一种新型的立式太阳能热气流电站多级透平发电机组的制作方法

本发明涉及一种新型的立式太阳能热气流电站多级透平发电机组，它属于热能动力装置领域。具体地说就是当空气流经立式太阳能热气流电站中的立式太阳能烟囱后，吸收太阳热能，并在热压作用下形成自下而上流动的热气流，因此该热气流就包含了热能及动能，然后利用本发明所涉及的多级透平发电机组，将热气流中所具有的动能及热能同时转换成机械能，进而通过发电机转换成电能，从而实现能量的转换过程。

背景技术：

太阳能热气流电站系统的构想是在1978年首次提出的，并在之后吸引了大量国内外学者对其进行研究，该系统主要集热棚、透平发电机组、烟囱以及蓄热层四个主要部件构成，电站系统的基本运行原理为：当太阳光照射在透明或者半透明集热棚时，辐射通过集热棚加热铺设于底部的蓄热层，使其温度上升，形成“温室效应”，从而加热集热棚内的空气，导致空气的密度下降，而建于集热棚中心的高烟囱则起到类似于负压管的作用，使烟囱的内部产生巨大抽吸力，导致集热棚内的热空气不断进入烟囱，这样使得透平发电机组转动开始向外输出电能。在此基础上，又出现了一种依托于城市高楼向阳面，集热棚与烟囱合为一体的立式太阳能热气流发电系统，具有占地面积小、抗风抗震能力强且可以强化高层建筑内部自然通风的特点，适合在城市发展。

在太阳能热气流发电系统中，透平发电机组作为最重要的能量转化机构，其能量转化效率决定了整个系统的输出功率，因此也吸引了大量国内外研究人员进行研究。在国外，许多研究人员开始对太阳能热气流电站系统中透平发电机组的具体结构形式以及影响其功率的因素进行了大量研究研究，并且对其进行理论分析，将大型风力透平发电机组广泛应用于大型太阳能热气流电站系统中。在国内，部分高校和研究机构也对太阳能热气流电站的透平发电机组进行了研究，得到了一定的研究成果。欧阳穗根据螺旋桨原理对50kW的太阳能热气流电站设计了一种透平发电机组，采用单级轴流式四叶片透平，叶片直径为10m，叶型为CLARK Y翼型，输出功率为37kW，并在此基础上对200MW的太阳能热气流电站透平发电机组进行了设计，该设计适用于只利用热气流动能的大型原始太阳能热气流电站。而立式太阳能热气流电站与原始太阳能热气流电站有很大不同，立式太阳能热气流电站属于依托城市高楼南墙的微风量小型电站，需要同时对系统内热气流的热能和动能进行利用，因此欧阳穗的设计不适用，需要重新对其进行设计。

所以本发明所提出的一种新型的立式太阳能热气流电站多级透平发电机组是一种与立式太阳能热气流电站系统相匹配的透平发电机组，可以提高该系统的发电效率，对本系统的推广应用从而缓解城市中能源危机具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明提供了一种新型的立式太阳能热气流电站多级透平发电机组，它可以将立式太阳能热气流电站系统中热气流所包含的动能及热能同时转换成机械能，可大幅提高立式太阳能热气流电站系统的能量转换效率，对立式太阳能热气流电站系统的推广具有重要意义。

为了达到解决上述技术方案的目的，本发明的技术方案是一种新型的立式太阳能热气流电站多级透平发电机组，该透平发电机组竖直放置在建筑物上方立式太阳能热气流电站的太阳能烟囱通道的顶端，主体结构主要由竖直通道、缩放型导流筒、第一级透平、第二级透平、透平固定支架、中心旋转轴、调心球轴承、双膜片联轴器、十字滑块联轴器和发电机构成，缩放型导流筒固定在竖直通道内壁上，固定在中心旋转轴上的两级透平竖直放置于缩放型导流筒中，两级透平间中心旋转轴由双膜片联轴器连接，中心旋转轴两端由两个调心球轴承固定在系统支架上，中心旋转轴上端通过十字滑块联轴器与发电机连接，热气流在竖直通道内不断上升，在缩放型导流筒渐缩段加速推动第一级透平旋转，继续上升在缩放型导流筒渐扩段膨胀降压转换成动能推动第二级叶片旋转，将立式太阳能热气流电站产生的热气流中所包含的动能及热能转换为机械能，从而带动发电机输出电能，大幅提高了立式太阳能热气流电站系统的能量转换效率。

在本发明中还具有以下技术特征：所述的缩放型导流筒渐缩段与中心轴的夹角为15°—30°，渐扩段与中心轴的夹角为4°—12°，入口截面、喉部截面及出口截面的面积之比为3：2：3，所述的两级透平竖直放置于缩放型导流筒中，第一级叶片安装在该缩放型导流筒的喉部截面，第二级叶片安装在缩放型导流筒的出口截面，当热气流通过第一级叶片时，热气流中的部分动能转换成机械能，流过透平发电机组第一级叶片的热气流通过缩放型导流罩的渐扩段后，热气流中所具有的热能转换成动能，可通过透平机组的第二级叶片进一步转换成机械能。

在本发明中还具有以下技术特征：所述的第一级透平和第二级透平，两级透平连体同轴同角速度旋转，两级透平间距为0.8m—1.2m，第一级透平与第二级透平的合理旋转半径比为0.7—0.875，这样既可以保证两级透平同角速度旋转，又可以增大中心旋转轴的输出转矩。

在本发明中还具有以下技术特征：所述的第一级透平，该级透平的旋转半径为0.3m—0.35m，叶片数目为6—9片(图上为7叶片)，叶片与轮毂的最佳安装角度范围为22.28°—24.48°，第一级透平叶片翼型是瘦长形的，在其前部较厚且有小圆弧状前缘，而其后部较薄且有一较尖的后缘，翼型上表面的前部曲率较大，后部曲率较小，最大厚度为弦长的12％—15％，最大厚度处距叶型前缘的距离是弦长的30％—35％，因此可以将热气流中所具有的动能转换成机械能。

在本发明中还具有以下技术特征：所述的第二级透平，该级透平的旋转半径为0.4m—0.43m，叶片数目为7—9片(图上为8叶片)，叶片与轮毂的最佳安装角度范围为25.27°—27.68°，第二级透平叶片翼型是瘦长形的，在其前部较厚且有小圆弧状前缘，而其后部较薄且有一较尖的后缘，翼型上表面的前部曲率较大，后部曲率较小，最大厚度为弦长的12％—15％，最大厚度处距叶型前缘的距离是弦长的30％—35％，因此可以将热气流中热能所转换成的动能进一步转换成机械能。

基于上述技术特征所构成的技术方案的优点在于：

1.该多级透平机组具有两级叶片，可以将立式太阳能热气流电站系统中热气流所包含的热能及动能有效地转换成机械能。

2.所述透平机组垂直放置于一缩放型导流罩中，第一级叶片放置于该缩放型导流罩的喉部截面处，而第二级叶片的放置于渐扩段，并保证两级叶片的角速度相同。

3.采用参数化设计原理对这种新型的立式太阳能热气流电站多级透平发电机组进行了设计，使该类型的透平机组能适应多种参数结构下的立式太阳能热气流电站系统。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进行详细地描述.

图1是本发明的一种新型的立式太阳能热气流电站多级透平发电机组整体结构示意图；

图2是本发明的第一级透平的俯视图；

图3是本发明的第二级透平的俯视图；

图4是本发明的两级叶片的翼型图；

1.竖直通道；2.缩放型导流罩；3.第一级透平；4.第二级透平；5.十字滑块联轴器；6.发电机；7.中心旋转轴；8.调心球轴承；9.透平固定支架；10.双膜片联轴器

具体实施方式

本发明提供了一种新型的立式太阳能热气流电站多级透平发电机组，如图1所示，该透平发电机组竖直放置在建筑物上方立式太阳能热气流电站的太阳能烟囱通道的顶端，缩放型导流筒2固定在竖直通道1的内壁上，两级透平竖直放置于缩放型导流筒2中，第一级叶片3安装在该缩放型导流筒的喉部截面，第二级叶片4安装在缩放型导流筒的出口截面，两级透平固定在中心旋转轴7上，为避免两级透平旋转产生不同转矩引起中心旋转轴7的变形，两级透平间中心旋转轴7由双膜片联轴器10连接，中心旋转轴7两端由两个调心球轴承8固定在透平固定支架9上，中心旋转轴7上端通过十字滑块联轴器5与发电机6连接来保证最大输出转矩；空气在立式太阳能热气流电站系统的太阳能烟囱通道中吸收太阳热能后变成热气流，热气流通过竖直通道1下方入口进入缩放型导流筒2内，在其渐缩段内加速后推动第一级透平3旋转，热气流继续上升在其渐扩段膨胀降压转换为动能后推动第二级透平4旋转，将立式太阳能热气流电站中产生的热气流中所包含的动能及热能转换为机械能，由中心旋转轴7输出转矩从而带动发电机输出电能。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。