CN101397915A - 一种气道式燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气道式燃气轮机，包括压气机、燃烧室和燃气透平，其特征在于：所述燃气透平包含有一圆柱状气道转子，气道转子的体内靠近外周壁处轴向开设有气道，气道由气道转子的上端面开始，在气道转子体内成曲折状穿绕一周后贯通至气道转子下端面并与设于气道转子下端面上的排气口连通，进气口上方设有燃气喷头，来自燃烧室的高温燃气由燃气喷头喷出，进入气道中推动气道转子转动，最后气体通过排气口排出。本发明的气道式燃气轮机工作可靠，寿命长，在较低转速、较高载荷工况下效率高，是理想的车、船和微型发电机组发动机的替代动力，也可以是航空发动机和压缩机动力的替代动力。

Description

一种气道式燃气轮机

技术领域

本发明属于燃气轮机领域，涉及一种开式循环的燃气轮机，尤其是一种采用气道式燃气透平的气道式燃气轮机。

背景技术

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。

中国在公元十二世纪的南宋高宗年间就已有走马灯的记载，它是涡轮机(透平)的雏形。15世纪末，意大利人列奥纳多·达芬奇设计出烟气转动装置，其原理与走马灯相同。至17世纪中叶，透平原理在欧洲得到了较多应用。1905年，法国人勒梅尔和阿芒戈制成第一台能输出功的燃气轮机，但效率太低，因而未获得实用。

随着空气动力学的发展，人们掌握了压气机叶片中气体扩压流动的特点，解决了设计高效率轴流式压气机的问题，因而在30年代中期出现了效率达85％的轴流式压气机。与此同时，透平效率也有了提高。在高温材料方面，出现了能承受600℃以上高温的铬镍合金钢等耐热钢，因而能采用较高的燃气初温，于是等压加热循环的燃气轮机终于得到成功的应用。

随着高温材料的不断进展，以及透平采用冷却叶片并不断提高冷却效果，燃气初温逐步提高，使燃气轮机效率不断提高。单机功率也不断增大，在70年代中期出现了数种100兆瓦级的燃气轮机，最高能达到130兆瓦。

燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平等组成。压气机有轴流式和离心式两种，轴流式压气机效率较高，适用于大流量的场合。在小流量时，轴流式压气机因后面几级叶片很短，效率低于离心式。功率为数兆瓦的燃气轮机中，有些压气机采用轴流式加一个离心式作末级，因而在达到较高效率的同时又缩短了轴向长度。燃烧室和透平不仅工作温度高，而且还承受燃气轮机在起动和停机时，因温度剧烈变化引起的热冲击，工作条件恶劣，故它们是决定燃气轮机寿命的关键部件。为确保有足够的寿命，这两大部件中工作条件最差的零件如火焰筒和叶片等，须用镍基和钴基合金等高温材料制造，同时还须用空气冷却来降低工作温度。

这种采用叶片式的透平由于其恶劣的工作环境和苛刻的制造要求，使得透平的制造成本大大增大，并且其制造难度非常高，其中一些高难度的制造工艺只有少数技术成熟的国家掌握，且这些国家都对此进行技术封锁。

燃气轮机的未来发展趋势是提高效率、采用高温陶瓷材料或利用核能和发展燃煤技术。提高效率的关键是提高燃气初温，即改进透平，改进透平包括两种方案：一是通过改进其内部叶片的材料或者对叶片的冷却技术，使其更耐高温，更适合在恶劣的环境下运行；二是改变透平的整体结构，寻找一种比叶片更适合的结构方式来使高温燃气在其中进行膨胀做功。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种气道式燃气轮机，这种燃气轮机取消了现有技术中的叶片式透平，采用全新的透平结构，其是利用高温高压燃气在曲折气道快速通过而输出功率，具有体积小、结构强度高、所需压缩空气量少和节省燃料的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种气道式燃气轮机，包括压气机、燃烧室和燃气透平，其特征在于：所述燃气透平为轴向式，包含有一圆柱状气道转子，所述气道转子的轴心处固定安装有贯通轴，所述气道转子的体内靠近外周壁处轴向开设有多于一条的气道，所述气道由气道转子的上端面开始，在气道转子体内成曲折状穿绕一周后贯通至气道转子下端面并与设于气道转子下端面上的排气口连通，所述气道转子的上端面靠近外圈处开设有一圈进气槽，进气槽的底部设有进气口，进气口与气道连通，所述进气口上方设有燃气喷头，来自燃烧室的高温燃气由燃气喷头喷出，经进气槽和进气口进入气道中推动气道转子转动，最后气体通过排气口排出。

根据上述的圆柱状气道转子，所述燃气透平为径向式，即以半轴替代所述气道转子轴心处的贯通轴，所述气道转子轴心的一端为空心通道；所述气道转子的体内径向开设有多于一条的气道，所述气道由气道转子的周壁面开始，在气道转子体内穿绕后至气道转子的轴心并与空心通道贯通；所述气道转子的周壁上斜向开设有多于一个的侧向进气口，所述气道的一端与所述侧向进气口连通，所述气道转子的周壁上设有环形进气槽，所述侧向进气口处于环形进气槽内，所述环形进气槽以侧向进气口为界成渐进深度开设，所述环形进气槽的侧边设有燃气喷头，来自燃烧室的高温燃气由燃气喷头喷出，经环形进气槽和侧向进气口进入气道中推动气道转子转动，最后通过空心通道排出。

上述气道转子和贯通轴经轴承安装于轴向式壳体内，所述进气槽的两侧气道转子端面与轴向式壳体的内壁面采取非接触式径向曲路迷宫式密封。

上述安装半轴的气道转子经轴承安装于径向式壳体内，所述气道转子上的环形进气槽两侧壁面与径向式壳体的内壁面采取非接触式径向曲路迷宫式密封。

上述压气机是轴流式、离心式或者螺杆式压气机。

上述气道转子采用合金钢材质。

上述燃气透平的排气口连接有回热器，所述回热器与所述压气机以管道连接。

上述气道内壁均衬有陶瓷耐热材料。

本发明的气道式燃气轮机是利用来自燃烧室的高压高速燃气在曲折气道快速通过来到达推动转子做功的目的，对比传统叶片式燃气轮机，本发明具有以下优点：

1)体积小、结构强度高、材料便宜；

2)工艺简单；

3)高温高压燃气在燃烧室点燃后，不经过燃气涡轮叶片，而是直接通过气道和排气口排出，不但燃气阻力小，而且燃气温度和压力大为提高；

4)工作可靠，寿命长，是理想的车、船和微型发电机组发动机的替代动力，也可以是航空发动机和压缩机动力的替代动力。

附图说明

图1为本发明的实施例1结构的D-D剖视图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为图2的B向视图；

图4为本发明的实施例1中将气道展开时的结构示意图；

图5为本发明的实施例2的结构示意图；

图6为图5的C-C剖视图；

图7为本发明的气道式燃气轮机的基本结构框图；

图8为本发明的带有回热器的气道式燃气轮机的结构框图；

图9为本发明的实施例3的气道式燃气轮机的整体连接框图；

图10为本发明的实施例4的气道式燃气轮机的整体连接框图。

其中：1为气道转子；2为贯通轴；3为气道；4为进气槽；5为进气口；6为燃气喷头；7为排气口；8为半轴；9为空心通道；10为环形进气槽；11为侧向进气口；12为轴向式壳体；13为径向式壳体；14为挡气块；15为废气导向块；16为非接触式径向曲路迷宫式密封。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明是一种气道式燃气轮机，包括压气机、燃烧室和燃气透平，所述燃气透平包含有一圆柱状气道转子1，图1、图2和图3是本发明的气道式转子1的一种结构示意图，即轴向气道式转子示意图，其气道转子1为一圆柱状的转子，气道转子1的轴心处固定安装有贯通轴2，气道转子1的体内靠近外周壁处轴向开设有多于一条的气道3(图2所示为开设有两条气道3的气道转子1)，所述气道3的横截面可以是适合气流通过的任何形状，如矩形、圆形或者椭圆形，并且气道3内涂覆有耐高温的陶瓷材料。所述气道3在气道转子1的体内是这样穿行的：每条气道3由气道转子1的上端面开始，在气道转子1体内成曲折状穿绕一周后贯通至气道转子1下端面并与设于气道转子1下端面上的排气口7连通，其中气道3是在距轴心处相同距离的一圆筒面上绕贯通轴2做上下蛇形曲折穿行，将气道3沿其所在的圆筒面剖切展开即如图4所示。

所述气道转子1的上端面靠近外圈处开设有一圈进气槽4，进气槽4的底部设有进气口5，一个进气口5与一条气道3连通。

上述的气道转子1和贯通轴2装配在轴向式壳体12内，贯通轴2两端是以轴承的方式安装在轴向式壳体12上的，这样气道转子1就可以在轴向式壳体12内绕贯通轴12自由转动。轴向式壳体12与气道转子1的周壁要求在不影响气道转子1转动的情况下尽可能的贴合紧密，以防止燃气从道转子1和轴向式壳体12的配合缝隙漏出，并且在气道转子1上的进气槽4两侧设有两道环形非接触式径向曲路迷宫式密封，所述轴向式壳体12的内壁上也对应设有相同的密封，这样在保证气道转子1自由转动的同时，可以减少燃气散逸。

在正对进气口5的上方设有燃气喷头6，燃气喷头6安装于轴向式壳体12的上端部，、每个进气口5上方设有一个燃气喷头6，而且燃气喷头6是根据气道3与进气口的开设方向斜装于轴向式壳体12上的，并且要求燃气喷头6与轴向式壳体12之间密封性能好，不漏气。燃气喷头6与燃烧室连接，来自燃烧室的高温高压燃气由燃气喷头6喷出，经进气槽4和进气口5进入气道3中推动气道转子1转动，最后气体通过排气口7排出。上述气道3结构可以根据实际需要来调整，如设计扭矩较大，则可增加气道3在气道转子1体内的转折次数或者减小气道3的转折角度；如要求设计气道转子1的转速较高，则可减少气道3在气道转子1体内的转折次数或者其增大转折角度。

如图5和图6是本发明的气道式转子1的另一种结构示意图，即径向气道式转子结构图。其与图2所示的气道式转子1结构有所不同，是以半轴8替代了上述气道转子1轴心处的贯通轴2，气道转子1轴心的一端为空心通道9；气道转子1的体内径向开设有多于一条的气道3(图中所示为开设有两条气道3时的结构，气道3也可以根据需要多开设几条)，所述气道3由气道转子1的周壁面开始，在气道转子1体内穿绕后至气道转子1的轴心并与空心通道9贯通；所述气道转子1的周壁上斜向开设有多于一个的侧向进气口11，所述气道3的一端与所述侧向进气口11连通，气道转子1的周壁上设有环形进气槽10，所述侧向进气口11处于环形进气槽10内，所述环形进气槽10以侧向进气口11为界成渐进深度开设。气道转子1和半轴8装配于径向式壳体13中，半轴8先经轴连接键与气道转子1固定连接，然后半轴8以轴承安装的方式固定在径向式壳体13上，这样气道转子1就可以在径向式壳体13中绕半轴8自由转动。所述气道转子1上的环形进气槽10两侧壁面与径向式壳体13的内壁面采取非接触式径向曲路迷宫式密封16，以减少燃气散逸量。对应所述的侧向进气口11在径向式壳体13的侧壁上设有燃气喷头6，所述燃气喷头6根据侧向进气口11和气道3的方向，斜插于径向式壳体13的侧壁上，并且要求燃气喷头6与径向式壳体13之间的密封性能好。来自燃烧室的高温高压燃气由燃气喷头6喷出，经环形进气槽10和侧向进气口11进入气道3中推动气道转子1转动，最后通过空心通道9排出。

实施例1

在本实施例中，采用图7的连接方式，燃气透平具有一贯通轴，可以同时于两侧输出做功，其中一侧给压气机提供动力，另一侧输出对外做功，以带动负荷运转。其中压气机采用轴流式压气机。

本实施例的燃气透平如图2所示，燃气透平包括气道转子1，所述气道转子1为一圆柱状的转子，气道转子1的轴心处固定安装有贯通轴2，其中气道转子1经贯通轴2经安装于轴向式壳体12内，并且要求气道转子1与轴向式壳体12之间有比较好的贴合以减少燃气漏气量。气道转子1的体内靠近外周壁处轴向开设有两条气道3，两条气道3均由气道转子1的上端面开始，在气道转子1体内成蛇形曲折状穿绕一周后贯通至气道转子1下端面并分别与设于气道转子1下端面上的排气口7连通，两条气道3均是在距离贯通轴2一定距离的圆周面上缠绕，并且两条气道3的横截面均是圆形，在两条气道3内还涂覆有耐高温的陶瓷材料。所述气道转子1的上端面靠近外圈处开设有一圈进气槽4，所述进气槽4的两侧气道转子1端面与轴向式壳体12的内壁面采取非接触式径向曲路迷宫式密封16。所述进气槽4的底部相对设有两个进气口5，所述两个进气口5分别连通上述的两条气道3。每个进气口5上方设有一个燃气喷头6，而且燃气喷头6是根据气道3与进气口5的开设方向斜装于轴向式壳体12上的，保证燃气喷头6的喷出燃气在对着进气口时能够直接将燃气喷入气道3中，并且要求燃气喷头6与轴向式壳体12之间密封性能好，在气道转子1上的进气槽4两侧设有两道环形非接触式径向曲路迷宫式密封，所述轴向式壳体12的内壁上也对应设有相同的密封，这样在保证气道转子1自由转动的同时，可以减少燃气散逸。燃气喷头6与燃烧室连接，来自燃烧室的高温高压燃气由燃气喷头6喷出，经进气槽4和进气口5进入气道3中推动气道转子1转动，最后气体通过排气口7排出。在轴向式壳体12的下部为半开式结构，即设有三根加强勒在底部与贯通轴2经轴承连接，不仅可以使废气可以顺利排出，也起到支撑贯通轴2的作用。由于气道转子1与轴向式壳体12需要经受高温高压气体的冲击，所以气道转子1与轴向式壳体12均采用耐高温高强度的合金钢制作而成。

另外本实施例中所述的进气槽4在进气口5的一侧设有挡气块14，以便将高温高压燃气挡入进气口5中，如图4是沿进气槽4一圈将气道剖切展开时的结构示意图。

本实施例的工作过程是这样的：

空气在进入压气机后以恒温被加压至较高压力，同时压缩使空气的温度也升高，故由压气机排出的空气，其温度和压力都将被提高。空气离开压气机之后，进入燃烧系统。在那里，燃料被喷入并燃烧产生高温高压燃气，然后高温高压燃气经燃气管路输送到燃气喷头6，并由燃气喷头6喷入燃气透平的进气口5中，当进气口5转过燃气喷头6的位置时，燃气喷头6将高温高压燃气喷入进气槽4中，由进气槽4和挡气块14的导向作用将高温高压燃气引入进气口5中，高温高压燃气由进气口5进入气道3中并沿气道3的蛇形气道曲折前进，在气道3的每一个转折处都会形成作用力推动气道转子1转动。这样燃气的热能被转而作功。其过程实际上按照以下二个步骤进行：1)在燃气透平的燃气喷头6处，热气膨胀，一部分热能转化成为动能；2)在后续的透平动叶上，一部分动力作用至转动的叶片并作功。燃气透平所作功的一部分，被用于驱动压气机，而其余部分则是燃气轮机输出的有用功。

实施例2

在本实施例中，燃气透平的结构与实施例1中的完全相同，压气机采用离心式压气机，与实施例1的不同之处为在燃气透平的排气口增加一回热器，回热器与压气机以管道连接，如图8所示，将燃气透平排出的废气通入回热器中，以尚有余热的废气加热被压气机压缩后的冷空气，从而提高送入燃烧室的压缩空气的温度，增强压气机进气效率。

实施例3

如图9为本实施例的气道式燃气轮机的整体连接框图，由于本实施例的燃气透平中的气道式转子1上安装的是半轴8，如图5所示，气道转子1轴心的另一端为空心通道9；气道转子1的体内径向开设有两条气道3，所述气道3由气道转子1的周壁面开始，在气道转子1体内穿绕后至气道转子1的轴心并与空心通道9贯通；所述气道转子1的周壁上斜向开设有多于一个的侧向进气口11，所述气道3的一端与所述侧向进气口11连通，气道转子1的周壁上设有环形进气槽10，所述侧向进气口11处于环形进气槽10内，所述环形进气槽10以侧向进气口11为界成渐进深度开设，如图6所示，环形进气槽10和气道3将气道转子1的中部分割成螺旋状类似涡轮叶片的形式。气道转子1和半轴8装配于径向式壳体13中，半轴8先是经轴连接键与气道转子1固定连接，然后半轴8以轴承安装的方式固定在径向式壳体13上，这样气道转子1就可以在径向式壳体13中绕半轴8自由转动。所述气道转子1上的环形进气槽10两侧壁面与径向式壳体13的内壁面采取非接触式径向曲路迷宫式密封16。对应所述的侧向进气口11在径向式壳体13的侧壁上设有燃气喷头6，所述燃气喷头6根据侧向进气口11和气道3的方向，斜插于径向式壳体13的侧壁上，并且要求燃气喷头6与径向式壳体13之间的密封性能好。来自燃烧室的高温高压燃气由燃气喷头6喷出，经环形进气槽10和侧向进气口11进入气道3中推动气道转子1转动，最后通过空心通道9排出，空心通道9的顶端设有一成倒锥体的废气导向块15，废气导向块15的作用是将来自两边气道3排放入空心通道9的废气隔开，通过倒椎体的带有弧度的侧面将两股气体的方向疏导为空心通道9的轴向从而从空心通道9的下端开口排出，从而避免了两边气道3的排放废气相互冲击问题，使得废气排放顺畅，废气导向块15与气道转子1成一体。

本实施例中由于燃气透平是以半轴8输出功率，所以与实施例1中的设备连接方式有所不同，燃气透平的半轴8先与压气机轴连接，压气机采用贯通轴的方式，借助压气机的贯通轴，在压气机的另一侧是对外做功的输出轴，本实施例的压气机采用螺杆式压气机。

实施例4

本实施例中，燃气透平的结构与实施例3完全相同，各设备的连接方式如图10所示，压气机也采用螺杆式压气机，与实施例3的不同之处是在燃气透平的排气口增加一回热器，将燃气透平排出的的废气通入回热器中，以尚有余热的废气加热被压气机压缩后的冷空气，以提高进入燃烧室内的压缩空气的温度，从而增强压气机的进气效率。

综上所述，本发明的气道式燃气轮机是理想的车、船和微型发电机组的发动机替代产品。其中本发明中选用的压气机可根据实际需要选择轴流式、离心式或者螺杆式，燃烧室可以利用现有技术中合适的型号，高温高压空气在燃烧室点燃后，不经过燃气涡轮叶片直接通过气道后排出，有效减少了燃气阻力，提高了燃气温度和压力。由于本发明所需进气量小，燃料少的特点，也可单独作为航空发动机的压气动力机，并有望实现超音速巡航，从而解决了我国在航空发动机领域的技术难题。

Claims (8)

1.一种气道式燃气轮机，包括压气机、燃烧室和燃气透平，其特征在于：所述燃气透平为轴向式，包含有一圆柱状气道转子(1)，所述气道转子(1)的轴心处固定安装有贯通轴(2)，所述气道转子(1)的体内靠近外周壁处轴向开设有多于一条的气道(3)，所述气道(3)由气道转子(1)的上端面开始，在气道转子(1)体内成曲折状穿绕一周后贯通至气道转子(1)下端面并与设于气道转子(1)下端面上的排气口(7)连通，所述气道转子(1)的上端面靠近外圈处开设有一圈进气槽(4)，进气槽(4)的底部设有进气口(5)，进气口(5)与气道(3)连通，所述进气口(5)上方设有燃气喷头(6)。

2.根据权利要求1所述的气道式燃气轮机，其特征在于：所述燃气透平为径向式，以半轴(8)替代所述气道转子(1)轴心处的贯通轴(2)，所述气道转子(1)轴心的一端为空心通道(9)；所述气道转子(1)的体内径向开设有多于一条的气道(3)，所述气道(3)由气道转子(1)的周壁面开始，在气道转子(1)体内穿绕后至气道转子(1)的轴心并与空心通道(9)贯通；所述气道转子(1)的周壁上斜向开设有多于一个的侧向进气口(11)，所述气道(3)的一端与所述侧向进气口(11)连通，所述气道转子(1)的周壁上设有环形进气槽(10)，所述侧向进气口(11)处于环形进气槽(10)内，所述环形进气槽(10)以侧向进气口(11)为界成渐进深度开设，所述环形进气槽(10)的侧边设有燃气喷头(6)。

3.根据权利要求1所述的气道式燃气轮机，其特征在于：所述气道转子(1)和贯通轴(2)经轴承安装于轴向式壳体(12)内，所述进气槽(4)的两侧气道转子(1)端面与轴向式壳体(12)的内壁面采取非接触式径向曲路迷宫式密封(16)。

4.根据权利要求2所述的气道式燃气轮机，其特征在于：所述气道转子(1)和半轴(8)经轴承安装于径向式壳体(13)内，所述气道转子(1)上的环形进气槽(10)两侧壁面与径向式壳体(13)的内壁面采取非接触式径向曲路迷宫式密封(16)。

5.根据权利要求1所述的气道式燃气轮机，其特征在于：所述压气机是轴流式、离心式或者螺杆式压气机。

6.根据权利要求1所述的气道式燃气轮机，其特征在于：所述气道转子(1)采用合金钢材质。

7.根据权利要求1所述的气道式燃气轮机，其特征在于：所述燃气透平的排气口(7)连接有回热器，所述回热器与所述压气机以管道连接。

8.根据权利要求1或2所述的气道式燃气轮机，其特征在于：所述气道(3)内壁衬有陶瓷耐热材料。

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