CN103939208A - 一种集成式涡轮增压-燃气发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种集成式涡轮增压-燃气发电系统，包括：空滤器，压气机，涡轮，中冷器，电机，内燃机，燃烧室，换热器、第一切换阀、第二切换阀、第三切换阀，电控装置；压气机、涡轮和电机三者同轴连接，第一切换阀分别与压气机出口、换热器冷端进口和中冷器进口连接，燃烧室进口与换热器冷端出口连接，第二切换阀分别与燃烧室出口、涡轮进口和内燃机排气管出口连接，第三切换阀分别与涡轮出口、大气和换热器热端进口连接，换热器热端出口与大气连通。本发明结构紧凑，高效、环保，可分别进行内燃机涡轮增压和燃气发电两种工作模式，以满足对军民用领域动力机械功能多样化的需要。

Description

一种集成式涡轮增压-燃气发电系统

技术领域

本发明属于热力发动机技术领域，具体说是一种集成式涡轮增压-燃气发电系统。 

背景技术

随着人们节能意识的逐渐增强以及制定排放法规的日益严格，内燃机增压技术越来越受到重视。在各种增压方式中，废气涡轮增压由于利用了发动机废气中的能量，提高了发动机的经济性，被人们广泛地应用。然而废气涡轮增压内燃机存在起动和加速时瞬态响应性差以及高速、高负荷下涡轮增压器会发生超速的缺点。

在军用领域的特种车辆中，往往配置辅机电站对车内的电网供应直流电，确保某些武器装备在主发动机不工作时能够正常工作，以及主机较快地起动并投入战斗状态。传统做法是采用主机低速工作带动电机发电，以便对车内设备和空调进行供电。但由于主机运行在工况十分恶劣的低负荷工况点，长时间工作会造成主机运动部件的磨损，同时由于车辆的噪声和辐射发光，容易暴露目标。因此，大大降低了主机的可靠性和使用寿命，同时也不符合战术要求。另外，在民用领域，如船舶航运、野外勘探和隧道施工等工程中也需要辅机电站提供电能，但是用来满足系统作业要求而单独配置的发电机组结构尺寸大，占用了车辆和船舶的部分空间，减少了货容，增加了燃油的消耗，使得维护和运营成本增加。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供了一种带有单独燃烧室和废热回收装置的集成式涡轮增压-燃气发电系统。当内燃机工作时，系统处于废气涡轮增压工况。尤其当内燃机在起动和加速时，通过电机辅助驱动压气机，快速提高进气压力，增加进入气缸的空气量；在内燃机处于高速大负荷时，涡轮的一部分能量通过电机转化为电能，储存在蓄电池中。当系统处于燃气发电工况时，将单独设计的燃烧室与涡轮增压器连接，利用燃烧燃料产生的能量推动涡轮做功，带动高速电机发电。产生的电能经过整流、逆变和滤波等环节进行处理后，供负载使用。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：一种集成式涡轮增压-燃气发电系统，主要包括：空滤器，压气机，涡轮，中冷器，电机，内燃机，还包括燃烧室，换热器、第一切换阀、第二切换阀、第三切换阀，电控装置；所述压气机、涡轮和电机三者同轴连接，第一切换阀分别与压气机出口、换热器冷端进口和中冷器进口连接，燃烧室进口与换热器冷端出口连接，第二切换阀分别与燃烧室出口、涡轮进口和内燃机排气管出口连接，第三切换阀分别与涡轮出口、大气和换热器热端进口连接，换热器热端出口与大气连通，电控装置分别与第一切换阀、第二切换阀、第三切换阀连接。

本发明中，在所述燃烧室上还连接有点火装置和燃料供给装置。其中燃料供给装置可以向燃烧室提供气体或液体燃料。

本发明中，燃烧室为单管燃烧室。所述燃烧室为顺流式结构或逆流式结构；这样进入燃烧室的空气和离开燃烧室的燃气可以为顺流式或逆流式。

第一切换阀、第二切换阀、第三切换阀均是二位三通阀，可通过此阀的切换实现涡轮增压工况和燃气发电工况中气体的流动方向。

本发明中，燃气发电工况时，涡轮增压-燃气发电系统具有单独的电控装置，可根据增压压力调节燃气发电系统的工作状况。

燃气发电工况的起动采用高压空气供给燃烧室直接起动方式或由电机带动压气机转动后，使进入到燃烧室的空气量增加的起动方式。

换热器可以为利用热管原理工作的换热器，具有高效和体积小的特点。

本发明涉及的集成式涡轮增压-燃气发电系统的工作过程为：

工作时可由电控装置输出相应控制信号使系统在车用涡轮增压器工况和燃气发电工况间切换。

当内燃机处于涡轮增压工况时，驱动压气机的动力来源于与其同轴的涡轮或与其同轴的电机。第一切换阀仅使压气机出口与中冷器连通，第二切换阀仅使内燃机排气管出口与涡轮进口连通，第三切换阀仅使涡轮出口与大气连通。由空滤器、压气机、中冷器和涡轮构成的增压系统与内燃机正常匹配和工作，其工作原理与普通增压内燃机无异。当内燃机在起动和加速时，通过电机辅助驱动压气机，快速提高进气压力，增加进入内燃机气缸的空气量；而在高速大负荷工况时，涡轮的一部分能量通过电机转化电能，储存在蓄电装置中。这样即可以使进气压力在低速时完全不依靠于内燃机的转速，消除了增压器响应的滞后性，又可以在高速工况下回收废气的能量，取消增压器废气阀的设置，替代可调涡轮的作用。

当系统处于燃气动力发电工况时，驱动压气机和电机的动力来源于与其同轴的涡轮。第一切换阀使压气机出口与换热器冷端进口连通，第二切换阀仅使燃烧室出口与涡轮进口连通，第三切换阀仅使涡轮出口与换热器热端进口连通。采用高压空气供给燃烧室直接起动燃气动力发电系统，新鲜空气首先通过空滤器后，进入压气机。压缩空气在换热器中进一步吸收来自涡轮排出废气的热量，空气温度和压力得到提高。燃油通过燃料供给装置喷入到燃烧室中，经过雾化的燃油与来自换热器的空气混合，由点火装置将油气混合物点燃，产生的高温燃气推动涡轮膨胀做功，以驱动压气机和电机进行发电，控制系统根据增压压力调节系统的工作状况。经过涡轮膨胀的废气经过切换阀进入到换热器后，排入大气中。

本发明的有益效果是：系统在废气涡轮增压工况时，完全不受燃气动力发电装置的影响；尤其当内燃机处于起动加速及高负荷工况时，可通过电动机辅助驱动压气机，快速提高进气压力，增加进入内燃机气缸的空气量；在高速大负荷工况时，涡轮的一部分能量通过发电机转化为电能。系统在燃气动力发电工况，只需单独加装结构紧凑的高效单管燃烧室及其相关管路和附属设备，便可结合内燃机的涡轮增压装置进行燃气发电，以适应内燃机不同用途的需要。单管燃烧室结构简单、拆装方便，能够达到简化现有专门用于发电系统的目的。

附图说明

图1是本发明实施方案的系统示意图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的与优点，下面结合具体实施例对本发明内容作进一步说明。

如图1所示，本发明的集成式涡轮增压-燃气发电系统主要包括空滤器1，压气机2，中冷器3，内燃机4，换热器5，燃烧室6，点火装置7，燃料供给装置8，电控装置9，涡轮10，第一切换阀11、第二切换阀12、第三切换阀13，电机14。

压气机2、涡轮10和电机14三者同轴连接，空滤器1进口与大气相连通，压气机2进口与空滤器1出口连通，第一切换阀11分别与压气机2出口、换热器5冷端进口和中冷器3进口连通，燃烧室6进口与换热器5冷端出口连通，燃烧室6出口通过第二切换阀12分别与涡轮10进口和内燃机4排气管出口连通。涡轮10出口通过第三切换阀13分别与大气、内燃机4排气管和换热器5热端进口连通，完成换热后的废气从换热器5热端出口排至大气。

燃料供给装置8、点火装置7、电控装置9均与燃烧室6连接。其中燃料供给装置8通过电磁阀控制为燃烧室6提供气体或液体燃料。燃烧室6与电控装置9连接，可根据增压压力调节燃气发电系统的工况。

燃烧室6为单管燃烧室6。并且燃烧室6为顺流式结构或逆流式结构。换热器5为热管工作原理进行工作。

当系统工作在涡轮10增压工况时，第一切换阀11使压气机2出口与中冷器3连通，第二切换阀12仅使内燃机4出口与涡轮10进口连通，第三切换阀13仅使涡轮10出口与大气连通。依靠空滤器1、压气机2、中冷器3和涡轮10构成的增压系统与内燃机4正常匹配和工作，其工作原理与普通增压内燃机4无异。尤其当内燃机4在起动和加速时，通过电机14辅助驱动压气机2，快速提高进气压力，增加进入内燃机4气缸的空气量；在高速大负荷工况时，涡轮10的一部分能量通过电机14转化为电能，储存在蓄电装置中。这样即可以使进气压力在低速时完全不依靠于内燃机4的转速，消除了增压器响应的滞后性，又可以在高速工况下回收废气的能量，取消增压器废气阀的设置，替代可调涡轮的作用。

当系统工作在燃气动力发电工况时，第一切换阀11使压气机2出口与换热器5的冷端进口连通，第二切换阀12仅使燃烧室6出口与涡轮10进口连通，第三切换阀13仅使涡轮10出口与换热器5的热端进口连通。采用高压空气供给燃烧室6直接起动燃气动力发电系统，新鲜空气首先通过空滤器1后，进入压气机2。压缩空气在换热器5中进一步吸收废气的热量，空气温度和压力得到提高。燃油通过燃油供给装置8喷入到燃烧室6中，经过雾化的燃油与来自换热器5的空气混合，由点火装置7将油气混合物点燃，产生的高温燃气推动涡轮10膨胀做功，以驱动压气机2和电机14进行发电，电控装置9根据增压压力调节系统的工作状况。经过涡轮10膨胀后的废气经过第三切换阀13进入到换热器5后，排入大气中。

本发明通过集成增压内燃机的涡轮增压器、燃烧室、电机及附属系统的方式，在结构上将涡轮10、压气机2、燃烧室6、点火装置7、燃料供给装置8等主要部件一体化，结构紧凑，高效、环保，可分别进行内燃机涡轮增压和燃气发电两种工作模式，以满足对军民用领域动力机械功能多样化的需要。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种集成式涡轮增压-燃气发电系统，主要包括：空滤器（1），压气机（2），涡轮（10），中冷器（3），电机（14），内燃机（4），其特征在于：还包括燃烧室（6），换热器（5）、第一切换阀（11）、第二切换阀（12）、第三切换阀（13），电控装置（9）；所述压气机（2）、涡轮（10）和电机（14）三者同轴连接，第一切换阀（11）分别与压气机（2）出口、换热器（5）冷端进口和中冷器（3）进口连接，燃烧室（6）进口与换热器（5）冷端出口连接，第二切换阀（12）分别与燃烧室（6）出口、涡轮（10）进口和内燃机（4）排气管出口连接，第三切换阀（13）分别与涡轮（10）出口、大气和换热器（5）热端进口连接，换热器（5）热端出口与大气连通，电控装置（9）分别与第一切换阀（11）、第二切换阀（12）、第三切换阀（13）连接。

2.根据权利要求1所述的一种集成式涡轮增压-燃气发电系统，其特征在于：在所述燃烧室（6）上还连接有点火装置（7）和燃料供给装置（8）。

3.根据权利要求1所述的一种集成式涡轮增压-燃气发电系统，其特征在于：所述燃烧室（6）为单管燃烧室。

4.根据权利要求3所述的一种集成式涡轮增压-燃气发电系统，其特征在于：所述燃烧室（6）为顺流式结构或逆流式结构。

5.根据权利要求1所述的一种集成式涡轮增压-燃气发电系统，其特征在于：所述第一切换阀（11）、第二切换阀（12）、第三切换阀（13）均是二位三通阀。

6.根据权利要求1所述的一种集成式涡轮增压-燃气发电系统，其特征在于：当燃气发电时，起动采用高压空气供给燃烧室（6）直接起动方式。

7.根据权利要求1所述的一种集成式涡轮增压-燃气发电系统，其特征在于：所述换热器（5）为热管工作原理进行工作。

8.根据权利要求1所述的一种集成式涡轮增压-燃气发电系统，其特征在于：在所述燃烧室（6）上还连接有所述电控装置（9）。