CN1780975A - 带有一体燃烧室和转子的微型反动式涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于产生热和功率的小型装置，其包括小的旋转涡轮机，使得工质的压缩、加热和膨胀在连接的旋转元件中进行，且旋转元件直径小于200 mm，转速高于50000转/分钟；在由膨胀的气体或蒸汽形成的气氛中，转子完全或部分旋转。所提及的附加特征包括多级压缩器，工质的中间冷却，膨胀气体的残余热的再用(回收)，工质的外部加热和基于两相物质作为工质的方法。

Description

带有一体燃烧室和转子的微型反动式涡轮机

本发明涉及一种用于从燃料中小功率地(机械功率的数量级是10W-150kW)产生机械功(功率)和热能(热量)的装置。

现有技术已经公开了上述类型的涡轮机。在燃气轮机(Brayton循环)中，气体在压缩器压缩，在燃烧室中加热(从而气体的体积增大)，然后在涡轮中膨胀。在膨胀过程中气体体积的增加，产生了比压缩功所需求的更多的膨胀功，这使功率净增加。在汽轮机循环(Rankine循环)中，液体由泵进行加压，并在锅炉中蒸发，然后在涡轮中膨胀。压缩功和膨胀功之间的差意味着在这种情况下功率也有净增加，但是(液态/气态)相差意味着压缩功和膨胀功之间的差比燃气轮机循环中的大很多。

在这两种情况下，由于气体的动能(移动能量)和势能(压力)转化成机械能，因此功在旋转的涡轮中传递。可以使用整体角动量平衡来说明这种原理。

气体(或蒸汽)在旋转转子的流道(叶片)的壁上施加了力，该力与流动介质的局部压力和任何变化速度相关。

一般地，在压缩和膨胀过程中至少有三种损耗机理：

1.气体(或蒸汽)通过移动转子表面和固定外壳之间的间隙发生泄漏。

2.在从一个流道到另一个流道的流动过渡段发生冲击损耗。

3.(在通道和转子壁及流动介质内部的)摩擦损耗。

泄漏损耗与间隙宽度相关。鉴于设计移动密封的有限绝对尺寸精度(也鉴于热膨胀)，在压缩器和涡轮转子的轮廓尺寸较小情况下，密封问题尤其明显。

此外，碰撞损耗与流道之间的隔板厚度(叶片厚度)成比例；如果转子轮廓尺寸较小，其相对地会变大。

最后，在流通表面积的尺寸较小时，速度和壁表面积会相应地增大。

WO 00/39440公开一种反动式涡轮机，其包括位于旋转中心轴附近的进口和延伸至周边的出口通道，其中该进口实际上被分成多个与各燃烧空间连接的进口通道。

WO 90/01625公开一种旋转燃烧室，其边界由水套形成，该水套通过离心作用形成周向边界。

DE 441730已经公开了一种不带有压缩器的装置。

综上所述，本发明的目的是提供一种上述类型的装置，其中损耗(在较小尺寸情况下，损耗相对较高)被消除或大大降低。本发明的目的可以根据权利要求1的特征来实现。本发明通过如下步骤对现有技术作出改进：

1.在单个通道中进行压缩、加热和膨胀，除了进口和出口开口外，该通道被封闭，并且相对于涡轮机外壳不必须密封。

2.在没有任何叶片过渡的情况下将压缩通道连接至燃烧室，其在没有任何叶片过渡的情况下依次连接至膨胀通道。

3.向转子提供预混合的气体/空气混合物，该混合物在转子中燃烧。

4.在可能的情况下(尤其是在压缩器下游)，保持速率相对较低，从而降低摩擦损耗。

5.在相对较低粘度的热气体中运转。

由于气体通过动量和压缩力的组合在转子上施加力，该涡轮机被归类为反动式涡轮机。

本发明的基本实施方案包括具有上述特征(1-5)的装置，其中含有略微过量空气的气体/空气混合物被抽入，在压缩器轮中压缩，在固定连接的燃烧室中燃烧，然后在固定连接的膨胀轮中膨胀。

本发明基本实施方案的一个特征是在气体/空气混合物中含有略微过量的空气。略微过量的空气可以实现较高的燃烧温度，这有利于转化效率(Carnot效率)。

另一个特征是转子在膨胀的燃烧气体(其仍然具有相对较高的温度)中旋转，因此壁摩擦相对较低。

结合上述特征，应该注意到，本发明的基本实施方案应用在涡轮机高速旋转的场合。预计的旋转速度超过50000转/分钟。

压缩比(压缩器中最终压力与起始压力的比)对于本发明的效率是重要的。在单级离心压缩器的实施方案中，压力比和转化效率受到限制。在本发明中，提供带有多个级的压缩器，其中一个级的气体动能被回收，并通过将边界层流中的动量传递至转子圆盘而转化成机械能。按这种方式，压缩级接收前一级提供的静压力，并保持气体动能以用于输送功率。

由于整个转子以较高周向速度旋转，因此在转子周围的热燃烧气体可以进行良好的热交换。此外，热量可以通过辐射与转子外壳进行交换。转子的热交换性能使得下面的特定实施方案成为可能。

首先，在燃烧室中的压缩气体/空气混合物进行燃烧之前，燃烧气体中的热能可对压缩的气体/空气混合物进行预热。残余热的再利用被称作回收。这意味着需要较少的燃料就可使燃烧室达到一定温度，并且燃气轮机的效率增加。

与压缩的气体/空气混合物进行热交换的第二种选择，是冷却气体/空气混合物，其中首先从转子辐射到涡轮机外壳，其次使用相对冷的入口空气冷却转子。通过冷却入口气体/空气混合物，可以得到较高的压缩比，这有益于提高热机转化效率。

在第三实施方案中，转子与环境发生良好热交换，且通过外部热源来加热转子中的工质。外部热源可以由例如辐射燃烧器或被引导通过转子的热气体来形成。这样就能够以可控制的方式进行燃烧，且意味着转子中的工质可以不必自身进行燃烧。按这种方式，气体可以由压缩器抽吸并由外部热源加热。液体(不是气体)也可以由转子抽吸，在转子中加压，然后由外部热源加热，使其蒸发。然后，形成的蒸汽在膨胀轮中膨胀。从而，发生Rankine(蒸汽)循环。与燃气轮机循环相似，在此实施例中在由外部热源加热之前，也可以使用膨胀蒸汽的热量预热工质来进行回收作用。

本发明也涉及一种反动式涡轮机，其包括可旋转地安装的涡轮机转轮，所述涡轮机转轮包括排列在中心轴附近的进口和排列在外周附近的出口，压缩器排列在所述进口和所述出口之间，且所述压缩器包括多级压缩器，每一个压缩空间包括排列在中心轴附近的进口和排列在涡轮机转轮外周附近的出口；并且，在第一压缩级出口和第二压缩级进口之间排列有连接导管。这种特定实施方案的压缩器可选地能够与(下游)燃烧室一起使用。上述特定实施方案的燃烧室对于压缩器的变型并不重要。毕竟，公知的反动式涡轮机设计中没有反作用室。

根据分级压缩器的有利实施方案，连接导管由第一压缩级和第二压缩级的空间的壁来限定。这使得气体以折线形前后移动。

也可在没有上述特定实施方案的燃烧室情况下使用这种变型。

本发明也涉及一种反动式涡轮机，其包括可旋转地安装的涡轮机转轮，所述涡轮机转轮包括排列在中心轴附近的进口和排列在外周附近的出口，且在所述进口和所述出口之间排列有压缩器和燃烧室。在这种情况下，本发明使用热交换器装置，其中通过该热交换器装置，来自排出气体的热量用于加热从压缩器出来并送至燃烧室的气体，同时热交换直接进行，即通过热交换器来直接加热从压缩器中移出的气体流。该实施方案的压缩器或燃烧室对于其中直接进行热交换的变型并不重要。

本发明也涉及一种热电联合系统，其中使用一种上述实施方案的反动式涡轮机及发电机。释放的热量优选用于加热建筑物。

下面结合附图更详细地说明本发明，其中：

图1表明基本实施方案的燃气轮机；

图2表明基本实施方案的燃气轮机，其带有多级圆盘压缩器；

图3表明基本实施方案的燃气轮机，其中残余热进行回收；

图4表明基本实施方案的燃气轮机，其中压缩气体发生冷却；

图5表明基本实施方案的燃气轮机，其中气体由外部加热；

图6表明燃气轮机的基本实施方案的蒸汽轮机，其带有外部燃烧器、集成液体泵、蒸发器和膨胀轮；

图7表明图6所示的蒸汽轮机，其中残余热进行回收。

图1表明根据基本实施方案的、带有压缩器轮2的转子1，该压缩器轮通过开口3抽吸气体/空气混合物。压缩通道2(其中气体压力通过对气流的离心加速作用而增加)与燃烧空间4固定连接，该燃烧空间被设计成单个环形室。可通过火花点火器(火花塞)22点火来使预混合的气体/空气混合物起始点火，其中电能(也利用火花)从外壳23转移至火花塞。燃烧空间4也与膨胀轮5固定连接，其中热气体也通过喷射嘴6流出，从而使流出的气体喷射流主要具有切向速度。输出流(在转子圆周上)可以完全是切向，或者可以包括压缩器方向上(如图所示)或远离转子方向上或上述组合方向上的轴向分量。

由于与抽吸进的气体相比，气体以较高速度和/或较大半径流出，所以在转子1上施加了净转矩，该净转矩可通过输出轴来驱动某个装置，例如10W～150KW的发电机。由于流出的工质的绝对速度代表着动能的损失，因此其应该尽可能地保持较低。为保持角动量，意味着较小机械转矩将被施加到转子上。这意味着所需的机械动力优选地必须通过使用较低的机械转矩和较高的转子速度得到。角速度大于50000转/分钟。

针对单级压缩器轮不足以增大压力的应用而言，图2表明一种多级压缩器轮的实施方案(在该实例中是二级压缩器轮)。在压缩器的实施方案中，每一(离心)压缩级(通道2)之后，气体送至动量回收级9。由于在圆盘边界层中的摩擦，该实施例中的气体(与压缩器轮2相比，其具有较高的切向速度分量)将切向动量传递至转子，从而传输机械能。串联布置各个级使总压力静态增加，从而在不需要极高旋转速度和/或转子尺寸的情况下提高了压力比。圆盘压缩器的特有特征是在每一压缩级之后动能(在圆盘边界层中)大部分转化成机械能，从而再利用。

图3表明涡轮机的基本实施方案，其中仍存在于出口气体中的热能用于预热回收空间10内的压缩的气体/空气混合物。回收空间10与燃烧空间4的上游连接并与其固定连接。残余热的回收使涡轮机具有较高热力效率。

图4表明基本结构的实施方案，其中通过冷却流11冷却压缩的气体/空气混合物。冷却使得可以得到较高的最终压缩压力，而不与工质不合需要的自动点火相关。如果工质不是在通道2中的压缩之后而是在过程中再冷却，那么接近等温压缩过程，这同样有利于提高系统的效率。热力学领域中公知的是，回收和等温压缩膨胀的燃气轮机循环接近于理想Carnot循环。

如图5所示，使用外部热源12预热压缩的气体/空气混合物，该外部热源可通过转子壁向加热通道4中的空气散热。(转子外部的)外部燃烧的优点是可以更好地控制燃烧(点火)和更稳定。此外，由于(几何结构上有)较大自由度，因此易于实现外部燃烧。

图6表明基于Rankine蒸汽循环的外部热源的实施方案。该实施方案以蒸发液体为基础。通过抽吸管13从液体供应管14抽吸出液体，并在泵叶轮15中压缩至较高压力。垂直布置旋转轴意味着不需要在转子和液体供应管之间进行旋转密封。在与泵通道15固定连接的蒸发空间16中，通过在外部热流17供应的热的作用下蒸发液体。形成的蒸汽膨胀进入喷射嘴18周围，以这种方式将其动量传送至转子。Rankine循环的优点是具有较高的功率因子(与膨胀功相比，需要较小的压缩功)。

最后，图7表明的实施方案中，在通过外部热源19供应热能之前，膨胀后蒸汽的残余热被再用(回收)来预热液体，其中在此实施例中外部热源置于中空的转子壁上。使用这种燃气轮机，系统的能量效率因回收而增大。

Claims (15)

1.一种反动式涡轮机，其包括可旋转地安装的涡轮机转轮，所述涡轮机转轮包括排列在中心轴附近的进口和排列在外周附近的出口，且在所述进口和所述出口之间排列有压缩器和燃烧室，其特征在于：所述燃烧室包括开口环形室，其被完全地限定在所述涡轮机转轮内。

2.如权利要求1所述的反动式涡轮机，其特征在于，所述压缩器是多级压缩器，每一个压缩空间包括排列在中心轴附近的进口和排列在涡轮机转轮外周附近的出口；并且，在第一压缩级出口和第二压缩级进口之间排列有连接导管。

3.如权利要求2所述的反动式涡轮机，其特征在于，所述连接导管由第一压缩级的空间的壁和第二压缩级的空间的壁来限定。

4.如权利要求2或3所述的反动式涡轮机，其特征在于，所述壁包括摩擦圆盘。

5.如前述权利要求任一项所述的反动式涡轮机，其特征在于，所述涡轮机转轮的外径小于200mm。

6.如前述权利要求任一项所述的反动式涡轮机，其特征在于还包括热交换器装置，其用于加热从所述压缩器出来的气体。

7.如权利要求6所述的反动式涡轮机，其特征在于，所述热交换器装置的热交换器表面在一方面限定所述涡轮机转轮的出口通道的出口，在另一方面限定压缩器和燃烧空间之间的连接。

8.如前述权利要求任一项所述的反动式涡轮机，包括热交换器装置，其用于冷却被送至压缩器和/或被压缩的气体。

9.一种热电联合系统，包括如前述权利要求任一项所述的反动式涡轮机和发电机。

10.如权利要求9所述的热电联合系统，其中包括与建筑物加热系统相连接的热交换器装置。

11.一种驱动旋转的反动式涡轮机的涡轮机转轮的方法，包括如下步骤：

通过其进口引入气体，压缩该气体，在燃烧室中使所述气体反应以形成燃烧气体，及通过出口排出所述燃烧气体，其特征在于：仅在所述涡轮机转轮的一个位置处发生燃烧，且形成的燃烧气体分成部分流。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述压缩步骤在至少两个级中进行，且中间传送级存在于这些级之间，第一压缩级的工质动能在所述中间级内转化成机械能，且保持了工质的静压力。

13.如权利要求12所述的方法，其中在所述传送级当中，所述气体沿摩擦表面通过。

14.如权利要求11-13中任一项所述的方法，其中所述气体/工质由预混合的气体/空气混合物组成。

15.如权利要求11-13中任一项所述的方法，其中所述气体/工质由两相工质组成，其在液体时被加压，并通过供应热能而转化成蒸汽，并作为膨胀蒸汽离开出口。

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