CN106948864A - 一种燃气螺管转子发动机动力装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力装置。由燃气发生器和单或双端螺管转子发动机组成，螺管从进气口至排气口横截面积为渐放形，所述的燃气发生器由空气压缩机组输出气管与火焰筒燃烧室气连接组成，火焰筒燃烧室排气口与螺管转子发动机环形燃烧室气连接，压气机输出的压缩空气经火焰筒燃烧室加热，在螺管转子发动机环形燃烧室内产生高温高压燃气，单端或双端螺管转子使流经各路螺管进入排气腔的燃气流动方向发生连续改变而驱动螺管转子发动机输出机械功。使螺管转子发动机的转子圆周线速度能大于500米/秒，转速能高于或低于3000转/分，能制造出比现有技术更大功率、更具技术优势的一种燃气螺管转子发动机动力装置。能用于舰船和商业发电等作常规动力使用。

Description

一种燃气螺管转子发动机动力装置

技术领域

本发明涉及涡轮发动机动力装置，具体来说涉及一种燃气螺管转子发动机动力装置。

背景技术

涡轮发动机动力装置包括了燃气涡轮发动机动力装置及蒸汽涡轮发动机动力装置，具有转速高及工质流量大。而燃气涡轮发动机体积小，重量轻，比功率大，单机功率大，启动讯速，每单位功率的机体重量及体积都比内燃机要小，相应地单机功率也可达百兆瓦以上，远大于内燃机，正是这些等等因素使得它首先在航空上得到应用。但即使用最新的单晶叶片为核心技术把燃气涡轮发动机的燃气最高温度提高达到1500℃，现有技术燃气涡轮发动机的热效率也只达到42％左右。蒸汽涡轮发动机单机功率可达千兆瓦以上，比其它的发动机功率都大，但占用大量空间和载重吨位，从烧蒸汽到开机输出动力时间远大于即开即行的燃气涡轮发动机。现代化超临界蒸汽发电厂在蒸汽高达300bar的压力和600℃的高温高压下运行，燃煤净效率也为45％左右。可见两者热效率两者相差不多。

动力设备按热能的来源分核动力和常规动力。我国辽宁号航母就用了四台乌克兰TB-12蒸汽轮机，总功率为14.9万千瓦，每台3.725万千瓦。蒸汽轮机只是动力装置，辽宁号航母配八个锅炉，专门用来生产高温高压的蒸汽，冲击汽轮叶片，运动的汽轮叶片通过传动装置带动螺旋桨叶片旋转。核动力航母是用核裂变将水烧开，产生蒸汽，而常规动力航母是用普通燃料烧水。两者输出动力的都是蒸汽轮机。常规动力航母用的普通燃料通常是重油。辽宁号航母能携带约6000～8000吨燃油(不包括舰载机用油和启动柴油)，加满油至少需要1300万元，辽宁号以18节速度巡航时，24小时能跑777公里，耗油388吨，百公里耗油约为50吨。辽宁舰编队历时38天的演练，仅油费就共计3100万元。从中可算出需后勤支援加油2.5次，38天的演练总需耗油大约17000吨。

别看常规动力这些数据，我国目前选择常规动力是明智的。核动力最大优点：一是能连续高速长途航行；二是能节省大量空间和载重吨位来装载更多的航空燃油；三是更换一次燃料能用5年。核动力最大缺点：建造昂贵，后续维修昂贵，动辄几十数亿到千亿美元。我国不称霸，核动力优点用不上。

据相关资料介绍，乌克兰UGT-25000燃气轮机，长10米，宽3.86米，高3.4米，重16吨，功率39800马力(即29253KW)，热效率达37.5％，空气流量91kg/s，压比23.6，寿命60000H(第一次维修期20000H)。利用该技术首台国产化生产的UGT-25000燃气轮机于2004年完成试制，国产化率达到60％以上，才表明中国已经初步掌握了先进舰用燃气轮机的制造技术。到2011年才把国产化率提高到95％以上，并把国产UGT-25000燃气轮机用在我国舰艇中服役。同时自主研制出R0110重型燃气轮机，热效率36％，输出功率高达150000马力，相当于11.025万千瓦，至于为何未能装备我国航母原因不详。

据相关资料介绍：如果说航空发动机是“工业之花”，那么超大型燃气轮机就是“皇冠上的明珠”。重型燃气轮机就是21世纪动力设备的核心，燃气轮机技术是目前世界公认标志国家工业基础先进程度的关键技术。而超大型燃气轮机公认是最难制造的机械装备。西门子SGT5-8000H超级燃气轮机是目前世界最大的燃气轮机，用于燃气-蒸汽联合循环商业发电，重390吨，长13.1米，宽4.9米，高4.9米，功率375MW(相当于尼迷兹号航母总功率194MW的近两倍)，效率40％，转速3000r/min，压比19.2，排气流量829kg/s，排气温度627℃。SGT5-8000H超级燃气轮机的透平采用4级动静叶设计，涡轮叶片要承受超过1500℃的高温，超过了GE90涡扇航空发动机与F404喷气发动机的涡轮进口温度。由于涡轮叶片叶尖转速超过1700公里/小时，巨大的离心力使每个刀片一端接触到的10，000倍地球的引力。叶片不能有任何瑕疵，误差仅为几十微米，否则就算报废。因此有说法是一片叶片等价于一辆宝马。

可算出SGT5-8000H超级燃气轮机其它相关参数：圆周转速1700千米/小时等于28333m/min，即圆周线速度等于472m/s，转速3000r/min等于每转9.44m/r，其涡轮直径等于3m，输出扭矩M＝125000牛.米。

在技术上蒸汽轮机输出功率大、造价低、耐用、可靠，比燃气涡轮机技术成熟得多，是在舰船动力设备及发电装置等的动力设备中，人们一般放弃燃气涡轮发动机动力装置而重用蒸汽涡轮发动机动力装置的主要原因。这也说明燃气涡轮发动机动力装置还具有技术挖掘空间。

燃气轮机输出功率为何不如蒸汽轮机大的主要原因表面看上是：

1.现有技术的燃气轮机，基本上都是采用轴流式压气机与涡轮机同轴结构来工作，涡轮机输出功率有1/2～2/3被压气机消耗了。

2.汽轮机排出的乏汽被冷凝器冷却水冷却成水时，其体积能骤降为原体积的万分之一左右，在冷凝器中及汽轮机出口处造成很高的真空度，能造成很大的压力差，从而推动涡轮输出更多的机械功，而燃气轮机却不能做到这点。

3.燃气轮机工作通常高于1000℃以上，而现代化超临界蒸汽才600℃高温，注定了燃气轮机造价和维修费高，比蒸汽轮机寿命短，阻碍了制造大功率燃气轮机的发展。

4.燃气轮机的热效率在部分负荷下效率下降快，空载时的燃料消耗量大，而蒸汽轮机没有这点。

其实燃气轮机和蒸汽轮机要制作大功率发动机还受到圆周线速度和所排乏气温度制约。

现有技术涡轮发动机，用于转换流体能量的都是采用叶片式涡轮，每块叶片的横截面积都很小，涡轮工作时叶片同时受到高温高压工质推力和高速旋转产生的离心力双重作用力，就会在叶片径向产生应力，由于向心力与质量和线速度的平方成正比，与圆周半径成反比，当转速增大到一定值时，工质推力加上强大的离心力就会大于由叶片到转子之间的材料原子间结合力提供的向心力，即超过了材料的最大许用应力，就会导致叶片发生折断被甩飞出去。工质推力一定时，涡轮的径向尺寸越大，即使每分转速低，但其圆周线速度一点都不低，如上所述的SGT5-8000H超级燃气轮机涡轮直径等于3m，每分转速V＝3000转/分，其圆周线速度就高达472米/秒。有资料可查最快的要数波音777Trent800发动机，圆周线速度高达478.4米/秒。至于圆周线速度突破478.4米/秒的未曾有报导，可见，要加大径向尺寸制作大功率涡轮发动机，就一定要突破圆周线速度500米/秒极限。

现有技术大功率的燃气涡轮发动机基本上都是用涡轮机同轴同步驱动速度式压气机来工作和对外输出功率，转速低于3000转/分对要求高速转动才能产生大流量、高压力的速度式压气机来说十分不利。圆周线速度不能大于500米/秒，转速不能低于3000转/分，是限制制造单机大功率涡轮发动机的根源。

SGT5-8000H超级燃气轮机燃气涡轮排气高达627℃，相当于浪费了77万千瓦的功率。显然，这些热能如能得到尽充分利用，在相同机体尺寸下，涡轮发动机必然能转换出更大的功率。

为提高涡轮发动机效率，专利申请号201410415779.3一种提高涡轮发动机效率的方法及其装置，首次提供了用螺管转子代替涡轮转子来转换能量的螺管转子发动机，还提供了用外置容积式空气压缩与螺管转子发动机组合用作汽车发动机。专利申请号201610813636.7，提供了单端或双端螺管转子，和用它来构成能使主轴轴承受到的轴向推力至少接近0的一种螺管转子发动机。

燃气轮机涉及较多的军事技术，尤其是核心机技术，是西方国家重点对我国技术封锁的领域，所以在燃气轮机总体设计、核心机及热端技术等方面却持坚决不开放的态度，导致了我国与西方国家存在很大的技术差距。

虽然我国不称霸，但如能拥有大功率、反应迅速、即开即行、高效节能的燃气涡轮发动机来装备航母、舰船保家卫国，就显得非常紧迫和具有特别重要意义。

发明内容

发明目的：克服现有技术的不足，提供热效率高、耐用、造价低、螺管转子发动机的转子圆周线速度能大于500米/秒，转速能高于或低于3000转/分的一种燃气螺管转子发动机动力装置。

为实现发明目的，本发明采用了下述技术方案：

一种燃气螺管转子发动机动力装置，包括燃气涡轮发动机动力装置，由燃气发生器和单或双端螺管转子发动机两部分组成，单或双端螺管转子发动机的转子旋转体是在同一圆柱体上制成头部圆柱体-颈部圆柱体-内置螺管圆柱体的整体，或是，在同一圆柱体上制成左内置螺管圆柱体-颈部圆柱体-右内置螺管圆柱体的整体，螺管从进气口至排气口横截面积为渐放形；所述的燃气发生器由空气压缩机组输出气管与火焰筒燃烧室气连接组成，火焰筒燃烧室排气口与螺管转子发动机环形燃烧室气连接，空气压缩机组输出的压缩空气经火焰筒燃烧室加热，在螺管转子发动机环形燃烧室内产生高温高压燃气，单端或双端螺管转子使流经各路螺管的燃气流动方向发生连续改变而获得转动力偶矩，从而驱动螺管转子发动机输出机械功，排出的乏气经排气装置进入大气。

配有计算机自动控制系统，能根据要求自动控制空气压缩机组与螺管转子发动机协调工作。

所述的排气装置由排气腔和排气管组成，固定在螺管转子发动机外壳的排气管与排气腔气连接。

空气压缩机组输出气端到火焰筒燃烧室输入气端之间设有加热输气管道内压缩空气的外热式加热装置。

固定在螺管转子发动机外壳上的火焰筒燃烧室，在径向同时顺时针或逆时针倾斜，使喷射进入环形燃烧室的燃气形成旋风。

螺管转子发动机外壳内壁设有隔热层。

螺管转子发动机的转轴轴承设有冷却装置。

螺管转子的螺管与转轴之间设有轴向的隔热孔。

转动间隙密封环设在靠近环形燃烧室的左右两边。

由于采用了上述技术措施，本发明能取得如下有益技术效果：

1.突破螺管转子发动机圆周线速度不能大于500米/秒极限。因为螺管转子等效由多个孔式涡轮叠加，也等于是一个圆盘整体，螺管离圆盘边缘的外径厚，厚度上的每一质点都在圆周上，旋转产生的离心力远小于材料向心结合力，所以转子就能取大于3米以上直径，就能取高于3000转/分的转速。

2.螺管转子发动机能高于或低于3000转/分转速输出大功率及大扭矩。由于在本发明燃气螺管转子动力装置中采用了“机中机”技术方案，空气压缩机组与螺管转子发动机各自独立工作，一个管输出流量，一个管输出功率，分工合作，即空气压缩机组独立工作于转速3000转/分以上，而螺管转子发动机能独立工作于高于或低于3000转/分转速；又有单端螺管转子发动机和双端螺管转子发动机来满足功率机型需求，这样一来我们就能制造高转速大功率燃气螺管转子发动机，就能制造更适宜舰船使用的低转速、大功率、大扭矩燃气螺管转子发动机，制造我国航母用的单机功率大于3.725万千瓦的燃气轮机变得容易。

3.能提高效率。一取螺管与轴向夹角为45°角时，螺管获得轴向推力等于周向转动力，螺管从进气口至排气口横截面积为渐放形，螺管转子比同等涡轮机长度下的流道都长，能使工质的流动方向发生连续的改变来获得转换能量，使工质的焓值得到尽可能的释放，即排气温度和压力低；二可用多台空气压缩机组联合供气，而且可视螺管转子发动机需气量，通过关停空气压缩机组数量来控制供气量，使在部分负荷时燃气轮机的耗油率比较高问题得到较好解决。这样，相等航程下我国航母燃料补给次数就会减少，开支费用也会大幅降低。

4.机组寿命长，易损件寿命长。这主要利益于没有了易损坏的叶片式涡轮，显然整体的螺管转子比单薄的叶片式涡轮更能耐高温高压，就是说燃气管转子发动机寿命远大于6000小时的UGT-25000燃气轮机。

5.造价低。螺管转子发动机没有了易损坏的叶片式涡轮，且结构简单，能用热压氮化硅来制造整体的螺管转子，其造价必然小于一块叶片就相当于一辆宝马车的涡轮造价。

6.装拆、维护方便，检修间隔长。一螺管转子发动机机壳由上半圆整体和下半圆整体组合成可揭盖折装式结构易于装拆、维护；二燃气压力仅集中在环形燃烧室段，容易密封机壳；三检修间隔长短仅取决于轴承的寿命。

7.使用方便、高效。一没有叶片涡轮和锅炉，就不需要做开机前的暖机准备工作，能即开即走；二燃气螺管转子发动机能使用包括重油等多种燃料。

8.负荷适应性好，快速启停性能好。空气压缩机组与螺管转子发动机各自独立工作，一个管输出流量，一个管输出功率，进行分工合作，螺管转子发动机负荷大小几乎与空气压缩机组无关，由功率＝扭矩*转速/9550可知，在固定尺寸和功率下，转速越低，输出扭矩就越大，显示螺管转子发动机具有强大的变矩能力。功率相对小的空气压缩机组本身就能快速启停，相当于从动机的螺管转子发动机当然能快速启停。

9.可用率高、强迫停机率低。螺管转子发动机没有了易损坏的叶片式涡轮，整体的螺管转子又能耐高温高压。螺管转子发动机能按需来输出功率，加上相对功率小的空气压缩机组可由数台联合供气，使故障率大为减少，从而大大提高了燃气螺管转子发动机动力装置的可靠性。

10.占用空间和载重吨位小。燃气螺管转子发动机动力装置是分体式，显然轴向长度短；空气压缩机组比较轻便，又可用单或双端螺管转子发动机，能工作于高于3000转/分转速；因为功率一定时转速越高，机体就越小，所以燃气螺管转子发动机大功率、体积小。重量方面，没有笨重的锅炉和蒸汽轮机，又能用轻质热压氮化硅来制造螺管转子，所以燃气螺管转子发动机动力装置具有比现有技术涡轮发动机动力装置更多的优点。

附图说明

下面对本发明的说明书示意附图作详细的说明。

图1是采用单端螺管转子发动机时燃气螺管转子发动机动力装置示意图。

图1中，1.空气压缩机组，2.输气管，3.环形燃烧室，4.螺管转子头部圆柱体，5.左轴承，6.左端盖，7.左密封环，8.火焰筒燃烧室，9.右密封环，10.螺管转子颈部圆柱体，11.螺管转子发动机圆筒外壳，12.排气管，13.右端盖，14.右轴承，15.主轴动力输出端，16.排气管，17.排气腔，18.螺管转子内置螺管圆柱体，19.火焰筒燃烧室。

图2是采用双端螺管转子发动机时燃气螺管转子发动机动力装置示意图。

图2中，1.空气压缩机组，2.输气管，3.左排气腔，4.左排气管，5.左轴承，6.左排气管，7.左端盖，8.螺管转子发动机圆筒外壳，9.左端螺管转子，10.火焰筒燃烧室，11.环形燃烧室，12.螺管转子颈部圆柱体，13.右端盖，14.右排气管，15.右轴承，16.主轴动力输出端，17.右排气管，18.右排气腔，19.右端螺管转子，20.右密封环，21.火焰筒燃烧室，22.左密封环。

图3螺管转子发动机外形示意图。

图3中，1.螺管转子发动机外壳下半圆筒，2.左端盖，3.螺管转子发动机外壳上半圆筒，4.右端盖，5.主轴动力输出端，6.外壳上下半圆筒连接线。

图4是螺管转子发动机在颈部圆柱体横截面轴向示意图。

图4中，1.螺管转子发动机圆筒外壳，2.火焰筒燃烧室，3.内置螺管圆柱体，4.螺管燃气入口，5.螺管转子颈部圆柱体，6.主轴，7.环形燃烧室内壁面。

图5是螺管转子发动机排气端轴向示意图。

图5中，1.螺管转子发动机圆筒外壳，2.内置螺管圆柱体，3.螺管排气口，4.主轴。

图6是螺管转子发动机受力分析示意图。

图6中，OA表示螺管长度，AB表示螺管内壁受到的轴向推力，OB表示螺管转子获得周向转动力。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。

一种燃气螺管转子发动机动力装置，包括燃气涡轮发动机动力装置，由燃气发生器和单或双端螺管转子发动机两部分组成，单或双端螺管转子发动机的转子旋转体是在同一圆柱体上制成头部圆柱体-颈部圆柱体-内置螺管圆柱体的整体，或是，在同一圆柱体上制成左内置螺管圆柱体-颈部圆柱体-右内置螺管圆柱体的整体，螺管从进气口至排气口横截面积为渐放形；所述的燃气发生器由空气压缩机组输出气管与火焰筒燃烧室气连接组成，火焰筒燃烧室排气口与螺管转子发动机环形燃烧室气连接，空气压缩机组输出的压缩空气经火焰筒燃烧室加热，在螺管转子发动机环形燃烧室内产生高温高压燃气，单端或双端螺管转子使流经各路螺管的燃气流动方向发生连续改变而获得转动力偶矩，从而驱动螺管转子发动机输出机械功，排出的乏气经排气装置进入大气。

空气压缩机组中的压气机，容积式压气机产气量比较小，但可用低转速的驱动机，适用于小功率的燃气螺管转子发动机动力装置。速度式压气机包括轴流式和离心式压气机，输出压力和产气量比较大，要求驱动机转速高，用电动机或内燃机驱动时要用增速器，用蒸汽轮机或燃气轮机驱动时可采用同轴结构，燃气轮机最好采用相对功率小的燃气螺管转子发动机。一台空气压缩机组不能满足供气需求时，就用多台联合供气。

单或双端螺管转子发动机的转子可用专利申请号201610813636.7一种螺管转子及其发动机里所介绍螺管转子，如用热压氮化材料制造则能长期在1300℃高温高压下工作。双端螺管转子比单端螺管转子更适用于制造大功率、高转速、体积小的发动机。

螺管从进气口至排气口横截面积为渐放形，使燃气在螺管内得到充分膨胀，燃气焓值得到尽可能释放，乏气降至接近常温常压。根据要求螺管转子发动机输出的功率和转速，用功率＝扭矩*转速/9550公式求出总输出力偶矩，把总输出力偶矩分成n个力偶矩，再根据对称两进气口圆心间的距离就是偶臂，1/n力偶矩＝力*偶臂，压气机输出的压缩空气压力，力＝压力*面积，就能求出每个螺管进气口面积。在保证强度下把转子圆周等分成份数越多，即尽可能把总输出力偶矩分成多个力偶矩，就越能缩小进气口面积，就能缩短螺管转子发动机长度，能减少环形燃烧室凹形面深度。

配有计算机自动控制系统，能根据要求自动控制空气压缩机组与螺管转子发动机协调工作。能根据动力需求自动控制空气压缩机组输出的压缩空气量，和控制火焰筒燃烧室释放热量。需在空气压缩机组和螺管转子发动机安装转速传感器、温度传感器、火焰传感器、压力传感器、流量传感器、电磁阀，根据使用要求编程，用计算机来集中操作控制系统协调工作。

所述的排气装置由排气腔和排气管组成，固定在螺管转子发动机外壳的排气管与排气腔气连接。排气腔与端轴承间应设隔热层。

空气压缩机组输出气端到火焰筒燃烧室输入气端之间设有加热输气管道内压缩空气的外热式加热装置。外热式加热装置是可以采用一切燃料或热源来加热送管道内压缩空气的装置，意味着可用劣质燃料和太阳能。在此处把压缩空气温度加热得越高，后面的火焰筒燃烧室就越省油。

固定在螺管转子发动机外壳上的火焰筒燃烧室，在径向同时顺时针或逆时针倾斜，使喷射进入环形燃烧室的燃气形成旋风。这样，一可以让燃料有充足的时间燃烧，二是使燃气在环形燃烧室内快速配气均匀流入螺管。

螺管转子发动机外壳内壁设有隔热层。高温高压燃气压力集中在环形燃烧室段，这段最好采用热压氮化材料作隔热层并引入压缩空气冷却，其他部位可用其它保温材料，为螺管转子发动机营造一个绝热做功环境。

螺管转子发动机的转轴轴承设有冷却装置。整个螺管转子发动机的寿命就取决于转轴轴承，所以要采用润滑油循环冷却装置。

螺管转子的螺管与转轴之间设有轴向的隔热孔。一减轻重量，二减少热量传递到转轴以免影响强度。

转动间隙密封环设在靠近环形燃烧室的左右两边。这样使燃烧室无用的空间得到减少，能提高螺管转子发动机的响应速度。

Claims (9)

1.一种燃气螺管转子发动机动力装置，包括燃气涡轮发动机动力装置，其特征是：由燃气发生器和单或双端螺管转子发动机两部分组成，单或双端螺管转子发动机的转子旋转体是在同一圆柱体上制成头部圆柱体-颈部圆柱体-内置螺管圆柱体的整体，或是，在同一圆柱体上制成左内置螺管圆柱体-颈部圆柱体-右内置螺管圆柱体的整体，螺管从进气口至排气口横截面积为渐放形；所述的燃气发生器由空气压缩机组输出气管与火焰筒燃烧室气连接组成，火焰筒燃烧室排气口与螺管转子发动机环形燃烧室气连接，空气压缩机组输出的压缩空气经火焰筒燃烧室加热，在螺管转子发动机环形燃烧室内产生高温高压燃气，单端或双端螺管转子使流经各路螺管的燃气流动方向发生连续改变而获得转动力偶矩，从而驱动螺管转子发动机输出机械功，排出的乏气经排气装置进入大气。

2.根据权利要求1所述的一种燃气螺管转子发动机动力装置，其特征是：配有计算机自动控制系统，能根据要求自动控制空气压缩机组与螺管转子发动机协调工作。

3.根据权利要求1、2所述的一种燃气螺管转子发动机动力装置所述螺管转子发动机，其特征是：所述的排气装置由排气腔和排气管组成，固定在螺管转子发动机外壳的排气管与排气腔气连接。

4.根据权利要求1、2、3所述的一种燃气螺管转子发动机动力装置所述螺管转子发动机，其特征是：空气压缩机组输出气端到火焰筒燃烧室输入气端之间设有加热输气管道内压缩空气的外热式加热装置。

5.根据权利要求1、2、3所述的一种燃气螺管转子发动机动力装置所述螺管转子发动机，其特征是：固定在螺管转子发动机外壳上的火焰筒燃烧室，在径向同时顺时针或逆时针倾斜，使喷射进入环形燃烧室的燃气形成旋风。

6.根据权利要求1、2、3所述的一种燃气螺管转子发动机动力装置所述螺管转子发动机，其特征是：螺管转子发动机外壳内壁设有隔热层。

7.根据权利要求1、2、3所述的一种燃气螺管转子发动机动力装置所述螺管转子发动机，其特征是：螺管转子发动机的转轴轴承设有冷却装置。

8.根据权利要求1、2、3所述的一种燃气螺管转子发动机动力装置所述螺管转子发动机，其特征是：螺管转子的螺管与转轴之间设有轴向的隔热孔。

9.根据权利要求1、2、3所述的一种燃气螺管转子发动机动力装置所述螺管转子发动机，其特征是：转动间隙密封环设在靠近环形燃烧室的左右两边。