CN103104342B - 涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本文提出的涡轮发动机包括涡轮和燃烧室，所述涡轮用以接收所述燃烧室的工质以将所述工质的能量转换为机械能。所述涡轮发动机还包括双螺杆压气模组，所述双螺杆压气模组与所述燃烧室连接以向所述燃烧室提供压缩空气，所述双螺杆压气模组包括至少一台双螺杆压气机，所述至少一台双螺杆压气机由电动机带动工作。

Description

涡轮发动机

技术领域

本发明涉及一种涡轮发动机，特别是涉及一种高效率的涡轮发动机。

背景技术

现有的燃气涡轮发动机或燃气轮机一般包括三个主要部件：压气机、燃烧室和涡轮。压气机负责压缩空气。压缩空气和燃料在燃烧室混合、燃烧形成高温高压气体。高温气体进入涡轮推动涡轮旋转做工。在现有的发动机构造中，压气机一般采用轴流式或离心式构造。涡轮转动的动能一部分输出做工，另一部分通过转轴传递给压气机带动压气机旋转。因此，压气机与涡轮同轴，转速一致。但压气机和涡轮具有各自的效率曲线，相同的转速使得两者无法同时工作在各自最佳的工作点。

发明内容

有鉴于此，本文提出一种能够提高效率的涡轮发动机。

本文提出的涡轮发动机包括涡轮和燃烧室，所述涡轮用以接收所述燃烧室的工质以将所述工质的能量转换为机械能。所述涡轮发动机还包括双螺杆压气模组，所述双螺杆压气模组与所述燃烧室连接以向所述燃烧室提供压缩空气，所述双螺杆压气模组包括至少一台双螺杆压气机，所述至少一台双螺杆压气机由电动机带动工作。

在一个实施例中，所述电动机被设计成可选择性地接收由所述涡轮带动的发电机提供的内部电力和独立于所述内部电力的外部电力，其中该外部电力可包括蓄电池或市电。

在一个实施例中，所述双螺杆压气模组包括多台双螺杆压气机，其中每台双螺杆压气机可选择性地启动或关闭空气压缩功能。

在一个实施例中，在所述涡轮发动机启动或自持阶段，仅有部分双螺杆压气机启动空气压缩功能。

在一个实施例中，所述多台双螺杆压气机可依次串联构成复叠式压气机组，所述复叠式压气机组的最后一级压气机与所述燃烧室连通以向所述燃烧室提供压缩空气。

在一个实施例中，所述双螺杆压气模组包括多台双螺杆压气机，每一台双螺杆压气机由对应的电动机带动，其中至少一台电动机可设有内部电力输入端和外部电力输入端，其余电动机设有内部电力输入端，其中所述内部电力输入端用以接收由所述涡轮带动的发电机提供的内部电力，所述外部电力输入端用以接收独立于所述内部电力的外部电力。

在一个实施例中，所述双螺杆压气模组包括多台双螺杆压气机，这些双螺杆压气机分别通过第一流体通道与所述燃烧室连接，这些双螺杆压气机之间利用第二流体通道依次连接，这些第一和第二流体通道是可以被控制关闭或开通的流体通道，使得通过控制这些第一和第二流体通道的关闭或开通能够实现不同数量的双螺杆压气机参与压缩空气，其中这些参与压缩空气的双螺杆压气机串联形成复叠式压气机组。

在一个实施例中，所述双螺杆压气模组包括多台双螺杆压气机，所述多台双螺杆压气机并列配置，每台双螺杆压气机都与所述燃烧室连通以分别向所述燃烧室提供压缩空气。

在一个实施例中，这些双螺杆压气机可具有不同的压比。

综上所述，本文提出的涡轮发动机采用双螺杆压气模组来压缩空气，可以得到较高的压缩比，进而提高涡轮发动机的效率。另一方面，压气模组与涡轮一侧机械上独立，可以分别设计，从而可让两部分同时工作在各自最佳效率点或其它想要的工作点。

附图说明

图1是一种涡轮发动机用于发电的系统示意图。

图2是一实施例的双螺杆压气模组的系统示意图。

图3是另一个实施例的双螺杆压气模组的系统示意图。

图4是部分双螺杆压气机参与压缩的实施例的示意图。

图5是另一个实施例的双螺杆压气模组的系统示意图。

其中：100、双螺杆压气模组；102、燃烧室；104、涡轮；106、发电机；108、208、308、508双螺杆压气机；110、210、310、510电动机；312、第一流体通道；314、第二流体通道。

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。特别是，当描述“一个某元件”时，本发明并不限定该元件的数量为一个，也可以包括多个。

图1是一种涡轮发动机用于发电的示意图。如图1，涡轮发动机主要包括双螺杆压气模组100、燃烧室102和涡轮104。双螺杆压气模组100与燃烧室102连接，用于向燃烧室提供压缩空气A。燃烧室102同时接收燃料F，接收的燃料F与压缩空气A混合并燃烧后，形成高温工质。涡轮104接收工质后，工质膨胀做工推动涡轮旋转，从而将工质的热能转换为机械能。作为一种示例，图1中旋转的涡轮104带动发电机106进行发电。

在继续讨论该涡轮发动机之前，需要指出的是，本发明不对燃烧室102和涡轮104的类型和构造进行任何限制。例如，燃烧室102可以是单管燃烧室、环形燃烧室或者环管燃烧室。涡轮104可以是轴流式或离心式的，也可以是单级或多级的。就热力循环而言，该涡轮发动机可以是单循环燃气轮机，也是可以联合循环蒸汽-燃气轮机。

双螺杆压气模组100可包括至少一台双螺杆压气机，所述至少一台双螺杆压气机由电动机带动工作。在图1的示例中，双螺杆压气模组100包括一台双螺杆压气机108和一台电动机110。双螺杆压气机108由电动机110带动工作以压缩空气并提供压缩空气至燃烧室102。电动机110可设有两个电力输入，其中一个电力输入用以接收在发动机启动阶段提供电动机运转所需的电力，例如蓄电池或市电。这部分电力相对于涡轮带动发电机106运转产生的电力而言是外部的，因此本文将之称为外部电力。另一个电力输入用以接收发动机启动后带动发电机106产生的电力，这部分电力由于是发电机106自身产生的电力，因此本文将之称为内部电力。综上所述，在发动机启动阶段，发电机106还未产生电力或还未产生足够的电力来带动双螺杆压气机108运行，因此需要靠外部电力来驱动双螺杆压气机108。系统启动后，一旦发电机106产生了足够驱动双螺杆压气机108的电力，双螺杆压气模组100会切换到内部电力输入以完全靠发电机106提供的内部电力实现持续自主运行。

相对于传统的轴流式或离心式压气机而言，双螺杆压气机具有压比高的优势，因此可以提高发动机效率。而且，双螺杆压气机108的运行是依靠电力（无论是外部电力还是内部电力）来推动的，因此，涡轮104本身无需同现有涡轮发动机那样将一定比例的动力通过机械传动的方式传递给带动双螺杆压气机108的电动机110。换句话说，压气模组一侧与涡轮一侧没有任何机械传动的关系。因此，这两部分可以独立设计，可以设计成让两部分同时工作在最佳效率点。或者，为了其它目的而让这两部分分别工作在其它所希望的工作点。

如上所述，双螺杆压气模组也可以包括多个双螺杆压气机，现在实施例详细讨论如下。

图2是双螺杆压气模组包括多个双螺杆压气机的一个实施例。本实施例中仅讨论双螺杆压气模组的另一实施例，而在涡轮一侧的构造可以参考图1的实施例。本实施例的双螺杆压气模组的多个双螺杆压气机208依次串联构成复叠式压气机组。每个双螺杆压气机由对应的电动机210驱动。在启动阶段，有时候不需要所有的双螺杆压气机都参与空气压缩，因此可选择运行其中的一个或多个双螺杆压气机进行空气压缩。在图2的示例中，在发动机启动阶段，仅运行复叠式压气机组的第一级双螺杆压气机208进行空气压缩。该运行的双螺杆压气机208产生的压缩空气直接注入燃烧室。类似于图1的实施例，一旦涡轮带动的发电机可以提供足够的电力，则由该发电机提供的内部电力来带动这些双螺杆压气机208。此时每一级压气机的压缩空气通入下一级压气机，进一步提高压比。最后一级压气机的压缩空气通入燃烧室。在电动机210的电力输入设计上，可仅在用以启动发动机的那一级压气机（例如，第一级双螺杆压气机208）上同时设置外部电力输入和内部电力输入，而其余双螺杆压气机208仅设置内部电力输入。

应当理解的是，在其它实施例中，在启动阶段，可选择任何一级或多级压气机来提供压缩空气。

发动机的运行过程中负荷可能发生变化。因此，在发生负荷变化的情况下，可以仅开启适当数量的双螺杆压气机以匹配涡轮一侧的负荷变化。因此，这些双螺杆压气机可以设计成可被选择性地启动或关闭空气压缩功能，这样只有在需要的时候才被启动以压缩空气。例如，在最高设计功率或负荷下，可能全部双螺杆压气机都启动以进行空气压缩。而在维持自持功率下，可能只需要其中的一个或多个双螺杆压气机启动以进行空气压缩。在自持功率与最大设计功率之间，可以让适当数量的双螺杆压气机启动以进行空气压缩。

图3所示的压气模组可以实现上述功能。本实施例中仅讨论双螺杆压气模组的另一实施例，而在涡轮一侧的构造可以参考图1的实施例。本实施例的双螺杆压气模组包括多个双螺杆压气机308，每个双螺杆压气机由对应的电动机310驱动。这些双螺杆压气机308分别通过第一流体通道312与燃烧室102连接，这些双螺杆压气机308之间利用第二流体通道314依次连接，这些第一和第二流体通道312、314是可以被控制（例如通过阀门控制）关闭或开通的流体通道，使得通过控制这些第一和第二流体通道的关闭或开通能够实现不同数量的双螺杆压气机参与压缩空气，而这些参与压缩空气的双螺杆压气机串联形成复叠式压气机组。

例如，图4给出了选择其中三个双螺杆压气机进行压缩空气的例子。在图示中，被选中的三个双螺杆压气机以及对应的电动机310利用实线表示，其余未被选中的压气机及其对应的电动机利用虚线表示，而且开通的流体通道也以实线表示，而关闭的流体通道以虚线表示。在所示的例子中，这三个双螺杆压气机308构成复叠式压气机组，空气依次经由这些双螺杆压气机308压缩后，从最后一级（第三级）双螺杆压气机308（此时所称的最后一级是相对于参与压缩空气的压气机而言）经对应的第一流体通道312进入燃烧室102，而对应于前两级双螺杆压气机308的第一流体通道312都是关闭的（虚线表示）。这三个双螺杆压气机308中的最后一级双螺杆压气机308与紧邻的下一个双螺杆压气机308之间的第二流体通道也是关闭的，因此，这三个双螺杆压气机308之后的所有压气机都关闭，不参与空气压缩。

根据需要，可以选择任意数目的压气机参与压缩空气，因此例子中选择三个压气机只是用于举例说明，而不应视作对本发明的限制。

图5是双螺杆压气模组包括多个双螺杆压气机的另一个实施例。本实施例中仅讨论双螺杆压气模组，而在涡轮一侧的构造可以参考图1的实施例。本实施例的双螺杆压气模组的多个双螺杆压气机508并列设置。每个双螺杆压气机由对应的电动机510驱动，并都与燃烧室连通。同样，在启动阶段，可能不需要所有的双螺杆压气机都参与空气压缩，因此可选择运行其中的一个或多个双螺杆压气机进行空气压缩。在图5的示例中，在发动机启动阶段，仅运行其中一个双螺杆压气机，例如第一个双螺杆压气机508，进行空气压缩。该运行的双螺杆压气机508产生的压缩空气直接注入燃烧室。在启动阶段，这些其余的双螺杆压气机并未开启空气压缩功能，因此不会向燃烧室提供压缩空气。一旦涡轮带动的发电机可以提供足够的电力，则由该发电机提供的内部电力来带动这些双螺杆压气机。此时，每个运行的双螺杆压气机都向燃烧室提供压缩空气。

在电动机的电力输入设计上，可以仅在用以启动发动机的压气机（例如，第一个双螺杆压气机508）上同时设置外部电力输入端和内部电力输入端，而其余双螺杆压气机仅设置内部电力输入端。再次所称的外部电力和内部电力的概念与第一实施例中的概念一样，因此不再赘述。

同样，在发生负荷变化的情况下，可以关闭其中的一个或多个双螺杆压气机以匹配涡轮一侧的负荷变化。因此，这些双螺杆压气机也可以设计成可被选择性地启动或关闭空气压缩功能，这样只有在需要的时候才被启动以压缩空气。

在上述各实施例中，每个双螺杆压气机可以是相同的构造，具有相同的压比，也可以是不同的构造，具有不同的压比。每个双螺杆压气机可以并列地分别向燃烧室提供压缩空气，也可以以复叠的方式向燃烧室提供压缩空气，提高压比。

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 (7)

1.一种涡轮发动机，其包括涡轮和燃烧室，所述涡轮用以接收所述燃烧室的工质以将所述工质的能量转换为机械能，其特征在于，所述涡轮发动机还包括双螺杆压气模组，所述双螺杆压气模组与所述燃烧室连接以向所述燃烧室提供压缩空气，所述双螺杆压气模组包括多台双螺杆压气机，每台双螺杆压气机由一台对应的电动机带动工作，这些双螺杆压气机分别通过第一流体通道与所述燃烧室连接，这些双螺杆压气机之间利用第二流体通道依次连接，这些第一和第二流体通道是可以被控制关闭或开通的流体通道，使得通过控制这些第一和第二流体通道的关闭或开通能够实现不同数量的双螺杆压气机参与压缩空气，其中这些参与压缩空气的双螺杆压气机串联形成复叠式压气机组。

2.如权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述电动机被设计成可选择性地接收由所述涡轮带动的发电机提供的内部电力或独立于所述内部电力的外部电力。

3.如权利要求2所述的涡轮发动机，其特征在于，所述外部电力包括蓄电池或市电。

4.如权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，仅有部分双螺杆压气机启动空气压缩功能。

5.如权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述多台双螺杆压气机依次串联构成复叠式压气机组，所述复叠式压气机组的最后一级压气机与所述燃烧室连通以向所述燃烧室提供压缩空气。

6.如权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，其中至少一台电动机设有内部电力输入端和外部电力输入端，其余电动机设有内部电力输入端，其中所述内部电力输入端用以接收由所述涡轮带动的发电机提供的内部电力，所述外部电力输入端用以接收独立于所述内部电力的外部电力。

7.如权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，这些双螺杆压气机具有不同的压比。