一種新型的立式太陽能熱氣流電站多級透平發電機組的制作方法

本發明涉及一種新型的立式太陽能熱氣流電站多級透平發電機組，它屬于熱能動力裝置領域。具體地說就是當空氣流經立式太陽能熱氣流電站中的立式太陽能煙囪后，吸收太陽熱能，并在熱壓作用下形成自下而上流動的熱氣流，因此該熱氣流就包含了熱能及動能，然后利用本發明所涉及的多級透平發電機組，將熱氣流中所具有的動能及熱能同時轉換成機械能，進而通過發電機轉換成電能，從而實現能量的轉換過程。

背景技術：

太陽能熱氣流電站系統的構想是在1978年首次提出的，并在之后吸引了大量國內外學者對其進行研究，該系統主要集熱棚、透平發電機組、煙囪以及蓄熱層四個主要部件構成，電站系統的基本運行原理為：當太陽光照射在透明或者半透明集熱棚時，輻射通過集熱棚加熱鋪設于底部的蓄熱層，使其溫度上升，形成“溫室效應”，從而加熱集熱棚內的空氣，導致空氣的密度下降，而建于集熱棚中心的高煙囪則起到類似于負壓管的作用，使煙囪的內部產生巨大抽吸力，導致集熱棚內的熱空氣不斷進入煙囪，這樣使得透平發電機組轉動開始向外輸出電能。在此基礎上，又出現了一種依托于城市高樓向陽面，集熱棚與煙囪合為一體的立式太陽能熱氣流發電系統，具有占地面積小、抗風抗震能力強且可以強化高層建筑內部自然通風的特點，適合在城市發展。

在太陽能熱氣流發電系統中，透平發電機組作為最重要的能量轉化機構，其能量轉化效率決定了整個系統的輸出功率，因此也吸引了大量國內外研究人員進行研究。在國外，許多研究人員開始對太陽能熱氣流電站系統中透平發電機組的具體結構形式以及影響其功率的因素進行了大量研究研究，并且對其進行理論分析，將大型風力透平發電機組廣泛應用于大型太陽能熱氣流電站系統中。在國內，部分高校和研究機構也對太陽能熱氣流電站的透平發電機組進行了研究，得到了一定的研究成果。歐陽穗根據螺旋槳原理對50kW的太陽能熱氣流電站設計了一種透平發電機組，采用單級軸流式四葉片透平，葉片直徑為10m，葉型為CLARK Y翼型，輸出功率為37kW，并在此基礎上對200MW的太陽能熱氣流電站透平發電機組進行了設計，該設計適用于只利用熱氣流動能的大型原始太陽能熱氣流電站。而立式太陽能熱氣流電站與原始太陽能熱氣流電站有很大不同，立式太陽能熱氣流電站屬于依托城市高樓南墻的微風量小型電站，需要同時對系統內熱氣流的熱能和動能進行利用，因此歐陽穗的設計不適用，需要重新對其進行設計。

所以本發明所提出的一種新型的立式太陽能熱氣流電站多級透平發電機組是一種與立式太陽能熱氣流電站系統相匹配的透平發電機組，可以提高該系統的發電效率，對本系統的推廣應用從而緩解城市中能源危機具有重要的意義。

技術實現要素：

本發明提供了一種新型的立式太陽能熱氣流電站多級透平發電機組，它可以將立式太陽能熱氣流電站系統中熱氣流所包含的動能及熱能同時轉換成機械能，可大幅提高立式太陽能熱氣流電站系統的能量轉換效率，對立式太陽能熱氣流電站系統的推廣具有重要意義。

為了達到解決上述技術方案的目的，本發明的技術方案是一種新型的立式太陽能熱氣流電站多級透平發電機組，該透平發電機組豎直放置在建筑物上方立式太陽能熱氣流電站的太陽能煙囪通道的頂端，主體結構主要由豎直通道、縮放型導流筒、第一級透平、第二級透平、透平固定支架、中心旋轉軸、調心球軸承、雙膜片聯軸器、十字滑塊聯軸器和發電機構成，縮放型導流筒固定在豎直通道內壁上，固定在中心旋轉軸上的兩級透平豎直放置于縮放型導流筒中，兩級透平間中心旋轉軸由雙膜片聯軸器連接，中心旋轉軸兩端由兩個調心球軸承固定在系統支架上，中心旋轉軸上端通過十字滑塊聯軸器與發電機連接，熱氣流在豎直通道內不斷上升，在縮放型導流筒漸縮段加速推動第一級透平旋轉，繼續上升在縮放型導流筒漸擴段膨脹降壓轉換成動能推動第二級葉片旋轉，將立式太陽能熱氣流電站產生的熱氣流中所包含的動能及熱能轉換為機械能，從而帶動發電機輸出電能，大幅提高了立式太陽能熱氣流電站系統的能量轉換效率。

在本發明中還具有以下技術特征：所述的縮放型導流筒漸縮段與中心軸的夾角為15°—30°，漸擴段與中心軸的夾角為4°—12°，入口截面、喉部截面及出口截面的面積之比為3：2：3，所述的兩級透平豎直放置于縮放型導流筒中，第一級葉片安裝在該縮放型導流筒的喉部截面，第二級葉片安裝在縮放型導流筒的出口截面，當熱氣流通過第一級葉片時，熱氣流中的部分動能轉換成機械能，流過透平發電機組第一級葉片的熱氣流通過縮放型導流罩的漸擴段后，熱氣流中所具有的熱能轉換成動能，可通過透平機組的第二級葉片進一步轉換成機械能。

在本發明中還具有以下技術特征：所述的第一級透平和第二級透平，兩級透平連體同軸同角速度旋轉，兩級透平間距為0.8m—1.2m，第一級透平與第二級透平的合理旋轉半徑比為0.7—0.875，這樣既可以保證兩級透平同角速度旋轉，又可以增大中心旋轉軸的輸出轉矩。

在本發明中還具有以下技術特征：所述的第一級透平，該級透平的旋轉半徑為0.3m—0.35m，葉片數目為6—9片(圖上為7葉片)，葉片與輪轂的最佳安裝角度范圍為22.28°—24.48°，第一級透平葉片翼型是瘦長形的，在其前部較厚且有小圓弧狀前緣，而其后部較薄且有一較尖的后緣，翼型上表面的前部曲率較大，后部曲率較小，最大厚度為弦長的12％—15％，最大厚度處距葉型前緣的距離是弦長的30％—35％，因此可以將熱氣流中所具有的動能轉換成機械能。

在本發明中還具有以下技術特征：所述的第二級透平，該級透平的旋轉半徑為0.4m—0.43m，葉片數目為7—9片(圖上為8葉片)，葉片與輪轂的最佳安裝角度范圍為25.27°—27.68°，第二級透平葉片翼型是瘦長形的，在其前部較厚且有小圓弧狀前緣，而其后部較薄且有一較尖的后緣，翼型上表面的前部曲率較大，后部曲率較小，最大厚度為弦長的12％—15％，最大厚度處距葉型前緣的距離是弦長的30％—35％，因此可以將熱氣流中熱能所轉換成的動能進一步轉換成機械能。

基于上述技術特征所構成的技術方案的優點在于：

1.該多級透平機組具有兩級葉片，可以將立式太陽能熱氣流電站系統中熱氣流所包含的熱能及動能有效地轉換成機械能。

2.所述透平機組垂直放置于一縮放型導流罩中，第一級葉片放置于該縮放型導流罩的喉部截面處，而第二級葉片的放置于漸擴段，并保證兩級葉片的角速度相同。

3.采用參數化設計原理對這種新型的立式太陽能熱氣流電站多級透平發電機組進行了設計，使該類型的透平機組能適應多種參數結構下的立式太陽能熱氣流電站系統。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細地描述.

圖1是本發明的一種新型的立式太陽能熱氣流電站多級透平發電機組整體結構示意圖；

圖2是本發明的第一級透平的俯視圖；

圖3是本發明的第二級透平的俯視圖；

圖4是本發明的兩級葉片的翼型圖；

1.豎直通道；2.縮放型導流罩；3.第一級透平；4.第二級透平；5.十字滑塊聯軸器；6.發電機；7.中心旋轉軸；8.調心球軸承；9.透平固定支架；10.雙膜片聯軸器

具體實施方式

本發明提供了一種新型的立式太陽能熱氣流電站多級透平發電機組，如圖1所示，該透平發電機組豎直放置在建筑物上方立式太陽能熱氣流電站的太陽能煙囪通道的頂端，縮放型導流筒2固定在豎直通道1的內壁上，兩級透平豎直放置于縮放型導流筒2中，第一級葉片3安裝在該縮放型導流筒的喉部截面，第二級葉片4安裝在縮放型導流筒的出口截面，兩級透平固定在中心旋轉軸7上，為避免兩級透平旋轉產生不同轉矩引起中心旋轉軸7的變形，兩級透平間中心旋轉軸7由雙膜片聯軸器10連接，中心旋轉軸7兩端由兩個調心球軸承8固定在透平固定支架9上，中心旋轉軸7上端通過十字滑塊聯軸器5與發電機6連接來保證最大輸出轉矩；空氣在立式太陽能熱氣流電站系統的太陽能煙囪通道中吸收太陽熱能后變成熱氣流，熱氣流通過豎直通道1下方入口進入縮放型導流筒2內，在其漸縮段內加速后推動第一級透平3旋轉，熱氣流繼續上升在其漸擴段膨脹降壓轉換為動能后推動第二級透平4旋轉，將立式太陽能熱氣流電站中產生的熱氣流中所包含的動能及熱能轉換為機械能，由中心旋轉軸7輸出轉矩從而帶動發電機輸出電能。

以上所述，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，并非是對本發明作其它形式的限制，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發明技術方案的保護范圍。