CN101737104A - 燃气-蒸汽透平发动机 - Google Patents

Abstract

本发明的燃气-蒸汽透平发动机，分为锅炉式、叶轮式二种形式。该发动机通过二元制的进气系统控制燃烧，利用燃烧形成的动能和热能产生高温高压燃气和蒸汽或其混合物，从而利用上述气体产物来做功，并同时回收燃烧做功时消耗的热量，做功后的蒸汽冷却还原后循环利用。因而从根本上解决了现有热机巨大的能源浪费和严重的环境污染问题。与原有技术相比，实现节能达75％左右，且排放几乎为零。

Description

燃气-蒸汽透平发动机

本发明是2005800094116号中国专利申请的分案申请，原申请的申请日为2005年6月14日，优先权日为2004年8月19日，发明创造名称为燃气-蒸汽发动机。

技术领域

本发明涉及一种发动机，该发动机适用于机动车、机械设备、航空器和舰船。

背景技术

当今世界能源危机和环境污染日趋严重，而现有的热机又普遍存在着严重浪费燃料和污染环境的现象。本专利申请的发明人认为解决这一技术问题的关键涉及到对燃烧机理的深入研究。目前人们普遍把燃烧的动能归为热能，本发明人认为动能和热能是随燃烧同时产生的。把燃烧理解为在化学反应下的密度释放(动能)和热量释放。如C和O₂燃烧产生CO₂，C相对于CO₂是高密度的固体，而CO₂相对于C是微小密度的气体，即使气体燃料也要先压缩成一定密度才能燃烧，如液化天然气，液化石油气等。

燃烧热能是随动能而产生的，即在化学反应下的密度释放过程中产生了热量，密度释放越快，动能越大，热能也越强，燃烧工质越多，密度释放后的体积越大，即动量越多，产生的热量也越多，如火药和燃油爆炸(剧烈燃烧)的动能是典型例子。虽然动能可随热能的流失而消失，但热能也可随动能的增强而增加，如压缩式热泵，它们是相互依存和相互转换且成正比的关系，即动能越大热能也越大，反之热能越大动能也越大，但它们却是不同的两种能量。因燃烧中动能和热能成正比，所以动能适用于热定律学进行计算研究，这也是为什么燃机的研究设计可以用于热定律学得出结论的原因。对于发动机来讲，动能是直接能量，而热能是间接能量，它必须经中介转化，如锅炉产汽驱动蒸汽机。热能对于取暖、做饭等是直接能量，如家用燃具利用燃烧的热能做饭、洗浴，但它没有利用动能，而现有的燃机只利用了燃烧时的动能，热能都随冷却系统和排气系统白白浪费掉；蒸汽机组中的锅炉只利用了燃烧时的热能、动能都随烟气白白流失，且它们的排气都严重污染环境。

发明内容

本专利申请的发明人从动能和热能随燃烧同时产生的认识出发，提供一种可同时利用燃烧产生燃气和蒸汽，并回收燃烧作功时消耗的热量，达到根本性节能环保、结构精简可靠、高功率密度的发动机。

为此而提出的二种体现其技术构思的解决方案是：

一种燃气-蒸汽锅炉机，该燃气-蒸汽锅炉机为燃机、蒸汽机和磁电机的三机组合，包括锅炉、燃烧室、双面向心透平、涡壳、轴、换热器、二元制进气系统、蒸汽进汽道、蒸汽排汽道、预热器、凝汽器、风扇、磁电机、给水泵组成，在可拆装的保温锅炉水面下，燃料与氧气燃烧的燃气在双面向心透平燃气涡轮面作功后，经换热器排出锅炉，锅炉内水吸收燃气热量变为高压蒸汽驱动双面向心透平蒸汽涡轮面，作功后的蒸汽经设在排气道内的预热器，预热锅炉给水，同时蒸汽也得到了冷却，再引入凝汽器，经冷却后还原回液态水，经过滤后由给水泵抽入预热器，吸收蒸汽余热后经单向阀又进入锅炉循环。

由于锅炉机结构简单，可以与磁电机组成同轴的一体机，形成并联混合动力系统，同时给锅炉机提供启动与供电。

所述的双面向心透平由常规的向心透平背靠背合并而成，一面为燃气涡轮，另一面为蒸汽涡轮，燃气和蒸汽经同一只向心透平作功。

该双面向心透平由燃气和蒸汽同时作功可相互减少热损失，由于蒸汽较燃气温度低，所以进入双面向心透平的蒸汽还可以再热膨胀，同时冷却了透平。

所述的二元制进气系统由氧气电控喷射系统和燃料电控喷射系统组成，电控系统可共用，各自喷射或利用高压氧气按当量比驱动燃料共用一个喷嘴喷射(喷雾器式)。

该二元制进气系统解决了现有技术粗放型进气、效率低、能耗高、功率密度低、对环境污染严重等问题，达到了在任何工况下精确控制混合气比例和进气量，高度节能，高功率密度，从根本上杜绝了NOx的产生和显著降低CO和HC等污染物的产生。

因空气中有大约21％的氧气，所以氧燃比为空燃比的21％，如汽油的空燃比为14.7∶1，那么氧燃比就为约3.1∶1就可以了，纯氧气促进燃烧，可谓是一触即发，使动能和热能相对于空燃比燃烧在更短的时间内同时释放，加之燃烧室或气缸容积的减小，更缩短了火焰传播时间，同时相对于空燃比燃烧产生了更高的温度，从而加大了与锅炉水的温差，使换热更迅速，也加大了与排气口或烟气口的废气温差，减少了热损失。因显著节能而减少了燃料携带量和减少了发动机的体积和质量，所以弥补了携带氧气瓶的体积和质量的不足。

本发明提供的燃气-蒸汽锅炉机的工作原理为：保温锅炉内水面下，燃料与氧气燃烧的燃气在双面向心透平燃气涡轮面作功后，经换热器后排出锅炉，锅炉内水吸收燃气热量后变为高压蒸汽驱动双面向心透平蒸汽涡轮面，作功后的蒸汽预热锅炉给水后，再引入凝汽器冷却还原回高温液态水，经给水泵抽入预热器吸收蒸汽余热后，又进入锅炉循环。同轴的磁电机提供锅炉机启动和供电外，还为并联混合动力系统关系。

本发明一种燃气-蒸汽锅炉机把同轴的燃机和蒸汽机安装在可拆装的保温锅炉内的水面下，拆装线可按需要选择，可采用法兰式连接，燃机和蒸汽机的外壳尽量采用一体化制造，密封处用软金属密封垫，并有与外壳一体的轴套延伸至与锅炉法兰连接处，达到隔绝水和高压蒸汽的作用，可采用中空轴油道压力润滑。燃机的排气引入换热器，排气在此换热后经统一排气口排出锅炉外，这样燃机作功几乎没有热损，只在排气中有小部分热损，但这也是现有锅炉烟气的热损，绝大部分热量都被锅炉内的水吸收产生高压蒸汽经进汽道驱动蒸汽机，作功后的蒸汽经设在排汽道内的预热器，预热锅炉给水，同时排汽也得到了冷却，再引入凝汽器，经与燃气-蒸汽锅炉机同轴或同步的风扇或自然风或水流(包括机动车、舰船、航空器的迎风迎水)冷却后还原回高温(95℃以上)液态水，经过滤后由同轴或同步的给水泵抽入预热器，吸收排汽余热后经单向阀又进入锅炉循环。此时燃气-蒸汽锅炉机的功率是现有技术的两台相同能耗的燃机和蒸汽机组(锅炉)功率的总和以上，耗能量却只有一台燃机的能耗，且无噪声污染。

为符合锅炉内安装的需要，须简化燃机和蒸汽机及提高功率密度和可靠性，因此设计了二元制进气系统，它不仅满足了以上需要，且还实现了更高节能和近零放，使燃气-蒸汽锅炉机耗能量保持在原来的水平上，再次实现了大幅度的节能，即功率的显著增加。因锅炉水为循环利用，所以锅炉尺寸可以制造的非常紧凑，只需满足换热和蒸汽负荷或流量即可。

由于锅炉机结构简单，可与磁电机组成或同轴的一体机，形成并联混合动力系统，同时给锅炉机提供启动与供电。实现了更高的节能性、可靠性、环保性。这样燃机兼代了锅炉的炉膛，换热器替代了燃机的排气管，凝汽器替代了燃机的散热器，预热器替代了燃机的回热器，锅炉替代了燃机的冷却系统，磁电机替代了辅助动力。

一种燃气-蒸汽轮机，将燃气轮机和蒸汽轮机合二为一，共用一套涡轮，该发动机包括二元制进气系统、燃烧室、涡壳、环通道低压过热器、环通道高压过热器、凝汽器、轴、涡轮、给水泵、预热器、环形引射进汽口、排汽道、风扇、水过滤器、排气口，在采用二元制进气系统的球形燃烧室和涡壳外表面设保温环通道过热器(直流锅炉)，水由凝汽器经与燃气-蒸汽轮机同轴或同步的给水泵供给，进入预热器吸收排气余热后变为蒸汽，进入低压过热器吸收涡壳热量后又进入高压过热器吸收燃烧室热量，再经环形引射进汽口后，与进入涡轮前的高温燃气混合再次吸收燃气的“超热”膨胀，共同推动涡轮及轴作功，排汽经设在排汽道内的预热器，预热锅锅炉给水，同时排汽也得到了冷却，再引入凝汽器，经冷却后还原回高温(95℃以上)液态水，过滤后又进入给水泵循环，包括燃烧产生的H₂O气也一起被液化，极少量的CO₂则经凝汽器上的排气口排出。

所述的环形引射进汽口的前部分函道内径(燃烧室出口)比环形引射进汽口后的函道内径小，高温高压燃气经过时，在环形间隙处产生负压，形成强烈的引射作用，相对低压的蒸汽就经环形间隙进入函道与燃气混合。

混合气的涡轮进口温度由燃气膨胀极限温度和蒸汽膨胀极限温度折衷而定，约在800℃左右，因水蒸汽在850℃左右会裂解为H₂和O₂，此时作功能力就会与燃气无异，而800℃也与燃气的膨胀极限温度接近。

本发明提供的燃气-蒸汽透平发动机其核心机件之间的密封垫采用由软金属，如：铅、锡、锌或铝等软金属制成。

现有的密封垫基本都用纸质和橡胶质的材料制成。它们有一个共同缺点，即都为热的不良导体，使机器产生的热量不能迅速的传递和散发，在各个密封件之间产生了温差，导致密封件之间的热胀冷缩不同，易产生密封不良的后果，且因密封垫本身的材质，使其使用寿命很短，易老化分解。

因金属密封垫用软金属制成，所以实现了无热阻，不会产生因热阻导致的密封不良和温度过高等问题，使用寿命更长，不易老化分解，且增加了机器的整体性和美观。

因本发明的燃气-蒸汽透平发动机同时利用了燃烧的动能和热能，并采用了二元制燃烧和余热回收及回收了制氧时消耗的能量，且在等压下蒸汽的作功能力比空气-燃料燃烧产物大一倍以上，所以从根本上解决了现有热机巨大的能源浪费和环境污染问题，达到了惊人的效果：

(1)实现了极度节能，最高节能可达75％左右，也即只需原25％的燃料可输出原动力。

(2)由于高纯度的CO₂很容易处理，所以达到了零排放。

(3)结构的简单紧凑又达到了极高的功率密度和可靠性。

附图说明

图1为本发明发动机的燃气-蒸汽锅炉机剖视图；

图2为本发明发动机的燃气-蒸汽轮机剖视图；

具体实施方式

附图中描述了本发明提供的燃气-蒸汽透平发动机二种形式的各一个优选实施例。

图1所示的燃气-蒸汽锅炉机1是把同轴2的燃机3和蒸汽机4安装在可拆装的保温锅炉5内的水面下，拆装线6可按需要选择，可采用法兰式连接，燃机3和蒸汽机4的外壳7尽量采用一体化制造，密封处用软金属密封垫8，并有与外壳7一体的轴套9延伸至与锅炉5的法兰连接处，达到隔绝水和高压蒸汽的作用，并可采用中空轴2油道压力润滑；燃机3燃烧从二元制进气系统10进入的混合物做功，排气引入换热器11，在此换热后经排气口12排出锅炉5外，这样燃机3做功几乎没有热损，绝大部分热量都被锅炉5内的水吸收产生高压蒸汽经进汽道13和进汽电磁阀14驱动蒸汽机4，作功后的蒸汽经设在排汽道15内的预热器16，预热锅炉5给水，同时排汽也得到了冷却，再引入凝汽器17，经同轴2或同步的风扇18或自然风或水流(包括机动车、舰船、航空器的迎风迎水)冷却后还原回高温(95℃以上)液态水，经过滤器19后由同轴2或同步的给水泵20抽入预热器16，吸收排汽余热后经单向阀21后又进入锅炉5循环，因锅炉5水为循环利用，所以锅炉5尺寸可以制造得非常紧凑，只需满足换热和蒸汽负荷或流量即可；由于锅炉机1结构简单，可以与磁电机22组成同轴2的一体机，形成并联混合动力系统23，同时给锅炉机1提供启动与供电。

工作原理：保温锅炉5水面下，燃烧室24燃料与氧气燃烧的燃气在双面向心透平25燃气涡轮面作功后，经换热器11后排出锅炉5，锅炉5内水吸收燃气热量后变为高压蒸汽驱动双面向心透平25蒸汽涡轮面，作功后的蒸汽预热锅炉5给出水后再引入凝汽器17冷却还原回高温液态水，经给水泵20抽入预热器16吸收排汽余热后又进入锅炉5循环。同轴2的磁电机22与锅炉机1组成并联混合动力系统23，同时给锅炉机1提供启动与供电。

本燃气-蒸汽锅炉机技术设计的核心组成双面向心透平25可理解为现有技术的向心透平背靠背合并而成，一面为燃气涡轮3，另一面为蒸汽涡轮4，燃气和蒸汽经同一只向心透平25作功，燃气和蒸汽同时作功可相互减少热损失，由于蒸汽较燃气温度低，所以进入双面向心透平25的蒸汽还可以再热膨胀，同时冷却了透平25。

图2所示的燃气-蒸汽轮机26，在采用二元制进气系统27的球形燃烧室28和涡壳29外表面设保温环通道过热器30、31，水由凝汽器32经与燃气-蒸汽轮机26同轴33或同步的给水泵34供给，进入预热器35吸收排气余热后变为蒸汽，进入低压过热器30吸收涡壳29热量后又进入高压过热器31，吸收燃烧室28热量后，再经环形引射进汽口36后与进入涡轮37前的高温高压燃气混合后再次吸收燃气的“超热”膨胀，共同推动涡轮37及轴33作功，排汽经设在排汽道38内的预热器35，预热锅炉30、31给水，同时排汽也得到了冷却，再引入凝汽器32，经同轴33或同步的风扇39或自然风或水流(包括机动车、舰船、航空器的迎风迎水)冷却后还原回高温(95℃以上)液态水，经过滤器40后又进入给水泵34循环，包括燃烧产生的H₂O气也一起被液化，极少量的CO₂则经凝汽器32上的排气口41排出。

环形引射进汽口36的前部分函道42内径(燃烧室出口)比环形引射进汽口后的函道43内径小，高温高压燃气经过时，在环形间隙36处产生负压，形成强烈的引射作用，相对低压的蒸汽就经环形间隙36处进入函道与燃气混合。

上面结合附图详细说明的实施方式并非是对本发明提供的技术方案的限定，凡是根据本发明提出的技术构思作出的变型，都应当是本发明的权利要求的保护范围之内，如采用直流锅炉或汽包锅炉的变型；采用轴流或径流涡轮的变型；将排气直接排入大气的变型；锅炉外置同轴或非同轴蒸汽机的变型；增设与发动机同轴的压气机替代氧气喷射系统的变型；采用富氧助燃制氧装置替代氧气源的变型；各组件位置的变型等。

Claims (7)

1.一种燃气-蒸汽锅炉机，该发动机为燃机、蒸汽机和磁电机的三机结合，包括轴、磁电机、换热器、蒸汽进汽道、蒸汽排汽道、预热器、凝汽器、风扇和给水泵，其特征为还设有锅炉、双面向心透平、涡壳、二元制进气系统和水汽循环系统，可拆装的保温锅炉内水下，燃料与氧气燃烧的燃气在双面向心透平燃气涡轮面作功后，经换热器排出锅炉，锅炉内水吸收燃气热量后，变为高压蒸汽驱动双面向心透平蒸汽涡轮面，作功后的蒸汽经设在排汽道内的预热器，预热锅炉给水，同时蒸汽也得到了冷却，再引入凝汽器，经同轴或同步的风扇或自然风或水流冷却后还原回液态水，经过滤后由同轴或同步的给水泵抽入预热器，吸收排汽余热后，经单向阀又进入锅炉循环，同轴的磁电机与燃气-蒸汽锅炉机组成并联混合动力系统，同时给燃气-蒸汽锅炉机提供启动与供电。

2.一种燃气-蒸汽轮机，该发动机包括燃烧室、凝汽器、轴、给水泵、预热器、环形引射进汽口、排汽道、风扇、水过滤器、排气口，其特征为还设有环通道低压过热器、环通道高压过热器、涡轮、涡壳和二元制进气系统，把燃气轮机和蒸汽轮机合二为一，共用一套涡轮，在采用二元制进气系统的球形燃烧室和涡壳外表面设保温环通道过热器，水由凝汽器经与燃气-蒸汽轮机同轴或同步的给水泵供给，进入预热器吸收排气余热后变为蒸汽，进入低压过热器吸收涡壳热量后又进入高压过热器吸收燃烧室热量，再经环形引射进汽口后，与进入涡轮前的高温燃气混合再次吸收燃气的超热膨胀，共同推动涡轮及轴作功，排汽经设在排汽道内的预热器，预热锅炉给水，同时排汽也得到了冷却，再引入凝汽器，经同轴或同步的风扇或自然风或水流冷却后还原回高温液态水，过滤后又进入给水泵循环，包括燃烧产生的H₂O气也一起被液化，极少量的CO₂则经凝汽器上的排气口排出。

3.根据权利要求1所述的发动机，其特征为：不可燃液体从汽包锅炉或直流锅炉外注入，吸收燃气轮机燃烧作功时消耗的热量后变为高压蒸汽，经同轴的径流涡轮或轴流涡轮作功，排汽预热注入锅炉的不可燃液体后，引入冷却还原装置循环利用。

4.根据权利要求2所述的发动机，其特征为：不可燃液体从汽包锅炉或直流锅炉外注入，吸收燃气燃烧作功时消耗的热量后变为高压蒸汽，并与燃气混合后共同经轴流涡轮或径流涡轮作功，排汽经预热锅炉给水后引入冷却还原装置循环利用。

5.根据权利要求1或2所述的发动机，其特征为：所述的二元制进气系统由氧气电控喷射系统和燃料电控喷射系统组成，其电控系统部分共用，各自喷射或利用高压氧气按当量比驱动燃料共用一个喷嘴喷射。

6.根据权利要求1所述的发动机，其特征为：所述的双面向心透平由向心透平背靠背合并而成，燃气和蒸汽经同一只双面向心透平作功，其一面为燃气涡轮，另一面为蒸汽涡轮，燃气和蒸汽同时作功时，相对低温的蒸汽可再热膨胀，同时冷却透平。

7.根据权利要求1或2所述的发动机，其特征为：各高温高压机件之间的密封垫采用由软金属制成的金属密封垫，其软金属为铅或锡或锌或铝。

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