CN106988882A - 双级对转燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明属动力设备技术领域，涉及一种双级对转燃气轮机，包括机匣、操控系统、启动装置、燃料供给系统、发电存储设备、进气装置、双级对转离心压气机、压缩空气室、燃烧室、双级对转涡轮、燃气喷口；在进气口设置进气装置、一级离心压气机、二级离心压气机，二级离心压气机与压缩空气室连接，在压缩空气室内设置回旋式燃烧室，在燃烧室的出口后面顺序设置一级涡轮、二级涡轮，涡轮分别通过副轴和主轴与离心压气机连接，在二级涡轮的后面设置燃气喷口。本发明结构简单、可靠性高，采用双级对转结构，可以获得较高的压比和热效率，不仅可以作为中小型航空发动机，还可以作为中小型舰船、大型车辆的动力设备，也可用于发电、供暖，建立分布式能源系统，具有广阔的应用前景。

Description

双级对转燃气轮机

技术领域

本发明属动力设备技术领域，涉及一种燃气轮机，具体是一种双级对转燃气轮机。

背景技术

燃气轮机是目前世界上广泛使用的一种动力设备，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。

在现有燃气轮机的设计理念中，空气和燃气的主要流程只通过压气机、燃烧室和燃气涡轮三大部件的燃气轮机通称为简单循环燃气轮机。因其具有结构简单，能充分体现燃气轮机体积小、重量轻、启动快，少用或不用冷却水等优点，现有大多数燃气轮机均采用简单循环的设计方案。

燃气轮机工作时，压气机从大气中吸入空气，空气经压气机的压缩变成压力较高的压缩空气，流入燃烧室与燃料进行混合并燃烧，生成高温燃气，高温燃气在流经涡轮时推动涡轮高速旋转，涡轮带动压气机旋转，维持燃气轮机持续运转，剩余的能量可以对外输出机械功，或者使燃气进一步加速，对外输出推力。

目前，燃气轮机的压气机主要有离心式和轴流式两种，离心式压气机气流进入压气机后气流转向，流出压气机的时候主要沿着径向流出。离心式压气机单级压比较高，但多级相连效率下降比较严重，离心压气机一般适合气体流量不太大的场合；轴流式压气机气流基本保持轴向流动，单级压比较低，通常需要多级相连后才能达到较高压比，轴流压气机的流量可以很大，压气机总体效率较高。

总体而言，离心式压气机结构较为简单紧凑，造价较低，单级压比高，但压缩效率随压比的上升下降较明显，总压比通常不高，适合气体流量较小的场合，小型燃气轮机通常采用离心式压气机，热效率通常不高；轴流式压气机总压比较高时仍然保持较高的效率，适合气体流量较大的场合，大型燃气轮机通常采用轴流式压气机，具有热效率高的优势，但其结构较为复杂，轴向尺寸较大，造价较高，限制了其应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种中小型的双级对转燃气轮机，可有效克服现有中小型燃气轮机热效率不高的缺点，其采用双级对转离心式压气机、双级对转涡轮，能有效地提高压比、提高燃气轮机的效率，具有结构较简单、制造成本较低、使用寿命长、排放低、推重比或功重比较大等优点，既可以作为中小型航空发动机，也可以作为其他用途的动力设备。

本发明所采用的技术方案:

一种双级对转燃气轮机，包括机匣、操控系统、启动装置、燃料供给系统、发电存储设备、进气装置、双级对转离心压气机、压缩空气室、燃烧室、双级对转涡轮、燃气喷口，其中，机匣是燃气轮机的外壳，主要对燃气轮机及其中的零部件起封装、散热、支撑、固定作用，机匣通常分成多段，如涡轮机匣、燃烧室机匣、压气机机匣等，每段由不同的材料加工而成，通过连接件连成一体；操控系统包括电控单元(ECU)、各种传感器、控制机构、开关、阀门等，通过对温度、压力、转速等传感器的参数进行采集分析运算，进而按照一定的策略对各种开关、阀门等部件进行控制，保证燃气轮机安全、高效、协调运转；启动装置包括启动电机和相应的齿轮传动机构，启动电机由充电电池供电；燃料供给系统包括燃料储箱、燃料滤清器、燃料管、燃料喷嘴等；发电存储设备包括发电机、充电电池等，发电机通常是由主轴驱动的高速发电机，可向充电电池充电，用于提供燃气轮机运转所需的电能；

进气装置是燃气轮机空气的进口，进气装置包括整流罩、导流叶片，整流罩一方面可以让外界空气顺畅地进入一级离心压气机，减少流动损失，另一方面可以对主轴起固定作用；导流叶片一方面可以对外界的空气流动进行引导，并可根据需要改变方向，另一方面可以将机匣和整流罩牢固的连接起来。

在进气装置后面顺序设置一级离心压气机、二级离心压气机，一级离心压气机、二级离心压气机共同构成双级对转离心压气机，二级离心压气机的进口与一级离心压气机的出口连接，外界空气从进气装置经一级离心压气机压缩后直接进入二级离心压气机继续压缩，达到一个较高的压比。二级离心压气机的出口与压缩空气室连接，在压缩空气室内设置回旋式燃烧室，压缩空气室外壁和燃烧室壁构成的中空结构围即为压缩空气室的腔体，经二级离心压气机压缩的具有较高压比的压缩空气进入压缩空气室。燃烧室是由燃烧室壁围成的中空的腔体结构，在燃烧室中设置有点火装置和燃料喷嘴，燃烧室壁上开有多个气孔，压缩空气室的压缩空气通过气孔进入燃烧室，与燃料混合燃烧，燃料的化学能在其中转化为热能、势能，燃烧室的出口设置有导流叶片，导流叶片对出口的燃气进行导流，同时可增加燃烧室的结构强度，防止变形。在燃烧室的出口后面顺序设置一级涡轮、二级涡轮，一级涡轮和二级涡轮共同构成双级对转涡轮，每级涡轮由涡轮盘和涡轮叶片组成，从燃烧室的出口喷出的高温高压燃气推动涡轮高速旋转，使一级涡轮和二级涡轮对转，燃气的部分能量转化为机械能，一级涡轮和二级涡轮的涡轮盘分别与位于中心位置的副轴和主轴连接，副轴设计为空心轴结构，套在主轴的外面，副轴和主轴的另一端分别与二级离心压气机、一级离心压气机的轮盘固连，一级涡轮和二级涡轮对转后通过副轴和主轴驱动二级离心压气机、一级离心压气机对转；在二级涡轮的后面设置燃气喷口，高温燃气流经两级涡轮后进入燃气喷口，排出燃气。燃气轮机可以根据需要通过主轴对外输出动力，或通过燃气喷口向外喷射燃气，产生推力。

所述进气装置上设置空气过滤装置，空气过滤装置主要是为了防止异物进入燃气轮机威胁运行安全，通常采用滤网进行过滤，也可采用其他过滤装置。

所述压缩空气室的进口设置导流叶片，导流叶片的个数根据需要确定，可对进入的气流按需要进行导流，同时，导流叶片可以增加压缩空气室的结构强度，防止变形过大。

所述压缩空气室的内部于压缩空气室壁和燃烧室壁之间设置有导流板，导流板与压缩空气室入口相衔接，导流板主要作用是让压缩空气在压缩空气室内围绕燃烧室壁有序流动，防止燃烧室局部过热。

作为本发明的进一步改进，在燃气轮机空气进口的前端设置一个风扇，风扇与主轴相连，风扇由主轴驱动，经过此改进，燃气轮机将成为一台涡扇发动机，可以有效提高发动机的推进效率，降低燃油消耗。

作为本发明的进一步改进，所述一级离心压气机增加一个环形出口，并为此环形出口的气流设置专门的气流管道，经过此改进，一级离心压气机的一部分气流进入二级离心压气机，一部分气流从此环形出口进入气流管道然后排出，产生一部分推力；这种结构可以在不设置风扇的情况下增加排气量，实现与涡扇发动机双涵道类似的效果，提升发动机的推进效率。另外，从一级压气机直接排出的气流温度较低，可与散热装置结合为燃气轮机散热。

作为本发明的进一步改进，在所述燃气喷口和压缩空气室之间设置传热装置，传热装置将燃气喷口中燃气的热量传递给压缩空气室中的压缩空气，实现燃气热量的回热利用，可提升燃气轮机的热效率；传热装置通常包括高温端换热片、热导管、低温端换热片，热导管穿过机匣构件并将高温端换热片和低温端换热片连接起来，其内部充满超级导热材料，超级导热材料热导率很高，保证热量高效传递，热导管外部包裹着绝热材料，减少热导管中的热量传递给机匣造成热损失，高温端换热片安装在燃气喷口内，固定在燃气喷口的壁上，低温端换热片安装在压缩空气室内，通常是在压缩空气室外壁和导流板之间；当发动机工作时，高温端换热片吸取燃气喷口中燃气中的热量，热量通过热导管传递到低温端换热片，进而加热压缩空气室中的空气，实现燃气的余热利用。

作为本发明的进一步改进，在所述燃气喷口全部或部分设计为活动的，并设置相关的转向控制装置，使燃气喷口可以在一定范围内根据需要自由转向，成为一款矢量发动机。

本发明的有益效果主要体现在：

1、结构简单、可靠性高、使用寿命长由于本发明采用双级对转结构，比普通的轴流式燃气轮机结构大大简化，更加容易达到更高的可靠性，使用寿命可达到上万小时。

2、性价比高本发明的涡轮和压气机叶片和轮盘通常采用一体化设计加工，因而制造成本较低，同时可以保证较高的热效率，因而性价比比普通的燃气轮机大大提高。

3、排放低、环保本发明的燃气轮机通常采用低温燃烧，涡轮前温度约为900摄氏度，排放的燃气中氮氧化物等有害物质含量很低，非常环保。

4、热效率高与目前的中小型航空发动机相比，由于本发明采用双级对转离心式压气机，可有效提高总压比；采用传热装置实现尾气余热利用；采用加装风扇或在一级压气机增加一个环形出口的方式增加发动机的空气总流量，这些措施可以使整个发动机的热效率达到一个更高的水平。

本发明可以作为中小型飞行器的航空发动机，作为航空发动机时，发动机轴可以垂直于水平面进行安装布置，从而可以利用发动机转子的陀螺效应保持飞行器的水平稳定，还可以作为中小型舰船、大型车辆的动力设备，也可用于发电、供暖，建立分布式能源系统，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的剖面结构示意图。

图中：1、机匣；2、主轴；3、副轴；4、一级涡轮盘；5、二级涡轮盘；6、燃气喷口；7、二级涡轮叶片；8、一级涡轮叶片；9、燃烧室出口导流叶片；10、压缩空气室外壁；11、导流板；12、燃料喷嘴；13、燃烧室壁；14、压缩空气室进口导流叶片；15、二级离心压气机叶片；16、一级离心压气机叶片；17、二级离心压气机轮盘；18、一级离心压气机轮盘；19、导流叶片；20、整流罩。

具体实施方式

下面结合附图和通过实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

本发明所设计的一种双级对转燃气轮机，如图1所示，包括机匣1、操控系统、启动装置、燃料供给系统、发电存储设备、进气装置、双级对转离心压气机、压缩空气室、燃烧室、双级对转涡轮、燃气喷口。其中，机匣1是燃气轮机的外壳，并可根据需要向内部延伸，主要对燃气轮机及其中的零部件起封装、散热、支撑、固定作用，机匣通常由多个部分组成，通过连接件连成一个整体；操控系统主要作用是对燃气轮机的工作状态等进行实时监测，根据相关指令和控制策略对有关部件进行控制，保证整个燃气轮机安全、协调、高效运转，包括电控单元(ECU)、各种传感器、控制机构、开关、阀门等，通过对温度、压力、转速等传感器的参数进行采集分析运算，进而按照一定的策略对各种开关、阀门等部件进行控制；启动装置主要作用是将燃气轮机的有关转动部件由静止状态加速到能够持续运转的状态，常用的电启动装置包括启动电机和相应的齿轮传动机构，启动电机由充电电池供电，启动装置也可以采用别的设计方案，比如采用压缩空气启动，包括储气罐、输气管、控制开关等，启动时，储气罐中的压缩空气进入压缩空气室，为燃烧室中的燃料提供燃烧的空气，燃气推动涡轮转动实现启动，储气罐中的压缩空气通常由二级离心压气机供给，也可单独设置独立的压缩机供给；燃料供给系统主要为燃烧室供给符合燃烧要求的燃料，燃料可以是液体燃料，也可以是气体燃料，两种燃料的燃料供给系统略有不同，但通常都包括燃料储箱、燃料滤清器、燃料管、燃料喷嘴12等；发电存储设备包括发电机、充电电池等，发电机通常由主轴驱动的高速发电机，可向充电电池充电，用于提供燃气轮机运转所需的电能；

在进气口设置进气装置、空气过滤装置，进气装置主要作用是保证外界空气顺畅、高效进入，包括整流罩20、导流叶片19，整流罩一方面可以让外界空气顺畅地进入一级压气机，减少流动损失，另一方面可以对主轴起固定作用；导流叶片一方面可以对外界的空气流动进行引导，并可根据需要改变方向，另一方面可以将机匣和整流罩牢固的连接起来，空气过滤装置主要是为了防止异物进入燃气轮机威胁运行安全，通常采用滤网进行过滤，也可采用其他过滤装置。在进气装置后面顺序设置一级离心压气机、二级离心压气机，离心压气机由转子和定子组成，转子包括轮盘(一级离心压气机轮盘18、二级离心压气机轮盘17)和固定在轮盘上的叶片(一级离心压气机叶片16、二级离心压气机叶片15)，定子主要由部分机匣承担，二级离心压气机的进口与一级离心压气机的出口连接，即一级离心压气机、二级离心压气机紧挨在一起且二级离心压气机的径向尺寸大于一级离心压气机，外界空气经一级离心压气机压缩后直接进入二级离心压气机继续压缩，从而实现空气的高压比输出。二级离心压气机的出口与压缩空气室连接，在压缩空气室内设置回旋式燃烧室，压缩空气室外壁10和燃烧室壁13构成的中空结构围即为压缩空气室的腔体(外壁被机匣1固定，但外壁大部分与机匣有一定间隙，可起到减少热量损耗的作用，外壁的小部分与机匣相连，机匣对压缩空气室外壁起到固定作用)，在压缩空气室的进口设置导流叶片14、内部于压缩空气室外壁10和燃烧室壁13之间设置有导流板11，导流板与压缩空气室入口相衔接，导流叶片的个数根据需要确定，可对进入的气流按需要进行导流，同时，导流叶片14可以增加压缩空气室的结构强度，防止变形过大，导流板11主要作用是让压缩空气在压缩空气室内围绕燃烧室壁有序流动，防止燃烧室局部过热，经二级离心压气机压缩的具有较高压比的压缩空气进入压缩空气室。燃烧室是由燃烧室壁13围成的中空的腔体结构，在燃烧室中设置有点火装置和燃料喷嘴12，燃烧室壁上开有多个气孔，压缩空气室的压缩空气通过气孔进入燃烧室，与燃料混合燃烧，燃料的化学能在其中转化为热能、势能，燃烧室的出口设置有导流叶片9，导流叶片9对出口的燃气进行导流，同时可增加燃烧室的结构强度，防止变形过大。在燃烧室的出口后面顺序设置一级涡轮、二级涡轮，每级涡轮由涡轮盘(一级涡轮盘4、二级涡轮盘5)和涡轮叶片(一级涡轮叶片8、二级涡轮叶片7)组成，涡轮是高温高压燃气转化为机械能装置，从燃烧室的出口喷出的高温高压燃气推动涡轮高速旋转，使一级涡轮和二级涡轮对转，燃气的部分能量转化为机械能，在一级涡轮和二级涡轮的涡轮盘分别与位于中心位置的副轴3和主轴2连接，副轴3设计为空心轴结构，套在主轴2的外面，主轴和副轴在工作时旋转方向相反，主轴和副轴通过轴承相连，主轴的两端分别通过轴承与整流罩20和机匣1相连，静压空气轴承是较为理想的轴承方案，当然也可以是机械轴承和油浮轴承或者几种轴承的组合，副轴和主轴的另一端分别与二级离心压气机、一级离心压气机的轮盘固连，一级涡轮和二级涡轮对转后通过副轴和主轴驱动二级离心压气机、一级离心压气机对转，同时，主轴也可以根据需要对外输出轴功(动力)。在二级涡轮的后面设置燃气喷口6，燃气喷口6主要作用在于接收涡轮排出的燃气，使燃气在其中进一步加速，产生推力并将燃气排出燃气轮机。燃气喷口可以根据需要采用不同结构方案，既可以是一个一体化的环形喷口，也可以分解成多个独立的圆形喷口；如果燃气轮机作为喷气发动机，则喷口的末端通常设计成出口面积逐步增大的扩展型，以便将燃气的能量转化为更大的推力。

在实施本发明时，依据本发明的设计原理，可以根据需要在基本结构的基础上进行调整改进，如，在燃气轮机进气口前端设置一个风扇，风扇与主轴相连，二级涡轮带动主轴旋转同时驱动一级离心压气机和风扇，成为涡扇发动机，可进一步提高发动机的推进效率，降低燃油消耗。等等。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，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)

1.一种双级对转燃气轮机，包括机匣、操控系统、启动装置、燃料供给系统、发电存储设备、进气装置、双级对转离心压气机、压缩空气室、燃烧室、双级对转涡轮、燃气喷口，其中，操控系统包括电控单元、各种传感器、控制机构、开关、阀门；启动装置包括启动电机和相应的齿轮传动机构，启动电机由充电电池供电；燃料供给系统包括燃料储箱、燃料滤清器、燃料管、燃料喷嘴；发电存储设备包括发电机、充电电池；其特征在于：进气装置包括整流罩、导流叶片；在进气装置后面顺序设置一级离心压气机、二级离心压气机，一级离心压气机和二级离心压气机共同构成双级对转离心压气机，二级离心压气机的进口与一级离心压气机的出口连接，二级离心压气机的出口与压缩空气室连接，在压缩空气室内设置回旋式燃烧室，压缩空气室的外壁和燃烧室壁构成的中空结构围即为压缩空气室的腔体；燃烧室是由燃烧室壁围成的中空的腔体结构，在燃烧室中设置有点火装置和燃料喷嘴，燃烧室壁上开有多个气孔，燃烧室的出口设置有导流叶片；在燃烧室的出口后面顺序设置一级涡轮、二级涡轮，一级涡轮和二级涡轮共同构成双级对转涡轮，每级涡轮由涡轮盘和涡轮叶片组成，一级涡轮和二级涡轮的涡轮盘分别与位于中心位置的副轴和主轴连接，副轴设计为空心轴结构，套在主轴的外面，副轴和主轴的另一端分别与二级离心压气机、一级离心压气机的轮盘固连；在二级涡轮的后面设置燃气喷口。

2.根据权利要求1所述的双级对转燃气轮机，其特征在于：所述进气装置上设置空气过滤装置。

3.根据权利要求1所述的双级对转燃气轮机，其特征在于：所述压缩空气室的进口设置导流叶片。

4.根据权利要求1所述的双级对转燃气轮机，其特征在于：所述压缩空气室的内部于压缩空气室壁和燃烧室壁之间设置有导流板，导流板与压缩空气室入口相衔接。

5.根据权利要求1所述的双级对转燃气轮机，其特征在于：在燃气轮机空气进口的前端设置一个风扇，风扇与主轴相连。

6.根据权利要求1所述的双级对转燃气轮机，其特征在于：所述一级离心压气机增加一个环形出口，并为此环形出口的气流设置专门的气流管道。

7.根据权利要求1所述的双级对转燃气轮机，其特征在于：在所述燃气喷口和压缩空气室之间设置传热装置，传热装置包括高温端换热片、热导管、低温端换热片，热导管穿过机匣构件并将高温端换热片和低温端换热片连接起来，其内部充满导热材料。

8.根据权利要求1所述的双级对转燃气轮机，其特征在于：在所述燃气喷口全部或部分设计为活动的，并设置相关的转向控制装置。