CN215979531U - 内外混燃机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种内外混燃机，包括燃气轮机和蒸汽发生器，燃气轮机的排气端与蒸汽发生器的进气端连接，蒸汽发生器的出汽端与燃气轮机连接；燃气轮机为多转子燃气轮机，包括第一转子系统和第二转子系统；第一转子系统包括第一转轴、第一电机、第一压气机、第一涡轮和第一燃烧室；第二转子系统包括第二转轴、第二涡轮和第二电机；蒸汽发生器的出汽回注入燃气轮机。本实用新型可对燃气轮机的尾气的余热进行有效回收，实现了燃气轮机的燃气、蒸汽联合利用，提高了燃气轮机效率，减少了能源浪费。同时燃烧的污染物会被蒸汽清洗，避免排放入大气，可以显著提高排放清洁度。

Description

内外混燃机

技术领域

本实用新型涉及一种内外混燃机，属于发动机技术领域。

背景技术

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。

燃气轮机具有结构紧凑、功率高、易安装等优点，已经成为一种广泛使用的动力机械。然而单独的燃气轮机具有有限的效率，并且尾气排到周围环境中时浪费了大量有用的能量，造成能源浪费，且其尾气中的余热会对环境产生一定的影响。

实用新型内容

针对上述现有技术，本实用新型提供了一种内外混燃机，可对尾气的余热进行有效回收，实现燃气轮机的燃气、蒸汽联合利用，提高燃气轮机效率，减少能源浪费。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种内外混燃机，包括燃气轮机和蒸汽发生器，燃气轮机的排气端与蒸汽发生器的进气端连接，蒸汽发生器的出汽端与燃气轮机连接；

所述燃气轮机为多转子燃气轮机，包括第一转子系统和第二转子系统；

所述第一转子系统，包括第一转轴、第一电机、第一压气机、第一涡轮和第一燃烧室，第一电机、第一压气机、第一涡轮依次套设在第一转轴上；第一压气机的出气端与第一燃烧室的进气端连接；第一燃烧室的排气端与第一涡轮的进气端连接；

所述第二转子系统，包括第二转轴、第二涡轮和第二电机，第二涡轮和第二电机均套设在第二转轴上，第一涡轮的排气端与第二涡轮的进气端连接，第二涡轮的排气端与蒸汽发生器的进气端连接；

所述第一转轴和第二转轴同轴设置，且第一转轴设置在第二转轴之前，第一转轴和第二转轴之间解耦(转速不必相同，便于灵活匹配涡轮的气动设计)；所述第一涡轮的排气端与第二涡轮的进气端连接，第一涡轮排出的尾气可推动第二涡轮旋转做功，做功后尾气通过排气端排出。

所述蒸汽发生器的出汽端与燃气轮机连接的连接位置，包括以下四处中的任意一处或两处或三处或四处：

(1)连接位置位于燃气轮机的第一燃烧室的进气端，蒸汽在工质进入燃烧室之前与工质实现预混，工质与蒸汽分布均匀，作为新的燃烧工质。

(2)连接位置位于燃气轮机的第一燃烧室内，蒸汽注入第一燃烧室内，直接在第一燃烧室内进行湿式燃烧。

进一步地，蒸汽发生器的出汽端可通过管道与第一燃烧室连接，蒸汽通过管道接入第一燃烧室内，还可在管道末端设置蒸汽喷嘴或直通管，蒸汽通过蒸汽喷嘴或直通管加入第一燃烧室内。

进一步地，还可在管道或蒸汽喷嘴处设有加压器，在蒸汽进入第一燃烧室前对蒸汽进行加压，以增大进入第一燃烧室的蒸汽的压力，更有利于燃料的充分燃烧。

以上两种连接位置，蒸汽最终都是进入第一燃烧室内参与燃烧，工作原理为：水蒸汽喷射于正在高温燃烧中的燃料时,水蒸汽与在高温燃烧中的燃料的碳元素发生化学反应生成一氧化碳和氢气，一氧化碳和氢气均是可燃性气体,可以起到明显的助燃作用，使燃烧更加充分,减少了因燃烧不完全而产生的有毒、有害气体的排放,从而大大提高了燃料燃烧的热能利用率。

(3)连接位置位于燃气轮机的第一涡轮的前端，蒸汽从第一涡轮前端注入，进一步推动第一涡轮做功。

(4)连接位置位于燃气轮机的第一涡轮和第二涡轮之间。

进一步地，所述第一电机为启发一体式电机，第一压气机启动时，启发一体式电机先作为电动机带动第一压气机旋转，待加速到能独立运行后脱开，作为发电机，由第一涡轮转动带动第一转轴进而带动第一电机发电。

进一步地，所述第一压气机与第一燃烧室的连接处还可设有扩压器；工质经第一压气机压缩并经扩压器扩压后，进入第一燃烧室。

进一步地，所述第一燃烧室可为环形的回流燃烧室或轴流燃烧室或单筒燃烧室或折流燃烧室，第一燃烧室轴心与第一转轴同轴，环绕第一转轴设置且位于第一压气机和/或第一涡轮外围。

进一步地，所述第一转轴和/或第二转轴上可设置有推力轴承及推力盘。

进一步地，所述第一转轴和/或第二转轴上可设置至少一个径向轴承。具体地，对于第一转子系统，径向轴承可以设置在第一转轴的前端，以解决第一转轴前端悬臂过长、且由于电机的磁力而引起转轴偏移的问题；此外，径向轴承还可以设置在第一电机的一侧或两侧，也可以设置在第一压气机和第一涡轮之间。

进一步地，所述第一涡轮可以设置为一个、两个或多个，设置为两个或多个时，依次并列串联在第一转轴尾端。相邻的第一涡轮之间可设置径向轴承。第一燃烧室排出的高温气体依次推动各个第一涡轮转动做功。当蒸汽发生器的出汽端与燃气轮机连接的连接位置位于第一涡轮前端时，蒸汽发生器的蒸汽依次推动各个第一涡轮转动做功。

进一步地，所述第二涡轮可以设置为一个、两个或多个，设置为两个或多个时，依次并列串联在第二转轴尾端。相邻的第二涡轮之间可设置径向轴承。第一涡轮排出的气体依次推动各个第二涡轮转动做功。

进一步地，当第一压气机的落压比较高时，第一涡轮和/或第二涡轮可设置为两个以上，以充分利用第一压气机产生的压差，获得较高的发电效率。

进一步，所述内外混燃机还包括冷凝器，蒸汽发生器的出汽端与冷凝器的进汽端连接，冷凝器的出水端通过泵与蒸汽发生器的进水端连接。

进一步地，所述第一转子系统，第一转轴上依次设置第一压气机、第一电机、第一涡轮，所述第一转轴上、位于第一压气机和第一电机之间设置径向轴承，所述第一转轴上、位于第一电机和第一涡轮之间设置第一推力盘，环绕第一转轴及第一电机的定子上设置一对第一对侧推力盘，所述第一推力盘位于一对第一对侧推力盘之间、且其与所述第一对侧推力盘之间设置推力轴承，所述第一转轴上、位于第一涡轮进气侧设置径向轴承；

所述第二转子系统，第二转轴上依次设置第二涡轮、第二电机，所述第二转轴两头设置径向轴承，所述第二转轴上、位于第二涡轮和第二电机之间设置第二推力盘，环绕第二转轴及第二电机的定子上设置一对第二对侧推力盘，所述第二推力盘位于一对第二对侧推力盘之间、且其与所述第二对侧推力盘之间设置推力轴承。

进一步地，所述第一转子系统，第一转轴上依次设置第一压气机、第一电机、第一涡轮，所述第一压气机的背气面及第一涡轮的进气面设置推力轴承，所述第一转轴上、位于第一电机两头设置径向轴承；

所述第二转子系统，第二转轴上依次设置第二涡轮、第二电机，所述第二转轴两头设置径向轴承，所述第二转轴上、位于第二涡轮和第二电机之间设置第二推力盘，环绕第二转轴及第二电机的定子上设置一对第二对侧推力盘，所述第二推力盘位于一对第二对侧推力盘之间、且其与所述第二对侧推力盘之间设置推力轴承。

本实用新型的内外混燃机，工作时，燃气轮机通过排气端将尾气排入蒸汽发生器，尾气在蒸汽发生器内与水换热，生产蒸汽；生成的蒸汽，一部分回注入燃气轮机，实际应用时，可控制回注入燃气轮机的蒸汽的流量，比如控制蒸汽与进入燃气轮机的工质的流量比为2～3:1；一部分注入冷凝器，蒸汽在冷凝器内形成冷凝水，冷凝水通过泵加入蒸汽发生器以补充蒸发为蒸汽的水。

本实用新型的内外混燃机，可对燃气轮机的尾气的余热进行有效回收(尾气中的蒸汽冷凝后重新回到水箱中再次被蒸发为蒸汽注入燃气轮机燃烧室内)，实现了燃气轮机的燃气、蒸汽联合利用，提高了燃气轮机效率，减少了能源浪费。同时燃烧的污染物会被蒸汽清洗，避免排放入大气，可以显著提高排放清洁度。燃气轮机采用多转子燃气轮机，发电效率更高(第一转轴和第二转轴均可转动做功，均为发电轴，且两根发电轴之间解耦，转速不必相同，便于灵活匹配涡轮的气动设计)。多转子燃气轮机转轴上的轴承数量越少，转轴长度越短，设备的整体长度越短，集成化越高，且容易保障同轴度，设计及加工更容易。本实用新型的内外混燃机，具有供电效率高、投资少、建设周期短、用地用水少、运行自动化程度高、污染物排放少等优点。

本实用新型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：内外混燃机的结构示意图。

图2：燃气轮机的结构示意图。

图3：燃气轮机转子系统的结构示意图(实施例3)。

图4：燃气轮机转子系统的结构示意图示意图(实施例4)。

其中，1、燃气轮机；2、蒸汽发生器；3、冷凝器；4、泵；5、尾气；6、蒸汽；7、冷凝水；106、扩压器；107、气道；108、定子；100、第一转轴；200、第一电机200；300、第一压气机；400、第一涡轮；500、第一燃烧室；600、第二涡轮；700、第二转轴；800、第二电机。

具体实施方式

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

实施例1内外混燃机

一种内外混燃机，包括燃气轮机1、蒸汽发生器2和冷凝器3，如图1所示，燃气轮机1的排气端与蒸汽发生器2的进气端连接，蒸汽发生器2的出汽端与燃气轮机1连接，蒸汽发生器2的出汽端与冷凝器3的进汽端连接，冷凝器3的出水端通过泵4与蒸汽发生器2的进水端连接。

工作时，燃气轮机1通过排气端将尾气5排入蒸汽发生器2，尾气5在蒸汽发生器2内与水换热，生产蒸汽6；生成的蒸汽6，一部分回注入燃气轮机1，实际应用时，可控制回注入燃气轮机1的蒸汽6的流量，比如控制蒸汽6与进入燃气轮机1的工质8的流量比为2～3:1；一部分注入冷凝器3，蒸汽6在冷凝器3内形成冷凝水7，冷凝水7通过泵4加入蒸汽发生器2以补充蒸发为蒸汽的水。

所述燃气轮机1为多转子燃气轮机，包括第一转子系统和第二转子系统。

所述第一转子系统，包括第一转轴100、第一电机200、第一压气机300、第一涡轮400和第一燃烧室500，如图2所示，第一电机200、第一压气机300、第一涡轮400依次套设在第一转轴100上；第一压气机300的出气端与第一燃烧室500的进气端连接；第一燃烧室500的排气端与第一涡轮400的进气端连接。

所述第二转子系统，包括第二转轴700、第二涡轮600和第二电机800，如图2所示，第二涡轮600和第二电机800均套设在第二转轴700上，第一涡轮400的排气端与第二涡轮600的进气端连接，第二涡轮600的排气端与蒸汽发生器2的进气端连接。

所述第一转轴100和第二转轴700同轴设置，且第一转轴100设置在第二转轴700之前，第一转轴100和第二转轴700之间解耦(转速不必相同，便于灵活匹配涡轮的气动设计)；所述第一涡轮400的排气端与第二涡轮600的进气端连接，第一涡轮400排出的尾气可推动第二涡轮600旋转做功，做功后尾气通过排气端排出。

所述第一电机200为启发一体式电机，第一压气机300启动时，启发一体式电机先作为电动机带动第一压气机300旋转，待加速到能独立运行后脱开，作为发电机，由第一涡轮400转动带动第一转轴100进而带动第一电机200发电。

所述第一压气机300与第一燃烧室500的连接处还可设有扩压器106，即：第一压气机300的出气端与扩压器106连通，扩压器106的排气端与第一燃烧室500的进气端连通；工质经第一压气机300压缩并经扩压器106扩压后，进入第一燃烧室500。

所述第一燃烧室500可为环形的回流燃烧室或轴流燃烧室或单筒燃烧室或折流燃烧室，第一燃烧室500轴心与第一转轴100同轴，环绕第一转轴100设置且位于第一压气机300和/或第一涡轮400外围。

所述第一转轴100和/或第二转轴700上可设置有推力轴承及推力盘。

所述第一转轴100和/或第二转轴700上可设置至少一个径向轴承。具体地，对于第一转子系统，径向轴承可以设置在第一转轴100的前端，以解决第一转轴100前端悬臂过长、且由于电机的磁力而引起转轴偏移的问题；此外，径向轴承还可以设置在第一电机200的一侧或两侧，也可以设置在第一压气机300和第一涡轮400之间。转轴上的轴承数量越少，转轴长度越短，设备的整体长度越短，集成化越高，且容易保障同轴度，设计及加工更容易。

所述第一涡轮400可以设置为一个、两个或多个，设置为两个或多个时，依次并列串联在第一转轴100尾端。相邻的第一涡轮400之间可设置径向轴承。第一燃烧室500排出的高温气体依次推动各个第一涡轮400转动做功。当蒸汽发生器的出汽端与燃气轮机连接的连接位置位于第一涡轮400前端时，蒸汽发生器的蒸汽依次推动各个第一涡轮400转动做功。

所述第二涡轮600可以设置为一个、两个或多个，设置为两个或多个时，依次并列串联在第二转轴700尾端。相邻的第二涡轮600之间可设置径向轴承。第一涡轮400排出的气体依次推动各个第二涡轮600转动做功。

当第一压气机300的落压比较高时，第一涡轮400和/或第二涡轮600可设置为两个以上，以充分利用第一压气机300产生的压差，获得较高的发电效率。

所述第一电机200的功率为20～30KW，第二电机800的功率为120～130KW，燃气轮机总体功率为140～160KW。

燃气轮机工作时，第一压气机300从外界吸入工质8(一般为空气)，工质8经第一压气机300压缩增压后，进入到第一燃烧室500内并与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体，高温气体从第一燃烧室500的出气端进入到第一涡轮400中并推动第一涡轮400做功，第一涡轮400带动同轴的第一电机200发电，并带动第一压气机300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；高温气体对第一涡轮400做功后，继续对第二涡轮600做功，第二涡轮600带动同轴的第二电机800发电；对第二涡轮600做功后的气体作为尾气5从排气端排出，进入蒸汽发生器2，经热交换后，蒸汽发生器2排出的部分蒸汽6回注入燃气轮机1。第一转轴100和第二转轴700均可转动做功，均为发电轴，且两根发电轴之间解耦，转速不必相同，便于灵活匹配涡轮的气动设计。

所述蒸汽发生器2的出汽端与燃气轮机1连接的连接位置为以下三处中的一处、两处、三处或四处：

(1)连接位置位于燃气轮机1的第一燃烧室500的进气端(本实施例中具体为扩压器106的后端)，蒸汽6从扩压器106后端注入，在进入第一燃烧室500之前实现预混，工质8与蒸汽6分布均匀，作为新的燃烧工质，流量比单纯的空气大，燃机效率更高；

(2)连接位置位于燃气轮机1的第一燃烧室500内，蒸汽6注入第一燃烧室500内，直接在第一燃烧室500内进行湿式燃烧。

具体应用时，蒸汽发生器2的出汽端可通过管道与第一燃烧室500连接，蒸汽6通过管道接入第一燃烧室500内，还可在管道末端设置蒸汽喷嘴或直通管，蒸汽6通过蒸汽喷嘴或直通管加入第一燃烧室500内。还可在管道或蒸汽喷嘴处设有加压器，在蒸汽6进入第一燃烧室500前对蒸汽6进行加压，以增大进入第一燃烧室500的蒸汽6的压力，更有利于燃料的充分燃烧。

(3)连接位置位于燃气轮机1的第一涡轮400的前端，蒸汽6从第一涡轮400前端注入，进一步推动第一涡轮400做功。

(4)连接位置位于燃气轮机1的第一涡轮400和第二涡轮600之间。

所述燃气轮机的转子系统包括但不限于以下实施例3、4所示的形式。

实施例3转子系统

如图3所示，所述第一转子系统，第一转轴100上依次设置第一压气机300、第一电机200、第一涡轮400，所述第一转轴100上、位于第一压气机300和第一电机200之间设置径向轴承，所述第一转轴100上、位于第一电机200和第一涡轮400之间设置第一推力盘，环绕第一转轴100及第一电机200的定子108上设置一对第一对侧推力盘，所述第一推力盘位于一对第一对侧推力盘之间、且其与所述第一对侧推力盘之间设置推力轴承，所述第一转轴100上、位于第一涡轮400进气侧设置径向轴承；

所述第二转子系统，第二转轴700上依次设置第二涡轮600、第二电机800，所述第二转轴700两头设置径向轴承，所述第二转轴700上、位于第二涡轮600和第二电机800之间设置第二推力盘，环绕第二转轴700及第二电机800的定子上设置一对第二对侧推力盘，所述第二推力盘位于一对第二对侧推力盘之间、且其与所述第二对侧推力盘之间设置推力轴承。

实施例4转子系统

如图4所示，所述第一转子系统，第一转轴100上依次设置第一压气机300、第一电机200、第一涡轮400，所述第一压气机300的背气面及第一涡轮400的进气面设置推力轴承，所述第一转轴100上、位于第一电机200两头设置径向轴承；

所述第二转子系统，第二转轴700上依次设置第二涡轮600、第二电机800，所述第二转轴700两头设置径向轴承，所述第二转轴700上位于第二涡轮600和第二电机800之间设置第二推力盘，环绕第二转轴700及第二电机800的定子上设置一对第二对侧推力盘，所述第二推力盘位于一对第二对侧推力盘之间、且其与所述第二对侧推力盘之间设置推力轴承。

上述虽然结合实施例对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型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实用新型的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种内外混燃机，其特征在于：包括燃气轮机和蒸汽发生器，燃气轮机的排气端与蒸汽发生器的进气端连接，蒸汽发生器的出汽端与燃气轮机连接；

所述燃气轮机为多转子燃气轮机，包括第一转子系统和第二转子系统；

所述第一转子系统，包括第一转轴、第一电机、第一压气机、第一涡轮和第一燃烧室，第一电机、第一压气机、第一涡轮依次套设在第一转轴上；第一压气机的出气端与第一燃烧室的进气端连接；第一燃烧室的排气端与第一涡轮的进气端连接；

所述第二转子系统，包括第二转轴、第二涡轮和第二电机，第二涡轮和第二电机均套设在第二转轴上，第一涡轮的排气端与第二涡轮的进气端连接，第二涡轮的排气端与蒸汽发生器的进气端连接；

所述第一转轴和第二转轴同轴设置；

所述蒸汽发生器的出汽端与燃气轮机连接的连接位置，包括以下四处中的任意一处或两处或三处或四处：

(1)连接位置位于燃气轮机的第一燃烧室的进气端；

(2)连接位置位于燃气轮机的第一燃烧室内；

(3)连接位置位于燃气轮机的第一涡轮的前端；

(4)连接位置位于燃气轮机的第一涡轮和第二涡轮之间。

2.根据权利要求1所述的内外混燃机，其特征在于：所述(2)连接位置位于燃气轮机的第一燃烧室内时，蒸汽发生器的出汽端通过管道与第一燃烧室连接；或：蒸汽发生器的出汽端通过管道与第一燃烧室连接，在管道末端设置蒸汽喷嘴或直通管；

和/或：在所述管道或蒸汽喷嘴处设有加压器，在蒸汽进入第一燃烧室前对蒸汽进行加压。

3.根据权利要求1所述的内外混燃机，其特征在于：所述第一电机为启发一体式电机。

4.根据权利要求1所述的内外混燃机，其特征在于：所述第一燃烧室为环形的回流燃烧室或轴流燃烧室或单筒燃烧室或折流燃烧室，第一燃烧室轴心与第一转轴同轴，环绕第一转轴设置且位于第一压气机和/或第一涡轮外围。

5.根据权利要求1所述的内外混燃机，其特征在于：所述第一转轴和/或第二转轴上设置有推力轴承及推力盘。

6.根据权利要求1所述的内外混燃机，其特征在于：所述第一转轴和/或第二转轴上设置至少一个径向轴承；

对于第一转子系统，径向轴承设置在第一转轴的前端，第一电机的一侧或两侧，或第一压气机和第一涡轮之间。

7.根据权利要求1所述的内外混燃机，其特征在于：所述第一涡轮设置为一个、两个或多个，设置为两个或多个时，依次并列串联在第一转轴尾端；

和/或：所述第二涡轮设置为一个、两个或多个，设置为两个或多个时，依次并列串联在第二转轴尾端；

和/或：相邻的第一涡轮之间设置径向轴承；

和/或：相邻的第二涡轮之间设置径向轴承。

8.根据权利要求1所述的内外混燃机，其特征在于：所述内外混燃机还包括冷凝器，蒸汽发生器的出汽端与冷凝器的进汽端连接，冷凝器的出水端通过泵与蒸汽发生器的进水端连接。

9.根据权利要求1所述的内外混燃机，其特征在于：

所述第一转子系统，第一转轴上依次设置第一压气机、第一电机、第一涡轮，所述第一转轴上、位于第一压气机和第一电机之间设置径向轴承，所述第一转轴上、位于第一电机和第一涡轮之间设置第一推力盘，环绕第一转轴及第一电机的定子上设置一对第一对侧推力盘，所述第一推力盘位于一对第一对侧推力盘之间、且其与所述第一对侧推力盘之间设置推力轴承，所述第一转轴上、位于第一涡轮进气侧设置径向轴承；

所述第二转子系统，第二转轴上依次设置第二涡轮、第二电机，所述第二转轴两头设置径向轴承，所述第二转轴上、位于第二涡轮和第二电机之间设置第二推力盘，环绕第二转轴及第二电机的定子上设置一对第二对侧推力盘，所述第二推力盘位于一对第二对侧推力盘之间、且其与所述第二对侧推力盘之间设置推力轴承。

10.根据权利要求1所述的内外混燃机，其特征在于：

所述第一转子系统，第一转轴上依次设置第一压气机、第一电机、第一涡轮，所述第一压气机的背气面及第一涡轮的进气面设置推力轴承，所述第一转轴上、位于第一电机两头设置径向轴承；

所述第二转子系统，第二转轴上依次设置第二涡轮、第二电机，所述第二转轴两头设置径向轴承，所述第二转轴上、位于第二涡轮和第二电机之间设置第二推力盘，环绕第二转轴及第二电机的定子上设置一对第二对侧推力盘，所述第二推力盘位于一对第二对侧推力盘之间、且其与所述第二对侧推力盘之间设置推力轴承。

Images