一种高速直驱式微小型燃气轮机发电系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种高速直驱式微小型燃气轮机发电系统，包括微小型燃气轮机和高速电机系统，微小型燃气轮机包括低压压气机、高压压气机、燃气发生器、涡轮导向器、高压涡轮、低压涡轮、回热器，利用高温回热器回收排气余热，以加热高压空气，提高燃烧温度，达到提高热效率的目的；采用双轴式布置和无导叶对转涡轮设计技术，在简化结构、提高稳定性的基础上，实现了部件单元化，以便于拆装维修。高速电机在启动和正常运转时分别作为电动机和发电机使用，通过联轴器将微小型燃气轮机高压轴和电机转子直接相连，免去了自由涡轮和体积庞大、结构复杂的减速机构，大大提高了整套系统的紧凑性，使得本实用新型非常适合作为分布式供能的核心设备。
【专利说明】
一种高速直驱式微小型燃气轮机发电系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种燃气轮机发电系统，特别涉及到一种高速直驱式微小型燃气轮机发电系统。
【背景技术】
[0002]近年来，随着全球范围内的能源与动力需求结构以及环境保护等要求的变化，微小型燃气轮机得到了高度关注并得以迅速发展。它由压气机、燃气发生器、涡轮三大部件组成。它具有体积小、功率密度大、燃料适用性强、污染排放低等特点，能为备用电站提供清洁、可靠、高质量的能源，实现分布式发电、并网发电、尖峰负荷发电等功能，应用前景广泛。国外对于微小型燃气轮机的研究起步较早，如今已经有多种型号产品用于商业运行中。国内经过十几年发展，虽然初步掌握了微小型燃气轮机成套设备设计制造技术，但仍然没有成熟的系列产品投入市场。
[0003]微小型燃气轮机转速较高，传统发电系统一般在发动机与发电机之间配置齿轮减速箱，利用其进行减速后带动低速发电机发电。齿轮减速箱体积庞大、结构复杂，从而抵消了微小型燃气轮机结构紧凑的优点。为适应市场化要求，需根据微小型燃气轮机发电系统的特点，进一步缩小系统体积、提高能量转化效率，同时增强动力装置可靠性，降低维修难度，以实现微小型燃气轮机及其发电系统的产业化、商品化。
【实用新型内容】
[0004](一)要解决的技术问题
[0005]为解决上述的一个或多个问题，本实用新型提出了一种直驱式微小型燃气轮机发电系统，以作为分布式供能的核心设备。
[0006](二)技术方案
[0007]本实用新型为解决其技术问题所采取的技术方案为:
[0008]—种直驱式微小型燃气轮机发电系统，包括微小型燃气轮机及高速电机系统，所述微小型燃气轮机包括低压压气机、高压压气机、低压涡轮和高压涡轮，所述高速电机系统包括高速电机，其特征在于，所述低压压气机与低压涡轮通过低压轴相连，布置于所述发电系统的一侧;所述高压压气机与高压涡轮通过高压轴相连，布置于所述发电系统的另一侧；所述高压轴通过联轴器与高速电机直接相连。
[0009]优选地，所述微小型燃气轮机还包括回热器，所述回热器设置在所述高压压气机与燃气发生器之间，所述回热器的热侧通入所述低压涡轮的出口燃气，所述回热器的冷侧通入所述高压压气机产生的高压压缩空气。
[0010]进一步地，所述的回热器为高温换热器，采用板翅式或原表面式换热器。
[0011]优选地，所述高压涡轮和低压涡轮采用无导叶对转的方式布置，二者之间不设置静叶，两级动叶旋转方向相反。
[0012]优选地，所述低压压气机为单级轴流式或离心式压气机;所述高压压气机为单级离心式或斜流式压气机。
[0013]优选地，所述高速电机系统还包括功率变换器，所述功率变换器与高速电机电连接。
[0014]优选地，所述高速电机为永磁同步电机。
[0015]本实用新型的直驱式微小型燃气轮机发电系统中，低压部件与高压部件采用双轴式布置，低压压气机与低压涡轮通过低压轴相连，布置于一侧;高压压气机与高压涡轮通过高压轴相连，布置于另一侧，并作为功率输出轴。在高压压气机与燃气发生器间设有回热器，空气经两级压缩并由回热器升温后，进入燃烧室，与燃料混合燃烧，产生高温高压燃气。两级涡轮采用无导叶对转涡轮设计，低压涡轮与高压涡轮间不设置静叶，两级动叶旋转方向相反。高温高压燃气通过涡轮导向器后冲击高压涡轮，将部分热能压力能转化为旋转的机械功，除用于带动高压压气机外，也将用于带动高速电机系统发电;燃气气流经过高压涡轮时利用其出口预旋，直接吹入低压涡轮再将部分热能压力能转化为旋转机械能，用于带动低压压气机。低压涡轮出口燃气仍具有较高的温度，将进入回热器作为热源用于加热高压空气。
[0016]所述微小型燃气轮机额定功率为1MW，转速为28000?38000rpm，空气流量为4.8kg/s，燃料流量为180kg/h，燃烧温度为1220K，排气温度为600K。
[0017]所述低压压气机可采用单级轴流式或离心式压气机，压比为1.8;高压压气机可采用单级离心式或斜流式压气机，压比为4.2。
[0018]所述回热器采用高温板翅式或原表面式换热器，回热效率为0.9。
[0019]高速电机系统包括永磁同步电机和功率变换器，在此系统中将同时作为电动机和发电机使用，电机转子通过膜片联轴器与微小型燃气轮机高压轴直接连接。在微小型燃气轮机启动阶段，高速电机系统作为电动机使用，功率变换器将输入的低频电逆变成高频电，永磁同步电机启动并带动微小型燃气轮机旋转，电能转化为旋转机械能；当微小型燃气轮机正常启动后，热能被转化为旋转机械能，通过高压涡轮轴输出，带动永磁同步电机旋转，此时高速电机系统作为发电机使用，将机械能转化为电能，并通过功率变换器将高频电解调成额定频率输出。
[0020](三)有益效果
[0021]同现有技术相比，本实用新型的直驱式微小型燃气轮机发电系统具有以下显著的技术效果:
[0022](I)结构紧凑:微小型燃气轮机转速较高，输出轴一般先与齿轮减速器相连，降速后再与低速发电机组连接。本实用新型通过膜片联轴器将高压涡轮轴与电机转子直接相连，由于不需要动力涡轮和笨重的减速箱及低速电机，从而使得整个系统体积大大减小;此外，高速电机系统在启动阶段可作为电动机使用，从而免去了额外的启动电机，使得结构更加紧凑。
[0023](2)热效率高:传统燃气轮机排烟温度较高，热能利用不充分，因此热效率低。本实用新型设置有回热器，利用低压涡轮排气作为热源，加热高压空气，提高了平均燃烧温度，从而提高了热能综合效率。在10 %、70 %及100 %额定功率下，热能效率分别达到了36 %、42%、40%，维持在一个高水平，从而提高了系统的经济性。
[0024](3)结构可靠:本实用新型微小型燃气轮机采用双轴式布置，即高压部件与低压部件对称布置，一方面缩短了高压轴与低压轴的轴距，缓解了长轴带来的强度、振动等问题；同时也避免了内外双转子系统带来的对中、支撑结构设计等问题。
[0025](4)部件单元化:本实用新型微小型燃气轮机采用双轴式布置，微小型燃气轮机与电机转子通过膜片联轴器相连，因此高压部件、低压部件、回热器、高速电机系统都可以单独拆卸，从而方便了维护、维修操作。
[0026]此外，本实用新型采用无导叶对转涡轮设计，高低压涡轮间不设置导叶，一方面缩短了轴向长度，减小了体积;另一方面免去了气流在导叶中折转造成的流动损失，提高了总机效率;同时也简化了所述微小型燃气轮机的结构，更利于运行、维修。
[0027]本实用新型通过对高速电机、回热、双轴式燃气轮机及对转涡轮等多种技术的综合利用，进一步缩小了微型燃气轮机的体积，在提高能量转化效率的同时，综合考虑了结构的可靠性与后期的维护成本，从而具有更强的竞争力。
【附图说明】
[0028]图1是本实用新型的高速直驱式微小型燃气轮机发电系统示意图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合实施例对本实用新型做进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。
[0030]如图1所示，作为一个实施例，本实用新型的高速直驱式微小型燃气轮机发电系统主要由微小型燃气轮机15、高速电机系统16和膜片联轴器12组成。所述微小型燃气轮机15包括低压压气机2、高压压气机3、燃气发生器4、涡轮导向器5、高压涡轮6、低压涡轮7、回热器8、高压转子11及低压转子10。微小型燃气轮机为双轴式布置，低压压气机2与低压涡轮7通过低压转子10连接，布置于一侧;高压压气机3与高压涡轮6通过高压转子11连接，布置于另一侧；高压转子11同时也为输出轴。所述高速电机系统16包括永磁同步电机13和功率变换器14，通过膜片联轴器12将高压转子11与电机转子直接相连。
[0031]系统启动时，高速电机系统16作为电动机使用，输入电流经功率变换器14转换成I?1000Hz高频电，永磁电机13启动并通过轴11带动高压压气机3及高压涡轮6旋转，此时部分空气被压缩后进入燃气发生器4，与燃料混合燃烧后产生高温高压燃气，通过涡轮导向器5及高压涡轮6后，利用高压涡轮6的出口预旋，不经过涡轮导向器，直接吹击低压涡轮7，使低压涡轮7反向旋转，通过轴10带动低压压气机I旋转，从而完成微小型燃气轮机15的启动。
[0032]当微小型燃气轮机15正常启动后，高速电机系统16将作为发电机使用。空气I经低压压气机2、高压压气机3两级压缩后，进入回热器8，利用低压涡轮7的排气余热升温后，进入燃气发生器4，从而提高燃烧温度。产生的燃气依次通过涡轮导向器5、高压涡轮6、低压涡轮7，将部分热能压力能转化为旋转机械能，其中高压轴11通过膜片联轴器12带动永磁电机13旋转，旋转机械能被转化为电能，电流通过功率变换器14被调解成额定频率输出。低压涡轮7的排气进入回热器8，用于加热压缩空气，之后排气9以600K的温度排出。
[0033]本实用新型设计的微小型燃气轮机通过回热器加热压缩空气，充分利用了低压涡轮的排气余热，既提高了平均燃烧温度，又降低了排烟温度，使得微小型燃气轮机具有较高的热效率;双轴式布置与无导叶对转涡轮技术的综合利用，既简化了结构，缩小了体积，又给后期拆装、维修带来了便利;利用微小型燃气轮机直接驱动高速电机系统工作，免去了体积庞大、结构复杂的中间减速机构，有效降低了整套系统的复杂性，实现了结构紧凑的目标，同时也无需额外的启动电机，进一步简化了系统。鉴于本实用新型的特点，非常适合作为分布式供电系统的核心设备，减少对电网设备的依赖，既可作为移动电源，快速部署启停，为部队、通讯装置、应急设备等提供临时电力；也可作为备用电源，连续可靠运行，为偏远农村、海上油田、大型商场、办公大楼等提供稳定能源。
[0034]本实用新型的上述燃油冷却式蒸发管结构，可应用于发动机或其它燃烧器中的燃烧室，蒸发管内套各段表面布置有连通槽道和隔板，与蒸发管外套各段形成内流道式换热腔体，燃油进口管布置在蒸发管出口段，蒸发管内套进口段布置有燃油喷嘴。本实用新型使燃油从蒸发管出口段内部腔体到达蒸发管进口段燃油喷嘴，对蒸发管壁面进行冷却，完成对蒸发管的热态烧蚀保护;每路燃油独立预热，提高燃油预热度，增强燃油蒸发和预混效果。总体设计使蒸发管得到冷却保护，提高使用寿命;使燃油得到高强度预热，提高蒸发预混度。
[0035]此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本实用新型专利构思所述构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本实用新型专利的保护范围内。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种高速直驱式微小型燃气轮机发电系统，包括微小型燃气轮机及高速电机系统，所述微小型燃气轮机包括低压压气机、高压压气机、低压涡轮和高压涡轮，所述高速电机系统包括高速电机，其特征在于，所述低压压气机与低压涡轮通过低压轴相连，布置于所述发电系统的一侧;所述高压压气机与高压涡轮通过高压轴相连，布置于所述发电系统的另一侧;所述高压轴通过联轴器与高速电机直接相连。2.根据权利要求1所述的高速直驱式微小型燃气轮机发电系统，其特征在于，所述微小型燃气轮机还包括回热器，所述回热器设置在所述高压压气机与燃气发生器之间，所述回热器的热侧通入所述低压涡轮的出口燃气，所述回热器的冷侧通入所述高压压气机产生的高压压缩空气。3.根据权利要求2所述的高速直驱式微小型燃气轮机发电系统，其特征在于，所述回热器为高温换热器，采用板翅式或原表面式换热器。4.根据权利要求1所述的高速直驱式微小型燃气轮机发电系统，其特征在于，所述高压涡轮和低压涡轮采用无导叶对转的方式布置，二者之间不设置静叶，两级动叶旋转方向相反。5.根据权利要求1所述的高速直驱式微小型燃气轮机发电系统，其特征在于，所述低压压气机为单级轴流式或离心式压气机;所述高压压气机为单级离心式或斜流式压气机。6.根据权利要求1所述的高速直驱式微小型燃气轮机发电系统，其特征在于，所述低压压气机为单级轴流式或离心式压气机。7.根据权利要求1所述的高速直驱式微小型燃气轮机发电系统，其特征在于，所述高压压气机为单级离心式或斜流式压气机。8.根据权利要求1所述的高速直驱式微小型燃气轮机发电系统，其特征在于，所述高速电机为永磁同步电机。9.根据权利要求1所述的高速直驱式微小型燃气轮机发电系统，其特征在于，所述联轴器为膜片联轴器。
【文档编号】F02C3/107GK205578118SQ201620365434
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】陶海亮, 田拥胜, 宗洪明, 高庆, 刘锡阳, 谭春青
【申请人】中科合肥微小型燃气轮机研究院有限责任公司