专利名称：低阻涵流式空气涡轮发电系统的制作方法
技术领域：
低阻涵流式空气涡轮发电系统技术领域[0001]本实用新型低阻涵流式空气涡轮发电系统涉及的是涵流型通量管的确立、低阻涡轮叶片优化、非动态导流栅选型、空心递级轴耦合封接、发电机配型等多项专业核心技术发电系统。属太阳能塔抽吸而形成的特有空气射流冲压低阻涡轮发电技术领域。
背景技术：
[0002]随着我国经济高速增长急剧增加了对电力的需求，未来30年中的每10年需求总量将增加1200TWh。能源专家从社会可持续发展要求出发，预计我国可再生能源发电的总装机容量在2020年将达到10GW，2050年将提高到100GW的水平，占全部总装机容量的5%_7%， 从而成为我国电力系统的重要组成部分。其中，风力发电与太阳能发电将占重要份额，前期风力发电会较快发展，而后期的增长主要依靠太阳能热力发电，但是利用太阳热能发电是一门综合性的高技术，涉及太阳能收集、储能、新型材料技术，高效汽轮机技术和自动控制系统等问题。纵观国内外的太阳能热力发电项目，专家认为未来最有发展潜力的数烟囱式热发电，而烟囱式热发电并不缺烟囱高度、集热场和控制系统，唯独缺少专业化和与之相适应的专职高效空气涡轮发电机。目前市场上可见的为太阳塔热气流电站配套应用的空气涡轮机主要以风力机原理，水轮机原理和排风机原理设计为多。这种设计理念最大的问题就是热气流很容易“一次过”(也就是抽风产生向上升力，从而冲击叶片带动中心轴旋转，产生电能)，电转换效率低(仅10%-12%)也是理所当然的。其次是容易损坏，由于环境风沙，杂草进入风机叶片上，使叶片腐蚀、拉毛，杂草进入更易缠绕，造成“死机”。尽管世界少数发达国家，如美国、德国、西班牙、澳大利亚及发展中国家的纳米比亚近年都在不同程度的计划尝试建造太阳能热气流发电塔(最高1000米)，所采用的发电理念也停留在大棚式，环向布置阻力风轮发电机利用烟 底部热气流汇流发电，均未见涉足低阻涵流涡轮发电技术领域。 我国在这一领域研究开展较晚，目前尽管有华中科技大学、上海交通大学已经开始从事这方面的研究，但也仅停留在概念性研究阶段。特别是对新型涵流型通量管的确立，低阻涡轮叶片优化，非动态导流栅选型、空心递级轴耦合封接技术和发电机配型选择上还无从谈论。[0003]经进一步检索及对市场的调查，未见与本实用新型完全一致或相类似的专家文献及专利报告。发明内容[0004]本实用新型目的是针对上述不足之处，为未来太阳能塔热气流电站可预知的市场而提供一种低阻涵流式空气涡轮发电系统。其最大的特点之一是以前所未有的涵流式新型技术替代壁洞式和集中塔底集流方式，变无序为有序，将有限热能提升一个数量级，确保热流体达到最大利用率；特点之二是以多级串联优化技术代替单级多台套设置方式，充分利用热能二次利用率，赢得电力输出最大化；特点之三是采用优秀的派风板和杰出的涡轮桨叶耦合核心技术，替代列装的简单叶片和叶轮式设置，保证涡轮机在微射流冲击时，也能输出理想动力，带动发电机发电；特点之四是提供了一种完全符合太阳能热气流发电专职高效、长寿命、绿色电力制造设备，从此填补了国内外空白。[0005]低阻涵流式空气涡轮发电系统是采取以下技术方案实现的[0006]低阻涵流式空气涡轮发电系统包括发电机、支撑筋、支撑环、自检元件组件、涵洞、 固定环、尾流通道管、涡轮桨叶、迎风板、向心环、阻风门、主轴、电机、保温材料、喇叭状气流通量管、递级轴、涡轮机壳、对接法兰、定位基架、限位法兰、轴承和连接轴。涵洞预制在太阳塔底部环向上；涡轮桨叶设置在递级轴上；轴承设置在递级轴两头；迎风板一头固定在固定环上，另一头固定在向心环上；支撑环上设置有支撑筋；支撑筋固定在轴承周向外侧；定位基架设置在涡轮机壳下方平面上；涡轮机壳内设置有支撑环、支撑筋、轴承、递级轴、固定环、迎风板、向心环、涡轮桨叶；对接法兰设置在单级涡轮机壳的环向两头，有利于第一级和第二级封装对接；喇叭状气流通量管设置在第一级涡轮机壳上；阻风门设置在主轴上；主轴一端设置有电机，有利于及时调控，起到启闭作用和控制流量流速的功能；尾流通道管设置在最后一级涡轮机壳上，起到引流作用；限位法兰设置在尾流通道管和喇叭状气流通量管上；自检元件组件设置在涡轮机壳开孔处有利于观察和自检的位置上；涡轮机与发电机之间采用连接轴连接，通过连接轴可调节发电机及涡轮机之间的距离，使气流无阻上升；发电机设置在连接轴一端，有利于及时将旋转动力能转换成电能输出；保温材料填充在涵洞与涡轮机壳、涵洞与喇叭状气流通量管之间，避免热损。[0007]所述的涵洞采用钢筋混凝土浇筑形成(特别在配合太阳塔发电时)，进口段制成顺喇叭状，出口延伸1-2米后制成倒喇叭状；也可采用钢板弯制焊接加工成型。制成后的涵洞周向尺寸应大于涡轮机环向壳面300-600mm。[0008]所述的空气涡轮机可采用单级使用，更优选的是采用多级串联使用。在采用多级串联使用时，进风第一级的规格选择大于第二级，而第三级又小于第二级，形成顺喇叭状流体压缩式走向。[0009]所述的自检元件组件采用监控探头、射灯、微型马达、灯罩式壳体组成。设置在每一级空心涡轮机壳开孔处，有利于实时检查和传递每级空气涡轮机的运转情况和实测数据。[0010]所述的递级轴采用金属材料通过一系列机加工制成逐段缩小的递级整轴，也可采用分级分段连接成空心递级轴，有利于降低重量，涡轮机气动更容易，并节省动能。[0011]所述的涡轮桨叶采用玻璃纤维加环氧树脂复合，也可采用铝合金、镁合金材料制造。制成的涡轮桨叶，叶根为实心体，叶面与叶背之间为空心体，整体涡轮桨叶不规则向上扭15-68°倾角。[0012]所述的迎风板采用不锈钢、玻璃钢、铝合金及其他任何一种板材，也可采用不易腐蚀、强度高的其他板材制成。以向心环为中心，顺方向倾斜状布板，板与板之间的间隔 50-300mm，板的宽度为 500_3000mm，高度为 1000-3000mm。[0013]所述的发电机采用同步发电机、异步发电机或永磁直流发电机，可优选任何一款应用，输出功率150-5000KW，也可采用与空气涡轮机输出功率相对应的发电机。[0014]所述的尾流通道管采用不易腐蚀、光洁度好的金属板材弯制，经铆焊组成圆筒状， 一端设置有法兰，另一端敞口，优选采用在涵洞壁面粘贴铝、塑薄板，或粘贴瓷砖，从而降低流体粘挂，使气流上升更顺畅。[0015]工作原理[0016]受太阳塔负压产生抽吸的物理机理效应，当流体工质(此处称为热气流)以 15-20m/s (设计流速)的流速和饱满的流量首先通过开启的阻风门，经过喇叭状引射管流道时，热气流第一次被压缩，不规则热气流(如涡流、旋流)第一次进行调整并从喇叭状出口进入迎风板缝隙式通道，经过缝隙式通道时，热气流得到第二次调整，进行第二次压缩，在二次调整热气流和二次受到压缩的情况下，使热气流成顺方向高速冲击涡轮桨叶，涡轮桨叶带动递级轴旋转，完成风能转换机械动能过程，而高速旋转的递级轴又将旋转动能传递至同步发电机，发电机产生电能输出上网，从而又完成了机械动能转换成电能的过程。由于热气流实行第一次冲击后，余能从涡轮桨叶边沿逃离进入第二级迎风板界面，又一次进行调整并压缩，热流体余能进一步得到应用，再一次冲击第二级涡轮桨叶，使涡轮桨叶带动第二级递级轴连同第一级同步旋转，产生更强旋转动能带动同步电机完成电力输出程序。冲击后的热气流通过尾流通道管进入太阳塔内，经自然抽吸到顶部出口排入大自然，以此往复。
[0017]通过
以下结合附图的详细描述，本实用新型前述的和其它的目的、特征和优点将变得更为清晰。其中[0018]图1是本实用新型低阻涵流式空气涡轮发电系统剖视图。[0019]图中序号1.电机；2.阻风门；3.主轴；4.喇叭状气流通量管；5.保温材料；6.递级轴；7.涡轮机壳；8.定位基架；9.对接法兰；10.轴承；11.限位法兰；12.连接轴；13.发电机；14.尾流通道管；15.涵洞；16.支撑筋；17.支撑环；18.自检元件组件；19.固定环； 20.向心环；21.涡轮桨叶；22.迎风板。
具体实施方式
[0020]结合图1，本实用新型低阻涵流式空气涡轮发电系统是采取以下技术方案实现的[0021]本实用新型低阻涵流式空气涡轮发电系统包括发电机13、支撑筋16、支撑环17、 自检元件组件18、涵洞15、固定环19、尾流通道管14、涡轮桨叶21、迎风板22、向心环20、 阻风门2、主轴3、电机1、保温材料5、喇叭状气流通量管4、递级轴6、涡轮机壳7、对接法兰 9、定位基架8、限位法兰11、轴承10和连接轴12。涵洞15预制在太阳塔底部环向上；涡轮桨叶21设置在递级轴6上；轴承10设置在递级轴6两头；迎风板22 —头固定在固定环19 上，另一头固定在向心环20上；支撑环17上设置有支撑筋16 ；支撑筋16固定在轴承10周向外侧；定位基架8设置在涡轮机壳7下方平面上；涡轮机壳7内设置有支撑环17、支撑筋 16、轴承10、递级轴6、固定环19、迎风板22、向心环20、涡轮桨叶21 ；对接法兰9设置在单级涡轮机壳7的环向两头，有利于第一级和第二级封装对接；喇叭状气流通量管4设置在第一级涡轮机壳7上；阻风门2设置在主轴3上；主轴3 —端设置有电机1，有利于及时调控， 起到启闭作用和控制流量流速的功能；尾流通道管14设置在最后一级涡轮机壳7上，起到引流作用；限位法兰11设置在尾流通道管14和喇叭状气流通量管4上；自检元件组件18 设置在涡轮机壳7开孔处有利于观察和自检的位置上；涡轮机与发电机13之间采用连接轴 12连接，通过连接轴12可调节发电机13及涡轮机之间的距离，使气流无阻上升；发电机13 设置在连接轴12—端，有利于及时将旋转动力能转换成电能输出；保温材料5填充在涵洞515与涡轮机壳7、涵洞15与喇叭状气流通量管4之间，避免热损。[0022]所述的涵洞15采用钢筋混凝土浇筑形成(特别在配合太阳塔发电时)，进口段制成顺喇叭状，出口延伸1-2米后制成倒喇叭状；也可采用钢板弯制焊接加工成型。制成后的涵洞15周向尺寸应大于涡轮机环向壳面300-600mm。[0023]所述的空气涡轮机可采用单级使用，更优选的是采用多级串联使用。在采用多级串联使用时，进风第一级的规格选择大于第二级，而第三级又小于第二级，形成顺喇叭状流体压缩式走向。[0024]所述的自检元件组件18采用监控探头、射灯、微型马达、灯罩式壳体组成。设置在每一级空心涡轮机壳开孔处，有利于实时检查和传递每级空气涡轮机的运转情况和实测数据。[0025]所述的递级轴6采用金属材料通过一系列机加工制成逐段缩小的递级整轴，也可采用分级分段连接成空心递级轴。有利于降低重量，涡轮机气动更容易，并节省动能。[0026]所述的涡轮桨叶21采用玻璃纤维加环氧树脂复合，也可采用铝合金、镁合金材料打造。制成的涡轮桨叶21，叶根为实心体，叶面与叶背之间为空心体，整体涡轮桨叶21不规则向上扭15-68°倾角。[0027]所述的迎风板22采用不锈钢、玻璃钢、铝合金及其他任何一种板材，也可采用不易腐蚀、强度高的其他板材制成。以向心环为中心，顺方向倾斜状布板，板与板之间的间隔 50-300mm，板的宽度为 500_3000mm，高度为 1000-3000mm。[0028]所述的发电机13采用同步发电机、异步发电机或永磁直流发电机，可优选任何一款应用，输出功率150-5000KW，也可采用与空气涡轮机输出功率相对应的发电机。[0029]所述的尾流通道管14采用不易腐蚀、光洁度好的金属板材弯制，经铆焊组成圆筒状，一端设置有法兰，另一端敞口，优选采用在涵洞15壁面粘贴铝、塑薄板，或粘贴瓷砖，从而降低流体粘挂，使气流上升更顺畅。[0030]本实用新型低阻涵流式空气涡轮发电系统具有卓越的技术和性价优势，具体如下[0031]一、采用新型渐缩式长流道工质通量可控优化设计方案，从而使风能转化为机械能，机械能转化为电能，贯通“一气呵成”。[0032]本实用新型是太阳塔式热气流发电的核心装置之一。以太阳塔自身抽吸力作为动能，将原分散设置在太阳塔集热棚周向壁洞式小型发电机，集中整合到统一的涵道内， 采用中、大型发电机来担当主力，经过派风控量、顺喇叭渐缩、长流道稳流、迎风板定向冲击等一系列制式规范动作，使有限的热气流得到更为合理的利用，在降低热损的同时，又降低了流体损失，为后续高效涡轮机的安装应用创造了优良条件。[0033]二、采用一轴多级高效涡轮机先进工艺流程，充分发挥特种涡桨作用，使风能转换成机械能，机械能转换电能最大化。[0034]本实用新型采用杰出的涡轮桨叶作为动能转换的主力元件，一改常态叶片式和分轮机式叶片的做法，加上采用逐级缩小的工艺流程，在优秀的定向迎风板的规划下，使流体无序变有序，而扭力不减，动力产生不降反升。根据风速增加一倍，风的功率便增加8 倍的重要概念，本实用新型充分发挥尾流的流速流量和温差，可及时调整级数，合理增加或减少。假设流体冲击时为15m/s，所产生电能350W，冲击后进入第二级时，同样产生电能350W，所以，只要有足够的抽吸力，就可以使电力输出是单机的两倍以上。改变传统热气流发电“一吹而过”利用率低的毛病，开创新能源电力系统应用新时代。[0035]三、采用传统材料，根据气动原理设计，降低制作成本，提高市场竞争力。[0036]本实用新型采用市售常规玻纤加环氧(GF/E)或碳纤维/玻纤混杂组合制作桨叶， 有利原料采购及时，可形成大规模生产，降低制作成本，扩展市场竞争力。根据气动原理设计的杰出的涡轮桨叶在不规则扭转角15-68°的情况下，仍保证有足够的强度、刚度和气动弹性稳定的特性。因此，对未来整个行业树立了典范并起到了一定的引领及标杆作用。[0037]四、噪音低、振动小、免维护、长寿命。[0038]本实用新型由于以涵流形式为主力热气流风道，安装时与混凝土预制涵洞结合， 并直接与地面固定接触，涡轮转动时产生的噪音不易外泄，可随土壤向四周扩散，振动也小。目前可知的国外代表作“千米高塔”所设计的涡轮发电机，是以集热棚周向开孔或塔底部放置有32台涡轮发电机的例证，这种设计会风雨无阻的扩散噪音，振动大，易损坏，严重影响使用寿命。另外，本实用新型又一大特点采用在涡轮机壳上合适位置开孔，孔向布置有自检元件，可及时了解和收集涡轮机的实时运转情况和数据，确保涡轮机运转始终处于优良状态和可控范围，免受不必要的机械损耗，延长使用寿命。
权利要求1.一种低阻涵流式空气涡轮发电系统，其特征在于包括发电机、支撑筋、支撑环、自检元件组件、涵洞、固定环、尾流通道管、涡轮桨叶、迎风板、向心环、阻风门、主轴、电机、保温材料、喇叭状气流通量管、递级轴、涡轮机壳、对接法兰、定位基架、限位法兰、轴承和连接轴；涵洞预制在太阳塔底部环向上；涡轮桨叶设置在递级轴上；轴承设置在递级轴两头；迎风板一头固定在固定环上，另一头固定在向心环上；支撑环上设置有支撑筋；支撑筋固定在轴承周向外侧；定位基架设置在涡轮机壳下方平面上；涡轮机壳内设置有支撑环、支撑筋、轴承、递级轴、固定环、迎风板、向心环、涡轮桨叶；对接法兰设置在单级涡轮机壳的环向两头，有利于第一级和第二级封装对接；喇叭状气流通量管设置在第一级涡轮机壳上；阻风门设置在主轴上；主轴一端设置有电机；尾流通道管设置在最后一级涡轮机壳上，起到引流作用；限位法兰设置在尾流通道管和喇叭状气流通量管上；自检元件组件设置在涡轮机壳开孔处；涡轮机与发电机之间采用连接轴连接，通过连接轴可调节发电机及涡轮机之间的距离，使气流无阻上升；发电机设置在连接轴一端，有利于及时将旋转动力能转换成电能输出；保温材料填充在涵洞与涡轮机壳、涵洞与喇叭状气流通量管之间，避免热损。
2.根据权利要求1所述的低阻涵流式空气涡轮发电系统，其特征在于所述的涵洞采用钢筋混凝土浇筑成，进口段制成顺喇叭状，出口延伸1-2米后制成倒喇叭状；或采用钢板弯制焊接加工成型，制成后的涵洞周向尺寸应大于涡轮机环向壳面300-600mm。
3.根据权利要求1所述的低阻涵流式空气涡轮发电系统，其特征在于所述的空气涡轮机采用单级使用，或采用多级串联使用；在采用多级串联使用时，进风第一级的规格选择大于第二级，而第三级又小于第二级，形成顺喇叭状流体压缩式走向。
4.根据权利要求1所述的低阻涵流式空气涡轮发电系统，其特征在于所述的自检元件组件采用监控探头、射灯、微型马达、灯罩式壳体组成，设置在每一级空心涡轮机壳开孔处，有利于实时检查和传递每级空气涡轮机的运转情况和实测数据。
5.根据权利要求1所述的低阻涵流式空气涡轮发电系统，其特征在于所述的递级轴采用金属材料通过机加工制成逐段缩小的递级整轴，或采用分级分段连接成空心递级轴。
6.根据权利要求1所述的低阻涵流式空气涡轮发电系统，其特征在于所述的涡轮桨叶采用铝合金、镁合金材料制造；制成的涡轮桨叶，叶根为实心体，叶面与叶背之间为空心体，整体涡轮桨叶不规则向上扭15-68°倾角。
7.根据权利要求1所述的低阻涵流式空气涡轮发电系统，其特征在于所述的迎风板采用不锈钢、玻璃钢、铝合金板材制成；以向心环为中心，顺方向倾斜状布板，板与板之间的间隔 50-300mm，板的宽度为 500_3000mm，高度为 1000-3000mm。
8.根据权利要求1所述的低阻涵流式空气涡轮发电系统，其特征在于所述的发电机采用同步发电机、异步发电机或永磁直流发电机，输出功率150-5000KW，也可采用与空气涡轮机输出功率相对应的发电机。
9.根据权利要求1所述的低阻涵流式空气涡轮发电系统，其特征在于所述的尾流通道管采用不易腐蚀、光洁度好的金属板材弯制，经铆焊组成圆筒状，一端设置有法兰，另一端敞口，在涵洞壁面粘贴铝、塑薄板，或粘贴瓷砖。
专利摘要本实用新型低阻涵流式空气涡轮发电系统涉及涵流型通量管的确立、低阻涡轮叶片优化、非动态导流栅选型、空心递级轴耦合封接、发电机配型等多项专业核心技术发电系统。属太阳能塔抽吸而形成特有空气射流冲压低阻涡轮发电技术领域。包括发电机、支撑筋、支撑环、自检元件组件、涵洞、固定环、尾流通道管、涡轮桨叶、迎风板、向心环、阻风门、主轴、电机、保温材料、喇叭状气流通量管、递级轴、涡轮机壳、对接法兰、定位基架、限位法兰、轴承和连接轴；涵洞预制在太阳塔底部环向上；涡轮桨叶设置在递级轴上；涡轮机壳内设置有支撑环、支撑筋、轴承、递级轴、固定环、迎风板、向心环、涡轮桨叶；发电机设置在连接轴一端，将旋转动力能转换成电能输出。
文档编号F01D25/00GK202280481SQ20112041043
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月25日 优先权日2011年10月25日
发明者刘根娣, 姚伯龙, 李勇强, 李勇良, 赵廉, 陈东辉 申请人:无锡中阳新能源科技有限公司