CN107288759B - 一种分轴的外燃式空气动力装置和转化方法 - Google Patents

一种分轴的外燃式空气动力装置和转化方法 Download PDF

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Abstract

一种分轴的外燃式空气动力装置，包括涡轮驱动压气组件、空气加热炉和空气动力涡轮，其中：涡轮驱动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，形成压缩空气；空气加热炉输入压缩空气，压缩空气在空气加热炉加热后形成高温压缩空气；空气动力涡轮输入高温压缩空气，与所述压气机和压气驱动涡轮呈分轴布置，所述高温压缩空气在空气动力涡轮内膨胀对外输出轴功，膨胀作功后从所述空气动力涡轮输出乏气；压气机驱动涡轮输入乏气。还提供一种外燃式空气动力转换方法。本发明的装置以空气作为工质，适应力强，启停灵活；且分轴布置方式有利于提高装置输出轴功的潜力。

Description

一种分轴的外燃式空气动力装置和转化方法
技术领域
本发明涉及热力机械技术领域，具体涉及一种分轴的外燃式空气动力装置和外燃式空气动力转化方法。
背景技术
外燃式热机是利用燃料燃烧加热循环工质，使热能转化为机械能的一种热机。由于燃烧产物不参与循环，外燃式热机的优势是可以利用各种燃料，特别是一些低质劣质燃料，如煤、渣油，甚至可燃垃圾等。
最普遍的外燃式热机是蒸汽动力装置，遵循朗肯循环，一般包括：水泵、锅炉、蒸汽涡轮和冷凝器。其工作原理是：燃料和空气被送入锅炉中着火燃烧，形成高温烟气；水泵将水送入锅炉，与锅炉内的高温烟气进行非接触式换热，利用高温烟气的热量将水汽化为过热蒸汽，过热蒸汽进入蒸汽涡轮膨胀对外输出轴功，做功后的乏汽在冷凝器内向环境散热并冷凝为液态水，以供下一次循环使用。
蒸汽动力装置一般采用闭式循环，锅炉、冷凝器等部件的体量庞大，不利于搬运和小型化。由于需要水作为工质和冷却媒介，蒸汽动力装置的耗水量大，不适合工作在干旱缺水地区。此外，锅炉、冷凝器等部件的热容大，达到热平衡状态的时间长，这使得蒸汽动力装置的启动过程漫长，启停不灵活。
作为外燃式热机的主要类型，蒸汽动力装置存在上述问题，这限制了外燃式热机在分布式能源领域的应用，也限制了一些空间分散性大的低热值燃料(如秸秆、垃圾等)的综合利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种分轴的外燃式空气动力装置，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外燃式空气动力装置，包括涡轮驱动压气组件、空气加热炉、空气动力涡轮和换热器，其中，
所述涡轮驱动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，形成压缩空气；
所述空气加热炉输入压缩空气，压缩空气在空气加热炉加热后形成高温压缩空气；
所述空气动力涡轮输入高温压缩空气，具有自身独立的轴系，与所述压气机和压气驱动涡轮呈分轴布置，所述高温压缩空气在空气动力涡轮内膨胀对外输出轴功，膨胀作功后从所述空气动力涡轮输出乏气；
所述压气机驱动涡轮输入乏气，由乏气进行驱动；在乏气输入压气机驱动涡轮前，经过换热器进行换热。
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，该做功后的乏气输入所述空气加热炉，与燃料进行燃烧，对所述压缩空气加热。
根据本发明的一优选实施方案，所述换热器具有补燃空气入口和补燃空气出口，经补燃空气入口进入的补燃空气与所述空气动力涡轮排出的乏气进行非接触换热后，从补燃空气出口输出。
根据本发明的一优选实施方案，所述空气加热炉输入换热后的补燃空气，该换热后的补燃空气同所述压气机驱动涡轮排出的乏气一并参与燃料的燃烧，对所述压缩空气加热。
另外，本发明还提供一种外燃式空气动力转换方法，包括如下步骤：
步骤S1：通过一涡轮驱动压气组件对空气进行压缩，形成压缩空气；
步骤S2：将所述压缩空气在一空气加热炉中进行外燃式加热，形成高温压缩空气；
步骤S3：所述高温压缩空气流入一空气动力涡轮，在空气动力涡轮内膨胀输出轴功，做功后从所述空气动力涡轮排出乏气；
步骤S4：所述乏气经换热器换热后，驱动所述涡轮驱动压气组件中的压气机驱动涡轮工作。
根据本发明的一优选实施方案，所述空气动力涡轮和所述涡轮驱动压气组件工作时，两者之间没有刚性约束。
根据本发明的一优选实施方案，步骤S4之后还包括步骤S5：所述压气机驱动涡轮输出做功后的乏气，该做功后的乏气输入所述空气加热炉，与燃料进行燃烧，对所述压缩空气加热。
根据本发明的一优选实施方案，所述换热器还包括补燃空气入口和补燃空气出口，在步骤S3和S4之间还包括以下步骤：经补燃空气入口进入的补燃空气与所述空气动力涡轮排出的乏气进行非接触换热后，从补燃空气出口输出。
根据本发明的一优选实施方案，经换热器换热后的补燃空气输送所述空气加热炉，在所述空气加热炉内同所述压气机驱动涡轮排出的乏气一并参与燃料的燃烧，对压缩空气加热。
通过上述技术方案，本发明的有益效果在于：
(1)通过以空气作为工质，采用开式循环，适应能力强，启停灵活，克服外燃式动力装置结构笨重等缺点；
(2)通过空气动力涡轮与涡轮驱动压气组件分轴布置，高温压缩空气先经过空气动力涡轮然后再进入压气机驱动涡轮，有利于提高装置输出轴功的潜力，也便于涡轮驱动压气组件采用高速压气机和低参数的压气机驱动涡轮；
(3)空气加热炉的燃烧空气分别来自压气机驱动涡轮的排气和换热器加热后的补燃空气，从而充分利用系统余能。
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-涡轮驱动压气组件，2-空气加热炉，3-空气动力涡轮，4-换热器，11-压气机，12-压气机驱动涡轮。
具体实施方式
在本发明中，装置中各部件的连接关系只表示先后顺序，可以是直接或间接连接，例如，所述空气加热炉，其连接所述压气机，则空气加热炉与压气机之间可以是直接连接，也可以之间包含其它部件，实现间接连接。
本发明提供一种分轴的外燃式空气动力装置，包括涡轮驱动压气组件、空气加热炉、空气动力涡轮和换热器，其中，
所述涡轮驱动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，形成压缩空气；
所述空气加热炉输入压缩空气，用于加热所述压缩空气，形成高温压缩空气；
所述空气动力涡轮输入高温压缩空气，具有自身独立的轴系，与所述压气机和压气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；所述高温压缩空气在空气动力涡轮内膨胀对外输出轴功，从所述空气动力涡轮排出乏气；
所述压气机驱动涡轮输入乏气，由乏气进行驱动；所述乏气输入压气机驱动涡轮前，经过换热器换热。
优选的，所述空气加热炉还连接所述压气机驱动涡轮，经驱动压气机驱动涡轮后的乏气在所述空气加热炉内与燃料进行燃烧，对所述压缩空气加热。
优选的，所述换热器具有补燃空气入口和补燃空气出口，经补燃空气入口进入的补燃空气与所述空气动力涡轮排出的乏气进行非接触换热后，从补燃空气出口输出。
优选的，所述空气加热炉输入换热后的补燃空气，该换热后的补燃空气同所述压气机驱动涡轮排出的乏气一并参燃料的燃烧，对所述压缩空气加热。
基于同一发明构思，发明提供一种外燃式空气动力转换方法，包括如下步骤：
步骤S1：通过一涡轮驱动压气组件对空气进行压缩，形成压缩空气；
步骤S2：将所述压缩空气在一空气加热炉中进行外燃式加热，形成高温压缩空气；
步骤S3：所述高温压缩空气流入一空气动力涡轮，在空气动力涡轮内膨胀输出轴功，做功后从所述空气动力涡轮排出乏气；
步骤S4：所述乏气经换热器换热后，驱动所述涡轮驱动压气组件中的压气机驱动涡轮工作。
优选的，所述空气动力涡轮和所述涡轮驱动压气组件工作时，两者之间没有刚性约束。
优选的，步骤S4之后还包括步骤S5：所述压气机驱动涡轮输出做功后的乏气，该做功后的乏气输入所述空气加热炉，与燃料进行燃烧，对所述压缩空气加热。
优选的，所述换热器还包括补燃空气入口和补燃空气出口，在步骤S3和S4之间还包括分步骤：经补燃空气入口进入的补燃空气与所述空气动力涡轮排出的乏气进行非接触换热后，从补燃空气出口输出。
优选的，经换热器换热后的补燃空气输送所述空气加热炉，在所述空气加热炉内同所述压气机驱动涡轮排出的乏气一并参与燃料的燃烧，对压缩空气加热。
作为本发明优选的一实施例，其提供一种分轴的外燃式空气动力装置，包括涡轮驱动压气组件、空气加热炉、空气动力涡轮和换热器，其中涡轮驱动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；空气动力涡轮具有自身独立的轴系，与涡轮驱动压气组件呈分轴布置；空气动力涡轮由经过空气加热炉加热后的压缩空气驱动，向外界输出轴功；压气机驱动涡轮位在空气流程中位于空气动力涡轮的下游，由经过空气动力涡轮膨胀做功后的空气驱动；空气加热炉内，压气机驱动涡轮的排气和换热器的排气与燃料混合燃烧，产生高温烟气，非接触地加热流经空气加热炉的压缩空气。
在一些具体实施方式中，换热器在空气流程中位于空气动力涡轮和压气机驱动涡轮之间，利用空气动力涡轮的排气通过非接触式换热加热将要流入空气加热炉参与燃烧的补燃空气。
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，一种分轴的外燃式空气动力装置，包含涡轮驱动压气组件1、空气加热炉2、空气动力涡轮3和换热器4，其中涡轮驱动压气组件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，而后压缩空气流经空气加热炉2，在空气加热炉2内与燃料燃烧产生的高温烟气进行非接触式换热从而提高温度，所产生的高温压缩空气现在空气动力涡轮3内膨胀对外输出轴功，而后经过换热器4散热降温后进入压气机驱动涡轮12进一步做功，最后进入空气加热炉2与燃料发生燃烧化学反应；另外，来自环境的补燃空气流经换热器4通过非接触式换热吸收空气动力涡轮3排出空气的热量，再进入空气加热炉2参与燃烧化学反应；空气加热炉内，高温烟气的热量被压缩空气吸收后，烟气排放到环境中。
本实施例采用空气作为工质，环境适应能力强，启停灵活；采用开式循环，无需冷却器冷却膨胀做功后的空气，系统简单，易于小型化、轻量化。
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，空气动力涡轮4与涡轮驱动压气组件1不共轴。高温压缩空气先经过空气动力涡轮3然后再进入压气机驱动涡轮12，有利于提高装置输出轴功的潜力，也便于涡轮驱动压气组件1采用高速压气机11和低参数的压气机驱动涡轮12。
本实施例中，空气动力涡轮3排出的空气先经过换热器4散热降温后再进入压气机驱动涡轮12膨胀做功，通过适当调整空气在换热器4中的散热量，可以稳定压气机驱动涡轮12进口空气的状态，从而保持涡轮驱动压气组件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，极大地扩展了动力装置的适用范围。
本实施例中，空气加热炉2的燃烧空气分别来自压气机驱动涡轮12的排气和换热器4加热后的补燃空气，二者的温度均高于环境空气温度，有助于促进空气加热炉2内燃料的燃烧，可以提升燃烧后烟气的温度，充分利用了系统余能。
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 (5)

1.一种分轴的外燃式空气动力装置，包括涡轮驱动压气组件(1)、空气加热炉(2)、空气动力涡轮(3)和换热器(4)，其特征在于：
所述涡轮驱动压气组件(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，形成压缩空气；
所述空气加热炉(2)输入所述压缩空气，所述压缩空气在空气加热炉(2)内加热后形成高温压缩空气；
所述空气动力涡轮(3)输入所述高温压缩空气，所述空气动力涡轮(3)具有自身独立的轴系，与所述压气机(11)和压气驱动涡轮(12)呈分轴布置，所述高温压缩空气在空气动力涡轮(3)内膨胀对外输出轴功，膨胀做功后从所述空气动力涡轮(3)输出乏气；
所述压气机驱动涡轮(12)输入所述乏气，由所述乏气驱动其做功；所述乏气输入所述压气机驱动涡轮(12)之前，先经过换热器(4)进行散热降温；
所述换热器(4)具有补燃空气入口和补燃空气出口，经补燃空气入口进入的补燃空气与所述空气动力涡轮(3)排出的乏气进行非接触换热后，从补燃空气出口输出；
所述空气加热炉(2)输入换热后的补燃空气，该换热后的补燃空气同所述压气机驱动涡轮(12)排出的乏气一并参与燃料的燃烧，对所述压缩空气加热。
2.根据权利要求1所述的分轴的外燃式空气动力装置，其特征在于，所述压气机驱动涡轮(12)输出做功后的乏气，该做功后的乏气输入所述空气加热炉(2)，与燃料进行燃烧，对所述压缩空气加热。
3.一种外燃式空气动力转换方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤S1：通过一涡轮驱动压气组件对空气进行压缩，形成压缩空气；
步骤S2：将所述压缩空气在一空气加热炉中进行外燃式加热，形成高温压缩空气；
步骤S3：所述高温压缩空气流入一空气动力涡轮，在空气动力涡轮内膨胀输出轴功，做功后从所述空气动力涡轮排出乏气；
步骤S4：所述乏气经换热器散热降温后，驱动所述涡轮驱动压气组件中的压气机驱动涡轮工作；
所述换热器还包括补燃空气入口和补燃空气出口，在步骤S3和S4之间还包括以下步骤：经补燃空气入口进入的补燃空气与所述空气动力涡轮排出的乏气进行非接触换热后，从补燃空气出口输出；
其中，经换热器换热后的补燃空气输送所述空气加热炉，在所述空气加热炉内同所述压气机驱动涡轮排出的乏气一并参与燃料的燃烧，对压缩空气加热。
4.根据权利要求3所述的外燃式空气动力转换方法，其特征在于，所述空气动力涡轮和所述涡轮驱动压气组件工作时，两者之间没有刚性约束。
5.根据权利要求3所述的外燃式空气动力转换方法，其特征在于，步骤S4之后还包括步骤S5：所述压气机驱动涡轮输出做功后的乏气，该做功后的乏气输入所述空气加热炉，与燃料进行燃烧，对所述压缩空气加热。
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