CN1167207A - 逆置(主轴置)燃烧室式双轴燃气轮机 - Google Patents

Abstract

一种逆置(主轴置)燃烧室式双轴燃气轮机，包括主轴、副轴、电机、高压压气机、压气机涡轮、动力涡轮、燃烧室和减速装置等，其特征为燃烧室逆置在动力涡轮径向上，通过喷管与动力涡轮室贯通且通过高压空气通道或压缩空气流道与高压压气机连接；动力涡轮与压气机涡轮通过另一喷管贯通且通过二次燃气通道与二级压气机燃气涡轮、回热器、列管排气热利用装置与高压压气机连通形成循环。本发明热效率高，污染低，能改进加速、调速性能。

Description

逆置(主轴置)燃烧室式双轴燃气轮机

本发明涉及一种燃气动力机。

在现代国民经济领域中，内燃机无处不存在，且是支柱工业一汽车工业的心脏。但由于能源、污染及用户需求等原因，对其进行了大量的改进。而燃气轮机以其污染低，运转特性好，质量小及燃料适应性好的特点显示其优越性。但由于控制机构复杂，加速、调速性能偏低，主要零部件成本偏高的缺陷，更重要的是由于热力学、热工学理论应用偏差，限制了热效率的提高，特别是部份负荷工况(经常使用的工况)燃料消耗偏高，影响了其发挥优势及市场的占有率。

本发明的目的是克服现有技术缺陷，提供一种热效率高，污染低，控制系统简单可靠，并能改进加速、调速性能，无理论应用偏差的逆置(主轴置)燃烧室式双轴燃气轮机。

本发明的目的是由下列技术方案实现的：它包括主轴、副轴、起动电机、高压压气机、压气机涡轮、动力涡轮、燃烧室和减速装置等，副轴一端联接电机，中段设置一高压压气机，另一端联接压气机涡轮，主轴一端联接动力涡轮，另一端与减速装置相接，其特征为燃烧室逆置在动力涡轮径向上，可设一个或一个以上，通过喷管与动力涡轮室贯通且通过高压空气通道与高压压气机连接，燃烧室内设燃料喷嘴和点火器，燃料喷嘴通过燃料管与燃料泵相接；动力涡轮与设置在副轴上的压气机涡轮通过另一喷管贯通且通过二次燃气通道与二级压气机燃气涡轮相接，二级压气机燃气涡轮又与低压压气机相接且通过高压压气涡轮进气通道与高压压气机连通形成循环。

本发明可通过另一技术方案实现：燃烧室亦逆置在动力涡轮径向上，可设一个或一个以上，通过喷管与动力涡轮室贯通，又通过压缩空气流道与高压压气机连接，燃烧室内设燃料喷嘴和点火器，燃料喷嘴通过燃料管与燃料泵相接；动力涡轮与设置在副轴上的压气机涡轮通过另一喷管贯通且与燃气流通连通，压缩空气流道通过一回热器与燃气流道贯通并形成循环。

本发明还可采用一技术方案来实现：燃烧室同样逆置在动力涡轮径向上，亦可设一个或一个以上，通过喷管与动力涡轮室贯通且与列管排气热利用装置一端相接，燃烧室内设燃料喷嘴和点火器，燃料喷嘴通过燃料管与燃料泵相接，动力涡轮与设置在副轴上的压气机涡轮通过另一喷管贯通且通过排气道与列管排气热利用装置另一端相接，列管排气热利用装置通过压缩空气流道与高压压气机相接形成循环。

本发明由于采用燃烧室逆置的方式，即燃烧室直接置于动力涡轮轴端，首先便对动力涡轮作功，经过压气机等手段将工质压力升高，内效率亦增大，除必不可少的磨损损失，动力涡轮损失(如叶型损失、部份进气损失、鼓风损失等)外，没有其它损失，可全部用于动力输出，给尽可能攫取的剩余能量提供最大的机会，用以提高内效率，达到提高热效率的目的。由于采用分流阀调节机构，使二次空气随转速调节，并引入部份废气混合后通过涡轮室夹层及喷管夹层所形成的增压室，使二次空气升温，升压并降低涡轮机、喷管夹层的温度，即在减少二次空气能耗的同时减少了需冷空气吹拂喷管、涡轮机夹层的能耗，所攫取的这部份通常认为是不可利用之能量，同时又可以提高一次空气的工作压力，转化为内效率的提高。而且由于总空气升压量减少，高压压气机进气密度增加，可大幅度降低高压压气机容积量，工质的最佳工质压力及最经济燃料消耗工况随之下移，能达到的负荷工况为满负荷的30％左右即比当代燃气轮机的最低燃料消耗要低，可确保燃气轮机部份负荷(最常用负荷)燃料的经济性。

附图说明：

图1为本发明方案一结构示意图；

图2为本发明低压压气机结构示意图；

图3为本发明方案二结构示意图；

图4为本发明方案三结构示意图。

下面结合附图对本发明的三种方案分别作进一步详述。根据热力学、热工学理论可知，燃气轮机的热效率公式为： 。其中η_tp为热效率，β为工质的压力比，K为绝热指数。从该公式可以看出，决定燃气轮机热效率的主要因素是进入燃烧室之工质的压力比β，但确定其热效率的高低的是动力输出轴的动力输出，也就是双轴燃气轮机动力涡轮输出轴的高低。因此，本发明的要点是将燃烧室及所有需动力驱动之辅助件(如全程调速燃料供应泵、发电机、润滑油泵等)置于动力涡轮轴端，以求尽可能将内效率在未产生焓降前转化为动力输出，同时应确保剩余能量能够满足副轴压气机升高工质压力的要求。根据这个原理，本发明采用了三种不同的方案。①在副轴涡轮机后拼接两级增压压气机，用以提高副轴压气机工质的压力比。②在副轴涡轮机后拼接回热器，用以回收余热提高副轴压气机升压后之工质的压力比。③采用外管排气道，内列管式进气道构成的列管式排气热利用装置升高由副轴压气机至燃烧室之工质的压力比。这三种方案采用先对动力涡轮作功的方式，直接用于动力输出，能充分利用获能工质所产生的内效率，并尽可能的攫取剩余能量，降低终排温度和压力。

本发明皆以空气为工质，使用气体或液体燃料为燃质，使用柱塞回流式全程调速燃料供应泵。主要由机体、涡轮机、压气机、主轴、副轴、燃烧室、燃料喷嘴、点火器、减速装置、辅助装置及燃料泵等组成。各分方案可选择二级压气机增压或回热器或外管排气道内列管式进气道加热进入燃烧室内之工质。

如图1所示，本发明在机体设置一主轴19，副轴20，副轴20一端与起动电机1相联接，另一端接压气机涡轮17，其上有符合空气动力学之叶片，在副轴20的中部固定一高压压气机3 ；主轴19设置在副轴20的同一线上，机体内一端设动力涡轮15，另一端外接减速装置11用以动力输出，本发明最大的特点是将燃烧室13设置在主轴19一端，位于动力涡轮15轴端，径向均匀排列，通常可设一个或一个以上，以扩大功率的履盖范围，燃烧室13通过设置在动力涡轮15径向叶片旁和燃烧室13之间的喷管14与动力涡轮室贯通，通过燃烧后获能的工质冲击动力涡轮15之叶片旋转而作功。燃烧室13内设一燃料喷嘴12，通过外接一根燃料管8与燃料泵10相接，燃料便通过燃料喷嘴12进入燃烧室13内；燃料喷嘴12类似於柴油机之轴针式喷油器，以针阀端部轴针产生空心圆锥形雾化燃料，且针阀开启压力低，喷射时间较长，连续喷射，寿命远高于柴油机喷油器。燃烧室13内还设置了点火器8，采用火焰点火的形式，利用电火花塞产生电火花，先将轻质燃料点燃，形成小火焰，再利用小火焰点燃燃料喷嘴12喷出的燃料。燃烧室13还通过高压空气通道5与高压压气机3连接，高压空气通道5内设扩压管4，高压压气机3的所产生的气流经扩压管4扩压后进入燃烧室13内；点火后的燃气流经喷管14进入动力涡轮室内使其产生旋转，转化为动力输出。为更充分利用能量，在与动力涡轮15相对的压气机涡轮17径向间设置另一喷管16，与喷管14贯通，喷管16可承接喷管14喷出的燃气流，带动压气机涡轮17旋转，其气流可通过与压气机涡轮17相联接的二次燃气通道18进入与其相接的二级压气机燃气涡轮7内，二级压气机燃气涡轮7又与图4所示的低压压气机27相接，将废气排出，其二次空气与低压压气机27吸入的新的空气一起又进入二级压气机燃气涡轮7内，出来的气流又通过与其连接的高压压气涡轮进气通道2重新进入高压压气机3内，产生高压力工质，再经高压空气通道5复又进入燃烧室13与燃料喷嘴12喷出的雾化燃料混合燃烧，使工质获能后经喷管14冲击动力涡轮15而作功，完成工作循环。

为使燃气轮机在启动时气流容易进入高压压气机3内，在高压空气通道5和压缩空气流道22外设起动气阀ID。

本发明根据燃烧室13所需气量采用低压压气机27按满负荷供气量全额配置，而二次压气机燃气涡轮7按部份供气量配置。一般取满负荷气量的70％～60％配置，并在低压压气机27至二级压气机燃气涡轮7处及高压压气机3至燃烧室13的一、二次空气分流处设置转速或负荷感应式分流调节阀6(可采用液压活塞调制式或电脑控制式调节阀)，以保证其燃烧室13主部供气量在任意状态下空燃比不低于1.2～1.4左右供气。在低转速或低负荷时为确保二次空气有较高的工作压力。分流阀6较大的气量比供给二次压气机燃气涡轮7，随负荷及转速增高逐步减少至空燃比a在1.2～1.4供给二次压气机燃气涡轮7。而高压压气机3在满负荷的60％以上时只供应燃烧室13主部工质一一次空气。低压压气机27分流处，分流出来的部份低压空气则与引入的部份废气混合通过压气机涡轮17流入二次燃气通道18中，完成补燃及降低火焰管出口温度的要求。

如图2所示，本发明之方案二是通过压缩空气流道22和燃气流道23之间所设的回热器21完成的。高压压气机3入端设进气道24，工质经高压压气机3扩压后通过压缩空气流道22进入燃烧室13，其点火后燃烧的燃气流经喷管14冲击动力涡轮15叶片旋转作功，在动力涡轮15和压气机涡轮17之间亦设另一喷管16与喷管14贯通，喷管14喷出的气流经喷管16进入压气机涡轮17内，带动压气机涡轮17旋转，气流便经压气机涡轮室进入与压气机涡轮17相通的燃气流道23内，由于在燃气流道23内设置了一回热器21，空气便进入回热器21内，因回热器21出口端连接压缩空气流道22，由燃气通道23进入回热器21内的空气被加热后复又进入燃烧室13内燃烧使动力涡轮15作功，完成一个工作循环。

如图3所示，在本发明方案三亦是依据同一原理采用列管排气热利用装置28完成的。在压缩空气流道22上设置一列管排气热利用装置28，其结构为外设排气道26，内设列管进气道，经高压压气机3，扩压管4扩压后的空气进入列管排气热利用装置27后进入与其相接的燃烧室13内，燃烧后的燃气通过喷管14喷出的燃气流使动力涡轮15作功。由于在动力涡轮15和压气机涡轮17之间设置了另一喷管16，喷管14喷出的燃气流一部分又进入喷管16内，喷出后又可进入压气涡轮室再进入排气道25内，由于排气道25与列管排气热利用装置28入口相接，气流进入其内被加热后又可进入燃烧室13内，形成一个工作循环。

上述过程不断反复，动力涡轮15便可不断地将动力输出。

Claims (7)

1、一种逆置(主轴置)燃烧室式双轴燃气轮机，包括主轴(19)、副轴(20)、电机(1)、高压压气机(3)、压气机涡轮(17)、动力涡轮(15)、燃烧室(13)和减速装置(11)等，所述副轴(20)一端联接电机(1)，中部设高压压气机(3)，另一端联接压气机涡轮(17)，所述主轴(19)一端联接动力涡轮(15)，另一端与减速装置(11)相接，其特征在于所述的燃烧室(13)逆置在动力涡轮(15)径向上，可设一个或一个以上，通过喷管(14)与动力涡轮室贯通又通过高压空气通道(5)与高压压气机(3)连接，燃烧室(13)内设燃料喷嘴(12)和点火器(8)，燃料喷嘴(12)通过燃料管(8)与燃料泵(10)相接；所述的动力涡轮(15)与设置在副轴(20)上的压气机涡轮(17)通过另一喷管(16)贯通且通过二次燃气通道(18)与二级压气机燃气涡轮(7)相联，二级压气机燃气涡轮(7)又与低压压气机(27)相接且通过高压压气涡轮进气通道(2)与高压压气机(3))连通形成循环。

2、一种逆置(主轴置)燃烧室式双轴燃气轮机，包括主轴(19)、副轴(20)、电机(1)、高压压气机(3)、压气机涡轮(17)、动力涡轮(15)、燃烧室(13)和减速装置(11)等，所述副轴(20)一端联接电机(1)，中部设高压压气机(3)，另一端联接压气机涡轮(17)，所述主轴(19)一端联接动力涡轮(15)，另一端与减速装置(11)相接，其特征在于所述的燃烧室(13)逆置在动力涡轮(15)径向上，可设一个或一个以上，通过喷管(14)与动力涡轮室贯通又通过压缩空气流道(22)与高压压气机(3)连接，燃烧室(13)内设燃料喷嘴(12)和点火器(8)，燃料喷嘴(12)通过燃料管(8)与燃料泵(10)相接；所述的动力涡轮(15)与设置在副轴(20)上的压气机涡轮(17)通过另一喷管(16)贯通且与燃气流通(23)连通，压缩空气流道(22)通过回热器(21)与燃气流通(23)贯通并形成循环。

3、一种逆置(主轴置)燃烧室式双轴燃气轮机，包括主轴(19)、副轴(20)、电机(1)、高压压气机(3)、压气机涡轮(17)、动力涡轮(15)、燃烧室(13)和减速装置(11)等，所述副轴(20)一端联接电机(1)，中部设高压压气机(3)，另一端联接压气机涡轮(17)，所述主轴(19)一端联接动力涡轮(15)，另一端与减速装置(11)相接，其特征在于所述的燃烧室(13)逆置在动力涡轮(15)径向上，可设一个或一个以上，通过喷管(14)与动力涡轮室贯通且与列管排气热利用装置(28)一端相接，燃烧室(13)内设燃料喷嘴(12)和点火器(8)，燃料喷嘴(12)通过燃料管(8)与燃料泵(10)相接；所述的动力涡轮(15)与设置在副轴(20)上的压气机涡轮(17)通过另一喷管(16)贯通且通过排气道(25)与列管排气热利用装置(28)另一端相接，列管排气热利用装置(28)通过压缩空气流道(22)与高压压气机(3)相接形成循环。

4、根据权利要求1或2或3所述的逆置(主轴置)燃烧室式双轴燃气轮机，其特征在于高压空气通道(5)内设扩压管(4)。

5、根据权利要求2或3所述的逆置(主轴置)燃烧室式双轴燃气轮机，其特征在于压缩空气流道(22)内设扩压管(4)。

6、根据权利要求1所述的逆置(主轴置)燃烧室式双轴燃气轮机，其特征在于高压空气通道(5)或压缩空气流道(22)外设起动气阀ID。

7、根据权利要求1所述的逆置(主轴置)燃烧室式双轴燃气轮机，其特征在于低压压气机(27)至二级压气机燃气涡轮(7)处及高压压气机(3)至燃烧室(13)的一、二次空气分流处设置转速或负荷感应式分流调节阀(6)。

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