部空气在压气机叶轮(3)旋转作用下增压后进入环形燃烧室(4)，环形燃烧室(4)燃烧后产生的燃气经第一级导叶(5)膨胀加速后驱动第一级涡轮(6)旋转；可调导叶(7)设于第一级涡轮(6)和单级双列复速级涡轮(8)之间，用于调节经第一级涡轮(6)排出后的燃气的速度和方向；发电机轴(9)位于发电机定子(10)的腔体内部，发电机轴(9)的前端安装单级双列复速级涡轮(8)，单级双列复速级涡轮(8)用于在经可调导叶(7)排出后的燃气的作用下带动发电机轴(9)旋转，将机械能转换为交流电能。2.根据权利要求1所述的一种微型对转式燃气涡轮发电机，其特征在于，转轴(18)穿过环形燃烧室(4)和第一级导叶(5)中心；转轴(18)通过滚动轴承安装于整机壳体(17)内部；环形燃烧室(4)和第一级导叶(5)固定安装于整机壳体(17)内部。3.根据权利要求1所述的一种微型对转式燃气涡轮发电机，其特征在于，环形燃烧室(4)内部安装有燃油喷嘴(16)和点火器(15)；燃油喷嘴(16)与外部油箱(13)连通；用于连通燃油喷嘴(16)与外部油箱(13)的管路上设有燃油调节阀(14)。4.根据权利要求1所述的一种微型对转式燃气涡轮发电机，其特征在于，整机壳体(17)所设空气入口处设置空气过滤网(1)。5.根据权利要求1所述的一种微型对转式燃气涡轮发电机，其特征在于，可调导叶(7)固定安装于整机壳体(17)内部；发电机轴(9)利用滚动轴承支撑于发电机定子(10)的腔体内部。6.根据权利要求3所述的一种微型对转式燃气涡轮发电机，其特征在于，还包括输出端子(11)和控制器(12)；输出端子(11)用于获取发电机轴(9)的转速信息，并将转速信息输出至控制器(12)，控制器(12)根据转速信息控制燃油调节阀(14)和可调导叶(7)，实现燃气涡轮发电机功率的控制。7.根据权利要求1所述的一种微型对转式燃气涡轮发电机，其特征在于，启动电机(2)、压气机叶轮(3)、转轴(18)和第一级涡轮(6)组成一套独立的轴系，用于配合环形燃烧室(4)和第一级导叶(5)产生做功的燃气；单级双列复速级涡轮(8)和发电机轴(9)组成另一套独立的轴系，用于实现燃气机械能向交流电能的转换。8.根据权利要求1-7任一项所述的一种微型对转式燃气涡轮发电机的工作方法，其特征在于，包括：启动电机(2)启动转轴(18)的旋转，转轴(18)带动压气机叶轮(3)旋转；外部空气在压气机叶轮(3)旋转作用下进入环形燃烧室(4)，环形燃烧室(4)点火后产
生的燃气经第一级导叶(5)膨胀加速后驱动第一级涡轮(6)旋转；第一级涡轮(6)带动压气机叶轮(3)旋转，外部空气在压气机叶轮(3)旋转作用下不断进入环形燃烧室(4)，环形燃烧室(4)不断产生燃气；环形燃烧室(4)产生的燃气经第一级导叶(5)和第一级涡轮(6)后到达可调导叶(7)；经可调导叶(7)排出后的燃气驱动单级双列复速级涡轮(8)旋转，单级双列复速级涡轮(8)的旋转带动发电机轴(9)旋转，输出交流电能。9.根据权利要求8所述的一种微型对转式燃气涡轮发电机的工作方法，其特征在于，输出的交流电能稳定后，关闭启动电机(2)。10.根据权利要求8所述的一种微型对转式燃气涡轮发电机的工作方法，其特征在于，环形燃烧室(4)内部安装有燃油喷嘴(16)和点火器(15)；燃油喷嘴(16)与外部油箱(13)连通；用于连通燃油喷嘴(16)与外部油箱(13)的管路上设有燃油调节阀(14)；输出端子(11)获取发电机轴(9)的转速信息，并将转速信息输出至控制器(12)，控制器(12)根据转速信息控制燃油调节阀(14)和可调导叶(7)，实现燃气涡轮发电机功率的控制。

技术总结
本发明公开了一种微型对转式燃气涡轮发电机，启动电机和压气机叶轮安装于转轴前端，第一级涡轮安装于转轴的后端；第一级导叶设于第一级涡轮前方，环形燃烧室设于压气机叶轮和第一级导叶之间；可调导叶设于第一级涡轮和单级双列复速级涡轮之间；发电机轴的前端安装单级双列复速级涡轮。本发明还公开了上述发电机的工作方法，外部空气在压气机叶轮旋转作用下进入环形燃烧室，环形燃烧室产生的燃气驱动第一级涡轮旋转，进而带动压气机叶轮旋转，外部空气在压气机叶轮旋转作用下不断进入环形燃烧室，环形燃烧室不断产生燃气；经可调导叶排出后的燃气驱动发电机轴旋转输出交流电能。本发明能够有效避免振动耦合，实现最佳效率匹配。配。配。


技术研发人员：郝小龙 解俊良 张明根 唐慧慧 赵经明 郭军刚
受保护的技术使用者：北京精密机电控制设备研究所
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/6/7