CN216894595U - 一种内燃机与微型燃气轮机联合循环系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及动力装置技术领域，特别涉及一种内燃机与微型燃气轮机联合循环系统，包括涡轮增压内燃机系统和微型燃气轮机系统，所述涡轮增压内燃机系统和微型燃气轮机系统通过第一换热器及旁通冷却系统连接；本实用新型提供一种结构设计简单，内燃机涡后废气充分利用且微型燃气轮机热效率高的内燃机与微型燃气轮机联合循环系统。
Description
技术领域
本实用新型涉及动力装置技术领域，特别涉及一种内燃机与微型燃气轮机联合循环系统。
背景技术
内燃机和微型燃气轮机是重要的动力装置，在车辆、船舶、工程机械、农用机械及发电领域均有着重要的应用。但是随着动力装置市场保有量的不断增加，温室气体排放量也在逐年提升，由此造成的全球变暖问题已经成为一种不可忽视的全球性问题，我国也制定了2035碳达峰及2050实现碳中和的宏伟目标。在这种背景下，如何提升内燃机及微型燃气轮机的热效率，成为降低碳排放的一条重要途径。对内燃机及微型燃气轮机进行燃烧及气动优化是提升各自热效率的重要技术手段，目前开展了大量的基础及工程研究工作，取得了重要的进展。但是，这方面技术已经日臻成熟，若想要在这条技术路线上进一步实现热效率的大幅度提升难度很大。如果可以通过两种动力机械的联合循环，根据各自热力循环的特点，充分利用换热特性，从而提升整套动力系统的热效率，不失为一种降低动力机械碳排放的技术手段。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服现有技术存在的缺陷和不足，提供一种结构设计简单，内燃机涡后废气充分利用且微型燃气轮机热效率高的内燃机与微型燃气轮机联合循环系统。
实现本实用新型目的的技术方案是：一种内燃机与微型燃气轮机联合循环系统，包括涡轮增压内燃机系统和微型燃气轮机系统，所述涡轮增压内燃机系统和微型燃气轮机系统通过第一换热器及旁通冷却系统连接。
进一步地，所述涡轮增压内燃机系统包括内燃机、第一涡轮增压器和中冷器，所述内燃机、第一涡轮增压器和中冷器三者通过管道连接形成闭环回路。
进一步地，所述微型燃气轮机系统包括燃烧室、第二换热器和第二涡轮增压器，所述第二换热器通过管道分别与燃烧室和第二涡轮增压器连接形成闭环回路。
进一步地，所述第一换热器设在第二换热器和第二涡轮增压器之间的管道管路上，所述第一换热器通过管道与第一涡轮增压器连接。
进一步地，所述旁通冷却系统设在中冷器和第二涡轮增压器之间，所述旁通冷却系统包括旁通管道和设在旁通管道管路上的电控阀，所述旁通管道的两端分别与第一涡轮增压器和第二涡轮增压器连接。
采用上述技术方案后，本实用新型具有以下积极的效果：
(1)本实用新型通过将第一换热器设在第二换热器和第二压气机之间的管道管路上，并且通过管道将第一换热器与第一涡轮机连接，进而将内燃机涡后的气体内能传递给微型燃气轮机的进气，使得内燃机涡后的废气能量得以利用，增加了微型燃气轮机燃烧室的进气温度，依据微型燃气轮机布雷顿热力循环基本原理，从而可以达到提升微型燃气轮机热效率的目的；
(2)本实用新型通过在中冷器和第二涡轮机之间设置旁通冷却系统，将内燃机经中冷器冷却后的一部分新鲜空气抽取出来，引入到微型燃气轮机的第二涡轮机端，用于冷却第二涡轮机的叶片，进而使得微型燃气轮机涡轮叶片的可靠性得到提升，从而允许微型燃气轮机涡轮进口温度得到提升，依据微型燃气轮机布雷顿热力循环基本原理，可以进一步提升微型燃气轮机的热效率。
附图说明
为了使本实用新型的内容更容易和清楚地被理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步的详细说明，其中：
图1为本实用新型的结构示意图。
图中：涡轮增压内燃机系统1、内燃机11、第一涡轮增压器12、第一压气机121、第一涡轮机122、中冷器13、曲轴14、出口管道15、第一进气管道16、微型燃气轮机系统2、燃烧室21、第二换热器22、第二涡轮增压器23、转轴24、第二进气管道25、第二压气机231、第二涡轮机232、冷却机构2321、第一换热器3、旁通冷却系统4、旁通管道41、电控阀42。
具体实施方式
如图1所示，一种内燃机与微型燃气轮机联合循环系统，包括涡轮增压内燃机系统1和微型燃气轮机系统2，涡轮增压内燃机系统1包括内燃机11、第一涡轮增压器12和中冷器13，第一涡轮增压器12由第一压气机121 和第一涡轮机122组成，内燃机11、第一涡轮增压器12和中冷器13三者通过管道连接形成闭环回路；微型燃气轮机系统2包括燃烧室21、第二换热器22和第二涡轮增压器23，第二涡轮增压器23由第二压气机231和第二涡轮机232组成，第二换热器22通过管道分别与燃烧室21和第二涡轮增压器23连接形成闭环回路；第二换热器22与第二涡轮增压器23的第二压气机231之间的管道管路上设有第一换热器3，第一换热器3通过管道与第一涡轮增压器12的第一涡轮机122连接；通过将第一换热器3设在第二换热器22和第二压气机231之间的管道管路上，并且通过管道将第一换热器3与第一涡轮机122连接，使得内燃机11涡后的废气能量传递给微型燃气轮机的进气，从而使得内燃机11涡后的废气能量得以利用的同时提升了微型燃气轮机的热效率。中冷器13和第二涡轮增压器23的第二涡轮机232 之间还设有旁通冷却系统4，旁通冷却系统4包括旁通管道41和设在旁通管道41管路上的电控阀42，旁通管道41的两端分别与中冷器13和第二涡轮机232上的冷却机构2321连接；通过在中冷器13和第二涡轮机232之间设置旁通冷却系统4，将内燃机11经中冷器13冷却后的一部分新鲜空气抽取出来，引入到微型燃气轮机的第二涡轮机232端，用于冷却第二涡轮机232叶片，从而提升了微型燃气轮机热效率；电控阀42的设置可以根据联合循环系统运行工况的需求调节旁通冷却系统4的工作状态：当联合循环系统处于低工况运行时，微型燃气轮机燃烧温度相对较低，第二涡轮机232可以满足可靠性的要求，电控阀42关闭，旁通冷却系统4不起作用；当联合循环系统处于高工况运行时，微型燃气轮机排温很高，此时为了降低第二涡轮机232的热负荷，可以打开电控阀42，使得中冷器13后管道当中一部分被冷却的新鲜空气进入旁通管道41中，然后通过第二涡轮机232 上的冷却结构2321对第二涡轮机232进行冷却，从而提升了微型燃气轮机的可靠性。
涡轮增压内燃机系统1通过内燃机11喷油燃烧，燃烧后的发动机通过曲轴14向外输出功率，废气通过管道进入到第一涡轮机122中膨胀做功，通过第一涡轮机122做功的废气一方面将内能转化为机械能，用于驱动第一压气机121旋转做功，另一方面尚未完全利用的废气能量传递给第二压气机232后的新鲜空气，一般的发动机高工况运行时第一涡轮机122后的排温可以达到550-650℃。第一压气机121获得了第一涡轮机122传递的机械能后，旋转压缩空气做功，新鲜空气通过管道被吸入第一压气机121中，在第一压气机121中将第一压气机121的机械能转化为压力能和内能。由于第一压气机121后出口管道15中的空气受到第一压气机121的压缩，因此具有较高的压力和温度。遵循萨巴德基本热力循环的内燃机热力系统，为了增加内燃机11单位时间的进气量，从而增加功率密度及效率，需要尽可能的降低第一进气管道16内的空气温度，因此在第一压气机121后管道上增加中冷器13用于对发动机的进气进行冷却。同时，燃料在燃烧室21 中燃烧，燃烧后的高温高压燃气通过管道进入第二换热器22中，然后经过管道进入第二涡轮机232中膨胀做功。高温高压燃气在第二涡轮机232中将压力能和内能转化为机械能，机械能一方面用于驱动第二压气机231压缩空气做功，另一方面将剩余的功率通过第二涡轮机232的转轴24向外输出动力。新鲜空气通过管道被吸入第二压气机231中，然后将机械能转化为新鲜空气的压力能和内能，被压缩后的新鲜空气通过管道进入第一换热器3与内燃机11涡后尚未完全利用的废气混合，混合后的气体经过第一换热器3和第二换热器22的两级加热，使得第二进气管道25中的温度提升更高，进而满足布雷顿循环热效率提升的方向，从而提升微型燃气轮机的热效率。需要说明的时，虽然联合循环系统中内燃机11的热效率没有提升，但是利用内燃机11工作方式与微型燃气轮机进行换热，提升了微型燃气轮机的热效率，从而使联合循环系统的热效率得以提升。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种内燃机与微型燃气轮机联合循环系统，其特征在于：包括涡轮增压内燃机系统(1)和微型燃气轮机系统(2)，所述涡轮增压内燃机系统(1)和微型燃气轮机系统(2)通过第一换热器(3)及旁通冷却系统(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种内燃机与微型燃气轮机联合循环系统，其特征在于：所述涡轮增压内燃机系统(1)包括内燃机(11)、第一涡轮增压器(12)和中冷器(13)，所述内燃机(11)、第一涡轮增压器(12)和中冷器(13)三者通过管道连接形成闭环回路。
3.根据权利要求2所述的一种内燃机与微型燃气轮机联合循环系统，其特征在于：所述微型燃气轮机系统(2)包括燃烧室(21)、第二换热器(22)和第二涡轮增压器(23)，所述第二换热器(22)通过管道分别与燃烧室(21)和第二涡轮增压器(23)连接形成闭环回路。
4.根据权利要求3所述的一种内燃机与微型燃气轮机联合循环系统，其特征在于：所述第一换热器(3)设在第二换热器(22)和第二涡轮增压器(23)之间的管道管路上，所述第一换热器(3)通过管道与第一涡轮增压器(12)连接。
5.根据权利要求4所述的一种内燃机与微型燃气轮机联合循环系统，其特征在于：所述旁通冷却系统(4)设在中冷器(13)和第二涡轮增压器(23)之间，所述旁通冷却系统(4)包括旁通管道(41)和设在旁通管道(41)管路上的电控阀(42)，所述旁通管道(41)的两端分别与第一涡轮增压器(12)和第二涡轮增压器(23)连接。
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