技术领域
[0001] 本
发明涉及一种超高速特斯拉涡轮
泵式
煤油发电机，具体涉及一种电静压伺服系统
能源用的高转速大流量的特斯拉涡轮式发电机，能够将高速
流体的剪切
力转换成
旋转机构的所需的机械能，并最终实现向
电能的转换。
背景技术
[0002] 特斯拉
涡轮泵是一种应用流体
边界层效应，而非传统的是采用流体直接冲击涡轮
叶片，流体受黏滞力影响，会在管壁或者其它物体边缘形成一层很薄的边界层，在边界层内，固定表面的流速为零，离表面越远速度越大。利用这个效应就可以让高速运动的液体带动一组圆盘转动。它的效率比普通的叶片
涡轮机高得多。
[0003] 现有特斯拉涡轮泵应用
蒸汽或燃气作为工作介质，多为能源消耗式利用方式。比如
专利号CN109162811A的一种
燃气轮机发电机及控制方法，其结构采用内置
增压结构的
压气机和
燃料燃烧室，将产生燃气通过
喷嘴装置对燃气进行增速，进而驱动特斯拉涡轮机旋转，且能源介质为消耗式且不可重复利用，结构较为复杂，可靠性影响因素多。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于：克服
现有技术的不足，提出一种超高转速大流量特斯拉涡轮泵式煤油发电机，能够利用流体的粘性将流体的剪切力转
化成泵
转子旋转的机械能，实现向电能的转化，但发电的同时，并不需要额外的能源消耗，仅仅利用火箭煤油
发动机的工作介质即可实现发电，且可以循环使用。
[0005] 本发明采用的技术方案为：
[0006] 一种超高速特斯拉涡轮泵式煤油发电机，包括高速发电机、特斯拉涡轮泵、大流量
过滤器、
导管组件以及引流煤油管接嘴；
[0007] 所述高速发电机底面具有平面安装支座圆柱体结构，其上安装有
电连接器及用于监测发电机转速的转速
传感器；高速发电机和大流量过滤器位于特斯拉涡轮泵的两侧，引流煤油管接嘴固定安装在特斯拉涡轮泵的壳体上，且通过导管组件与高速发电机的后端盖连接；从引流煤油管接嘴进入的高压煤油分为两路，一路通过导管组件进入高速发电机的后端盖，对后侧的
轴承进行润滑
散热，润滑散热后的煤油流入大流量过滤器；
[0008] 另一路直接进入特斯拉涡轮泵内部，驱动特斯拉涡轮泵旋转做功，进而驱动高速发电机同步旋转发电，通过电连接器输出；进入特斯拉涡轮泵的高压煤油最终流入大流量过滤器，大流量过滤器对进入其中的煤油进行过滤后，煤油返回火箭煤油发动机循环利用。
[0009] 进一步的，特斯拉涡轮泵的转子组件通过多个
转子叶片叠放而成，相邻转子叶片之间加装调整
垫片用于调整间距；
[0010] 在转子叶片的靠近边缘处、沿圆周均匀设置有轴向通孔，该轴向通孔中加装连接销钉，用于增强特斯拉涡轮转子叶片的强度。
[0011] 进一步的，特斯拉涡轮泵的转子叶片上还设置有第一出油孔和第二出油孔；用于驱使特斯拉涡轮旋转做功的煤油，在特斯拉涡轮泵做功后通过第一出油孔回流到大流量过滤器中，同时，做功后的煤油还通过第二出油孔喷出，对高速发电机的前侧轴承进行润滑散热。
[0012] 进一步的，从引流煤油管接嘴进入的高压煤油为火箭煤油发动机喷射出的高压煤油，其压力值范围为30MPa～35MPa。
[0013] 进一步的，导管组件包括导管和阻尼结构，阻尼结构设置在进入高速发电机的后端盖之前，将高压煤油转化为低压煤油后送入高速发电机后端盖内，对后侧的轴承进行润滑散热。
[0014] 进一步的，高速发电机采用实心转子结构以及无槽
定子结构形式，定子绕组选择杯形形式，定子绕组在
铁心内表面完成绕制后，进行整体式灌封成型。
[0015] 进一步的，高速发电机转子轴通过如下方式实现：
[0016] (1)将左轴段、圆柱磁
钢、右轴段利用胶粘剂在
接触面处粘接一起，保留加工余量，粘接后将外圆磨削成要求尺寸；
[0017] (2)将
合金护套热装在上述整体外圆上，保证过盈量；
[0018] (3)对合金护套与轴段连接处进行
焊接处理，采用激光焊；
[0019] (4)对轴段的轴承安装
位置圆柱面进行精加工，确保
同轴度和表面
质量；
[0020] (5)对磁钢充磁，形成转子轴整体。
[0021] 进一步的，所述大流量过滤器是一个金属圆柱体结构且通过
螺纹与特斯拉涡轮泵的
泵壳体连接，大流量过滤器、高速发电机和特斯拉涡轮泵位于同一轴向方向上，密封采用径向密封。
[0022] 进一步的，高速发电机的
外壳内设置有流道，对后侧的轴承进行润滑散热后的煤油通过该流道最终流回大流量过滤器内，实现对高速发电机的散热。
[0023] 进一步的，特斯拉涡轮泵的转子组件叶片厚度30-40微米，叶片外径 30-40mm，叶片数20-50片。
[0024] 进一步的，引流的
火箭发动机高压高速煤油驱动特斯拉涡轮泵高速旋转，带动高速发电机同步转动，转速为60000～90000rpm，优选为70000 rpm。
[0025] 进一步的，大流量过滤器的承受流量为150L/min，压力为5Mpa。
[0026] 本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0027] (1)本发明超高速特斯拉涡轮泵式煤油发电机本身不消耗能源
[0028] 直接采用引流火箭发动机高压高速煤油作为工作介质，将作用在转子叶片上的流体剪切力转化为供外输出的旋转机械能，驱动高速发电机同步旋转进行发电，不需要额外的增压装置，利用完的煤油经大流量过滤器过滤后，重新回到火箭煤油发动机进行二次利用，实现对现有高压液体
能量的开发循环利用，本身不消耗能源。
[0029] (2)特斯拉涡轮泵和高速发电机一体化设计
[0030] 高速发电机转子轴与特斯拉涡轮泵转子组件轴通过
螺纹连接(旋转方向与螺纹拧紧方向相同)的形式连接；油路设计采用一个进油口和一个出油口，壳体之间的连接采用螺钉连接，其密封结构采用机械密封、端面密封以及径向密封，对外流体
接口只有引流煤油入口和过滤器出口，密封结构可靠，整体结构紧凑。
[0031] (3)特斯拉涡轮泵转子组件结构
[0032] 特斯拉涡轮泵转子叶片采用
叠加形式，为了有效地控制叶片之间的间距，在叶片之间加装调整垫片用于调整间距。在叶片外缘处加装连接销钉，用于增加叶片的强度。叶片安装时，一侧利用轴肩
定位，另一侧利用轴套定位，安装简单。
[0033] (4)高速发电机实心转子结构
[0034] 考虑转子结构的工艺复杂性和高频带来的不良影响，为了实现实心磁钢的结构方案，选择为2极。转子结构中选用最为普遍的表贴式结构，
永磁体贴于轴的表面，并由
过盈配合的
复合材料或合金护套保护。
[0035] (5)轴承散热结构
[0036] 两侧轴承的散热通道分别由引流煤油管接嘴将引流的高压高速煤油一分为二，一路用于驱动特斯拉涡轮旋转做功，后对前侧轴承进行润滑散热；另一路由导管组件引流小股油液经阻尼结构转化为低压油液，用于对后侧轴承的润滑散热。
[0037] (6)无槽定子结构
[0038] 定子结构形式可分为少槽型、多槽型和无槽型。针对电机高速旋转时，定子
齿槽会增大转子中的
涡流损耗，而转子散热又非常困难。该发电机结构采用无槽定子结构。定子绕组选择杯形形式，定子绕组在铁心内表面完成绕制后，进行整体式灌封成型，提升结构强度和绝缘等。
[0039] (7)机械密封结构设计
[0040] 为满足超高速运转的要求，静环座材料为
不锈钢1Cr8Ni9Ti，
石墨环材料为M238H，静环座与石墨环通过环
氧树脂及
固化剂粘接成一体。动环材料为
高温合金GH4141，摩擦面进行
离子注入氮处理。
附图说明
[0041] 图1特斯拉涡轮泵式煤油发电机系统工作原理图
[0042] 图2特斯拉涡轮泵式煤油发电机外形图
[0043] 图3为特斯拉涡轮泵式煤油发电机剖视图一；
[0044] 图4为特斯拉涡轮泵式煤油发电机剖视图二；
[0045] 图5为发电机壳体结构图，其中，图5a为发电机壳体结构剖视图一，图5b为发电机壳体结构剖视图二
[0046] 图6为发电机定子组件结构图
[0047] 图7为发电机转子组件结构图
[0048] 图8为联接座结构图
[0049] 图9为机械密封结构图
[0050] 图10为泵壳体结构图，其中，图10a为泵壳体结构剖视图一，图10b为泵壳体结构剖视图二
[0051] 图11泵前盖结构图
[0052] 图12特斯拉涡轮泵转子组件结构图，其中，图12a为特斯拉涡轮泵转子组件结构图一，图12b为特斯拉涡轮泵转子组件剖视图二，图12c特斯拉涡轮泵转子组件结构图三[0053] 图13管路阻尼结构图
[0054] 图14通油销结构图
[0055] 图15为搭建的三相桥式整流
电路模型示意图；
[0056] 图16为发电机空载直流
电压波形示意图；
[0057] 图17为发电机带载直流电压波形示意图；
[0058] 其中：1发电机；2特斯拉涡轮泵；3大流量过滤器；4导管组件；5引流煤油管接嘴；10发电机壳体；11定子组件；12转子组件；13
转速传感器；14发电机后端盖；15-1后侧轴承；15-2前侧轴承；15-3波形
弹簧； 16联接座；17发电机前端盖；18电连接器；19机械密封；20引流煤油管接嘴入口；21泵壳体；22泵前盖；23泵转子组件；24密封环；25长螺钉； 26螺钉；27螺钉；28螺钉；29螺钉；30过滤器壳体；31
滤芯；32过滤器出口；41阻尼；42管接嘴；43导管；44外套
螺母45球头；60通油销；61螺纹堵；62密封堵；101内部油道；102平
键槽；103
螺纹孔；104通油孔；105电连接器安装孔；106螺纹孔；111止动平键；
[0059] 112无槽铁芯；113灌封绕组；121左轴段；122圆柱磁钢；123右轴段； 124合金护套；161螺纹孔；162内部通油孔；163密封槽；164光孔； 191静环座192石墨环；193弹簧；194动环；211螺纹孔；212出油孔；213密封面；214密封面；215光孔；216内部通油孔；217端面密封槽；218内部通油孔；221通油孔；222光孔；223密封槽；231 泵轴；232调整垫片233转子叶片；
234轴套；235连接销钉；236第一出油孔；237第二出油孔；411阻尼孔；601密封槽具体实施方式
[0060] 超高速特斯拉涡轮式煤油发电机是电静压伺服系统能源中的核心能源装置，具体来说，就是该装置利用液体火箭发动机中引流的高压煤油驱动特斯拉涡轮高速旋转，并将力传递到发电机，使高速发电机进行工作，最终实现向电能的转换，为电静压伺服系统提供电源
[0061] 超高速特斯拉涡轮泵煤油发电机主要由特斯拉涡轮泵、发电机等部件组成。根据特斯拉涡轮泵的工作原理，特斯拉涡轮泵可以实现高转速下运行，具备可以保证系统功率的输出。如图1所示，结构设计思路为：引流高压煤油，作用在转子叶片上，将流体作用于叶片的流体剪切力转化输出机械能，驱动发电机进行发电，并通过整流单元将其产生的
电流、电压转换成可供伺服机构使用的电源。
[0062] 如图2、图3、图4所示，本发明提出了一种超高速特斯拉涡轮泵式煤油发电机，包括高速发电机1、特斯拉涡轮泵2、大流量过滤器3、导管组件4以及引流煤油管接嘴5。高速发电机1与特斯拉涡轮泵2通过联接座 16相连，联接座16起到
支撑泵轴承及连接发电机前端盖17的作用，特斯拉涡轮泵壳体21、联接座16及发电机壳体10通过长螺钉25将光孔215、光孔
164与发电机壳体10上的螺钉孔106相连，特斯拉涡轮泵转子组件 23与发电机转子组件12通过螺纹连接。
[0063] 所述高速发电机1底面具有平面安装支座圆柱体结构，其上安装有电连接器18及用于监测发电机转速的转速传感器13；高速发电机1和大流量过滤器3位于特斯拉涡轮泵2的两侧，引流煤油管接嘴5固定安装在特斯拉涡轮泵2的壳体上，特斯拉涡轮泵2的壳体如图5a、5b所示。且通过导管组件4与高速发电机1的后端盖连接；从引流煤油管接嘴5经引流煤油管接嘴管接嘴入口20进入的高压煤油分为两路，一路通过导管组件4进入高速发电机1的后端盖，经过导管43、球头45、管接嘴42、阻尼41上阻尼孔411 后变成低压煤油，球头45和管接嘴42通过外套螺母44螺纹连接，如图13 所示，对后侧的轴承15-1进行润滑散热，后经发电机壳体10内部油道101、通油销60、泵壳体21内部油道219，最终回到大流量过滤器3，如图
4所示。通油销60可以将泵壳体内部通油孔216、联接座光孔164及电机壳体通油孔104相连，油路连接处密封采用径向密封槽601加
密封圈结构，如图14所示。
[0064] 另一路直接进入特斯拉涡轮泵2壳体21内部，作用于泵转子组件23，驱动特斯拉涡轮泵2旋转做功，进而驱动高速发电机1同步旋转发电，通过电连接器18输出，电连接器18通过螺钉29安装在发电机壳体10的电连接器安装孔105上。做功后煤油经特斯拉涡轮泵转子组件23的第二出油孔 237喷出经泵壳体21上的出油孔212流入密封环24与联接座16之间存在微小的环形缝隙，对前侧轴承15-2进行润滑散热，最终油液经联接座内部通油孔162和泵壳体内部通油孔218，最终流入大流量过滤器3，如图4所示。其中螺纹堵61和密封堵62将联接座内部通油孔162对外密封。联接座16与泵壳体21两者内部油道的无
泄漏联接是通过端面密封槽217结构实现。
[0065] 另外，特斯拉涡轮转子第一出油孔236排出的油液直接可由泵前盖22 上的通油孔221流回大流量过滤器3，如图4所示。
[0066] 上述三路油液最终经过滤器滤芯31过滤后，由滤器出口32流回发动机循环使用，如图4所示。过滤器壳体30通过与泵壳体21通过螺纹连接，密封采用径向密封结构。
[0067] 进一步的，如图12a、12b、12c所示，特斯拉涡轮泵2的转子组件23 通过多个转子叶片233叠放而成，相邻转子叶片233之间加装调整垫片232 用于调整间距；
[0068] 在转子叶片233的靠近边缘处、沿圆周均匀设置有轴向通孔，该轴向通孔中加装连接销钉235，用于增强特斯拉涡轮转子叶片233的强度。在轴与叶片组件叶片、调整垫片和连接销钉组合体安装的圆周接触面进行滚花处理，并采用过盈压装的方式将叶片组件与轴肩贴合装配，叶片组件另一侧采用轴套 234与泵轴231过盈压装进行定位，如图12所示。
[0069] 其中，如图8、图11所示，泵前盖22通过螺钉26将光孔222与泵壳体21上螺纹孔211连接，其密封是通过密封槽223与密封面214的径向密封结构实现。如图10a、10b所示，泵壳体21与联接座16之间的密封是通过密封面213与密封槽163的径向密封实现。发电机前端盖17通过螺钉 27与联接座16上螺纹孔161连接，发电机后端盖14与发电机壳体10通过螺钉28连接。为减少发电机的搅油损失，提高效率，在发电机两侧端盖转子轴承支撑部位内侧加装机械密封19结构将外部煤油与发电机转子定子围成的容腔进行隔离，该结构由静环组件由静环座191和石墨环192组成和动环194、弹簧193组成，静环座191通过螺钉46与发电机壳体
10上的螺纹孔103相连，如图9所示。
[0070] 进一步的，从引流煤油管接嘴5进入的高压煤油为火箭煤油发动机喷射出的高压煤油，其压力值控制范围为30MPa～35MPa。
[0071] 进一步的，如图6、图7所示，高速发电机1转子形式采用实心磁钢结构，定子形式采用无槽铁芯112结构形式，定子绕组选择杯形形式，定子绕组在无槽铁芯112内表面完成绕制后，进行整体式灌封成型，形成灌封绕组113。其中，定子组件11与发电机壳体10采用热装形式，利用止动平键111 与平键槽102配合实现定子组件周向定位。
[0072] 进一步的，高速发电机1转子轴通过如下方式实现，如图7所示：
[0073] 1、将左轴段121、圆柱磁钢122、右轴段123利用胶粘剂在A处接触面粘接一起，保留加工余量，粘接后将外圆磨削成要求尺寸；
[0074] 2、将合金护套124热装在上述整体外圆上，保证过盈量；
[0075] 3、对合金护套124与轴段121，123连接处B进行焊接处理，采用激光焊；
[0076] 4、对轴段121，123的轴承安装位置圆柱面进行精加工，确保同轴度和表面质量；
[0077] 5、对磁钢充磁，形成转子轴整体。
[0078] 进一步的，所述大流量过滤器3是一个金属圆柱体结构且通过螺纹与特斯拉涡轮泵2的泵壳体21连接，大流量过滤器3、高速发电机1和特斯拉涡轮泵2位于同一轴向方向上，密封采用径向密封。
[0079] 进一步的，高速发电机1的外壳内设置有内部流道101，对后侧的轴承 15-1进行润滑散热后的煤油通过该流道最终流回大流量过滤器3内，实现对高速发电机1的散热，有利于增加发电机工作的
稳定性及可靠性，其中波形弹簧15-3起到调整轴承受热而产生的轴向间隙的变化。
[0080] 进一步的，所述特斯拉涡轮泵2的转子组件23叶片厚度30-40微米，叶片外径30-40mm，叶片数20-50片。引流的火箭发动机高压高速煤油驱动特斯拉涡轮泵高速旋转，带动高速发电机同步转动，转速为 60000～90000rpm，优选为70000rpm。所述大流量过滤器3的承受流量为 150L/min，压力为5MPa。
[0081] 工作原理：超高速特斯拉涡轮式煤油发电机是由特斯拉涡轮泵、高速发电机、大流量过滤器及导管组件等组成。由火箭发动机引流的高压高速煤油驱使特斯拉涡轮转子高速旋转，使其带动发电机进行做功，产生电能，通过转速传感器实现对发电机转速的监测。通过引流转化来的低压煤油及特斯拉涡轮做功后的煤油，实现对电机轴承的润滑冷却。整个发电机装置不消耗煤油，利用完的煤油经大流量过滤器过滤后，回到煤油发动机进行二次循环利用。装置部组件壳体之间的连接采用螺钉连接，密封结构采用机械密封、端面密封以及径向密封，对外流体接口只有引流煤油入口和过滤器出口，密封结构可靠，整体结构紧凑。
[0083] 利用Ansoft
软件搭建的三相桥式整流电路模型如图15所示。
[0084] 先在电路中建立电机绕组
电阻-电感模型，其中PhaseA、PhaseB、 PhaseC分别代表电机三相，对应的Rcoil1、Rcoil2、Rcoil3分别代表电机三相的相电阻，L4、L5、L6分别代表电机三相的端部漏感。之后采用D1、 D2、D3、D4、D5、D6
二极管建立三相整流电路模型，其中采用600uF的电容C102对整流输出进行滤波。在电路中引入阻值为2.5Ω纯电阻负载R7，用以模拟发电负载。其中电流表VAmmeter85和电压表IVoltmeter84分别用以读取电阻负载的电流和电压值。
[0085] 电路模型为不控整流电路，可知其触发
角α＝0，即对于该整流电路而言，其整流
输出电压UZ与相电压UP之间的关系应为：
[0086]
[0087] 1、经发电机空载
有限元分析得出发电机空载直流电压波形如图16所示，从图16可以看出，通过电路模型中电压表(IVoltmeter84)测得直流侧输出电压(NodeVoltage)的均方根值(rms)的大小为355.67V。
[0088] 2、发电机负载有限元分析
[0089] 永磁
同步发电机转速为70krpm，三相输出经整流后接纯电阻负载 (R＝2.5Ω)时直流电压和电流波形如图17所示，从图中可以看出，通过电路模型中电压表(IVoltmeter84)测得直流侧输出电压(NodeVoltage)的均方根值(rms)的大小为259.78V；
电流表(VAmmeter85)测得直流侧输出电压 (BrachCurrent)的均方根值(rms)的大小为
103.91A。
[0090] 由空载和负载的仿真结果可知，由于发电机
磁场受到电枢反应的影响，其产生的三相感应电动势不是正弦的，存在各次谐波电动势。故可将UZ与相电压UP之间的关系等效为：
[0091]
[0092] 其中令δ为变换系数，2.34δ为整流因数。
[0093] 给出电机负载性能仿真计算结果：
[0094]
[0095] 本发明
说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。
