一种燃气涡轮发电机及其工作方法与流程

1.本发明涉及一种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，在变工况的情况下，涡轮、发电机及压缩机很难全部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，提供一种燃气涡轮发电机及其工作方法，解决了现有微型燃气涡轮发电机中因所有旋转件均在同一轴系所导致的振动耦合及涡轮、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：
5.一种燃气涡轮发电机，包括整机壳体和设于整机壳体内部的发电机轴、发电机定子、启动电机、压气机叶轮、空心轴、环形燃烧室、第一级导叶、第一级涡轮、可调导叶和双列复速级涡轮；
6.启动电机、压气机叶轮和第一级涡轮从前到后依次同轴安装于空心轴上，启动电机用于启动空心轴的旋转；空心轴、压气机叶轮和第一级涡轮同步旋转；
7.环形燃烧室和第一级导叶设于压气机叶轮和第一级涡轮之间，环形燃烧室位于第一级导叶前方；整机壳体上设有空气入口，外部空气在压气机叶轮的转动作用下经空气入口吸入并压缩至环形燃烧室；环形燃烧室产生的燃气用于经第一级导叶膨胀加速后驱动第一级涡轮旋转；
8.发电机轴穿过空心轴内部，发电机轴后端安装单级双列复速级涡轮，发电机轴前端设于发电机定子内部，发电机轴包括发电机转子，发电机转子位于整个发电机轴的前端；
9.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；
10.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。
11.进一步的，发电机轴利用3个轴承支撑于整机壳体内部，3个轴承分别位于发电机定子的前方、后方以及双列复速级涡轮的后方。
12.进一步的，环形燃烧室和第一级导叶固定安装于整机壳体上；
13.空心轴穿过环形燃烧室和第一级导叶中心；
14.空心轴通过轴承支撑于整机壳体内部。
15.进一步的，环形燃烧室内部安装有燃油喷嘴和点火器；
16.燃油喷嘴与外部油箱连通。
17.进一步的，整机壳体所设空气入口处设有空气过滤网。
18.进一步的，整机壳体所设空气入口≥1处。
19.进一步的，还包括输出端子、控制器和燃油调节阀；
20.燃油调节阀设于用于连通燃油喷嘴与外部油箱的管路上，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，进而实现燃气涡轮发电机功率的控制。
21.上述一种燃气涡轮发电机的工作方法，其特征在于，包括：
22.启动电机启动空心轴的旋转，空心轴带动压气机叶轮旋转；
23.外部空气在压气机叶轮的转动作用下经空气入口吸入并压缩至环形燃烧室；
24.环形燃烧室点火后产生燃气，燃气经第一级导叶膨胀加速后驱动第一级涡轮旋转；
25.第一级涡轮的旋转带动压气机叶轮旋转，外部空气在压气机叶轮的转动作用下不断经空气入口吸入并压缩至环形燃烧室，环形燃烧室不断产生燃气；
26.燃气经第一级导叶和第一级涡轮排出后到达可调导叶，可调导叶对燃气的速度和方向进行调节；
27.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。
28.进一步的，输出的交流电能稳定后，关闭启动电机。
29.进一步的，燃气涡轮发电机还包括输出端子、控制器和燃油调节阀；
30.燃油调节阀设于用于连通环形燃烧室内部的燃油喷嘴与外部油箱的管路上，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。
31.本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：
32.(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；
33.(2)本发明涡轮压缩机轴系采用中空结构设计，涡轮发电机轴系从涡轮压缩机轴系中心穿过，涡轮发电机轴系采用三轴承支撑结构形式，此结构方案轴系结构简单，转动惯量小，可实现快速启动响应，容易调节；
34.(3)本发明发电机置于压缩机外侧，能够有效避免涡轮高温排气对发电机定子的影响。
附图说明
35.图1为本发明一种燃气涡轮发电机的原理图；
36.图中，1-空气过滤网，2-发电机轴，3-发电机定子，4-压气机叶轮，5-环形燃烧室，6-第一级导叶，7-第一级涡轮，8-可调导叶，9-单级双列复速级涡轮，10、0、11、14、18、20-滚动轴承，12-燃料箱，13-点火器，15-燃油调节阀，16-燃油喷嘴，17-控制器，19-输出端子，21-空心轴，22-启动电机，23-整机壳体。
具体实施方式
37.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。
38.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。
39.本发明旨在解决一种高效率、功率可调节的燃气涡轮发电机方案。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。涡轮压缩机轴系采用中空结构设计，涡轮发电机轴系从涡轮压缩机轴系中心穿过，发电机置于压缩机外侧，涡轮发电机轴系采用三轴承支撑结构形式，此结构方案不仅轴系结构简单，转动惯量小，可实现快速启动响应，容易调节，而且还有效避免了涡轮高温排气对发电机定子的影响。
40.本发明燃气涡轮发电机包括发电机轴、发电机定子、启动电机、压气机叶轮、空心轴、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以及整机壳体，更加具体的，还可以包括空气过滤网、滚动轴承、燃料箱、点火器、燃油喷嘴、燃油调节阀、控制器、输出端子等。
41.在一种具体实施方式中，启动电机、压气机叶轮、空心轴、环形燃烧室、燃油喷嘴、点火器、第一级导叶、第一级涡轮组成核心机部分，该部分功能是通过燃烧燃料后产生高温高压燃气，将燃料化学能转换为气体动能。启动电机、压气机叶轮和第一级涡轮同轴安装在空心轴上，空心轴、压气机叶轮和第一级涡轮同步旋转，环形燃烧室和第一级导叶安装在压气机叶轮和第一级涡轮之间，环形燃烧室和第一级导叶固定在整机壳体上，空心轴从环形燃烧室和第一级导叶中心穿过。燃油喷嘴和点火器安装在环形燃烧室内部。空心轴通过两滚动轴承安装在整机壳体上。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。
42.空气过滤网、发电机轴、发电机定子、可调导叶、单级双列复速级涡轮及输出端子组成涡轮发电机部分，该部分功能是实现将高温高压燃气能量转换为旋转机械功，并通过
发电机再转化为交流电能对外输出。空气过滤网装在整机壳体上，对从环境中通过压气机吸入整机内部的空气进行净化过滤，双列复速级涡轮安装在发电机轴的伸长段上，以图1的左右方向分别为发电机的前后方向，伸长段为发电机轴的后半段，发电机轴伸长段从空心轴中间穿过，发电机定子和双列复速级涡轮分别位于核心机部分两侧，发电机轴通过三轴承结构支撑，其中两轴承安装在发电机定子两侧方向，第三个轴承安装在双列复速级涡轮外侧，发电子定子装在压气机叶轮外侧方向。其工作原理为第一级涡轮排出的高速燃气通过可调导叶调整速度方向后，继续推动单级双列复速级涡轮运转，单级双列复速级涡轮同轴驱动发电机轴高速旋转，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。
43.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转速进行检测后，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参与混合燃烧，最终实现对发电机输出性能即功率的控制。
44.核心机部分、涡轮发电机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，同时还集成整机排气功能。
45.本发明的技术方案特别适用于输出功率在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。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。
46.实施例：
47.本发明给出一种实施例，图1是本发明的方案原理图。
48.本实施例燃气涡轮发电机的主要组成包括：空气过滤网1、发电机轴2、发电机定子3、启动电机22、压气机叶轮4、空心轴21、环形燃烧室5、第一级导叶6、第一级涡轮7、可调导叶8、双列复速级涡轮9、滚动轴承(10、11、14、18、20)、燃料箱12、点火器13、燃油喷嘴16、燃油调节阀15、控制器17、输出端子19及整机壳体23等。
49.启动电机22、压气机叶轮4、空心轴21、环形燃烧室5、燃油喷嘴16、点火器13、第一级导叶6、第一级涡轮7组成核心机部分，该部分功能是通过燃烧燃料后产生高温高压燃气，将燃料化学能转换为气体内能。启动电机22、压气机叶轮4和第一级涡轮7同轴安装在空心轴21上，环形燃烧室5和第一级导叶6安装在压气机叶轮4和第一级涡轮7之间，空心轴21从环形燃烧室5和第一级导叶6中心穿过。燃油喷嘴16和点火器13安装在环形燃烧室5内部。空心轴21通过两滚动轴承11、14安装在整机壳体23上。其工作原理是通过启动电机22同轴带动压气机叶轮4和第一级涡轮7高速旋转，压气机叶轮4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5，燃油调节阀15将燃料箱12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5后与增压的空气混合，再通过点火器13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6膨胀加速后驱动第一级涡轮7旋转，第一级涡轮7同轴驱动压气机叶轮4旋转，由此连续不断产生燃气。
50.空气过滤网1、发电机轴2、发电机定子3、可调导叶8、单级双列复速级涡轮9及输出
端子19组成涡轮发电机部分，该部分功能是实现将高温高压燃气能量转换为旋转机械功，并通过发电机再转化为交流电能对外输出。空气过滤网1装在整机壳体23上，对从环境中通过压气机叶轮4吸入整机内部的空气进行净化过滤，单级双列复速级涡轮9安装在发电机轴2的伸长段上，发电机轴2伸长段从空心轴21中间穿过，发电机定子3和单级双列复速级涡轮9分别装在核心机部分两侧，发电机轴2通过三滚动轴承10、18、20结构支撑，其中滚动轴承20、18安装在发电机定子3两侧方向，第三个滚动轴承10安装在双列复速级涡轮9外侧，发电子定子3装在压气机叶轮4外侧方向。其工作原理为第一级涡轮7排出的高速燃气通过可调导叶8调整速度和角度方向后，继续推动单级双列复速级涡轮9旋转，单级双列复速级涡轮9同轴驱动发电机轴2高速旋转，发电机轴2在发电机定子3腔内旋转将机械能转换为交流电能输出。
51.输出端子19、控制器17、燃油调节阀15等组成控制部分，根据设定的输出要求，控制器17对发电机端子19输出参数进行检测后，对燃油调节阀15发出控制指令，并实现对燃油喷注量和可调导叶8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5内参与混合燃烧，最终实现对发电机输出性能的控制。
52.核心机部分、涡轮发电机部分及控制部分等均安装在整机壳体23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，同时还集成整机排气功能。
53.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。
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：
1.一种燃气涡轮发电机，其特征在于，包括整机壳体(23)和设于整机壳体(23)内部的发电机轴(2)、发电机定子(3)、启动电机(22)、压气机叶轮(4)、空心轴(21)、环形燃烧室(5)、第一级导叶(6)、第一级涡轮(7)、可调导叶(8)和双列复速级涡轮(9)；启动电机(22)、压气机叶轮(4)和第一级涡轮(7)从前到后依次同轴安装于空心轴(21)上，启动电机(22)用于启动空心轴(21)的旋转；空心轴(21)、压气机叶轮(4)和第一级涡轮(7)同步旋转；环形燃烧室(5)和第一级导叶(6)设于压气机叶轮(4)和第一级涡轮(7)之间，环形燃烧室(5)位于第一级导叶(6)前方；整机壳体(23)上设有空气入口，外部空气在压气机叶轮(4)的转动作用下经空气入口吸入并压缩至环形燃烧室(5)；环形燃烧室(5)产生的燃气用于经第一级导叶(6)膨胀加速后驱动第一级涡轮(7)旋转；发电机轴(2)穿过空心轴(21)内部，发电机轴(2)后端安装单级双列复速级涡轮(9)，发电机轴(2)前端设于发电机定子(3)内部；可调导叶(8)设于第一级涡轮(7)和单级双列复速级涡轮(9)之间，用于调节经第一级涡轮(7)排出后的燃气的速度和方向；单级双列复速级涡轮(9)用于在经可调导叶(8)排出后的燃气的作用下带动发电机轴(2)旋转。2.根据权利要求1所述的一种燃气涡轮发电机，其特征在于，发电机轴(2)利用3个轴承支撑于整机壳体(23)内部，3个轴承分别位于发电机定子(3)的前方、后方以及双列复速级涡轮(9)的后方。3.根据权利要求1所述的一种燃气涡轮发电机，其特征在于，环形燃烧室(5)和第一级导叶(6)固定安装于整机壳体(23)上；空心轴(21)穿过环形燃烧室(5)和第一级导叶(6)中心；空心轴(21)通过轴承支撑于整机壳体(23)内部。4.根据权利要求1所述的一种燃气涡轮发电机，其特征在于，环形燃烧室(5)内部安装有燃油喷嘴(16)和点火器(13)；燃油喷嘴(16)与外部油箱连通。5.根据权利要求1所述的一种燃气涡轮发电机，其特征在于，整机壳体(23)所设空气入口处设有空气过滤网(1)。6.根据权利要求1所述的一种燃气涡轮发电机，其特征在于，整机壳体(23)所设空气入口≥1处。7.根据权利要求4所述的一种燃气涡轮发电机，其特征在于，还包括输出端子(19)、控制器(17)和燃油调节阀(15)；燃油调节阀(15)设于用于连通燃油喷嘴(16)与外部油箱(12)的管路上，输出端子(19)用于获取发电机轴(2)的转速信息，并将转速信息输出至控制器(17)，控制器(17)根据转速信息控制燃油调节阀(15)和可调导叶(8)，进而实现燃气涡轮发电机功率的控制。8.根据权利要求1-7任一项所述的一种燃气涡轮发电机的工作方法，其特征在于，包括：启动电机(22)启动空心轴(21)的旋转，空心轴(21)带动压气机叶轮(4)旋转；外部空气在压气机叶轮(4)的转动作用下经空气入口吸入并压缩至环形燃烧室(5)；
环形燃烧室(5)点火后产生燃气，燃气经第一级导叶(6)膨胀加速后驱动第一级涡轮(7)旋转；第一级涡轮(7)的旋转带动压气机叶轮(4)旋转，外部空气在压气机叶轮(4)的转动作用下不断经空气入口吸入并压缩至环形燃烧室(5)，环形燃烧室(5)不断产生燃气；燃气经第一级导叶(6)和第一级涡轮(7)排出后到达可调导叶(8)，可调导叶(8)对燃气的速度和方向进行调节；经可调导叶(8)排出后的燃气驱动单级双列复速级涡轮(9)旋转，单级双列复速级涡轮(9)的旋转带动发电机轴(2)旋转，输出交流电能。9.根据权利要求8所述的一种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(22)。10.根据权利要求8所述的一种燃气涡轮发电机的工作方法，其特征在于，燃气涡轮发电机还包括输出端子(19)、控制器(17)和燃油调节阀(15)；燃油调节阀(15)设于用于连通环形燃烧室(5)内部的燃油喷嘴(16)与外部油箱的管路上，输出端子(19)用于获取发电机轴(2)的转速信息，并将转速信息输出至控制器(17)，控制器(17)根据转速信息控制燃油调节阀(15)和可调导叶(8)，实现燃气涡轮发电机功率的控制。

技术总结
本发明公开了一种燃气涡轮发电机，启动电机、压气机叶轮和第一级涡轮依次同轴安装于空心轴上；环形燃烧室和第一级导叶设于压气机叶轮和第一级涡轮之间；外部空气在压气机叶轮的作用下吸入并压缩至环形燃烧室，燃气驱动第一级涡轮旋转；发电机轴穿过空心轴内部，发电机轴后端安装双列复速级涡轮，前端设于发电机定子内部；可调导叶设于第一级涡轮和双列复速级涡轮之间。本发明还公开了燃气涡轮发电机的工作方法，第一级涡轮带动压气机叶轮旋转，外部空气在压气机叶轮的转动作用下不断吸入并压缩至环形燃烧室，环形燃烧室不断产生燃气；经可调导叶后的燃气驱动双列复速级涡轮旋转，带动发电机轴旋转。本发明能有效避免振动耦合，实现最佳效率匹配。实现最佳效率匹配。实现最佳效率匹配。


技术研发人员：郝小龙 张明根 赵经明 唐慧慧 解俊良 王志峰 刘群
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：2023/5/24