CN110374748A - 一种燃气涡轮发动机循环系统及循环方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带间冷和/或回热的燃气涡轮发动机循环系统及循环方法。系统包括解耦的燃气涡轮主循环子系统和超临界二氧化碳外循环子系统。超临界二氧化碳外循环子系统包括形成循环回路的二氧化碳压缩机和二氧化碳透平以及至少一个换热器。燃气涡轮主循环子系统设有工质通道与换热器连通，工质通道设置在低压压气机、高压压气机之间和/或连接在涡轮之后，使主循环子系统与外循环子系统能够通过换热器进行热交换。本发明外循环系统利用超临界二氧化碳跟主循环进行换热发电，能够充分利用主循环的热量，同时又避免了系统的庞大臃肿；采用相互独立的两个子循环系统，使得外循环跟主循环解耦，具有热效率高且运行更灵活等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃气涡轮发动机循环系统及循环方法，特别是一种带间冷和/或回热的燃气涡轮发动机循环系统及循环方法，属于燃气涡轮发动机技术领域。
背景技术
燃气涡轮发动机是广泛应用于飞机、舰船、发电等领域的高效动力装置。为进一步提高效率、降低油耗，国际上正在发展间冷和回热循环。所谓间冷(亦称中冷)，是指将压气机低压段(或中压段)与高压段中间的空气冷却后再送入高压段进行压缩，以减少压气机高压段功耗，提高效率。所谓回热，是指将低压涡轮出口的排气余热回收并加以利用。此外，应用间冷后，压气机高压段空气温度降低，降低了对压气机叶片材料耐高温性能的要求，也避免了因燃烧室来流温度过高而引起的燃烧室预混段回火、烧蚀，以及燃油喷嘴结焦问题。
在舰船领域，英国的罗罗公司和日本的川崎重工联合研制成功了WR21型舰用间冷回热循环燃气涡轮发动机。该机型使用海水冷却低压压气机出口的空气，冷却后的空气经高压压气机进一步压缩后，与低压涡轮排出的燃气换热，温度升高后进入燃烧室燃烧。但是，在间冷换热中，海水得到的热量无法有效利用，导致了效率的损失。
在航空领域，国内外也提出了一些间冷回热涡扇发动机循环。这些循环普遍使用外涵道的低温空气作为冷源，实现间冷。这种间冷方式能够利用间冷换热过程的热量，增加外涵道喷气速度，增大发动机推力。但是，喷气速度的增加，降低了推进效率，会导致油耗增加。而且需要在外涵道布置换热器，导致结构复杂，增加了压损。高压压气机出口空气经过回热过程后，温度较高，在燃烧室预混段中与燃料混合时容易发生回火、烧蚀，以及燃油喷嘴结焦问题。此外，回热过程与燃烧过程耦合，导致系统控制复杂，影响了发动机运行的稳定性。因此，目前还没有间冷回热循环在飞机发动机上实现应用。
上述问题限制了间冷回热循环在舰船与飞机上的进一步应用。因此，在发展间冷回热循环时，需要解决两方面的关键技术问题：1)有效回收利用间冷过程交换的热量；2)发展新的回热方法，避免与燃烧室耦合导致燃烧室入口温度过高而引发的一系列问题。
专利文献CN104110309A公开了一种航空发动机的间冷或间冷回热循环布局，在间冷或间冷回热循环中引入了超临界状态流体循环，使得布莱顿循环和超临界状态流体循环相互独立，通过4个微小尺度换热器实现两个循环之间的换热。
发明内容
本发明旨在提供一种带间冷和/或回热的燃气涡轮发动机循环系统及循环方法，有效回收压气机内间冷过程中损失的热量，并将回收的热量通过超临界二氧化碳透平发电，以达到提高效率、降低油耗的目的。
本发明通过以下技术方案实现：一种燃气涡轮发动机循环系统，包括以空气为循环工质的燃气涡轮主循环子系统和以二氧化碳为工质的超临界二氧化碳外循环子系统；所述燃气涡轮主循环子系统包括通过传动轴依次相连的低压压气机、高压压气机、燃烧室和涡轮；所述超临界二氧化碳外循环子系统包括二氧化碳压缩机和二氧化碳透平以及至少一个换热器，所述换热器设置在二氧化碳压缩机和二氧化碳透平之间且形成循环回路；所述燃气涡轮主循环子系统设有工质通道与所述换热器连通，所述工质通道设置在所述低压压气机、高压压气机之间和/或连接在所述涡轮之后，使得所述燃气涡轮主循环子系统与所述超临界二氧化碳外循环子系统能够通过所述换热器进行热交换；所述超临界二氧化碳外循环子系统还包括发电机，发电机与二氧化碳透平之间设有传动轴。
上述技术方案中，所述换热器作为间冷换热器，所述工质通道设置在所述燃气涡轮主循环子系统的低压压气机与高压压气机之间，使得所述低压压气机与间冷换热器、高压压气机依次通过所述工质通道相连。
上述技术方案中，所述换热器作为回热换热器，所述燃气涡轮主循环子系统的涡轮通过工质通道与所述回热换热器相连。
上述技术方案中，所述换热器设置两个，包括间冷换热器和回热换热器；所述工质通道包括第一工质通道和第二工质通道，所述第一工质通道设置在所述燃气涡轮主循环子系统的低压压气机与高压压气机之间，所述第二工质通道设置所述涡轮之后，使得所述低压压气机与间冷换热器、高压压气机依次通过所述第一工质通道相连，且所述涡轮通过第二工质通道与所述回热换热器相连。
一种燃气涡轮发动机循环方法，其使用如上所述的间冷回热的燃气涡轮发动机循环系统，所述方法包括：
使空气依次进入低压压气机和高压压气机压缩升压，然后进入燃烧室参与燃烧产生高温烟气，高温烟气推动涡轮做功后作为高温废气排出；
使二氧化碳工质通过二氧化碳压缩机压缩超过临界压力后，进入换热器与热工质换热升温成为超临界二氧化碳；使超临界二氧化碳进入二氧化碳透平做功带动发电机发电，超临界二氧化碳温度和压力降低；使温度和压力降低的二氧化碳工质回到二氧化碳压缩机压缩；
所述热工质为经过所述低压压气机压缩后的空气或所述涡轮做功后的高温废气。
当所述换热器设置两个，包括间冷换热器和回热换热器，所述方法还包括：
使空气进入低压压气机压缩使得空气温度升高成为热工质；使热工质进入间冷换热器进行换热，然后回到高压压气机进一步压缩升压，随后进入燃烧室参与燃烧产生高温烟气，高温烟气推动涡轮做功后作为高温废气排出，进入回热换热器作为高温工质进行换热回收热量；
使二氧化碳工质通过二氧化碳压缩机压缩超过临界压力后，依次进入间冷换热器和回热换热器，分别与热工质和高温工质换热升温成为高温超临界二氧化碳；使高温超临界二氧化碳进入二氧化碳透平做功带动发电机发电，超临界二氧化碳温度和压力降低；使温度和压力降低的二氧化碳工质回到二氧化碳压缩机压缩。
上述技术方案中，二氧化碳工质通过二氧化碳压缩机压缩后成为亚临界或超临界二氧化碳工质。
本发明具有以下优点及有益效果：外循环系统利用超临界二氧化碳跟主循环进行换热发电，能够充分利用主循环的热量，从而提高系统热效率，同时又避免了系统的庞大臃肿；采用相互独立的两个子循环系统，使得外循环跟主循环解耦，运行更灵活。
附图说明
图1为本发明所涉及的间冷回热的燃气涡轮发动机循环系统示意图。
图中：1–进气道；2–低压压气机；3–高压压气机；4–燃烧室；5–高压涡轮；6–低压涡轮；7–间冷换热器；8–回热换热器；9–排气管；10–二氧化碳压缩机；11–二氧化碳透平；12–发电机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。
本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。
一种带间冷和/或回热的燃气涡轮发动机循环系统，包括以空气为循环工质的燃气涡轮主循环子系统和以二氧化碳为工质的超临界二氧化碳外循环子系统。燃气涡轮主循环子系统包括通过传动轴依次相连的低压压气机2、高压压气机3、燃烧室4和涡轮。涡轮包括高压涡轮5和低压涡轮6。还可以根据需要在高压涡轮5和低压涡轮6之间设置中压涡轮。涡轮之后还设置有排气管9。超临界二氧化碳外循环子系统包括二氧化碳压缩机10、二氧化碳透平11、发电机12以及间冷换热器7和/或回热换热器8。
系统包括三种实施方式，其中一种是只包括间冷换热器7；另一种是只包括回热换热器8；第三种同时包括间冷换热器7和回热换热器8。
在第一种实施方式中，使空气进入低压压气机2压缩使得空气温度升高成为热工质；使热工质进入间冷换热器7进行换热，然后回到高压压气机3进一步压缩升压，随后进入燃烧室参与燃烧产生高温烟气，高温烟气推动涡轮做功后作为高温废气排出。使二氧化碳工质通过二氧化碳压缩机10压缩超过临界压力后，进入间冷换热器7与热工质换热升温成为超临界二氧化碳；使超临界二氧化碳进入二氧化碳透平12做功带动发电机发电，超临界二氧化碳温度和压力降低；使温度和压力降低的二氧化碳工质回到二氧化碳压缩机10压缩。
在第二种实施方式中，使空气依次进入低压压气机2和高压压气机3压缩升压升温，随后进入燃烧室4参与燃烧产生高温烟气，高温烟气推动涡轮做功后作为高温废气排出。使二氧化碳工质通过二氧化碳压缩机10压缩超过临界压力后，成为亚临界或超临界二氧化碳工质，然后进入回热换热器8与高温废气换热升温成为高温超临界二氧化碳；使高温超临界二氧化碳进入二氧化碳透平12做功带动发电机发电，超临界二氧化碳温度和压力降低；使温度和压力降低的二氧化碳工质回到二氧化碳压缩机10压缩。
在第三种实施方式中，工质通道包括第一工质通道和第二工质通道，所述第一工质通道设置在所述燃气涡轮主循环子系统的低压压气机2与高压压气机3之间，所述第二工质通道设置所述涡轮之后，使得所述低压压气机2与间冷换热器7、高压压气机3依次通过所述第一工质通道相连，且所述涡轮通过第二工质通道与所述回热换热器8相连。使空气进入低压压气机2压缩使得空气温度升高成为热工质；使热工质通过第一工质通道进入间冷换热器7进行换热，然后回到高压压气机3进一步压缩升压，随后进入燃烧室4参与燃烧产生高温烟气，高温烟气推动涡轮做功后作为高温废气排出，通过第二工质通道进入回热换热器8作为高温工质进行换热回收热量。使二氧化碳工质通过二氧化碳压缩机10压缩超过临界压力后，依次进入间冷换热器7和回热换热器8，分别与热工质和高温工质换热升温成为高温超临界二氧化碳；使高温超临界二氧化碳进入二氧化碳透平12做功带动发电机发电，超临界二氧化碳温度和压力降低；使温度和压力降低的二氧化碳工质回到二氧化碳压缩机10继续压缩。
本发明燃气涡轮发动机主循环部分作为业内常识，本领域一般技术人员均可以理解和想象。
本发明所述燃气涡轮发动机适用于航空发动机、船舰发动机及地面燃气轮机。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种燃气涡轮发动机循环系统，其特征在于，所述系统包括以空气为循环工质的燃气涡轮主循环子系统和以二氧化碳为工质的超临界二氧化碳外循环子系统；所述燃气涡轮主循环子系统包括通过传动轴依次相连的低压压气机(2)、高压压气机(3)、燃烧室(4)和涡轮；所述超临界二氧化碳外循环子系统包括二氧化碳压缩机(10)和二氧化碳透平(11)以及至少一个换热器，所述换热器设置在二氧化碳压缩机(10)和二氧化碳透平(11)之间且形成循环回路；所述燃气涡轮主循环子系统设有工质通道与所述换热器连通，所述工质通道设置在所述低压压气机(2)、高压压气机(3)之间和/或连接在所述涡轮之后，使得所述燃气涡轮主循环子系统与所述超临界二氧化碳外循环子系统能够通过所述换热器进行热交换。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机循环系统，其特征在于，所述换热器作为间冷换热器(7)，所述工质通道设置在所述燃气涡轮主循环子系统的低压压气机(2)与高压压气机(3)之间，使得所述低压压气机(2)与间冷换热器(7)、高压压气机(3)依次通过所述工质通道相连。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机循环系统，其特征在于，所述换热器作为回热换热器(8)，所述燃气涡轮主循环子系统的涡轮通过工质通道与所述回热换热器(8)相连。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机循环系统，其特征在于，所述换热器设置两个，包括间冷换热器(7)和回热换热器(8)；所述工质通道包括第一工质通道和第二工质通道，所述第一工质通道设置在所述燃气涡轮主循环子系统的低压压气机(2)与高压压气机(3)之间，所述第二工质通道设置所述涡轮之后，使得所述低压压气机(2)与间冷换热器(7)、高压压气机(3)依次通过所述第一工质通道相连，且所述涡轮通过第二工质通道与所述回热换热器(8)相连。
5.一种燃气涡轮发动机循环方法，其使用如权利要求1所述的间冷回热的燃气涡轮发动机循环系统，其特征在于，所述方法包括：
使空气依次进入低压压气机(2)和高压压气机(3)压缩升压，然后进入燃烧室(4)参与燃烧产生高温烟气，高温烟气推动涡轮做功后作为高温废气排出；
使二氧化碳工质通过二氧化碳压缩机(10)压缩超过临界压力后，进入换热器与热工质换热升温成为高温超临界二氧化碳；使高温超临界二氧化碳进入二氧化碳透平(12)做功，温度和压力降低；使温度和压力降低的二氧化碳工质回到二氧化碳压缩机(10)压缩；
所述热工质为经过所述低压压气机(2)压缩后的空气或所述涡轮做功后的高温废气。
6.根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机循环方法，其特征在于，所述换热器设置两个，包括间冷换热器(7)和回热换热器(8)；所述工质通道包括第一工质通道和第二工质通道，所述第一工质通道设置在所述燃气涡轮主循环子系统的低压压气机(2)与高压压气机(3)之间，所述第二工质通道设置所述涡轮之后，使得所述低压压气机(2)与间冷换热器(7)、高压压气机(3)依次通过所述第一工质通道相连，且所述涡轮通过第二工质通道与所述回热换热器(8)相连；所述方法还包括：
使空气进入低压压气机(2)压缩使得空气温度升高成为热工质；使热工质进入间冷换热器(7)进行换热，然后回到高压压气机(3)进一步压缩升压，随后进入燃烧室(4)参与燃烧产生高温烟气，高温烟气推动涡轮做功后作为高温废气排出，进入回热换热器(8)作为高温工质进行换热回收热量；
使二氧化碳工质通过二氧化碳压缩机(10)压缩超过临界压力后，依次进入间冷换热器(7)和回热换热器(8)，分别与热工质和高温工质换热升温成为高温超临界二氧化碳；使高温超临界二氧化碳进入二氧化碳透平(12)做功，温度和压力降低；使温度和压力降低的二氧化碳工质回到二氧化碳压缩机(10)压缩。
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