CN112746904A - 微型燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微型燃气轮机，包括壳体、转轴；位于壳体中并套设于转轴外的压气机叶轮、与压气机叶轮相连接且套设于转轴的扩压器、设于扩压器远离压气机叶轮一侧的导向器以及与导向器相连接且套设于转轴的涡轮，涡轮与压气机叶轮间隔设置；压气机叶轮、扩压器、导向器以及涡轮与壳体之间形成气体流通的流道；扩压器沿流道的流通方向依次包括无叶扩压段、径向扩压段以及轴向扩压段，以增大流道进出口压比。通过上述方式，本发明中压气机叶轮和涡轮间隔设置，进而可以降低涡轮侧向压气机叶轮侧的热传导，且扩压器设置多个扩压段以进一步增大系统压比，进而提升整机效率。

Description

微型燃气轮机

技术领域

本发明涉及微型燃气轮机技术领域，尤其涉及一种微型燃气轮机。

背景技术

燃气轮机是能源动力装备领域的最高端产品，代表装备制造业的最高技术水平。广泛应用于分布式发电的微型燃气轮机，其发电功率容量通常在几百千瓦以内，具有高速运行、体积小巧、操作简单、安装方便等特点，拥有良好的市场需求。

微型燃气轮机中，压气机和涡轮是其中的重要核心部件，且压气机中最重要的部件之一为压气机叶轮，因为离心压气机主要通过离心力对气体工质做功，供高压空气进入燃烧室与燃料混合并燃烧，进而使具有高温高压的燃气进入涡轮并推动叶片膨胀做功，完成一个完整的微型燃机工作循环，而压气机叶轮和涡轮的布局方式跟气体的流通密切相关，而气体的流通跟燃气轮机的转化效率相关，而现有的涡轮与压气机叶轮之间如果密切连接，容易将涡轮的热量传导至压气机，会降低压气机材料的使用寿命，而如果距离太远，又使得整机尺寸过大，进而给燃气轮机后期的使用和维护均会带来极大的不便。

发明内容

本发明实施例提供一种微型燃气轮机，用以解决现有技术中燃气轮机使用和维护效率不高的技术问题。

本发明实施例提供一种微型燃气轮机，包括：壳体；

转轴；

位于所述壳体中并套设于所述转轴外的压气机叶轮、与所述压气机叶轮相连接且套设于所述转轴的扩压器、设于所述扩压器远离所述压气机叶轮一侧的导向器以及与所述导向器相连接且套设于所述转轴的涡轮，所述涡轮与所述压气机叶轮间隔设置；

所述压气机叶轮、所述扩压器、所述导向器以及所述涡轮与所述壳体之间形成气体流通的流道；其中，

所述扩压器沿所述流道的流通方向依次包括无叶扩压段、径向扩压段以及轴向扩压段，以增大所述流道进出口压比。

根据本发明一个实施例的微型燃气轮机，所述扩压器靠近所述无叶扩压段的一侧为扩压器进口端，靠近所述轴向扩压段的一侧为扩压器出口端；

所述扩压器进口端的周向尺寸大于所述扩压器出口端的周向尺寸。

根据本发明一个实施例的微型燃气轮机，所述扩压器出口端对应的所述流道的径向尺寸与所述扩压器进口端对应的所述流道的径向尺寸比为0.85-0.95。

根据本发明一个实施例的微型燃气轮机，所述无叶扩压段包括无叶进口端和无叶出口端，且所述无叶出口端至所述转轴的轴线的半径与所述无叶进口端距所述转轴的轴线的半径比值为1.07-1.15。

根据本发明一个实施例的微型燃气轮机，所述径向扩压段包括径向进口端和径向出口端；

所述轴向扩压器对应的所述流道至所述转轴的距离与所述径向扩压段的所述径向进口端至所述转轴的距离的比值为1.2-1.6。

根据本发明一个实施例的微型燃气轮机，所述径向扩压段与所述轴向扩压段之间呈夹角设置；

所述扩压器在所述径向扩压段与所述轴向扩压段之间还设有转弯段。

根据本发明一个实施例的微型燃气轮机，所述径向扩压段与所述轴向扩压段垂直设置，以使得所述径向扩压段的延伸方向与所述转轴的轴线之间垂直设置，所述轴向扩压段的延伸方向与所述转轴的轴线之间平行设置。

根据本发明一个实施例的微型燃气轮机，所述压气机叶轮为离心叶轮且所述压气机叶轮上设置有至少一个大叶片和至少一个小叶片；

所述涡轮为向心涡轮，且所述涡轮上设置有至少一个涡轮叶片。

根据本发明一个实施例的微型燃气轮机，所述压气机叶轮与所述涡轮之间设有定距环和篦齿环，所述定距环和所述篦齿环之间还设有轴承，以隔开所述压气机叶轮和所述涡轮。

根据本发明一个实施例的微型燃气轮机，所述涡轮远离所述压气机叶轮的一侧还设有燃烧室，所述流道与所述燃烧室相连通。

本发明实施例提供的微型燃气轮机，压气机叶轮和涡轮之间相对间隔设置，进而可以降低涡轮一侧向压气机一侧的传热，以保证压气机的效率，进而使得扩压器可以设置无叶扩压段、径向扩压段以及轴向扩压段，以进一步增大压比，进而提升微型燃气轮机的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明微型燃气轮机一实施例的结构示意图；

图2为图1所示的微型燃气轮机中的压气机叶轮的结构示意图；

图3为图2所示的A-A处的剖视图；

图4为图1所示的微型燃气轮机中的扩压器的结构示意图；

图5为图4所示的B-B处的剖视图；

图6为图5所示的Q处的结构简图；

图7为图1所示的微型燃气轮机中的导向器的结构示意图；

图8为图7所示的C-C处的剖视图；

图9为图1所示的微型燃气轮机中的涡轮的结构示意图；

图10为图9所示的D-D处的剖视图；

附图标记：

10：转轴； 20：压气机叶轮； 30：扩压器；

310：无叶扩压段； 3110：无叶进口端； 3120：无叶出口端；

320：径向扩压段； 3210：径向进口端； 3220：径向出口端；

330：轴向扩压段； 340：扩压器进口端； 350：扩压器出口端；

360：转弯段； 40：导向器； 50：涡轮；

60：壳体； 70：流道； 810：定距环；

820：篦齿环； 830：轴承； 90：燃烧室。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本申请实施例中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它组件或单元。

下面结合图1，图1为本发明微型燃气轮机一实施例的结构示意图。本发明提供一种微型燃气轮机，包括壳体60和转轴10；位于壳体60中并套设于转轴10外的压气机叶轮20、与压气机叶轮20相连接且套设于转轴10的扩压器30、设于扩压器30远离压气机叶轮20一侧的导向器40以及与导向器40相连接且套设于转轴10的涡轮50，涡轮50与压气机叶轮20间隔设置。压气机叶轮20、扩压器30、导向器40以及涡轮50与壳体60之间形成气体流通的流道70；其中，扩压器30沿流道70的流通方向依次包括无叶扩压段310、径向扩压段320以及轴向扩压段330，以增大流道70进出口压比。需要说明的是，微型燃气机包括压气机和涡轮50，而压气机包括压气机叶轮20，且在对压气机和涡轮50进行安装时，在本发明一实施例中，采用压气机和涡轮50背对背设置安装，由此压气机和涡轮50之间安装会更加紧凑，而且压气机和涡轮50之间间隔设置，由此使得涡轮50一侧的热不会大量传导至压气机一侧，降低热传导效率。扩压器30包括无叶扩压段310、径向扩压段320以及轴向扩压段330，进而气体流通的流道70流过各扩压段时可以增大压比，进而提高整机效率。可以理解的是，因为压气机叶轮20和涡轮50之间间隔设置，进而扩压器30的横向延伸长度更长，由此可以在扩压器30与转轴10平齐方向上设置轴向扩压段330，由此提高流道70的进出口压比。

请继续参照图2和图3，图2为图1所示的微型燃气轮机中的压气机叶轮的结构示意图；图3为图2所示的A-A处的剖视图。可得压气机叶轮20的周向尺寸为减缩型。请进一步参照图4和图5，图4为图1所示的微型燃气轮机中的扩压器的结构示意图；图5为图4所示的B-B处的剖视图。扩压为至少部分与压气机叶轮20周向尺寸较大的一侧重叠设置，同时至少部分围绕压气机叶轮20的周向设置。进而壳体60便可以与压气机叶轮20和扩压器30形成流道70使得气体流通。

在本发明一实施例中，气体由压气机叶轮20远离涡轮50的一侧进入流道70，且在无叶扩压段310之前的气体流通管路尺寸减缩，而无叶扩压段310和径向扩压段320处的流道70的尺寸保持一致，轴向扩压段330的尺寸与无叶扩压段310和径向扩压段320的不一致，具体尺寸关系请参照下文。

具体地，扩压器30靠近无叶扩压段310的一侧为扩压器进口端340，靠近轴向扩压段330的一侧为扩压器出口端350；扩压器进口端340的周向尺寸大于扩压器出口端350的周向尺寸。也即扩压器30靠近流道70上游处的流通截面大，而靠近流道70下游处的流通截面小，由此便于气体压气机叶轮20一侧向涡轮50一侧流通。

请参照图6，图6为图5所示的Q处的结构简图。在本发明一实施例中，扩压器出口端350对应的流道70的径向尺寸与扩压器进口端340对应的流道70的径向尺寸比为0.85-0.95。在本发明一实施例中，扩压器出口端350对应的流道70的径向尺寸与扩压器进口端340对应的流道70的径向尺寸比优选0.9。也即对应图6中所示的D2与D1的比值为0.9。

请继续参照图5，在本发明一实施例中，无叶扩压段310包括无叶进口端3110和无叶出口端3120，且无叶出口端3120至转轴10的轴线的半径与无叶进口端3110距转轴10的轴线的半径比值为1.07-1.15。在本发明一实施例中，无叶出口端3120至转轴10的轴线的半径与无叶进口端3110距转轴10的轴线的半径比值优选为1.11，也即对应图5所示的D3与D2的比值为1.11。

径向扩压段320包括径向进口端3210和径向出口端3220；在本发明一实施例中，轴向扩压器30对应的流道70至转轴10的距离与径向扩压段320的径向进口端3210至转轴10的距离的比值为1.2-1.6。在本发明一实施例中，轴向扩压器30对应的流道70至转轴10的距离与径向扩压段320的径向进口端3210至转轴10的距离的比值优选为1.4。也对应图5中D5与D3的比值为1.4。

请继续参照图1，径向扩压段320与轴向扩压段330之间呈夹角设置；扩压器30在径向扩压段320与轴向扩压段330之间还设有转弯段360。在本发明一实施例中，径向扩压段320与轴向扩压段330垂直设置，以使得径向扩压段320的延伸方向与转轴10的轴线之间垂直设置，轴向扩压段330的延伸方向与转轴10的轴线之间平行设置。可以理解的是，压气机叶轮20与涡轮50之间的间隔距离与扩压器30在轴向扩压段330所对应的尺寸相一致。

请继续参照图2和图3，压气机叶轮20为离心叶轮且压气机叶轮20上设置有多个大叶片和多个小叶片；涡轮50为向心涡轮，且涡轮50上设置有多个叶片。在本发明一实施例中，微型燃气机的具体参数如下：设计流量为3.12kg/s，设计总压比为4.3，设计点效率为82％，设计转速为31500rpm，设计转速下的失速裕度为12.8％。对应涡轮50的流量为3.1881kg/s，膨胀比为3.8682，效率为0.83，且涡轮50部件的进口总温、总压分别为1203.15K和410.0323kpa，转速为31500r/min。由此压气机叶轮20上设有9个大叶片和9个小叶片。涡轮50上设置的叶片的数量为24个。且压气机叶轮20和涡轮50上叶片的叶型采用贝塞尔叶片角分布的叶型，由此使得扩压器30具有更高的峰值效率和稳定的工作范围。

在本发明一实施例中，压气机叶轮20与涡轮50之间设有定距环810和篦齿环820，定距环810和篦齿环820之间还设有轴承830，以隔开压气机叶轮20和涡轮50。

请继续参照图7、图8、图9和图10，图7为图1所示的微型燃气轮机中的导向器的结构示意图；图8为图7所示的C-C处的剖视图；图9为图1所示的微型燃气轮机中的涡轮的结构示意图；图10为图9所示的D-D处的剖视图。需要说明的是，涡轮50远离压气机叶轮20的一侧还设有燃烧室，流道70与燃烧室相连通。气体在压气机叶轮20侧进入压缩后流经扩压器30至燃烧室燃烧做工，将热能转为机械能，在导向器40的作用下使得散乱的气流沿一方向流通，进而带动涡轮50旋转，进而涡轮50驱动转轴10旋转，一方面驱动压气机叶轮20进行旋转而提高压缩效率，另一方面带动后段设置的齿轮箱和发电机做功发电。

综上，本发明将扩压器30沿流道70依次设置无叶扩压段310、径向扩压段320以及轴向扩压段330，由此可以增大系统压比，且压气机与涡轮50间隔设置，由此使得位于涡轮50一侧的高温不会大量传输至压气机一侧，进而减少涡轮50至压气机一侧的热传导，如此可以使得压气机中的各部件不用采用耐热性更好的材料以提高使用寿命，进而起到节省成本的作用。

需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种微型燃气轮机，其特征在于，包括：

壳体；

转轴；

位于所述壳体中并套设于所述转轴外的压气机叶轮、与所述压气机叶轮相连接且套设于所述转轴的扩压器、设于所述扩压器远离所述压气机叶轮一侧的导向器以及与所述导向器相连接且套设于所述转轴的涡轮，所述涡轮与所述压气机叶轮间隔设置；

所述压气机叶轮、所述扩压器、所述导向器以及所述涡轮与所述壳体之间形成气体流通的流道；其中，

所述扩压器沿所述流道的流通方向依次包括无叶扩压段、径向扩压段以及轴向扩压段，以增大所述流道进出口压比。

2.根据权利要求1所述的微型燃气轮机，其特征在于，所述扩压器靠近所述无叶扩压段的一侧为扩压器进口端，靠近所述轴向扩压段的一侧为扩压器出口端；

所述扩压器进口端的周向尺寸大于所述扩压器出口端的周向尺寸。

3.根据权利要求2所述的微型燃气轮机，其特征在于，所述扩压器出口端对应的所述流道的径向尺寸与所述扩压器进口端对应的所述流道的径向尺寸比为0.85-0.95。

4.根据权利要求3所述的微型燃气轮机，其特征在于，所述无叶扩压段包括无叶进口端和无叶出口端，且所述无叶出口端至所述转轴的轴线的半径与所述无叶进口端距所述转轴的轴线的半径比值为1.07-1.15。

5.根据权利要求4所述的微型燃气轮机，其特征在于，所述径向扩压段包括径向进口端和径向出口端；

所述轴向扩压器对应的所述流道至所述转轴的距离与所述径向扩压段的所述径向进口端至所述转轴的距离的比值为1.2-1.6。

6.根据权利要求5所述的微型燃气轮机，其特征在于，所述径向扩压段与所述轴向扩压段之间呈夹角设置；

所述扩压器在所述径向扩压段与所述轴向扩压段之间还设有转弯段。

7.根据权利要求6所述的微型燃气轮机，其特征在于，所述径向扩压段与所述轴向扩压段垂直设置，以使得所述径向扩压段的延伸方向与所述转轴的轴线之间垂直设置，所述轴向扩压段的延伸方向与所述转轴的轴线之间平行设置。

8.根据权利要求1所述的微型燃气轮机，其特征在于，所述压气机叶轮为离心叶轮且所述压气机叶轮上设置有至少一个大叶片和至少一个小叶片；

所述涡轮为向心涡轮，且所述涡轮上设置有至少一个涡轮叶片。

9.根据权利要求1所述的微型燃气轮机，其特征在于，所述压气机叶轮与所述涡轮之间设有定距环和篦齿环，所述定距环和所述篦齿环之间还设有轴承，以隔开所述压气机叶轮和所述涡轮。

10.根据权利要求1所述的微型燃气轮机，其特征在于，所述涡轮远离所述压气机叶轮的一侧还设有燃烧室，所述流道与所述燃烧室相连通。

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