CN109057969A - 一种微型燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型燃气轮机，包括主轴、启动电机、压气机、燃烧室总成以及涡轮，燃烧室总成由外向内分别为套装配合的燃气轮机外壳、容腔壳体以及火焰筒，火焰筒与容腔壳体之间形成用于向火焰筒内输送气流的气流通道；燃气轮机外壳与容腔壳体之间的间隙形成包覆气流通道的回热空间，并且回热空间与燃烧室总成的燃气出口连通；回热空间内还设置有回热器，回热器的燃气通道供由燃气出口喷出的高温燃气通过，回热器的气流通道包括气流入口和气流出口，其中，气流入口与压气机的排气端连通，气流出口与气流通道连通。该微型燃气轮机不仅结构紧凑，便于携带，而且还有效提高了燃料利用率以及火焰筒的燃烧效率。

Description

一种微型燃气轮机

技术领域

本发明涉及微型燃气轮机设计领域，尤其涉及一种能够高效轻质地输出动力的微型燃气轮机。

背景技术

随着全球化石能源储备的逐渐减少，空气污染问题的逐渐凸显，作为高效、清洁动力的微型燃气轮机近些年来得到了长足发展。微型燃气轮机可作为分布式能源的核心设备，也可用于单兵装备、应急发电设备、航空航天等领域。

微型燃气轮机通常包括启动电机、压气机、燃烧室总成以及涡轮，微型燃气轮机的主轴依次穿过启动电机、压气机、燃烧室总成，并且主轴的末端靠近燃烧室总成的燃气出口，涡轮固定设置在主轴的末端，以便通过高温高压燃气驱动涡轮转动，进而带动主轴转动。

来流空气通过压气机之后，需通过燃烧室总成中的进气通道进入到燃烧室内参与燃烧，为了提高燃烧效率，目前一些微型燃气轮机设置了回热器，经过涡轮后的高温燃气进入回热器，通过回热器与来流空气进行热交换，使来流空气实现预热，从而提高燃烧效率。

但是，目前的微型燃气轮机一般将回热器置于微型燃气轮机主体之外，通过管路进行连接。这不仅增加了设备的占地面积，而且增加了不必要的管路损失，基本上无法携带。

发明内容

本发明的目的是提供一种微型燃气轮机，以便在提高燃烧效率的同时，还能够有效提高微型燃气轮机的结构紧凑性和便携性。

为达到上述目的，本发明所公开的微型燃气轮机包括主轴、启动电机、压气机、燃烧室总成以及涡轮，所述主轴依次穿过所述启动电机、压气机以及燃烧室总成，且所述主轴的尾端靠近所述燃烧室总成的燃气出口，所述涡轮安装在所述主轴的尾端，并且：

所述燃烧室总成由外向内分别为套装配合的燃气轮机外壳、容腔壳体以及火焰筒，所述火焰筒与所述容腔壳体之间形成用于向所述火焰筒内输送气流的气流通道；

所述燃气轮机外壳与所述容腔壳体之间的间隙形成包覆所述气流通道的回热空间，并且所述回热空间与所述燃烧室总成的燃气出口连通；

所述回热空间内还设置有回热器，所述回热器的燃气通道供由所述燃气出口喷出的高温燃气通过，所述回热器的气流通道包括气流入口和气流出口，其中，所述气流入口与所述压气机的排气端连通，所述气流出口与所述气流通道连通。

优选的，所述火焰筒为环形火焰筒，所述火焰筒与所述容腔壳体之间所形成的所述气流通道为包覆在所述火焰筒周向上的环形气流通道，所述燃气轮机外壳与所述容腔壳体之间所形成的所述回热空间为环形回热空间，所述回热器为嵌设在所述环形回热空间内的环形回热器。

优选的，所述压气机的排气端与所述气流通道的前端相连，并经由所述容腔壳体上所开设的第一径向孔与所述回热器的气流入口连通，所述回热器的气流出口经由所述容腔壳体上开设的第二径向孔与所述气流通道的后端连通，且所述气流通道内还设置有环形隔板，以隔开进入所述回热器以及排出所述回热器的气流。

优选的，所述启动电机位于所述主轴的前端，并且所述启动电机的两端通过球轴承支撑于所述主轴上。

优选的，所述启动电机的线圈与两个所述球轴承之间通过刷式密封结构密封。

优选的，还包括套设在所述启动电机外部的进气道壳体，所述进气道壳体与所述启动电机的壳体之间形成环形吸气通道，所述环形吸气通道与所述压气机的吸气端连通。

优选的，所述环形吸气通道的前端和尾端均设置有支撑板，以保持所述进气道壳体的稳定性。

优选的，还包括设置在所述进气道壳体上并与所述压气机的排气端相通的两根引气管，两根所述引气管分别通向两个所述刷式密封结构处，以增强密封性能。

优选的，所述燃烧室总成的前端设置有前法兰，所述进气道壳体与所述前法兰螺栓连接，且所述前法兰与所述压气机的叶片、以及所述压气机的后腔壳体形成径向扩压部，所述压气机通过所述径向扩压部将高压气体排出至所述回热器的气流入口。

优选的，所述进气道壳体延伸至所述压气机位置，并且所述进气道壳体与所述压气机的前腔壳体通过销钉连接。

优选的，所述压气机为单级离心压气机。

优选的，所述涡轮为单级向心涡轮。

优选的，所述涡轮还带有涡轮导向器，所述涡轮导向器安装在所述燃烧室总成的燃气出口处。

优选的，所述涡轮与所述主轴为一体式结构。

优选的，所述涡轮与所述压气机之间设置有刷式密封结构；

优选的，所述压气机的增压比为2.5～3.5，所述涡轮的膨胀比为1.5～2.5。

由以上技术方案可以看出，本发明中所公开的微型燃气轮机，通过结构上的优化设计，在燃气轮机外壳与容腔壳体之间形成了回热空间，并且在该回热空间内设置了回热器，回热器的燃气通道供由燃气出口喷出的高温燃气通过，回热器的气流通道包括气流入口和气流出口，气流入口与压气机的排气端连通，气流出口与容腔壳体和火焰筒之间形成的气流通道相通，以便将预热后的气流送入火焰筒内参与燃烧。

由于将回热器设置在了燃气轮机外壳与容腔壳体之间所形成的回热空间内，因此回热器与微型燃气轮机形成一个整体，无需另外设置连接管路，火焰筒所排放的高温燃气在燃气轮机外壳的引导下直接进入回热空间内，经过回热器的燃气通道后再排放至外界；温度较低的空气首先经过高温燃气的预热，然后再进入到火焰筒内参与燃烧，这就有效提高了火焰筒的燃烧效率，提高了燃料利用率。

因此，本发明所公开的微型燃气轮机不仅结构紧凑，便于携带，而且还有效提高了燃料利用率以及火焰筒的燃烧效率。

附图说明

图1为本发明实施例中所公开的微型燃气轮机的侧面剖视示意图；

图2为图1的局部示意图；

其中，1为支撑板，2为引气管，3为进气道壳体，4为环形吸气通道，5为壳体，6为启动电机，7为主轴，8为刷式密封结构，9为前法兰，10为径向扩压部，11为回热器，12为容腔壳体，13为气流通道，14为火焰筒，15为燃气轮机外壳，16为涡轮，17为环形隔板，18为安装定位环，19为涡轮导向器，20为压气机，21为后腔壳体，22为前腔壳体，23为尾气排放口，24为销钉，25为球轴承，26为螺母，27为端盖。

具体实施方式

本发明的核心是供一种微型燃气轮机，以便在提高燃烧效率的同时，还能够有效提高微型燃气轮机的结构紧凑性和便携性。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请同时参考图1和图2，本发明所公开的微型燃气轮机，包括主轴7、启动电机6、压气机20、燃烧室总成以及涡轮16，主轴7依次穿过启动电机6、压气机20以及燃烧室总成，并且主轴7的尾端靠近燃烧室总成的燃气出口，涡轮16安装在主轴7的尾端，请参考图1，燃烧室总成由内向外依次为层叠套装配合的燃气轮机外壳15、容腔壳体12以及火焰筒14，火焰筒14与容腔壳体12之间形成用于向火焰筒14内输送气流的气流通道13；燃气轮机外壳15与容腔壳体12之间的间隙形成包覆气流通道13(或容腔壳体)的回热空间，该回热空间与燃烧室总成的燃气出口连通；回热空间内设置有回热器11，回热器11具有燃气通道和气流通道，燃气通道和气流通道互不连通，但是可以使高温燃气与低温气流换热接触，回热器11的燃气通道供燃气出口喷出的高温燃气通过，气流通道包括气流入口和气流出口，气流入口与压气机20的排气端连通，气流出口与气流通道13连通。

参照图1，由火焰筒14所排放的高温燃气经过涡轮16后，将向后端(图1中的右侧)排放，在燃气轮机外壳15的引导下，高温燃气将直接进入到回热空间内，回热器11的安装方式刚好使得高温燃气沿轴向进入回热器11的燃气通道，在回热器11中完成换热后高温燃气形成废气，并最终沿轴向从尾气排放口23排出至外界；与此同时，由压气机20排气端排放出的温度较低的空气将进入回热器11的气流入口，并在回热器11内与高温燃气进行热交换，从而实现对低温空气的预热，完成预热的空气从回热器11的气流出口排出，然后经过气流通道折流后进入火焰筒14内参与燃烧。

由于将回热器11设置在了燃气轮机外壳15与容腔壳体12之间所形成的回热空间内，因此回热器11与微型燃气轮机形成一个整体，无需另外设置连接管路，大大减小了整个微型燃气轮机所占用的面积和体积，提升了微型燃气轮机的便携性；同时通过回热器11对空气进行预热，一方面提升了微型燃气轮机的燃烧性能和燃料利用率；另一方面还有效利用了由燃气出口喷出的高温燃气的热能。

回热器11在回热空间内的安装方式不受限制，可以采用连接件固定连接，也可以通过过盈配合的方式使回热器11嵌设在回热空间内。

需要进行说明的是，在本发明实施例中，我们将燃气轮机具有涡轮16的一端定义为后端，与后端相对的一端即为前端，本发明中的方位词“前”和“后”均可依照此原则进行理解，参照附图1，图1中的左侧即为前端，右侧即为后端。

更为具体的，本实施例中的火焰筒14为环形火焰筒，其燃烧室整体呈一个环状，涡轮16安装的位置即为燃气出口，火焰筒14与容腔壳体12之间形成的气流通道13为包覆在火焰筒14周向上的环形气流通道，燃气轮机外壳15与容腔壳体12之间所形成的回热空间也为环形回热空间，回热器11整体上也呈环形，该环形回热器嵌装在环形的回热空间内。

应当说明的是，回热器11的类型不受限制，可以为板翅式回热器，也可以为一次表面式回热器等。

请参考图1，压气机20的排气端实际上与气流通道13的前端相连，容腔壳体12上开设有第一径向孔，压气机20的排气端通过气流通道13和第一径向孔与回热器11的气流入口连通，回热器11的气流出口经由容腔壳体12上开设的第二径向孔与气流通道13的后端连通，为了避免进入回热器11的低温空气和从回热器11内流出的高温空气混合，本实施例中还在气流通道13内设置了环形隔板17，如图1中所示，环形隔板17具体设置有两个，由火焰筒14支撑，靠近后端的环形隔板17可以防止热空气窜向气流通道13的前端，以使热空气尽量顺利的进入到燃烧室内尽快参与燃烧。

启动电机6位于主轴7的前端，启动电机6的两端分别通过一个球轴承25支撑在主轴7上，如图1中所示，为了避免润滑油泄露，本实施例中的电机线圈与两端的球轴承25之间均采用刷式密封结构8封严。

启动电机6的外部套设有进气道壳体3，进气道壳体3的尺寸较大，进气道壳体3与启动电机6的壳体5之间形成环形吸气通道4，如图1中所示，环形吸气通道4与压气机20的吸气端相连。实际上，压气机20的壳体可分为前腔壳体22和后腔壳体21，前腔壳体22实际对应压气机20的吸气端，后腔壳体21对应压气机20的排气端，为了进一步优化方案，本实施例中还设置了两根引气管2，两根引气管2设置在进气道壳体3上，并与压气机20的后腔壳体21(即排气端)相连通，并且两根引气管2分别通向两个刷式密封结构8处，如图2中所示，这可以对两个球轴承25进一步实现气动密封，从而进一步防止润滑油的泄露。

如图1中所示，为了保证进气道壳体3安装的稳定性，环形吸气通道4的前端和尾端(后端)均设置有支撑板1，燃烧室总成的前端设置有前法兰9，进气道壳体3与前法兰9螺栓连接，并且前法兰9与压气机20的叶片以及压气机20的后腔壳体21形成径向扩压部10，该压气机20通过径向扩压部10将气体排出至第一径向孔位置，进而使气体进入回热器11的气流入口。

进气道壳体3延伸至压气机20位置，并且进气道壳体3与压气机20的前腔壳体22通过销钉24连接，如图1中所示。

本实施例中的压气机20具体为单级离心压气机，涡轮16为单级向心涡轮，并且带有涡轮导向器19，涡轮导向器19安装在燃烧室总成的燃气出口位置，涡轮16与主轴7可为分体式设计，也可为一体式设计，本实施例中，涡轮16与主轴7为一体式结构，涡轮16由安装定位环18定位，主轴7的前端通过螺母26锁紧，端盖27将螺母26扣合以实现封装。涡轮16与压气机20之间也通过刷式密封结构8封严，压气机20的增压比优选的为2.5～3.5，涡轮16的膨胀比优选为1.5～2.5。

由于本发明未详尽阐述部分属于本领域公知技术，因此不再进行赘述。

以上对本发明所提供的微型燃气轮机进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微型燃气轮机，包括主轴(7)、启动电机(6)、压气机(20)、燃烧室总成以及涡轮(16)，所述主轴(7)依次穿过所述启动电机(6)、压气机(20)以及燃烧室总成，且所述主轴(7)的尾端靠近所述燃烧室总成的燃气出口，所述涡轮(16)安装在所述主轴(7)的尾端，其特征在于，

所述燃烧室总成由外向内分别为套装配合的燃气轮机外壳(15)、容腔壳体(12)以及火焰筒(14)，所述火焰筒(14)与所述容腔壳体(12)之间形成用于向所述火焰筒(14)内输送气流的气流通道(13)；

所述燃气轮机外壳(15)与所述容腔壳体(12)之间的间隙形成包覆所述气流通道(13)的回热空间，并且所述回热空间与所述燃烧室总成的燃气出口连通；

所述回热空间内还设置有回热器(11)，所述回热器(11)的燃气通道供由所述燃气出口喷出的高温燃气通过，所述回热器(11)的气流通道包括气流入口和气流出口，其中，所述气流入口与所述压气机(20)的排气端连通，所述气流出口与所述气流通道(13)连通。

2.根据权利要求1所述的微型燃气轮机，其特征在于，

所述火焰筒(14)为环形火焰筒，所述火焰筒(14)与所述容腔壳体(12)之间所形成的所述气流通道(13)为包覆在所述火焰筒(14)周向上的环形气流通道，所述燃气轮机外壳(15)与所述容腔壳体(12)之间所形成的所述回热空间为环形回热空间，所述回热器(11)为嵌设在所述环形回热空间内的环形回热器。

3.根据权利要求2所述的微型燃气轮机，其特征在于，所述压气机(20)的排气端与所述气流通道(13)的前端相连，并经由所述容腔壳体(12)上所开设的第一径向孔与所述回热器(11)的气流入口连通，所述回热器(11)的气流出口经由所述容腔壳体(12)上开设的第二径向孔与所述气流通道(13)的后端连通，且所述气流通道(13)内还设置有环形隔板(17)，以隔开进入所述回热器(11)以及排出所述回热器(11)的气流。

4.根据权利要求2所述的微型燃气轮机，其特征在于，所述启动电机(6)位于所述主轴(7)的前端，并且所述启动电机(6)的两端通过球轴承(25)支撑于所述主轴(7)上。

5.根据权利要求4所述的微型燃气轮机，其特征在于，所述启动电机(6)的线圈与两个所述球轴承(25)之间通过刷式密封结构(8)密封。

6.根据权利要求4所述的微型燃气轮机，其特征在于，还包括套设在所述启动电机(6)外部的进气道壳体(3)，所述进气道壳体(3)与所述启动电机(6)的壳体之间形成环形吸气通道(4)，所述环形吸气通道(4)与所述压气机(20)的吸气端连通。

7.根据权利要求6所述的微型燃气轮机，其特征在于，所述环形吸气通道(4)的前端和尾端均设置有支撑板(1)，以保持所述进气道壳体(3)的稳定性。

8.根据权利要求6所述的微型燃气轮机，其特征在于，还包括设置在所述进气道壳体(3)上并与所述压气机(20)的排气端相通的两根引气管(2)，两根所述引气管(2)分别通向两个所述刷式密封结构(8)处，以增强密封性能。

9.根据权利要求6所述的微型燃气轮机，其特征在于，所述燃烧室总成的前端设置有前法兰(9)，所述进气道壳体(3)与所述前法兰(9)螺栓连接，且所述前法兰(9)与所述压气机(20)的叶片、以及所述压气机(20)的后腔壳体(21)形成径向扩压部(10)，所述压气机(20)通过所述径向扩压部(10)将高压气体排出至所述回热器(11)的气流入口。

10.根据权利要求9所述的微型燃气轮机，其特征在于，所述进气道壳体(3)延伸至所述压气机(20)位置，并且所述进气道壳体(3)与所述压气机(20)的前腔壳体(22)通过销钉(24)连接。