CN107288758B - 一种分轴的组合式燃气动力装置和转换方法 - Google Patents

Abstract

一种分轴的组合式燃气动力装置，包括燃驱压气组件、回热器、燃烧室和动力涡轮，燃驱压气组件包括共轴设置的压气机和压气机驱动涡轮；压气机由压气机驱动涡轮驱动，输出压缩空气；压缩空气输入回热器，输出预热后的压缩空气；燃烧室输入预热后的压缩空气，预热后的压缩空气在燃烧室内与燃料反应燃烧后产生高温燃气；动力涡轮输入高温燃气，由高温燃气驱动，对外输出轴功，做功后从动力涡轮输出乏气；动力涡轮具有自身独立的轴系，与压气机和压气机驱动涡轮呈分轴布置。还提供一种组合式燃气动力转换方法。本发明装置有利于动力涡轮转速和对外输出轴功的自由调节，有利于采用高转速压气机和低燃气参数的压气机驱动涡轮。

Description

一种分轴的组合式燃气动力装置和转换方法

技术领域

本发明涉及燃气动力机械技术领域，具体涉及一种分轴的组合式燃气动力装置以及动力转换方法。

背景技术

布雷顿循环是一种广泛应用的气体动力循环，燃气轮机是这一循环应用的典型装置。燃气轮机一般包括压气机、燃烧室和涡轮三个部件，其中压气机与涡轮共轴，燃烧室位于压气机与涡轮之间。工作时，空气首先进入压气机被压缩，而后进入燃烧室与燃料混合燃烧，燃烧后形成的高温燃气被送入涡轮膨胀做功，做功后低压低温的乏气被排入大气。燃气在涡轮中所做的功一部分用于驱动压气机，剩余部分作为轴功对外输出。

大量的燃气轮机采用上述单轴的布置方案，这导致用户的负载必须与压气机-涡轮轴相联，负载的转速变化会对燃气轮机的工作参数产生直接的影响。这极大地限制了燃气轮机对负载的调节能力，影响了其应用范围。

多数航空发动机和航改燃气轮机采用分轴式布置方案。这一类型的燃气轮机一般包括低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮和低压涡轮五个部件，其中低压压气机与低压涡轮共轴，联接为低压转子，高压压气机与高压涡轮共轴，联接为高压转子，高压转子在低压压气机与低压涡轮之间，燃烧室在高压压气机与高压涡轮之间。空气依次经过低压压气机、高压压气机和燃烧室，形成高温燃气，而后依次进入高压涡轮和低压涡轮膨胀做功，做功后的乏气被排入大气。一般情况下，高压转子的转速显著高于低压转子，燃气在高压涡轮中所做的功仅用于驱动高压压气机，燃气在低压涡轮中所做的功一部分用于驱动低压压气机，剩余部分对外输出。上述装置中主要存在两个方面的问题：其一是高速转子的热负荷大，由于受到高温燃气的直接冲刷，高压涡轮需要承受极大的离心力、热应力和气动力，这严重制约了部件的可靠性和寿命；其二是对负载的调节能力差，低压涡轮、低压压气机和用户负载共轴，负载的转速变化仍然可以直接影响到燃气轮机的工作，因此上述方案的负载调节能力与单轴燃气轮机并无明显差别，同时由于用于驱动低压涡轮的燃气为高压涡轮排气，其做功能力有限，影响了燃气轮机轴功的输出。

发明内容

本发明的目的是提供一种分轴的组合式燃气动力装置和动力转换方法，以解决背景技术中存在的问题至少之一。

为实现上述目的，本发明提供一种分轴的组合式燃气动力装置，包括燃驱压气组件、回热器、燃烧室和动力涡轮，其中，

所述燃驱压气组件包括共轴设置的压气机和压气机驱动涡轮；所述压气机由所述压气机驱动涡轮驱动，用于对空气进行压缩，输出压缩空气；

所述回热器输入压缩空气，用于对所述压缩空气进行预热，输出预热后的压缩空气；

所述燃烧室输入预热后的压缩空气，预热后的压缩空气在燃烧室内与燃料反应燃烧后产生高温燃气；

所述动力涡轮输入高温燃气，由高温燃气驱动，对外输出轴功，做功后从所述动力涡轮输出乏气；所述动力涡轮具有自身独立的轴系，与所述压气机和压气机驱动涡轮呈分轴布置。

根据本发明的一优选实施方案，所述压气机驱动涡轮输入乏气，所述乏气驱动所述压气机驱动涡轮。

根据本发明的一优选实施方案，乏气输入压气机驱动涡轮之前经过所述回热器换热。

根据本发明的一优选实施方案，所述压气机驱动涡轮输出做功后的乏气，然后乏气经过所述回热器，在所述回热器内进行换热。

根据本发明的一优选实施方案，所述动力涡轮还包括冷却气管，所述冷却气管的入口连接所述压气机，所述压气机排出的部分压缩空气通过所述冷却气管的入口进入动力涡轮。

而且，本发明还提供一种组合式燃气动力转换方法，包括如下步骤：

步骤S1：通过一燃驱压气组件对空气进行压缩，形成压缩空气；

步骤S2：通过一回热器对所述压缩空气进行加热；

步骤S3：将加热后的空气在一燃烧室内与燃料反应燃烧产生高温燃气；

步骤S4：所述高温燃气进入一动力涡轮，在动力涡轮内膨胀输出轴功，做功后从所述动力涡轮排出乏气；所述动力涡轮和所述燃驱压气组件之间没有刚性约束。

根据本发明的一种优选实施方案，上述燃气动力转换方法中，在步骤S4之后还包括步骤S5：所述乏气传输至所述燃驱压气组件中的压气机驱动涡轮，驱动所述燃驱压气组件运转。

根据本发明的一种优选实施方案，上述燃气动力转换方法中，所述步骤S5中，所述乏气在传送至所述压气机驱动涡轮之前经过所述回热器进行换热。

根据本发明的一种优选实施方案，上述燃气动力转换方法中，所述步骤S5之后还包括步骤S6：所述压气机驱动涡轮做功后排出的乏气输入所述回热器进行换热。

根据本发明的一种优选实施方案，上述燃气动力转换方法中，在所述步骤S1和S2之间还包括以下步骤：从所述压气机引出部分压缩空气，进入所述动力涡轮，以冷却和密封所述动力涡轮。

通过上述技术方案，本发明实现的有益效果有：

(1)采用分轴的转子布置方案，减弱了负载转速和轴功调整对装置循环参数的影响，扩大了装置的应用范围；

(2)采用动力涡轮在压气机驱动涡轮上游的布置方案，有利于提高装置的循环参数、增加轴功，利用中温燃气驱动压气机驱动涡轮，降低了高速转动部件热负荷和气动负荷，提高了机械结构的可靠性；

(3)通过部分压缩空气给动力涡轮进行冷却和密封，进一步提高动力涡轮的服役寿命，提高部件可靠性；

(4)通过多路气体进入回热器换热，充分提高能源利用率，提高动力装置效率。

附图说明

图1是本发明一具体实施例的示意图。

图中附图标记具有以下含义：

1-燃驱压气组件，2-回热器，3-燃烧室，4-动力涡轮，5-冷却气管，11-压气机，12-压气机驱动涡轮。

具体实施方式

本发明提供一种分轴的组合式燃气动力装置，包括燃驱压气组件、回热器、燃烧室和动力涡轮，其中，

所述燃驱压气组件包括共轴设置的压气机和压气机驱动涡轮；所述压气机由所述压气机驱动涡轮驱动，用于对空气进行压缩，输出压缩空气；

将压缩空气输入回热器，以对所述压缩空气进行预热，输出预热后的压缩空气；

所述燃烧室输入预热后的压缩空气，预热后的压缩空气在燃烧室内与燃料反应燃烧后产生高温燃气；

所述动力涡轮输入高温燃气，由高温燃气驱动，对外输出轴功，做功后从所述动力涡轮输出乏气；所述动力涡轮具有自身独立的轴系，与所述压气机和压气机驱动涡轮呈分轴布置，也就是动力涡轮和所述压气机和压气机驱动涡轮之间没有刚性约束。

优选的，所述压气机驱动涡轮输入乏气，所述乏气驱动所述压气机驱动涡轮。

优选的，乏气输入压气机驱动涡轮之前经过所述回热器换热。

优选的，所述压气机驱动涡轮输出做功后的乏气，然后乏气经过所述回热器，在所述回热器内进行换热。

优选的，所述动力涡轮还包括冷却气管的出口，所述冷却气管的入口连接所述压气机，所述压气机排出的部分压缩空气通过所述冷却气管进入动力涡轮。

基于同一发明构思，本发明提供一种组合式燃气动力转换方法，包括如下步骤：

步骤S1：通过一燃驱压气组件对空气进行压缩，形成压缩空气；

步骤S2：通过一回热器对所述压缩空气进行加热；

步骤S3：将加热后的空气在一燃烧室内与燃料反应燃烧产生高温燃气；

步骤S4：所述高温燃气进入一动力涡轮，在动力涡轮内膨胀输出轴功，做功后从所述动力涡轮排出乏气；所述动力涡轮和所述燃驱压气组件之间没有刚性约束。

优选的，在步骤S4之后还包括步骤S5：所述乏气传输至所述燃驱压气组件中的压气机驱动涡轮，驱动所述燃驱压气组件运转。

对于步骤S5，所述乏气在传送至所述压气机驱动涡轮之前经过所述回热器进行换热。

优选的，所述步骤S5之后还包括步骤S6：所述压气机驱动涡轮做功后排出的乏气输入所述回热器进行换热。

优选的，在所述步骤S1和S2之间还包括以下步骤：从所述压气机引出部分压缩空气，进入所述动力涡轮，以冷却和密封所述动力涡轮。

本发明提供一种优选实施方案，一种分轴的组合式燃气动力装置，包括燃驱压气组件、回热器、燃烧室和动力涡轮，其中燃驱压气组件包括压气机和压气机驱动涡轮，压气机与压气机驱动涡轮共轴，并由压气机驱动涡轮驱动；动力涡轮位于燃烧室下游，由燃烧室排出的高温燃气驱动，向外界输出轴功，与燃驱压气组件不同轴；压气机驱动涡轮位于动力涡轮的下游，由经过动力涡轮膨胀做功后的中温燃气驱动。

在一些具体实施方式中，回热器位于压气机和燃烧室之间，利用动力涡轮的排气和压气机驱动涡轮的排气加热将要流入燃烧室的压缩空气，利用余热节省加热压缩空气的燃料，提高燃气动力装置的效率。

在一些具体实施方式中，分轴的组合式燃气动力装置进一步包括冷却气管，冷却气管的一端联接压气机的下游，另一端联接动力涡轮，压气机排出的一部分压缩空气通过冷却气管进入动力涡轮，用于动力涡轮零部件的冷却和密封。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种分轴的组合式燃气动力装置，包含燃驱压气组件1、回热器2、燃烧室3、动力涡轮4和冷却气管5，其中燃驱压气组件1进一步包括压气机11和压气机驱动涡轮12。

本实施例的动力装置工作时，空气首先流入压气机11，被压缩成压缩空气后从压气机11出口排出，而后压缩空气流经回热器2，在回热器2内分别与动力涡轮4排气和压气机驱动涡轮12排气进行非接触式换热，成为预热压缩空气并被引入燃烧室3。在燃烧室3内部，燃料被喷入预热压缩空气中，随即二者混合燃烧，燃烧后形成高温燃气。高温燃气直接引入动力涡轮4膨胀做功，所产生的轴功完全用于对外输出。流出动力涡轮4的中温燃气先被引入回热器2散热降温后再流入压气机驱动涡轮12进一步膨胀做功，所产生的轴功用于驱动与压气机驱动涡轮12同轴的压气机11。经过在压气机驱动涡轮12中的膨胀做功，中温燃气变为低温低压的乏气，并被引入回热器2。在回热器2中，乏气的热量被压缩空气充分吸收，用以降低加热压缩空气的燃料消耗，提高热功转化效率。最后，乏气从回热器2排出，进入大气。

本实施例中，压气机11与压气机驱动涡轮12共轴，并由压气机驱动涡轮12驱动，动力涡轮4与燃驱压气组件1不共轴。动力涡轮4排出的中温燃气先经过回热器2散热降温后再进入压气机驱动涡轮12膨胀做功，通过适当调整中温燃气在回热器2中的散热量，可以稳定压气机驱动涡轮12进口燃气的状态，从而保持燃驱压气组件1的工作不受负载变化的影响。因此，本发明可以在动力循环参数，如压比、效率等，不变的情况下，大范围调节负载的转速和轴功，极大地扩展了布雷顿循环动力装置的适用范围。

本实施例中，动力涡轮4使用燃烧室3排出的高温燃气膨胀做功，动力循环的最高温度点只取决于动力涡轮4的高温耐受能力。相比于采用低压涡轮产生轴功的现有技术，本发明可以在保持燃驱压气机组件1结构和运行参数不变的情况下，通过改进动力涡轮4的设计，以较小的技术代价和风险，有效地提升动力循环的最高温度，从而提高热功转化效率和轴功。

本实施例中，燃驱压气组件1和动力涡轮4各自独立工作，相互之间的耦合程度低，可以采用组合现有成熟技术模块的方式研发，有利于降低开发的难度和成本，便于各部件独立更新换代，提高装置性能。

一般情况下，燃驱压气组件1的转速要显著高于动力涡轮4的转速。本发明技术方案中，采用中温燃气驱动压气机驱动涡轮12，有效地降低了高速旋转部件内部的热应力和气动力，可以提高部件的可靠性和寿命。

本实施例的动力装置还包括冷却气管5。冷却气管6的一端联接于压气机11的出口，另一端联接于动力涡轮4，其作用是将一部分未经过回热器2和燃烧室3加热的压缩空气引入动力涡轮4内部，冷却动力涡轮4的零部件，并将高温烟气密封在动力涡轮4内部，提高动力涡轮4对高温的耐受能力。经冷却气管5流入动力涡轮4的压缩空气会在动力涡轮4内逐渐汇入高温燃气之中，最终作为中温燃气的一部分从动力涡轮4的出口排入回热器2。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种分轴的组合式燃气动力装置，包括燃驱压气组件(1)、回热器(2)、燃烧室(3)和动力涡轮(4)，其特征在于：

所述燃驱压气组件(1)包括共轴设置的压气机(11)和压气机驱动涡轮(12)；所述压气机(11)由所述压气机驱动涡轮(12)驱动，用于对空气进行压缩，输出压缩空气；

将所述压缩空气输入所述回热器(2)，以对所述压缩空气进行预热，输出预热后的压缩空气；

所述燃烧室(3)输入所述预热后的压缩空气，预热后的压缩空气在燃烧室(3)内与燃料反应燃烧后产生高温燃气；

所述动力涡轮(4)输入高温燃气，由高温燃气驱动，对外输出轴功，做功后从所述动力涡轮(4)输出乏气；所述动力涡轮(4)具有自身独立的轴系，与所述压气机(11)和压气机驱动涡轮(12)呈分轴布置；

所述压气机驱动涡轮(12)输入所述乏气，所述乏气驱动所述压气机驱动涡轮(12)做功；

所述乏气输入压气机驱动涡轮(12)之前，先经过所述回热器(2)换热；

所述动力涡轮(4)还包括冷却气管(5)，所述冷却气管(5)的入口连接所述压气机(11)，所述压气机(11)排出的部分压缩空气通过所述冷却气管(5)的入口进入动力涡轮(4)，所述冷却气管(5)未经过回热器(2)。

2.根据权利要求1所述的分轴的组合式燃气动力装置，其特征在于，所述压气机驱动涡轮(12)输出做功后的乏气，然后乏气经过所述回热器，在所述回热器内进行换热。

3.一种组合式燃气动力转换方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤S1：通过一燃驱压气组件对空气进行压缩，形成压缩空气；

步骤S2：通过一回热器对所述压缩空气进行加热；

步骤S3：将加热后的空气在一燃烧室内与燃料反应燃烧产生高温燃气；

步骤S4：所述高温燃气进入一动力涡轮，在动力涡轮内膨胀输出轴功，做功后从所述动力涡轮排出乏气；所述动力涡轮和所述燃驱压气组件之间没有刚性约束；

步骤S5：所述乏气传输至所述燃驱压气组件中的压气机驱动涡轮，驱动所述燃驱压气组件运转；所述乏气在传送至所述压气机驱动涡轮之前经过所述回热器进行换热；

其中，在所述步骤S1和S2之间还包括下述步骤：从所述压气机引出部分压缩空气，进入所述动力涡轮，以冷却和密封所述动力涡轮。

4.根据权利要求3所述的组合式燃气动力转换方法，其特征在于，所述步骤S5之后还包括步骤S6：所述压气机驱动涡轮做功后排出的乏气输入所述回热器进行换热。