CN104234834A - 透平发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透平发动机，包括透平、燃烧室和空气压缩单元，所述空气压缩单元包括排热压缩单元和非排热压缩单元，所述排热压缩单元的压比大于10，所述排热压缩单元的工质出口处工质温度低于373K，所述非排热压缩单元的压比大于5，所述排热压缩单元的工质出口与所述非排热压缩单元的工质入口连通，所述非排热压缩单元的工质出口与所述燃烧室连通，所述燃烧室与所述透平连通。本发明透平发动机的热功转换的效率高、污染程度低。

Description

透平发动机

技术领域

本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种透平发动机。

背景技术

奥托循环发动机或狄赛尔循环发动机进行热功转换的效率低、污染排放严重，因此，需要发明一种新型发动机。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出的技术方案如下：

方案1，一种透平发动机，包括透平、燃烧室和空气压缩单元，所述空气压缩单元包括排热压缩单元和非排热压缩单元，所述排热压缩单元的压比大于10，所述排热压缩单元的工质出口处工质温度低于373K，所述非排热压缩单元的压比大于5，所述排热压缩单元的工质出口与所述非排热压缩单元的工质入口连通，所述非排热压缩单元的工质出口与所述燃烧室连通，所述燃烧室与所述透平连通。

方案2，一种透平发动机，包括透平、燃烧室和空气压缩单元，所述空气压缩单元包括排热压缩单元和非排热压缩单元，所述排热压缩单元的压比大于10，所述排热压缩单元的工质出口处工质温度低于373K，所述非排热压缩单元的工质出口处工质温度高于进入所述燃烧室的燃料的着火点，所述排热压缩单元的工质出口与所述非排热压缩单元的工质入口连通，所述非排热压缩单元的工质出口与所述燃烧室连通，所述燃烧室与所述透平连通。

方案3，一种透平发动机，包括透平、燃烧室和空气压缩单元，所述空气压缩单元包括排热压缩单元和非排热压缩单元，所述排热压缩单元的压比大于10，所述排热压缩单元的工质出口处工质温度低于373K，所述非排热压缩单元的工质出口处工质温度高于1000K，所述排热压缩单元的工质出口与所述非排热压缩单元的工质入口连通，所述非排热压缩单元的工质出口与所述燃烧室连通，在所述燃烧室内发生燃烧化学反应，所述燃烧室与所述透平连通。

方案4，一种透平发动机，包括透平、燃烧室和空气压缩单元，所述空气压缩单元包括排热压缩单元和非排热压缩单元，所述排热压缩单元的压比大于10，所述排热压缩单元的工质出口处工质温度低于373K，所述非排热压缩单元的工质出口处工质温度高于1000K，所述排热压缩单元的工质出口与所述非排热压缩单元的工质入口连通，所述非排热压缩单元的工质出口与所述燃烧室连通，在所述燃烧室内发生恒温燃烧化学反应，所述燃烧室与所述透平连通。

方案5，在前述方案1、2、3或4的基础上，所述排热压缩单元设为包括一级容积型压气机的压气单元，在所述容积型压气机的工质出口处设冷却器；或所述排热压缩单元设为两级以上容积型压气机的压气单元，在至少一个级间设冷却器，在末级所述容积型压气机的工质出口处设冷却器。

方案6，在前述方案1、2、3或4的基础上，所述排热压缩单元设为包括一级速度型压气机的压气单元，在所述速度型压气机的工质出口处设冷却器；或所述排热压缩单元设为两级以上速度型压气机的压气单元，在至少一个级间设冷却器，在末级所述速度型压气机的工质出口处设冷却器。

方案7，在前述方案1、2、3或4的基础上，所述排热压缩单元设为包括一级叶轮压气机的压气单元，在所述叶轮压气机的工质出口处设冷却器；或所述排热压缩单元设为两级以上叶轮压气机的压气单元，在至少一个级间设冷却器，在末级所述叶轮压气机的工质出口处设冷却器。

方案8，在前述方案1、2、3或4的基础上，所述排热压缩单元设为包括一级活塞式压气机的压气单元，在所述活塞式压气机的工质出口处设冷却器；或所述排热压缩单元设为两级以上活塞式压气机的压气单元，在至少一个级间设冷却器，在末级所述活塞式压气机的工质出口处设冷却器。

方案9，在前述方案1、2、3或4的基础上，所述排热压缩单元设为包括一级螺杆式压气机的压气单元，在所述螺杆式压气机的工质出口处设冷却器；或所述排热压缩单元设为两级以上螺杆式压气机的压气单元，在至少一个级间设冷却器，在末级所述螺杆式压气机的工质出口处设冷却器。

方案10，在前述方案1、2、3或4的基础上，所述非排热压缩单元设为包括一级或两级以上容积型压气机的压气单元。

方案11，在前述方案1、2、3或4的基础上，所述非排热压缩单元设为包括一级或两级以上速度型压气机的压气单元。

方案12，在前述方案1、2、3或4的基础上，所述非排热压缩单元设为包括一级或两级以上叶轮式压气机的压气单元。

方案13，在前述方案1、2、3或4的基础上，所述非排热压缩单元设为包括一级或两级以上活塞式压气机的压气单元。

方案14，在前述方案1、2、3或4的基础上，所述非排热压缩单元设为包括一级或两级以上螺杆式压气机的压气单元。

本发明人认为，热机的工作基本逻辑是收敛—受热—发散，这三个过程中的任何一个进行的程度越高在其它两个过程相同的前提下，热机的效率越高。此三个过程如果分别用A、B、C表示，则效率与A、B、C的乘积有正向关系(所谓的正向关系是指两者的增长方向相同，减小方向也相同，例如，如果我们说X和Y是正向关系，是指随着X的增长Y也增长，反之，随着X的减小Y也减小)。收敛程度与压力温度有关，压力越大收敛程度越大，温度越低，收敛程度越大，在同样的压力下，温度高者，收敛程度低，温度低者，收敛程度高。对于不同工质，在同样的温度和压力下，绝热指数大者收敛程度大，绝热指数小者收敛程度小。提高热机的效率，特别是要在工质最高温度保持一定值以下的前提下提高热机效率的根本途径是提高收敛程度。而提高收敛程度进行一定的压缩是必要的，但是在压缩前期放热更为重要，只有在压缩前期放热才能使热机的效率达到最高程度。收敛的程度越高，受热的程度越高、发散的程度越高。

本发明能够有效的将狄赛尔循环中和奥拓循环中温度和压力之间的关联加以拆分，使工质燃烧受热前处于压力较高、温度相对(相对于上述两循环中同等压力下)较低的状态，这样膨胀做功后工质的温降较大，效率大幅度提高，由于是连续燃烧，所以可以有效减少PM2.5等污染物的排放。

本发明中，所述排热压缩是指在压缩进程中和/或在压缩后除为保证机构正常运转所必须的冷却外以减少压缩功为目的对被压缩工质(空气)进行冷却使工质对外排热过程的压缩方式，例如，级间冷却的多级压缩、入口冷却的多级压缩、入口冷却的级间冷却的多级压缩、出口冷却的多级压缩和出口冷却的级间冷却的多级压缩等；所述排热压缩机构可以是速度型、容积型或两者相结合，例如活塞式、叶轮式和活塞与叶轮串联式等。

本发明中，所述非排热压缩是指在压缩进程中和/或在压缩后除为保证机构正常运转所必须的冷却外都不进行以减少压缩功为目的对被压缩工质(空气)进行冷却使工质对外排热过程的压缩方式，例如单级压缩和无间冷多级压缩等；所述非排热压缩机构可以是速度型、容积型或两者相结合，例如活塞式、叶轮式和活塞与叶轮串联式等。

本发明中，所述做功机构是指利用工质动能和压力能对外做功的机构，可以是速度型机构，也可以是容积型机构，例如透平(含涡轮)、喷射通道(含喷管)和气缸活塞机构等。

本发明中，所述恒温连续燃烧化学反应是指在燃烧过程中工质不断膨胀使燃烧温升小于500K的燃烧方式。

本发明中，选择性地,所述排热压缩单元的压比大于10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或大于20。

本发明中，选择性地，所述非排热压缩单元的压比大于5、6、7、8、9倍以上、10、、11、12、13、14、15、16、17、18、19或大于20。

本发明中，某个数值A以上和某个数值A以下均包括本数A。

本发明人根据热力学的基本原理以及对宇宙现象的观察认为：在没有外部因素影响的前提下，热不可能百分之百的转换成其它任何形式的能量或物质。传统热力学第二定律中只阐述了在没有外部因素影响的前提下，热不能百分之百的转换成功，这一定律是正确的，但是是片面的。可以用通俗的语言将热定义为能量的最低形式，或者简称为这是宇宙的垃圾。经分析，本发明人还认为：任何生物(动物、植物、微生物、病毒和细菌)的生长过程都是放热的。经分析，本发明人还认为：任何一个过程或任何一个循环(不局限于热力学过程，例如化学反应过程、生物化学反应过程、光化学反应过程、生物生长过程、植物生长过程都包括在内)其最大做功能力守恒，本发明人认为没有光合作用的植物生长过程是不能提高其做功能力的，也就是说，豆芽的做功能力是不可能高于豆子的做功能力加上其吸收的养分的做功能力之和；之所以一棵树木的做功能力要大于树苗的做功能力，是因为阳光以光合作用的形式参与了由树苗到树木的生长过程。

本发明人认为：热机工作的基本逻辑是收敛-受热-发散。所谓收敛是工质的密度的增加过程，例如冷凝、压缩均属收敛过程，在同样的压力下，温度低的工质收敛程度大；所谓受热就是工质的吸热过程；所谓发散是指工质的密度降低的过程，例如膨胀或喷射。任何一个发散过程都会形成做功能力的降低，例如，气态的空气的做功能力要远远低于液态空气的做功能力；甲醇加水加中等温度的热生成一氧化碳和氢气，虽然所生成的一氧化碳和氢气的燃烧热大于甲醇的燃烧热20％左右，但其做功能力大于甲醇的做功能力的比例则微乎其微，其原因在于这一过程虽然吸了20％左右的热，但是生成物一氧化碳和氢气的发散程度远远大于甲醇。因此，利用温度不高的热参加化学反应是没有办法有效提高生成物的做功能力的。

本发明人认为：距离增加是熵增加的过程，冷热源之间的距离也影响效率，距离小效率高，距离大效率低。

本发明中，应根据热能与动力领域的公知技术，在必要的地方设置必要的部件、单元或系统等。

本发明的有益效果如下:

本发明透平发动机的热功转换的效率高、污染程度低。

附图说明

图1所示的是本发明实施例1的结构示意图；

图2所示的是本发明实施例2的结构示意图；

图3所示的是本发明实施例3的结构示意图；

图4所示的是本发明实施例4的结构示意图；

图5所示的是本发明实施例5的结构示意图；

图6所示的是本发明实施例6的结构示意图；

图7所示的是本发明实施例7的结构示意图；

图8所示的是本发明实施例8的结构示意图；

图9所示的是本发明实施例9的结构示意图；

图10所示的是本发明实施例10的结构示意图；

图11所示的是本发明实施例11的结构示意图；

图12所示的是本发明实施例12的结构示意图；

图13所示的是本发明实施例13的结构示意图；

图14所示的是本发明实施例14的结构示意图；

图15所示的是本发明实施例15的结构示意图；

图16所示的是本发明实施例16的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种透平发动机，包括透平1、燃烧室2和空气压缩单元4，所述空气压缩单元4包括排热压缩单元41和非排热压缩单元42，所述排热压缩单元41的压比大于10，所述排热压缩单元41的工质出口处工质温度低于373K，所述非排热压缩单元42的压比大于5，所述排热压缩单元41的工质出口与所述非排热压缩单元42的工质入口连通，所述非排热压缩单元42的工质出口与所述燃烧室2连通，所述燃烧室2与所述透平1连通。

实施例2

如图2所示一种透平发动机，包括透平1、燃烧室2和空气压缩单元4，所述空气压缩单元4包括排热压缩单元41和非排热压缩单元42，所述排热压缩单元41的压比大于10，所述排热压缩单元41的工质出口处工质温度低于373K，所述非排热压缩单元42的工质出口处工质温度高于进入所述燃烧室2的燃料的着火点，所述排热压缩单元41的工质出口与所述非排热压缩单元42的工质入口连通，所述非排热压缩单元42的工质出口与所述燃烧室2连通，所述燃烧室2与所述透平1连通。

实施例3

如图3所示，一种透平发动机，包括透平1、燃烧室2和空气压缩单元4，所述空气压缩单元4包括排热压缩单元41和非排热压缩单元42，所述排热压缩单元41的压比大于10，所述排热压缩单元41的工质出口处工质温度低于373K，所述非排热压缩单元42的工质出口处工质温度高于1000K，所述排热压缩单元41的工质出口与所述非排热压缩单元42的工质入口连通，所述非排热压缩单元42的工质出口与所述燃烧室2连通，在所述燃烧室2内发生燃烧化学反应，所述燃烧室2与所述透平1连通。

实施例4

如图4所示一种透平发动机，包括透平1、燃烧室2和空气压缩单元4，所述空气压缩单元4包括排热压缩单元41和非排热压缩单元42，所述排热压缩单元41的压比大于10，所述排热压缩单元41的工质出口处工质温度低于373K，所述非排热压缩单元42的工质出口处工质温度高于1000K，所述排热压缩单元41的工质出口与所述非排热压缩单元42的工质入口连通，所述非排热压缩单元42的工质出口与所述燃烧室2连通，在所述燃烧室2内发生恒温燃烧化学反应，所述燃烧室2与所述透平1连通。

实施例5

如图5所示，本实施例与实施例1的区别在于，所述排热压缩单元41设为包括一级容积型压气机的压气单元，如罗茨式压气机。非排热压缩单元设为容积型压气机的压缩单元，如罗茨式压气机。

实施例6

如图6所示，本实施例与实施例5的区别在于，在所述容积型压气机的工质出口处设冷却器；或所述排热压缩单元41设为两级以上容积型压气机的压气单元，在至少一个级间设冷却器，在末级所述容积型压气机的工质出口处设冷却器。

作为可变换的实施方式，所述排热压缩单元可选择性地设为两级以上的罗茨式压气机，在第一级罗茨式压气机的工质出口处设置冷却器，或在第二级罗茨式压气机出口处设置冷却，在第三级罗茨式压气机的工质出口处设置冷却器。

实施例7

如图7所示，本实例与实施例5的区别在于，所述排热压缩单元41设为包括一级速度型压气机的压气单元，在所述速度型压气机的工质出口处设冷却器。

作为可变换的实施方式，所述排热压缩单元41可选择性地设为包括一级叶轮压气机的压气单元，在所述叶轮压气机的工质出口处设冷却器。

作为可变换的实施方式，所述非排热压缩单元42可选择性地设为叶轮式压气机。

实施例8

本实施例与实施例7的区别在于，所述排热压缩单元41设为两级以上叶轮压气机的压气单元，在至少一个级间设冷却器，在末级所述叶轮压气机的工质出口处设冷却器。

作为可变换的实施方式，所述排热压缩单元可选择性地设为两级以上的叶轮压气机，在第一级叶轮压气机的工质出口处设置冷却器，或在第二级叶轮压气机出口处设置冷却，在第三级叶轮压气机的工质出口处设置冷却器。

实施例9

本实施例与实施例7的区别在于，所述排热压缩单元41设为包括一级活塞式压气机的压气单元，在所述活塞式压气机的工质出口处设冷却器；所述非排热压缩单元42设为活塞式压气机。

实施例10

本实施例与实施例9的区别在于，所述排热压缩单元41设为两级以上活塞式压气机的压气单元，在至少一个级间设冷却器，在末级所述活塞式压气机的工质出口处设冷却器。

作为可变换的实施方式，所述排热压缩单元可选择性地设为两级以上的活塞式压气机，在第一级叶轮压气机的工质出口处设置冷却器，或在第二级活塞式压气机出口处设置冷却，在第三级活塞式压气机的工质出口处设置冷却器。

实施例11

本实施例与实施例5的区别在于，所述排热压缩单元41设为包括一级螺杆式压气机的压气单元，在所述螺杆式压气机的工质出口处设冷却器；所述非排热压缩单元42设为一级螺杆式压气机的压气单元。

实施例12

本实施例与实施例11的区别在于，所述排热压缩单元41设为两级以上螺杆式压气机的压气单元，在至少一个级间设冷却器，在末级所述螺杆式压气机的工质出口处设冷却器。

作为可变换的实施方式，所述排热压缩单元可选择性地设为两级以上的螺杆式压气机，在第一级螺杆式气机的工质出口处设置冷却器，或在第二级螺杆式压气机出口处设置冷却，在第三级螺杆式压气机的工质出口处设置冷却器。

实施例13

本实施例与实施例1的区别在于，所述非排热压缩单元42设为包括一级或两级以上容积型压气机的压气单元。

作为可变换的实施方式，所述非排热压缩单元可选择性地设为容积型压气机，如罗茨式压气机。

本发明的所有实施方式均可参照本实施例非排热压缩单元42设为包括一级或两级以上罗茨式压气机的压气单元。

实施例14

本实施例与实施例1的区别在于，所述非排热压缩单元42设为包括一级或两级以上速度型压气机的压气单元。

作为可变换的实施方式，所述非排热压缩单元可选择性地设为两级以上的叶轮式压气机。

作为可变换的实施方式，所述非排热压缩单元42可选择性地设为包括一级或两级以上叶轮式压气机的压气单元。

本发明的所有实施方式均可参照本实施例非排热压缩单元42设为包括一级或两级以上叶轮式压气机的压气单元。

实施例15

本实施例与实施例1的区别在于，所述非排热压缩单元42设为包括一级或两级以上活塞式压气机的压气单元。

本发明的所有实施方式均可参照本实施例非排热压缩单元42设为包括一级或两级以上活塞式压气机的压气单元。

实施例16

本实施例与实施例1的区别在于，所述非排热压缩单元42设为包括一级或两级以上螺杆式压气机的压气单元。

本发明的所有实施方式均可参照本实施例非排热压缩单元42设为包括一级或两级以上螺杆式压气机的压气单元。

显然，本发明不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本发明所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种透平发动机，包括透平(1)、燃烧室(2)和空气压缩单元(4)，其特征在于：所述空气压缩单元(4)包括排热压缩单元(41)和非排热压缩单元(42)，所述排热压缩单元(41)的压比大于10，所述排热压缩单元(41)的工质出口处工质温度低于373K，所述非排热压缩单元(42)的压比大于5，所述排热压缩单元(41)的工质出口与所述非排热压缩单元(42)的工质入口连通，所述非排热压缩单元(42)的工质出口与所述燃烧室(2)连通，所述燃烧室(2)与所述透平(1)连通。

2.一种透平发动机，包括透平(1)、燃烧室(2)和空气压缩单元(4)，其特征在于：所述空气压缩单元(4)包括排热压缩单元(41)和非排热压缩单元(42)，所述排热压缩单元(41)的压比大于10，所述排热压缩单元(41)的工质出口处工质温度低于373K，所述非排热压缩单元(42)的工质出口处工质温度高于进入所述燃烧室(2)的燃料的着火点，所述排热压缩单元(41)的工质出口与所述非排热压缩单元(42)的工质入口连通，所述非排热压缩单元(42)的工质出口与所述燃烧室(2)连通，所述燃烧室(2)与所述透平(1)连通。

3.一种透平发动机，包括透平(1)、燃烧室(2)和空气压缩单元(4)，其特征在于：所述空气压缩单元(4)包括排热压缩单元(41)和非排热压缩单元(42)，所述排热压缩单元(41)的压比大于10，所述排热压缩单元(41)的工质出口处工质温度低于373K，所述非排热压缩单元(42)的工质出口处工质温度高于1000K，所述排热压缩单元(41)的工质出口与所述非排热压缩单元(42)的工质入口连通，所述非排热压缩单元(42)的工质出口与所述燃烧室(2)连通，在所述燃烧室(2)内发生燃烧化学反应，所述燃烧室(2)与所述透平(1)连通。

4.一种透平发动机，包括透平(1)、燃烧室(2)和空气压缩单元(4)，其特征在于：所述空气压缩单元(4)包括排热压缩单元(41)和非排热压缩单元(42)，所述排热压缩单元(41)的压比大于10，所述排热压缩单元(41)的工质出口处工质温度低于373K，所述非排热压缩单元(42)的工质出口处工质温度高于1000K，所述排热压缩单元(41)的工质出口与所述非排热压缩单元(42)的工质入口连通，所述非排热压缩单元(42)的工质出口与所述燃烧室(2)连通，在所述燃烧室(2)内发生恒温燃烧化学反应，所述燃烧室(2)与所述透平(1)连通。

5.如权利要求1至4中任一项所述透平发动机，其特征在于：所述排热压缩单元(41)设为包括一级容积型压气机的压气单元，在所述容积型压气机的工质出口处设冷却器；或所述排热压缩单元(41)设为两级以上容积型压气机的压气单元，在至少一个级间设冷却器，在末级所述容积型压气机的工质出口处设冷却器。

6.如权利要求1至4中任一项所述透平发动机，其特征在于：所述排热压缩单元(41)设为包括一级速度型压气机的压气单元，在所述速度型压气机的工质出口处设冷却器；或所述排热压缩单元(41)设为两级以上速度型压气机的压气单元，在至少一个级间设冷却器，在末级所述速度型压气机的工质出口处设冷却器。

7.如权利要求1至4中任一项所述透平发动机，其特征在于：所述排热压缩单元(41)设为包括一级叶轮压气机的压气单元，在所述叶轮压气机的工质出口处设冷却器；或所述排热压缩单元(41)设为两级以上叶轮压气机的压气单元，在至少一个级间设冷却器，在末级所述叶轮压气机的工质出口处设冷却器。

8.如权利要求1至4中任一项所述透平发动机，其特征在于：所述排热压缩单元(41)设为包括一级活塞式压气机的压气单元，在所述活塞式压气机的工质出口处设冷却器；或所述排热压缩单元(41)设为两级以上活塞式压气机的压气单元，在至少一个级间设冷却器，在末级所述活塞式压气机的工质出口处设冷却器。

9.如权利要求1至4中任一项所述透平发动机，其特征在于：所述排热压缩单元(41)设为包括一级螺杆式压气机的压气单元，在所述螺杆式压气机的工质出口处设冷却器；或所述排热压缩单元(41)设为两级以上螺杆式压气机的压气单元，在至少一个级间设冷却器，在末级所述螺杆式压气机的工质出口处设冷却器。

10.如权利要求1至4中任一项所述透平发动机，其特征在于：所述非排热压缩单元(42)设为包括一级或两级以上容积型压气机的压气单元。