CN104963775A - 一种微型无叶片式燃气轮机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型无叶片式燃气轮机，属于热能动力装置技术领域；包括：壳体、转子轴、空气压缩段、燃烧室和燃气做功段；所述壳体用于其他各个部件的定位和安装；所述转子轴用于空气压缩段和燃气做功段的连接；所述空气压缩段通过转子轴带动转子部件的转动来吸入空气，并对空气进行压缩，使产生高压高速的气体；所述燃烧室用于提供高压高速的气体与燃油混合燃烧的场所，使产生高温燃气；所述燃气做功段使高温燃气产生旋转气流作用于转子部件，转子部件带动转子轴高速旋转，最后排出做功完的高温燃气；本发明适用于微型和超微型燃气轮机领域，能够解决传统燃气轮机叶片结构复杂，制造要求高，维护困难的问题。
Description
技术领域
本发明属于热能动力装置技术领域，具体涉及一种微型无叶片式燃气轮机。
背景技术
燃气轮机是一种以连续流动的气体为工质，把热能转化为机械功的旋转式动力机械。作为一种先进的热能动力装置，燃气轮机已经在航空、舰船，机车、电力、石油等各个工业领域得到了十分广泛的应用。传统的重型、大功率燃气轮机，主要用作航空动力装置和发电机组装置。随着分布式供电系统的发展，以及对于高功率密度和低燃料消耗率的新型动力的需求，微型和超微型燃气轮机受到了世界各国的极大重视。
燃气轮机的简单循环系统主要由压气机、燃烧室和透平等三大部件组成，再配以进气、排气、控制、传动及其他辅助系统，即可实现连续对外做功。空气被压气机从大气中吸入，经旋转的压气机叶轮压缩后进入燃烧室，与喷入的燃料燃烧后成为高温燃气，随即流入燃气涡轮中膨胀做功，推动涡轮带着压气机叶轮一起旋转。叶片是燃气轮机的关键部件，工作条件复杂，故障率高，特别是涡轮叶片，一般都在高温、高压和腐蚀的工质中工作，同时以很高的转速旋转，工作条件十分恶劣。传统燃气轮机对叶片的强度，韧性，高温稳定性，耐蚀性及冷热加工性等性能提出了很高的要求。叶轮叶片数量多，形状复杂，加工要求高，维修十分不便。尤其在微型和超微型燃气轮机中，叶片在材料，加工和装配技术上面临着巨大的困难。因此，叶片的质量不仅影响燃气轮机的整体性能，还直接决定着燃气轮机的生产和维护成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种微型无叶片式燃气轮机，适用于微型和超微型燃气轮机领域，能够解决传统燃气轮机叶片结构复杂，制造要求高，维护困难的问题。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种微型无叶片式燃气轮机，包括：壳体、转子轴、空气压缩段、燃烧室和燃气做功段；
所述壳体作为系统的基体，用于其他各个部件的定位和安装；
所述转子轴用于空气压缩段和燃气做功段的连接；
所述空气压缩段通过转子轴带动转子部件的转动来吸入空气，并对空气进行压缩，使产生高压高速的气体；
所述燃烧室用于提供高压高速的气体与燃油混合燃烧的场所，使产生高温燃气；
所述燃气做功段使高温燃气产生旋转气流作用于转子部件，转子部件带动转子轴高速旋转，最后排出做功完的高温燃气；
所述空气压缩段的转子部件和燃气做功段的转子部件分别为压气机圆盘组和涡轮机圆盘组；所述压气机圆盘组和涡轮机圆盘组均由两个以上并列的薄圆盘组成，每个薄圆盘的中心开有轴向通孔及以轴向通孔为对称中心均匀分布的扇形通孔，各薄圆盘的扇形通孔均相对；薄圆盘间通过垫片限位，使各薄圆盘之间保持相等的微小间隙。
进一步的，所述壳体为两端开放的中字型回转结构，回转结构的内部均相通，中字型回转结构内部形成两个圆柱腔、一个环形腔及一个位于回转中心的管状通道，管状通道的两端分别为进气道和排气道，环形腔为燃烧室；其中，进气道、靠近进气道的圆柱腔及压气机圆盘组组成空气压缩段；排气道、靠近排气道的圆柱腔及涡轮机圆盘组组成燃气做功段。
进一步的，还包括：燃油喷嘴、火焰筒及燃气导向盘；
所述燃气导向盘为带有轴向通孔的圆柱，燃气导向盘的外圆周面开有两个以上沿其周向均匀分布的螺旋渐缩孔，所述螺旋渐缩孔与轴向通孔相通，形成切向喷嘴结构；
转子轴通过支撑安装在壳体的管状通道内，压气机圆盘组和涡轮机圆盘组均通过花键固定在转子轴上，压气机圆盘组和涡轮机圆盘组的两端均通过螺母锁紧；其中，压气机圆盘组位于壳体靠近进气道的圆柱空腔内，涡轮机圆盘组位于壳体靠近排气道的圆柱空腔内；燃油喷嘴安装在壳体的环形空腔内；燃气导向盘的内圆周面套装在涡轮机圆盘组的外圆周面并与涡轮机圆盘组的外圆周面保持微小径向间隙；火焰筒分别固定在燃气导向盘的螺旋渐缩孔中。
工作原理：空气经壳体的进气道沿轴向吸入，通过压气机圆盘组的扇形通孔沿径向进入各薄圆盘之间的微小间隙内；由于压气机圆盘组随转子轴做高速旋转及流体粘性的作用，压气机圆盘组的薄圆盘间隙中的空气与薄圆盘表面相互作用，发生动量交换，速度升高，在薄圆盘外径处，速度达到最大，高速的空气离开薄圆盘间隙，在压气机圆盘组外部减速增压，并进入燃烧室，高压的空气与燃烧室内的喷嘴喷出的燃油混合燃烧，产生高温燃气后，通过火焰筒进入到导向盘的螺旋渐缩孔中，高温燃气在导向盘的螺旋渐缩孔内速度进一步升高，高温燃气在火焰筒和导向盘的引导下沿切向进入涡轮机圆盘组的各薄圆盘间隙中，并形成旋转气流，高温燃气与涡轮机圆盘组发生动量交换，即高温燃气的旋转气流推动涡轮机圆盘组进行转动，带动转子轴高速旋转，同时高温燃气减速降压，最终通过涡轮机圆盘组的扇形通孔由壳体的排气道排出，其中，转子轴的高速旋转同时带动压气机圆盘组转动，形成一个运动循环；从高温燃气转移到涡轮机圆盘组上的能量，一部分用于带动压气机圆盘组工作，保证系统连续运行；另一部分可通过转子轴与发电机等负载相连，实现功率输出。
有益效果：(1)本发明用一组以相等的微小间距隔开的同轴并列薄圆盘取代传统燃气轮机的叶片结构；这种结构利用了流体的边界层效应，当工质在薄圆盘间的微小间隔中运动时，可通过与薄圆盘的粘性力的作用来实现能量的传递；这种依靠流体粘性来传递动力的设计，改变了传统燃气轮机中通过工质与叶片的直接冲击和摩擦来传递动力的方式，大大简化了燃气轮机的系统结构，解决了燃气轮机叶片在制造和维护上的诸多问题；尤其是在微型和超微型燃气轮机中，这种无叶片结构更能体现出它的优越性能，在分布式发电系统、热电联供系、车辆混合动力和特种能源等领域有着广阔的应用前景。
(2)本发明采用无叶片式转子结构，可以大大降低加工、制造和装配的技术难度，系统的结构也能得到很大的简化；尤其对于微型和超微型燃气轮机的研制来说，这种燃气轮机系统无需考虑微型叶片的技术难题，结构简单，检修方便，使燃气轮机达到厘米甚至微米尺度成为可能。
(3)本发明通过对整个系统结构的精心设计，可以有效减少能量损失，提高整个系统的热效率；改进系统结构，增加回热循环，回收利用出口废气的能量，能够进一步提高能源利用效率；将多个压气机圆盘组或涡轮机圆盘组串联，可以设计出多级式燃气轮机。
附图说明
图1为无叶片式燃气轮机结构原理示意图。
图2为单片薄圆盘结构图。
图3为燃气导向盘及火焰筒结构示意图。
其中，1-转子轴，2-进气道，3-压气机圆盘组，4-燃油喷嘴，5-火焰筒，6-燃烧室，7-排气道，8-燃气导向盘，9-涡轮机圆盘组，10-转子轴支撑，11-壳体。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种微型无叶片式燃气轮机，参见附图1，包括：转子轴1、压气机圆盘组3、燃油喷嘴4、火焰筒5、燃气导向盘8、涡轮机圆盘组9、转子轴支撑10及壳体11；
所述壳体11为两端开放的中字型回转结构，回转结构的内部均相通，中字型回转结构内部形成两个圆柱腔、一个环形腔及一个位于回转中心的管状通道，管状通道的两端分别为进气道2和排气道7，环形腔为燃烧室6；
参见附图2，所述压气机圆盘组3与涡轮机圆盘组9结构相同，均由两个以上并列的薄圆盘组成，每个薄圆盘的中心开有轴向通孔及以轴向通孔为对称中心均匀分布的扇形通孔，各薄圆盘的扇形通孔均相对，扇形通孔用于流动介质出入；薄圆盘间通过垫片限位，使各薄圆盘之间保持相等的微小间隙；
参见附图3，所述燃气导向盘8为带有轴向通孔的圆柱，燃气导向盘8的外圆周面开有三个沿其周向均匀分布的螺旋渐缩孔，所述螺旋渐缩孔与轴向通孔相通，形成切向喷嘴结构；
其连接关系如下：转子轴1通过转子轴支撑10安装在壳体11的管状通道内，压气机圆盘组3和涡轮机圆盘组9均通过花键固定在转子轴1上，压气机圆盘组3和涡轮机圆盘组9的两端均通过螺母锁紧；其中，压气机圆盘组3位于壳体11靠近进气道2的圆柱空腔内，涡轮机圆盘组9位于壳体11靠近排气道7的圆柱空腔内；燃油喷嘴4安装在壳体11的环形空腔内；燃气导向盘8的内圆周面套装在涡轮机圆盘组9的外圆周面并与涡轮机圆盘组9的外圆周面保持保持微小的径向间隙；三个火焰筒5固定在燃气导向盘8的螺旋渐缩孔中。
工作原理：空气经壳体11的进气道2沿轴向吸入，通过压气机圆盘组3的扇形通孔沿径向进入各薄圆盘之间的微小间隙内；由于压气机圆盘组3随转子轴1做高速旋转及流体粘性的作用，压气机圆盘组3的薄圆盘间隙中的空气与薄圆盘表面相互作用，发生动量交换，速度升高，在薄圆盘外径处，速度达到最大，高速的空气离开薄圆盘间隙，在压气机圆盘组3外部减速增压，并进入燃烧室6，高压的空气与燃烧室6内的喷嘴4喷出的燃油混合燃烧，产生高温燃气后，通过火焰筒5进入到导向盘8的螺旋渐缩孔中，高温燃气在导向盘8的螺旋渐缩孔内速度进一步升高，高温燃气在火焰筒5和导向盘8的引导下沿切向进入涡轮机圆盘组9的各薄圆盘间隙中，并形成旋转气流，高温燃气与涡轮机圆盘组9发生动量交换，即高温燃气的旋转气流推动涡轮机圆盘组9进行转动，带动转子轴1高速旋转，同时高温燃气减速降压，最终通过涡轮机圆盘组9的扇形通孔由壳体11的排气道7排出，其中，转子轴1的高速旋转同时带动压气机圆盘组3转动，形成一个运动循环；从高温燃气转移到涡轮机圆盘组9上的能量，一部分用于带动压气机圆盘组9工作，保证系统连续运行；另一部分可通过转子轴1与发电机等负载相连，实现功率输出。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (3)
1.一种微型无叶片式燃气轮机，其特征在于，包括：壳体(11)、转子轴(1)、空气压缩段、燃烧室(6)和燃气做功段；
所述壳体(11)作为系统的基体，用于其他各个部件的定位和安装；
所述转子轴(1)用于空气压缩段和燃气做功段的连接；
所述空气压缩段通过转子轴(1)带动转子部件的转动来吸入空气，并对空气进行压缩，使产生高压高速的气体；
所述燃烧室(6)用于提供高压高速的气体与燃油混合燃烧的场所，使产生高温燃气；
所述燃气做功段使高温燃气产生旋转气流作用于转子部件，转子部件带动转子轴(1)高速旋转，最后排出做功完的高温燃气；
所述空气压缩段的转子部件和燃气做功段的转子部件分别为压气机圆盘组(3)和涡轮机圆盘组(9)；所述压气机圆盘组(3)和涡轮机圆盘组(9)均由两个以上并列的薄圆盘组成，每个薄圆盘的中心开有轴向通孔及以轴向通孔为对称中心均匀分布的扇形通孔，各薄圆盘的扇形通孔均相对；薄圆盘间通过垫片限位，使各薄圆盘之间保持相等的间隙。
2.如权利要求1所述的一种微型无叶片式燃气轮机，其特征在于，所述壳体(11)为两端开放的中字型回转结构，回转结构的内部均相通，中字型回转结构内部形成两个圆柱腔、一个环形腔及一个位于回转中心的管状通道，管状通道的两端分别为进气道(2)和排气道(7)，环形腔为燃烧室(6)；其中，进气道(2)、靠近进气道(2)的圆柱腔及压气机圆盘组(3)组成空气压缩段；排气道(7)、靠近排气道(7)的圆柱腔及涡轮机圆盘组(9)组成燃气做功段。
3.如权利要求1或2所述的一种微型无叶片式燃气轮机，其特征在于，还包括：燃油喷嘴(4)、火焰筒(5)及燃气导向盘(8)；
所述燃气导向盘(8)为带有轴向通孔的圆柱，燃气导向盘(8)的外圆周面开有两个以上沿其周向均匀分布的螺旋渐缩孔，所述螺旋渐缩孔与轴向通孔相通，形成切向喷嘴结构；
其连接关系如下：转子轴(1)通过支撑安装在壳体(11)的管状通道内，压气机圆盘组(3)和涡轮机圆盘组(9)均通过花键固定在转子轴(1)上，压气机圆盘组(3)和涡轮机圆盘组(9)的两端均通过螺母锁紧；其中，压气机圆盘组(3)位于壳体(11)靠近进气道(2)的圆柱空腔内，涡轮机圆盘组(9)位于壳体(11)靠近排气道(7)的圆柱空腔内；燃油喷嘴(4)安装在壳体(11)的环形空腔内；燃气导向盘(8)的内圆周面套装在涡轮机圆盘组(9)的外圆周面并与涡轮机圆盘组(9)的外圆周面保持径向间隙；火焰筒(5)分别固定在燃气导向盘(8)的螺旋渐缩孔中。
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