一种微型燃气轮机的制作方法

1.本实用新型属燃气轮机技术领域，具体涉及一种微型燃气轮机。


背景技术：

2.现有换热器为平行的面积较大的两片板，换热板因与燃烧室换热导致入口端至出口端温度梯度大；由于换热板面积大，板的外围没有约束力，板内空气压力大容易使板从中部胀裂。传统换热器的换热板上下两板的两侧通过焊接或铆接，由于板过长导致焊缝长容易漏气，对工艺要求高。因此，现有换热器的使用寿命有限，难以在野外等工况条件下长期、稳定运行，制造和维护成本高。
3.此外，特斯拉涡轮机是一种无叶片的，由流体剪切力驱动的涡轮机，它被称为无叶片涡轮。特斯拉涡轮机应用了边界层效应，流体受黏滞力影响，会在管壁或者其它物体边缘形成一层很薄的边界层，在边界层内，固定表面的流速为0，离表面越远速度越大。利用这个效应就可以让高速运动的液体带动一组转盘转动。特斯拉涡轮机的机械效率可达95％，比普通的叶片涡轮机高得多。然而目前特斯拉涡轮的落压比很难突破2，即压气机将气体增压，高压气体对涡轮做功后会存在较大的压力损失，因此当其用于发电或发热等系统中时，热效率并不高，造成能源浪费。


技术实现要素：

4.本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种微型燃气轮机，可解决现有特斯拉涡轮落压比低，易造成压力损失、系统效率低的问题，同时，解决现有换热器温度梯度大、易胀裂的问题。
5.本实用新型的技术解决方案是：一种微型燃气轮机，包括燃烧室，换热器、空压机、特斯拉涡轮机、启发一体式电机，所述换热器为多腔体式换热装置，其包括至少两个换热单元，所述换热单元包括输入板和输出板，所述输入板和输出板的侧面通过扣合装置密封连接，所述一对相邻的输入板和输出板之间围成换热腔体。
6.进一步的，换热腔体内，位于输入板和输出板的内壁上均设有翅片。
7.进一步的，所述翅片与输入板或输出板一体成型；或者，
8.所述翅片与输入板或输出板固定。
9.进一步的，所述翅片为波浪形板或直板。
10.进一步的，所述扣合装置包括相互平行的围挡一、围挡二和与之垂直的侧围，所述围挡一、围挡二和侧围的截面构成“凹”字型，所述输入板和输出板边缘嵌入围挡一、围挡二和侧围之间构成的卡槽里。
11.进一步的，所述特斯拉涡轮机为串联式特斯拉涡轮机，其包括设置在转轴上的至少两个特斯拉涡轮机单元和至少两个径向轴承；
12.所述特斯拉涡轮机单元包括：设置于所述转轴上的壳体，所述壳体上设置有介质入口和介质出口；设置于所述壳体内的若干个转盘，所述若干个转盘固定连接于所述转轴
上，所述若干个转盘中的每两个相邻转盘之间均设置有间隙，所述若干个转盘中的每个转盘上均绕中心均布设置排气孔；
13.所述至少两个径向轴承设置于所述转轴上；
14.上一级特斯拉涡轮机单元的介质出口与下一级特斯拉涡轮机单元的介质入口连通。
15.进一步的，所述串联式特斯拉涡轮机包括电机，所述电机的转轴通过联轴器与所述转轴连接；或者，
16.所述电机的转轴为所述转轴。
17.进一步的，所述特斯拉涡轮机为多级特斯拉涡轮机，其包括至少两个特斯拉涡轮机单元；
18.所述特斯拉涡轮机单元包括：转轴，至少两个径向轴承和设置于所述转轴和至少两个径向轴承上的壳体，所述壳体上设置有介质入口和介质出口；设置于所述壳体内的若干个转盘，所述若干个转盘固定连接于所述转轴上，所述若干个转盘中的每两个相邻转盘之间均设置有间隙，所述若干个转盘中的每个转盘上均绕中心均布设置排气孔；所述至少两个径向轴承设置于所述转轴上；上一级特斯拉涡轮机单元的介质出口与下一级特斯拉涡轮机单元的介质入口连通。
19.进一步的，每个特斯拉涡轮机单元包括电机，所述电机的转轴通过联轴器与所述转轴连接；或者，
20.所述电机的转轴为所述转轴。
21.本实用新型与现有技术相比的优点在于：
22.1、本实用新型的微型燃气轮机，其换热器是将一个较大的换热腔体做成多个(至少2个)较小的换热腔体，将较小的换热腔体连接起来，两片大板之间的变形转化为多片小板的小变形，并在板的中部加了预紧力，减少变形，确保长寿命、高可靠性。需要说明的是，本实用新型换热板并不是简单地减小尺寸，而是对于任意的传统换热板，本实用新型换热板大小均在其原有的、应有的设计尺寸基础上减为几分之一或几十分之一。
23.2、本实用新型的微型燃气轮机，其换热器换热腔体的增加，使相邻板之间温度梯度降低，参见图4，减小单个腔体内的气压，防止胀裂。
24.3、本实用新型的微型燃气轮机，其换热器采用多腔体式换热板，会使焊缝变短，工艺简单且不易漏气。
25.4、本实用新型的微型燃气轮机，其换热器压头在垂直于换热板的方向上施加压力，防止换热板因受气压作用凸起变形，防止胀裂，提高装置使用寿命，减少维护成本。
26.5、本实用新型的微型燃气轮机，其特斯拉涡轮机落压比高，减少压降损失，系统整体效率高。
27.6、本实用新型的微型燃气轮机，其特斯拉涡轮机压缩后的气体可以得到充分利用，可节约能源。
28.7、本实用新型的微型燃气轮机，其特斯拉涡轮机每个级特斯拉涡轮机单元的介质入口设置喷嘴，增加了气体流速。
29.8、本实用新型的微型燃气轮机，其多级特斯拉涡轮机相对于串联式特斯拉涡轮机轴向间隙在微米级，装配困难，很难保证同轴度，装配操作复杂的情况，本实用新型的多级
特斯拉涡轮机，易保证同轴度，避免误差积累，装配简单。
30.9、本实用新型的微型燃气轮机，其特斯拉涡轮机尤其适用于小电机(如1kw)，尺寸精度较高；制作工作和装配工艺简单；可模块化生产，生产效率高。
31.10、本实用新型的微型燃气轮机，其特斯拉涡轮机转盘两侧面设置螺旋式空气槽，实现转盘两侧空气的快速通流，既可传导气体，又可防止空气堵塞、聚积。
附图说明
32.图1是本实用新型的微型燃气轮机的结构示意图；
33.图2是本实用新型的微型燃气轮机中，换热器的翅片为波浪形板的换热单元结构示意图；
34.图3是本实用新型的微型燃气轮机中，换热器的翅片为直板的换热单元结构示意图；
35.图4是本实用新型的微型燃气轮机中，换热器的一种实施方式的端面位置结构示意图；
36.图5是本实用新型的微型燃气轮机中，换热器的一种实施方式的横截面结构示意图；
37.图6是本实用新型的微型燃气轮机中，换热器的另一种实施方式的端面位置结构示意图；
38.图7是本实用新型的微型燃气轮机中，换热器的另一种实施方式的横截面结构示意图。
39.图8是本实用新型的微型燃气轮机中，串联式特斯拉涡轮机的结构示意图；
40.图9是本实用新型的微型燃气轮机中，串联式特斯拉涡轮机的第一级特斯拉涡轮机单元的结构示意图；
41.图10是图8俯视方向的涡轮进气出气路线示意图；
42.图11是本实用新型的微型燃气轮机中，多级特斯拉涡轮机的结构示意图；
43.图12是本实用新型的微型燃气轮机中，多级特斯拉涡轮机的单个特斯拉涡轮机单元的结构示意图；
44.图13是图11俯视方向的涡轮进气出气路线示意图；
45.图14是本实用新型的微型燃气轮机中，斯拉涡轮机的转盘上设置空气槽的示意图。
具体实施方式
46.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
47.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
48.一种微型燃气轮机，包括燃烧室105，换热器101、空压机102、特斯拉涡轮机100、启发一体式电机103。外界气体通入压气机102加压后进入换热器101，换热器101被加热后，使通入的气体升温后通入燃烧室105，在燃烧室105内燃烧后气体推动特斯拉涡轮机100做功，而特斯拉涡轮100内做功后排出的气体可以和压气机102加压后的气体再次通入换热器101内循环。其中，启发一体式电机103可先作为电机带动压气机转动，待压气机能够独立工作后与压气机脱开，作为电机，被特斯拉涡轮机100转轴带动发电。
49.对于换热器，所述换热器为多腔体式换热装置，其是将一个较大的换热腔体做成多个(至少2个)较小的换热腔体，将较小的换热腔体连接起来，两片大板之间的变形转化为多片小板的小变形，并在板的中部加了预紧力，减少变形，确保长寿命、高可靠性。需要说明的是，本实用新型换热板并不是简单地减小尺寸，而是对于任意的传统换热板，本实用新型换热板大小均在其原有的、应有的设计尺寸基础上减为几分之一或几十分之一。具体如图2
‑
7所示，一种多腔体式换热装置，包括至少两个换热单元，所述换热单元包括输入板10和输出板20，所述输入板10和输出板20的侧面通过扣合装置30密封连接，所述一对相邻的输入板10和输出板20之间围成换热腔体50。
50.所述换热腔体50内，位于输入板10和输出板20的内壁上均设有翅片11；所述翅片11与输入板10或输出板20一体成型；或者，所述翅片11与输入板10或输出板20固定。优选的，所述翅片11为波浪形板或直板。翅片11可增加气体在换热腔体内的滞留时间，使气体充分换热。
51.所述扣合装置30包括相互平行的围挡一31、围挡二32和与之垂直的侧围33，所述围挡一31、围挡二32和侧围33的截面构成“凹”字型，所述输入板10和输出板20边缘嵌入围挡一31、围挡二32和侧围33之间构成的卡槽34里。所述围挡一31和围挡二32顶部设置螺孔，输入板10和输出板20外侧设置压头40，压头40一端贴合所述输入板10或输出板20，另一头固定横梁41，所述横梁41的两头均设置调节螺栓。调节螺栓与螺孔螺纹连接，用于调节压头对输入板和输出板的预紧力。
52.优选的，所述多个换热单元叠摞设置，相邻的换热单元之间在所述扣合装置30之间设置密封板35密封。
53.优选的，换热装置横截面为长方形、扇形或圆柱形。当所述输入板10和输出板20横截面为圆形时，扣合装置30为圆盘形法兰，参见图6、7，所述围挡一31和围挡二32为法兰端面上凸起的相互平行的圆形壳体，相邻的两个圆形壳体及法兰端面之间围成所述卡槽34，此时由于法兰端面是连续、密实的，可起到密封作用，不需要再额外设置密封板35。安装换热板时由轴线逐渐向外安装，本实用新型中的输入板10、输出板20都属于换热板。
54.优选的，当所述换热装置设置为接收太阳能加热时，换热装置外表面不接收反射光的部分覆有水箱，以减缓热量损失。
55.优选的，本实用新型的多腔体式换热装置适用于光热、核能等换热场合。
56.所述多腔体式换热装置的加工方法，包括如下步骤：
57.s100)、将输入板10或输出板20固定在3d打印机工作台上，启动已载入翅片模型的3d打印机，调节打印方向及位置，逐个打印翅片11；
58.或者，
59.工作台上，启动已载入带翅片11的输入板10或输出板20模型的3d打印机，调节打印方向及位置，打印带翅片11的输入板10和输出板20；
60.或者，
61.对原始板材通过电火花切割或化学刻蚀或线切割加工出带有翅片11的输入板10和输出板20；
62.s200)、将输入板10与输出板20相对、使翅片11位于换热腔体50内，将输入板10和输出板20的边缘卡入卡槽34内，将相邻的一对输入板10和输出板20连为一体；
63.s300)、将压头40抵在一对输入板10和输出板20的外壁，将横梁41上的螺栓拧入螺孔内，施加预定预紧力；
64.s400)、重复步骤s200)
‑
s300)，安装其他换热单元，直至将各个换热单元叠摞设置。
65.优选的，所述换热装置横截面为长方形或扇形时，在相邻扣合装置30之间设置密封板35密封。
66.参见图2，其换热方式是通过加热输入板10，加热从换热器101入口通入换热腔体50内的气体，从而达到换热目的的；加热后的气体从换热器101出口输出。输出板20的输出温度在换热后相较于输入板10产生温降。如果换热单元为多层，则第一层的输出板20输出的气体通过前述第一层换热单元的换热方式继续加热，直至从最后一层换热单元排出。具体地，上一级换热单元通过热辐射的方式加热下一级换热单元。加热输入板10的方式包括太阳能收集装置收集的热能加热、核能散发加热等。
67.参见图1，本实用新型的燃气轮机的工作过程为：工质进入压气机102压缩后，通入换热器101一头的入口，经换热升温后从另一头的出口进入到燃烧室105内燃烧，之后通入特斯拉涡轮机100推动其转动做功，特斯拉涡轮机100带动同轴的启发一体式发电机103发电；而特斯拉涡轮100排出的气体可以和经压气机102加压后的气体一起再通入换热器101内循环。换热器101的入口和出口可分别设置在换热腔体的两端面上；所述换热器101的入口和出口相互远离，比如设置在对侧，以延长工质流通路径。
68.优选的，所述特斯拉涡轮机为串联式特斯拉涡轮机，其包括设置在转轴上的至少两个特斯拉涡轮机单元和至少两个径向轴承130；所述特斯拉涡轮机单元包括：转轴110，设置于所述转轴110上的壳体120，所述壳体120上设置有介质入口170和介质出口180；设置于所述壳体120内的若干个转盘191，所述若干个转盘191固定连接于所述转轴110上，所述若干个转盘191中的每两个相邻转盘191之间均设置有间隙，所述若干个转盘191中的每个转盘191上均绕中心均布设置排气孔192；所述至少两个径向轴承130设置于所述转轴110上；上一级特斯拉涡轮机单元的介质出口180与下一级特斯拉涡轮机单元的介质入口170连通。
69.所述串联式特斯拉涡轮机的工作原理如下：高速流体介质通过第一级特斯拉涡轮机壳体120上设置的介质入口202进入壳体120内部后进入相邻转盘191之间的间隙。由于流体边界效应，流体介质驱动转盘191高速旋转进而带动转轴110旋转。流体介质依次穿过各
转盘191的排气孔192，并最终通过壳体120上设置的介质出口180排出壳体120，经管道进入下一级特斯拉涡轮机单元的介质入口170
……
直至从最后一级特斯拉涡轮机单元的介质出口180排出。
70.优选的，各级特斯拉涡轮机单元的壳体120固定在一起；上一级特斯拉涡轮机单元的介质出口180通过管道连接至下一级特斯拉涡轮机单元的介质入口170。
71.优选的，设置有电机103，所述串联式特斯拉涡轮机与电机103构成微型燃气轮机，所述电机103的转轴通过联轴器140与所述转轴110连接；或者，所述电机103的转轴为所述转轴110，即所述电机103的转轴与所述串联式特斯拉涡轮机的转轴110共轴。
72.优选的，所述电机103为发电机，转轴110旋转带动电机103的旋转轴旋转以实现电机发电。
73.进一步优选的，所述电机103为启发一体式电机，此时，串联式特斯拉涡轮机初始启动时刻，可以将电机103以启动模式开启，以使串联式特斯拉涡轮机的转轴110转动，当特斯拉涡轮机的转速提升至预设转速后，可以将电机103的工作模式切换到发电模式。
74.优选的，所述串联式特斯拉涡轮机包括推力轴承150，所述推力轴承150设置在任意一个特斯拉涡轮机单元内，所述推力轴承150包括推力盘160和定子，所述推力盘160设置在所述转轴110上；所述推力轴承150为用于限制转轴110在轴向方向上移动的轴承，径向轴承130为用于限制转轴在径向方向上移动的轴承。
75.进一步优选的，至少两个径向轴承130和/或推力轴承150为非接触式轴承，如空气轴承，磁轴承，气磁混合轴承等。
76.优选的，两个径向轴承130分别位于第一级特斯拉涡轮机单元前端和最后一级特斯拉涡轮机单元的后端并位于特斯拉涡轮机单元的壳体120外。
77.优选的，所述特斯拉涡轮机为多级特斯拉涡轮机，其包括设置在转轴上的至少两个特斯拉涡轮机单元；所述特斯拉涡轮机单元包括：转轴110，至少两个径向轴承130和设置于所述转轴110和至少两个径向轴承130上的壳体120，所述壳体120上设置有介质入口170和介质出口180；设置于所述壳体120内的若干个转盘191，所述若干个转盘191固定连接于所述转轴110上，所述若干个转盘191中的每两个相邻转盘191之间均设置有间隙，所述若干个转盘191中的每个转盘191上均绕中心均布设置排气孔192；所述至少两个径向轴承130设置于所述转轴110上；上一级特斯拉涡轮机单元的介质出口180与下一级特斯拉涡轮机单元的介质入口170连通。
78.所述多级特斯拉涡轮机的工作原理如下：高速流体介质通过第一级特斯拉涡轮机壳体120上设置的介质入口202进入壳体120内部后进入相邻转盘191之间的间隙。由于流体边界效应，流体介质驱动转盘191高速旋转进而带动转轴110旋转。流体介质依次穿过各转盘191的排气孔192，并最终通过壳体120上设置的介质出口180排出壳体120，经管道进入下一级特斯拉涡轮机单元的介质入口170
……
直至从最后一级特斯拉涡轮机单元的介质出口180排出。
79.优选的，上一级特斯拉涡轮机单元的介质出口180通过管道连接至下一级特斯拉涡轮机单元的介质入口170。
80.优选的，每个特斯拉涡轮机单元设置有电机103，所述特斯拉涡轮机单元与电机103构成微型燃气轮机，所述电机103的转轴通过联轴器与所述转轴110连接；或者，所述电
机103的转轴为所述转轴110，即所述电机103的转轴与所述多级特斯拉涡轮机的转轴110共轴。
81.优选的，所述电机103为发电机，转轴110旋转带动电机103的旋转轴旋转以实现电机发电。
82.进一步优选的，所述电机103为启发一体式电机，此时，所述特斯拉涡轮机单元初始启动时刻，可以将电机103以启动模式开启，以使所述特斯拉涡轮机单元的转轴110转动，当所述特斯拉涡轮机单元的转速提升至预设转速后，可以将电机103的工作模式切换到发电模式。
83.优选的，每个特斯拉涡轮机单元包括推力轴承150，所述推力轴承150包括推力盘160和定子，所述推力盘160设置在所述转轴110上；所述推力轴承150为用于限制转轴110在轴向方向上移动的轴承，径向轴承130为用于限制转轴在径向方向上移动的轴承。
84.进一步优选的，至少两个径向轴承130和/或推力轴承150为非接触式轴承，如空气轴承，磁轴承，气磁混合轴承等。
85.优选的，两个径向轴承130分别位于两端转盘的外侧。
86.优选的，每一级特斯拉涡轮机单元内转盘191的数量可以均相等或个别相等或均不相等。
87.本实用新型的多级特斯拉涡轮机可通过增加转盘191的数量增加气流量，通过增加级数增大落压比。
88.假设工质入口气体压力为20倍大气压，每一级特斯拉涡轮机单元的可以使气压降2倍，则通过4
‑
5级的特斯拉涡轮机单元就可以使排出压力接近于大气压，压降损失极小。
89.对于特斯拉涡轮机，有如下优选实施例
90.优选的，每一级特斯拉涡轮机单元的介质入口170设置有喷嘴，以增加气体流速。
91.优选的，所述转轴110与壳体120连接位置密封处理，防止工质泄露。所述串联式特斯拉涡轮机的外部设置保护罩，保护罩可浸于水箱或水池内降温。
92.优选的，进一步地，所述转轴110通过至少一对径向轴承130支承于定子(图中未示出)内。
93.优选的，所述转盘191为圆盘。
94.优选的，每个转盘191上的排气孔192同轴设置。
95.优选的，所述转盘191通过键连接等固定方式固定于所述转轴110上。
96.优选的，相邻的两个转盘191之间设置有垫片193，所述垫片193用于调节相邻两转盘191之间的间隙大小。
97.优选的，所述转盘191采用钢或碳纤维材料或耐高温环氧树脂。
98.优选的，所述转盘191两侧面设置螺旋式空气槽194，以实现转盘191两侧空气的快速通流，既可传导气体，又可防止空气堵塞、聚积。
99.进一步优选的，所述空气槽194可以通过锻造、滚轧、刻蚀或冲压而形成。
100.优选的，每一级特斯拉涡轮机单元内转盘191的数量可以均相等或个别相等或均不相等。
101.本实用新型的串联式特斯拉涡轮机可通过增加转盘191的数量增加气流量，通过增加级数增大落压比。
102.假设工质入口气体压力为20倍大气压，每一级特斯拉涡轮机单元的可以使气压降2倍，则通过4
‑
5级的特斯拉涡轮机单元就可以使排出压力接近于大气压，压降损失极小。
103.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
104.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。