一種高效燃氣輪機的製作方法

2023-05-18 06:13:36 1

本發明屬於動力機械技術領域，涉及一種發動機，具體涉及一種高效燃氣輪機。

背景技術：

燃氣輪機是一種渦輪發動機，特點是完全依賴燃氣流產生推力，通常用作高速飛機的動力，但油耗比渦輪風扇發動機高。渦噴發動機分為離心式與軸流式兩種，相比起離心式渦噴發動機，軸流式渦噴發動機具有橫截面小，壓縮比高的優點，當今的渦噴發動機大多為軸流式。燃氣輪機的結構由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管組成。燃氣輪機屬於熱機的一種，遵循熱機的做功原則，在高壓下輸入能量，低壓下釋放能量。從產生輸出能量的原理上講，渦輪發動機和活塞式發動機是相同的，都需要有進氣、加壓、燃燒和排氣這四個階段，不同的是，在活塞式發動機中4個階段是分時依次進行的，燃氣輪機中則是連續進行做功。

空氣首先進入的是發動機的進氣道，經壓氣機提高氣流的壓力，空氣流過壓氣機時，壓氣機工作葉片對氣流做功，使氣流的壓力，溫度升高。從燃燒室流出的高溫高壓燃氣，流過同壓氣機裝在同一條軸上的渦輪。燃氣的部分內能在渦輪中膨脹轉化為機械能，帶動壓氣機旋轉，在燃氣輪機中，平衡狀態下氣流在渦輪中膨脹所做的功等於壓氣機壓縮空氣所消耗的功以及傳動附件克服摩擦所需的功。燃燒後渦輪前的燃氣能量大為增加，渦輪中的膨脹遠大於壓氣機中的壓縮比，渦輪出口處的壓力和溫度都比壓氣機進口高很多，發動機的推力是由這一部分燃氣的能量而來。從渦輪中流出的高溫高壓燃氣，在尾噴管中繼續膨脹，以高速沿發動機軸向從噴口向後排出。由於燃氣輪機噴出的煙氣溫度高達500℃以上，直接排出是一種能量的浪費。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種高效燃氣輪機，利用發動機噴出高溫煙氣預熱進入壓氣機的空氣，提高壓縮空氣的溫度，以增加燃氣輪機的輸出功率。

本發明的技術方案是：高效燃氣輪機，包括壓氣機、燃燒室和透平，燃燒室出口與透平連接。燃氣輪機設有過渡段、逆止閥、溝道、外涵道和壓氣機，壓氣機的進氣側設進氣管，進氣管設有閥門。透平的主軸與壓氣機的機軸通過齒輪連接，溝道位於燃燒室和透平的周圍，外涵道位於溝道和壓氣機的外部。逆止閥安裝在溝道出口，每臺壓氣機對應一個燃燒室、一個過渡段和一個逆止閥。壓氣機出口通過過渡段與燃燒室連接，透平的煙氣出口通過溝道和逆止閥與壓氣機的轉子內腔密閉連通，煙氣從壓氣機軸進氣側沿軸向排出。壓氣機分為至少兩組，每一組至少一臺壓氣機，氣壓機交替進行壓氣和蓄熱，各組壓氣機的換向操作根據時間間隔或排出煙氣的溫度設定。

壓氣機入口設有風扇，風扇設有外圈齒輪。壓氣機的機軸安裝有行星齒輪，透平的主軸裝有中心齒輪，行星齒輪在中心齒輪周圍布置，中心齒輪與行星齒輪連接。行星齒輪的外部設有外齒輪，外齒輪與行星齒輪連接。風扇通過聯軸器與透平主軸的延長部分連接或通過外圈齒輪與外齒輪延長部分連接。燃氣輪機設有發電機，透平主軸的延長部分通過聯軸器與發電機軸連接，作為發電機的動力驅動設備使用。壓氣機包括機殼和機體，機體上設有葉片。壓氣機為蓄熱式壓氣機，蓄熱式壓氣機的機體和葉片為空心結構。透平排氣通過溝道進入壓氣機機體內腔，將熱量蓄在壓氣機的機體及葉片上，使壓氣機溫度升高，廢氣排氣溫度下降，低溫廢氣沿軸向排出燃氣輪機。壓氣機為軸流壓氣機，壓氣機葉片內外設有蓄熱塗層，燃燒室為環形燃燒室或直筒式燃燒室，透平為多級透平。燃氣輪機的外涵道的外部、機殼和溝道外側設有保溫層，整個燃氣輪機在絕熱狀態下工作。燃燒室為每臺壓氣機對應的燃燒室，也可以是多臺壓氣機共用的環形燃燒室。主軸的齒輪的單位時間的轉數與壓氣機齒輪的單位時間轉數相同或不同，每組或每臺壓氣機之間的單位時間的轉數相同或不同。

燃氣輪機的燃料為氣體燃料、液體燃料或固體燃料，氣體燃料包括氫燃料；當使用氫燃料時，燃氣輪機相對於當量空燃比加氫量既可以採用氫氣稀燃，也可以採用氫氣濃燃。當採用氫氣濃燃時，有多餘的氫氣隨廢氣從燃氣輪機中排出，氫氣可以作為三元催化的還原劑，剩餘氫氣一般情況下可以用金屬氫化物、有機物和/或無機物吸氫回收裝置回收加以利用，但也可以將剩餘氫氣進行燃燒加熱、爆炸做功等方式在排氣管中消耗掉，使排出的尾氣不含氫氣。另外一種情況，當採用氫氣濃燃時，有多餘的氫氣隨廢氣從燃氣輪機中排出，可以在三元催化之前或之後加入動力裝置，動力裝置可以為活塞式發動機、內燃機或各類透平，讓廢氣的其中一部分或全部進入這些動力裝置內，同時給這些動力裝置通入空氣、氧氣或富氧氣體，使廢氣在動力裝置內做功。這些動力裝置的動力輸出軸與燃氣輪機同軸或不同軸做功，允許廢氣進入動力裝置之前將廢氣中的水部分或全部脫除。允許燃氣輪機廢氣出口到排氣管的排氣口之間設有多套三元催化裝置。

對於氫燃料電池和採用氫燃料的汽車，發動機相對於當量空燃比加氫量既可以採用氫氣稀燃，也可以採用氫氣濃燃；當採用氫氣濃燃時，有多餘的氫氣隨廢氣從發動機中排出，氫氣可以作為三元催化的還原劑，剩餘氫氣可以用金屬氫化物、有機物和/或無機物吸氫回收裝置回收加以利用，但也可以將剩餘氫氣進行燃燒加熱、爆炸做功等方式在排氣管中消耗掉，使排出的尾氣不含氫氣；另外一種情況，當採用氫氣濃燃時，有多餘的氫氣隨廢氣從發動機中排出，可以在三元催化之前或之後加入動力裝置，動力裝置可以為活塞式發動機、內燃機或各類透平，讓廢氣的其中一部分或全部進入這些動力裝置內，同時給這些動力裝置通入空氣、氧氣或富氧氣體，使廢氣在動力裝置內做功；允許廢氣進入動力裝置之前將廢氣中的水部分或全部脫除；允許發動機廢氣出口到排氣管的排氣口之間設有多套三元催化裝置。

本發明兩組壓氣機交替進行工作，一組壓氣機壓縮空氣，壓縮空氣進入燃燒室燃燒後，高溫燃氣進入透平做功，透平的排氣通過裝置外部溝道回流另一組未工作的壓氣機，利用壓氣機葉片覆有的蓄熱材料進行蓄熱，排氣溫度大幅降低，當蓄熱完成時，切換兩臺壓氣機的工作狀態，未工作的壓氣機進行工作，放出熱量預熱空氣，提高壓氣機壓氣的溫度和煙氣輪機的熱效率。

本發明高效燃氣輪機通過設置多個蓄熱式壓氣機和煙氣溝道，多組壓氣機交替進行壓氣和蓄熱，利用透平噴出高溫煙氣預熱進入壓氣機的空氣，提高了壓縮空氣的溫度，有利於增加燃氣輪機的輸出功率，提高燃氣輪機的熱效率。葉片覆有蓄熱材料可以蓄熱，在壓氣機壓蓄熱狀態時，將煙氣的熱量儲存在蓄熱材料上，壓氣機壓氣時放出熱量預熱空氣，實現了燃氣輪機排出煙氣餘熱的充分利用。煙氣通過未工作壓氣機葉片的內腔使熱量蓄在葉片上，使廢氣排出時溫度較低，當這個壓氣機工作進行壓氣時，空氣將葉片上蓄的熱量帶進燃燒室，從而提高了進入燃燒室的空氣溫度和壓力，提高了熱效率。

附圖說明

圖1為本發明高效燃氣輪機的結構示意圖；

圖2為蓄熱式壓氣機的結構示意圖；

圖3為蓄熱式壓氣機的結構立體圖；

圖4透平軸與壓氣機軸齒輪連接示意圖；

圖5為壓氣機結構示意圖；

圖6本發明再一種實施方案的結構示意圖。

其中：1—外涵道入口、2—進氣管、3—1號壓氣機、4—1號逆止閥、5—燃燒室、6—透平、7—2號逆止閥、8—2號壓氣機、9—閥門、10—外齒輪、11—行星齒輪、12—中心齒輪、13—保溫層、14—溝道、15—過渡段、16—透平主軸、17—壓氣機機殼、18—壓氣機轉子、19—壓氣機葉片、20—風扇、21—壓氣機、22—外涵道、23—外涵道外殼、24—發電機、25—壓氣機主軸、26—聯軸器。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發明進行詳細說明。本發明保護範圍不限於實施例，本領域技術人員在權利要求限定的範圍內做出任何改動也屬於本發明保護的範圍。

實施例1

本發明高效燃氣輪機如圖1所述，包括透平6、燃燒室5、過渡段15、溝道14、外涵道22、1號壓氣機3、2號壓氣機8、1號逆止閥4和2號逆止閥7。兩臺壓氣機的進氣側分別設進氣管2，進氣管設有閥門9。透平主軸16與壓氣機主軸25齒輪連接，溝道位於燃燒室和透平的周圍，外涵道位於溝道和壓氣機的外部。逆止閥安裝在溝道出口，每臺壓氣機對應一個過渡段和一個逆止閥。1號壓氣機和2號壓氣機分別通過過渡段15連接到燃燒室，燃燒室出口與透平連接。透平出口通過兩側的溝道14一路通過1號逆止閥4與1號壓氣機3的轉子內腔密閉連通，另一路通過2號逆止閥7與2號壓氣機8的轉子內腔密閉連通。壓氣機入口設有風扇20，壓氣機的機軸26安裝有行星齒輪11，透平的主軸16裝有中心齒輪12，中心齒輪與行星齒輪連接。風扇軸通過聯軸器與透平主軸的延長部分連接。如圖2、圖3所示，壓氣機為軸流壓氣機，包括機殼17和機體18，機體上設有葉片19。壓氣機為蓄熱式壓氣機，蓄熱式壓氣機的機體和葉片為空心結構。壓氣機葉片19外表面塗裝有蓄熱材料。燃燒室5為直筒式燃燒室，透平6為四級透平。1號壓氣機和2號壓氣機交替進行壓氣和蓄熱。燃氣輪機的外涵道外部、機殼和溝道外側設有保溫層13，整個燃氣輪機在絕熱狀態下工作。

本發明高效燃氣輪機的兩臺壓氣機一臺工作，一臺不工作進行蓄熱，工作過程為，啟動高效燃氣輪機開始工作，1號壓氣機3壓氣，2號壓氣機8不工作進行蓄熱，首先打開1號壓氣機進氣管2的閥門9，空氣經進氣管進入1號壓氣機壓縮空氣，壓縮空氣和燃料經過渡段15進入燃燒室5燃燒，燃燒後高溫煙氣流向透平6膨脹做功，透平主軸通過齒輪傳動帶動壓氣機高速轉動進行壓氣。透平做功後的高溫煙氣排氣通過外部溝道14和2號逆止閥7進入2號壓氣機8的轉子內腔，高溫煙氣在壓氣機裝有蓄熱材料的葉片19上蓄熱，放出熱量的煙氣從壓氣機軸進氣側沿軸向排出。壓氣機機體內部加工有漸擴式螺旋線型通道，供透平排出的高溫煙氣流動。轉動的壓氣機機體對高溫煙氣做功使其加速，同時漸擴式的通道有助於氣體膨脹加速。氣體沿壓氣機機體向前流動，其溫度逐漸降低，速度逐漸升高。最後煙氣通過壓氣機機體內部的通道，沿軸向排出，提供推力。然後換向2號壓氣機工作，1號壓氣機停止工作進行蓄熱。2號壓氣機壓氣過程中，壓氣機裝有蓄熱材料的葉片19放出熱量預熱進入壓氣機的空氣。兩臺壓氣機依據排出煙氣的溫度進行換向操作，換向的設定溫度為70℃，排出煙氣溫度高於70℃兩臺壓氣機換向，由控制系統自動控制進行換向。透平的排氣逆向流出未工作的壓氣機，壓氣機此時的工作狀態相當於「透平」，最後透平排氣通過排氣管噴出提供推動力。

本發明的工作參數為，工作的壓氣機入口溫度20℃、壓力0.1mpa，壓氣機出口溫度700℃、壓力6.67mpa，燃燒室出口溫度1200℃、壓力6.67mpa，透平出口溫度500℃、壓力0.5mpa，不工作壓氣機的排氣溫度70℃、壓力0.12mpa。透平排氣流過未工作的壓氣機時，膨脹做功的同時將熱量儲存在蓄熱材料，排出煙氣的溫度遠低於常規燃氣輪機的排氣溫度。當未工作的壓氣機蓄熱充分時，兩臺壓氣機切換工作狀態，此時工作的壓氣機蓄有大量熱量，將壓縮空氣加熱至700℃，同時壓氣機出口壓力提高到6.5mpa。因此，本發明優化了燃氣輪機的結構，提升了機組熱效率。不工作的壓氣機也在同步或不同步的轉動，以保持工作狀態，通過進氣管2的閥門9給工作的壓氣機供氣，同時關閉不工作的進氣管閥門。

實施例2

本發明的另一實施方式如圖4、圖5所示，包括1臺透平和2組壓氣機21，壓氣機入口設有風扇20和外涵道22，風扇設有外圈齒輪10。2組壓氣機十字分開，一組工作時，另一組空轉，兩組交替工作和蓄熱。壓氣機的機軸安裝有行星齒輪11，透平的主軸裝有中心齒輪12，行星齒輪在中心齒輪的周圍布置，中心齒輪與行星齒輪通過齒輪連接。行星齒輪的外部設有外齒輪10，外齒輪與行星齒輪連接，外齒輪帶動風扇工作。

本發明高效燃氣輪機的兩組壓氣機中均正常旋轉，一組壓氣機進氣管2的閥門9打開，可以從外界吸入空氣進行壓縮，另一組壓氣機進氣管2的閥門9關閉，壓氣機空轉。工作過程為，啟動蓄熱式燃氣輪機開始工作，第一組壓氣機壓氣，第二組壓氣機不工作進行蓄熱，首先打開第一組壓氣機進氣管2閥門9，空氣經進氣管進入第一組壓氣機壓縮空氣，壓縮空氣和燃料經過渡段進入燃燒室5燃燒，燃燒後高溫燃氣流向透平6膨脹做功，透平主軸通過齒輪傳動，帶動壓氣機高速轉動進行壓氣，使空氣源源不斷從外界進入燃氣輪機做功。透平做功後的高溫煙氣排氣通過溝道14和第二組逆止閥回流到第二組壓氣機，高溫煙氣流經壓氣機葉片的內腔，在壓氣機裝有蓄熱材料的葉片19上蓄熱，放出熱量的煙氣經壓氣機排出。然後換向，第二組壓氣機工作，第一組壓氣機停止工作進行蓄熱。第二組壓氣機壓氣過程中，壓氣機裝有蓄熱材料的葉片19放出熱量預熱進入壓氣機的空氣。兩組壓氣機依據排出煙氣的溫度進行換向操作，換向的設定溫度為80℃，排出煙氣溫度高於80℃兩組壓氣機換向，由控制系統自動控制進行換向。透平的排氣逆向流出未工作的壓氣機，壓氣機此時的工作狀態相當於「透平」，最後透平排氣通過排氣管噴出。透平6產生的軸功一部分提供給兩組壓氣機進行轉動，從外界吸收並壓縮空氣，一部分通過軸提供給風扇，供風扇旋轉，對空氣提供推力。

實施例3

本發明的再一實施方式如圖6所示，包括透平6、1號壓氣機3、2號壓氣機8和發電機24。兩臺壓氣機交替進行工作和蓄熱，一臺工作時，另一臺空轉並蓄熱。兩臺壓氣機的機軸25裝有行星齒輪11，透平的主軸16裝有中心齒輪12，中心齒輪與行星齒輪連接。透平主軸通過聯軸器26與發電機軸連接，作為發電機的動力驅動設備使用。帶動發電機旋轉，將燃氣輪機自身的機械能，驅動發電機產生電能，供生產生活使用。