CN110268139A - 涡轮发动机尤其是涡轮发电机和用于涡轮发动机的交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括：环形热交换器(1)，其由通过保持装置组装的独立管组件形成，并且具有圆柱形腔，该圆柱形腔的一端通入涡轮机的出口中，所述管组件被容纳在所述圆柱形腔中。所述热交换器(1)包括第一环形束(5)和与所述第一环形束同轴的至少一个第二环形束(6)。环形闭合结构(8)确定外环形腔，来自所述第一管束的气体通入所述外环形腔中以便在底部上朝向内环形腔偏转，所述内环形腔与所述外环形腔同轴，通入所述第二管束的管中。

Description

涡轮发动机尤其是涡轮发电机和用于涡轮发动机的交换器
技术领域
本发明涉及通过将燃气轮机联接到交流发电机(产生电力)或动力轴(产生机械能)的系统为航空、陆地、海上交通工具和轻型移动单元由燃料产生车载电(或机械)能量的领域。在产生电力的背景下，更具体地，本发明涉及称为“增程器”的设备。
“增程器”类型的应用特别适用于对应于强趋势的机动车辆的电动机动，该强趋势也扩展到航空或海上交通工具。对于电池的质量、体积和/或成本至关重要的应用而言，现有电池的性能仍然不足。为了驾驶具有合理范围的电动飞行器，2016年可购得的最高效电池的质能不得不增加10倍，而在过去20年中，电池的内置能量仅增加2.5倍。
为了克服这种情形，已开发出增程器，以提供巡航模式下恰好所需的功率-甚至在电池所供应的电力足够时禁用增程器的操作，并在瞬态阶段提供额外的功率(电动飞机的加速、高速充电、起飞和爬升)。
已实现了不同的技术：
-燃料电池，其可靠性目前不够，价格非常高并且寿命短，
-备用的光伏电池(例如，在Solar Impulse 2演示器(商业品牌)上)，这项技术仍然过于繁琐并且具有非常低的功率重量比，
-内燃机或驱动发电机的Wankel(商品名)，其仍然太笨重并且性能不佳。
最有前途的自治扩展解决方案是基于配备有热交换器的微型涡轮机与交流发电机(发电机)的联接。
背景技术
使用连接到旋转从动轴线的高功率交流发电机来提供电力，这在本领域中是已知的。该轴线可以例如由内燃机直接驱动。轴线也可以通过诸如水蒸气或气体的流体的高速循环来驱动。这种循环可以通过例如通过使用热能或核能加热流体来实现。
为了使轴线开始旋转，已知在发动机模式下通过从静态起动变频器和励磁系统馈送交流发电机来使用交流发电机。励磁系统和转换器由第一专用变压器和第二专用变压器供电。
例如，欧洲专利EP1761736涉及与发电机联接的微型涡轮发动机，该微型涡轮发动机包括：
-压缩机，其提供压缩的空气流；
-换热器，其从压缩机接收压缩空气流，并且利用排气流的热来加热压缩空气流；
-燃烧装置，其从换热器接收加热后的压缩空气流，将压缩空气流与燃料混合，并且使燃料与压缩空气的混合物燃烧，以产生排气流；
-至少一个涡轮机，其从燃烧装置接收排气流并且响应排气流而旋转，至少一个涡轮机的旋转驱动压缩机；
-发电机，其响应于所述至少一个涡轮机的旋转而发电；
-排气从至少一个涡轮机流向用于加热压缩空气流的换热器；
-换热器包括多个单元，并且压缩空气流通过入口歧管流入单元的内部空间中，然后通过基质薄片，接着通过出口歧管，之后再流向燃烧装置，并且排气流通过换能器流到单元之间，与通过单元中的基质薄片的压缩空气流相反。
专利EP0746680描述了一种燃气涡轮发电机单元，其包括被容纳在环向换热器中的旋转单元。旋转单元包括位于公共轴上的转子交流发电机，该公共轴设置有涡轮机叶轮和桨轮，由经双重测试的适形叶片止推轴承和适形叶片径向轴承支撑。环向换热器包括多个相邻的透孔板，透孔板设置有凸台，以在结构上展开被布置成形成流动通道的所述板。换热器还包括收集器和允许获得所述板的每个表面之间的压差的结构。环向换热器包括围绕旋转单元和燃烧装置的整体结构，其中，进入的空气在进入燃烧装置之前被换热器加热。由于部件的相互兼容性和模块性，导致在安装旋转单元和换热器期间以及通过最终组装形成涡轮机进气的端子壳体的燃烧装置，形成与压缩机排气侧和涡轮机进气侧关联的空气流路径。
美国专利US6657332还涉及一种涡轮发电机冷却系统，该涡轮发电机冷却系统具有圆柱形散热器，散热器具有大体在环形部分的内侧和外侧二者轴向延伸的散热片。环形部分是完整的，除了该部分后端旁边设置的孔之外。迫使发电机的定子进入散热器中，直到它与内部散热片接触。发电机转子配备有小风扇，以将热空气从发动机进气口送出。冷却空气沿着外散热片流向发电机的末端。该空气流过环形部分中的孔，再次经过环形部分的内部和定子的外表面之间，以冷却定子并且沿着不同路径冷却空心转子套筒以及永磁体杆和定子。
美国专利US6983787描述了用于燃气涡轮发动机的回收排气热交换器，基质形成横流逆流，热排气涡轮机围绕横流逆流流动，用于将由压缩机输送的空气引导到基质/逆流中的分配管以及与分配管平行布置并且旨在从压缩机排出空气的歧管被交叉流动/逆流基质加热。
现有技术的缺点
在现有技术的解决方案中，交换器的结构和操作未被优化。由于特别限制了板厚度减小的制造和机械强度限制，板热交换器解决方案具有比管热交换器低的重量/效率比。
在现有技术的解决方案中，在涡轮发动机的燃烧和预热室中的燃料喷射系统和喷杆是两个单独的装置，使燃烧室的燃料供应回路倍增。
在现有技术的解决方案中，当发电机被空气冷却时，冷却回路在压降方面不是最佳的，从而降低了整个系统的整体性能。
发明内容
本发明提供的解决方案
为了补救这些不足，从最一般的意义上讲，本发明涉及一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括：
-压缩机，该压缩机通过环形连接部将压缩气体排放到热交换器中，
-环形燃烧室，该燃烧室通过环形连接部从所述热交换器接收气体，
-涡轮机，该涡轮机排放来自所述燃烧室的热气体，
-热交换器，该热交换器具有环形形状，由通过保持装置组装的独立管组件形成，并且具有圆柱形腔，该圆柱形腔一方面通入所述涡轮机的出口中，所述管组件被容纳在所述圆柱形腔中，其特征在于，所述热交换器由以下构成：
a)至少一个第一环形束，该第一环形束由多个第一系列直管形成，每个第一系列直管在近侧穿孔连接板和远侧穿孔连接板之间延伸，
-所述第一环形束与所述压缩机的所述环形连接部连通，
b)至少一个第二环形束，该第二环形束与所述第一环形束同轴，由多个第一系列直管形成，每个第一系列直管在所述近侧穿孔连接板和所述远侧穿孔连接板之间延伸，
-所述第二环形束与所述燃烧室的所述环形连接部连通，
c)环形闭合结构，该环形闭合结构确定外环形腔，来自所述第一管束的气体通入所述外环形腔中以在底部上朝向内环形腔偏转，所述内环形腔与所述外环形腔同轴，通入所述第二管束中的管中，
高温流体通过所述两个管束离开所述涡轮机。
根据有利的实施方式，所述压缩机的所述环形连接部具有至少一个圆柱形波纹管。
根据另一实施方式，所述燃烧室的所述环形连接部具有至少一个圆柱形波纹管。
根据另一实施方式，所述第一管束和所述环形闭合结构之间的所述环形连接部包括至少一个圆柱形波纹管。
根据另一实施方式，所述环形闭合结构和所述第二管束之间的所述环形连接部包括至少一个圆柱形波纹管。
有利地，所述波纹管由具有密封的轴向可变形连接部的系统构成，从而允许所述热交换器的所述第一环形部分和所述第二环形部分的管不受约束地热膨胀。
根据特定变型，根据本发明的涡轮发动机包括用于所述燃烧室的燃料供应系统，所述燃料供应系统包括被加热套筒部分包围的至少一个燃料喷杆。
优选地，所述燃料喷杆中的每个应包含至少一根金属丝，所述至少一根金属丝在启动阶段期间连接到电源，以确保燃料被加热直到在所述喷杆内蒸发的点。
根据第一应用模式，涡轮机的轴直接驱动动力轴。
根据第二应用模式，涡轮机的轴直接驱动发电机。
本发明还涉及一种包括涡轮发动机和发电机的涡轮发电机，其特征在于，所述涡轮机的轴直接驱动所述发电机。
优选地，根据本发明的所述涡轮发电机包括用于所述发电机的固定元件和活动元件的空气冷却回路。
有利地，所述冷却回路由两个并联回路构成，一个用于冷却所述固定部件，另一个用于冷却所述活动部件，其中，每个空气回路有独立的流校准系统。
本发明还涉及一种热交换器，该热交换器具有环形形状，由通过保持装置组装的独立管组件形成，并且具有圆柱形腔，该圆柱形腔一方面通入所述涡轮机的出口中，所述管组件被容纳在所述圆柱形腔中，其特征在于，所述热交换器由以下构成：
a)至少一个第一环形束，该第一环形束由多个第一系列直管形成，每个第一系列直管在近侧穿孔连接板和远侧穿孔连接板之间延伸，
-所述第一环形束与所述压缩机的所述环形连接部连通，
b)至少一个第二环形束，该第二环形束与所述第一环形束同轴，由多个第一系列直管形成，每个第一系列直管在所述近侧穿孔连接板和所述远侧穿孔连接板之间延伸，
-所述第二环形束与所述燃烧室的所述环形连接部连通，
c)环形闭合结构，该环形闭合结构确定外环形腔，来自所述第一管束的气体通入所述外环形腔中以在底部上朝向内环形腔偏转，所述内环形腔与所述外环形腔同轴，通入所述第二管束的管中，
高温流体通过所述两个管束离开所述涡轮机。
附图说明
在参照附图阅读了以下涉及非限制性示例性实施方式的对本发明的详细描述时，将更好地理解本发明，其中：
-图1示出根据本发明的涡轮发动机的剖视图，
-图2示出环形闭合结构的示例的立体图，
-图3示出燃料供应杆的示例的详细剖视图，
-图4示出冷却发电机的固定部件和移动部件的示例的详细剖视图。
具体实施方式
发明背景
本发明涉及用于实现涡轮发电机或者用于实现用于驱动动力轴的涡轮发动机的不同的可能实施方式。
下面的示例没有将本发明限于特定应用，并且一些实施方式可以在同一设备上组合地实现或在设备上独立地实现。特别地，本发明涉及以下的总目的：基于因交换器改进而得到的效率改进来优化涡轮发动机，以及通过改进的燃料供应杆来优化启动阶段，同时在涡轮发动机驱动发电机时，优化发电机的固定部件和移动部件的冷却。
对交换器的描述
图1示出涡轮发动机的立体图，该涡轮发动机包括交换器(1)、压缩机(2)、燃烧室(3)和涡轮机(4)。与交换器(1)同轴的锥形偏转器(11)使来自涡轮机(4)的热气体在经过了交换器(2)从而经过管之间的两个盒(5、6)之后向出口(12)循环。
由压缩机(2)、燃烧室(3)和涡轮机(4)构成的部件是本领域的技术人员已知的并且符合涡轮发动机的现有技术。
交换器(2)包括管式交换器，管式交换器包括两个同轴环形盒(5、6)。
外盒(5)包括平行管的组件，管由耐高温金属合金(例如，难熔不锈钢347)制成。
例如，该外盒(5)包括2000个300mm长且内截面为2.8mm且外截面为3mm的管。通过分隔件按已知方式保持管，以限定源自涡轮机的热气体通道。
这些管形成外径为158mm且内径为128mm的套筒。
内盒(6)包括2000个300mm长且内截面为2.8mm且外截面为3mm的管。
这些管形成外径为123毫米且内径为67毫米的套筒。
两个盒(5、6)是同轴的并且一个嵌套在另一个中。
这两个盒(5、6)在与压缩机(1)相对的一端通过环形闭合结构(8)接合在一起。
盒(5、6)中的每个在每个端部具有前密封板，前密封板被钻孔以便管通过，并且确保管之间有恒定距离。管被钎焊或焊接，以确保它们与前板的连接处具有水密性。
该闭合结构(8)包括两个嵌套的同轴部件，这两个同轴部件通常为朗姆巴巴模具的形状，由2mm厚的难熔不锈钢347制成。
外部部件(9)具有与外盒(5)的外部部分对应的外部部分和与内部盒(6)的内部部分对应的内部部分。
内部部件(10)具有与外盒(5)的内部部分对应的外部部分和与内部盒(6)的外部部分对应的内部部分。
部件(9、10)中的每个都具有沿着涡轮发动机的轴线的旋转对称性，具有恒定的纵向截面。
闭合结构(8)确保气体从外盒(5)偏转到构成内盒(6)的管。
该解决方案确保了交换器(1)中的气体双重通过，这样显著提高了其对于给定空间要求(特别是给定长度)的热效率。
对热膨胀波纹管的描述
为了允许相对纵向位移：
-在外盒(5)和内盒(6)之间，
-在外盒(5)和涡轮发动机框架之间，
-在内盒(6)和涡轮发动机框架之间，
由可变形区域提供盒(5、6)与闭合结构(8)和/或朝向燃烧室(3)的环形供应和/或压缩机(2)的环形出口之间的连接部。
这些可变形区域由例如难熔不锈钢347所形成的金属波纹板制成。
可以使用不同的组合。在四对环形连接区域(13至16；23至26)中，期望有三个配备有可变形的环形连接部。当外盒(5)具有没有引起明显膨胀的温度时，为两个区域配备可变形连接部可能就足够了。
在图2中描述的示例中，闭合结构具有确定了外环形腔(50)的环形形状，来自第一束管的气体通入外环形腔(50)中以在底部(51)上朝向内环形腔(52)偏转，内环形腔(52)与外环形腔(50)同轴，通入所述第二束管的管中。
闭合结构的外管状壁具有膨胀波纹管(53、54)。
类似地，分隔壁具有波纹管(55)。
对供应杆的描述
图3表示了喷杆(30)的示例性实施方式的详细视图。它接收液体形式的燃料，并且包括燃料供应管线(32)和下游的用于蒸发燃料的加热套筒(31)。该加热套管(31)包括电阻。
它还可以包括内置在氮化硅壳中的镍线圈。
喷杆(30)的出口可以被倍增，以形成多个喷射喷嘴。喷嘴中的每个都可以可选地具有加热套筒。
对发电机空气冷却系统的描述
图4是发电机的剖视图，发电机以已知方式包括定子(40)和转子(41)。
定子(40)在其周缘具有径向翅片，新鲜空气流(42)流过径向翅片。定子轭还可以具有纵向孔，以确保新鲜空气通道。
第二空气流(43)穿过定子(40)和转子(41)之间形成的气隙。
如有需要，转子(41)可以具有螺旋形的扭曲齿，以迫使空气流过气隙。
这两个流(42、43)的出口由位于转子上游或下游的前板(44)提供，并且具有被校准以平衡两个流(42、43)的流速的孔口。
流(42、43)在转子(41)的一侧进入并且在转子(41)的另一侧离开，以使冷却最大化。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括：
-压缩机(2)，该压缩机通过环形连接部将压缩气体排放到热交换器(1)中，
-环形燃烧室(3)，该燃烧室通过环形连接部从所述热交换器接收气体，
-涡轮机(4)，该涡轮机排放来自所述燃烧室(3)的热气体，
-热交换器(1)，该热交换器具有环形形状，由通过保持装置组装并具有圆柱形腔的独立管组件形成，该圆柱形腔通入所述涡轮机的出口中，所述管组件被容纳在所述圆柱形腔中，其特征在于，所述热交换器(1)包括：
a)至少一个第一环形束(5)，该第一环形束由多个第一系列直管形成，每个第一系列直管在近侧穿孔连接板和远侧穿孔连接板之间延伸，
-所述第一环形束(5)与所述压缩机的所述环形连接部连通，
b)至少一个第二环形束(6)，该第二环形束与所述第一环形束同轴，由多个第一系列直管形成，每个第一系列直管在所述近侧穿孔连接板和所述远侧穿孔连接板之间延伸，
-所述第二环形束(6)与所述燃烧室的所述环形连接部连通，
c)环形闭合结构(8)，该环形闭合结构确定与所述第一管束连通的外环形腔和与所述外环形腔同轴的内环形腔，所述内环形腔通入所述第二管束的管中。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述压缩机的所述环形连接部包括至少一个圆柱形波纹管(53-55)。
3.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述燃烧室的所述环形连接部包括至少一个圆柱形波纹管。
4.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述第一管束和所述环形闭合结构之间的所述环形连接部包括至少一个圆柱形波纹管。
5.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述环形闭合结构和所述第二管束之间的所述环形连接部包括至少一个圆柱形波纹管。
6.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮发动机还包括具有密封的轴向可变形连接部的系统，从而允许所述热交换器的所述第一环形部分和所述第二环形部分的管不受约束地热膨胀。
7.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮发动机包括用于所述燃烧室的燃料供应系统，所述燃料供应系统包括被加热套筒部分包围的至少一个燃料喷杆。
8.根据权利要求7所述的涡轮发动机，其特征在于，所述燃料喷杆各自包含至少一根金属丝，所述至少一根金属丝在启动阶段期间连接到电源，以确保燃料被加热，直到所述燃料在所述燃料喷杆内蒸发。
9.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮机的轴直接驱动动力轴。
10.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮机的轴直接驱动发电机。
11.一种涡轮发电机，该涡轮发电机包括发电机和根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮机的轴直接驱动所述发电机。
12.根据权利要求11所述的涡轮发电机，其特征在于，所述涡轮发电机包括用于所述发电机的固定元件和活动元件的空气冷却回路。
13.根据权利要求12所述的涡轮发电机，其特征在于，所述空气冷却回路由两个并联回路构成，一个用于冷却所述固定部件，另一个用于冷却所述活动部件，其中，每个空气回路有独立的流校准系统。
14.一种热交换器，该热交换器具有环形形状，由通过保持装置组装并且容纳在圆柱形腔中的独立管组件形成，其特征在于，所述热交换器包括：
a)至少一个第一环形束，该第一环形束由多个第一系列直管形成，每个第一系列直管在近侧穿孔连接板和远侧穿孔连接板之间延伸，
-所述第一环形束与环形连接部连通，
b)至少一个第二环形束，该第二环形束与所述第一环形束同轴，由多个第一系列直管形成，每个第一系列直管在所述近侧穿孔连接板和所述远侧穿孔连接板之间延伸，
-所述第二环形束与所述环形连接部连通，
c)环形闭合结构，该环形闭合结构确定外环形腔，来自所述第一管束的气体通入所述外环形腔中以在底部上朝向内环形腔偏转，所述内环形腔与所述外环形腔同轴，通入所述第二管束的管中。

Claims (14)

1.一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括：
-压缩机(2)，该压缩机通过环形连接部将压缩气体排放到热交换器(1)中，
-环形燃烧室(3)，该燃烧室通过环形连接部从所述热交换器接收气体，
-涡轮机(4)，该涡轮机排放来自所述燃烧室(3)的热气体，
-热交换器(1)，该热交换器具有环形形状，由通过保持装置组装的独立管组件形成，并且具有圆柱形腔，该圆柱形腔一方面通入所述涡轮机的出口中，所述管组件被容纳在所述圆柱形腔中，
其特征在于，
所述热交换器(1)包括：
a)至少一个第一环形束(5)，该第一环形束由多个第一系列直管形成，每个第一系列直管在近侧穿孔连接板和远侧穿孔连接板之间延伸，
-所述第一环形束(5)与所述压缩机的所述环形连接部连通，
b)至少一个第二环形束(6)，该第二环形束与所述第一环形束同轴，由多个第一系列直管形成，每个第一系列直管在所述近侧穿孔连接板和所述远侧穿孔连接板之间延伸，
-所述第二环形束(6)与所述燃烧室的所述环形连接部连通，
c)环形闭合结构(8)，该环形闭合结构确定外环形腔，来自所述第一管束的气体通入所述外环形腔中以在底部上朝向内环形腔偏转，所述内环形腔与所述外环形腔同轴，通入所述第二管束的管中，
高温流体通过所述两个管束离开所述涡轮机。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述压缩机的所述环形连接部包括至少一个圆柱形波纹管(53-55)。
3.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述燃烧室的所述环形连接部包括至少一个圆柱形波纹管。
4.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述第一管束和所述环形闭合结构之间的所述环形连接部包括至少一个圆柱形波纹管。
5.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述环形闭合结构和所述第二管束之间的所述环形连接部包括至少一个圆柱形波纹管。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的涡轮发动机，其特征在于，所述波纹管由具有密封的轴向可变形连接部的系统构成，从而允许所述热交换器的所述第一环形部分和所述第二环形部分的管不受约束地进行热膨胀。
7.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮发动机包括用于所述燃烧室的燃料供应系统，所述燃料供应系统包括被加热套筒部分包围的至少一个燃料喷杆。
8.根据权利要求7所述的涡轮发动机，其特征在于，所述燃料喷杆各自包含至少一根金属丝，所述至少一根金属丝在启动阶段期间连接到电源，以确保燃料被加热，直到所述燃料在所述燃料喷杆内蒸发。
9.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮机的轴直接驱动动力轴。
10.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮机的轴直接驱动发电机。
11.一种涡轮发电机，该涡轮发电机包括发电机和根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮机的轴直接驱动所述发电机。
12.根据权利要求11所述的涡轮发电机，其特征在于，所述涡轮发电机包括用于所述发电机的固定元件和活动元件的空气冷却回路。
13.根据权利要求12所述的涡轮发电机，其特征在于，所述空气冷却回路由两个并联回路构成，一个用于冷却所述固定部件，另一个用于冷却所述活动部件，其中，每个空气回路有独立的流校准系统。
14.一种热交换器，该热交换器具有环形形状，由通过保持装置组装的独立管组件形成，并且具有圆柱形腔，该圆柱形腔一方面通入所述涡轮机的出口，所述管组件被容纳在所述圆柱形腔中，其特征在于，所述热交换器由以下构成：
a)至少一个第一环形束，该第一环形束由多个第一系列直管形成，每个第一系列直管在近侧穿孔连接板和远侧穿孔连接板之间延伸，
-所述第一环形束与所述压缩机的所述环形连接部连通，
b)至少一个第二环形束，该第二环形束与所述第一环形束同轴，由多个第一系列直管形成，每个第一系列直管在所述近侧穿孔连接板和所述远侧穿孔连接板之间延伸，
-所述第二环形束与所述燃烧室的所述环形连接部连通，
c)环形闭合结构，该环形闭合结构确定外环形腔，来自所述第一管束的气体通入所述外环形腔中以在底部上朝向内环形腔偏转，所述内环形腔与所述外环形腔同轴，通入所述第二管束的管中，
高温流体通过所述两个管束离开所述涡轮机。
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