CN101372915B - 单组元微型透平发电系统 - Google Patents

Abstract

一种单组元微型透平发电系统，包括单组元燃料贮存罐、手动燃料控制阀、催化床、微型透平机系统、发电机和辅助装置。它以单组元燃料如高浓度过氧化氢或高浓度过氧化氢和柴油的混合物为燃料，通过催化反应将上述单组元燃料分解为高温高压混合气，以作为直接驱动微型透平机系统旋转的动力，并带动发电机发电而输出电能。本发明具有体积小、重量轻、能量密度高、工作可靠及使用范围宽等特点，是适用于太空、高原或水下等各种缺氧或无氧环境中的能量供应装置。

Description

单组元微型透平发电系统

技术领域

本发明涉及一种单组元微型透平发电系统，特别涉及一种效率高、功率密度大、无需点火及压缩装置的高效便携式发电系统，可为野外作业的微小型能量自治机器人、便携式电子产品、微机电系统或设备等提供能量或动力供应装置，以及无氧或缺氧环境(如太空、水下或高原等)中旋转动力的直接或间接利用技术，属于能源和动力技术领域。

背景技术

大多数野外作业的微小型能量自治机器人、微机电系统或设备、便携式电子产品需求功率级为1mW～1000W及性能优良的能量供应装置。一般而言，目前在此功率范围内的主要能量供给设备有化学电池、燃料电池或小型内燃发电机组等。然而这些供能装置或设备都存在一些不足之处：化学电池的能量密度低，使得其难以适用长时间工作；燃料电池虽较化学电池具有较高的能量密度，即使不考虑储氢技术的难题，其功率密度低的不足使得其难以胜任需功率快速提升的应用场合；对同样的输出功率而言，与上述化学电池或燃料电池配套使用的电动执行机构一般而言较液压或气动机构大且笨重，从而导致系统能量密度和功率密度的降低；对小型内燃发电机组而言，虽然汽油或柴油等矿物燃料本身的能量密度高，但是所有的碳氢燃料发动机除了本身的运动件如曲轴和活塞外，还需要复杂的压缩及点火等辅助子系统；另外，小型内燃机必须以很高的速度运转才能获得良好的功率密度，这样为了匹配内燃机和执行机构运动关系，齿轮减速装置常常是必不可少的，这既增加了系统的复杂性也引起整个系统能量和功率密度的降低；而且，由于碳氢燃料内燃机对空气中氧气的依赖性，使得它们在无氧或缺氧环境(如水底或太空)中的应用受到了很大的限制。

发明内容

针对上述常规供能装置存在的不足，本发明的目的是提供一种单组元微型透平发动机及以此为核心而构成的发电系统，该发动机通过催化分解(而不是燃烧)将单组元燃料蕴有的化学能转化为高温高压气态工质的热力学能，并通过微型透平机和发电机产生机械能和电能。该单组元微型透平发电系统无需点火装置、无需起动装置、无需外界氧气参与工作过程，且工作过程中无压缩和怠速冲程，具有能量密度高、功率密度大、工作可靠、体积小、重量轻、可在无氧环境中工作等特点。

本发明单组元微型透平发电系统，包括发电机、微型透平机子系统、催化床和单组元燃料储存罐，所述单组元燃料储存罐上设有单组元燃料加注口/增压口、安全阀和压力指示器，单组元燃料储存罐的出口端连接手动燃料控制阀，手动燃料控制阀的出口端与所述催化床的进口端相连，该催化床的出口端与所述微型透平机子系统的进气口相连，微型透平机子系统的输出轴与所述发电机的输入轴相连。

上述催化床采用内含固体网状催化剂或固体粒子催化剂的催化床。

进一步，上述微型透平机子系统采用反击式微型透平机子系统，它包括带有进气口的透平壳体、安装于透平壳体靠近进气口一端的带有排气口的第一端盖和远离进气口一端的第二端盖、设于透平壳体内近第一端盖处的透平定子和透平转子、通过一对滑动轴承支撑于透平壳体内且一端与透平转子固连的透平轴、贯穿第二端盖并通过一对滚动轴承安装于透平壳体内的输出轴、以及连接输出轴和透平轴的齿轮减速机构，靠近透平转子的滑动轴承与透平转子以及透平定子之间设密封装置，该密封装置外表面的右部分与透平壳体的内表面相密合，密封装置外表面的左部分与透平壳体及透平定子之间形成环形气道，该环形气道与透平壳体上的进气口相通，所述透平轴周围设冷却机构。

进一步，上述靠近透平转子的滑动轴承与透平转子以及透平定子之间的密封装置含密封套和密封内套；所述密封套外表面的右部分与透平壳体的内表面相密合，其左部分与透平壳体及透平定子之间形成环形气道；所述密封内套装于密封套内近滑动轴承一端且外表面与密封套内表面密合，密封内套内壁与透平轴之间设径向密封组件，密封内套内于近滑动轴承一端设有轴向密封组件，密封内套内另一端固装挡圈。

进一步，上述透平轴周围的冷却机构含固设于透平轴中部的螺杆泵轴，该螺杆泵轴和透平壳体中段形成一个驱动冷却介质循环的螺杆泵，透平壳体中段于螺杆泵轴两侧分别设冷却介质入口和冷却介质出口，透平壳体中段的外周设散热片。

进一步，上述齿轮减速机构采用由太阳轮、若干行星轮、行星架和内齿圈等主要部件构成的行星齿轮减速机构，所述太阳轮固装于透平轴端部，透平壳体内壁对应太阳轮处设内齿圈，所述行星架中心处与输出轴固连，行星架上于太阳轮周围均匀设置若干行星支撑轴，所述若干行星轮分别装于行星架上的若干行星支撑轴上、并与太阳轮和内齿圈同时啮合；所述行星齿轮减速机构周围有润滑腔，该润滑腔与冷却机构、以及一对滚动轴承均连通，由冷却机构的冷却介质入口引入润滑腔的冷却介质对行星齿轮减速机构和滚动轴承组进行润滑和冷却。

一种单组元微型透平发动机，它包括微型透平机子系统、催化床和单组元燃料储存罐，所述单组元燃料储存罐上设有单组元燃料加注口/增压口、安全阀和压力指示器，单组元燃料储存罐的出口端连接手动燃料控制阀，手动燃料控制阀的出口端与所述催化床的进口端相连，该催化床的出口端与所述微型透平机子系统的进气口相连。

一种专用于上述单组元微型透平发电系统的反击式微型透平机子系统，它包括带有进气口的透平壳体、安装于透平壳体靠近进气口一端的带有排气口的第一端盖和远离进气口一端的第二端盖、设于透平壳体内近第一端盖处的透平定子和透平转子、通过一对滑动轴承支撑于透平壳体内且一端与透平转子固连的透平轴、贯穿第二端盖并通过一对滚动轴承安装于透平壳体内的输出轴、以及连接输出轴和透平轴的行星齿轮减速机构，靠近透平转子的滑动轴承与透平转子以及透平定子之间设密封装置，该密封装置外表面的右部分与透平壳体的内表面相密合，其左部分与透平壳体及透平定子之间形成环形气道，该环形气道与透平壳体上的进气口相通，所述透平轴周围设冷却机构；该冷却机构含固设于透平轴中部的螺杆泵轴，该螺杆泵轴和透平壳体中段形成一个驱动冷却介质循环的螺杆泵，透平壳体中段于螺杆泵轴两侧分别设冷却介质入口和冷却介质出口，透平壳体中段的外周设散热片。

与现有技术相比，本发明单组元微型透平发电系统通过催化床将单组元燃料催化分解为高温高压混合气，作为驱动微型透平机工作的动力，故无需燃料/空气的混合及工质的压缩过程，无需点火或喷油装置，无需起动装置(如电机)，结构简单，工作可靠。由于单组元燃料的分解反应无需氧化剂(如空气等)参与，可以在高原、水下及太空等各种缺氧或无氧的环境中工作，使用范围宽。

本发电系统通过手动操作燃料控制阀的通断和开度的大小，可直接控制该发电系统的起停和工作转速，无需暖缸过程，起停控制和转速大小控制容易。由于无起动、空转和怠速过程，能量转换效率高。

本发电系统内含行星齿轮减速机构，可直接外接发电机工作，结构紧凑，操作和配置容易，特别适合野外场合的使用。另外，该发电系统的核心部件采用反击式微型透平机，具有工作效率高，工作寿命长等优点。

本发电系统独特的能量释放及转换方式，使其具有操作能量密度高、功率密度大、工作可靠、体积小、重量轻、操作方便、可在无氧环境中工作等显著优点，非常适合于野外作业的能量自治机器人、便携式电子产品、战场军用机器人所需要的性能优良的能量供应装置。

在基本结构不变的情况下，通过改变透平机结构设计参数和对基本尺寸的缩放，本发明反击式透平气动马达可以输出数瓦至数千瓦的功率。

附图说明

图1为本实施例整个单组元微型透平发电系统的系统原理图；

图2为其反击式微型透平机的内部结构图；

图3为其反击式微型透平机基本级的端面视图。

具体实施方式

本发明单组元微型透平发电系统从能量转换的角度来看，首先是通过催化分解将单组元燃料的化学能转换为气体工质的热力学能；再通过反击式微型透平机将气体工质的可用焓降转变为机械能，进而通过发电机转换为电能输出的。与常规内燃发动机不同，从燃料能量释放方式上看，本发明单组元微型透平发电系统是通过催化分解而不是燃烧将燃料的化学能转换为工质的热力学能的，整个系统的起停及转速控制皆手动操作，简单可靠。因此本发明单组元微型透平发电系统与常规内燃发电机组相比，无需点火装置、无需起动装置、无需外界氧气参与工作过程，且工作过程中无压缩和怠速冲程；另外，本发明的核心部件采用反击式微型透平机加内含的行星齿轮减速机构的结构形式，不但可直接与发电机相匹配，而且具有效率高等独特优点。上述独特的能量释放及转换方式，使得本发明具有操作能量密度高、功率密度大、工作可靠、体积小、重量轻、操作方便、可在无氧环境中工作等显著优点，非常适合于野外作业的能量自治机器人、便携式电子产品、战场军用机器人所需要的性能优良的能量供应装置。下面结合附图对本发明的具体原理、具体结构和工作过程作进一步的说明。

图1为整个单组元微型透平发电系统的结构原理图。由图1可知，该单组元微型透平发电系统主要包括单组元燃料加注口/增压口41、安全阀42、压力指示器43、单组元燃料储存罐44、手动燃料控制阀45、催化床46、微型透平子系统47、发电机48等主要组成部分。单组元燃料储存罐44的出口端与手动燃料控制阀45的进口端相连，燃料控制阀45的出口端与催化床46的进口端相连，催化床46的出口端与微型透平机子系统47的进气口5相连，微型透平机子系统47的输出轴20与发电机48的输入轴相连。催化床46采用内含固体网状催化剂或固体粒子催化剂的催化床。

图2所示为单组元微型透平发电系统的核心部件，即微型透平子系统47的内部结构图。由图可知该微型透平机子系统47为反击式微型透平机子系统，它包括带有进气口5的透平壳体34、安装于透平壳体34靠近进气口一端的带有排气口36的第一端盖1和远离进气口5一端的第二端盖22、设于透平壳体内近第一端盖1处的透平定子2和透平转子33、通过一对滑动轴承30和30’支撑于透平壳体34内且一端与透平转子33固连的透平轴13、贯穿第二端盖22并通过一对滚动轴承16和17安装于透平壳体34内的输出轴20、以及连接输出轴20和透平轴13的齿轮减速机构，靠近透平转子的滑动轴承30与透平转子33以及透平定子2之间设密封装置，该密封装置外表面的右部分与透平壳体34的内表面相密合，其左部分与透平壳体34及透平定子2之间形成环形气道32，该环形气道32与透平壳体34上的进气口5相通，所述透平轴13周围设冷却机构。

靠近透平转子的滑动轴承30与透平转子33以及透平定子2之间的密封装置含密封套6和密封内套4；所述密封套6外表面的右部分与透平壳体34的内表面相密合，密封套6外表面的左部分与透平壳体34及透平定子2之间形成环形气道32；所述密封内套4装于密封套6内近滑动轴承30一端且外表面与密封套6内表面密合，密封内套4内壁与透平轴13之间设径向密封组件7，密封内套4内于近滑动轴承30一端设有轴向密封组件31，密封内套4内另一端固装挡圈3。所述的径向密封组件7及轴向密封组件31的中心皆开有内孔，透平轴13从中穿过。

透平轴13周围的冷却机构含固设于透平轴13中部的螺杆泵轴49，该螺杆泵轴49和透平壳体34中段形成一个驱动冷却介质循环的螺杆泵，透平壳体34中段于螺杆泵轴49两侧分别设冷却介质入口12和冷却介质出口10，透平壳体34中段的外周设散热片11。

齿轮减速机构是行星齿轮减速机构，它包括太阳轮15、若干行星轮26及行星架25，所述太阳轮15固装于透平轴13端部，透平壳体34内壁对应太阳轮15处设内齿圈27，所述行星架25中心处与输出轴20固连，行星架25上于太阳轮15周围均匀设置若干行星支撑轴，所述若干行星轮26分别装于行星架25上的若干行星支撑轴上、并与太阳轮15和内齿圈27同时啮合；所述行星齿轮减速机构周围有润滑腔14，该润滑腔14与冷却机构、以及一对滚动轴承16和17均连通，由冷却机构的冷却介质入口12引入润滑腔14的冷却介质对行星齿轮减速机构和滚动轴承组进行润滑和冷却。其中行星轮26的数目一般为3个。

一对滑动轴承30、30’安装于透平轴13上相应的环形槽内，滑动轴承30、30’与透平壳体34之间分别设浮动环9、9’，浮动环9的左端面与密封套6的右端面紧密接触，所述环形槽内还套设锁紧片28和第一调整环29，锁紧片28与透平壳体34固连，第一调整环29压于锁紧片28和浮动环9、以及锁紧片28和滑动轴承30的外圈之间，滑动轴承30的内圈左端面与轴套8紧密接触；

所述一对滚动轴承16和17的外圈之间设第二调整环24，第二端盖22端部和与该端部相邻的滚动轴承17的外圈之间设推力环21，与第二端盖相邻的滚动轴承17的内圈通过锁紧片18和螺设于输出轴上的锁紧螺母23定位，滚动轴承17的外圈由处于两个滚动轴承16和17之间的第二调整环24定位，第二端盖22内近输出轴孔处设防尘圈19。

透平壳体34上的进气口5与透平壳体34内的透平轴13垂直；所述第一端盖1上的排气口36的中心线与透平轴13重合，第一端盖1内形成排气腔35，第一端盖1外周设散热片。

图3所示为反击式微型透平机定子和转子的结构示意图。参照图3，透平定子2上含有若干形状相同的叶片37，且相邻两叶片之间形成收敛形喷嘴38，该透平定子2上所有的喷嘴38组成定子喷嘴环；所述透平转子33上含有若干形状相同的叶片39，且相邻两叶片之间形成收敛形喷嘴40，该透平转子33上所有的喷嘴40组成转子喷嘴环；所述透平转子33上的喷嘴40的朝向与透平定子2上的喷嘴38的朝向相反。

本发明还可以不包括图1中的发电机48，而做成一种单组元微型透平发动机。该单组元微型透平发动机包括微型透平机子系统47、催化床46和单组元燃料储存罐44，所述单组元燃料储存罐44上设有单组元燃料加注口/增压口41、安全阀42和压力指示器43，单组元燃料储存罐44的出口端连接手动燃料控制阀45，手动燃料控制阀45的出口端与所述催化床46的进口端相连，该催化床46的出口端与所述微型透平机子系统47的进气口相连。

一种专用于上述单组元微型透平发电系统或单组元微型透平发动机的反击式微型透平机子系统，参照图2，该反击式微型透平机子系统包括带有进气口5的透平壳体34、安装于透平壳体34靠近进气口一端的带有排气口36的第一端盖1和远离进气口5一端的第二端盖22、设于透平壳体内近第一端盖1处的透平定子2和透平转子33、通过一对滑动轴承30和30’支撑于透平壳体34内且一端与透平转子33固连的透平轴13、贯穿第二端盖22并通过一对滚动轴承16和17安装于透平壳体34内的输出轴20、以及连接输出轴20和透平轴13的行星齿轮减速机构，靠近透平转子的滑动轴承30与透平转子33以及透平定子2之间设密封装置，该密封装置外表面的右部分与透平壳体34的内表面相密合，其左部分与透平壳体34及透平定子2之间形成环形气道32，该环形气道32与透平壳体34上的进气口5相通，所述透平轴13周围设冷却机构；该冷却机构含固设于透平轴13中部的螺杆泵轴49，该螺杆泵轴49和透平壳体34中段形成一个驱动冷却介质循环的螺杆泵，透平壳体34中段于螺杆泵轴49两侧分别设冷却介质入口12和冷却介质出口10，透平壳体34中段的外周设散热片11。

上述实施例中，透平壳体34由左、中、右三段组成，透平定子2、透平转子33安装于左段内，螺杆泵轴49安装于中段内，行星齿轮减速机构安装于右段内，且右段内设有内齿圈27。

本发明中，单组元燃料储存罐44中的单组元燃料可以采用高浓度过氧化氢、或者高浓度过氧化氢和柴油的混合物等单组元燃料，通过催化反应将上述单组元燃料分解为高温高压混合气，以作为直接驱动微型透平机系统旋转的动力，并带动发电机发电而输出电能。

Claims (9)

1.一种单组元微型透平发电系统，包括发电机(48)，其特征在于：还包括微型透平机子系统(47)、催化床(46)和单组元燃料储存罐(44)，所述单组元燃料储存罐(44)上设有单组元燃料加注口/增压口(41)、安全阀(42)和压力指示器(43)，单组元燃料储存罐(44)的出口端连接手动燃料控制阀(45)，手动燃料控制阀(45)的出口端与所述催化床(46)的进口端相连，该催化床(46)的出口端与所述微型透平机子系统(47)的进气口相连，微型透平机子系统(47)的输出轴(20)与所述发电机(48)的输入轴相连；所述微型透平机子系统(47)为反击式微型透平机子系统，它包括带有进气口(5)的透平壳体(34)、安装于透平壳体(34)靠近进气口一端的带有排气口(36)的第一端盖(1)和远离进气口(5)一端的第二端盖(22)、设于透平壳体内近第一端盖(1)处的透平定子(2)和透平转子(33)、通过一对滑动轴承(30、30’)支撑于透平壳体(34)内且一端与透平转子(33)固连的透平轴(13)、贯穿第二端盖(22)并通过一对滚动轴承(16、17)安装于透平壳体(34)内的输出轴(20)、以及连接输出轴(20)和透平轴(13)的齿轮减速机构，靠近透平转子的滑动轴承(30)与透平转子(33)以及透平定子(2)之间设密封装置，该密封装置外表面的右部分与透平壳体(34)的内表面相密合，其左部分与透平壳体(34)及透平定子(2)之间形成环形气道(32)，该环形气道(32)与透平壳体(34)上的进气口(5)相通，所述透平轴(13)周围设冷却机构。

2.根据权利要求1所述的单组元微型透平发电系统，其特征在于：所述催化床(46)采用内含固体网状催化剂或固体粒子催化剂的催化床。

3.根据权利要求1所述的单组元微型透平发电系统，其特征在于：所述透平定子(2)上含有若干形状相同的叶片(37)，且相邻两叶片之间形成收敛形喷嘴(38)，该透平定子(2)上所有的喷嘴(38)组成定子喷嘴环；所述透平转子(33)上含有若干形状相同的叶片(39)，且相邻两叶片之间形成收敛形喷嘴(40)，该透平转子(33)上所有的喷嘴(40)组成转子喷嘴环；所述透平转子(33)上的喷嘴(40)的朝向与透平定子(2)上的喷嘴(38)的朝向相反。

4.根据权利要求1或3所述的单组元微型透平发电系统，其特征在于：靠近透平转子的滑动轴承(30)与透平转子(33)以及透平定子(2)之间的密封装置含密封套(6)和密封内套(4)；所述密封套(6)外表面的右部分与透平壳体(34)的内表面相密合，其左部分与透平壳体(34)及透平定子(2)之间形成环形气道(32)；所述密封内套(4)装于密封套(6)内近滑动轴承(30)一端且外表面与密封套(6)内表面密合，密封内套(4)内壁与透平轴(13)之间设径向密封组件(7)，密封内套(4)内于近滑动轴承(30)一端设有轴向密封组件(31)，密封内套(4)内另一端固装挡圈(3)。

5.根据权利要求1或3所述的单组元微型透平发电系统，其特征在于：所述透平轴(13)周围的冷却机构含固设于透平轴(13)中部的螺杆泵轴(49)，该螺杆泵轴(49)和透平壳体(34)中段形成一个驱动冷却介质循环的螺杆泵，透平壳体(34)中段于螺杆泵轴(49)两侧分别设冷却介质入口(12)和冷却介质出口(10)，透平壳体(34)中段的外周设散热片(11)。

6.根据权利要求1或3所述的单组元微型透平发电系统，其特征在于：所述齿轮减速机构是行星齿轮减速机构，它包括太阳轮(15)、若干行星轮(26)及行星架(25)，所述太阳轮(15)固装于透平轴(13)端部，透平壳体(34)内壁对应太阳轮(15)处设内齿圈(27)，所述行星架(25)中心处与输出轴(20)固连，行星架(25)上于太阳轮(15)周围均匀设置若干行星支撑轴，所述若干行星轮(26)分别装于行星架(25)上的若干行星支撑轴上、并与太阳轮(15)和内齿圈(27)同时啮合；所述行星齿轮减速机构周围有润滑腔(14)，该润滑腔(14)与冷却机构、以及一对滚动轴承(16、17)均连通，由冷却机构的冷却介质入口(12)引入润滑腔(14)的冷却介质对行星齿轮减速机构和滚动轴承组进行润滑和冷却。

7.根据权利要求1或3所述的单组元微型透平发电系统，其特征在于：所述一对滑动轴承(30、30’)安装于透平轴(13)上相应的环形槽内，滑动轴承与透平壳体(34)之间设浮动环(9)，所述环形槽内还套设锁紧片(28)和第一调整环(29)，锁紧片(28)与透平壳体(34)固连，第一调整环(29)压于锁紧片(28)和浮动环(9)、以及锁紧片(28)和滑动轴承的外圈之间；

所述一对滚动轴承(16、17)的外圈之间设第二调整环(24)，第二端盖(22)端部和与该端部相邻的滚动轴承(17)的外圈之间设推力环(21)，与第二端盖相邻的滚动轴承(17)的内圈通过锁紧片(18)和螺设于输出轴上的锁紧螺母(23)定位，第二端盖(22)内近输出轴孔处设防尘圈(19)。

8.根据权利要求1或3所述的单组元微型透平发电系统，其特征在于：所述透平壳体(34)上的进气口(5)与透平壳体(34)内的透平轴(13)垂直；所述第一端盖(1)上的排气口(36)的中心线与透平轴(13)重合，第一端盖(1)内形成排气腔(35)，第一端盖(1)外周设散热片。

9.一种微型透平机子系统，其特征在于：它包括带有进气口(5)的透平壳体(34)、安装于透平壳体(34)靠近进气口一端的带有排气口(36)的第一端盖(1)和远离进气口(5)一端的第二端盖(22)、设于透平壳体内近第一端盖(1)处的透平定子(2)和透平转子(33)、通过一对滑动轴承(30、30’)支撑于透平壳体(34)内且一端与透平转子(33)固连的透平轴(13)、贯穿第二端盖(22)并通过一对滚动轴承(16、17)安装于透平壳体(34)内的输出轴(20)、以及连接输出轴(20)和透平轴(13)的行星齿轮减速机构，靠近透平转子的滑动轴承(30)与透平转子(33)以及透平定子(2)之间设密封装置，该密封装置外表面的右部分与透平壳体(34)的内表面相密合，其左部分与透平壳体(34)及透平定子(2)之间形成环形气道(32)，该环形气道(32)与透平壳体(34)上的进气口(5)相通，所述透平轴(13)周围设冷却机构；该冷却机构含固设于透平轴(13)中部的螺杆泵轴(49)，该螺杆泵轴(49)和透平壳体(34)中段形成一个驱动冷却介质循环的螺杆泵，透平壳体(34)中段于螺杆泵轴(49)两侧分别设冷却介质入口(12)和冷却介质出口(10)，透平壳体(34)中段的外周设散热片(11)。

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