【专利简介】涡旋燃气蒸汽轮机
摘要: 本发明涉及一种涡旋燃气蒸汽轮机，属热机
领域。本发明旨在解决定压燃烧吸热燃气轮机有
效焓降低，限制了燃气轮机效率提高及蒸汽轮机
锅炉换热效率和速率低问题。所述涡旋燃气蒸汽
轮机的压气机和燃烧室间，燃烧室和高压透平间，
高、中、低压透平间各串联多级涡旋增压器，所述
涡旋增压器和燃烧室进、排气通道上各串联设置
一个楔形体调控装置；高压透平轴通过超越离合
器与压气机轴传动连接；中压透平和低压透平轴
由差速联轴器差速连接一轴输出动力。本发明实
现了多变状态下的燃烧吸热和闪蒸混合换热，介
质内能到动能，动能到位能转变，使介质压力高出
平均吸热温度对应压比，实现深度焓降；可用于
航空、车船、输油输气管道增压、供电和活动电站
等场合。
| 发明内容 [0005] 本发明目的是提供一种涡旋燃气蒸汽轮机，以解决采用定压式燃烧吸热的燃气轮机有效焓降低，限制燃气轮机效率的提高及蒸汽轮机锅炉等换热设备传热率和速率低效率低的问题。 [0006] 为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明的涡旋燃气蒸汽轮机包括启动机、启动机离合器、压气机、燃烧室、棘轮式超越离合器、套轴式差速联轴器、高压透平、中压透平和低压透平；所述涡旋燃气蒸汽轮机还包括涡旋增压器、涡旋排气装置、固液体分离装置、楔形体调控装置；所述涡旋增压器由设置在压气机与燃烧室间的第一组串联的多级涡旋增压器和燃烧室与高压透平间设置的第二组串联的多级涡旋增压器、高压透平与中压透平间设置的第三组串联的多级涡旋增压器、中压透平与低压透平间设置的第四组串联的多级涡旋增压器组成；所述涡旋增压器和燃烧室的进、排气通道上分别设置有一个楔形体调控装置，每组串联的多级涡旋增压器中的第一级涡旋增压器及涡旋排气装置各设置有一个固液体分离装置；固液体分离装置分别是第一固液体分离装置、第二固液体分离装置和第三固液体分离装置，且第一固液体分离装置、第二固液体分离装置和第三固液体分离装置结构相同； [0007] 启动机的启动机输出轴通过启动机离合器与压气机的压气机轴的一端传动连接，高压透平的高压透平轴的一端通过棘轮式超越离合器与压气机的压气机轴的另一端传动连接；中压透平的中压透平轴和低压透平的套轴式低压透平轴分别与套轴式差速联轴器的两个锥形主动齿轮固接，动力由套轴式差速联轴器的中介轴输出；压气机的环形排气通道与第一组串联的多级涡旋增压器的环形进气通道相接连通，第一组串联的多级涡旋增压器的环形排气通道与燃烧室的环形进气通道相接连通，燃烧室的环形排气通道与第二组串联的多级涡旋增压器的环形进气通道相接连通，第二组串联的多级涡旋增压器的环形排气通道与高压透平的环形进气通道相接连通，高压透平的环形排气通道与第三组串联的多级涡旋增压器的环形进气通道相接连通，第三组串联的多级涡旋增压器的环形排气通道与中压透平的环形进气通道相接连通，中压透平的环形排气通道与第四组串联的多级涡旋增压器的环形进气通道相接连通，第四组串联的多级涡旋增压器的环形排气通道与低压透平的环形进气通道相接连通，低压透平的环形排气通道与涡旋排气装置的环形进气通道相接连通，涡旋排气装置的排气口与大气连通； [0008] 在燃烧室的混合燃烧段空气与燃料在定常连续涡旋流的多变状态下燃烧吸热；在燃烧室混合排气段在同样的多变状态下，高温燃气空气混合物与适量的高压雾化洁净水细小液滴表面直接接触闪蒸蒸发混合换热；在所述涡旋增压器、涡旋燃烧室和涡旋排气装置中，介质在定常连续涡旋流中被动态压缩，介质的部分内能先转变为介质的动能，动能又转变为介质的位能；套轴式差速联轴器通过套轴式差速联轴器行星齿轮的差速旋转对各接入轴转数和焓降进行自适应动态调节；所述套轴式差速联轴器的两个输入轴，在一侧无动力输入时，可自动防逆转；所述涡旋燃气蒸汽轮机所有设备由一个计算机调控中心和多个执行和伺服机构统一控制。 [0009] 本发明为解决上述技术问题采取的技术手段是：本发明首先在燃烧室中实现一种定常连续流的多变燃烧吸热。在多变燃烧吸热过程中，介质(空气或燃气空气水蒸汽混合物)的温度、压力、比容都改变，实现的压力较为接近平均吸热温度对应压比。要实现这一过程，燃烧室排气通道上可采用堵的办法，但又不能完全堵死，还得定常连续流动，就象水电站的拦河坝；拉法尔喷管临界状态就可产生这一效应，当拉法尔喷管喉部气流达到音速时，拉法尔喷管即处在临界状态，在临界压比范围内增加喷管上游压力室压力和降低喷管下游背压室压力，拉法尔喷管喉部气流速度将保持不变，从而拉法尔喷管的容积流量保持不变，增加或降低压力室压力会相应增加或减少拉法尔喷管的质量流量，降低或增加背压室压力，背压室压力扰动不会上传到压力室，因为压力扰动也是一种压力波，压力波是以音速传播的，在音速和超音速气流中下游的压力扰动不会上朔传播，从而拉法尔喷管的容积和质量流量保持不变。在临界截面范围内，增加或减小拉法尔喷管喉部截面，会相应增加或减小拉法尔喷管的容积流量；应用拉法尔喷管临界效应(临界状态下喉部流速不变、容积流量保持和下游压力扰动上传逆止效应)，在燃烧室排气通道上设置喉部截面可调的拉法尔喷管，即可在拉法尔喷管临界状态下实时有效调控燃烧室压力，燃烧室的容积和质量流量，同时实现介质的定常连续流动。本发明推出喉部截面可调的位变式楔形体调控装置和形变式楔形体调控装置，配合特定气流通道结构形线，在临界状态下即可实现拉法尔喷管临界效应。燃烧室压力升高，势必会向上游逆流，低于燃烧室压力的介质不能进入燃烧室，这是以往这方面研究和探索失败的根本原因；实际上有多种方法可解决这一问题；方法一是唧送，应用动叶栅流体唧送和逆止效应，轴流和离心式压气机就是应用这一效应工作的；大压差逆止唧送要求叶栅迎角极小，刚性极大，有较大的稳定工作区，本发明推出的筒形旋转燃烧室和环形旋转燃烧室的火焰筒壁及其端板、撑板采用的叠板隔层小孔结构，即可满足这一要求，旋转燃烧室在动叶栅流体唧送和逆止效应及拉法尔喷管临界效应作用下实现多变燃烧吸热，混合闪蒸换热；方法二是诱导，当叶栅或类叶栅体轴线与流体矢量方向角小于90度时，根据相对性原理，会产生上述效应，诱导介质由低压区进入高压控制区，所述角度越小，流体速度越高，效应越显著；方法三，又一种诱导方式，应用流体的标量场、矢量场特性和涡旋流的速度场、压力场、温度场和能量场效应，在燃烧室内营造一个稳定的涡旋流场，使入射气流与涡旋流矢量相同，给入射气流低于静压头一个动压头值的背压，诱导相对低压的介质进入燃烧室；本发明推出的涡旋燃烧室就是应用上述效应(方法二、三)和拉法尔喷管临界效应，实现燃烧室多变燃烧吸热和混合闪蒸换热。仅仅使介质的压力接近平均吸热温度对应的压比是不够的，在本发明首推的涡旋增压器、涡旋燃烧室、旋转燃烧室和涡旋排气装置中，在流体的标量场、矢量场特性和涡旋流的速度场、压力场、温度场和能量场效应、势流叠加及拉法尔喷管临界效应作用下，用介质的内能动态压缩，实现介质压力的提升，使介质的压力高出平均吸热温度对应的压比，同时实现介质的定常连续流动，最终实现深度焓降。 [0012] 本发明的有益效果是：一、在涡旋燃烧室和旋转燃烧室中，在涡旋流的速度场、压力场、温度场、能量场效应，势流叠加效应及流体的标量场、矢量场特性和动叶栅的唧送逆止效应作用下，在涡旋燃烧室和旋转燃烧室进、排气通道上安装的位变式楔形体调控装置或形变式楔形体调控装置结构形线所构成的喉部截面可调的拉法尔喷管临界效应作用下，在介质的定常连续流动中，在空气燃料混合燃烧过程中产生多变效应，介质的温度升高的同时，压力同步得到提升，实现热力学称之为多变或多方的状态变化，其优势在于使介质的压力较为接近平均吸热温度对应的压比，能够实现较高的有效焓降和热效率。二、在涡旋燃烧室和旋转燃烧室的混合排气段，在同样的定常连续流的多变状态下，让经预热的适量高压雾化洁净水细小液滴表面与高温燃气空气混合物直接接触，雾化洁净水压力骤然下降，使洁净水雾化更加细微，同时温度突然升高，迅速闪蒸蒸发混合换热，这是一种无界定传热面无温差的热交换，传热面就是雾化水细小液滴表面，燃气空气水蒸汽趋向同一温度，其效率和热传导速率是其它任何换热设备和换热方式无法比似的，产生的燃气空气水蒸汽混合物，温度大幅度下降，与介质接触的部件可采用常规耐热材料生产，压力得到提升，使介质的压力进一步接近平均吸热温度对应的压比；减少了渗冷压缩空的使用量，可采用较低的过量空气系数，相应应减少压气机负荷，并相应减少乏气中NOx的含量，同时洁净雾化水还可中和燃气中部分有害气体，减少对环境的污染。三、介质沿等速涡壳渐开线形进气通道进入涡旋增压器、涡旋燃烧室和涡旋排气装置，由于动量守恒，介质的部分内能先转变为介质的动能，在该装置中形成稳定的涡旋流场，在涡旋流的速度场、压力场、温度场、能量场效应和势流叠加效应作用下，同时在该装置进、排气通道上安装的位变式楔形体调控装置或形变式楔形体调控装置结构形线所构成的喉部截面可调的拉法尔喷管临界效应作用下，介质流线卷积势流叠加，介质被动态压缩，该动能进一步转变为介质的位能，介质压力得到提升。串联的上述装置效应的叠加，使介质的压力高出平均吸热温度对应的压比，同时实现介质的定常连续流动，为涡旋燃气蒸汽轮机实现深度焓降奠定基础，为提高热机效率和新能源开发开辟了新途径。四、套轴式差速联轴器通过其行星齿轮的自适应差速旋转，实现各接入轴转数和焓降的自适应动态调节，解决了长期困扰动力界多动力源动态统一一轴输出和多组透平及其它动力装置焓降动态分配问题；套轴式差速联轴器的两输入轴(即中压透平轴和套轴式低压透平轴)，在一侧无动力输入时，可自动防逆转。五、位变式楔形体调控装置和形变式楔形体调控装置具有调控易于实现、流阻小、漏泄少的特点。六、本发明具有结构设计合理、环境污染小、换热效率和速率高，热效率和整机效率高、综合经济性优于目前应用的燃气轮机和蒸汽轮机。 pdf全文下载地址：http://www.yanfabu.com/Wk_index_fileview_id_26963.html 附图说明[0013] 图1是采用立交式涡旋燃烧室93的涡旋燃气蒸汽轮机的轴向剖面示意图；图2是采用超越式涡旋燃烧室97的涡旋燃气蒸汽轮机的轴向剖面示意图；图3是采用筒形旋转燃烧室54的涡旋燃气蒸汽轮机的轴向剖面示意图；图4是采用环形旋转燃烧室71的涡旋燃气蒸汽轮机的轴向剖面示意图；图5是图4的A-A剖面示意图；图6是图1的B-B剖面示意图；图7是图2的C-C剖面示意图；图8是图3的D-D剖面示意图；图9是切向缝隙的结构示意图；图10是涡旋排气装置53侧视剖面示意图；图11是位变式楔形体调控装置3的结构示意图；图12是安装在叶片形管的排管间气流通道上的形变式楔形体调控装置4的结构示意图；图13是安装在环形或矩形气流通道上的形变式楔形体调控装置4的结构示意图；图14是差速联轴器自动防逆转装置的结构示意图；图15是图14的J-J剖面示意图；图16是旋转燃烧室火焰筒叠板隔层小孔的结构示意图；图17是图16的G-G剖面示意图。 [0014] 需要注明的一点是：限于页面尺寸，图1、图3、图4中第一组串联的多级涡旋增压器只示出了一级立交式涡旋增压器2，第二组串联的多级涡旋增压器只示出了二级立交式涡旋增压器2；图2中第一组和第二组串联的多级涡旋增压器各只示出了三级超越式涡旋增压器20，图1、图2、图3及图4中的第三组串联的多级涡旋增压器和第四组串联的多级涡旋增压器均只示出了一级立交式涡旋增压器2，实施应用中为了达到较高的介质压力，不限于附图中所示涡旋增压器级数。
说明书附图：
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