工质驱动的微型涡轮发电装置的制作方法

1.本发明涉及一种航空动力技术领域，具体是一种涡轮发电装置。


背景技术：

2.微型涡轮发电机是一种小型发电装置，具有能源利用率高、环境污染小和经济效益好等特点，在多个领域具备良好的发展前景。现有的微型燃气涡轮发电机主要包括涡轮、压气机、燃烧室、发电机，主要工作过程为，空气经过压气机压缩后，在燃烧室中加热，得到高温高压的气体，气体进入涡轮膨胀做功，带动转子的同时驱动发电机工作进行发电。
3.为了提高微型燃气涡轮发动机的整机热效率，如在飞机辅助动力装置使用时，通常会采用回热器回收涡轮排气的热量加热压气机出口气体，这导致回热器的形状与尺寸需要与压气机和燃烧室的尺寸相匹配，又由于微型涡轮发电机整机的尺寸限制，导致回热器的尺寸受限，回热效率较低。
4.微型涡轮发电机中发电机转轴一般需要与涡轮发动机的转子相连，发电机不得不工作在极高的转速下，导致发电机的机械负荷极高，发电机的高转速同样使得发电机的铁损急剧升高，发电机与涡轮发动机轴直接相连同时会使得连接后轴的总体长度较长，容易引起轴的挠性振动，影响涡轮发动机的稳定工作，使得微型涡轮发电机转子整体过长，难以处于最佳的设计转速，转子振动控制难度较大。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种能够使得发电机的转速摆脱发动机的限制，并采用微型燃气涡轮发动机的高能工质驱动发电机动力涡轮，从而带动发电机发电的工质驱动的微型涡轮发电装置。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种工质驱动的微型涡轮发电装置，包括涡轮发动机，在所述涡轮发动机冷气入口处的机匣内，沿冷气方向依次同轴设有压气机和扩压器，在扩压器的冷气出口处的机匣内设有集气装置；在所述涡轮发动机的燃烧室高压热气出口处机匣内，沿热气方向依次设有向心涡轮、整流锥，在整流锥热气出口方向的尾喷管上连通设有回热装置；所述的集气装置通过导气管与回热装置相连通，所述的集气装置用于收集进入所述涡轮发动机的一部分高压冷气，并将高压冷气引导至所述的回热装置的冷气入口，所述的回热装置用于将进入回热装置内的高压冷气与所述尾喷管中的高压热气进行热量交换，并将交换完成的高压热气通过工质传输管传送至发电机；
7.所述工质传输管的一端与所述回热装置的高压热气出口相连通，工质传输管的另一端与所述发电机的蜗壳内腔体相连通，所述发电机的涡轮设置在蜗壳内，聚拢在所述蜗壳内的高压热气驱动发电机涡轮转动，从而带动发电机运转。
8.进一步的，所述的集气装置包括具有一个环形空腔且剖面为u形的集气环，在集气环的同一环面上均布连通设有至少四个导气管，在所述的导气管上设有调节阀，所述的集气环通过导气管与所述的回热装置的冷气入口相连通；
9.所述的集气环的u形开口位于所述集气环的内环面上，集气环通过u形开口处的两侧壁固连并连通设置在所述的机匣上，使得集气环与机匣共同构成了所述压气机出口气流的外环通道，而所述压气机本身具有的出口气流通道为内环通道，由所述外环通道流入的冷气通过集气环和导气管进入回热装置，由所述内环通道流入的冷气进入所述燃烧室的冷气输入端。
10.进一步的，所述的回热装置包括环形进气管和环形出气管，在所述的环形进气管的同一环面周向上排列设有多个入口集气横管；在所述的环形出气管的同一环面周向上设有多个出口集气横管；所述的入口集气横管通过换热管排与所述的出口集气横管相连通；
11.所述的集气装置通过导气管与环形进气管相连通，集气装置将收集的冷气导入环形进气管，从而依次进入所述的入口集气横管和换热管排，换热管排内的冷气与所述的向心涡轮、整流锥热气出口端的高压热气进行热量交换，交换得到的热气通过所述的出口集气横管导入至环形出气管，并通过环形出气管将热气导入至工质传输管中。
12.进一步的，所述环形进气管的环形直径小于环形出气管的环形直径，使得所述的入口集气横管和出口集气横管之间形成环形空腔，所述的换热管排设置在所述的环形空腔内，换热管排是由多个沿所述环形空腔周向布置的管路组成；
13.所述的向心涡轮、整流锥热气出口端的高压热气通过换热管排的缝隙，同时，由所述入口集气横管进入的冷气，在环形空腔中，由内而外沿换热管排流过，实现高效换热。
14.进一步的，所述的换热管排是由至少一排并排设置的管路组成，且一排轴向分布的平行管路以所述环形空腔的内径为起点，以阿基米德螺线形式逐渐向外延伸设置在所述的环形空腔内。
15.进一步的，所述的集气装置还通过引气管与飞机气源系统和发动机启动系统的管道相连通，在所述的引气管上设有引气阀，所述的引气管连通设置在所述集气装置的至少一个导气管上。
16.进一步的，所述的发电机还包括发电机壳体、发电机轴和设置在发电机壳体内的发电机转子和发电机静子绕组，所述的发电机轴与所述发电机涡轮的涡轮轴同轴设置；所述蜗壳内的热气驱动发电机涡轮的涡轮轴转动从而驱动发电机轴转动发电。
17.本发明的有益效果是：本发明采用工质传输的方式将能量源产生的高能工质传输到发电装置进行发电，具体是，采用微型燃气涡轮发动机通过其内部热力循环产生压缩空气，通过高能工质采集装置收集起来，回热装置回收涡轮后排出的热量，通过工质传输管传输到动力涡轮蜗壳中驱动动力涡轮带动发电机发电。高工质传输管一般为高热阻、低阻力工质输送管道。同时，将发电机与发动机的驱动轴分离开来，使得发电机可自行选择工作转速，动力涡轮可根据所选转速进行设计。
18.基于工质传输的工质驱动飞机辅助动力装置小型发动机一方面可以使得发电机的转速摆脱发动机的限制，发电机的布局自由度更高，能够根据其最高效适合的转速进行发电机和动力涡轮的设计；
19.采用回热装置可提高飞机辅助动力装置发动机的整机热效率，回热装置的设计可以不受飞机辅助动力装置发动机内部部件形状尺寸的设计，能够实现更高的换热效率。同时，回热装置使用了蜗壳技术与毛细换热技术：其中，蜗壳是向心涡轮外包裹的一个空壳，内有导流叶片，用于将外部的气流收集，并且导入向心涡轮中，推动向心涡轮做功。
20.毛细换热技术是一簇轴向分布的平行管束以回热器内径为起点，以阿基米德螺线形式逐渐向外延伸，在内侧的入口与外侧的出口与集气管相连，构成一个回热器模块；多个完全相同的回热器模块沿周向均布，所有回热单元的进口与出口的集气管分别于两个集气环连接；内侧集气环与四个导气管的出口相连，压缩空气在管束内由内侧向外侧流动，排气在管外沿外径向内流动，实现了，在有限空间内增大了管内外的热量交换面积。
21.本发明运用在飞机辅助动力装置中时，去掉了传统飞机辅助动力装置中的负载压气机装置，直接使用飞机辅助动力装置压气机产生压缩气源，经过飞机辅助动力装置引气阀，给航空发动机提供启动所需气源。同时添加了回热装置，回热装置可以位于飞机辅助动力装置发动机之后，降低了回热器的设计难度，使回热器能够充分提高换热效率，也使飞机辅助动力装置具有更加灵活、紧凑的结构。
附图说明
22.图1是本发明的整体结构示意图；
23.图2是本发明涡轮发动机的结构示意图；
24.图3是本发明发电机的结构示意图；
25.图4是本发明集气装置的结构示意图；
26.图5是本发明集气装置的部分剖视结构示意图；
27.图6是本发明回热装置的轴侧结构示意图；
28.图7是本发明回热装置的主视结构示意图；
29.图8是实施例2中涡轮发动机的结构示意图；
30.图9是实施例2中集气装置的结构示意图；
31.图10是实施例2中飞机辅助动力装置的设置结构示意图。
32.图中：1.涡轮发动机；11.压气机；12.扩压器；13.燃烧室；14.向心涡轮；15.整流锥；16.尾喷管；17.机匣；2.集气装置；21.集气环；22.导气管；23.调节阀；24.引气管；25.引气阀；3.回热装置；31.环形进气管；32.入口集气横管；33.环形出气管；34.出口集气横管；35.换热管排；4.工质传输管；5.发电机；51.发电机涡轮；52.蜗壳；53.电机壳体；54.电机转子；55.静子绕组；56.发电机轴。
具体实施方式
33.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
34.实施例1：一种工质驱动的微型涡轮发电装置，包括涡轮发动机1，在所述涡轮发动机1冷气入口处的机匣17内，沿冷气方向依次同轴设有压气机11和扩压器12，在扩压器12的冷气出口处的机匣17内设有集气装置2；在所述涡轮发动机1的燃烧室13高压热气出口处机匣17内，沿热气方向依次设有向心涡轮14、整流锥15，在整流锥15热气出口方向的尾喷管16上连通设有回热装置3；所述的集气装置2通过导气管22与回热装置3相连通，所述的集气装置2用于收集进入所述涡轮发动机1的一部分高压冷气，并将高压冷气引导至所述的回热装置3的冷气入口，所述的回热装置3用于将进入回热装置3内的高压冷气与所述尾喷管16中的高压热气进行热量交换，并将交换完成的高压热气通过工质传输管4传送至发电机5；所
述工质传输管4的一端与所述回热装置3的热气出口相连通，工质传输管4的另一端与所述发电机5的蜗壳52内腔体相连通，所述发电机5的涡轮51设置在蜗壳52内，聚拢在所述蜗壳52内的高压热气驱动发电机涡轮51转动，从而带动发电机5运转；所述的发电机5还包括发电机壳体53、发电机轴56和设置在发电机壳体53内的发电机转子54和发电机静子绕组55，所述的发电机轴56与所述发电机涡轮51的涡轮轴同轴设置；所述蜗壳52内的热气驱动发电机涡轮51的涡轮轴转动从而驱动发电机轴56转动发电。
35.所述的集气装置2包括具有一个环形空腔且剖面为u形的集气环21，在集气环21的同一环面上均布连通设有至少四个导气管22，在所述的导气管22上设有调节阀23，所述的集气环21通过导气管22与所述的回热装置3的冷气入口相连通；所述的集气环21的u形开口位于所述集气环21的内环面上，集气环21通过u形开口处的两侧壁固连并连通设置在所述的机匣17上，使得集气环21与机匣17共同构成了所述压气机11出口气流的外环通道，而所述压气机11本身具有的出口气流通道为内环通道，由所述外环通道流入的冷气通过集气环21和导气管22进入回热装置3，由所述内环通道流入的冷气进入所述燃烧室13的冷气输入端。
36.所述的回热装置3包括环形进气管31和环形出气管33，在所述的环形进气管31的同一环面周向上排列设有多个入口集气横管32；在所述的环形出气管33的同一环面周向上设有多个出口集气横管34；所述的入口集气横管32通过换热管排35与所述的出口集气横管34相连通；所述的集气装置2通过导气管22与环形进气管31相连通，集气装置2将收集的冷气导入环形进气管31，从而依次进入所述的入口集气横管32和换热管排35，换热管排35内的冷气与所述的向心涡轮14、整流锥15热气出口端的高压热气进行热量交换，交换得到的热气通过所述的出口集气横管34导入至环形出气管33，并通过环形出气管33将热气导入至工质传输管4中；所述环形进气管31的环形直径小于环形出气管33环形直径，使得所述的入口集气横管32和出口集气横管34之间形成环形空腔，所述的换热管排35是由至少一排并排设置的管路组成，且一排轴向分布的平行管路以所述环形空腔的内径为起点，以阿基米德螺线形式逐渐向外延伸设置在所述的环形空腔内；向心涡轮14、整流锥15热气出口端的高压热气通过换热管排35的缝隙，同时，由所述入口集气横管32进入的冷气，在环形空腔中，由内而外沿换热管排35流过，实现高效换热。
37.涡轮发动机1的压气机11将来流冷空气吸入并进行压缩，被压缩的冷空气在压气机11的输出端分为两股，一股气流由集气环21进入回热装置3，另一股压缩冷气流进入涡轮发动机的燃烧室13中，与燃料进行掺混燃烧，形成高温高压燃气，燃气在向心涡轮14中膨胀做功，向心涡轮14后的高温尾气经整流锥15流至回热装置3，与回热装置3的换热管排35中的空气换热，气流通过与环形进气管31相连的入口集气横管32进入换热管排35，热燃气从换热管35的缝隙间流过，与换热管排25内的压缩空气换热。
38.换热后的热空气通过出口集气横管34，并经由热空气出口的环形出气管33到达工质传输管4的入口。高温高压的压缩空气从工质传输管4进入发电机5的蜗壳52，蜗壳52将高温高压空气推入到发电机涡轮51，发电机涡轮51将高温高压空气的膨胀功转化为轴功，并通过发电机轴56驱动发电机转子54运转。发电机转子54与静子绕组55相互作用发电。
39.实施例2：如图8-10所示，与实施例1相同，不同的是：所述的集气装置2还通过引气管24与飞机气源系统和发动机启动系统的管道相连通，在所述的引气管24上设有引气阀
25，所述的引气管24连通设置在所述集气装置2的至少一个导气管22上。
40.本实例中，所述的涡轮发动机为一台单转子飞机辅助动力装置发动机。集气环21收集的空气通过导气管22传输至回热装置3的环形进气管31，其中一根导气管22中的空气分为两股，另一股压缩空气通过引气管24经飞机辅助动力装置引气阀25给飞机的主发动机启动提供气源。
41.本实例所述的飞机辅助动力装置100是指飞机上主动力装置，如发动机之外可独立输出压缩空气或供电的小型辅助动力装置。飞机辅助动力装置的作用是向飞机独立地提供电力和压缩空气(也有些只提供电力)，少量的飞机辅助动力装置可以向飞机提供附加推力。飞机辅助动力装置的发动机位于机身尾部,一般装在机身最后段的尾锥之内，在机身上方垂尾附近开有进气口，排气直接由尾锥后端的排气口排出，如图10所示。飞机辅助动力装置发动机前端除正常压气机外装有一个负载压气机，它向机身前部的空调组件输送高温的压缩空气，以保证机舱的空调系统工作同时还带动一个发电机，可以向飞机电网送出115v的三相电流。
42.飞机辅助动力装置有自己单独的电动起动机，由单独的电池供电，有独立的附加齿轮箱、润滑系统、冷却系统和防火装置。飞机辅助动力装置发动机主要包括进气装置、压气机、与压气机在同一根轴上的负载压气机、燃烧室、涡轮、附件齿轮箱、滑油泵、燃油泵、冷却风扇，该冷却风扇作用是发电机和飞机辅助动力装置滑油冷却器提供冷却空气、发电机、排气装置。
43.飞机辅助动力装置的主要工作过程为，空气从飞机辅助动力装置的进气门通过进气管道进入飞机辅助动力装置的压气机，经过压气机压缩后，在燃烧室中加热，得到高温高压的气体，气体进入涡轮膨胀做功，进而驱动飞机辅助动力装置压气机和负载压气机，同时带动附件齿轮箱，齿轮箱将动力部分高转速的扭矩减速后驱动齿轮箱内的附件，如驱动发电机工作进行发电、驱动冷却风扇、滑油泵和燃油泵等，最后再进入排气装置排到大气中。
44.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种工质驱动的微型涡轮发电装置，其特征在于，包括涡轮发动机(1)，在所述涡轮发动机(1)冷气入口处的机匣内，沿冷气方向依次同轴设有压气机(11)和扩压器(12)，在扩压器(12)的冷气出口处的机匣(17)内设有集气装置(2)；在所述涡轮发动机(1)的燃烧室(13)高压热气出口处机匣(17)内，沿热气方向依次设有向心涡轮(14)、整流锥(15)，在整流锥(15)热气出口方向的尾喷管(16)上连通设有回热装置(3)；所述的集气装置(2)通过导气管(22)与回热装置(3)相连通，所述的集气装置(2)用于收集进入所述涡轮发动机(1)的一部分高压冷气，并将高压冷气引导至所述的回热装置(3)的冷气入口，所述的回热装置(3)用于将进入回热装置(3)内的高压冷气与所述尾喷管(16)中的高压热气进行热量交换，并将交换完成的高压热气通过工质传输管(4)传送至发电机(5)；所述工质传输管(4)的一端与所述回热装置(3)的高压热气出口相连通，工质传输管(4)的另一端与所述发电机(5)的蜗壳(52)内腔体相连通，所述发电机(5)的涡轮(51)设置在蜗壳(52)内，聚拢在所述蜗壳(52)内的高压热气驱动发电机涡轮(51)转动，从而带动发电机(5)运转。2.如权利要求1所述的工质驱动的微型涡轮发电装置，其特征在于，所述的集气装置(2)包括具有一个环形空腔且剖面为u形的集气环(21)，在集气环(21)的同一环面上均布连通设有至少四个导气管(22)，在所述的导气管(22)上设有调节阀(23)，所述的集气环(21)通过导气管(22)与所述的回热装置(3)的冷气入口相连通；所述的集气环(21)的u形开口位于所述集气环(21)的内环面上，集气环(21)通过u形开口处的两侧壁固连并连通设置在所述的机匣(17)上，使得集气环(21)与机匣(17)共同构成了所述压气机(11)出口气流的外环通道，而所述压气机(11)本身具有的出口气流通道为内环通道，由所述外环通道流入的冷气通过集气环(21)和导气管(22)进入回热装置(3)，由所述内环通道流入的冷气进入所述燃烧室(13)的冷气输入端。3.如权利要求1所述的工质驱动的微型涡轮发电装置，其特征在于，所述的回热装置(3)包括环形进气管(31)和环形出气管(33)，在所述的环形进气管(31)的同一环面周向上排列设有多个入口集气横管(32)；在所述的环形出气管(33)的同一环面周向上设有多个出口集气横管(34)；所述的入口集气横管(32)通过换热管排(35)与所述的出口集气横管(34)相连通；所述的集气装置(2)通过导气管(22)与环形进气管(31)相连通，集气装置(2)将收集的冷气导入环形进气管(31)，从而依次进入所述的入口集气横管(32)和换热管排(35)，换热管排(35)内的冷气与所述的向心涡轮(14)、整流锥(15)热气出口端的高压热气进行热量交换，交换得到的热气通过所述的出口集气横管(34)导入至环形出气管(33)，并通过环形出气管(33)将热气导入至工质传输管(4)中。4.如权利要求3所述的工质驱动的微型涡轮发电装置，其特征在于，所述环形进气管(31)的环形直径小于环形出气管(33)的环形直径，使得所述的入口集气横管(32)和出口集气横管(34)之间形成环形空腔，所述的换热管排(35)设置在所述的环形空腔内，换热管排(35)是由多个沿所述环形空腔周向布置的管路组成；所述的向心涡轮(14)、整流锥(15)热气出口端的高压热气通过换热管排(35)的缝隙，同时，由所述入口集气横管(32)进入的高压冷气，在环形空腔中，由内而外沿换热管排(35)流过，实现高效换热。
5.如权利要求4所述的工质驱动的微型涡轮发电装置，其特征在于，所述的换热管排(35)是由至少一排并排设置的管路组成，且一排轴向分布的平行管路以所述环形空腔的内径为起点，以阿基米德螺线形式逐渐向外延伸设置在所述的环形空腔内。6.如权利要求1所述的工质驱动的微型涡轮发电装置，其特征在于，所述的集气装置(2)还通过引气管(24)与飞机气源系统和发动机启动系统的管道相连通，在所述的引气管(24)上设有引气阀(25)，所述的引气管(24)连通设置在所述集气装置(2)的至少一个导气管(22)上。7.如权利要求1-6任一所述的工质驱动的微型涡轮发电装置，其特征在于，所述的发电机(5)还包括发电机壳体(53)、发电机轴(56)和设置在发电机壳体(53)内的发电机转子(54)和发电机静子绕组(55)，所述的发电机轴(56)与所述发电机涡轮(51)的涡轮轴同轴设置；所述蜗壳(52)内的热气驱动发电机涡轮(51)的涡轮轴转动从而驱动发电机轴(56)转动发电。

技术总结
本发明涉及一种工质驱动的微型涡轮发电装置，包括涡轮发动机，在涡轮发动机扩压器的冷气出口处的机匣内设有集气装置；在所述涡轮发动机尾喷管上连通设有回热装置；所述的集气装置通过导气管与回热装置相连通，回热装置将进入回热装置内的高压冷气与尾喷管中的高压热气进行热量交换，并将交换完成的高压热气通过工质传输管传送至发电机的蜗壳内腔体，聚拢在所述蜗壳内的高压热气驱动发电机涡轮转动，从而带动发电机运转。本发明采用微型燃气涡轮发动机的高能工质驱动动力涡轮，从而带动发电机发电，使得发电机的转速摆脱发动机的限制，发电机的布局自由度更高，能够根据其最高效适合的转速进行发电机和动力涡轮的设计。合的转速进行发电机和动力涡轮的设计。合的转速进行发电机和动力涡轮的设计。


技术研发人员：蔡元虎 李兆庆
受保护的技术使用者：西安觉天动力科技有限责任公司
技术研发日：2021.12.01
技术公布日：2023/9/20