WO2013056437A1 - 多工质涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

一种多工质涡轮发动机，包括用于将工质的能量转换为机械能的涡轮（20）、第一工质进气通道和第二工质进气通道。第一工质进气通道和第二工质进气通道构造成用以将第一工质和第二工质分别引入涡轮的不同涡轮部做功。由于不同工质在涡轮的不同涡轮部上做功，因此可以综合不同工质的优势，而且使得不同工质的单独回收成为可能。

Description

多工质涡轮发动机

技术领域

本发明涉及一种涡轮发动机， 特别是一种采用多种工质的涡轮发动 机。 背景技术

美国专利第 4248039号公开了一种双工质平行复合循环燃气涡轮发 动机。随后的几十年间，人们也对这种双工质涡轮发动机提出不少改进。 在这种双工质涡轮发动机中， 燃气与蒸汽一起进入涡轮做工， 显著提高 燃气效率。 但是， 由于蒸汽的回注， 也导致了燃气温度的降低。 而燃气 温度的降低也造成了燃气自身做工能力的降低。

另外， 这种双工质涡轮发动机的排气同时含有燃气和蒸汽。 燃气中 含有多种杂质， 在回收蒸汽的过程中， 需要除掉各种杂质， 因此工艺较 复杂。 而且， 燃气与蒸汽混合在一起， 排气量非常大， 需要非常庞大的 回收 /冷凝设备， 使得蒸汽的回收变得异常困难。 发明内容

有鉴于此， 本发明提出一种多工质涡轮发动机， 以期可以解决至少 一种前述问题。

本发明提出一种多工质涡轮发动机， 所述多工质涡轮发动机设有第 一工质进气通道和第二工质进气通道， 所述第一工质进气通道和第二工 质进气通道构造成用以将第一工质和第二工质分别引入所述涡轮发动 机的涡轮的不同涡轮部做工。

在一实施例中， 所述多工质涡轮发动机在所述涡轮的排气侧设有第 一工质排气通道和第二工质排气通道， 所述第一工质排气通道设置成实 质上仅接收做工后的第一工质， 所述第二工质排气通道设置成实质上仅 接收做工后的第二工质。

在一实施例中， 所述涡轮的不同涡轮部形成进气分界线， 所述第一 工质排气通道和第二工质排气通道在所述涡轮排气侧形成工质接收分 界线偏转一角度， 使得所述做工后的第一工质实质上全部进入所述第一 工质排气通道以及所述做工后的第二工质实质上全部进入所述第二工 质排气通道。 其中， 所述角度可根据涡轮前压力与温度、 进气 /排气流 道设计参数、 涡轮转速、 排气背压综合确定。

在一实施例中， 所述第二工质包括蒸汽， 所述多工质涡轮发动机包 括水回收系统， 用以将经所述第二工质排气通道排出的蒸汽回收至所述 第二工质进气通道作为第二工质继续使用。

在一实施例中， 所述水回收系统包括冷凝装置， 其设置成用以将所 述第二工质排气通道内的蒸汽冷凝为液态水以降低涡轮排气背压。

在一实施例中， 所述水回收系统包括换热器， 所述换热器利用所述 第一工质排气通道内的第一工质和所述第二工质排气通道内的第二工 质至少其中之一的热量来加热被所述冷凝装置冷凝之后的第二工质。

在一实施例中， 在发动机未工作时， 水存储于回收系统中， 在发动 机工作时， 所述水被所述第二工质排气通道内的第二工质加热成蒸汽。

在一实施例中， 所述涡轮包括多级涡轮。

在另一实施例中，所述第一工质包括燃气，所述第二工质包括蒸汽， 所述多工质涡轮发动机包括用于提供所述燃气的燃烧室以及用于提供 所述蒸汽的蒸汽锅炉。

在上述实施例中， 不同工质在涡轮的不同涡轮部上做工， 因此可以 综合不同工质的优势。 而且， 也由于不同工质在不同的涡轮部上做工， 这使得不同工质的单独回收成为可能。 附图说明

图 1是显示不同工质在涡轮的不同涡轮部做工的概念示意图。 图 2是涡轮的轴向平面示意图， 例示出一种涡轮部的划分。

图 3是涡轮的筒化示意图，说明工质排气相对工质进气的偏转角度。 图 4是涡轮进气和排气构造的侧视组合图。

图 5是图 4的涡轮进气和排气构造的分解图。

图 6是图 4的涡轮进气和排气构造另一角度的分解图。

图 7是径向流涡轮的进气和排气构造的示意图。

图 8是图 7的径向流涡轮的进气和排气构造的另一角度示意图。 图 9是二级涡轮的筒化示意图， 说明工质排气相对于工质进气的偏 转角度。

图 1 0是涡轮的轴向示意图， 例示出涡轮部的另一种划分。

图 1 1是应用本申请创新概念的涡轮发动机的实施例的系统示意图。 图 12 是应用本申请创新概念的另一种涡轮发动机的实施例的系统

具体实施方式

在详细描述实施例之前， 应该理解的是， 本发明不限于本申请中下 文或附图中所描述的详细结构或元件排布。 本发明可为其它方式实现的 实施例。 而且，应当理解， 本文所使用的措辞及术语仅仅用作描述用途， 不应作限定性解释。 本文所使用的 "包括"、 "包含"、 "具有" 等类似措 辞意为包含其后所列出之事项、 其等同物及其它附加事项。 例如， 当描 述装置 A包括第一 B元件和第二 B元件时， 除特别声明外， 这种描述并 不排除该装置可包含第三 B元件或更多的 B元件的可能性。 除特别声明 夕卜， "安装"、 "连接" 和 "支撑" 等类似措辞应作广义解释， 包含直接 及间接的安装、 连接、 支撑。 此外， "连接" 不限于物理的或机械的连 接。

图 1是多工质涡轮发动机的涡轮部分的概念示意图。 多工质涡轮发 动机的涡轮 20接收工质以将工质的能量转换为机械能。 如图所示， 第 一工质和第二工质分别被引入涡轮 20 的不同做工部位或涡轮部以分别 在不同的涡轮部膨胀做工。 同时参考图 2 , 其为涡轮的轴向平面示意图。 涡轮 20包括第一涡轮部 20A和第二涡轮部 20B,第一涡轮部 20A和第二 涡轮部 20B的分界线为 C1-0-C2 ( 0为涡轮 20圓心）， 其中第一涡轮部 20A和第二涡轮部 20B用于分别接收第一工质和第二工质， 使得第一涡 轮部 20A实质上仅将第一工质的能量转换为机械能， 第二涡轮部 20B实 质上仅将第二工质的能量转换为机械能。第一工质和第二工质在涡轮 20 中做工后， 可以根据需要进行处理， 例如被排放或者是回收等。

需要指出的是， 在此将涡轮 20分为第一涡轮部 20A和第二涡轮部 20B是为了更好地展示第一工质和第二工质被引入涡轮的不同部位做工 的这个概念。 为此， 在此定义的第一涡轮部 20A和第二涡轮部 20B并不 是涡轮 20 上的特定的固定部位， 而是指在给定时刻被分界线 C1-0-C2 划分的不同部位。 例如， 在图 2的例子中， 分界线 C1-0-C2是水平的， 因此在给定时刻， 旋转至水平分界线 C1-0-C2上方的涡轮部位被定义为 第一涡轮部 20A, 而旋转至水平分界线 C1-0-C2下方的涡轮部位被定义 为第二涡轮部 20B。

作为一种实施例， 第一工质可以包括燃气， 第二工质可以包括水或 者蒸汽（水在系统的不同阶段可能呈液态或气态形式）。 燃气和蒸汽是 目前涡轮发动机中使用最普遍的两种工质。 其中， 燃气是燃料燃烧后的 燃烧产物， 而燃料可以是例如汽油、 天然气、 丙烷、 柴油、 煤油， 也可 以是可再生燃料， 例如 E85酒精汽油、生物柴油及生物气体等等。但是， 本发明的不同工质在涡轮的不同部分做工的概念并不排斥其它不同工 质的组合。

当第一工质包括燃烧产物， 第二工质包括蒸汽时， 该多工质涡轮发 动机实质上是将根据布雷顿循环的做工与根据朗肯循环的做工整合在 同一个动力涡轮上进行做工。 相对于现有的燃气-蒸汽联合循环而言， 这样可以使涡轮发动机组的结构更加紧凑。 通常而言， 燃气进涡轮前的 温度越高， 其做工能力就越高， 涡轮发动机热效率也就越高。 但随着燃 气温度的提高， 对涡轮部件如叶片的耐热能力也提出更大挑战。 一般布 雷顿循环的工质温度高达 1000多摄氏度， 有的甚至超过 2000摄氏度， 而朗肯循环的工质温度相对要低很多， 通常低于 700摄氏度。 在该多工 质涡轮发动机中， 燃气和蒸汽在涡轮的不同涡轮部各自做工， 因此在任 一时刻， 涡轮只有一部分接收高温燃气的高温， 而另一部分接收蒸汽的 相对低温， 而随着涡轮不停地旋转， 之前接收高温的那一部分涡轮部会 不断地旋转至接收蒸汽的部位而被蒸汽冷却。 由于燃气和蒸汽在不同的 涡轮部单独做工， 因此， 虽然蒸汽不断地冷却之前接收燃气高温的那些 涡轮部， 但不会降低燃气的高温， 即燃气进涡轮前的温度。 换句话说， 高温燃气的做工能力没有因蒸汽的加入而被削弱。

如图 3 , 为涡轮 20的一个筒化示意图， 其以单级轴向流涡轮为例进 行说明。 在这个筒化示意图中， 涡轮 20 以圓柱表示， 并未画出涡轮的 叶片等具体结构， 其例如沿箭头所示的顺时针方向旋转。 圓柱 20 的两 个相对面 22和 24分别表示涡轮的进气侧 22和排气面 24。 假定第一涡 轮部 20A和 20B各占一半， 即两个涡轮部的分界线 C1 -0-C2 (其中 0为 涡轮圓心）将涡轮等分成两半， 则分界线 C1-0-C2的一侧， 例如分界线 上方进第一工质 （例如， 燃气）， 另一侧， 例如分界线下方进第二工质 (例如， 蒸汽）。 换句话说， 第一工质和第二工质在涡轮 20 进气侧 22 上的进气分界线为 Cl-0-C2。 由于涡轮 20不断旋转， 穿过涡轮 20的工 质也会被带动沿该顺时针方向转动。 这样， 当做工后的工质离开涡轮 20 时， 其会相对于进涡轮前的状态在涡轮 20 的旋转方向上整体偏移一定 角度 α。 即， 做工后的第一工质和第二工质在涡轮 20排气侧 24上的排 气分界线 Cl， -0-C2' 相对于进气分界线 C1-0-C2在涡轮 20的旋转方向 上偏移角度 α。如果需要分别处理从涡轮 20排出的第一工质和第二工质， 则需要考虑这一偏转角度 α。 应当理解的是， 图 3 仅示出涡轮的转子部 分， 以说明工质在离开涡轮时相对于涡轮前时的这种整体偏转。

该偏转角度 α与涡轮前压力与温度、 进气 /排气流道设计参数、 涡轮 转速、 排气背压等参数有关。 例如， 涡轮前压力和温度越高， 涡轮转速 越低， 排气背压越低， 该偏转角度 α就越小。 反之， 则偏转角度 α越高。 该偏转角度 α可以经由计算得到， 也可以通过计算机模拟或实验的方法 得到。

图 4-6为涡轮的工质进气和排气通道的一个实施例的示意图， 其以 单级涡轮 120为例来说明， 且在图 6的立体图中， 为图示清楚， 未画出 与涡轮结合的转轴。 涡轮 120包括涡轮静子（也叫喷嘴环） 122和涡轮 转子 124。 静子 122具有第一导向部 122A和第二导向部 122B。 涡轮转 子 124具有被进气分界线 D1-0-D2 (其中 0为涡轮 120圓心） 划分的第 一涡轮部 124A和第二涡轮部 124B。 涡轮发动机在涡轮 120进气侧设有 相互独立的第一工质进气管 126和第二工质进气管 128。 第一工质进气 管 126与涡轮静子 122的第一导向部 122A流体相通， 以将第一工质引 至静子 122的第一导向部 122A, 然后经由第一导向部 122A而被导向至 涡轮转子 124的第一涡轮部 124A做工。 因此， 第一工质进气管 126和 涡轮静子 122的第一导向部 122A (具体而言， 是第一导向部 122A的叶 片之间的通道）形成了第一工质进气通道， 将第一工质引至涡轮的第一 涡轮部 124A做工。 第二工质进气管 128与涡轮静子 122的第二导向部 122B流体相通， 已将第二工质引至静子 122的第二导向部 122B, 然后 经由第二导向部 122B而被导向至涡轮转子 124的第二涡轮部 124B做工。 因此， 第二工质进气管 128和涡轮静子 122的第二导向部 122B (具体而 言， 是第二导向部 122B的叶片之间的通道）形成了第二工质进气通道， 将二工质引至涡轮的第二涡轮部 124B。

第一工质和第二工质做完工后离开涡轮转子 124的第一和第二涡轮 部 124A、 124B。 如果想要分别处理离开的第一工质和第二工质， 涡轮发 动机可在涡轮 120排放侧设置相互独立的第一工质排气管或通道 1 30和 第二工质排气管或通道 1 32。 第一工质排气通道 1 30与第一涡轮部 124A 流体相通以实质上仅接收在第一涡轮部 124A上做工的第一工质， 第二 工质排气通道 1 32与第二涡轮部 124B流体相通以实质上仅接收在第二 涡轮部 124B上做工的第二工质。

如前所述， 当做工后的工质离开涡轮时， 其会相对于进涡轮前的状 态在涡轮的旋转方向上整体一定偏转角度。 即， 第一工质和第二工质的 排气分界线 Dl， -0-D2' 相对于进气分界线 D1-0-D2在涡轮转子 124的 旋转方向上偏转一定角度。因此，接收第一工质的第一工质排气通道 1 30 和接收第二工质的第二工质排气通道 1 32形成的工质接收分界线也应当 在涡轮转子 124的旋转方向上相对于进气分界线 D1-0- D2偏转一定角 度， 使得在第一涡轮部 124A 上做工的第一工质实质上全部进入第一工 质排气通道 130 , 以及在第二涡轮部 124B上做工的第二工质实质上全部 进入第二工质排气通道 132。 该偏转角度根据涡轮前压力与温度、 进气 / 排气流道设计参数、 涡轮转速、 排气背压等参数综合确定。

图 7和图 8是应用第一工质和第二工质在不同涡轮部做工的这个概 念的径向流涡轮 220的示意图。 与轴向流涡轮不一样， 径向流涡轮 220 是从涡轮圓周上进气， 工质做工后沿轴向排气。 虽然如上所述进气分界 线可有多种安排， 在此实施例中仍然以二等分为例进行说明。

涡轮 220包括涡轮静子 222和涡轮转子 224。 静子 222具有第一导 向部 222A和第二导向部 222B。涡轮转子 224具有以分界线 E1-0-E2 (其 中 0为涡轮 220圓心） 为界的第一涡轮部 224A和第二涡轮部 224B。 涡 轮发动机在涡轮 220进气侧（实际上是沿其圓周 )设有相互独立的第一 工质进气管 226和第二工质进气管 228。 第一工质进气管 226与涡轮静 子 222的第一导向部 222A流体相通， 以将第一工质引至静子 222的第 一导向部 222A, 然后经由第一导向部 222A而被导向至涡轮转子 224的 第一涡轮部 224A做工。 因此， 第一工质进气管 226和涡轮静子 222的 第一导向部 222A (具体而言， 是第一导向部 122A的叶片之间的通道） 形成了第一工质进气通道， 将第一工质引至涡轮的第一涡轮部 224A做 工。 类似地， 第二工质进气管 228与涡轮静子 222 的第二导向部 222B 流体相通， 以将第二工质引至静子 222的第二导向部 222B, 然后经由第 二导向部 222B而被导向至涡轮转子 224的第二涡轮部 224B做工。因此， 第一工质进气管 228和涡轮静子 222的第二导向部 222B (具体而言， 是 第二导向部 122B 的叶片之间的通道）形成了第二工质进气通道， 将第 二工质引至涡轮的第二涡轮部 224B做工。

第一工质和第二工质做完工后离开涡轮 220 的第一和第二涡轮部 224A、 224B。 如果想要分别处理离开的第一工质和第二工质， 涡轮发动 机可在涡轮 220排放侧设置相互独立的第一工质排气管或通道 230和第 二工质排气管或通道 232。第一工质排气通道 230与第一涡轮部 224A流 体相通以实质上仅接收在第一涡轮部 224A 上做工的第一工质， 第二工 质排气通道 232与第二涡轮部 224B流体相通以实质上仅接收在第二涡 轮部 224B上做工的第二工质。

如前所述， 当做工后的工质离开涡轮时， 其会相对于进涡轮前的状 态在涡轮的旋转方向上整体一定偏转角度。 即， 第一工质和第二工质的 排气分界线 ΕΓ -0-E2' 相对于进气分界线 E1-0-E2在涡轮 220的旋转 方向上偏转一定角度。 因此， 接收第一工质的第一工质排气通道 230和 接收第二工质的第二工质排气通道 232也应当在涡轮 220的旋转方向上 偏转一定角度， 使得在第一涡轮部 224A上做工的第一工质实质上全部 进入第一工质排气通道 230 , 以及在第二涡轮部 224B上做工的第二工质 实质上全部进入第二工质排气通道 232。 该偏转角度根据涡轮前压力与 温度、 进气 /排气流道设计参数、 涡轮转速、 排气背压等参数综合确定。

虽然在以上的描述中是以单级涡轮来举例说明， 但实际上不同工质 在涡轮的不同部位做工的这个创新概念同样可以应用于多级涡轮。 在目 前的多级涡轮应用中大多是使用多级轴流式涡轮（或者， 至少第二级涡 轮为轴流式涡轮）， 因此下面以轴流式涡轮来举例说明。 但应当理解的 是， 对于多级径向流涡轮同样可以应用本申请的创新概念。

图 9是一种应用本创新概念的二级轴流式涡轮的示意图。 在该示例 中， 涡轮 320包括一级涡轮 3202和二级涡轮 3204。 但通过阅读本说明 书， 本领域技术人员应当可以理解在此描述的创新相无念也可应用于多于 二级的涡轮级中。

为图式清楚和描述方便， 图 9中的每一级涡轮以圓盘代替， 并未画 出涡轮的具体结构， 一级涡轮 3202具有分界线为 F1-0-F2 (其中 0为涡 轮圓心）的第一涡轮部 3202A和第二涡轮部 3202B, 且二级涡轮 3204具 有分界线为 G1-0-G2 (其中 0为涡轮圓心） 的第一涡轮部 3204A和第二 涡轮部 3204B, 第一工质和第二工质在通过一级和二级涡轮 3202、 3204 时， 会在对应的第一和第二涡轮部上做工。

一级涡轮 3202的第一涡轮部 3202A和第二涡轮部 3202B的分界线 是 F1-0-F2 , 则表示第一和第二工质的一级进气分界线为 Fl-0-F2。 如 前所述， 当第一工质在第一涡轮部 3202A上做工完成， 且第二工质在第 二涡轮部 3202B上做工完成后离开一级涡轮 3202时， 第一工质和第二 工质会整体上相对于其进气分界线 F1-0-F1在涡轮旋转方向上偏移一角 度 αΐ , 即第一工质和第二工质的一级排气分界线 Fl， -0-F2' (以虚线表 示）相对于一级进气分界线 F1-0-F2具有偏转角 al。 第一和第二工质进 入二级涡轮 3204时， 其二级进气分界线 G1-0-G2与离开一级涡轮 3202 时的一级排气分界线 Fl， -0-F2' 近似平行， 即二级进气分界线 G1-0-G2 相对于一级进气分界线 F1-0-F1也近似具有偏转角 al。 同样， 当第一工 质和第二工质在二级涡轮 3204的第一和第二涡轮部 3204Α和 3204Β上 做完工离开二级涡轮 3204时， 第一和第二工质的二级排气分界线 Gl， -0-G2' (以虚线表示）相对于二级进气分界线 G1-0-G2具有偏转角 α2 , 但相对于一级进气分界线 F1-0-F2而言， 二级排气分界线 Gl， -0-G2' 则近似具有偏转角 α 1+α2。 因此， 工质经在整个涡轮做工完成后， 其偏 转角可以近似看作各级涡轮产生的偏转角的叠加。 如果想要分别回收最 终从涡轮排出的第一和第二工质， 总偏转角应该被考虑。

在一个实施例中， 一级涡轮可以是直接接受蒸汽和燃气的燃气涡 轮， 其将一部分动力通过转动轴传递至涡轮发动机的压气机。 二级涡轮 与一级涡轮之间不具有机械连接。 离开一级涡轮的工质在二级涡轮上继 续做工， 使得二级涡轮可带动负载， 例如发电机。

在以上的描述中， 涡轮是沿直径分成两个等分的涡轮部。 但涡轮部 的划分可以根据第一工质和第二工质的具体参数而定。 比如， 图 10 是 涡轮部另一种划分的例子。 可以根据第一工质和第二工质的比例来确定 涡轮部划分。 例如， 如果第一工质 （例如燃气） 占 75%, 第二工质 （例 如蒸汽） 占 25%, 则涡轮被分界线 H1-0-H2划分成第一涡轮部占整个涡 轮的四分之三， 第二涡轮部占四分之一。

图 11 例示了一种多工质涡轮发动机的系统示意图。 多工质涡轮发 动机 400包括涡轮 420、 向涡轮 420提供燃气（第一工质 ) 的燃气进气 通道 430、 向涡轮 420提供蒸汽（第二工质） 的蒸汽进气通道 432、 从 涡轮 420接收做工后的燃气的燃气排气通道 434、 从涡轮 420接收做工 后的蒸汽的蒸汽排气通道 436。

燃气和蒸汽分别被弓 I入动力涡轮 420的不同涡轮部以分别在不同的 涡轮部做工。 图 11中的涡轮 420及其进气和排气构造 430、 432、 434、 436可采用上述实施例中描述的任何一种构造或其它合适的构造。

作为第一工质的燃气可由燃烧室 440提供。 燃烧室 440可接收来自 压气机 442的压缩空气和来自燃料源 （图未示） 的燃料， 接收的燃料和 空气在燃烧室 440中燃烧产生燃烧产物， 即作为第一工质的燃气。

作为第二工质的蒸汽在做工后可利用水回收系统 444将其从蒸汽排 气通到 436全部或部分地回收并处理后返回至蒸汽进气通道 432继续作 为第二工质使用。在所示的实施例中，水回收系统 444包括冷凝装置 446 和换热装置。

冷凝装置 444设置成将蒸汽排气通道 436内的蒸汽冷凝为液态水。 冷凝装置 444的工作方式可以是自然冷却， 水冷， 风冷等方式， 只要能 将蒸汽冷凝成液态水即可。

换热装置利用燃气排气通道 434内的燃气和蒸汽排气通道 436内的 蒸汽至少其中之一的热量来加热被冷凝装置冷凝之后的第二工质。 在所 示的实施例中， 换热装置包括第一换热器 448和第二换热器 450。

在第一换热器 448里面， 利用蒸汽排气管 436内的蒸汽的热能来加 热被冷凝装置 444冷凝之后的液态水， 使之温度升高或变成蒸汽。 第二 换热器 450位于第一换热器 448与蒸汽进气通道 432之间。 来自第一换 热器 448的蒸汽在第二换热器 450中被继续加热。在第二换热器 450中， 蒸汽是被燃气排气通道 434内的高温燃气加热的。 然后， 离开第二换热 器 450的蒸汽经蒸汽进气通道 432进入涡轮 420做工。

加热作为第二工质的蒸汽之后， 一般而言燃气的温度还 4艮高， 其携 带的热量可以进一步被回收利用， 例如通入另一个换热器加热其它流体 等。

在图 11 的系统中， 由于燃气和蒸汽是在涡轮的不同涡轮部做工， 燃气和蒸汽的回收处理可以单独进行， 大大筒化水或蒸汽的回收工艺和 降低回收成本。 如果燃气和蒸汽混合在一起， 要想回收其中的蒸汽， 冷 凝器必须要做得非常大而使得这种回收变得实际上不可能。 而且， 燃气 中会混合一些酸性物质 （补充其他物质）， 也为回收带来了困难和复杂 性。 另外， 由于这种冷凝装置的使用， 有效降低了涡轮排气背压， 因此 可显著提高涡轮发动机效率。

在图 11 的系统中， 在发动机未工作时， 水存储于回收系统中。 因 此， 系统刚启动时， 蒸汽并不参加做工， 而是仅利用燃气来启动系统。 之后， 存储在这些换热器中的水被排出的燃气加热成蒸汽后再参加做 工。

图 12 例示了另一种实施方式， 作为第二工质的蒸汽也可以是由独 立的蒸汽锅炉提供。 图 12 例示了另一种多工质涡轮发动机的系统示意 图。 多工质涡轮发动机 500包括涡轮 520、 向涡轮 520提供燃气（第一 工质 ) 的燃气进气通管 530、 向涡轮 520提供蒸汽（第二工质 ) 的蒸汽 进气管 532、 从涡轮 520接收做工后的燃气的燃气排气管 534、 从涡轮 520接收做工后的蒸汽的蒸汽排气通道 536。

燃气和蒸汽分别被引入涡轮 520的不同涡轮部以分别在不同的涡轮 部做工。 图 12中的涡轮 520及其进气和排气构造 530、 532、 534、 536 可采用之前描述的任何一种构造或其它合适的构造。

在图 12的例示性系统中， 作为第一工质的燃气可由燃烧室 540提 供， 而作为第二工质的蒸汽可由蒸汽锅炉提供。 同样， 经排气通道 534 和 536排出的燃气和蒸汽可以被进一步回收利用。 由于也是采用不同工 质在不同涡轮部做工的做法， 图 12 的系统同样具有前述实施例中的一 种或多种优点。

在以上的实施例中， 都是以两种不同的工质 （即燃气和蒸汽）来加 以讨论。 但应当指出的是， 在此揭示的不同工质在不同涡轮部上做工的 概念也可以应用于两种以上的不同工质的情形， 只要两种以上的工质在 不同涡轮部上做工能够达到想要的效果即可。 应当理解的是， 如果使用 两种以上的工质， 则涡轮发动机的涡轮包括相应数目的涡轮部， 发动机 会设置相应数目的工质进气通道和排气通道。 另外， 在本文的背景下， 具有不同工作参数（例如温度） 的同一种类的工质也可视为两种不同的 工质。 例如， 对于燃气而言， 如果多种燃气具有不同的温度， 则这些具 有不同温度的燃气（虽然属于同一类型， 即都是燃气）也可视为本发明 意义上的不同的工质。 因此， 具有不同温度的燃气（或者蒸汽， 或其它 工质）在涡轮的不同涡轮部上做工也应属于本发明的范围。

综上所述， 本文介绍了多种工质在涡轮的不同涡轮部做工的创新概 念以及该概念在涡轮发动机上的实际应用。 作为诸多优点之一， 由于不 同的工质在不同的涡轮部做工， 不同工质的优势可以综合在一起从而提 高热效率。 对于温度不同的工质而言， 相对高温的工质只是作用在部分 涡轮部位上， 随着涡轮的不断旋转， 相对低温的工质可以对接收高温工 质的涡轮部进行冷却， 因而可以提高涡轮部件寿命和可靠性。 也由于不 同的工质是在不同的涡轮部做工， 这使得当不同工质排出涡轮时， 不同 工质的单独回收成为可能。 特别是在水或蒸汽作为其中一种工质的情况 下， 这使得水回收的成本可以更加低廉， 工艺复杂度更低。

本文所描述的概念在不偏离其精神和特性的情况下可以实施成其 它形式。 所公开的具体实施例应被视为例示性而不是限制性的。 因此， 本发明的范围是由所附的权利要求， 而不是根据之前的这些描述进行确 定。 在权利要求的字面意义及等同范围内的任何改变都应属于这些权利 要求的范围。

Claims

权 利 要 求 书

1. 一种多工质涡轮发动机， 包括用于将工质的能量转换为机械能 的涡轮， 其特征在于， 所述多工质涡轮发动机包括第一工质进气通道和 第二工质进气通道， 所述第一工质进气通道和第二工质进气通道构造成 用以将第一工质和第二工质分别引入所述涡轮的不同涡轮部做工。

2. 如权利要求 1 所述的多工质涡轮发动机， 其特征在于， 所述多 工质涡轮发动机在涡轮排气侧设有第一工质排气通道和第二工质排气 通道， 所述第一工质排气通道设置成实质上仅接收做工后的第一工质， 所述第二工质排气通道设置成实质上仅接收做工后的第二工质。

3. 如权利要求 2 所述的多工质涡轮发动机， 其特征在于， 所述涡 轮的不同涡轮部形成进气分界线， 所述第一工质排气通道和第二工质排 气通道在所述涡轮排气侧形成工质接收分界线， 所述工质接收分界线在 工后的第一工质实质上全部进入所述第一工质排气通道以及所述做工 后的第二工质实质上全部进入所述第二工质排气通道。

4. 如权利要求 3 所述的多工质涡轮发动机， 其特征在于， 所述角 度根据涡轮前压力与温度、 进气 /排气流道设计参数、 涡轮转速、 排气 背压综合确定。

5. 如权利要求 2 所述的多工质涡轮发动机， 其特征在于， 所述第 二工质包括蒸汽， 所述多工质涡轮发动机包括水回收系统， 用以将经所 述第二工质排气通道排出的蒸汽回收至所述第二工质进气通道作为第 二工质继续使用。

6. 如权利要求 5 所述的多工质涡轮发动机， 其特征在于， 所述水 回收系统包括冷凝装置， 其设置成用以将所述第二工质排气通道内的蒸 汽冷凝为液态水以降低涡轮排气背压。

7. 如权利要求 6 所述的多工质涡轮发动机， 其特征在于， 所述水 回收系统包括换热装置， 所述换热装置利用所述第一工质排气通道内的 第一工质和所述第二工质排气通道内的第二工质至少其中之一的热量 来加热被所述冷凝装置冷凝之后的第二工质。

8. 如权利要求 5 所述的多工质涡轮发动机， 其特征在于， 在发动 机未工作时， 水存储于回收系统中， 在发动机工作时， 所述水被所述第 二工质排气通道内的第二工质加热成蒸汽。

9. 如权利要求 1 所述的多工质涡轮发动机， 其特征在于， 所述涡 轮包括多级涡轮。

10. 如权利要求 1所述的多工质涡轮发动机， 其特征在于， 所述第 一工质包括燃气， 所述第二工质包括蒸汽， 所述多工质涡轮发动机包括 用于提供所述燃气的燃烧室以及用于提供所述蒸汽的蒸汽锅炉。