CN201002715Y - 大型船舶高速航行的燃气轮机斯特林发动机电力推进装置 - Google Patents

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Abstract

大型船舶高速航行的燃气轮机斯特林发动机电力推进装置，属于船舶动力技术领域。包括：两级压气机、中间冷却器、回热器、燃烧室、两级燃气涡轮、A斯特林发动机、B斯特林发动机、循环水泵、散热器、风扇、主发电机、A发电机、B发电机、配电板、变压器、谐波滤波器、变频器、监测控制器、电力推进器。本实用新型采用来自燃气轮机的废气作为斯特林发动机的热源，在完全不增加燃料消耗、燃气轮机组不增容、斯特林发动机工作时无需供油的条件下，大幅度提高燃气轮机组联合动力循环热效率和大型船舶推进力，能显著改善民用大型船舶的水上应急作业能力和国家海上防卫大型船舶的机动性和应急能力，具有显著的经济效益和社会效益。

Description

大型船舶高速航行的燃气轮机斯特林发动机电力推进装置
技术领域
本实用新型涉及的是一种大型船舶高速航行的电力推进装置，特别是一种大型船舶高速航行的燃气轮机斯特林发动机电力推进装置，属于船舶动力技术领域。
背景技术
目前，大型船舶的推进系统，是以柴油机为动力执行中速巡航的驱动任务。当大型船舶要求具备高速航行功能时，需要配置燃气轮机动力，以便在执行紧急任务，躲避、追赶、抢救、逃脱灾害时启动并全速运转。在该工况下，即使不能充分考虑降低能耗、提高经济性的指标，仍希望尽量提高动力系统的功率以加强机动性能。但是，即使采用了多级压缩中间冷却和多级膨胀中间加热的燃气轮机动力系统，热效率仍然低下，功率不能充分提高。已有技术中，专利号为01120378.1的“外燃湿空气燃气轮机发电系统”发明专利，是将燃气轮机系统与湿空气透平动力发电技术结合运转，对于缺乏水资源地区的发电有所适应，但不能提高燃气轮机动力循环的功率水平。专利号为200480004004.1的“设有内燃机和斯特林发动机的动力装置”发明专利，是采用来自内燃机的废气作为斯特林发动机的热源以提高整个内燃机联合动力循环的热效率，由于内燃机本身的功率水平有限，不能驱动大型船舶按照高速航行的方式运转，不能被高速航行的大型船舶所采用。
发明内容
为了克服已有技术的不足和缺陷，本实用新型提供一种驱动大型船舶高速航行的燃气轮机-斯特林发动机电力推进装置。该装置采用来自燃气轮机的废气作为斯特林发动机的热源以提高整个燃气轮机联合动力循环的热效率，为大型船舶高速航行提供更大的功率和推力，进一步提高大型船舶的航速。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案如下。本实用新型包括：第一级压气机、中间冷却器、第二级压气机、回热器、燃烧室、第一级燃气涡轮、第二级燃气涡轮、A斯特林发动机、B斯特林发动机、循环水泵、散热器、风扇、主发电机、A发电机、B发电机、配电板、变压器、谐波滤波器、变频器、监测控制器、电力推进器。
其中，第一级压气机、中间冷却器、第二级压气机、回热器、燃烧室、第一级燃气涡轮、第二级燃气涡轮构成燃气轮机组。两个斯特林发动机并联。第一级压气机的进口与大气相通，出口与中间冷却器管程的进口连接，中间冷却器管程的出口与第二级压气机的进口连接。中间冷却器壳程内通以冷却水，以吸收第一级压气机流出空气的热量。第二级压气机的出口与回热器的气道进口连接，回热器的气道出口与燃烧室的高压室进口连接，燃烧室的高压室出口与第一级燃气涡轮的进口连接，第一级燃气涡轮的出口与燃烧室的低压室进口连接，燃烧室低压室的出口与第二级燃气涡轮的进口连接，第二级燃气涡轮的出口分别与A斯特林发动机和B斯特林发动机的燃烧器进气口连接，A斯特林发动机和B斯特林发动机的燃烧器排气口都与回热器的烟道进口连接，回热器的烟道出口与大气相通。循环水泵的出口分别与A斯特林发动机、B斯特林发动机冷却器的进水口相连，A斯特林发动机和B斯特林发动机冷却器的出水口都与散热器的进口连接，散热器的出口与循环水泵的进口连接，风扇安装在靠近散热器的位置。第一级压气机、第二级压气机、第一级燃气涡轮、第二级燃气涡轮与主发电机同轴连接。A斯特林发动机与A发电机机械连接，B斯特林发动机与B发电机机械连接。主发电机、A发电机、B发电机的输出端均与配电板的输入端电连接，配电板的输出端通过变压器，谐波滤波器，变频器，监测控制器与电力推进器电连接。
第一级压气机的进气口由大气吸入空气，压缩到2.83绝对大气压，温度为403K。压缩空气进入中间冷却器后，被水冷却到常温，再进入第二级压气机压缩到8绝对大气压、403K，由第二级压气机出口流出，进入回热器的气道。在回热器中，吸收回热器烟道中废气的热量，温度超过700K，然后进入燃烧室的高压室。在高压室中，压缩空气与燃油混合并燃烧成为燃气，温度达到1300K，再进入第一级燃气涡轮，并在其中膨胀作功，推动叶轮转动。在第一级燃气涡轮中，燃气压力降到2.83绝对大气压，温度为1000K，再次进入燃烧室的低压室，与喷入的燃油和补充的新鲜空气的燃烧产物相混合，燃气温度再次提高到1300K，经第二级燃气涡轮进口进入并再次膨胀作功，降为略高于1绝对大气压的压力和1000K温度，然后由第二级燃气涡轮出口流出。燃气分别进入A斯特林发动机和B斯特林发动机的燃烧器的进气口，燃气在其中放热，温度降到770K，然后分别经A、B斯特林发动机燃烧器的排气口排出，一齐经回热器的烟道进口进入回热器，放热到420K左右的温度，然后经回热器的烟道出口排出到大气，A斯特林发动机和B斯特林发动机在燃气的推动下工作，驱动A发电机和B发电机发电。A斯特林发动机和B斯特林发动机在工作时都无须供油。
循环水泵泵出的循环冷却水分别进入并联的A斯特林发动机和B斯特林发动机的冷却器，吸收热量后进入散热器放热，达到常温，再经散热器出口被循环水泵吸入和泵出，参加下一轮工作。散热器由风扇鼓动的气流所冷却，保证冷却效果。
主发电机由燃气轮机组同轴驱动并发电，A发电机和B发电机分别由A斯特林发动机和B斯特林发动机驱动并发电，主发电机、A发电机和B发电机由配电板监护、控制和保护。发电机发出的电经过变压器升压，在谐波滤波器中滤除有害的谐波、电涌和脉冲成分，然后经变频器调制达到需要的频率，通过监测控制器的控制，使电力推进器满足提供大型船舶推进力的要求。
本实用新型的有益效果：本实用新型采用来自燃气轮机的废气作为斯特林发动机的热源以提高整个燃气轮机联合动力循环的热效率，使功率浩大的燃气轮机组在完全不增加燃料消耗也不作任何结构改动的前提下，可以大幅度提高其功率输出水平；利用斯特林发动机高达80％热效率的优势，在原有燃气轮机组不作增容的条件下，大幅度提高大型船舶的推进力，以至明显提高船舶的航速，显著改善大型船舶的机动性和应急能力，对于民用大型船舶的水上应急作业以至国家海上防卫，都具有重要的积极意义。能够取得巨大的社会效益和经济效益。
附图说明
图1是本实用新型电力推进装置的结构原理示意图。
图中，1是第一级压气机、2是中间冷却器、3是第二级压气机、4是回热器、5是燃烧室、6是第一级燃气涡轮、7是第二级燃气涡轮、8是A斯特林发动机、9是B斯特林发动机、10是循环水泵、11是散热器、12是风扇、13是主发电机、14是A发电机、15是B发电机、22是配电板、23是变压器、24是谐波滤波器、25是变频器、26是监测控制器、27是电力推进器。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型具体实施作进一步描述。
如图1所示，本实用新型包括：第一级压气机1、中间冷却器2、第二级压气机3、回热器4、燃烧室5、第一级燃气涡轮6、第二级燃气涡轮7、A斯特林发动机8、B斯特林发动机9、循环水泵10、散热器11、风扇12、主发电机13、A发电机14、B发电机15、配电板22、变压器23、谐波滤波器24、变频器25、监测控制器26、电力推进器27。
其中，第一级压气机1、中间冷却器2、第二级压气机3、回热器4、燃烧室5、第一级燃气涡轮6、第二级燃气涡轮7组成燃气轮机组。A斯特林发动机8、B斯特林发动机9均采用配气式斯特林发动机，工质采用氢或氦。A斯特林发动机8和B斯特林发动机9并联，A斯特林发动机8和B斯特林发动机9在工作时都无须供油。第一级压气机1的进口与大气相通，第一级压气机1的出口与中间冷却器2的管程进口连接，中间冷却器2的管程出口与第二级压气机3的进口连接。中间冷却器2的壳程内通以冷却水，以吸收第一级压气机1管程内流出的空气热量，第二级压气机3的出口与回热器4的气道进口相连，回热器4的气道出口与燃烧室5的高压室进口相连，燃烧室5的高压室出口与第一级燃气涡轮6的进口连接，第一级燃气涡轮6的出口与燃烧室5的低压室进口连接，燃烧室5低压室的出口与第二级燃气涡轮7的进口连接，第二级燃气涡轮7的出口分别与A斯特林发动机8和B斯特林发动机9的燃烧器进气口连接，A斯特林发动机8与B斯特林发动机9的燃烧器排气口均与回热器4的烟道进口连接。回热器4的烟道出口与大气相通。循环水泵10的出口分别与A斯特林发动机8、B斯特林发动机9中冷却器的进水口相连，A斯特林发动机8、B斯特林发动机9的冷却器的出水口均与散热器11的进口连接，散热器11的出口与循环水泵10的进口连接，风扇12安装在靠近散热器11的位置。
第一级压气机1、第二级压气机3、第一级燃气涡轮6、第二级燃气涡轮7均与主发电机13同轴连接。A斯特林发动机8与A发电机14机械连接，B斯特林发动机9与B发电机15机械连接。主发电机13、A发电机14和B发电机15的输出端并联后与配电板22的输入端电连接，配电板22的输出端通过变压器23，谐波滤波器24，变频器25，监测控制器26与电力推进器27电连接，监测控制器26可以控制电流的大小。
空气由第一级压气机1的进气口吸入，压缩到2.83绝对大气压，温度为403K后进入中间冷却器2，被水冷却到常温。压缩后的空气经过第二级压气机3，压缩到8绝对大气压和403K，进入回热器4的气道，吸收回热器4的烟道中斯特林发动机燃烧器排出的废气的热量，温度超过700K，然后进入燃烧室5的高压室。在高压室中，空气与燃油混合并燃烧形成温度为1300K的燃气。在第一级燃气涡轮6中膨胀作功，推动叶轮转动，燃气压力降到2.83绝对大气压，温度为1000K，再次进入燃烧室5的低压室，与喷入的燃油和补充的新鲜空气的燃烧产物相混合，温度再次提高到1300K，进入第二级燃气涡轮7再次膨胀作功，降为略高于1绝对大气压的压力和1000K温度，然后分别流入A斯特林发动机8和B斯特林发动机9的燃烧器内放热，温度降到770K，然后经回热器4的烟道放热到420K左右的温度后排到大气。第一级燃气涡轮6和第二级燃气涡轮7在高温燃气的推动下工作，同轴驱动发电机13转动并发电。A斯特林发动机8和B斯特林发动机9也在燃气的推动下工作，驱动A发电机14和B发电机15转动并发电。
循环水泵10泵出的循环冷却水分别进入A斯特林发动机8和B斯特林发动机9的冷却器后进入散热器11放热，达到常温，经散热器11出口再次被循环水泵10吸入、泵出，参加下一轮工作。散热器11由风扇12鼓动的气流所冷却，保证冷却效果。
主发电机13由燃气轮机组同轴驱动并发电，A发电机14与B发电机15分别由A斯特林发动机8和B斯特林发动机9驱动并发电，主发电机13、A发电机14和B发电机15由配电板22监护、控制和保护。发电机发出的电经过变压器23升压，在谐波滤波器24中滤除有害的谐波、电涌和脉冲成分，然后经变频器25调制达到需要的频率，通过监测控制器26的控制使电力推进器27满足提供大型船舶推进力的要求。

Claims (2)

1.一种大型船舶高速航行的燃气轮机斯特林发动机电力推进装置，包括：第一级压气机(1)、中间冷却器(2)、第二级压气机(3)、回热器(4)、燃烧室(5)、第一级燃气涡轮(6)、第二级燃气涡轮(7)、A斯特林发动机(8)、B斯特林发动机(9)、循环水泵(10)、散热器(11)、风扇(12)、主发电机(13)、A发电机(14)、B发电机(15)、配电板(22)、变压器(23)、谐波滤波器(24)、变频器(25)、监测控制器(26)、电力推进器(27)；其特征在于A斯特林发动机(8)和B斯特林发动机(9)并联，第一级压气机(1)的进口与大气相通，第一级压气机(1)的出口与中间冷却器管程(2)的进口连接，中间冷却器(2)的管程出口与第二级压气机(3)的进口连接；中间冷却器(2)的壳程内通以冷却水，第二级压气机(3)的出口与回热器(4)的气道进口相连，回热器(4)的气道出口与燃烧室(5)的高压室进口相连，燃烧室(5)的高压室出口与第一级燃气涡轮(6)的进口连接，第一级燃气涡轮(6)的出口与燃烧室(5)的低压室进口连接，燃烧室(5)低压室的出口与第二级燃气涡轮(7)的进口连接，第二级燃气涡轮(7)的出口分别与A斯特林发动机(8)和B斯特林发动机(9)的燃烧器进气口连接，A斯特林发动机(8)与B斯特林发动机(9)的燃烧器排气口均与回热器(4)的烟道进口连接；回热器(4)的烟道出口与大气相通；循环水泵(10)的出口分别与A斯特林发动机(8)、B斯特林发动机(9)中冷却器的进水口相连，A斯特林发动机(8)、B斯特林发动机(9)的冷却器的出水口均与散热器(11)的进口连接，散热器(11)的出口与循环水泵(10)的进口连接，风扇(12)安装在靠近散热器(11)的位置；第一级压气机(1)、第二级压气机(3)、第一级燃气涡轮(6)、第二级燃气涡轮(7)均与主发电机(13)同轴连接；A斯特林发动机(8)与A发电机(14)机械连接，B斯特林发动机(9)与B发电机(15)机械连接；主发电机(13)、A发电机(14)和B发电机(15)的输出端并联后与配电板(22)的输入端电连接，配电板(22)的输出端通过变压器(23)，谐波滤波器(24)，变频器(25)，监测控制器(26)与电力推进器(27)电连接。
2.根据权利要求1所述的大型船舶高速航行的燃气轮机斯特林发动机电力推进装置，其特征是所述的A斯特林发动机(8)、B斯特林发动机(9)均采用配气式斯特林发动机，工质采用氢或氦；A斯特林发动机(8)和B斯特林发动机(9)在工作时都无须供油。
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