CN100365256C

CN100365256C - 脉动式燃气轮机

Info

Publication number: CN100365256C
Application number: CNB2005101325618A
Authority: CN
Inventors: 王和平; 王菲
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-12-26
Filing date: 2005-12-26
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2025-12-26
Also published as: CN1789686A

Abstract

本发明脉动式燃气轮机，有一机轴、共用该机轴的压气机组和涡轮机组，连接在压气机组和涡轮机组之间的是并联双燃烧室，在各燃烧室的入口处各设有气门，壁上各设独立的喷油嘴和点火装置，气门、喷油嘴和点火装置用输入信号取自设置在机轴上的转数传感器的微处理控制器控制，按规定时序交替循环工作；可以增设独立的工作涡轮机轴和独立的工作涡轮机组。该脉动式燃气轮机可以提高燃烧温度和输出涡轮的工作压力，提高低速性能和输出效率，节省燃料，利于燃烧室和涡轮的冷却，启动容易，双轴方案的应用进一步改善了低转数性能。

Description

脉动式燃气轮机

技术领域

本发明涉及到一种燃气轮机，特别涉及一种脉动式燃气轮机。

背景技术

众所周知，燃气轮机是一种体积小、效率高、结构简单、可以使用多种燃料、污染小的热机发动机，在很多场合得到广泛的应用，比如航空、航海、发电等等。

但是目前的燃气轮机有一个致命的缺陷，就是燃气轮机只有在设计的额定转数是高效的，一旦偏离额定转数，效率的下降是非常快的。这就限制了燃气轮机的应用范围，在很多其他发动机可以应用的领域，燃气轮机不是合适的选择。这种领域主要是要求转数经常变化的领域，比如汽车、机车等等。

发明内容

本发明的目的是为弥补上述缺陷，提出的一种可以改善低转数性能的脉动式燃气轮机。

本发明脉动式燃气轮机，有一机轴、共用该机轴的压气机组和涡轮机组、以及连接在所述压气机组排气口和所述涡轮机组进气口之间的至少两个燃烧室，在每个燃烧室的进气口处，设置气门，在每个燃烧室壁上设置喷油嘴和点火装置，各气门、喷油嘴和点火装置由微处理控制器控制，该微处理器的输入转速信号取自设置在所述机轴上的转速传感器，并且该微处理器控制燃烧室按以下时序交替工作：

a)第一气门关闭；

b)第一喷油嘴喷油；

c)第一点火装置点火，第一燃烧室内的混合气体燃烧膨胀排气；

d)第一气门开启，第二气门关闭；

e)第二喷油嘴喷油；

f)第二点火装置点火，第二燃烧室内的混合气体燃烧膨胀排气；

g)第二气门开启。

本发明脉动式燃气轮机，还可以设置独立的工作涡轮机轴和独立的工作涡轮机组，所述的工作涡轮机组的进气口和所述的涡轮机组的排气口经管道连接，

由于燃气轮机工作转数较高，其输出通过大比率减速器输出。这个减速器可以使用一般减速器或者行星轮减速器。本发明脉动式燃气轮机，可以是机轴直接连接减速器，经减速器输出轴输出，也可以在所述独立工作涡轮机轴的末端连接减速器，经减速器输出轴输出。

本发明脉动式燃气轮机可以实现混合式燃烧，提高燃烧温度和输出涡轮的工作压力，也就提高了输出效率，同时采用间歇燃烧，可以节省燃料用量；燃烧室和涡轮机处于间歇工作状态，非燃烧时间段照样有压缩空气流过，这样可以在提高燃烧温度的同时，保证燃烧室和涡轮的冷却；本脉动式燃气轮机容易启动，双轴方案的应用进一步改善了低转数性能。

附图说明

图1是活塞式发动机燃烧气体做功示意图；

图2是燃气轮机燃烧气体做功示意图；

图3是本发明脉动式燃气轮机双燃烧室单轴示意图；

图4是本发明脉动式燃气轮机双燃烧室双轴示意图。

具体实施方式

为了进一步阐明本发明脉动式燃气轮机，下面结合实施例作更详尽的说明。

图1是活塞式发动机燃烧气体做功的示意图，从中可以看出，对于活塞式发动机，因为燃烧室三面都是密闭的，其燃烧室内的燃烧气体做功面只有活塞一边。而在燃气轮机中就不一样了，具体可见图2，在燃气轮机燃烧室的前端不是封闭体，而是叶轮。我们知道压气机叶轮唯有在设计的额定转数时才有最大的压气效率，也就是说，只有在额定转数，前端相当于密封，燃气气体做功的状态和图1所示的活塞式发动机差不多。如果一旦转述低于额定转数，压气效率会急剧下降，燃烧室的前端就不等效于密封。此时燃烧气体必然会从前端泄漏，对后面涡轮做工的燃烧气体就会减少；尽管这种情况下，涡轮会带动压气叶轮提高转数，但是在转数未升到额定转数以前，前端泄漏还是难免的。所以在非额定转数时，燃烧气体对涡轮的作功效率是远远小于额定转数的。正是这个原因，造成燃气轮机在非额定转数时，效率的下降远远高于活塞式发动机。

实施例1：

本实施例的脉动式燃气轮机有两个并联的燃烧室，具体可见图4。该图所示为一台小功率试验机的示意图，压气机组选用离心式压气机，涡轮机组2选用径流式涡轮机。

燃烧室5、6的进气口并联在压气机组1的排气口20上，排气口并联在涡轮机组2的进气口上，两个燃烧室设置独立的气门7、8，喷油嘴9、10和点火装置18、19，机轴16连接减速器4，经输出轴13输出。气门7、8、喷油嘴9、10和点火装置18，19按以下时序交替工作：

a)气门7关闭(此时气门8开启)；

b)喷油嘴9喷油；

c)点火装置18点火，燃烧室5内的混合气体燃烧膨胀排气；

d)气门8关闭(此时气门7开启)；

e)喷油嘴10喷油；

f)点火装置19点火，燃烧室6内的混合气体燃烧膨胀排气；

g)气门8开启，燃烧室6扫气。

由于气门7的关闭，燃烧室5中的压缩气体处于一种暂时性的紊流状态，及时的喷入燃料，便可得到混合气体。点燃后便发生爆燃，压力一时间可得到数倍地增加。

由于有两个燃烧室，并且交替工作，当一个燃烧室(比如燃烧室5)的气门7关闭时，压气机组1的压缩空气则通过气门8和燃烧室6，这既为燃烧室6扫气，又可以起到冷却燃烧室6的作用，所流过气体在和燃烧室5排出的燃烧气体相遇混合时，可产生二次燃烧，减少排放中的有害物质；在两个燃烧室气门都开启的时间段，由于叶轮的惯性，压缩空气照样流过燃烧室和涡轮机组，适当的调整这一时间段的长短，可以有效地冷却涡轮机组。

作为涡轮2，在单轴式的本实施例中，则处于一种脉动工作状态，其基本工作压力为压气机提供的压力，在一个燃烧室燃烧时，在该压力上迭加了一个锯齿形的脉冲压力，从而在涡轮2的入口处得到速度更高的气流。尽管这种脉动气流并不是涡轮的最佳选择，但是由于增压涡轮技术的日趋进步，还是可以设计出效率很高的脉动工作状态的涡轮。

这种交替工作方式保证了压气机始终在较稳定的状态工作，当然设置更多的燃烧室也是可行的。

在本实施例中，各气门、喷油嘴和点火装置的控制比一般的燃气轮机要复杂，仅仅使用机械式控制方式比较复杂、控制精度不足、实现困难，同时在实际控制中还需要采集输出轴的扭矩、燃烧室的压力等等数据，所以采用了微处理控制器控制，气门和喷油嘴均采用电磁线圈控制。该微处理控制器的输入信号取自设置在所述机轴上的转数传感器15和调速器(油门)、以及必须的扭矩传感器和压力传感器，根据这些信号按周期分时发出各气门、各喷油嘴和各点火装置的控制信号。作为燃气轮机，自身转数很高，不可能采用每转控制的方式，因此控制周期一般取转数的十几分之一甚至几十分之一，就是说机轴转十几转甚至几十转作为一个周期，两个燃烧室按照此周期交替工作。在电控方式下，气门采用电磁线圈控制。

由于燃气轮机工作转数太高，其输出必须通过大比率减速器输出。这个减速器可以使用一般减速器或者行星轮减速器。

本实施例采用径流式压气机和涡轮，但并不意味本发明不适用于轴流式压气机或涡轮。至于压气机组1和涡轮机组2是采用轴流式还是径流式，理论上是都可行的，还是采用一般燃气轮机的选择原则即可，就是小功率用径流式，大功率用轴流式。

实施例2：

图5是本实施例的示意图，本实施例是一个双轴式(或称自由轴输出)方案，就是在机轴16之外设置独立的工作涡轮轴12和独立的工作涡轮机组3，工作涡轮机组3的进气道和所述的涡轮机组2的排气道连接，减速器4连接在独立机轴12的末端，仍经输出轴13输出。除此之外，其它和实施例2相同。

在此方案中，涡轮机组2仅仅为压气机组1提供动力，发动机的输出由工作涡轮3承担。由于输出轴12和机轴16分离，输出轴12的转数和压气机组1的的转数无关，就可以在较低的输出轴转数时为工作涡轮机组3提供更高的工作压力，从而提高工作涡轮机组3的输出扭矩和输出效率。

在本实施例中，由于膨胀气体除了在涡轮机组2中作功之外，还要在工作涡轮机组3中作功，而且涡轮机组2只需要给压气机组1提供动力，所以要合理分配膨胀气体在两个涡轮机组中的作功比例。在压气机组1采用离心式、工作涡轮机组3采用径流式涡轮时，涡轮机组2宜采用混流式涡轮，以保证燃气在涡轮机组2中作功后，有足够的能量传递给工作涡轮机组3，当然在这种情况下，涡轮机组2采用轴流式涡轮也是可以的。

本发明所提供的实施例示意图均为径流式叶轮，但并不意味着本发明只适用于径流式。脉动式燃气轮机同样可以采用轴流式叶轮，或者是采用混合方式。

本发明可以提高燃烧温度和涡轮的工作压力，也就提高了输出效率，同时采用间歇燃烧，可以节省燃料用量；同时燃烧室和涡轮机处于间歇工作状态，非燃烧时间段，照样有压缩空气流过，这样可以在提高燃烧温度的同时，保证燃烧室和涡轮的冷却；本脉动式燃气轮机启动容易，双轴方案可进一步提高低转速扭矩。

Claims

1.脉动式燃气轮机，包括机轴(16)、共用该机轴(16)的压气机组(1)和涡轮机组(2)，其特征是在所述压气机组(1)的排气口(20)和所述涡轮机组(2)的进气口(14)之间并联至少两个燃烧室(5、6)，在每个燃烧室(5、6)的进气口处，设置独立的气门(7、8)，在每个燃烧室(5、6)壁上设置独立的喷油嘴(9、10)和点火装置(18、19)，所述气门(7、8)、喷油嘴(9、10)和点火装置(18、19)由微处理控制器控制，该微处理器的输入转速信号取自设置在所述机轴上的转速传感器(15)，并且该微处理器控制燃烧室按以下时序交替工作：

a)第一气门(7)关闭；

b)第一喷油嘴(9)喷油；

c)第一点火装置(18)点火，第一燃烧室(5)内的混合气体燃烧膨胀排气；

d)第一气门(7)开启，第二气门(8)关闭；

e)第二喷油嘴(10)喷油；

f)第二点火装置(19)点火，第二燃烧室(6)内的混合气体燃烧膨胀排气；

g)第二气门(8)开启。

2.根据权利要求1所述的脉动式燃气轮机，其特征是机轴(16)连接减速器(4)，经减速器输出轴(13)输出。

3.根据权利要求1所述的脉动式燃气轮机，其特征是设有独立的工作涡轮机轴(12)和独立的工作涡轮机组(3)，所述的工作涡轮机组(3)的进气口和所述的涡轮机组(2)的排气口通过管道相连接。

4.根据权利要求3所述的脉动式燃气轮机，其特征是所述的独立工作涡轮机轴(12)连接减速器(4)，经减速器输出轴(13)输出。