專利名稱：微型燃氣輪機-高速發(fā)電機成套設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型技術(shù)屬于新能源及高效節(jié)能(06)領(lǐng)域，將成套發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于高效 節(jié)能能源產(chǎn)業(yè)。特別是一種微型燃氣輪機-高速發(fā)電機成套設(shè)備。
背景技術(shù)：
長期以來，幾十至幾百kW的小型發(fā)電機組市場，一直由內(nèi)燃發(fā)電機組占領(lǐng)，燃氣 輪機幾乎沒有立足之地。原因是小功率燃氣輪機單循環(huán)的效率比較低，無法與內(nèi)燃機相匹 敵。而且小功率燃氣輪機轉(zhuǎn)速高，通常需要采用齒輪減速器降速后與發(fā)電機相連，笨重的減 速器和低速發(fā)電機，把燃氣輪機結(jié)構(gòu)輕巧的特點給抵消了。不僅造成了資源的浪費，也不利 于未來發(fā)電設(shè)備小型化的要求。至今還沒有一種型號微型燃氣輪機用于商業(yè)運行中。系統(tǒng)總體技術(shù)、轉(zhuǎn)子動力、損耗、溫升及散熱技術(shù)、非接觸式軸承支承技術(shù)、高效回 熱技術(shù)、數(shù)字功率控制與轉(zhuǎn)換等技術(shù)還不夠成熟，這也客觀造成了成套發(fā)電設(shè)備在我國的 發(fā)展和市場化進程緩慢。目前國際上微型燃氣輪機整體還沒有全部進入一個市場成熟期， 這對我國發(fā)展微型燃氣輪機產(chǎn)業(yè)化并追趕先進國家是一個較好時機。
發(fā)明內(nèi)容為提高成套發(fā)電設(shè)備的運行效率、減小其體積、重量，本實用新型特提供了一套微 型燃氣輪機-高速發(fā)電機成套設(shè)備。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取以下設(shè)計方案，該設(shè)備包括微型燃氣輪機、高 速發(fā)電機、磁性聯(lián)軸器，其中微型燃氣輪機通過磁性聯(lián)軸器與高速發(fā)電機連接。本實用新型的微型燃氣輪機是成套發(fā)電設(shè)備的原動機，燃燒燃料，主軸高速旋轉(zhuǎn)。 主軸轉(zhuǎn)速在30000rpm 60000rpm。微型燃氣輪機包括壓氣機、燃燒室、燃氣透平，采用徑向 設(shè)計原理以及單級徑向壓縮機低排放環(huán)型燃燒器、單級徑向透平，壓比為4 1，恒溫運行 排除了使用高成本的尖端材料，維修成本低，振動更小，排放更低，結(jié)構(gòu)緊揍。本實用新型的高速發(fā)電機為同步永磁電機，可同時作為電動機和發(fā)電機使用。成 套發(fā)電設(shè)備運行初期，高速電機作為電動機使用，由外部供給電能，作為系統(tǒng)的原動力，通 過磁性聯(lián)軸器帶動微型燃氣輪機高速旋轉(zhuǎn)運行；當系統(tǒng)轉(zhuǎn)速達到20000rpm時，燃氣輪機可 消耗燃料，自主運行，高速電機轉(zhuǎn)而作為發(fā)電機使用，向外供應(yīng)電能。高速發(fā)電機主要包括 氣體軸承、永磁發(fā)電機、磁力軸承、功率變換系統(tǒng)。本實用新型的非接觸磁性聯(lián)軸器由內(nèi)磁性部分和外磁性部分組成。內(nèi)磁性部分由 多片永磁磁片和護套構(gòu)成；永磁磁片由釹鐵硼永磁材料加工而成；護套由高強合金加工而 成；外磁性部分具有和內(nèi)磁性部分相同片數(shù)的磁片。非接觸磁性聯(lián)軸器具有和微型燃氣輪 機相同的轉(zhuǎn)速。非接觸磁性聯(lián)軸器，允許微型燃氣輪機輸出軸和高速電機的輸入軸有超過 Imm軸線偏移量，和超過0. 5度軸線角度偏移量。正常工作時，內(nèi)外永磁體相位并不相同，允 許存在一定的角度，角度的大小由轉(zhuǎn)速和傳遞的功率確定。成套發(fā)電設(shè)備通過磁性聯(lián)軸器 組成一個緊揍的高轉(zhuǎn)速的交流發(fā)電機組。裝置不需要減速箱，交流發(fā)電機又可作為一個啟動電動機，從而可進一步減少機組的體積。本實用新型的電能控制器由前級整流部分和后級逆變部分構(gòu)成。前級整流部分采 用閉環(huán)的控制方式。后級逆變部分采用開環(huán)的控制方式。電能控制器在成套發(fā)電設(shè)備運行 初期作為微型燃氣輪機的啟動控制器使用，在成套發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)速高于20000rpm時作為發(fā) 電機電能變換的控制器使用。電能控制器在作為發(fā)電機電能變換的控制器使用時，可輸出 單相220V/50Hz或三相380V/50Hz電能。與傳統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備對比，本實用新型具有以下優(yōu)勢(1)沒有或很低輸配電損耗；(2)可避免或減緩輸配電成本的增加；(3)利用燃機產(chǎn)生的熱煙氣進行高效率的熱電聯(lián)產(chǎn)；(4)適合多種熱電比的變化，可使系統(tǒng)根據(jù)熱或電的需求進行調(diào)節(jié)，從而增加年設(shè) 備利用率；(5)用戶可自行控制，可進行遙控和監(jiān)測區(qū)域電力質(zhì)量和性能；(6)非常適應(yīng)對鄉(xiāng)村和發(fā)展中區(qū)域提供電力，在成本增加很小的情況下可增加裝 機容量；(7) 土建和安裝成本低；大量減少了環(huán)保壓力。
圖1為成套發(fā)電設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施方式
該設(shè)備包括微型燃氣輪機、高速發(fā)電機、磁性聯(lián)軸器，其中微型燃氣輪機通過磁 性聯(lián)軸器與高速發(fā)電機連接。考慮到高速發(fā)電機在高壓氣體驅(qū)動下可能存在較大的轉(zhuǎn)速波動，前級整流如果采 用不控整流，直流側(cè)電壓也將會有很大的波動，為了保證后級逆變輸出電壓的穩(wěn)定性，采用 三相橋式半控整流電路，這種電路比全控型電路更簡單、更經(jīng)濟。逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為50Hz的交流電，本系統(tǒng)采用6個IGBT組成三相全橋逆 變電路。當前的逆變電路中，主要采用PWM控制技術(shù)，PWM是對觸發(fā)脈沖的寬度進行調(diào)節(jié)的 技術(shù)。SPWM是實現(xiàn)逆變器輸出正弦化的最有效手段。此外，數(shù)字控制的電能變換器可進行輸出頻率轉(zhuǎn)換，也可調(diào)解成其它輸出頻率，它 把高速交流發(fā)電機輸出的頻率為1 3kHz的電力轉(zhuǎn)換成50 60Hz的電力功率逆變控制 器，同時，還可在啟動時，將50 60Hz逆變成1 3kHz的高頻電，啟動電機；另外，可根據(jù) 負荷的變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，也可根據(jù)外部電網(wǎng)負荷變化運行，或可作為獨立系統(tǒng)運行，還包括遠 程管理、控制和監(jiān)測。本設(shè)備能達到的技術(shù)指標如下(7)最高轉(zhuǎn)速彡 60000rpm(8)額定功率彡30KW(9)連續(xù)運行時間彡8600h(10)工作溫度-20 50°C[0028](11)效率(25 士 2) %(12)冷卻方式強制風冷(13)用戶電壓380V(0 +10% )或 220V(0 +10% )(14)輸出電能頻率(50士2. 5) Hz本實用新型創(chuàng)造性的集單級壓氣、向心透平渦輪發(fā)動機技術(shù)、非接觸磁性聯(lián)軸技 術(shù)、氣浮-磁浮混合支撐技術(shù)、高速永磁發(fā)電技術(shù)、高度集成的數(shù)字電能變換技術(shù)等核心技 術(shù)于一身，整臺設(shè)備采用空氣冷卻，無需潤滑油和冷卻液，無需通過繁雜的中間減速結(jié)構(gòu)， 可直接由微型燃氣輪機驅(qū)動高速電機工作，有效的降低了成套發(fā)電設(shè)備的復(fù)雜性，實現(xiàn)了 體積小、重量輕的目標，且通過非接觸式磁性聯(lián)軸器連接，使微型燃氣輪機和高速發(fā)電機在 物理上隔離，有效的杜絕了微型燃氣輪機和高速電機間的振動干擾。具有多臺集成擴容、可 使用多種燃料、燃料消耗低、噪音低、排放低、振動低、維修率低、可遙控和診斷等一系列技 術(shù)特點。本實用新型可以減少對電網(wǎng)的依賴，使機組的使用率完全按最有利于高效節(jié)能的 方案執(zhí)行，并可按負載優(yōu)先級別供電、遠程監(jiān)控，并可通過調(diào)制解調(diào)器和互聯(lián)網(wǎng)來進行控 制。并可通過控制軟件實現(xiàn)多臺發(fā)電設(shè)備直接并車，而無需其它控制硬件輔助。本實用新型且具有各種顛簸路面的超強適應(yīng)能力，使之具有較高的機動性，啟動 快速并可連續(xù)運行，富氧燃燒，超低排放，便于軍民兩用。本發(fā)明可以用于導(dǎo)彈發(fā)射車、戰(zhàn) 車、坦克、高炮車、自行火炮的野戰(zhàn)移動電源，也可用于無人機、直升機、教練機上作為輔助 電源以及大型戰(zhàn)斗機、運輸機發(fā)動機的起動機，還可作為浮空器、艦船、潛艇、雷達的發(fā)電設(shè) 備。另外，由于出色的可靠性和連續(xù)運行能力，采用微燃+高發(fā)成套發(fā)電設(shè)備成為無人值 守的2MW以下分布式供電系統(tǒng)的最佳方案，如辦公商務(wù)樓、大型商場、電影院、學(xué)校、工廠、 別墅、小區(qū)、電視臺、轉(zhuǎn)播車、醫(yī)院、賓館、商場、垃圾填埋場、污水處理場、海上油田和陸上油 井、電信及通信基礎(chǔ)等等。
權(quán)利要求1.微型燃氣輪機-高速發(fā)電機成套設(shè)備，包括微型燃氣輪機、高速發(fā)電機、磁性聯(lián)軸 器，其特征在于微型燃氣輪機通過磁性聯(lián)軸器與高速發(fā)電機連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型燃氣輪機-高速發(fā)電機成套設(shè)備，其特征在于，微型燃氣 輪機包括壓氣機、燃燒室、燃氣透平，采用徑向設(shè)計，以及單級徑向壓縮，機低排放環(huán)型燃燒 室、單級徑向燃燒透平。
專利摘要本實用新型涉及一種微型燃氣輪機-高速發(fā)電機成套設(shè)備。該設(shè)備包括微型燃氣輪機、高速發(fā)電機、磁性聯(lián)軸器，其中微型燃氣輪機通過磁性聯(lián)軸器與高速發(fā)電機連接。該成套設(shè)備利用燃機產(chǎn)生的熱煙氣進行高效率的熱電聯(lián)產(chǎn)；適合多種熱電比的變化，可使系統(tǒng)根據(jù)熱或電的需求進行調(diào)節(jié)，從而增加年設(shè)備利用率；用戶可自行控制，可進行遙控和監(jiān)測區(qū)域電力質(zhì)量和性能；非常適應(yīng)對鄉(xiāng)村和發(fā)展中區(qū)域提供電力，在成本增加很小的情況下可增加裝機容量。
文檔編號F02C6/00GK201902263SQ201020672388
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月21日
發(fā)明者劉咔, 吳大慶, 曲俊法, 楊爾衛(wèi), 楊帆, 繆海波, 鄧星 申請人:湖南航天機電設(shè)備與特種材料研究所