CN113716007A - 一种船用混合动力推进系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用混合动力推进系统，包括燃气轮机、气液换热器和船体，船体内设有动力系统和电力控制系统，动力系统包括涡轮，以及与涡轮同轴连接的螺旋桨；燃气轮机的排气端与气液换热器的进气端连接，气液换热器的出汽口与船体的涡轮连接；燃气轮机的电流输出端与船体的电力控制系统的电流输入端连接。本发明利用燃气轮机的热能和电能作为混合动力，一方面燃气轮机将燃料的化学能转化为电能，可用于控制船体姿态，对船进行矢量推进；另一方面通过气热换热器将尾气的余热回收利用，气热换热器喷出的蒸汽用于直接推动船体涡轮做功，带动螺旋桨转动，推进船体行进；矢量推进和热力推进项结合，联合作用效率可达80％～90％。

Description

一种船用混合动力推进系统

技术领域

本发明涉及一种船用混合动力推进系统，属于船舶混合动力技术领域。

背景技术

随着全球变暖的日益加速，二氧化碳等致使全球变暖的气体排放的要求逐步严格，全球各个国家陆续出台了相关节能减排政策。基于船用领域，国家相关部门也出台了各项针对性的节能减排政策，鼓励发展新能源船舶，以解决船舶行进中对港口区域的有害气体排放，提升船舶的绿色经济性及安全性。目前市场上已逐步开始新能源船舶的技术发展及建造，目标是发展至纯电动推进船舶，而混合动力推进船舶是首要发展的方向，作为其过渡方案，其应用的持续时间也将会很长，即可响应节能减排政策，又能保证船舶动力的需求。

目前的混合动力技术通常采用新能源发电与火力发电结合供电的手段，如采用光伏发电或风力发电与火力发电结合供电，但此种手段引入了太阳能或风能，必然需要很多相应的复杂设备，如太阳能电池板、交直流配电柜及光伏逆变器等设备，会导致整个船舶电力系统稳定性降低；且系统结构过于复杂，控制方式更加繁琐，同时会导致各方面的配置成本过高，尤其是对于可靠性及空间布局要求较高的船舶动力系统领域。因此，使用稳定性无法保障、结构复杂的技术方案容易带来各种问题，是不可取的。

燃气轮机以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功，是一种旋转叶轮式热力发动机。其主要包括压气机、燃烧室、透平三大部件：压气机从外界大气环境吸入空气，并逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高；压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体；然后再进入到透平中膨胀做功，推动透平带动压气机和外负荷转子高速旋转，可实现气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功和热能，并可通过连接发电机输出电能。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种船用混合动力推进系统，其结构相对简单，配置成本低，可靠性高。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种船用混合动力推进系统，包括燃气轮机、气液换热器和船体，其中，船体内设有动力系统和电力控制系统，动力系统包括涡轮，以及与涡轮同轴连接的、可推动船体前进的螺旋桨；燃气轮机的排气端与气液换热器的进气端连接，气液换热器的出汽口与船体的涡轮连接，燃气轮机可输出尾气至气液换热器，气液换热器2排出气体推动船体前进；燃气轮机的电流输出端与船体的电力控制系统的电流输入端连接，燃气轮机可输出电能至船体的电力控制系统进而对船体进行矢量操控。

进一步地，所述燃气轮机，选自单转子微型燃气轮机、多转子微型燃气轮机。

进一步地，所述单转子微型燃气轮机，包括压气机、电机、透平和燃烧室，压气机、电机和透平同轴连接，透平的排气端与气液换热器的进气端连接，电机的电流输出端与船体的电力控制系统的电流输入端连接。

进一步地，所述为多转子微型燃气轮机，包括核心机和自由机。所述核心机，包括压气机、电机、透平和燃烧室，压气机、电机和透平同轴连接，燃烧室的排气端连接透平进气端；所述自由机，包括同轴连接的自由电机和自由涡轮，透平出气端连接自由涡轮进气端，自由涡轮的排气端与气液换热器的进气端连接，自由电机的电流输出端与船体的电力控制系统的电流输入端连接。

进一步地，所述电机为启发一体式电机，启动时，作为起动机带动微型燃气轮机旋转，待加速到能独立运行后，起动机脱开转化为发电机。

进一步地，所述压气机与燃烧室连接处设有扩压器，工质经压气机压缩后，经扩压器扩压后，进入燃烧室。

进一步地，所述气液换热器，包括通入冷流体的第一流体通道和通入热流体的第二流体通道，第一流体通道包括进液口和出汽口，第二流体通道包括进气口和出气口，第二流体通道的进气口与燃气轮机的排气端连接、出气口连通外界大气，第一流体通道的进液口用于通入冷流体、出汽口与船体的涡轮连接。工作时，热流体(本发明中为燃气轮机排出的尾气)从第二流体通道的进气口进入，并对从第一流体通道进液口进入的冷流体(本发明中为海水)进行加热、蒸发，蒸汽从第一流体通道的出汽口排出，并推动船体的涡轮做功，进而带动螺旋桨转动，推动船体前进；放热后的热流体从第二流体通道的出气口排出。

所述气液换热器，可选自市售的具有第一流体通道和第二流体通道的任一型号换热器，且第一流体通道用于通入冷流体(本发明中为海水)，第二流体通道用于通入热流体(本发明中为燃气轮机的尾气)。

进一步地，所述气液换热器的出汽口可设置阀门，以控制蒸汽的流量。

进一步地，所述气液换热器的出汽口还设置有至少一条支路，支路上可设置支路阀门，以控制各支路蒸汽的流量。所述支路可与燃气轮机连接，可为扩压器后端、燃烧室内和/或透平前端提供蒸汽，也可与船体上其它需要使用蒸汽的设备连接，用在其他需要蒸汽的场合。

进一步地，所述气液换热器上还可设置冲洗系统，所述冲洗系统包括在第一流体通道和第二流体通道的出口端设置的泵。冲洗系统开启时，用泵将海水排入第一流体通道和第二流体通道，加压后的海水冲刷并溶解第一流体通道和第二流体通道内因换热产生的盐粒，防止气热换热器堵塞。

上述船用混合动力推进系统的气液换热器冲洗方法还可以为：海水分别从第一流体通道和第二流体通道的出口排入、入口排出，反向冲刷第一流体通道和第二流体通道，更便于冲掉盐粒，冲洗效果更佳。

本发明的船用混合动力推进系统，利用燃气轮机的热能和电能作为混合动力，一方面，燃气轮机将燃料的化学能转化为电能，可用于控制船体姿态，对船进行矢量推进；另一方面，燃气轮机的尾气通过气热换热器将尾气的余热回收利用，气热换热器喷出的蒸汽用于直接推动船体涡轮做功，带动螺旋桨转动，推进船体行进；矢量推进和热力推进项结合，联合作用效率可达80％～90％。

本发明使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。

附图说明

图1：船用混合动力推进系统的结构示意简图。

图2：燃气轮机(实施例1)的结构示意图。

图3：燃气轮机(实施例2)的结构示意图。

图4：气液换热器的结构示意图。

图5：图4气液换热器的横截面示意图。

其中，1、燃气轮机；2、气液换热器；21、第一流体通道；211、进液口；212、出汽口；22、第二流体通道；221、进气口；222、出气口；3、船体；102、压气机；103、电机；104、透平；105、燃烧室；108、自由电机；109、自由涡轮；4、热能；5、电能；6、工质；7、尾气。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。然而，本发明的范围并不限于下述实施例。本领域的专业人员能够理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修饰。

实施例1船用混合动力推进系统

一种船用混合动力推进系统，包括燃气轮机1、气液换热器2和船体3，如图1所示，其中，船体3内设有动力系统和电力控制系统，动力系统包括涡轮，以及与涡轮同轴连接的、可推动船体前进的螺旋桨；燃气轮机1的排气端与气液换热器2的进气端连接，气液换热器2的出汽口与船体3的涡轮连接，燃气轮机1可输出热能4至气液换热器2，气液换热器2排出气体推动船体3前进；燃气轮机1的电流输出端与船体3的电力控制系统的电流输入端连接，燃气轮机1可输出电能5至船体3的电力控制系统进而对船体3进行矢量操控。

所述燃气轮机，为单转子微型燃气轮机，包括压气机102、电机103、透平104和燃烧室105，如图2所示，压气机102、电机103和透平104同轴连接，透平104的排气端与气液换热器2的进气端连接，电机103的电流输出端与船体3的电力控制系统的电流输入端连接。

所述电机103为启发一体式电机，启动时，作为起动机带动微型燃气轮机旋转，待加速到能独立运行后，起动机脱开转化为发电机。

所述压气机102与燃烧室105连接处还可设有扩压器，工质经压气机102压缩后，经扩压器扩压后，进入燃烧室105。

燃气轮机工作时，压气机102低压端从外界吸入工质6(一般为空气)，工质6经压气机102压缩增压后，进入到燃烧室105内并与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体，高温气体从燃烧室105出气端进入到透平104中并推动透平104做功，透平104带动同轴的电机103发电，并带动压气机102工作，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械能，并输出电能；高温气体对透平104做功后作为尾气7从排气端排出。

所述气液换热器2，如图4、5所示，包括通入冷流体的第一流体通道21和通入热流体的第二流体通道22，第一流体通道21包括进液口211和出汽口212，第二流体通道22包括进气口221和出气口222，第二流体通道22的进气口221与燃气轮机1的排气端连接、出气口222连通外界大气，第一流体通道21的进液口211用于通入冷流体、出汽口212与船体3的涡轮连接。工作时，燃气轮机1排出的尾气7从第二流体通道22的进气口221进入，并对从第一流体通道21进液口211进入的海水进行加热、蒸发，蒸汽从第一流体通道21的出汽口212排出，并推动船体3的涡轮做功，进而带动螺旋桨转动，推动船体3前进；放热后的尾气7从第二流体通道22的出气口222排出。

所述气液换热器2，可选自市售的具有第一流体通道21和第二流体通道22的任一型号换热器，且第一流体通道21用于通入冷流体，第二流体通道22用于通入热流体。

所述气液换热器2的出汽口212可设置阀门，以控制蒸汽的流量。

所述气液换热器2的出汽口212可设置多条支路，支路上可设置支路阀门，以控制各支路蒸汽的流量。所述支路可与燃气轮机1连接，可为扩压器后端、燃烧室内和/或透平前端提供蒸汽，也可与船体3上其它需要使用蒸汽的设备连接，用在其他需要蒸汽的场合。

所述气液换热器2上还可设置冲洗系统，所述冲洗系统包括在第一流体通道21的出汽口212处设置的泵，和在第二流体通道22的出气口222处设置的泵。冲洗系统开启时，用泵将海水排入第一流体通道21和第二流体通道22，加压后的海水冲刷并溶解第一流体通道21和第二流体通道22内因换热产生的盐粒，防止气热换热器堵塞。具体操作时，海水可分别从第一流体通道21的出汽口212和第二流体通道22的出气口222排入，从第一流体通道21的进液口211和第二流体通道22的进气口221排出，反向冲刷第一流体通道21和第二流体通道22，更便于冲掉盐粒，冲洗效果更佳。

实施例2船用混合动力推进系统

一种船用混合动力推进系统，包括燃气轮机1、气液换热器2和船体3，如图1所示，其中，船体3内设有动力系统和电力控制系统，动力系统包括涡轮，以及与涡轮同轴连接的、可推动船体前进的螺旋桨；燃气轮机1的排气端与气液换热器2的进气端连接，气液换热器2的出汽口与船体3的涡轮连接，燃气轮机1可输出热能4至气液换热器2，气液换热器2排出气体推动船体3前进；燃气轮机1的电流输出端与船体3的电力控制系统的电流输入端连接，燃气轮机1可输出电能5至船体3的电力控制系统进而对船体3进行矢量操控。

所述燃气轮机，为多转子微型燃气轮机，包括核心机和自由机，如图3所示，所述核心机。包括压气机102、电机、透平104和燃烧室105，压气机102、电机和透平104同轴连接，燃烧室105的排气端连接透平104进气端。

所述自由机，包括同轴连接的自由电机108和自由涡轮109，透平104出气端连接自由涡轮109进气端，自由涡轮109的排气端与气液换热器2的进气端连接，自由电机108的电流输出端与船体3的电力控制系统的电流输入端连接。

所述电机为启发一体式电机，启动时，作为起动机带动微型燃气轮机旋转，待加速到能独立运行后，起动机脱开转化为发电机。

所述压气机102与燃烧室105连接处还可设有扩压器，工质经压气机102压缩后，经扩压器扩压后，进入燃烧室105。

燃气轮机工作时，压气机102低压端从外界吸入工质6(一般为空气)，工质6经压气机102压缩增压后，进入到燃烧室105内并与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体，高温气体从燃烧室105出气端依次进入到透平104、自由涡轮109中，并推动透平104、自由涡轮109做功，透平104带动同轴的压气机102工作，自由涡轮109带动与其同轴的自由电机108发电，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械能，并输出电能；高温气体对透平104、自由涡轮109做功后作为尾气7从排气端排出。

所述气液换热器2，如图4、5所示，包括通入冷流体的第一流体通道21和通入热流体的第二流体通道22，第一流体通道21包括进液口211和出汽口212，第二流体通道22包括进气口221和出气口222，第二流体通道22的进气口221与燃气轮机1的排气端连接、出气口222连通外界大气，第一流体通道21的进液口211用于通入冷流体、出汽口212与船体3的涡轮连接。工作时，燃气轮机1排出的尾气7从第二流体通道22的进气口221进入，并对从第一流体通道21进液口211进入的海水进行加热、蒸发，蒸汽从第一流体通道21的出汽口212排出，并推动船体3的涡轮做功，进而带动螺旋桨转动，推动船体3前进；放热后的尾气7从第二流体通道22的出气口222排出。

所述气液换热器2，可选自市售的具有第一流体通道21和第二流体通道22的任一型号换热器，且第一流体通道21用于通入冷流体，第二流体通道22用于通入热流体。

所述气液换热器2的出汽口212可设置阀门，以控制蒸汽的流量。

所述气液换热器2的出汽口212可设置多条支路，支路上可设置支路阀门，以控制各支路蒸汽的流量。所述支路可与燃气轮机1连接，可为扩压器后端、燃烧室内和/或透平前端提供蒸汽，也可与船体3上其它需要使用蒸汽的设备连接，用在其他需要蒸汽的场合。

所述气液换热器2上还可设置冲洗系统，所述冲洗系统包括在第一流体通道21的出汽口212处设置的泵，和在第二流体通道22的出气口222处设置的泵。冲洗系统开启时，用泵将海水排入第一流体通道21和第二流体通道22，加压后的海水冲刷并溶解第一流体通道21和第二流体通道22内因换热产生的盐粒，防止气热换热器堵塞。具体操作时，海水可分别从第一流体通道21的出汽口212和第二流体通道22的出气口222排入，从第一流体通道21的进液口211和第二流体通道22的进气口221排出，反向冲刷第一流体通道21和第二流体通道22，更便于冲掉盐粒，冲洗效果更佳。

上述虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种船用混合动力推进系统，其特征在于：包括燃气轮机、气液换热器和船体，其中，船体内设有动力系统和电力控制系统，动力系统包括涡轮，以及与涡轮同轴连接的螺旋桨；燃气轮机的排气端与气液换热器的进气端连接，气液换热器的出汽口与船体的涡轮连接；燃气轮机的电流输出端与船体的电力控制系统的电流输入端连接。

2.根据权利要求1所述的船用混合动力推进系统，其特征在于：所述燃气轮机，选自单转子微型燃气轮机、多转子微型燃气轮机。

3.根据权利要求2所述的船用混合动力推进系统，其特征在于：所述单转子微型燃气轮机，包括压气机、电机、透平和燃烧室，压气机、电机和透平同轴连接，透平的排气端与气液换热器的进气端连接，电机的电流输出端与船体的电力控制系统的电流输入端连接。

4.根据权利要求2所述的船用混合动力推进系统，其特征在于：所述多转子微型燃气轮机，包括核心机和自由机；所述核心机，包括压气机、电机、透平和燃烧室，压气机、电机和透平同轴连接，燃烧室的排气端连接透平进气端；所述自由机，包括同轴连接的自由电机和自由涡轮，透平出气端连接自由涡轮进气端，自由涡轮的排气端与气液换热器的进气端连接，自由电机的电流输出端与船体的电力控制系统的电流输入端连接。

5.根据权利要求3或4所述的船用混合动力推进系统，其特征在于：所述电机为启发一体式电机。

6.根据权利要求1所述的船用混合动力推进系统，其特征在于：所述气液换热器，包括通入冷流体的第一流体通道和通入热流体的第二流体通道，第一流体通道包括进液口和出汽口，第二流体通道包括进气口和出气口，第二流体通道的进气口与燃气轮机的排气端连接、出气口连通外界大气，第一流体通道的进液口用于通入冷流体、出汽口与船体的涡轮连接。

7.根据权利要求1或6所述的船用混合动力推进系统，其特征在于：所述气液换热器的出汽口设置阀门。

8.根据权利要求1或6所述的船用混合动力推进系统，其特征在于：所述气液换热器的出汽口设置至少一条支路，支路上设置支路阀门。

9.根据权利要求6所述的船用混合动力推进系统，其特征在于：所述气液换热器上设置冲洗系统；所述冲洗系统包括在第一流体通道和第二流体通道的出口端设置的泵。

10.权利要求9所述的船用混合动力推进系统的气液换热器冲洗方法，其特征在于：所述冲洗系统工作时，海水分别从第一流体通道和第二流体通道的出口排入、入口排出，反向冲刷第一流体通道和第二流体通道。

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