CN101377175A - 涡轮机内发电 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双路式涡轮机，所述涡轮机，其包括至少一个安装在排气壳体(24)径向臂(36)端部的斯特林循环热发动机，所述发动机包括一个位于主流路(B)和副流路(A)外部的工作室，一个与发电系统的活动构件(44)相联接的位移活塞(42)，和两个交换器，即在径向臂的部件内形成的加热交换器(58)和冷却交换器(62)，径向臂部件分别截取主流路(B)的热废气和副流路(A)的冷空气，所述两个交换器(58，62)彼此相通，同时也与工作室(40)相通，以便工作流体循环。

Description

涡轮机内发电

技术领域

本发明涉及涡轮机内发电，特别涉及一种双路式涡轮机，诸如航空喷气发动机。

背景技术

飞机用的电力一般都是由这些飞机的喷气发动机带的机电发电机提供，这些发电机由来自喷气发动机高压压缩机的动力驱动。

因为采用这种方式获得的机械动力并不用于推进，所以这种类型的电气发电机实际上降低了喷气发动机的效率。

人们已经知道，根据斯特林循环原理，通过发动机工作来驱动发电机的方法，但是，这种发电机是一种很沉重的机器，设计用来以废热发电方式作为住宅或办公大楼的供暖装置使用，例如GB-A-2 391 299号专利申请文件中所描述的那样，并不适合在航空涡轮机上使用。本发明的主要目的是提供一种简单、经济而有效的解决方案，从而能够解决双路式涡轮机内的发电问题，从而克服已有技术中存在的缺陷。

本发明的另一个目的是根据废热发电原理，利用排出废气中耗散的热能，在涡轮机中进行发电。

本发明的另一个目的是在涡轮机中使用一种斯特林发动机，其方式是可以最大限度地降低涡轮机总重量，减小斯特林发动机和相关发电装置的体积。

发明内容

为此，本发明提出了一种双路式涡轮机，其包括一种排气壳体，通过径向臂而将其连接到同轴圆筒形壁上，这些圆筒形壁将流体管道划定为热废气的主流路和冷空气的副流路，其特征在于，所述涡轮机装有至少一台安装在径向臂端部的斯特林循环热发动机，其包括两个热交换器，分别用于加热和冷却工作流体，这些热交换器是在径向臂的各个部件内形成的，后者分别截取主流路的热废气和副流路的冷空气。

斯特林循环热发动机，通常称之为“斯特林发动机”或热空气发动机，可以利用主流路的废气和副流路的冷空气之间的温度差来产生机械能，这种机械能再转换成电能。这种发动机的特点是效率非常好，理论最大值可达到40％，具有非常好的可靠性，且使用寿命长。

这种发动机的理论工作循环为连续四个阶段：工作流体的等容加热阶段和等温膨胀阶段，然后是工作流体的等容冷却阶段和等温压缩阶段。

斯特林发动机还包括一个工作室，位于主流路和副流路的外部，在这个腔室内，布置有一个与发电系统活动部件相联的位移活塞，工作室与热交换器相通，供工作流体循环。

加热和冷却交换器通过一个换热器连接到一起，用来在斯特林循环的冷却阶段期间蓄积热能，并在再加热阶段期间输送热能。

这种换热器是一种构成热能储蓄器的交换器，能够增加斯特林发动机的效能。

根据本发明的另一个特性，换热器安装在位于主流路和副流路之间的径向臂内，以便在工作流体和换热器之间进行的热交换不会受到主流路和副流路的影响。

同样，工作室优选位于径向壁的径向内端，和内圆柱形壁内，后者划定了主流路的流动界限。

根据本发明的最佳实施例，位移活塞是这样布置的，采用密封形式将工作室分割成两个区域，通过穿越热交换器和换热器的隔热管道，实现第一区域与加热腔室相通，和第二区域与冷交换器相通。

这种布置可以降低装置的体积，同时为换热器提供了空间。

在第一个实施例中，位移活塞包括一个圆筒形腔室，沿活塞的位移方向延伸，在该腔室内安装了一个固定永磁铁，位移活塞提供有导线绕组，布置在圆筒形腔室的周围，并连接到电气连接器上，以带动位移活塞运动。

在另一个实施例中，工作室包括了一个转轮，通过连杆连接到发电系统的活动部件和位移活塞上。

其特点是，斯特林发动机采用压缩惰性气体—诸如氦—来密封。作为另一种实施方式，斯特林发动机还包括一个压缩气体入口，例如向工作室或其中一个交换器输入气体，从而增加工作流体的压力，最终，增加了斯特林发动机的效能。

径向壁还包括在位于主流路和副流路管道内的外和/或内表面上使用了热交换片。

在本发明的最佳实施例中，发电系统的活动部件由一个弹性复位装置来支撑，后者固定在工作室内，活动部件包括一个沿位移方向延伸的圆筒形腔室，在这个腔室内，设有固定式永磁铁，活动部件装有电气导线绕组，布置在圆筒形腔室的周围，并连接到电气连接器上，以便能够将机械能转换成电能。

为此，本发明可以发电，例如向飞机提供电源，无需分流涡轮机内有用的机械能。

附图说明

下面结合附图，阅读如下说明，并通过示例可以更好地理解本发明，本发明的其它细节、优点和特性就会很清楚地显现出来，但本发明并不仅限于所述示例，附图如下：

图1为根据本发明的涡轮机的轴向剖面示意图；

图2为图1所示涡轮机的排气壳体臂的纵向剖面局部放大比例示意图；

图3为类似于图2的示意图，示出了位于排气壳体臂内的热发动机斯特林循环的冷却阶段；

图4为类似于图3的示意图，示出了斯特林循环的压缩阶段；

图5为类似于图3的示意图，示出了斯特林循环的加热阶段；

图6为类似于图3的示意图，示出了斯特林循环的膨胀阶段；

图7为类似于图2的示意图，所示为本发明的另一种实施形式。

具体实施方式

图1示出了一种双路式喷气发动机10，其包括一个短舱12，风扇轮14就安装在发动机本体16的上游。从上游至下游，主要包括压缩机20、燃烧室21、涡轮22、排气壳体24和喷射锥体26。

风扇轮14由喷气发动机的涡轮22带动旋转，旋转方式为所属领域技术人员所熟知。发动机在工作时，风扇14产生副空气流A，在风扇通道18内围绕喷气发动机向后流动，提供一部分的发动机推力。进入发动机的一部分空气形成了主流路B，该流路向喷气发动机的进气压缩机20提供空气，然后与燃烧室21的燃料混合。离开燃烧室的燃烧气体带动涡轮22转动，然后被喷射到排气壳体24的两个同轴壁32，34之间的空间，并离开喷气发动机，沿喷射锥体26流动。

风扇管道18是由两个实际上呈圆筒形的同轴壁构成，分别为内壁28和外壁30。风扇管道的内壁28一般称之为I.F.D(内风扇函道)，而外壁30一般称之为O.F.D(外风扇函道)，周围为短舱12所环绕。

排气壳体24的两个同轴壁—分别为内壁32和外壁34—由结构径向臂来连接。

在所给示例中，排气壳体24的每个径向臂36都将该壳体的同轴壁32，34连接到风扇管道18的圆筒形壁28，30上，这样，径向臂的一部分就对主流路B形成拦截，而该臂的另一部分则对副流路A形成拦截。作为另一个形式，径向臂36可以不一直延伸到外壁30处。

换热片38可以很方便地在径向臂36的外表面上形成，与拦截主流路B和副流路A的所述臂的各个部分相水平，如图1所示。其工作原理如下所述。

图2是排气壳体24径向臂36放大比例剖面图，斯特林循环发动机的热交换器就置于该壳体中。

如下所述，这种发动机的设计和布局充分利用了径向臂36的可用空间，利用了主流路B热气体和副流路A冷空气之间的温度差来产生电能或机械能。

在相对于涡轮机轴线的径向内部部件中，斯特林发动机包括一个工作室40，在该腔室中布置有位移活塞42和工作活塞44，均由发电系统的活动部件构成。

位移活塞42安装在—例如圆筒形—的管道46内，并自上游向下游延伸，并包括一个部件，其形状对管道形成补充，该部件在所述管道内以密封方式滑动，防止空气在管道内沿活塞周围流动。位移活塞42包括一个—例如—在活塞的上游一侧的打开式圆筒形腔室，轴线平行并优选与活塞轴线对准，在该腔室内安装有一个圆柱形磁铁48，后者固定到工作室40的壁上。这个活塞也由位于该腔室周围的电气绕组50组成，所述电气绕组用来使得活塞42能够在其管道46内沿直线电磁驱动，这个绕组连接到一个电气连接器52上，后者可以—例如—由一个相移电路组成。

位移活塞42的管道46位于对应于一个盖板54的孔口形式，连接到径向臂36的壁上，这样，位移活塞42和盖板54以密封形式将工作室40分隔成上游区56和下游区60，上游区与位于拦截主流路B的臂的部件的加热交换器58相通，下游区与位于拦截副流路A的臂的部件上的冷却交换器62相通，位于该臂36的径向外端部。工作室40和加热交换器58和冷却交换器62都带有工作流体，诸如压力空气或压力惰性气体，位移活塞42交替地将这些空气或气体推入加热交换器58或冷却交换器62内，下面将详细介绍。加热交换器58和冷却交换器62分别与热气体的主流路B和冷空气的副流路A相接触，在工作流体位于加热交换器58内时，可将主流路的热量交换到工作流体中，当工作流体位于冷却交换器62内时，可将工作流体的热量交换到副流路中。

为了最大限度地进行如上所述的热交换，正如参考图1所述，径向臂36包括其外表面上的散热片38和内表面上的散热片。外散热片沿与涡轮机轴线大概平行的方向延伸，从而有效地降低了其对主流路和副流路流动的气动力影响。这些散热片38还增强了径向臂的刚性。

在图2所示实施例中，斯特林发动机还包括已知类型的热交换器64，即换热器。这种换热器64是由—例如—泡沫或金属板块组成，置放在位于主流路和副流路之间的径向臂部件上，位于通常称之为管路间的空间66内。这种布置也可以使得工作流体和该换热器64之间进行的热交换不会受到与主流路和副流路的热交换的干扰。

其特点是，交换器58和62的体积，即“死”体积，降到了最小，而热交换面和工作室的体积增加了。

工作室40和冷却交换器62通过隔热联动管道连接到一起，这个管道穿过了加热交换器58和换热器64。管道68还可以减少交换器58和62内所包含的流体的“死”体积。

工作室40包括线性形式的发电系统，其包括了一个在前端打开的空心圆柱形活塞44，由密封复位弹性膜70来支撑。由活塞44和弹性膜70构成的装置形成了工作室40的一个密封的活动端壁，这样，活塞44的向后位移或向前位移都会引起工作室40体积减小或增加。

磁铁72—例如圆柱形—固定到工作室40的一个壁上，以便插入到发电系统的圆柱形活塞44内。这个活塞包括了连接到电气连接器52上的电气绕组74，当活塞在沿其轴线面对磁铁72呈直线位移时，可将活塞44的机械能转换成电能。

斯特林发动机包括了一个压缩流体入口76，通过维护保养用的阀门连接到惰性气体—如氦—的储存区，增加了工作流体的压力，从而改善了斯特林发动机的能效。

工作时，斯特林发动机沿热力循环运行，该循环包括四个阶段，分别如图3到图6所示。

在图3中，斯特林发动机处于工作流体的等容冷却阶段。在这个阶段，电气连接器52控制着位移活塞42呈直线向后渐进位移78，一直到其实际上与径向臂36相抵的极限位置(图4示出了位移活塞的所述位置)。位移活塞的这个动作缩小了工作室的上游区56，并将加热交换器58内的大部分工作流体80推过换热器64和冷却交换器62，从而填充了工作室的前部区域。工作流体在其穿过换热器时将热能输送到换热器64，并流过冷却交换器62后到达工作室的前部区域。

然后，工作流体进入到等温压缩阶段，如图4所示。工作流体所占用的体积随着压力的增加而减小，因为发电系统的活塞44在复位弹性膜70的作用下向后位移82到活塞44与其磁铁72所分开的极限位置(如图5所示)。

压缩阶段之后是工作流体的等容加热阶段，如图5所示，在这个阶段，电气连接器52指示位移活塞42向前移动84，位移到该活塞与其磁铁48相分开的极限位置，从而减小了工作室下游区60的体积，活塞的向前位移会将冷却交换器62内至少一部分工作流体86推过换热器64和加热交换器58，到达工作室后部56。在其进入到换热器64内时，工作流体接收换热器内储存的热能，并因此而在到达加热交换器58时得到重新加热。

斯特林循环周期以工作流体的等温膨胀阶段结束，如图6所示。在这个阶段，工作流体的体积增大，而其压力则下降。所述流体体积的增加使得发电系统的活塞44向前移动，进而使得支持其的弹性膜70也向前移动，这样，活塞就回到了冷却阶段期间所处的位置。

在斯特林循环期间，发电系统的活塞44因此而完成了围绕其磁铁70的向前和向后移动动作，这就产生了电能，该电能通过电气连接器52而获得。

因此，本发明通过使用斯特林循环热发动机可以利用涡轮机废气中的热能来产生电能。

图7为本发明的另一个实施例，其中，位移活塞42的传动是通过与斯特林发动机共轴的一种机械装置来操纵的。活塞为U形件，在前端开口，而所述活塞的传动装置包括了一个安装在工作室40内的转轮90，其位于位移活塞42和发电系统活塞44之间，该转轮可在垂直于径向臂36的正中面的轴线92上转动，并固定到所述径向臂的四壁上。转轮90通过一个第一连杆94连接到位移活塞42上，连杆的后端安装在轭架96或者任何其它类似装置上，轭架或其它装置接合到活塞42上并位于其前端面上，例如，在所述前端面的中间位置，连杆94的前端安装在固定到转轮90轮缘上的轭架98内或类似构件上。所述转轮90也可以通过一个第二连杆100安装到发电系统的活塞44上，连杆的前端安装在轭架102或者类似装置上，轭架或其它装置接合到所述活塞44上并位于其后端面上，例如，在所述后端面的中间位置，连杆100的后端安装在固定到转轮90的轭架104或类似构件上，例如，即在位于转轮中心等于该转轮半径四分之一的距离上。转轮90上的第一和第二连杆94，100的固定轭架与轮的中心一起形成了一个大约90度的夹角，这样，第二连杆100的动作会相对于第一连杆94的动作延迟大约四分之一循环周期。转轮90还构成了发电系统的一个飞轮。

本发明并不只限于电能的产生，当然，可以直接利用能量转换系统的活塞所提供的机械能，不论是以与活塞运动相似的直线往复运动形式来带动一个设备，还是通过利用连杆和转轮或连杆和曲柄系统来带动旋转而将活塞的运动转换为旋转运动。

总的来讲，本发明可以按照废热发电原理来利用涡轮机中丢失的热能。例如，在飞机喷气发动机中，电的产生一般都是包括利用来自喷气发动机压缩机的机械能来供给机电发电机。本发明使用的是废气的热能，从而不再需要占用有用的机械能，这样，喷气发动机的效能得以改善，比耗节省了两个数量级。

Claims (12)

1.一种双路式涡轮机，其包括一个通过径向臂连接到同轴圆筒形壁上的排气壳体，所述圆筒形壁将流体管道划定为热废气的主流路和冷空气的副流路，其特征在于，所述涡轮机装有至少一台安装在径向臂端部的斯特林循环热发动机，其包括两个热交换器，分别用来加热和冷却工作流体，这些交换器在径向臂的部件内形成，后者分别截取主流路的热废气和副流路的冷空气。

2.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，两个加热和冷却交换器通过一个换热器连接，后者用来在斯特林循环的冷却阶段储蓄热能，并在重新加热阶段来输送热能。

3.根据权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，换热器安装在位于主流路和副流路的流体管道之间的径向臂部件内。

4.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，斯特林发动机包括一个位于主流路和副流路外部的工作室，在这个工作室内，布置有一个位移活塞，后者与发电系统的活动构件相联接。

5.根据权利要求4所述的涡轮机，其特征在于，工作室布置在热发动机的径向内端。

6.根据权利要求4所述的涡轮机，其特征在于，位移活塞是这样布置的，即以密封形式将工作室分成了两个区域，其中第一区域与加热交换器相通，而第二区域与冷却交换器相通。

7.根据权利要求6所述的涡轮机，其特征在于，第二区域通过一个穿过加热交换器和换热器的隔热管道连接到冷却交换器上。

8.根据权利要求4所述的涡轮机，其特征在于，位移活塞包括一个沿活塞位移方向延伸的圆筒形腔室，在所述腔室内安装有一个固定的永磁铁，所述位移活塞提供有一个电气导线绕组，围绕圆柱形腔室布置并连接到电气连接器以带动位移活塞。

9.根据权利要求4所述的涡轮机，其特征在于，工作室包括一个转轮，所述转轮通过连杆连接到发电系统的活动构件和位移活塞上，以带动位移活塞运动。

10.根据权利要求4所述的涡轮机，其特征在于，斯特林发动机包括一个压缩惰性气体入口，可向工作室或其中一个交换器输送所述气体。

11.根据权利要求4所述的涡轮机，其特征在于，发电系统的活动构件是由固定在工作室内的弹性复位装置所支撑，包括一个沿其移动方向延伸的圆柱形腔室，在这个腔室内，布置有一个固定的永磁铁，所述活动构件提供有一个电气导线绕组，围绕所述圆柱形腔室布置，并连接到电气连接器上，使机械能得以转换成电能。

12.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，径向臂包括在其外表面和/或内表面上的热交换片，所述内外表面位于主流路和副流路的流体管道内。

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