CN103821614A - 一种液态空气工质环境热动力气轮机及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态空气工质环境热动力气轮机及工作方法，其中的一种液态空气工质环境热动力气轮机包括：液态空气储罐、高压超低温液体泵、射流引流器、超低温气液管道、热源输出口、热源输入口、高压气化器、高压常温输气管道、气体混合引流器、换热器热媒液体输入口、换热器热媒液体输出口、低压低温空气管道、连轴器、气轮机、输气管道、排气头、发电机、连接器、管道及由气体扩张段、换热器、气体收缩段组成的补熵换热器。本发明利用工质吸收低品位自然环境已有热能、生产生活中排放的含热介质中的低品位废热，气化膨胀做功，工作过程中温度较低，动力机械，特别是燃气轮机在生产制造使用中降低材料工艺要求，系统复杂性下降、省去散热系统，几乎不新消耗能源物质，特别适合作为舰船动力。

Description

一种液态空气工质环境热动力气轮机及工作方法

技术领域

本发明属于燃气轮机领域，具体涉及一种液态空气工质环境热动力气轮机及工作方法。

背景技术

燃气轮机(GasTurbine)是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械。在空气和燃气的主要流程中，只有压气机(Compressor)、燃烧室(Combustor)和燃气气轮机(Turbine)这三大部件组成的燃气轮机循环，通称为简单循环。大多数燃气轮机均采用简单循环方案。因为它的结构最简单，而且最能体现出燃气轮机所特有的体积小、重量轻、起动快、少用或不用冷却水等一系列优点。

压气机从外界大气环境吸入空气，并经过轴流式压气机逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高；压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的燃气；然后再进入到气轮机中气化膨胀做功，推动气轮机带动压气机和外负荷转子一起高速旋转，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功。从气轮机中排出的废气排至大气自然放热。这样，燃气轮机就把燃料的化学能转化为热能，又把部分热能转变成机械能。通常在燃气轮机中，压气机是由燃气气轮机气化膨胀做功来带动的，它是气轮机的负载。在简单循环中，气轮机发出的机械功有1／2到2／3左右用来带动压气机，其余的1／3左右的机械功用来输出机械能，如驱动发电机。在燃气轮机起动的时候，首先需要外界动力，一般是起动机带动压气机，直到燃气气轮机发出的机械功大于压气机消耗的机械功时，外界起动机脱扣，燃气轮机才能自身独立工作。

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。燃气轮机可以是一个广泛的称呼，基本原理大同小异，一般所指的燃气气轮机发动机，通常是指用于船舶(以军用作战舰艇为主)、车辆(通常是体积庞大可以容纳得下燃气气轮机的车种，例如坦克、工程车辆等)。与推进用的气轮机发动机不同之处，在于其气轮机除了要带动传动轴，传动轴再连上车辆的传动系统、船舶的螺旋桨等外，还会另外带动压气机。

燃气轮机的工作过程是，压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气气轮机中气化膨胀做功，推动气轮机叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的做功能力显著提高，因而燃气气轮机在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，待加速到能独立运行后，起动机才脱开。

燃气轮机的工作过程是最简单的，称为简单循环；此外，还有回热循环和复杂循环。燃气轮机的工质来自大气，最后又排至大气，是开式循环；此外，还有工质被封闭循环使用的闭式循环。燃气轮机与其他热机相结合的称为复合循环装置。

燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械装备，是典型的高新技术密集型产品。作为高科技的载体，燃气轮机代表了多理论学科和多工程领域发展的综合水平，是21世纪的先导技术。发展集新技术、新材料、新工艺于一身的燃气轮机产业，是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一，具有十分突出的战略地位。

燃气轮机与其它动力机械相比，具有重量轻、体积小、启动快、可靠性好、单机功率大、运行平稳、寿命长、维修方便等优点。因此，燃气轮机的应用前景非常广阔。

燃气初温和压气机的压缩比，是影响燃气轮机效率的两个主要因素。提高燃气初温，并相应提高压缩比，可使燃气轮机效率显著提高。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种液态空气工质环境热动力气轮机及工作方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种液态空气工质环境热动力气轮机，包括：液态空气储罐、高压超低温液体泵、射流引流器、超低温气液管道、热源输出口、热源输入口、高压气化器、高压常温输气管道、气体混合引流器、换热器热媒液体输入口、换热器热媒液体输出口、低压低温空气管道、连轴器、气轮机、输气管道、排气头、发电机、连接器、管道及由气体扩张段、换热器、气体收缩段组成的补熵换热器；所述高压气化器通过高压常温输气管道连接气体混合引流器；所述气体混合引流器通过输气管道连接气轮机；所述发电机设置在气轮机前端；所述连轴器设置在气轮机后端；所述排气头连接低压低温空气管道；所述气体扩张段连接低压低温空气管道的进气端；所述换热器设置在气体扩张段的上方并和气体扩张段连接；所述气体收缩段设置在换热器的上方，所述气体收缩段的上端和气体混合引流器连接，下端和换热器连接；所述换热器热媒液体输入口和换热器热媒液体输出口分别连接换热器；所述高压气化器通过超低温气液管道连接射流引流器；所述管道输出端连接射流引流器，所述管道另一端连接气体收缩段；所述高压超低温液体泵输出端连接射流引流器；所述高压超低温液体泵输入端连接液态空气储罐；所述连接器输出端连接液态空气储罐。

进一步地，所述气体混合引流器包括：气体混合引流器输出口、膨胀混合段、气体混合引流器喷口、进气口及气体混合引流器输入口；所述气体混合引流器喷口设置在气体混合引流器输入口的上端；所述进气口设置在气体混合引流器输入口的旁边；所述膨胀混合段设置在气体混合引流器的中部；所述气体混合引流器输出口设置在气体混合引流器的上端。

更进一步地，所述射流引流器包括：喷管、混合段、射流引流器输出口、射流引流器喷口、进气管及射流引流器输入口；所述射流引流器输出口设置在射流引流器的底部；所述混合段设置在射流引流器输出口的上部；所述喷管设置在射流引流器的内部，混合段的上部；所述射流引流器输入口设置在喷管的上端；所述进气管设置在射流引流器的侧面；所述射流引流器喷口设置在进气管连接射流引流器内部的位置。

根据本发明的又一方面，提供了一种液态空气工质环境热动力气轮机

工作方法，包括以下步骤：

S1，高压超低温液体泵把液态空气储罐中的液态空气抽出，以30MPa以上的压力输送；

S2，高压的超低温的液体到达射流引流器，吸入从管道输送来的气态空气，混合后形成较低温度的汽液混合物；

S3，30MPa以上的高压的较低温的气液混合物进入到低温高压气化器，从高压气化器热源输入口引入环境带有能量的液体，把热量传给超低温的气液混合物后通过高压气化器热源输出口排出，汽液混合物完全气化升温达到较高温度，成为高压的常温的空气，高压常温的空气通过高压常温输气管道进入到气体混合引流器；

S4，在气体混合引流器，少量高压气流带动10倍以上大量低压气流一起流动，热量、压力混合交流，成为较低压力的，较大气流量的气流，这个气流气压在1MPa到5MPa之间；

S5，进入气轮机工作，通过共轴输出，带动发电机发电，供系统使用，同时通过连轴器带动气轮机，带动负载；

S6，气轮机排出的低温低压气体经过低压低温空气管道，到达由气体扩张段、换热器、气体收缩段组成的补熵换热器，在气体扩张段，由于容器横截面积增加，气流压力减小，流速减小，温度降低，更有利于换热；气流到换热器部分，与从换热器热媒液体输入口引入、换热器热媒液体输出口排出的含有热量的液体进行热交换，继续升温、升压、补熵；

S7，通过补熵达到尽可能大的压力和更高温度的气流，气体到收缩段后，容器横截面积减小，压力、温度上升，形成更高温度的气体；该气体部分通过管道被射流引流器吸入，与超低温高压液态空气混合后得到利用，另外大部分将通过气体混合引流器，和从高压常温输气管道输送来的高压低温气流带动、推动、混温、混压后，形成约1MPa到5MPa的工作气流；

S8，进入下一个循环。

进一步地，所述液态空气工质环境热动力气轮机工作方法，还包括：高压的超低温的液体到射流引流器，在喷管入口形成液流的时候带动周围的气体一起流动，在混合段超低温的液态空气和空气混合，热量传给液态空气，达到液态空气的沸点，变成超低温的高压气流，由流体力学原理，吸引从进气管进来的气体一起流动，实现第一步液体汽化，形成气液混合物，以有利于后续的热交换，同时输出高压的气体，具有压气机的作用。

更进一步地，所述液态空气工质环境热动力气轮机工作方法，还包括：空气从气体混合引流器输入口输入，高压的常温气体在气体混合引流器喷口里面体积缩小，压强上升，喷射，带动进气口中的气体一起高速运动，具有较高的压力，实现的目的是带有气泵的作用。

本发明的优点：

工质吸收低品位自然环境已有热能、生产生活中排放的含热介质中的低品位废热，气化膨胀做功，工作过程中温度较低，动力机械，特别是燃气轮机在生产制造使用中降低材料工艺要求，系统复杂性下降、省去散热系统，几乎不新消耗能源物质，特别适合作为舰船动力；

采用液态空气物理变化释放能量，对机械系统无害，对环境无害，节能减排；

省去压气机，所有机械动力均来热能，效率高；

温度变化范围小，叶片动静间隙不用调整，气轮机效率提高；

用于军事领域大型装备如坦克、军舰、直升机，由于喷出的尾气没有热量，红外特性减弱，使得红外寻的武器无法定位跟踪，实现红外隐身。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的一种液态空气工质环境热动力气轮机结构示意图；

图2是本发明的一种液态空气工质环境热动力气轮机工作方法流程图；

图3是本发明的射流引流器结构示意图；

图4是本发明的气体混合引流器结构示意图。

附图说明：

1为液态空气储罐、2为高压超低温液体泵、3为射流引流器、4为超低温气液管道、5为热源输出口、6为热源输入口、7为高压气化器、8为高压常温输气管道、9为气体混合引流器、10为换热器热媒液体输入口、11为换热器热媒液体输出口、12为气体收缩段、13为换热器、14为气体扩张段、15为低压低温空气管道、16为连轴器、17为气轮机、18为输气管道、19为排气头、20为发电机、21为连接器、22为管道、31为气体混合引流器输出口、32为膨胀混合段、33为气体混合引流器喷口、34为进气口、35为气体混合引流器输入口、36为喷管、37为混合段、38为射流引流器输出口、39为射流引流器喷口、40为进气管及41为射流引流器输入口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参考图1，如图1所示的一种液态空气工质环境热动力气轮机，包括：液态空气储罐1、高压超低温液体泵2、射流引流器3、超低温气液管道4、热源输出口5、热源输入口6、高压气化器7、高压常温输气管道8、气体混合引流器9、换热器热媒液体输入口10、换热器热媒液体输出口11、低压低温空气管道15、连轴器16、气轮机17、输气管道18、排气头19、发电机20、连接器21、管道22及由气体扩张段14、换热器13、气体收缩段12组成的补熵换热器；所述高压气化器7通过高压常温输气管道8连接气体混合引流器9；所述气体混合引流器9通过输气管道18连接气轮机17；所述发电机20设置在气轮机17前端；所述连轴器16设置在气轮机17后端；所述排气头19连接低压低温空气管道15；所述气体扩张段14连接低压低温空气管道15的进气端；所述换热器13设置在气体扩张段14的上方并和气体扩张段14连接；所述气体收缩段12设置在换热器13的上方，所述气体收缩段12的上端和气体混合引流器9连接，下端和换热器13连接；所述换热器热媒液体输入口10和换热器热媒液体输出口11分别连接换热器13；所述高压气化器7通过超低温气液管道4连接射流引流器3；所述管道22输出端连接射流引流器3，所述管道22另一端连接气体收缩段12；所述高压超低温液体泵2输出端连接射流引流器3；所述高压超低温液体泵2输入端连接液态空气储罐1；所述连接器21输出端连接液态空气储罐1。

参考图4，如图4所示的气体混合引流器9包括：气体混合引流器输出口31、膨胀混合段32、气体混合引流器喷口33、进气口34及气体混合引流器输入口35；所述气体混合引流器喷口33设置在气体混合引流器输入口35的上端；所述进气口34设置在气体混合引流器输入口35的旁边；所述膨胀混合段32设置在气体混合引流器9的中部；所述气体混合引流器输出口31设置在气体混合引流器9的上端。

参考图3，如图3所示的射流引流器3包括：喷管36、混合段37、射流引流器输出口38、射流引流器喷口39、进气管40及射流引流器输入口41；所述射流引流器输出口38设置在射流引流器3的底部；所述混合段37设置在射流引流器输出口38的上部；所述喷管36设置在射流引流器3的内部，混合段37的上部；所述射流引流器输入口41设置在喷管36的上端；所述进气管40设置在射流引流器3的侧面；所述射流引流器喷口39设置在进气管40连接射流引流器3内部的位置。

所述连接器21是用以给罐体补充加注液态空气介质。

实施例2

参考图2，如图2所示的一种液态空气工质环境热动力气轮机工作方法，包括以下步骤：

S1，高压超低温液体泵2把液态空气储罐1中的液态空气抽出，以30MPa以上的压力输送；

S2，高压的超低温的液体到达射流引流器3，吸入从管道22输送来的气态空气，混合后形成较低温度的汽液混合物；

S3，30MPa以上的高压的较低温的气液混合物进入到低温高压气化器7，从高压气化器7热源输入口6引入环境带有能量的液体，把热量传给超低温的气液混合物后通过高压气化器7热源输出口5排出，汽液混合物完全气化升温达到较高温度，成为高压的常温的空气，高压常温的空气通过高压常温输气管道8进入到气体混合引流器9；

S4，在气体混合引流器9，少量高压气流带动10倍以上大量低压气流一起流动，热量、压力混合交流，成为较低压力的，较大气流量的气流，这个气流气压在1MPa到5MPa之间；

S5，进入气轮机17工作，通过共轴输出，带动发电机20发电，供系统使用，同时通过连轴器16带动气轮机，带动负载；

S6，气轮机排出的低温低压气体经过低压低温空气管道15，到达由气体扩张段14、换热器13、气体收缩段12组成的补熵换热器，在气体扩张段14，由于容器横截面积增加，气流压力减小，流速减小，温度降低，更有利于换热；气流到换热器13部分，与从换热器热媒液体输入口10引入、换热器热媒液体输出口11排出的含有热量的液体进行热交换，继续升温、升压、补熵；

S7，通过补熵达到尽可能大的压力和更高温度的气流，气体到收缩段12后，容器横截面积减小，压力、温度上升，形成更高温度的气体；该气体部分通过管道22被射流引流器3吸入，与超低温高压液态空气混合后得到利用，另外大部分将通过气体混合引流器9，和从高压常温输气管道8输送来的高压低温气流带动、推动、混温、混压后，形成约1MPa到5MPa的工作气流；

S8，进入下一个循环。

所述液态空气工质环境热动力气轮机工作方法，还包括：高压的超低温的液体到射流引流器3，在喷管36入口形成液流的时候带动周围的气体一起流动，在混合段37超低温的液态空气和空气混合，热量传给液态空气，达到液态空气的沸点，变成超低温的高压气流，由流体力学原理，吸引从进气管40进来的气体一起流动，实现第一步液体汽化，形成气液混合物，以有利于后续的热交换，同时输出高压的气体，具有压气机的作用。

所述液态空气工质环境热动力气轮机工作方法，还包括：空气从气体混合引流器输入口35输入，高压的常温气体在气体混合引流器喷口33里面体积缩小，压强上升，喷射，带动进气口34中的气体一起高速运动，具有较高的压力，实现的目的是带有气泵的作用。

本发明利用工质吸收低品位自然环境已有热能、生产生活中排放的含热介质中的低品位废热，气化膨胀做功，工作过程中温度较低，动力机械，特别是燃气轮机在生产制造使用中降低材料工艺要求，系统复杂性下降、省去散热系统，几乎不新消耗能源物质，特别适合作为舰船动力；

采用液态空气物理变化释放能量，对机械系统无害，对环境无害，节能减排；

省去压气机，所有机械动力均来热能，效率高；

温度变化范围小，叶片动静间隙不用调整，气轮机效率提高；

用于军事领域大型装备如坦克、军舰、直升机，由于喷出的尾气没有高温热量，红外特性、紫外特性大大减弱，使得红外寻的武器无法定位跟踪，实现红外隐身。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种液态空气工质环境热动力气轮机，其特征在于，包括：液态空气储罐(1)、高压超低温液体泵(2)、射流引流器(3)、超低温气液管道(4)、热源输出口(5)、热源输入口(6)、高压气化器(7)、高压常温输气管道(8)、气体混合引流器(9)、换热器热媒液体输入口(10)、换热器热媒液体输出口(11)、低压低温空气管道(15)、连轴器(16)、气轮机(17)、输气管道(18)、排气头(19)、发电机(20)、连接器(21)、管道(22)及由气体扩张段(14)、换热器(13)、气体收缩段(12)组成的补熵换热器；所述高压气化器(7)通过高压常温输气管道(8)连接气体混合引流器(9)；所述气体混合引流器(9)通过输气管道(18)连接气轮机(17)；所述发电机(20)设置在气轮机(17)前端；所述连轴器(16)设置在气轮机(17)后端；所述排气头(19)连接低压低温空气管道(15)；所述气体扩张段(14)连接低压低温空气管道(15)的进气端；所述换热器(13)设置在气体扩张段(14)的上方并和气体扩张段(14)连接；所述气体收缩段(12)设置在换热器(13)的上方，所述气体收缩段(12)的上端和气体混合引流器(9)连接，下端和换热器(13)连接；所述换热器热媒液体输入口(10)和换热器热媒液体输出口(11)分别连接换热器(13)；所述高压气化器(7)通过超低温气液管道(4)连接射流引流器(3)；所述管道(22)输出端连接射流引流器(3)，所述管道(22)另一端连接气体收缩段(12)；所述高压超低温液体泵(2)输出端连接射流引流器(3)；所述高压超低温液体泵(2)输入端连接液态空气储罐(1)；所述连接器(21)输出端连接液态空气储罐(1)。

2.根据权利要求1所述的液态空气工质环境热动力气轮机，其特征在于，所述气体混合引流器(9)包括：气体混合引流器输出口(31)、膨胀混合段(32)、气体混合引流器喷口(33)、进气口(34)及气体混合引流器输入口(35)；所述气体混合引流器喷口(33)设置在气体混合引流器输入口(35)的上端；所述进气口(34)设置在气体混合引流器输入口(35)的旁边；所述膨胀混合段(32)设置在气体混合引流器(9)的中部；所述气体混合引流器输出口(31)设置在气体混合引流器(9)的上端。

3.根据权利要求1所述的液态空气工质环境热动力气轮机，其特征在于，所述射流引流器(3)包括：喷管(36)、混合段(37)、射流引流器输出口(38)、射流引流器喷口(39)、进气管(40)及射流引流器输入口(41)；所述射流引流器输出口(38)设置在射流引流器(3)的底部；所述混合段(37)设置在射流引流器输出口(38)的上部；所述喷管(36)设置在射流引流器(3)的内部，混合段(37)的上部；所述射流引流器输入口(41)设置在喷管(36)的上端；所述进气管(40)设置在射流引流器(3)的侧面；所述射流引流器喷口(39)设置在进气管(40)连接射流引流器(3)内部的位置。

4.一种液态空气工质环境热动力气轮机工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，高压超低温液体泵(2)把液态空气储罐(1)中的液态空气抽出，以30MPa以上的压力输送；

S2，高压的超低温的液体到达射流引流器(3)，吸入从管道(22)输送来的气态空气，混合后形成较低温度的汽液混合物；

S3，30MPa以上的高压的较低温的气液混合物进入到低温高压气化器(7)，从高压气化器(7)热源输入口(6)引入环境带有能量的液体，把热量传给超低温的气液混合物后通过高压气化器(7)热源输出口(5)排出，汽液混合物完全气化升温达到较高温度，成为高压的常温的空气，高压常温的空气通过高压常温输气管道(8)进入到气体混合引流器(9)；

S4，在气体混合引流器(9)，少量高压气流带动10倍以上大量低压气流一起流动，热量、压力混合交流，成为较低压力的，较大气流量的气流，这个气流气压在1MPa到5MPa之间；

S5，进入气轮机(17)工作，通过共轴输出，带动发电机(20)发电，供系统使用，同时通过连轴器(16)带动气轮机，带动负载；

S6，气轮机排出的低温低压气体经过低压低温空气管道(15)，到达由气体扩张段(14)、换热器(13)、气体收缩段(12)组成的补熵换热器，在气体扩张段(14)，由于容器横截面积增加，气流压力减小，流速减小，温度降低，更有利于换热；气流到换热器(13)部分，与从换热器热媒液体输入口(10)引入、换热器热媒液体输出口(11)排出的含有热量的液体进行热交换，继续升温、升压、补熵；

S7，通过补熵达到尽可能大的压力和更高温度的气流，气体到收缩段(12)后，容器横截面积减小，压力、温度上升，形成更高温度的气体；该气体部分通过管道(22)被射流引流器(3)吸入，与超低温高压液态空气混合后得到利用，另外大部分将通过气体混合引流器(9)，和从高压常温输气管道(8)输送来的高压低温气流带动、推动、混温、混压后，形成约1MPa到5MPa的工作气流；

S8，进入下一个循环。

5.根据权利要求4所述的液态空气工质环境热动力气轮机工作方法，其特征在于，还包括：高压的超低温的液体到射流引流器(3)，在喷管(36)入口形成液流的时候带动周围的气体一起流动，在混合段(37)超低温的液态空气和空气混合，热量传给液态空气，达到液态空气的沸点，变成超低温的高压气流，由流体力学原理，吸引从进气管(40)进来的气体一起流动，实现第一步液体汽化，形成气液混合物，以有利于后续的热交换，同时输出高压的气体，具有压气机的作用。

6.根据权利要求4所述的液态空气工质环境热动力气轮机工作方法，其特征在于，还包括：空气从气体混合引流器输入口(35)输入，高压的常温气体在气体混合引流器喷口(33)里面体积缩小，压强上升，喷射，带动进气口(34)中的气体一起高速运动，具有较高的压力，实现的目的是带有气泵的作用。

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