CN113756901A - 内外混燃机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内外混燃机，包括燃气轮机和蒸汽发生器，燃气轮机的排气端与蒸汽发生器的进气端连接，蒸汽发生器的出汽端与燃气轮机连接；燃气轮机为单转子燃气轮机，包括转轴、压气机、电机、透平和燃烧室；所述蒸汽发生器的出汽端与燃气轮机连接的连接位置，包括以下三处中的任意一处或两处或三处：(1)位于燃气轮机的燃烧室的进气端；(2)位于燃气轮机的燃烧室内；(3)位于燃气轮机的透平的前端。本发明可对燃气轮机的尾气的余热进行有效回收，实现了燃气轮机的燃气、蒸汽联合利用，提高了燃气轮机效率，减少了能源浪费。本发明具有供电效率高、投资少、建设周期短、用地用水少、运行自动化程度高、污染物排放少等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种内外混燃机，属于发动机技术领域。
背景技术
燃气轮机以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功，是一种旋转叶轮式热力发动机。其主要包括压气机、燃烧室、透平三大部件：压气机从外界大气环境吸入空气，并逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高；压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体；然后再进入到透平中膨胀做功，推动透平带动压气机和外负荷转子高速旋转，可实现气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功和热能，并可通过连接发电机输出电能。
燃气轮机具有结构紧凑、功率高、易安装等优点，已经成为一种广泛使用的动力机械。然而单独的燃气轮机具有有限的效率，并且尾气排到周围环境中时浪费了大量有用的能量，造成能源浪费，且其尾气中的余热会对环境产生一定的影响。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供了一种内外混燃机，可对尾气的余热进行有效回收，实现燃气轮机的燃气、蒸汽联合利用，提高燃气轮机效率，减少能源浪费。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种内外混燃机，包括燃气轮机和蒸汽发生器，燃气轮机的排气端与蒸汽发生器的进气端连接，蒸汽发生器的出汽端与燃气轮机连接；
所述燃气轮机为单转子燃气轮机，包括转轴、压气机、电机、透平和燃烧室，压气机、电机和透平均套设在转轴上，压气机的出气端与燃烧室的进气端连接，燃烧室的出气端与透平的进气端连接，透平的排气端与蒸汽发生器的进气端连接。
所述蒸汽发生器的出汽端与燃气轮机连接的连接位置，包括以下三处中的任意一处或两处或三处：
(1)连接位置位于燃气轮机的燃烧室的进气端，蒸汽在工质进入燃烧室之前与工质实现预混，工质与蒸汽分布均匀，作为新的燃烧工质。
(2)连接位置位于燃气轮机的燃烧室内，蒸汽注入燃烧室内，直接在燃烧室内进行湿式燃烧。
进一步地，蒸汽发生器的出汽端可通过管道与燃烧室连接，蒸汽通过管道接入燃烧室内，还可在管道末端设置蒸汽喷嘴或直通管，蒸汽通过蒸汽喷嘴或直通管加入燃烧室内。
进一步地，还可在管道或蒸汽喷嘴处设有加压器，在蒸汽进入燃烧室前对蒸汽进行加压，以增大进入燃烧室的蒸汽的压力，更有利于燃料的充分燃烧。
以上两种连接位置，蒸汽最终都是进入燃烧室内参与燃烧，工作原理为：水蒸汽喷射于正在高温燃烧中的燃料时,水蒸汽与在高温燃烧中的燃料的碳元素发生化学反应生成一氧化碳和氢气，一氧化碳和氢气均是可燃性气体,可以起到明显的助燃作用，使燃烧更加充分,减少了因燃烧不完全而产生的有毒、有害气体的排放,从而大大提高了燃料燃烧的热能利用率。
(3)连接位置位于燃气轮机的透平的前端，蒸汽从透平前端注入，进一步推动透平做功。
进一步地，所述电机为启发一体式电机，启动时，作为起动机带动微型燃气轮机旋转，待加速到能独立运行后，起动机脱开转化为发电机。
进一步地，所述压气机与燃烧室的连接处还可设有扩压器，工质经压气机压缩并经扩压器扩压后，进入燃烧室。
进一步，所述内外混燃机还包括冷凝器，蒸汽发生器的出汽端与冷凝器的进汽端连接，冷凝器的出水端通过泵与蒸汽发生器的进水端连接。
进一步，所述透平为向心式涡轮；所述转轴上依次设置第一推力盘、第二推力盘、电机、压气机和向心式涡轮，所述第一推力盘和第二推力盘之间设置推力轴承，所述第二推力盘外壁设置径向轴承，所述转轴上、位于压气机背气面设置推力轴承，所述转轴上、位于压气机和向心式涡轮之间设置径向轴承。
进一步，所述透平为轴流式涡轮；所述转轴上依次设置第一推力盘、第二推力盘、电机、压气机和轴流式涡轮，所述第一推力盘和第二推力盘之间设置推力轴承，所述第二推力盘外壁设置径向轴承，所述转轴上、位于压气机背气面设置推力轴承，所述转轴上、位于压气机和轴流式涡轮之间设置径向轴承。
进一步，所述透平为轴流式涡轮；所述转轴上依次设置压气机、电机和轴流式涡轮，所述转轴上、位于压气机和电机之间设置轴承套及径向轴承，所述转轴上、位于电机和轴流式涡轮之间设置推力盘，环绕转轴及电机的定子上设置一对对侧推力盘，所述推力盘位于一对对侧推力盘之间、且其与所述对侧推力盘之间设置推力轴承，所述转轴上、位于轴流式涡轮进气侧设置轴承套及径向轴承。
本发明的内外混燃机，工作时，燃气轮机通过排气端将尾气排入蒸汽发生器，尾气在蒸汽发生器内与水换热，生成蒸汽；生成的蒸汽，一部分回注入燃气轮机，实际应用时，可控制回注入燃气轮机的蒸汽的流量，比如控制蒸汽与进入燃气轮机的工质的流量比为2～3:1；一部分注入冷凝器，蒸汽在冷凝器内形成冷凝水，冷凝水通过泵加入蒸汽发生器，以补充蒸发为蒸汽的水。
本发明的内外混燃机，可对燃气轮机的尾气的余热进行有效回收(尾气中的蒸汽冷凝后重新回到水箱中再次被蒸发为蒸汽注入燃气轮机燃烧室内)，实现了燃气轮机的燃气、蒸汽联合利用，提高了燃气轮机效率，减少了能源浪费。同时燃烧的污染物会被蒸汽清洗，避免排放入大气，可以显著提高排放清洁度。本发明的内外混燃机，具有供电效率高、投资少、建设周期短、用地用水少、运行自动化程度高、污染物排放少等优点。
本发明使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。
附图说明
图1：内外混燃机的结构示意图。
图2：燃气轮机的结构示意图。
图3：实施例2的燃气轮机结构示意图。
图4：实施例3的燃气轮机结构示意图。
图5：实施例4的燃气轮机结构示意图。
其中，1、燃气轮机；2、蒸汽发生器；3、冷凝器；4、泵；5、尾气；6、蒸汽；7、冷凝水；8、工质；9、电能；102、压气机；103、电机；104、透平；105、燃烧室；106、扩压器；107、气道；108、定子。
图3、4、5中，宽度大于高度的矩形框(框内两条对角线均示出)表示径向轴承，高度大于宽度的矩形框(框内两条对角线均示出)表示推力轴承，箭头指示方向表示进气方向。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。然而，本发明的范围并不限于下述实施例。本领域的专业人员能够理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修饰。
实施例1
一种内外混燃机，包括燃气轮机1、蒸汽发生器2和冷凝器3，如图1所示，燃气轮机1的排气端与蒸汽发生器2的进气端连接，蒸汽发生器2的出汽端与燃气轮机1连接，蒸汽发生器2的出汽端与冷凝器3的进汽端连接，冷凝器3的出水端通过泵4与蒸汽发生器2的进水端连接。
工作时，燃气轮机1通过排气端将尾气5排入蒸汽发生器2，尾气5在蒸汽发生器2内与水换热，生产蒸汽6；生成的蒸汽6，一部分回注入燃气轮机1，实际应用时，可控制回注入燃气轮机1的蒸汽6的流量，比如控制蒸汽6与进入燃气轮机1的工质8的流量比为2～3:1；一部分注入冷凝器3，蒸汽6在冷凝器3内形成冷凝水7，冷凝水7通过泵4加入蒸汽发生器2以补充蒸发为蒸汽的水。
所述燃气轮机1为单转子燃气轮机，包括转轴、压气机102、电机103、透平104和燃烧室105，如图2所示，压气机102、电机103和透平104均套设在转轴上，压气机102的出气端与燃烧室105的进气端连接，燃烧室105的出气端与透平104的进气端连接，透平104的排气端与蒸汽发生器2的进气端连接。
所述电机103为启发一体式电机，启动时，作为起动机带动微型燃气轮机旋转，待加速到能独立运行后，起动机脱开转化为发电机。
所述压气机102与燃烧室105连接处还可设有扩压器106，工质经压气机102压缩并经扩压器106扩压后，进入燃烧室105。
燃气轮机工作时，压气机102低压端从外界吸入工质8(一般为空气)，工质8经压气机102压缩增压后，进入到燃烧室105内并与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体，高温气体从燃烧室105出气端进入到透平104中并推动透平104做功，透平104带动同轴的电机103发电，并带动压气机102工作，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械能，并输出电能9；高温气体对透平104做功后作为尾气5从排气端排出，进入蒸汽发生器2，经热交换后，蒸汽发生器2排出的部分蒸汽6回注入燃气轮机1。
所述蒸汽发生器2的出汽端与燃气轮机1连接的连接位置为以下三处中的一处、两处或三处：
(1)连接位置位于燃气轮机1的进气端(本实施例中具体为扩压器106的后端)，蒸汽6从扩压器106后端注入，在进入燃烧室105之前实现预混，工质8与蒸汽6分布均匀，作为新的燃烧工质，流量比单纯的空气大，燃机效率更高；
(2)连接位置位于燃气轮机1的燃烧室105内，蒸汽6注入燃烧室105内，直接在燃烧室105内进行湿式燃烧。
具体应用时，蒸汽发生器2的出汽端可通过管道与燃烧室105连接，蒸汽6通过管道接入燃烧室105内，还可在管道末端设置蒸汽喷嘴或直通管，蒸汽6通过蒸汽喷嘴或直通管加入燃烧室105内。还可在管道或蒸汽喷嘴处设有加压器，在蒸汽6进入燃烧室105前对蒸汽6进行加压，以增大进入燃烧室105的蒸汽6的压力，更有利于燃料的充分燃烧。
(3)连接位置位于燃气轮机1的透平104的前端，蒸汽6从透平104前端注入，进一步推动透平104做功。
上述燃气轮机的转子系统包括但不限于以下实施例2、3、4所示的形式。
实施例2转子系统
如图3所示，所述透平104为向心式涡轮；所述转轴上依次设置第一推力盘、第二推力盘、电机103、压气机102、向心式涡轮，所述第一推力盘和第二推力盘之间设置推力轴承，所述第二推力盘外壁设置径向轴承，所述转轴上、位于压气机102背气面设置推力轴承，所述转轴上、位于压气机102和向心式涡轮之间设置径向轴承。
实施例3转子系统
如图4所示，所述透平104为轴流式涡轮；所述转轴上依次设置第一推力盘、第二推力盘、电机103、压气机102、轴流式涡轮，所述第一推力盘和第二推力盘之间设置推力轴承，所述第二推力盘外壁设置径向轴承，所述转轴上、位于压气机102背气面设置推力轴承，所述转轴上、位于压气机102和轴流式涡轮之间设置径向轴承。
实施例4转子系统
如图5所示，所述透平104为轴流式涡轮；所述转轴上依次设置压气机102、电机103、轴流式涡轮，所述转轴上、位于压气机102和电机103之间设置轴承套及径向轴承，所述转轴上、位于电机103和轴流式涡轮之间设置推力盘，环绕转轴及电机103的定子108上设置一对对侧推力盘，所述推力盘位于一对对侧推力盘之间、且其与所述对侧推力盘之间设置推力轴承，所述转轴上、位于轴流式涡轮进气侧设置轴承套及径向轴承。
所述压气机102出气端和透平104进气端之间设置气道107。
上述虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种内外混燃机，其特征在于：包括燃气轮机和蒸汽发生器，燃气轮机的排气端与蒸汽发生器的进气端连接，蒸汽发生器的出汽端与燃气轮机连接；
所述燃气轮机为单转子燃气轮机，包括转轴、压气机、电机、透平和燃烧室，压气机、电机和透平均套设在转轴上，压气机的出气端与燃烧室的进气端连接，燃烧室的出气端与透平的进气端连接，透平的排气端与蒸汽发生器的进气端连接；
所述蒸汽发生器的出汽端与燃气轮机连接的连接位置，包括以下三处中的任意一处或两处或三处：
(1)连接位置位于燃气轮机的燃烧室的进气端；
(2)连接位置位于燃气轮机的燃烧室内；
(3)连接位置位于燃气轮机的透平的前端。
2.根据权利要求1所述的内外混燃机，其特征在于：所述(2)连接位置位于燃气轮机的燃烧室内时，蒸汽发生器的出汽端通过管道与燃烧室连接。
3.根据权利要求1所述的内外混燃机，其特征在于：所述(2)连接位置位于燃气轮机的燃烧室内时，蒸汽发生器的出汽端通过管道与燃烧室连接，在管道末端设置蒸汽喷嘴或直通管。
4.根据权利要求2或3所述的内外混燃机，其特征在于：在所述管道或蒸汽喷嘴处设有加压器，在蒸汽进入燃烧室前对蒸汽进行加压。
5.根据权利要求1所述的内外混燃机，其特征在于：所述电机为启发一体式电机。
6.根据权利要求1所述的内外混燃机，其特征在于：所述压气机与燃烧室的连接处设有扩压器。
7.根据权利要求1所述的内外混燃机，其特征在于：所述内外混燃机还包括冷凝器，蒸汽发生器的出汽端与冷凝器的进汽端连接，冷凝器的出水端通过泵与蒸汽发生器的进水端连接。
8.根据权利要求1所述的内外混燃机，其特征在于：所述透平为向心式涡轮；所述转轴上依次设置第一推力盘、第二推力盘、电机、压气机和向心式涡轮，所述第一推力盘和第二推力盘之间设置推力轴承，所述第二推力盘外壁设置径向轴承，所述转轴上、位于压气机背气面设置推力轴承，所述转轴上、位于压气机和向心式涡轮之间设置径向轴承。
9.根据权利要求1所述的内外混燃机，其特征在于：所述透平为轴流式涡轮；所述转轴上依次设置第一推力盘、第二推力盘、电机、压气机和轴流式涡轮，所述第一推力盘和第二推力盘之间设置推力轴承，所述第二推力盘外壁设置径向轴承，所述转轴上、位于压气机背气面设置推力轴承，所述转轴上、位于压气机和轴流式涡轮之间设置径向轴承。
10.根据权利要求1所述的内外混燃机，其特征在于：所述透平为轴流式涡轮；所述转轴上依次设置压气机、电机和轴流式涡轮，所述转轴上、位于压气机和电机之间设置轴承套及径向轴承，所述转轴上、位于电机和轴流式涡轮之间设置推力盘，环绕转轴及电机的定子上设置一对对侧推力盘，所述推力盘位于一对对侧推力盘之间、且其与所述对侧推力盘之间设置推力轴承，所述转轴上、位于轴流式涡轮进气侧设置轴承套及径向轴承。
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