專利名稱：管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃氣輪機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及燃氣輪機技術領域，特別地，涉及微小型燃氣輪機結構。
2.
背景技術：
微型燃氣輪機是一類新近發(fā)展起來的小型熱力發(fā)動機，其單機功率范圍為25 300kW，基本技術特征是采用徑流式葉輪機械(向心式透平和離心式壓氣機)以及回熱循環(huán)。據(jù)認為，微型燃氣輪機發(fā)電技術有可能掀起“電源小型分散化”的技術革新熱潮，從而成為21世紀能源技術的主流。先進微型燃氣輪機具有多臺集成擴容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振動、低維修率、可遙控和診斷等一系列先進技術特征，除了分布式發(fā)電外，還可用于備用電站、熱電聯(lián)產(chǎn)、并網(wǎng)發(fā)電、尖峰負荷發(fā)電等，是提供清潔、可靠、高質量、多用途、小型分布式發(fā)電及熱電聯(lián)供的最佳方式，無論對中心城市還是遠郊農(nóng)村甚至邊遠地區(qū)均能適用。此夕卜，微型燃氣輪機在民用交通運輸(混合動力汽車)以及軍車以及陸海邊防方面均具有優(yōu)勢，受到美、俄等軍事大國的關注，因此，從國家安全看發(fā)展微型燃氣輪機也是非常重要的。目前大多數(shù)燃氣輪機的設計結構是由飛機噴氣發(fā)動機的直接演變，透平室、燃燒室、離心壓氣機、發(fā)電機等成軸向臥式布置，對中心軸的耐溫性和加工和使用的垂直度要求苛刻，需要由旋轉部分、軸承、密封件、潤滑油系統(tǒng)和尖端的電子控制設備組成的復雜裝置。由于在技術上的復雜，使大多數(shù)用戶都得依靠原設備制造廠家來完成維修、大修和進行先進的維護保養(yǎng)。由于同軸排列的燃燒室的高溫高速燃氣還需要經(jīng)過固定的渦輪葉輪導向變?yōu)樾D氣流帶動透平渦輪做功，需要消耗能量，另外用于發(fā)電的燃氣輪機在空間布置上不像飛機噴氣發(fā)動機那樣要求緊湊。高溫燃料電池具有燃料適應性廣、能量轉換效率高、全固態(tài)、模塊化組裝、零污染等優(yōu)點，可以直接使用氫氣、一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣及生物質氣等多種碳氫燃料，在大型集中供電、中型分電和小型家用熱電聯(lián)供等民用領域作為固定電站。管式SOFC具有高機械強度、高抗熱沖擊性能、簡化的密封技術、高模塊化集成性能等特點，是最接近商業(yè)化的SOFC發(fā)電技術。但目前高溫燃料電池燃料燃燒不完全，排煙溫度過高，亟待綜合利用。因此依據(jù)流體特性，將管式高溫燃料電池組和微小型燃氣輪機耦合，開發(fā)高效、結構簡單、成本低、制造和裝配容易、維修和更換費用較低、便于移動的高溫燃料電池組和微小型燃氣輪機復合結構，通過電化學反應將燃料中的化學能直接轉換為電能和高溫煙氣輪機發(fā)電梯級組合、熱電聯(lián)供實現(xiàn)能量的高效利用是未來分布式能源亟待解決難題之一。
3.發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的就是為了克服現(xiàn)有微小型燃氣輪機結構技術存在的不足而提供一種管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃氣輪機，無需流向轉化，直接利用高速燃氣動能，效率高、結構簡單、成本低，制造和裝配容易，維修和更換費用較低，便于移動的燃氣輪機結構。[0008]本實用新型的技術方案:本實用新型提供管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃氣輪機，由轉動軸、離心式渦輪、透平室、燃盡室、管狀高溫燃料電池組、軸承1、離心壓氣機、高速永磁電機、軸承
I1、板式回熱器、板式換熱器和變頻系統(tǒng)組成。沿轉動軸依次向后排列透平室、離心壓氣機和高速永磁電機；透平室內(nèi)裝離心式渦輪，固定在轉動軸上，透平室采用軸承I定位；透平室前部依次設置板式回熱器和板式換熱器，沿透平室圓周切線方向均勻布置燃盡室，燃盡室入口為管狀高溫燃料電池組；離心壓氣機出口與板式回熱器入口通過管道相連，管狀高溫燃料電池組入口和板式回熱器出口通過管道相連，燃盡室出口正對離心式渦輪；離心壓氣機和高速永磁電機中間位置的轉動軸通過軸承II懸掛和定位，高速永磁電機和管狀高溫燃料電池組連接變頻系統(tǒng)，熱量利用合理、結構簡單、成本低，制造和裝配容易，維修和更換費用較低，便于移動。轉動軸為立式布置或水平布置。離心式渦輪和離心壓氣機為單級或多級。燃盡室沿透平室圓周切線方向均勻布置，與透平室軸向方向垂直，個數(shù)為偶數(shù)。軸承I和軸承II為滑動軸承、滾動軸承、空氣軸承和磁懸浮軸承中的一種。板式回熱器和板式換熱器為螺旋板式換熱器、平板式換熱器和板翅式換熱器中的一種。
4.
圖1是本實用新型的管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃氣輪機結構示意圖。附圖的圖面說明如下:1.轉動軸、2.離心式渦輪、3.透平室、4.燃盡室、5.離心壓氣機、6.高速永磁電機、7.軸承I1、8.板式回熱器、9.板式換熱器、10.變頻系統(tǒng)、11、軸承I >12.管狀高溫燃料電池組
5.具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作詳細的介紹:圖1所示，本實用新型所述的管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃氣輪機由轉動軸(I)、離心式渦輪(2)、透平室(3)、燃盡室(4)、管狀高溫燃料電池組(12)、離心壓氣機(5)、高速永磁電機￠)、軸承(7)、板式回熱器(8)、板式換熱器(9)和變頻系統(tǒng)(10)組成。沿轉動軸(I)依次向后排列透平室(3)、離心壓氣機(5)和高速永磁電機(6);透平室(3)內(nèi)裝離心式渦輪(2)，固定在轉動軸(I)上，透平室(3)采用軸承I (11)定位；透平室(3)前部依次設置板式回熱器(8)和板式換熱器
(9)，沿透平室(3)圓周切線方向均勻布置燃盡室(4)，燃盡室(4)入口為管狀高溫燃料電池組(12);離心壓氣機(5)出口與板式回熱器(8)入口通過管道相連，管狀高溫燃料電池組
(12)入口和板式回熱器(8)出口通過管道相連，燃盡室(4)出口正對離心式渦輪(2);離心壓氣機(5)和高速永磁電機(6)中間位置的轉動軸(I)通過軸承(7)懸掛和定位，高速永磁電機(6)和管狀高溫燃料電池組(12)連接變頻系統(tǒng)(10)，熱量利用合理、結構簡單、成本低，制造和裝配容易，維修和更換費用較低，便于移動。轉動軸(I)為立式布置或水平布置。[0019]離心式渦輪(2)和離心壓氣機(5)為單級或多級。燃盡室(4)沿透平室(3)圓周切線方向均勻布置，與透平室(3)軸向方向垂直，個數(shù)為偶數(shù)。 軸承1(11)和軸承II (7 )為滑動軸承、滾動軸承、空氣軸承和磁懸浮軸承。板式回熱器(8)和板式換熱器(9)為螺旋板式換熱器、平板式換熱器和板翅式換熱器中的一種。工作時，高壓燃氣與離心式壓氣機來的高壓空氣在管狀高溫燃料電池組的發(fā)生電化學反應，產(chǎn)生的高溫高速燃氣進入燃盡室進一步燃燒，高速煙氣沿透平室圓周類切線方向噴入透平室，直接推動離心式渦輪帶動轉動軸高速旋轉，同軸高速旋轉的離心壓氣機為燃燒時提供高壓空氣，高速永磁電機產(chǎn)生的高頻電流和管狀高溫燃料電池組產(chǎn)生的直流電流經(jīng)過變頻系統(tǒng)轉化為50HZ或60HZ的常用電流外輸；從透平室中心流出的高溫燃氣先與高壓空氣在板式回熱器中換熱回收能量，然后再在板式換熱器中回收能量，實現(xiàn)電熱或冷量聯(lián)供，加之高溫燃料電池和燃氣輪機耦合實現(xiàn)了燃料化學能的梯級利用，提高能源利用效率；偶數(shù)分布的燃盡室保證了離心式渦輪受力平衡，也為燃氣輪機通過燃燒時開啟個數(shù)簡便調節(jié)發(fā)電量提供了手段；轉動軸立式布置節(jié)省了空間，降低了中心軸的耐溫性和加工和使用的垂直度要求苛刻度；磁懸浮軸承減少了啟動摩檫力，實現(xiàn)了轉動軸的精確定位和固定，便于燃氣輪機的快速啟動。這些措施的采用使管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃氣輪機熱量利用合理、發(fā)電效率高達80%以上、結構簡單、成本低，制造和裝配容易，維修和更換費用較低，便于移動，更適合于分布式智能電網(wǎng)熱電冷多聯(lián)供使用。
權利要求1.管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃氣輪機，由轉動軸、離心式渦輪、透平室、燃盡室、管狀高溫燃料電池組、軸承1、離心壓氣機、高速永磁電機、軸承I1、板式回熱器、板式換熱器和變頻系統(tǒng)組成，其技術特征是沿轉動軸依次向后排列透平室、離心壓氣機和高速永磁電機；透平室內(nèi)裝離心式渦輪，固定在轉動軸上，透平室采用軸承I定位；透平室前部依次設置板式回熱器和板式換熱器，沿透平室圓周切線方向均勻布置燃盡室，燃盡室入口為管狀高溫燃料電池組；離心壓氣機出口與板式回熱器入口通過管道相連，管狀高溫燃料電池組入口和板式回熱器出口通過管道相連，燃盡室出口正對離心式渦輪；離心壓氣機和高速永磁電機中間位置的轉動軸通過軸承II懸掛和定位,高速永磁電機和管狀高溫燃料電池組連接變頻系統(tǒng)。
2.根據(jù)權利要求1所述的管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃氣輪機，其特征在于所說的轉動軸為立式布置或水平布置。
3.根據(jù)權利要求1所述的管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃氣輪機，其特征在于所說的離心式渦輪和離心壓氣機為單級或多級。
4.根據(jù)權利要求1所述的管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃氣輪機，其特征在于所說的燃盡室沿透平室圓周切線方向均勻布置，與透平室軸向方向垂直，個數(shù)為偶數(shù)。
5.根據(jù)權利要求1所述的管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃氣輪機，其特征在于所說的軸承I和軸承II為滑動軸承、滾動軸承、空氣軸承和磁懸浮軸承中的一種。
6.根據(jù)權利要求1所述的管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃氣輪機，其特征在于所說的板式回熱器和板式換熱器為螺旋板式換熱器、平板式換熱器和板翅式換熱器中的一種。
專利摘要本實用新型提供管式高溫燃料電池耦合的離心式微小型燃氣輪機，沿轉動軸依次向后排列透平室、離心壓氣機和高速永磁電機；透平室內(nèi)裝離心式渦輪，固定在轉動軸上；透平室前部依次設置板式回熱器和板式換熱器，沿透平室圓周切線方向均勻布置燃盡室，燃盡室入口為管狀高溫燃料電池組；離心壓氣機出口與板式回熱器入口通過管道相連，燃燒室入口和板式回熱器出口通過管道相連，燃燒室出口正對離心式渦輪；高速永磁電機連接變頻系統(tǒng)，發(fā)電效率高、結構簡單、成本低，制造和裝配容易，維修和更換費用較低，便于移動。
文檔編號F02C3/08GK202946244SQ201220610989
公開日2013年5月22日 申請日期2012年11月16日 優(yōu)先權日2012年11月16日
發(fā)明者田原宇, 喬英云, 劉峰 申請人:中國石油大學(華東)