技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用流体发电的发电机， 特别涉及一种利用管道气或压缩天然 气发电的透平膨胀发电机。

背景技术

[0002] 在现有技术中， 有利用管道气推动透平继而带动发电机发电的 技术。 在这种现 有技术中， 透平设置在封闭壳体内， 这个封闭壳体的入口和出口与上游管道和 下游管道连接。 发电机设置在壳体外部， 通过转轴与透平连接进行发电。 由于 管道内与管道外的巨大压力差， 因此在封闭壳体与转轴连接处， 有管道气泄漏 的风险。 本申请人为改进此缺点， 曾提出过一种减压膨胀透平发电机组， 其发 电机也位于壳体内， 因此消除了贯穿壳体的转轴， 且在管道内设置阀芯以调节 进气流量， 获得了良好效果。 但经过不断研发， 申请人认为之前提出的减压膨 胀透平发电机组还有可改进之处， 以提高电机性能。

技术问题

[0003] 有鉴于此， 本发明提出一种可解决上述问题的透平膨胀发 电机。

问题的解决方案

技术解决方案

[0004] 本发明提供的透平膨胀发电机包括外壳以及容 置在所述外壳内的透平和发电机 。 所述外壳包括外壳主体， 所述外壳主体呈中空柱状， 具有用于进气的第一端 和排气的第二端， 所述外壳主体在其第二端的端面上设有环形凹 陷， 所述外壳 主体对应所述凹陷的部分相比所述外壳主体的 中段具有增大的外径。 所述发电 机包括一转轴。 所述透平安装在所述转轴上， 所述透平在径向上与所述凹陷对 应， 所述透平外周环设一环形件， 所述环形件与所述透平之间形成工质做功通 道， 所述环形件与所述外壳主体之间具有一径向间 隔。

[0005] 在一实施例中， 所述环形件包括环形部和环形连接部， 所述环形部与所述透平 对应， 在工质流向上， 所述环形连接部位于所述环形部的上游。 [0006] 在一实施例中， 所述透平包括导向器和动叶， 所述导向器相对于所述环形件固 定， 所述动叶与所述环形件间隔一间隙以使得所述 动叶能相对于所述环形件旋 转。

[0007] 在一实施例中， 所述发电机包括发电机机壳以及设置在所述发 电机机壳内的转 子和定子， 所述转子包括所述转轴以及固定在所述转轴上 的永磁极， 所述定子 包括安装在所述发电机机壳内表面的定子绕组 ， 所述定子绕组与所述转子之间 形成气隙， 所述发电机机壳与所述外壳主体之间在径向上 隔幵以形成工质流道 ， 所述工质流道与所述工质做功通道连通， 所述环形连接部靠近所述工质流道 的一端的内表面与所述工质流道的径向外侧平 齐。

[0008] 在一实施例中， 所述发电机包括一法兰， 所述定位于所述凹陷内， 所述环形连 接部靠近所述工质流道的所述端抵靠在所述法 兰上， 所述法兰安装有一轴承， 所述轴承可转动地支撑所述转轴， 所述法兰上固定安装有一端盖， 在轴向上所 述端盖位于所述法兰和所述透平之间， 在径向上所述端盖与所述环形连接部对 应， 所述端盖的径向外端设有一过渡面， 所述过渡面与所述环形连接部之间形 成过渡通道， 所述过渡通道连通所述工质流道和所述工质做 功通道， 所述过渡 面的轴向一侧与所述工质流道的径向内侧平齐 ， 所述过渡面的轴向另一侧与所 述透平的轮盘的径向外端平齐。

[0009] 在一实施例中， 沿所述工质流向方向上， 所述端盖的外径渐缩， 所述环形连接 部的内径渐缩， 以使得所述过渡通道是均匀的。

[0010] 在一实施例中， 所述外壳主体的第二端的端面上固定安装一端 板， 所述端板抵 靠所述环形件的环形部的端部使得所述环形件 定位于所述法兰和所述端板之间

[0011] 在一实施例中， 所述外壳包括工质入口部和工质出口部， 所述工质入口部安装 至所述外壳主体的第一端， 所述工质入口部具有第一内腔， 所述工质出口部安 装在所述外壳主体的第二端， 所述工质出口部具有第二内腔。

[0012] 在一实施例中， 所述工质入口部包括第一锥形部和第一连接部 ， 所述第一连接 部用以与一上游管道连接， 所述第一连接部的端部具有一工质入口， 所述第一 锥形部固定安装至所述外壳主体第一端， 所述第一锥形部的内径在气流行进方 向上渐扩， 所述工质出口部包括第二锥形部和第二连接部 ， 所述第二连接部用 以与一下游管道连接， 所述第二连接部的端部具有一工质出口， 所述第二锥形 部固定安装在所述外壳主体第二端的端板上， 所述第二锥形部的内径沿气流行 径方向上渐缩， 所述工质入口的孔径小于所述工质出口的孔径 。

[0013] 在一实施例中， 所述第一法兰上固定安装第一导流锥， 所述第一导流锥位于所 述第一内腔内， 所述第一导流锥的外径在气流行进方向上渐扩 ， 所述第一锥形 部的内表面与所述第一导流锥的外表面之间形 成一工质入口通道， 所述工质入 口通道与所述工质流道连通， 所述端板上固定安装第二导流锥， 所述第二导流 锥位于所述第二内腔内， 所述第二导流锥的外径在气流行进方向上渐缩 ， 所述 第二导流锥的外表面与所述第二锥形部的内表 面之间形成一工质排放通道， 所 述工质排放通道与所述工质做功通道连通。

发明的有益效果

有益效果

[0014] 综上所述， 本发明提供了一种透平膨胀发电机， 其主要运动部件都设置在外壳 内部， 因此管道气泄漏的问题得以解决。 而且， 在施工现场， 只需要将外壳的 工质入口部和工质出口部与上下游管道连接即 可， 因此本发明采用模块化安装 ， 施工容易。 外壳主体两端分别设置法兰， 法兰上设置轴承以对转轴及安装在 转轴上的发电机和透平加以支撑固定， 加强结构稳固性， 保证发电机的稳定运 行。 在工质入口部和工质出口部分别设置一导流锥 ， 导流锥分别固定在法兰和 端板上以对入口处和出口处的工质气流进行弓 I导， 保证工质稳定地流入和流出 ， 不会出现气流紊乱， 提高发电机运行稳定性。 此外， 外壳主体的一端端面设 有凹陷， 透平安装在凹陷内， 凹陷内设有环形件， 环形件与透平之间形成工质 做功通道， 外壳主体对应该凹陷的部分相比外壳中段具有 增大的外径， 而环形 件与外壳主体之间具有径向间隔， 这样设计可使得该透平膨胀发电机可根据实 际需求更换不同型号的透平， 且可通过更换适合的环形件以在保持机组主体 设 计的情况下实现不同的性能参数。

对附图的简要说明

附图说明 [0015] 图 1是透平膨胀发电机的一个实施例的简化示意� �。

[0016] 图 2是图 1中透平膨胀发电机的外壳的简化示意图。

[0017] 图 3是图 1中透平膨胀发电机的发电机和透平部分的简� �示意图。

本发明的实施方式

[0018] 在详细描述实施例之前， 应该理解的是， 本发明不限于本申请中下文或附图中 所描述的详细结构或元件排布。 本发明可为其它方式实现的实施例。 而且， 应 当理解， 本文所使用的措辞及术语仅仅用作描述用途， 不应作限定性解释。 本 文所使用的"包括"、 "包含"、 "具有"等类似措辞意为包含其后所列出之事项� �� 其 等同物及其它附加事项。 特别是， 当描述 "一个某元件 "吋， 本发明并不限定该元 件的数量为一个， 也可以包括多个。

[0019] 如图 1-3所示， 本发明提供一种透平膨胀发电机 10， 包括外壳 12、 透平 14、 发 电机 16。 发电机 16和透平 14都设置在外壳 12内， 且发电机 16与透平 14驱动连接 ， 从管道气流向看， 透平 14设置在发电机 16下游。 这样， 进入外壳 12的管道气 ， 例如液化气， 天然气等推动透平 14旋转， 继而驱动发电机 16进行发电。 由于 发电机 16位于外壳 12内的管道气中， 因此可以利用管道气对发电机 16进行散热 。 在管道气传输过程中， 温度也是一个需要维持在预定范围内的参数。 在一些 低温环境下， 经常需要对传输中的管道气进行加温。 发电机 16的热量刚好可以 用以对管道气进行加温或者为管道气加热至预 定温度提供部分热量。

[0020] 外壳 12包括基本呈圆柱形的外壳主体 18以及与外壳主体 18连接的工质入口部 20 和工质出口部 22。 本文中， 工质即为进入外壳 12内的液化气、 压缩天然气等在 透平 14上做功的气体。 具体来说， 外壳主体 18呈中空柱状， 具有相反的第一端 2 4和第二端 26。 工质入口部 20固定安装至外壳主体 18的第一端 24， 例如螺栓固定 。 工质出口部 22安装在外壳主体 18的第二端 26， 例如螺栓固定。

[0021] 在所示的实施例中， 外壳主体 18在其第一端 24的端面上设有第一凹陷 28， 外壳 主体 18在其第二端 26的端面上设有第二凹陷 30。 从轴向上看， 第一凹陷 28和第 二凹陷 30皆呈圆形。

[0022] 发电机 16包括第一法兰 32和第二法兰 34， 第一法兰 32安装在外壳主体 18的第一 端 24的第一凹陷 28内， 且第一法兰 32上固定安装有第一轴承 36; 第二法兰 34安 装在外壳主体 18的第二端 26的第二凹陷 30内， 且第二法兰 34上固定安装有第二 轴承 38。 第一法兰 32与第二法兰 34平行且间隔一段距离， 第一轴承 36的中心和 第二轴承 38的中心都位于外壳主体的轴线上。

[0023] 发电机 16还包括发电机机壳 46以及设置在发电机机壳 46内的转子和定子。 发电 机机壳 46固定在第一法兰 32和第二法兰 34之间， 发电机机壳 46与外壳主体 18之 间在径向上隔幵以形成工质流道 52。

[0024] 转子包括可旋转地支撑在第一轴承 36和第二轴承 38上的转轴 40， 以及固定在转 轴 40上的永磁极 42。 在本实施例中， 永磁极 42为沿轴向布置的若干个永磁体形 成。 在其它实施例中， 永磁极 42也可以是被周向磁化成间隔 N和 S极的环形磁体 形成。 转轴 40穿出第二法兰 34的第二轴承 38形成一转轴延伸段 44， 透平 14安装 在转轴延伸段 44上以随转轴 40旋转。

[0025] 定子包括安装在发电机机壳 46内表面的定子绕组 48。 定子绕组 48环绕转子径向 外侧并与转子之间形成气隙 50， 从而允许转子相对于定子的转动。

[0026] 在所示的实施例中， 透平 14安装在第二凹陷 30内。 外壳主体 18对应第二凹陷 30 的部分相比外壳 12的中段具有增大的外径， 也即第二凹陷 30对应的外壳主体 18 部分的内径大于发电机机壳 46对应的外壳主体 18部分的内径。 这样的设计使得 透平具有可根据实际需求更换不同型号的条件 ， 而且可以通过更换与透平 14配 合的其他配件， 如环形件 （将在后面描述） 的型号以在保持机组主体设计的情 况下实现不同的性能参数。

[0027] 外壳主体 18第二端 26的端面上固定安装一端板 54。 透平 14在径向上与第二凹陷 30对应， 透平 14外周环设一环形件 56， 环形件 56固定连接在端板 54与第二法兰 3 4之间。 应当指出的是， 在轴向上， 环形件 56定位于第二法兰 34和端板 54之间。 环形件 56—端固定在外壳主体 18第二端 26的端面的端板 54上， 另一端固定连接 在第二法兰 34上， 因此环形件 56对于第二法兰 34在轴向上具有限位的作用。

[0028] 在所示的实施例中， 环形件 56包括一体成型的环形部 58和环形连接部 60。 在工 质流向上， 环形连接部 60位于环形部 58上游。 环形部 58与透平 14对应， 环绕在 透平 14外周， 使得环形件 56与透平 14之间形成工质做功通道 78， 工质做功通道 7 8与工质流道 52连通。 所述环形连接部 60靠近所述工质流道的一端的内表面与工 质流道 52的径向外侧平齐。

[0029] 在环形件 56的环形连接部 60对应的径向方向上， 也即第二法兰 34与透平 14之间 具有一空间， 经过工质流道 52的工质可能会流向该空间， 这样会降低经过透平 1 4的工质的压力， 也会产生紊流， 从而降低透平 14的工作效率。 为了避免这一现 象， 在所示的实施例中， 第二法兰 34面向透平 14的一侧固定安装一端盖 80， 端 盖 80的径向外端设有一过渡面 82， 过渡面 82的轴向一侧与工质流道 52的径向内 侧平齐， 过渡面 82的轴向另一侧与透平 14的轮盘的径向外端平齐。 过渡面 82与 环形连接部 60间隔并正对， 从而在过渡面 82与环形连接部 60之间形成一过渡通 道， 该过渡通道连通工质流道 52和工质做功通道 78。 本实施例中， 环形连接部 6 0的内表面为流线型表面， 环形连接部 60的内径沿工质流向方向渐缩， 与之对应 地， 端盖 80的外径沿工质流向方向也是渐缩的， 使得环形连接部 60与过渡面 82 之间的过渡通道是均匀的， 以保证经过流体通道 52和过渡通道进入工质做功通 道 78的工质的流量稳定性。

[0030] 如图 1所示， 环形件 56与外壳主体之间具有一径向间隔 d。 如果更换的透平的直 径增加， 则环形件 56也应具有增大的直径， 因此在外壳主体不变的情况下， 环 形件 56会更靠近外壳主体内壁面， 该径向间隔 d会减小。 换句话说， 由于外壳主 体 18对应第二凹陷 30的部分具有增大的外径， 使得第二凹陷 30可具有较大的直 径， 为更换透平等部件提供了条件。

[0031] 应当理解的是， 当环形件 56更换型号吋， 例如更换为环形连接部 60的内径沿工 质流向方向渐扩， 端盖 80也随之更换为端盖 80的外径沿工质流向方向渐扩， 以 保证过渡通道的稳定性。

[0032] 应当理解的是， 本实施例中， 环形部 58与环形连接部 60为一体成型的， 在其他 实施例中， 环形部 58与环形连接部 60也可以其他方式固定连接， 例如焊接， 本 发明不对此限定。

[0033] 也应当理解的是， 本实施例中， 环形连接部 60的内径沿工质流向方向渐缩， 本 发明对此并不限定， 当透平 14选用其他型号吋， 环形件 56也需更换成与之相配 的其它型号， 以保证工质行进通道的稳定。 例如， 如果透平的直径增加， 此吋 ， 环形连接部 60的内径沿工质流向方向也可以是不变的， 或者是渐扩的。

[0034] 透平 14可包括一级或多级透平， 每一级透平包括导向器和动叶， 其中导向器固 定至环形部 58， 动叶固定至转轴延伸段 44以在工质的推动作用下绕一旋转轴转 动。 本实施例中， 透平 14设有两级， 一级透平包括第一级导向器 62和第一级动 叶 64， 第一级导向器 62包括第一轮盘 66及固定连接在第一轮盘 66径向外端的导 向部 68， 第一级动叶 64包括第二轮盘 70及固定连接在第二轮盘 70径向外端的叶 片 72; 二级透平包括第二级导向器 74和第二级动叶 76， 第二级导向器 74包括第 一轮盘 66及固定连接在第一轮盘 66径向外端的导向部 68， 第二级动叶 76包括第 二轮盘 70及固定连接在第二轮盘 70径向外端的叶片 72。 其中， 第一级导向器 62 和第二级导向器 74与环形件 56固定连接并设有供转轴穿过的中心孔， 即第一级 导向器 62的导向部 68和第二级导向器 74的导向部 68与环形件 56的环形部 58固定 连接， 例如第一级导向器 62的导向部 68和第二级导向器 74的导向部 68的外圈焊 接或以其他方式固定至环形部 58的内圆表面。 第一级动叶 64和第二级动叶 76的 第二轮盘 70固定连接至转轴延伸段 44， 第一级动叶 64和第二级动叶 76的叶片 72 的叶尖均与环形部 ₅₈ 间隔一间隙， 使得第一级动叶 64和第二级动叶 76能相对于 环形部 58旋转。

[0035] 在其他实施例中， 根据实际需要， 透平 14可以仅设置一级或多于两级。

[0036] 工质经由工质流道 52和工质做功通道 78， 在对应的导向器 62， 74的导向作用下

， 推动对应的动叶 64， 76旋转， 带动转子转动， 发出电力。 发出的电力可通过 电线等导电结构输出至外壳 12之外。 工质流过发电机机壳 46吋， 对安装其内的 发电机部件， 如定子绕组 48进行散热。

[0037] 上述发电机可以使用在管道气门站 （如城市门站） 中。 在这里， 上游来气的压 力在经过透平膨胀之后被降低。

[0038] 工质入口部 20安装至外壳主体 18的第一端 24， 具有第一内腔 84。 工质出口部 22 安装在外壳主体 18的第二端 26， 具有第二内腔 86。

[0039] 在所示的实施例中， 工质入口部 20包括第一连接部 88和第一锥形部 90。 第一连 接部 88用以与一上游管道连接， 第一连接部 88的端部具有一工质入口 92， 第一 锥形部 90固定安装至外壳主体 18的第一端 24， 第一锥形部 90的内径在气流行进 方向上渐扩。 第一导流锥 94安装在第一法兰 32上并位于第一内腔 84内， 第一导 流锥 94的外径在气流行进方向上渐扩， 第一锥形部 90的内表面与第一导流锥 94 的外表面之间形成均匀的工质入口部通道 96， 工质入口部通道 96与工质流道 52 连通。

[0040] 本实施例中， 第一法兰 32安装在外壳主体 18第一端 24形成的第一凹陷 28内， 第 一锥形部 90固定安装至外壳主体 18第一端 24， 第一锥形部 90的端面抵触在第一 法兰 32的侧面上， 因此第一锥形部 90对于第一法兰 32在轴向上具有一支撑固定 的作用。

[0041] 工质出口部 22包括第二连接部 98和第二锥形部 100。 第二连接部 98用以与一下 游管道连接， 以向下游输出膨胀后的工质。 第二连接部 98的端部具有一工质出 口 102， 工质入口 92的孔径小于工质出口 102的孔径。 第二锥形部 100固定安装在 外壳主体 18的第二端 26， 具体来说， 第二锥形部 100固定安装在端板 54上， 第二 锥形部 100的内径沿气流行进方向上渐缩。 端板 54上固定安装一第二导流锥 104 ， 第二导流锥 104位于第二内腔 86内， 第二导流锥 104的外径沿气流行进方向上 渐缩， 第二导流锥 104的外表面与第二锥形部 100的内表面之间形成均匀的工质 排放通道 106， 工质排放通道 106与工质做功通道 78连通。

[0042] 在一些实施例中， 工质入口部通道 96、 工质流道 52、 过渡通道、 工质做功通道 78、 工质排放通道 106的截面积实质上相同。 在一些实施例中， 上游管道、 下游 管道与工质入口部通道 96、 工质流道 52、 工质做功通道 78、 工质排放通道 106的 截面积实质上相同。 保持相同截面积， 可以尽量防止工质在进入透平 14前发生 膨胀， 从而提高发电机的发电效率。 此外， 也可以保证经透平膨胀后的工质在 输出吋具有一定压力， 保证工质稳定地流入和流出， 提高发电机运行的稳定性

[0043] 在上述实施例中， 外壳具有第一和第二凹陷， 发电机具有第一和第二法兰， 第 一法兰和第二法兰安装在对应的凹陷中从而将 发电机定位。 法兰的数量可以只 有一个或多个， 例如只在第二端设有法兰， 而第一端采用其他方式定位。 可以 理解的， 发电机定位也可以不采用法兰， 而采用其他任何适当的方式定位。

[0044] 综上所述， 本发明提供了一种透平膨胀发电机， 其主要运动部件都设置在外壳 内部， 因此管道气泄漏的问题得以解决。 而且， 在施工现场， 只需要将外壳的 工质入口部和工质出口部与上下游管道连接即 可， 因此本发明采用模块化安装 ， 施工容易。 外壳主体两端分别设置法兰， 法兰上设置轴承以对转轴及安装在 转轴上的发电机和透平加以支撑固定， 加强结构稳固性， 保证发电机的稳定运 行。 在工质入口部和工质出口部分别设置一导流锥 ， 导流锥分别固定在法兰和 端板上以对入口处和出口处的工质气流进行弓 I导， 保证工质稳定地流入和流出

， 不会出现气流紊乱， 提高发电机运行稳定性。 此外， 外壳主体的一端端面设 有凹陷， 透平安装在凹陷内， 凹陷内设有环形件， 环形件与外壳主体之间具有 一径向间隔， 环形件与透平之间形成工质做功通道， 外壳主体对应该凹陷的部 分相比外壳中段具有增大的外径， 而环形件与外壳主体之间具有径向间隔， 这 样设计可使得该透平膨胀发电机可根据实际需 求更换不同型号的透平， 且可通 过更换适合的环形件以在保持机组主体设计的 情况下实现不同的性能参数。 本文所描述的概念在不偏离其精神和特性的情 况下可以实施成其它形式。 所公 幵的具体实施例应被视为例示性而不是限制性 的。 因此， 本发明的范围是由所 附的权利要求， 而不是根据之前的这些描述进行确定。 在权利要求的字面意义 及等同范围内的任何改变都应属于这些权利要 求的范围。