CN108035811A - 立式中轴减速双质透平直接做动力输出方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃气轮机，即立式中轴减速双质透平直接做动力输出方法。是在燃气涡轮与压气机之间设涡轮蜗杆减速机，燃气涡轮涡轮轴、减速机蜗杆、压气机叶轮轴三者同轴；不设减速机“专职蜗杆”，在减速机蜗杆径向两侧设对称的两个减速机涡轮，从而消除涡轮蜗杆间的强大侧推力，为保证两个涡轮轴的平行和联动，在涡轮轴两端各设一个直齿联动齿轮。减速机涡轮中心轴为四个输出端子，实现直接做动力输出。让透平与减速机蜗杆和压气机同轴，不仅缩短了机组的总高度，更主要的是降低了发动机上平面与输出轴的距离，便于与变速箱对接。在减速机蜗杆两侧设对称的两个涡轮，横向侧推力被抵消，消除对轴承的伤害。

Description

立式中轴减速双质透平直接做动力输出方法

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机，即立式中轴减速双质透平直接做动力输出方法。

背景技术

在现有技术中，微型透平式发动机转速特别高，大都在60’000~120’000r/min左右。很难直接作动力输出。即便使用减速机减速，减速机输入轴的转速还是要和发动机同速的，很难过轴承这一关。

鉴于微型机的功率（＜300kw）范畴，便于用在行走机械上，发动机与变速箱的对接是急需解决的关键。

若通过发动机转子（压气机）末端输出，不仅减速机输出轴距离发动机顶端太远，还要留出足够的压气机进气通道所需空间，势必要加长转子轴的长度，加粗轴颈，高度会超出发动机舱的空间限制。

燃气轮机的透平和压气机其实是同轴的两部独立机械，两者之间有一段多余的空闲。

之前有双工质联合循环透平机降温提效方法201210438106.0，2012.11.6、双工质联合循环透平机降低自耗功方法201210438095.6，2012.11.6 、双工质联合循环透平机环形燃烧相变室201210438096.0，2012.11.6、双工质联合循环透平机红外线低温燃烧装置及方法201210438065.5，2012.11.6， 在一部透平中同时采用燃气工质为第一工质，水为第二工质，设计思路得到肯定，但是，由于微型透平机转速过高，没法作动力输出，也就上不了车，对这种发动机的实用价值大打折扣。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足而提供一种立式中轴减速双质透平直接做动力输出方法，使发动机转速成为可控，便于与变速箱对接。

本发明的技术解决方案是：立式中轴减速双质透平直接做动力输出方法，其特征在于在燃气涡轮与压气机之间设涡轮蜗杆减速机，燃气涡轮涡轮轴、减速机蜗杆、压气机叶轮轴三者同轴；不设减速机“专职蜗杆”，在减速机蜗杆径向两侧设对称的两个减速机涡轮，从而消除涡轮蜗杆间的强大侧推力，为保证两个涡轮轴的平行和联动，在涡轮轴两端各设一个直齿联动齿轮。减速机涡轮中心轴为四个输出端子，实现直接做动力输出。

立式中轴减速双质透平包括燃气涡轮、压气机和涡轮蜗杆减速机，燃气涡轮的另一端带有压气机；燃气涡轮末端双气出口与水冷涡轮增压器对接。水冷涡轮增压器的压气机出口与双质透平的压气机入口连接；燃烧室入口带有预燃室，预燃室带有火花塞；燃料喷入导流连接板与压气机壳体之间留有的环形装配缝隙中，在高速进气流的虹吸作用下一起进入预燃室；透平叶轮处有启动喷嘴，启动喷嘴与启动水阀连接相通；蓄水箱与水泵连接。

将减速机设在透平与压气机之间，不仅缩短了机组的总高（长）度，更主要的是降低了发动机上平面与输出轴的距离，便于与变速箱对接。

如果将减速机输入轴与发动机转子轴并用，就无需专门考虑输入轴轴承的适应能力。

涡轮蜗杆减速机的速比大，体积小，这是最主要的适应条件。

透平式发动机，尤其是微型机，一般转速都特别高，转速高达60’000~120’000r/min，若把这种发动机用到行走机械上，首先要考虑的就是“减速”。减速机速比可以设定在15~20倍速之间，例如，微型机应确保减速机输出轴的转速在4'500~6'000r/min之间。

为了解决双质透平的动力输出问题，首先必须使发动机（减速机）输出轴适应变速箱一轴的所有要求。

立式中轴减速双质透平是通过大速比的涡轮蜗杆减速机事先进行减速，降到现用往复活塞式发动机额定转速，如：小型汽车发动机的6'000r/min。

本发明的优点是：1、让透平与减速机蜗杆和压气机同轴，不仅缩短了机组的总高（长）度，更主要的是降低了发动机上平面与输出轴的距离，便于与变速箱对接。2、在减速机蜗杆两侧设对称的两个涡轮，横向侧推力被抵消，消除对轴承的伤害。3、本发明要解决的根本问题是将发动机的转速降到适应变速箱的转速需求，与变速箱对接以后，再由变速箱根据路况和载荷适时掌控车速。

下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明中轴减速双质透平结构简图。

图2是图1后视结构简图。

图3是本发明燃气定向和保留火种预燃室结构简图。

图4是图3侧面结构简图。

具体实施方式

参见图1、2、3、4、零部件名称如下：1、压气机壳体，2、压气机叶轮，3、止推铜环，4、燃油喷嘴，5、火花塞，6、预燃室，7、磁悬浮止推轴承，8、回油管，9、润滑油管，10、冷却风管，11、定位销，12、启动喷嘴，13、启动水阀，14、蓄水箱，15、压力水泵，16、控压阀，17、循环水开关，18、放水阀，19、压气机导流板，20、三通，21、相变室外壁，22、燃烧室外壁， 23、燃烧室内壁，24、水位浮子，25、水封，26、减速机固定臂，27、水位控制开关 ，28、减速机涡轮，29、相变室内壁，30、减速机壳体，31、联动齿轮，32、温水管 ，33、紫铜密封环，34、双质透平转子 ，35、涡轮增压器，36、密封环，37、油悬浮轴承，38、轴承限位卡簧，40 、混合气入口， 41、燃气出口，42、导流槽，43、负压区。

参见图1，立式中轴减速双质透平直接做动力输出方法，是在燃气涡轮与压气机之间设涡轮蜗杆减速机，燃气涡轮轴、减速机蜗杆、压气机叶轮轴三者同轴；在减速机蜗杆径向两侧设对称的两个涡轮，涡轮中心轴为四个输出端子，实现直接做动力输出。透平前后端各有一对不同旋转方向的输出轴，将输出轴可选方向的一端与变速箱对接。将输出轴可选方向的另一端连上发电机和空调压缩机。

参见图1，立式中轴减速双质透平包括燃气涡轮和涡轮蜗杆减速机，壳体内有双质透平转子34，双质透平转子34由燃气涡轮、涡轮轴、减速机蜗杆和压气机涡轮组成，壳体中有套接的环形内相变室、环形燃烧室、环形外相变室，燃烧室和相变室的三个出口共同对准透平叶轮；涡轮蜗杆减速机的蜗杆与燃气涡轮、压气机涡轮三者同轴，在蜗杆径向两侧设对称的两个减速机涡轮28，减速机涡轮28的中心轴为输出轴，燃气涡轮的另一端带有压气机；燃气涡轮末端双气出口与水冷涡轮增压器35对接。水冷涡轮增压器35的压气机出口与双质透平的压气机入口连接；燃烧室入口带有预燃室6，预燃室6带有火花塞5；燃料喷入导流连接板19与压气机壳体1之间留有的环形装配缝隙中，在高速进气流的虹吸作用下一起进入预燃室6；透平叶轮处有启动喷嘴12，启动喷嘴12与启动水阀13连接相通；蓄水箱14与水泵15连接。

参见图1、2、3、4，立式中轴减速双质透平由七大部分组成：

㈠、燃气涡轮

双工质联合循环透平机简称：双质透平。双质透平的燃气涡轮跟径向燃气轮机涡轮的构造、材质、作用是完全一样的，双质透平转子34包括燃气涡轮轴和减速机涡杆，是一个整体，相对要粗壮一些。

采用油悬浮轴承37。

双质透平转子34（涡轮轴）与壳体之间有密封环36。

双质透平与涡轮蜗杆减速机之间的动力输出方式采用“立式” “拉力输出”。

㈡、压气机

压气机的作用：双质透平的压气机与燃气轮机的压气机不同点在于供气量不一样，燃气轮机的压气机供给的压缩空气包括为燃料供氧和冷却的掺冷空气，供气量非常大，掺冷空气占2/3，供氧空气占1/3。双质透平的压气机为燃料供氧占1/6，掺冷空气占1/6。双质透平的压气机的供气量占燃气轮机的压气机供气量的1/3。双质透平压气机的自耗功是燃气轮机压气机自耗功的1/3~1/2。

压气机叶轮2（压气机涡轮）、燃气涡轮、涡轮蜗杆减速机的蜗杆是三者同轴，共同称之为“双质透平转子34”。

同样采用油悬浮轴承37。

为了整合转子和壳体重量，在压气机叶轮2上方还要设轴向磁悬浮轴承7和止推铜环3，将发动机的整体重量加到转子轴上，力点落到对称的两个减速机涡轮28上，减速机和变速箱是座在大架子上的。

㈢、燃烧室

环形燃烧室的入口处的气流非常急，燃料和新鲜空气来不及混合、来不及点燃、来不及燃烧就会被吹走了，启动就成了问题。

在入口处设一个环形预燃室6，燃料被进气流虹吸、喷射进预燃室6。启动时，转速较低，由火花塞5点燃，在预燃室6内始终保持有旋转的火焰（保留火种）。随后，转速提高，气流加大，仍能维持继续燃烧。

参见图3、4，燃气定向和保留火种预燃室，包括一个预燃室6（环形管39），预燃室6上间隔加工有切线方向的混合气入口40和燃气出口41。

预燃室6作用是：预燃室的混合气入口40和燃气出口41都是“切线式”的，沿圆周间隔布置。混合气在预燃室内产生旋流，方向固定，燃气的流出方向和进气方向一致，对进气没有反冲阻力，延缓压气机出现喘震起始点，避免压气机出现喘震，增强压气机出气效率。

㈣、相变室

在燃烧室内壁23内侧有相变室空间环绕，在燃烧室外壁22外侧也有相变室空间环绕。相变室的下半部存满了水，随着燃烧室壁温度升高，水被逐渐汽化，湿蒸汽经过上半部继续加热，由三个出口共同向透平叶轮输送燃气势能和相变势能，驱动双质透平转子34。

㈤、涡轮蜗杆减速机

在燃气涡轮与压气机之间设涡轮蜗杆减速机，蜗杆、燃气涡轮、压气机三者同轴。

由于蜗杆向减速机涡轮28传递动力时要产生侧推力，在蜗杆径向两侧设对称的两个减速机涡轮28，对蜗杆的横向侧推力被抵消。

为保持两个涡轮轴之间的平行和联动，应在两个涡轮轴的两端各设一个直齿联动齿轮31，保持两根涡轮轴的平行和动力联动。这样，将有两对儿旋转方向相反的4个输出端子，可根据需要，或去或留。

㈥、燃料供给系

双质透平以气体燃料为最佳。由燃料泵加压，通过燃料喷嘴4，喷入导流连接板19与压气机壳体1之间留有的环形装配缝隙中，在高速进气流的虹吸作用下一起进入预燃室6。

㈦、第二工质补给系和启动系

双质透平的第二工质是水，通过高压水泵15将水升压，用调压阀16控制水压。

第一路，通过启动水阀13进入启动喷嘴12，首先将水压调到0.2MPa逐渐加压，冲击双质透平转子34，实现水压启动，待发动机转速达到3'000r/min时，打开点火开关，打开燃料阀，点燃，预热……。

另一路，当点火成功以后，打开循环水阀17，关闭启动水阀13，循环冷却水进入涡轮增压器35冷却水套，初步升温以后，进入内外相变室，冷却同时制造相变势能。

动力传递和轴承：

双质透平与涡轮蜗杆减速机之间的动力输出方式采用“立式” “拉力输出”。

普通涡轮蜗杆减速机，在涡轮蜗杆之间要产生相当大的“侧推力”，这个侧推力需要由涡轮蜗杆的轴承来承担。

蜗杆（发动机转子）的轴承若是采用油悬浮轴承，它是不具备对这么大侧推力的承受能力的。

为了克服涡轮蜗杆之间的侧推力，在蜗杆34的径向对称的两侧设两个减速机涡轮28，蜗杆34的侧推力理论上可以忽略不计。两个减速机涡轮28采用四个滚动轴承，转速或负载都在可选范围内，而且是“二变四”，承载能力倍增。

发动机（减速机）与变速箱一轴若不是“同轴”，同轴度更难保证，对轴承的伤害会更大，所有轴承都很难适应如此复杂条件。

发动机拉力的方向和运动件儿的重力会直接指向地心，两个力的方向一致，蜗杆的动平衡如果做得好，径向力几乎可以忽略不计，轴承的作用只是轻微的“扶一下”，起个定位作用就可以了。负荷都集中在涡轮齿上，然后，再以扭力输出方式将动力传递给变速箱。

润滑：

整个机组有滚动轴承、滑动轴承、油悬浮轴承37、磁悬浮止推轴承7、还有齿轮的润滑，转速高，温度高。

首先需要考虑的是统一润滑。发动机采用立式，涡轮蜗杆减速机的蜗杆和蜗杆轴承借用发动机的转子轴和油悬浮轴承37，不必专设蜗杆和输入轴以及轴承。为此，优先考虑的是：油悬浮轴承的润滑。润滑油以0.1~0.5 Mpa的压力，将透平油注入到上部油悬浮轴承37，泻出的透平油对涡轮蜗杆和过桥齿（及轴承）进行击溅式润滑，然后，对齿轮箱底部的油悬浮轴承进行（压力油）润滑。透平油泄入压气机壳体上端锥形环槽中，在减速机壳体30与压气机壳体1间有一个阻漏“O”型圈，透平油可借用剩余的压力和自重为压气机的磁悬浮止推轴承7提供润滑，最终乏油会被机油泵吸回，过滤后重新完成循环。

输出端子：

在发动机的中部，前后输出端各有一对不同旋转方向的输出轴（减速机涡轮28中心轴），不必设飞轮，可根据不同需求设计连接部件以及离合器或耦合器。

用途：

可以设计成：微型、小型、中型、大型、重型、超重型、超超重型立式中轴减速双质透平。

小于300kw的为微型，应设计成径流式微型机，可以用到汽车、工程机械、火车、小型船舶、移动电站、生物质能源。

大型以上应设计成轴流式的，可以用到大型船舶和火力发电站。

经济效益：

提高热效率和机械效率并举，“立式中轴减速双质透平”的能耗只有同等功率的径流式燃气轮机的1/4不到（照比现用汽油机可以节油3/5）。

仅以2亿汽车保有量计算，每天的能耗就是数十个亿，节约3/5，可观。个人的私家车每天节约3/5的汽油钱，也可观。除了汽车以外，所有热力机械都可以用上这项技术，节能更可观。

上面描述，只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制。

Claims (2)

1.立式中轴减速双质透平直接做动力输出方法，其特征在于在燃气涡轮与压气机之间设涡轮蜗杆减速机，燃气涡轮轴、减速机蜗杆、压气机叶轮三者同轴；在减速机蜗杆径向两侧设对称的两个减速机涡轮（28），减速机涡轮（28）中心轴为四个输出端子，实现直接做动力输出。

2.按照权利要求1所述的立式中轴减速双质透平直接做动力输出方法，其特征在于所述的立式中轴减速双质透平包括燃气涡轮和涡轮蜗杆减速机，涡轮蜗杆减速机的蜗杆与燃气涡轮轴、压气机涡轮三者同轴，在蜗杆径向两侧设对称的两个减速机涡轮（28），减速机涡轮（28）的中心轴为输出轴。