循環式兩泵兩級低品位燃氣外熱式渦輪發動機的製作方法
2023-06-14 06:56:51
專利名稱：循環式兩泵兩級低品位燃氣外熱式渦輪發動機的製作方法
技術領域：
本發明涉及循環式兩泵兩級低品位燃氣外熱式渦輪發動機。
背景技術：
低品位燃料，本發明只是指某種可燃氣體或多種可燃氣體，與其它氣體混合在一起， 並且所佔的比例很小，小到已經失去了商業應用價值，所以低品位燃料是稀薄的、分散的、 不穩定的。低品位燃料一般很難點燃，即使點燃，也會自動熄火；即使持續燃燒，溫度也 很低。在煤礦、油田等企業在開採和提煉過程中，如果將這些低品位燃料直接排放到大氣 中，會產生空氣汙染，加以淨化處理又要消耗成本。
發明內容
本發明的目的是要提供循環式兩泵兩級低品位燃氣外熱式渦輪發動機。 本發明解決其技術問題所採取的技術方案是用循環式兩泵兩級渦輪發動機和特種燃
燒系統組成一臺循環式兩泵兩級低品位燃氣外熱式渦輪發動機。低品位燃氣包括煤礦油田 開採提煉過程中產生的稀薄可燃氣體及其混合物。循環式兩泵兩級渦輪發動機由兩級渦輪、 渦輪軸、兩級增壓泵輪、行星動力匯流升速器和膨脹室殼體組成。第一級渦輪與第二級增 壓泵輪和內齒圈連接；第二級渦輪與行星架和第一級增壓泵輪連接。行星架上均布有三個 行星輪。內齒圈、行星架、三個行星輪和太陽輪一起構成一個行星動力匯流升速器，太陽 輪作為行星動力匯流升速器的輸出端連接渦輪發電機。特種燃燒系統由儲氣罐、防回火器、 空燃比調節器、氣體增壓器和電熱絲網燃燒室組成。採用特種燃燒系統的出口與膨脹室殼 體下端相連通，膨脹室殼體上制有螺旋上升並且截面逐漸縮小的半圓形螺殼熱氣流道，從 特種燃燒系統噴出的熱氣通過此螺殼熱氣流道進入膨脹室殼體並轉換成高品位機械能輸 出；或者採用特種燃燒系統的出口與和膨脹室殼體低熱阻連接的換熱器相連通。從特種燃 燒系統噴出的熱氣通過換熱器使膨脹室內的氣體升溫膨脹並轉換成高品位機械能輸出。
作為對上述技術方案的改進採用和循環式兩泵兩級換熱渦輪發動機膨脹室殼體一體 製造的殼體換熱器;在第二級增壓泵輪上方設置鍾型整流罩和/或在第一級渦輪的下方設置 鍾型整流罩；以及對膨脹室殼體採用絕熱層。
本發明的有益效果包括可將煤礦、油田等企業在開採和提煉過程中產生的這些有害 氣體用低廉的成本方式轉化為輸出動力或電能，既能解除汙染，又節約了寶貴的能源，擁 有極高的經濟價值。利用殼體換熱器制式的工作方式，由於不再使用強制氣體增壓技術， 將熱氣直接灌入到有一定低壓的膨脹室內，僅需使用普通排風扇就能完成，所以可以大大 降低發動機自身的巨大能耗。此種工作制式也非常適合熱電廠、水泥廠、鋼鐵廠、各種爐 窯的廢熱和地熱與渦輪發動機內的氣體換熱，並將其轉化成高品位機械能輸出。
特種燃燒系統與低品位螺殼或換熱式渦輪發動機相結合，共有五種不同結構和十種組 合方式，本發明循環式兩泵兩級低品位燃氣外熱式渦輪發動機採用兩級增壓泵輪可使膨脹 室殼體內的氣體獲得比只用一級增壓泵輪更高的壓力，從而使得渦輪發動機的功率大大增 加。採用兩級渦輪可進一步提高發動機的效率。採用無外殼的行星動力匯流升速器還使兩 級渦輪具有自適應能力從而使渦輪發動機組系統始終處於最佳匹配和最高效率狀態。膨脹 室內採用螺旋上升並且截面逐漸縮小的半圓形熱氣流道可以充分利用熱氣流的動能，並使 熱氣流對空氣的加熱處於最佳狀態。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1和圖2是循環式兩泵兩級低品位燃氣外熱式渦輪發動機兩個實施例的結構剖示圖。 圖中l.特種燃燒系統，2.循環式兩泵兩級螺殼渦輪發動機，3.儲氣罐，4.防回火器， 5.空燃比調節器，6.氣體增壓器，7.電熱絲網燃燒室，8.第一級渦輪，9.第二級渦輪，10. 第一渦輪軸，ll.第二渦輪軸，12.第一級增壓泵輪，13.第二級增壓泵輪，14.膨脹室殼體, 15.內齒圈，16.行星架，17.行星輪，18.太陽輪，19.發電機，20.鍾型整流罩，21.進風架， 22.螺殼熱氣流道，23.循環式兩泵兩級換熱渦輪發動機，24.殼體換熱器，25.換熱器出口。
具體實施例方式
在圖1中，特種燃燒系統1和循環式兩泵兩級螺殼渦輪發動機2組成一臺循環式兩泵 兩級低品位燃氣螺殼渦輪發動機。特種燃燒系統1由儲氣罐3、防回火器4、空燃比調節器 5、氣體增壓器6和電熱絲網燃燒室7組成。循環式兩泵兩級渦輪發動機2由第一級渦輪8、 第二級渦輪9、第一渦輪軸IO、第二渦輪軸ll、第一級增壓泵輪12、第二級增壓泵輪13、 行星動力匯流升速器和膨脹室殼體14組成。第一級渦輪8與第二級增壓泵輪13和內齒圈 15連接；第二級渦輪9與行星架16和第一級增壓泵輪12連接。行星架16上均布有三個 行星輪17。內齒圈15、行星架16、三個行星輪17和太陽輪18 —起構成一個具有兩個同 心安裝旋轉方向相反的輸入端和一個輸出端的行星動力匯流升速器。太陽輪18作為行星動 力匯流升速器的輸出端連接渦輪發電機19。在第二級增壓泵輪13上方和第一級渦輪8的 下方各含有一個鍾型整流罩20。在膨脹室殼體14的下方含有一個進風架21。膨脹室殼體 14帶有絕熱層以減少熱損。膨脹室殼體14上制有螺旋上升並且截面逐漸縮小的半圓形螺 殼熱氣流道22。特種燃燒系統1的電熱絲網燃燒室7的出口與膨脹室殼體14下端相連通。
圖l所示實施例的工作原理為儲氣罐3中的低品位燃氣經過防回火器4，被氣體增 壓器6泵送進電熱絲網燃燒室7。空燃比調節器5通過控制空氣的流入量來調節進入電熱 絲網燃燒室7的低品位燃氣的濃度，確保渦輪發動機系統工作穩定高效。進入電熱絲網燃 燒室7的混合氣體被電熱絲網點燃並充分徹底燃燒。燃燒產生的熱氣進入螺殼熱氣流道22。 由於這些熱氣具有熱能和動能，而螺殼熱氣流道22為充分利用熱氣氣流的動能提供了條 件。在螺殼熱氣流道22附近，熱氣與從進風架21進入膨脹室殼體14的增壓空氣充分換熱 並使空氣膨脹產生勢能。這些勢能和動能共同推動第一級渦輪8轉動，並帶動第二級增壓 泵輪13使得從進風架21進入膨脹室殼體14的空氣增壓。增壓的空氣經過兩個換熱器的加 熱產生更大的壓力，推動第一級渦輪8加速轉動。這又使得第二級增壓泵輪13的增壓作用 進一步增強，由此形成雪崩反應，使渦輪發動機2迅速達到滿功率輸出。這些輸出功率通 過渦輪發電機19轉化為電能輸出。
在圖2中，特種燃燒系統1和循環式兩泵兩級換熱渦輪發動機23組成一臺循環式兩泵 兩級低品位燃氣換熱渦輪發動機。特種燃燒系統1由儲氣罐3、防回火器4、空燃比調節器 5、氣體增壓器6和電熱絲網燃燒室7組成。循環式兩泵兩級換熱渦輪發動機24由第一級 渦輪8、第二級渦輪9、第一渦輪軸IO、第二渦輪軸ll、第一級增壓泵輪12、第二級增壓 泵輪13、行星動力匯流升速器和膨脹室殼體14組成。第一級渦輪8與第二級增壓泵輪13 和內齒圈15連接；第二級渦輪9與行星架16和第一級增壓泵輪12連接。行星架16上均 布有三個行星輪17。內齒圈15、行星架16、三個行星輪17和太陽輪18 —起構成一個具 有兩個同心安裝旋轉方向相反的輸入端和一個輸出端的行星動力匯流升速器。太陽輪18 作為行星動力匯流升速器的輸出端連接渦輪發電機19。在第二級增壓泵輪13上方和第一 級渦輪8的下方各含有一個鍾型整流罩20。在膨脹室殼體14的下方含有一個進風架21 。 殼體換熱器24與膨脹室殼體14 一體製造。特種燃燒系統1的電熱絲網燃燒室7的出口與 殼體換熱器24相連通。從電熱絲網燃燒室7的出口噴出的熱氣通過殼體換熱器24將膨脹室殼體14內的空氣加熱，自身冷卻後從換熱器出口 25進入大氣。轉移到膨脹室殼體14 內空氣中的熱能由循環式兩泵兩級換熱渦輪發動機23轉換成高品位機械能輸出。殼體換熱 器24帶有絕熱層以減少熱損。
圖2所示實施例的工作原理為儲氣罐3中的低品位燃氣經過防回火器4，被氣體增 壓器6泵送進電熱絲網燃燒室7。空燃比調節器5通過控制空氣的流入量來調節進入電熱 絲網燃燒室7的低品位燃氣的濃度，確保渦輪發動機系統工作穩定高效。進入電熱絲網燃 燒室7的混合氣體被電熱絲網點燃並充分徹底燃燒。燃燒產生的熱氣進入殼體換熱器24， 與從進風架21進入膨脹室殼體14的增壓空氣充分換熱並使空氣膨脹產生勢能。這些勢能 推動第一級渦輪8轉動，並帶動第二級增壓泵輪13使得從進風架21進入膨脹室殼體14 的空氣增壓。增壓的空氣經過兩個換熱器的加熱產生更大的壓力，推動第一級渦輪8加速 轉動。這又使得第二級增壓泵輪13的增壓作用進一步增強，由此形成雪崩反應，使渦輪發 動機2迅速達到滿功率輸出。這些輸出功率通過渦輪發電機19轉化為電能輸出。 ,這裡要強調圖1和圖2實施例中的第一級渦輪8隻吸收了一部分膨脹的能量做功， 將剩餘的能量留給第二級渦輪9繼續吸收做功。第一級渦輪8所做的功一部分通過第一渦 輪軸10傳遞給第二級增壓泵輪13，另一部分功率傳遞給內齒圈15。第二級渦輪9通過第 二級渦輪軸11將功率傳遞給行星架16。這兩個渦輪在行星動力匯流升速器中完成動力匯 流並通過太陽輪18傳遞給發電機19轉化為電能輸出。行星動力匯流升速器還使渦輪發動 機系統始終處在效率曲線的高位運行。
圖1實施例中由於第一級增壓泵輪12和第二級增壓泵輪13的轉動使膨脹室殼體14 內的氣體按照螺旋曲線旋轉。螺殼熱氣流道22的角度與第一級增壓泵輪12和第二級增壓 泵輪13產生的旋轉氣流的運動方向相同，從而增強了氣流運動能量，更有利於兩級渦輪的 動能利用。
順便指出，圖1實施例由於氣體增壓器6耗用的功率很大，將燃氣直接灌入到膨脹室 殼體14內的方式，價值不一定很大。因此也可採用圖2實施例的方法採用殼體換熱器 25為低品位發動機提供熱能。這兩種方式哪種更好，須由實驗決定。
現有的燃氣渦輪發動機都設有多級導輪機構，在許多場合它們都具有有益效果。但經 我們研究發現導輪機構的存在同時也使發動機的結構複雜化，而且還影響發動機的工作 效率。如果能夠採用可逆性的渦輪和泵輪來取代導輪，既可以簡化結構，又能大大提高工 作效率。所以這裡不採用導輪。
本發明的技術要求為當兩隻旋轉方向相反的渦輪均為125轉/分時，行星動力匯流升 速器升速比為6:1，帶動750轉/分的50赫茲交流發電機併網發電。
權利要求
1.循環式兩泵兩級低品位燃氣外熱式渦輪發動機，由循環式兩泵兩級渦輪發動機和特種燃燒系統組成；低品位燃氣包括煤礦油田開採提煉過程中產生的稀薄可燃氣體及其混合物；循環式兩泵兩級渦輪發動機由兩級渦輪、兩個渦輪軸、兩極增壓泵輪、行星動力匯流升速器和膨脹室殼體組成；第一級渦輪與與第二級增壓泵輪和內齒圈連接；第二級渦輪與行星架和第一級增壓泵輪連接，行星架上均布有三個行星輪；內齒圈、行星架、三個行星輪和太陽輪一起構成一個行星動力匯流升速器，太陽輪作為行星動力匯流升速器的輸出端連接渦輪發電機；在膨脹室殼體的下方含有一個進風架；採用特種燃燒系統的出口與膨脹室殼體下端相連通，膨脹室殼體上制有螺旋上升並且截面逐漸縮小的半圓形螺殼熱氣流道，從特種燃燒系統噴出的熱氣通過此螺殼熱氣流道進入膨脹室殼體並轉換成高品位機械能輸出；或者採用特種燃燒系統的出口與和膨脹室殼體低熱阻連接的換熱器相連通，從特種燃燒系統噴出的熱氣通過換熱器使膨脹室殼體內的氣體升溫膨脹並轉換成高品位機械能輸出，其特徵在於含有一個由儲氣罐、防回火器、空燃比調節器、氣體增壓器和電熱絲網燃燒室組成的特種燃燒系統。
2. 根據權利要求1所述的發動機，其特徵在於特種燃燒系統的出口與和膨脹室殼體一體制 造的殼體換熱器相連通。
3. 根據權利要求1或2所述的發動機，其特徵在於在第二級增壓泵輪的上方含有一個鍾型 整流罩和/或在第一級渦輪的下方含有一個鍾型整流罩。
4. 根據權利要求1或2所述的發動機，其特徵在於兩級渦輪通過一個具有兩個同心安裝轉 速相反的輸入端和一個輸出端的行星動力匯流升速器形成動力匯流。
5. 根據權利要求1或2所述的發動機，其特徵在於膨脹室殼體含有絕熱層。
全文摘要
用循環式兩泵兩級渦輪發動機和特種燃燒系統組成一臺循環式兩泵兩級低品位燃氣外熱式渦輪發動機。渦輪發動機由兩級渦輪、兩個渦輪軸、兩級增壓泵輪、導輪、行星動力匯流升速器和膨脹室殼體組成。特種燃燒系統由儲氣罐、防回火器、空燃比調節器、氣體增壓器和電熱絲網燃燒室組成，其出口與膨脹室殼體下端相連通或與和膨脹室殼體低熱阻連接的換熱器相連通，從特種燃燒系統產生的熱氣使膨脹室殼體內的氣體升溫膨脹並轉換成高品位機械能輸出。本發明可將煤礦、油田等企業在開採提煉過程中產生的有害氣體用低廉的成本方式轉化為輸出動力或電能，既能解除汙染，又節約了寶貴的能源。
文檔編號F02C7/236GK101493039SQ200810033090
公開日2009年7月29日 申請日期2008年1月25日 優先權日2008年1月25日
發明者楊錫堯 申請人:楊時傑