專利名稱：一種緊湊式高負荷動力渦輪發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種緊湊式高負荷動カ渦輪發(fā)電機，尤其涉及ー種渦輪軸直接與發(fā)電機相連的緊湊式高負荷動カ渦輪發(fā)電機，能夠利用燃氣發(fā)生器的排氣余能來發(fā)電。
背景技術(shù)：
動カ渦輪發(fā)電機的氣源來自燃氣發(fā)生器。由于燃氣發(fā)生器排氣具有較高的壓カ和溫度，因此含有較大的余能，可以用來發(fā)電。從燃氣發(fā)生器排出的高溫高壓氣體經(jīng)過動カ渦輪葉片后膨脹做功，并將這些機械功通過動カ渦輪軸傳遞給發(fā)電機發(fā)出電能。對于傳統(tǒng)的動カ潤輪，載荷系數(shù)(Work Factor)—般小于2,載荷系數(shù)的定義為 Ah
W(>rk Fador =—其中Λ h為單位流量下渦輪進出ロ總焓差(潤輪功)，U為渦輪葉片50%展
向位置的線速度。載荷系數(shù)反映的是渦輪在給定線速度(轉(zhuǎn)速)下的做功能力，載荷系數(shù)越大，渦輪做功能力越強。在轉(zhuǎn)速恒定的情況下，為了使得渦輪發(fā)電機滿足設(shè)計需要的發(fā)電功率，傳統(tǒng)的動カ渦輪設(shè)計將會造成渦輪級數(shù)增多，渦輪葉片葉頂直徑増大，這兩方面因素均會造成加工及制造成本的增加。同時，對于發(fā)電功率等級為3MT6麗的動カ渦輪發(fā)電機，為使動力渦輪有更高的做功能力，則要求渦輪轉(zhuǎn)速較高(大于3000轉(zhuǎn)/分鐘)以保證足夠的線速度。而發(fā)電機為了保持發(fā)電頻率為50Hz，其需要的輸入轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘或者更低的1500轉(zhuǎn)/分鐘，這就出現(xiàn)了傳統(tǒng)動カ渦輪轉(zhuǎn)速與發(fā)電機需求轉(zhuǎn)速的不匹配。為了解決這個問題，需要在動カ渦輪與發(fā)電機之間加入齒輪減速箱。齒輪減速箱的工作原理是能夠?qū)鹰珳u輪的高輸入轉(zhuǎn)速降低至發(fā)電機需要的3000轉(zhuǎn)/分鐘，這樣發(fā)電機就能正常工作。因此傳統(tǒng)的動カ渦輪發(fā)電機除了包含動カ渦輪(20)與發(fā)電機(30)，動カ渦輪(20)的渦輪軸并不直接(30)與發(fā)電機相連，二者之間還需要加入齒輪減速箱(40)和與其配套的潤滑及冷卻系統(tǒng)(50)，如圖I所
/Jn ο加入齒輪減速箱的缺點是齒輪減速箱及其配套的潤滑及冷卻系統(tǒng)增加了系統(tǒng)的復雜程度。綜上可知，功率在3飛麗范圍內(nèi)的傳統(tǒng)動カ渦輪發(fā)電機的缺點是渦輪負荷不高、尺寸較大、部件較多，結(jié)構(gòu)不夠緊湊同時加工成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，本發(fā)明提供了一種緊湊式高負荷動カ渦輪發(fā)電機，由于采用了高負荷渦輪葉片設(shè)計，降低了加工及制造成本，并可保證渦輪以3000轉(zhuǎn)/分鐘運行，從而省略了齒輪減速箱及其配套的潤滑冷卻系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)的復雜程度，使得整體結(jié)構(gòu)較為簡單緊湊。本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為一種緊湊式高負荷動カ渦輪發(fā)電機，包括動カ渦輪及發(fā)電機，其特征在于，所述動力渦輪的渦輪軸直接與發(fā)電機相連，所述渦輪軸的轉(zhuǎn)速恒定為3000轉(zhuǎn)/分鐘，動カ渦輪的動葉最大氣流折轉(zhuǎn)角大于120°，軸向弦長20-35mm，最大厚度位置位于30%_35%軸向弦長處，稠度I. 3-1. 8,靜葉最大氣流折轉(zhuǎn)角大于100° ,軸向弦長25-45mm,最大厚度位置位于15%-20%軸向弦長處，稠度I. 0-1. 5，動葉和靜葉高度為50-200mm，渦輪流道的平均半徑為400-500mmo優(yōu)選地，動カ渦輪的級數(shù)不多于4級，各級載荷系數(shù)不小于3、各級反カ度不大于O. 3、流量系數(shù)不大于O. 7。優(yōu)選地，動カ渦輪的輪轂和機匣型線的具體形式(等內(nèi)徑設(shè)計、等外徑設(shè)計或等中徑設(shè)計)及具體尺寸可以根據(jù)葉冠和輪盤的設(shè)計需要進行調(diào)整。渦輪葉片型線可以采用B樣條、貝塞爾曲線、多圓弧等多種形式。
優(yōu)選地，動カ渦輪的級數(shù)不多于4級，渦輪效率不低于88%。優(yōu)選地，所述渦輪發(fā)電機的發(fā)電功率為3MT6麗之間。進ー步地，渦輪機匣的最大直徑不超過I米。同現(xiàn)有技術(shù)的渦輪發(fā)電機相比，本發(fā)明具有以下顯著的技術(shù)效果I、本發(fā)明的渦輪發(fā)電機，在實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊的同時，具有高負荷的動カ輸出，渦輪發(fā)電機的發(fā)電功率達到3麗6麗之間；2、本發(fā)明的渦輪發(fā)電機采用超高負荷的渦輪葉片設(shè)計方案，對渦輪的動葉、靜葉以及渦輪流道同時進行了優(yōu)化改進，使得動カ渦輪的最大載荷系數(shù)大于3，渦輪效率不低于88%;得益于渦輪葉片的大折轉(zhuǎn)角設(shè)計，無需更高的線速度，可以實現(xiàn)渦輪軸在較低轉(zhuǎn)速區(qū)間運行，保證在渦輪發(fā)電功率等級為3麗6麗時轉(zhuǎn)速恒定為3000轉(zhuǎn)/分鐘；3、本發(fā)明的渦輪發(fā)電機中，渦輪葉片的葉頂直徑小，使得渦輪機匣的最大直徑不超過I米，渦輪發(fā)電機的整體結(jié)構(gòu)非常緊湊。


圖I傳統(tǒng)動カ渦輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本發(fā)明的緊湊式高負荷動カ渦輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖；圖3本發(fā)明的緊湊式高負荷動カ渦輪發(fā)電機局部放大圖；圖4本發(fā)明的高負荷動力渦輪靜葉葉片型線；圖5本發(fā)明的高負荷動力渦輪動葉葉片型線；圖6本發(fā)明的高負荷動力渦輪流道示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本發(fā)明進一歩詳細說明。本發(fā)明的重點在于設(shè)計超高負荷動力渦輪葉型，因為隨著渦輪負荷的升高，渦輪效率是逐漸下降的，為了獲得較高的渦輪效率，這就需要對渦輪葉型進行較為詳細的設(shè)計。圖2、圖3示出了本發(fā)明的緊湊式高負荷動力渦輪發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)。從圖2、3中可以看出，本發(fā)明的緊湊式高負荷動カ渦輪發(fā)電機10，包括動カ渦輪20發(fā)電機40，動カ渦輪20的渦輪軸23直接與發(fā)電機30相連，渦輪軸23的轉(zhuǎn)速恒定為3000轉(zhuǎn)/分鐘。
圖4-6示出了本發(fā)明的高負荷動力渦輪葉片型線及渦輪流道。動葉進出口氣流折轉(zhuǎn)角是衡量渦輪葉片負荷的ー個重要因素，傳統(tǒng)的動カ渦輪設(shè)計由于沒有轉(zhuǎn)速及渦輪動葉葉頂直徑的限制，可以選取較小的氣流折轉(zhuǎn)角，這使得傳統(tǒng)動力渦輪設(shè)計的渦輪載荷系數(shù)為2左右。本發(fā)明設(shè)計的高負荷動カ渦輪，動葉最大氣流折轉(zhuǎn)角大于120°，軸向弦長20-35mm，最大厚度位置位于30%_35%軸向弦長處，稠度I. 3-1. 8，靜葉最大氣流折轉(zhuǎn)角大于100°，軸向弦長25-45mm，最大厚度位置位于15%_20%軸向弦長處，稠度I. 0-1. 5。動カ渦輪的各級載荷系數(shù)不小于3、各級反カ度不大于O. 3、流量系數(shù)不大于O. 7。動葉和靜葉高度為50-200mm，最大渦輪葉片載荷系數(shù)達到3以上。參見圖4、5，氣流折轉(zhuǎn)角的定義為進ロ氣流角al加上出口氣流角a2。圖6示出了本發(fā)明的高負荷動力渦輪流道示意圖，其中標號為SI、S2、S3、S4的部件為渦輪的靜葉，標號為R1、R2、R3、R4的部件為渦輪的動葉。本發(fā)明的高負荷動力渦輪動葉和靜葉高度為50-200mm，渦輪流道的平均半徑為400-500mm，輪轂和機匣型線的具體形 式(等內(nèi)徑設(shè)計、等外徑設(shè)計或等中徑設(shè)計)及具體尺寸可以根據(jù)葉冠和輪盤的設(shè)計需要進行調(diào)整。渦輪葉片型線可以采用B樣條、貝塞爾曲線、多圓弧等多種形式。為了保證在高負荷情況下動力渦輪能夠達到所需要的發(fā)電功率及效率，本發(fā)明在設(shè)計動力渦輪葉片時對渦輪流道及葉片型線進行多次優(yōu)化，并保證動カ渦輪的級數(shù)不多于4級，渦輪效率不低于88%，發(fā)電功率在:MW 6麗左右，渦輪機匣24最大直徑不超過I米。本發(fā)明的渦輪發(fā)電機的上述超高負荷的渦輪葉片及流道設(shè)計方案中，對渦輪的動葉、靜葉以及渦輪流道同時進行了優(yōu)化改進，在實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊的同時，具有高負荷的動カ輸出，渦輪葉片的葉頂直徑小，渦輪機匣的最大直徑不超過I米，而渦輪發(fā)電機的發(fā)電功率在3MW 6MW左右，渦輪發(fā)電機的整體結(jié)構(gòu)非常緊湊。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種緊湊式高負荷動カ渦輪發(fā)電機，包括動カ渦輪及發(fā)電機，其特征在干， 所述動カ渦輪的渦輪軸與發(fā)電機直接相連，所述渦輪軸的轉(zhuǎn)速恒定為3000轉(zhuǎn)/分鐘， 所述動カ渦輪的動葉最大氣流折轉(zhuǎn)角大于120°，軸向弦長20-35_，最大厚度位置位于30%-35%軸向弦長處，稠度I. 3-1. 8， 所述動カ渦輪的靜葉最大氣流折轉(zhuǎn)角大于100°，軸向弦長25-45mm，最大厚度位置位于15%-20%軸向弦長處，稠度I. 0-1. 5， 所述動カ渦輪的動葉和靜葉高度為50-200mm，流道平均半徑為400-500mm。
2.如權(quán)利要求I所述的緊湊式高負荷動カ渦輪發(fā)電機，其特征在于，所述動カ渦輪的級數(shù)不多于4級，各級載荷系數(shù)不小于3、各級反カ度不大于O. 3、流量系數(shù)不大于O. 7。
3.如權(quán)利要求I或2所述的緊湊式高負荷動カ渦輪發(fā)電機，其特征在于，所述動カ渦輪的輪轂和機匣的型線及具體尺寸可以根據(jù)葉冠和輪盤的設(shè)計需要進行調(diào)整，渦輪葉片型線可以采用B樣條、貝塞爾曲線、多圓弧等多種形式。
4.如權(quán)利要求I至3所述的緊湊式高負荷動力渦輪發(fā)電機，其特征在于，所述渦輪發(fā)電機的發(fā)電功率在3ΜΓ6麗之間。
5.如權(quán)利要求I至4所述的緊湊式高負荷動カ渦輪發(fā)電機，其特征在于，所述動カ渦輪的級數(shù)不多于4級，渦輪效率不低于88%。
6.如權(quán)利要求I至5所述的緊湊式高負荷動カ渦輪發(fā)電機，其特征在于，所述動カ渦輪機匣的最大直徑不超過I米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種緊湊式高負荷動力渦輪發(fā)電機，包括動力渦輪及發(fā)電機，二者直接相連，采用高負荷的渦輪葉片設(shè)計方案，動葉最大氣流折轉(zhuǎn)角大于120°，靜葉最大氣流折轉(zhuǎn)角大于100°，最大載荷系數(shù)大于3，可保證渦輪發(fā)電功率等級為3MW~6MW時，渦輪機匣最大直徑不超過1米，并且得益于渦輪葉片的大折轉(zhuǎn)角設(shè)計，無需更高的線速度，可以實現(xiàn)渦輪軸在較低轉(zhuǎn)速區(qū)間運行，保證在渦輪發(fā)電功率等級為3MW6MW時轉(zhuǎn)速恒定為3000轉(zhuǎn)/分鐘，本發(fā)明的渦輪軸直接與發(fā)電機相連，省略了傳統(tǒng)渦輪發(fā)電機中的齒輪減速箱及其配套的潤滑冷卻系統(tǒng)，大大的降低了系統(tǒng)的復雜程度，整體渦輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)較為緊湊。
文檔編號F01D25/24GK102733866SQ201210237159
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月9日
發(fā)明者何平, 劉錫陽, 張華良, 張永軍, 朱陽歷, 譚春青, 高慶 申請人:中國科學院工程熱物理研究所