CN106948942B - 一种高效燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效燃气轮机，包括压气机、燃烧室和透平，燃烧室出口与透平连接。燃气轮机设有过渡段、逆止阀、沟道、外涵道和压气机。透平的主轴与压气机的主轴通过齿轮连接，沟道位于燃烧室和透平的周围，外涵道位于沟道和压气机的外部。逆止阀安装在沟道出口，每台压气机对应一个燃烧室、一个过渡段和一个逆止阀。压气机出口通过过渡段与燃烧室连接，透平的烟气出口通过沟道和逆止阀与压气机的转子内腔密闭连通。压气机分为至少两组，交替进行压气和蓄热。本发明利用透平喷出高温烟气，加热压气机主轴及叶片，进而预热进入压气机的空气，提高了压缩空气的温度，有利于增加燃气轮机的输出功率，改善燃气轮机的热效率。

Description

一种高效燃气轮机

技术领域

本发明属于动力机械技术领域，涉及一种发动机，具体涉及一种高效燃气轮机。

背景技术

燃气轮机是一种涡轮发动机，特点是完全依赖燃气流产生推力，通常用作高速飞机的动力，但油耗比涡轮风扇发动机高。涡喷发动机分为离心式与轴流式两种，相比起离心式涡喷发动机，轴流式涡喷发动机具有横截面小，压缩比高的优点，当今的涡喷发动机大多为轴流式。燃气轮机的结构由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。燃气轮机属于热机的一种，遵循热机的做功原则，在高压下输入能量，低压下释放能量。从产生输出能量的原理上讲，涡轮发动机和活塞式发动机是相同的，都需要有进气、加压、燃烧和排气这四个阶段，不同的是，在活塞式发动机中4个阶段是分时依次进行的，燃气轮机中则是连续进行做功。

空气首先进入的是发动机的进气道，经压气机提高气流的压力，空气流过压气机时，压气机工作叶片对气流做功，使气流的压力，温度升高。从燃烧室流出的高温高压燃气，流过同压气机装在同一条轴上的涡轮。燃气的部分内能在涡轮中膨胀转化为机械能，带动压气机旋转，在燃气轮机中，平衡状态下气流在涡轮中膨胀所做的功等于压气机压缩空气所消耗的功以及传动附件克服摩擦所需的功。燃烧后涡轮前的燃气能量大为增加，涡轮中的膨胀远大于压气机中的压缩比，涡轮出口处的压力和温度都比压气机进口高很多，发动机的推力是由这一部分燃气的能量而来。从涡轮中流出的高温高压燃气，在尾喷管中继续膨胀，以高速沿发动机轴向从喷口向后排出。由于燃气轮机喷出的烟气温度高达500℃以上，直接排出是一种能量的浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效燃气轮机，利用发动机喷出高温烟气预热进入压气机的空气，提高压缩空气的温度，以增加燃气轮机的输出功率。

本发明的技术方案是：高效燃气轮机，包括压气机、燃烧室和透平，燃烧室出口与透平连接。燃气轮机设有过渡段、逆止阀、沟道、外涵道和压气机，压气机的进气侧设进气管，进气管设有阀门。透平主轴与压气机主轴通过齿轮连接，沟道位于燃烧室和透平的周围，外涵道位于沟道和压气机的外部。逆止阀安装在沟道出口，每台压气机对应一个燃烧室、一个过渡段和一个逆止阀。压气机出口通过过渡段与燃烧室连接，透平的烟气出口通过沟道和逆止阀与压气机的转子内腔密闭连通，烟气从压气机轴进气侧沿轴向排出。压气机分为至少两组，每一组至少一台压气机，气压机交替进行压气和蓄热，各组压气机的换向操作根据时间间隔或排出烟气的温度设定。

压气机入口设有风扇，风扇设有外圈齿轮。压气机主轴安装有行星齿轮，透平主轴装有中心齿轮，行星齿轮在中心齿轮周围布置，中心齿轮与行星齿轮连接。行星齿轮的外部设有外齿轮，外齿轮与行星齿轮连接。风扇通过联轴器与透平主轴的延长部分连接或通过外圈齿轮与外齿轮延长部分连接。燃气轮机设有发电机，透平主轴的延长部分通过联轴器与发电机轴连接，作为发电机的动力驱动设备使用。压气机包括机壳和机体，机体上设有叶片。压气机为蓄热式压气机，蓄热式压气机的机体和叶片为空心结构。透平排气通过沟道进入压气机机体内腔，将热量蓄在压气机的机体及叶片上，使压气机温度升高，废气排气温度下降，低温废气沿轴向排出燃气轮机。压气机为轴流压气机，压气机叶片内外设有蓄热涂层，燃烧室为环形燃烧室或直筒式燃烧室，透平为多级透平。燃气轮机的外涵道的外部、机壳和沟道外侧设有保温层，整个燃气轮机在绝热状态下工作。燃烧室为每台压气机对应的燃烧室，也可以是多台压气机共用的环形燃烧室。中心齿轮的单位时间的转数与行星齿轮齿轮的单位时间转数相同或不同，每组或每台压气机之间的单位时间的转数相同或不同。

燃气轮机的燃料为气体燃料、液体燃料或固体燃料，气体燃料包括氢燃料；当使用氢燃料时，燃气轮机相对于当量空燃比加氢量既可以采用氢气稀燃，也可以采用氢气浓燃。当采用氢气浓燃时，有多余的氢气随废气从燃气轮机中排出，氢气可以作为三元催化的还原剂，剩余氢气一般情况下可以用金属氢化物、有机物和/或无机物吸氢回收装置回收加以利用，但也可以将剩余氢气进行燃烧加热、爆炸做功等方式在排气管中消耗掉，使排出的尾气不含氢气。另外一种情况，当采用氢气浓燃时，有多余的氢气随废气从燃气轮机中排出，可以在三元催化之前或之后加入动力装置，动力装置可以为活塞式发动机、内燃机或各类透平，让废气的其中一部分或全部进入这些动力装置内，同时给这些动力装置通入空气、氧气或富氧气体，使废气在动力装置内做功。这些动力装置的动力输出轴与燃气轮机同轴或不同轴做功，允许废气进入动力装置之前将废气中的水部分或全部脱除。允许燃气轮机废气出口到排气管的排气口之间设有多套三元催化装置。

对于氢燃料电池和采用氢燃料的汽车，发动机相对于当量空燃比加氢量既可以采用氢气稀燃，也可以采用氢气浓燃；当采用氢气浓燃时，有多余的氢气随废气从发动机中排出，氢气可以作为三元催化的还原剂，剩余氢气可以用金属氢化物、有机物和/或无机物吸氢回收装置回收加以利用，但也可以将剩余氢气进行燃烧加热、爆炸做功等方式在排气管中消耗掉，使排出的尾气不含氢气；另外一种情况，当采用氢气浓燃时，有多余的氢气随废气从发动机中排出，可以在三元催化之前或之后加入动力装置，动力装置可以为活塞式发动机、内燃机或各类透平，让废气的其中一部分或全部进入这些动力装置内，同时给这些动力装置通入空气、氧气或富氧气体，使废气在动力装置内做功；允许废气进入动力装置之前将废气中的水部分或全部脱除；允许发动机废气出口到排气管的排气口之间设有多套三元催化装置。

本发明两组压气机交替进行工作，一组压气机压缩空气，压缩空气进入燃烧室燃烧后，高温燃气进入透平做功，透平的排气通过装置外部沟道回流另一组未工作的压气机，利用压气机叶片覆有的蓄热材料进行蓄热，排气温度大幅降低，当蓄热完成时，切换两台压气机的工作状态，未工作的压气机进行工作，放出热量预热空气，提高压气机压气的温度和烟气轮机的热效率。

本发明高效燃气轮机通过设置多个蓄热式压气机和烟气沟道，多组压气机交替进行压气和蓄热，利用透平喷出高温烟气预热进入压气机的空气，提高了压缩空气的温度，有利于增加燃气轮机的输出功率，提高燃气轮机的热效率。叶片覆有蓄热材料可以蓄热，在压气机压蓄热状态时，将烟气的热量储存在蓄热材料上，压气机压气时放出热量预热空气，实现了燃气轮机排出烟气余热的充分利用。烟气通过未工作压气机叶片的内腔使热量蓄在叶片上，使废气排出时温度较低，当这个压气机工作进行压气时，空气将叶片上蓄的热量带进燃烧室，从而提高了进入燃烧室的空气温度和压力，提高了热效率。

附图说明

图1为本发明高效燃气轮机的结构示意图；

图2为蓄热式压气机的结构示意图；

图3为蓄热式压气机的结构立体图；

图4透平轴与压气机轴齿轮连接示意图；

图5为压气机结构示意图；

图6本发明再一种实施方案的结构示意图。

其中：1—外涵道入口、2—进气管、3—1号压气机、4—1号逆止阀、5—燃烧室、6—透平、7—2号逆止阀、8—2号压气机、9—阀门、10—外齿轮、11—行星齿轮、12—中心齿轮、13—保温层、14—沟道、15—过渡段、16—透平主轴、17—压气机机壳、18—压气机转子、19—压气机叶片、20—风扇、21—压气机、22—外涵道、23—外涵道外壳、24—发电机、25—压气机主轴、26—联轴器。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明高效燃气轮机如图1所述，包括透平6、燃烧室5、过渡段15、沟道14、外涵道22、1号压气机3、2号压气机8、1号逆止阀4和2号逆止阀7。两台压气机的进气侧分别设进气管2，进气管设有阀门9。透平主轴16与压气机主轴25齿轮连接，沟道位于燃烧室和透平的周围，外涵道位于沟道和压气机的外部。逆止阀安装在沟道出口，每台压气机对应一个过渡段和一个逆止阀。1号压气机和2号压气机分别通过过渡段15连接到燃烧室，燃烧室出口与透平连接。透平出口通过两侧的沟道14一路通过1号逆止阀4与1号压气机3的转子内腔密闭连通，另一路通过2号逆止阀7与2号压气机8的转子内腔密闭连通。压气机入口设有风扇20，压气机的机轴26安装有行星齿轮11，透平的主轴16装有中心齿轮12，中心齿轮与行星齿轮连接。风扇轴通过联轴器与透平主轴的延长部分连接。如图2、图3所示，压气机为轴流压气机，包括机壳17和机体18，机体上设有叶片19。压气机为蓄热式压气机，蓄热式压气机的机体和叶片为空心结构。压气机叶片19外表面涂装有蓄热材料。燃烧室5为直筒式燃烧室，透平6为四级透平。1号压气机和2号压气机交替进行压气和蓄热。燃气轮机的外涵道外部、机壳和沟道外侧设有保温层13，整个燃气轮机在绝热状态下工作。

本发明高效燃气轮机的两台压气机一台工作，一台不工作进行蓄热，工作过程为，启动高效燃气轮机开始工作，1号压气机3压气，2号压气机8不工作进行蓄热，首先打开1号压气机进气管2的阀门9，空气经进气管进入1号压气机压缩空气，压缩空气和燃料经过渡段15进入燃烧室5燃烧，燃烧后高温烟气流向透平6膨胀做功，透平主轴通过齿轮传动带动压气机高速转动进行压气。透平做功后的高温烟气排气通过外部沟道14和2号逆止阀7进入2号压气机8的转子内腔，高温烟气在压气机装有蓄热材料的叶片19上蓄热，放出热量的烟气从压气机轴进气侧沿轴向排出。压气机机体内部加工有渐扩式螺旋线型通道，供透平排出的高温烟气流动。转动的压气机机体对高温烟气做功使其加速，同时渐扩式的通道有助于气体膨胀加速。气体沿压气机机体向前流动，其温度逐渐降低，速度逐渐升高。最后烟气通过压气机机体内部的通道，沿轴向排出，提供推力。然后换向2号压气机工作，1号压气机停止工作进行蓄热。2号压气机压气过程中，压气机装有蓄热材料的叶片19放出热量预热进入压气机的空气。两台压气机依据排出烟气的温度进行换向操作，换向的设定温度为70℃，排出烟气温度高于70℃两台压气机换向，由控制系统自动控制进行换向。透平的排气逆向流出未工作的压气机，压气机此时的工作状态相当于“透平”，最后透平排气通过排气管喷出提供推动力。

本发明的工作参数为，工作的压气机入口温度20℃、压力0.1MPa，压气机出口温度700℃、压力6.67MPa，燃烧室出口温度1200℃、压力6.67MPa，透平出口温度500℃、压力0.5MPa，不工作压气机的排气温度70℃、压力0.12MPa。透平排气流过未工作的压气机时，膨胀做功的同时将热量储存在蓄热材料，排出烟气的温度远低于常规燃气轮机的排气温度。当未工作的压气机蓄热充分时，两台压气机切换工作状态，此时工作的压气机蓄有大量热量，将压缩空气加热至700℃，同时压气机出口压力提高到6.5MPa。因此，本发明优化了燃气轮机的结构，提升了机组热效率。不工作的压气机也在同步或不同步的转动，以保持工作状态，通过进气管2的阀门9给工作的压气机供气，同时关闭不工作的进气管阀门。

实施例2

本发明的另一实施方式如图4、图5所示，包括1台透平和2组压气机21，压气机入口设有风扇20和外涵道22，风扇设有外圈齿轮10。2组压气机十字分开，一组工作时，另一组空转，两组交替工作和蓄热。压气机的机轴安装有行星齿轮11，透平的主轴装有中心齿轮12，行星齿轮在中心齿轮的周围布置，中心齿轮与行星齿轮通过齿轮连接。行星齿轮的外部设有外齿轮10，外齿轮与行星齿轮连接，外齿轮带动风扇工作。

本发明高效燃气轮机的两组压气机中均正常旋转，一组压气机进气管2的阀门9打开，可以从外界吸入空气进行压缩，另一组压气机进气管2的阀门9关闭，压气机空转。工作过程为，启动蓄热式燃气轮机开始工作，第一组压气机压气，第二组压气机不工作进行蓄热，首先打开第一组压气机进气管2阀门9，空气经进气管进入第一组压气机压缩空气，压缩空气和燃料经过渡段进入燃烧室5燃烧，燃烧后高温燃气流向透平6膨胀做功，透平主轴通过齿轮传动，带动压气机高速转动进行压气，使空气源源不断从外界进入燃气轮机做功。透平做功后的高温烟气排气通过沟道14和第二组逆止阀回流到第二组压气机，高温烟气流经压气机叶片的内腔，在压气机装有蓄热材料的叶片19上蓄热，放出热量的烟气经压气机排出。然后换向，第二组压气机工作，第一组压气机停止工作进行蓄热。第二组压气机压气过程中，压气机装有蓄热材料的叶片19放出热量预热进入压气机的空气。两组压气机依据排出烟气的温度进行换向操作，换向的设定温度为80℃，排出烟气温度高于80℃两组压气机换向，由控制系统自动控制进行换向。透平的排气逆向流出未工作的压气机，压气机此时的工作状态相当于“透平”，最后透平排气通过排气管喷出。透平6产生的轴功一部分提供给两组压气机进行转动，从外界吸收并压缩空气，一部分通过轴提供给风扇，供风扇旋转，对空气提供推力。

实施例3

本发明的再一实施方式如图6所示，包括透平6、1号压气机3、2号压气机8和发电机24。两台压气机交替进行工作和蓄热，一台工作时，另一台空转并蓄热。两台压气机的机轴25装有行星齿轮11，透平的主轴16装有中心齿轮12，中心齿轮与行星齿轮连接。透平主轴通过联轴器26与发电机轴连接，作为发电机的动力驱动设备使用。带动发电机旋转，将燃气轮机自身的机械能，驱动发电机产生电能，供生产生活使用。

Claims (10)

1.一种高效燃气轮机，包括压气机、燃烧室（5）和透平（6），所述燃烧室出口与透平连接，其特征是：所述燃气轮机设有过渡段（15）、逆止阀、沟道（14）、外涵道（22）和压气机，所述压气机的进气侧设进气管（2），所述进气管设有阀门（9）；透平主轴（16）与压气机主轴（25）通过齿轮连接，所述沟道位于燃烧室和透平的周围，所述外涵道位于沟道和压气机的外部；所述逆止阀安装在沟道出口，每台压气机对应一个燃烧室、一个过渡段和一个逆止阀；所述压气机出口通过过渡段与燃烧室连接，所述透平的烟气出口通过沟道和逆止阀与压气机的转子内腔密闭连通，烟气从压气机轴进气侧沿轴向排出；所述压气机分为至少两组，每一组至少一台压气机，气压机交替进行压气和蓄热，各组压气机的换向操作根据时间间隔或排出烟气的温度设定。

2.根据权利要求1所述的高效燃气轮机，其特征是：所述压气机入口设有风扇（20），所述风扇设有外圈齿轮；所述压气机主轴（25）安装有行星齿轮（11），所述透平主轴（16）装有中心齿轮（12），所述行星齿轮在中心齿轮周围布置，中心齿轮与行星齿轮连接；所述行星齿轮的外部设有外齿轮（10），所述外齿轮与行星齿轮连接；所述风扇通过联轴器（26）与透平主轴连接。

3.根据权利要求2所述的高效燃气轮机，其特征是：所述燃气轮机设有发电机（24），所述透平主轴（16）通过联轴器（26）与发电机轴连接，作为发电机(24)的动力驱动设备使用。

4.根据权利要求1所述的高效燃气轮机，其特征是：所述压气机包括压气机机壳（17）和压气机转子（18），所述转子上设有压气机叶片（19）；所述压气机为蓄热式压气机，所述蓄热式压气机的转子和叶片为空心结构；透平排气通过沟道进入压气机机体内腔，将热量蓄在压气机的机体及叶片上，使压气机温度升高，废气温度下降，低温废气沿轴向排出燃气轮机。

5.根据权利要求1所述的高效燃气轮机，其特征是：所述压气机为轴流压气机，压气机叶片（19）内外设有蓄热涂层，所述燃烧室（5）为环形燃烧室或直筒式燃烧室，所述透平（6）为多级透平。

6.根据权利要求1所述的高效燃气轮机，其特征是：所述燃气轮机的外涵道（22）的外部、机壳和沟道外侧设有保温层（13），整个燃气轮机在绝热状态下工作。

7.根据权利要求1所述的高效燃气轮机，其特征是：所述燃烧室为每台压气机对应的燃烧室，也可以是多台压气机共用的环形燃烧室。

8.根据权利要求2所述的高效燃气轮机，其特征是：所述中心齿轮的单位时间转数与行星齿轮的单位时间的转数相同或不同，每组或每台压气机之间的单位时间转数相同或不同。

9.根据权利要求1所述的高效燃气轮机，其特征是：所述燃气轮机的燃料为气体燃料、液体燃料或固体燃料，所述气体燃料包括氢燃料；当使用氢燃料时，燃气轮机相对于当量空燃比加氢量既可以采用氢气稀燃，也可以采用氢气浓燃；当采用氢气浓燃时，有多余的氢气随废气从燃气轮机中排出，氢气可以作为三元催化的还原剂，剩余氢气一般情况下可以用金属氢化物、有机物和/或无机物吸氢回收装置回收加以利用，但也可以将剩余氢气进行燃烧加热、爆炸做功方式在排气管中消耗掉，使排出的尾气不含氢气；另外一种情况，当采用氢气浓燃时，有多余的氢气随废气从燃气轮机中排出，可以在三元催化之前或之后加入动力装置，动力装置可以为活塞式发动机、内燃机或各类透平，让废气的其中一部分或全部进入这些动力装置内，同时给这些动力装置通入空气、氧气或富氧气体，使废气在动力装置内做功；这些动力装置的动力输出轴与燃气轮机同轴或不同轴做功，允许废气进入动力装置之前将废气中的水部分或全部脱除；允许燃气轮机废气出口到排气管的排气口之间设有多套三元催化装置。

10.根据权利要求1所述的高效燃气轮机，其特征是：对于氢燃料电池和采用氢燃料的汽车，发动机相对于当量空燃比加氢量既可以采用氢气稀燃，也可以采用氢气浓燃；当采用氢气浓燃时，有多余的氢气随废气从发动机中排出，氢气可以作为三元催化的还原剂，剩余氢气可以用金属氢化物、有机物和/或无机物吸氢回收装置回收加以利用，但也可以将剩余氢气进行燃烧加热、爆炸做功方式在排气管中消耗掉，使排出的尾气不含氢气；另外一种情况，当采用氢气浓燃时，有多余的氢气随废气从发动机中排出，可以在三元催化之前或之后加入动力装置，动力装置可以为活塞式发动机、内燃机或各类透平，让废气的其中一部分或全部进入这些动力装置内，同时给这些动力装置通入空气、氧气或富氧气体，使废气在动力装置内做功；允许废气进入动力装置之前将废气中的水部分或全部脱除；允许发动机废气出口到排气管的排气口之间设有多套三元催化装置。