CN1097150C - 用涡轮机获得能量的装置 - Google Patents

Abstract

描述了一种用涡轮机发电的装置，该涡轮机用一种可压缩的介质最好是空气的等温压缩的压缩装置进行驱动，该介质经该涡轮机的一个进气***直接地或通过中间连接供入一个燃烧室中，该压缩空气在添加燃料的情况下可在该燃料室中进行燃烧。本发明的特征为，该压缩装置配有一个喷雾装置，该喷雾装置把受压力作用的水喷入喷嘴的入口区，该喷嘴装置这样布置在该喷雾装置的后面，使在该入口区内形成一个对准喷嘴装置的水空气混合物流，在该喷嘴装置后面设置了一个至少具有两个出口通道即一个上出口通道和一个下出口通道的高压室，压缩空气可通过上出口通道经该进气***流入涡轮机中。

Description

用涡轮机获得能量的装置

本发明涉及一种用涡轮机获得能量的装置，对它的驱动设置了一个等温压缩一种可压缩的介质的压缩装置，该介质经涡轮机的一个进气***直接地或通过中间连结供入一个燃烧室中，该压缩的介质在添加燃料的情况下可在该燃烧室中进行燃烧。

在用涡轮机获得能量时，燃气轮机是热力发动机类中广泛应用的一种能量转换机组。燃气轮机用液态或气态燃料的燃料气体运行。典型的燃气轮机具有一个压气机，也叫涡轮压缩机，它吸入新鲜空气，把空气压缩到一般4至6巴的压力，空气在一个热交换器中进行压缩并用从透平流出的还是热的燃烧气体进行预热。最后，预热的和压缩的空气与燃料一起进入一个燃烧室，形成至少600℃的过热气体或燃烧气体。这种燃烧气体以调整流入透平并驱动它，透平一般与一台发电机连接。

人们对燃气轮机运行中的功率密度和效率的改善作过许多努力。原则上，燃气轮机的效率取决于输入燃气轮机的能量与由该燃气轮机转换的能量的比例，由燃气轮机转换的能量可用一台发电机转换成电能。所以必须减小理论上由燃气轮机的燃烧气体提供的但不转换成电能的能量部分。在常规燃气轮机中，由于压气机通过一根共同的轴与燃气轮机连接并由透平驱动，例如正好用来驱动压缩机级的这部分能量没有用来生产电能。

除了有关燃气轮机的功率密度和效率的上述观点的改善外，燃气轮机运行所需的各个元件的容许热负荷对这种设备的设计也起着日益重要的作用。出于竞争原因也需要把燃气轮机设备设计得不太复杂因而不太昂贵，但另一方面又要求提供寿命长的和质量好的产品。

所以例如常规的压缩机级分别由一个装有涡轮叶片和导向叶片的转子和定子组成，流经压缩机级的空气通过压缩从环境温度加热到500℃以上。这样高的温度使压缩机级所用的材料严重疲劳，从而持续损害各个参与元件的寿命。所以为了提高压缩机范围内的材料对产生的高温的耐受能力，必须采取花费大的和范围广泛的冷却措施。

本发明旨在提出一种用涡轮机获得能量的一种装置，使涡轮机的功率密度和效率及其元件尤其是其热负荷元件的寿命得到提高。

本发明的这个目的技术解决方案在于这种用一种涡轮机获得能量的装置，对它的驱动设置了一个等温压缩一种可压缩的介质的压缩装置，该介质经涡轮机的一个进气***直接地或通过中间连结供入一个燃烧室中，该压缩的介质在添加燃料的情况下可在该燃烧室中进行燃烧，其特征为，该压缩装置配有一个喷雾装置，该喷雾装置把受压力作用的一种液体喷入喷嘴装置的入口区，该喷嘴装置这样布置在该喷雾装置后面，使在入口区内形成一个对准喷嘴装置的水-空气混合流，在流动方向内，在喷嘴装置后面设置了一个至少具有两个出口即一个上出口和一个下出口的高压室，压缩空气可通过上出口经该进气***流入涡轮机中。

根据本发明，用涡轮机最好用燃气轮机的获得能量的装置是这样构成的，为它的驱动设置了一个压缩一种可压缩的介质最好是空气的压缩装置，该介质经涡轮机的进气***直接地或通过一个中间连接供入一个燃烧室中，该压缩介质在添加燃料的情况下可在该燃烧室中燃烧，该压缩装置配置至少一个压缩机级，在该压缩机级中，该介质进行等温压缩并配置了一个喷雾装置，该喷雾装置把受力压力作用的液体喷入该喷嘴装置的入口区，该喷嘴装置这样布置在该喷雾装置后面，使在入口区形成一个对准该喷嘴装置的水气混合流。在流动方向内，该喷嘴装置后面设置有一个至少具有两个出口通道即一个上出口通道和一个下出口通道的高压室，等温压缩空气通过它的上出口通道经进气***供入涡轮机。

根据本发明的解决方案，空气在等温压缩范围内也象在常规压气机级情况那样，进行相对高密度的压缩，但没有达到高的压缩温度，这种空气转变到一个预压缩状态，所以在取消常规压气机和由此而无须由燃气轮机来驱动它的情况下，这种空气可直接驱动燃气轮机。

此外，可将等温预压缩的空气输入一个常规的高压预压缩机级中，通过它把空气密度提高到规定的理论值。根据这种方式，高密度压缩的空气的温度在通过高密度压缩的压缩机单元后从一般555℃下降到300℃以下。高密度压缩的空气的低的温度水平在压缩机单元内特别有利于在该压缩机单元内的元件例如转子上的涡轮叶片以及定子上的导向叶片承受较低的温度负荷，所以可完全或至少部分地取消冷却措施，从而使装置在维修上变得较简单和价格上变得较低廉。

最后，带有本发明前联等温压缩的燃气轮机在利用从燃气轮机排出的废热方面具有改进的特性，特别是如前所述，高密度压缩的空气的温度水平在从后联等温压缩的高压预压缩机级排出后比在常规燃气轮机设备时的低，所以在燃气轮机的废气返回的热交换器(换热器)和高密度压缩的空气之间可进行较好的热交换。

尽管在等温压缩后后联一个高密度压缩的压缩机级又需要一个由透平来实现的动力传动，从而使燃气轮机产生上述的功率损失，但与只用常规压缩机级的预压缩比较，这部分能量明显减小。此外，高密度压缩的进气的较低温度在从高密度压缩的压缩机级排出后有助于在换热器中进行更好的热交换，这对废气排放量的减少起着积极的作用。

特别是对高压缩比例的现代燃气轮机来说，由压缩机压缩的空气的温度超过了透平后面的废气的温度。由于这个原因就已经不能进行废热的利用。但在本发明的等温压缩时，则可用热交换回收大量的废热。

在进入燃气轮机或燃气轮机前面前联的一个高压压缩机级之前，在利用一根高压水管的水沿一下坡段落下的重力的情况下，可按特别有利的方式进行根据本发明提出的空气的等温预压缩。

在高压水管的下端设置了一个喷雾装置，该喷雾装置把受压力的水呈雾状喷入喷嘴装置的入口区，该喷嘴装置这样布置在该喷嘴装置后面，使入口区内形成一股对准喷嘴装置的水-气混合流。在流动方向内，在喷嘴装置后面设置了一个高压室，由于喷嘴的作用，水-气混合物以高的速度流入该高压室中。这时水和空气分离，同时空气在高压室内由于高压室内的滞止效应进行等温压缩。此外，该高压室具有至少两个出口通道即一个上出口通道和一个下出口通道，通过它的上出口通道，等温空气可经一个进气***供入涡轮机中。

由等温预压缩和一台产生能量的涡轮机最好一台燃气轮机的按本发明的组合特别适用于山地高处的水源，例如山地湖泊，从该水源引水进行水力的压缩。

如果空气的压缩度足够高，则在高压室中等温预压缩的空气可通过相应的进气***与涡轮机直接连接。否则该出口通道与一个高压预压缩机级连接，借助于该预压缩级把空气预压缩到要求的值。

为了在那些地形不存在给定的自然下坡段的地方也能利用等温压缩的优点，前面所述的喷嘴装置中的水也可借助于旋转机械或借助于高压喷水装置以高的流速流入，这样，原则上也可实现等温压缩而与地形条件无关，但这类解决方案需要附加的能量消耗，必须在燃气轮机运行时一起考虑在总效率中。

上述的压缩机级特别适用于高差超过500米的下坡段。

在高压作用下，通过该下坡段到达水管的下端的水借助于喷雾装置喷成最小的水滴，水滴直径一般为100微米和小于100微米。该喷雾装置设置在喷嘴装置的入口区，该喷嘴装置最好作为二相拉瓦尔喷嘴构成。由于水受到很高压力的作用，所以在通过喷雾装置后，单个水滴的流速达到至少100米/秒，这些水滴由于喷雾装置的定向和喷嘴装置入口区的结构而可沿拉瓦尔喷嘴的不断缩小的喷口运动。

二相拉瓦尔喷嘴具有特殊的横截面变化，这个横截面变化是这样选择的，使空气和水的相对速度差总是保持低于一定值ε，这个值与能量转换效率有如下的关系：

式中：

   V_水   局部的水的速度；

   V_空气 局部的空气速度；

   ε例如＝0.05

这个效率要求导致在小水滴和短的拉瓦尔喷嘴长度时迅速的横截面变化以及在大水滴和大的喷嘴长度时缓慢的横截面变化。

空气-水混合物的声速为： $c=\sqrt{\frac{p}{\mathrm{\α}\·[{\mathrm{\α\ρ}}_{\mathrm{Luft}}+(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Wasser}}]}}$ 式中：C混合物的声速；P静压力；α空气的体积百分率；ρ_空气 空气的密度；ρ_水   水的密度(1000公斤/米³)空气密度以及压力通过状态方程式与温度联系起来，则为：

式中：

    T温度；

    R空气的气体常数。

在2相拉瓦尔喷嘴中，水-空气混合物减速到很小的速度。这里极为重要的是，空气和水的混合物一般都具有很低的声速。在进入拉瓦尔喷嘴时，该声速一般只约为23米/秒，而在这个部位的混合物的流速则大约为100～150米/秒。所以在这里流速处于高的超声范围。由于拉瓦尔喷嘴中的混合物的制动，压力明显升高。声速也随不断增加的压力而明显增加。另一方面，流速则下降到很小的值。象在任何拉瓦尔喷嘴中那样，最窄的横截面内的马赫数超过1。

除了上述用下坡段产生水压外，也可用别的产生压力的方法来使水在高压力作用下对准一个喷雾装置运动。水的压力形成应在与其形成方式无关的情况下达到这样的结果，用一个喷雾装置可将水喷成细雾，且水/空气体积比大约为0.05至0.1。

拉瓦尔喷嘴的典型长度大约为15米；但用直径小于100微米的小水滴时，长度不到15米的拉瓦尔喷嘴也可达到很高的效率。但在水滴直径变大的情况下，如欲避免效率损失，则必须增加拉瓦尔喷嘴的最小长度。

下面用一个实施例参照附图来示范性地说明本发明而不受本发明的一般意图的限制。

在唯一的图中示出了利用一座山B的地形，把位于该山上的水源R用来驱动图中未示出的一台涡轮机。用一根常规结构的水管1连接水源R，通过该水管使水沿高差大于500米的一个下坡段倾泻而下。通过重力加速的水到达水管1的下端并通过一个喷雾装置2进入喷嘴装置D的入口区E。喷雾装置2具有一个喷嘴出口，通过该出口把受高压作用的水喷成极小的水滴。为了形成水-空气混合物，在入口区E的入口处设置了空气入口L，通过该空气入口可进入足够多的空气来形成要求的水-空气混合物。喷嘴装置D以及最好作为一个二相拉瓦尔喷嘴构成的喷嘴装置D的入口区E具有这样的形状，使水空气混合物一般以大约100米/秒或更大的水滴速度对准喷嘴装置D的；逐渐缩小的喷口。在拉瓦尔喷嘴中，该混合物减速到一个小的速度并同时被压缩。

拉瓦尔喷嘴在流动方向内与一个压力室3连通，该压力室定期接收从该喷嘴装置喷出的水-空气混合物。通过在高压室中形成的高速滞压力对水-空气混合物中的空气进行等温压缩，同时在该高压室内从空气中进行水的分离。通过下排出通道4可控地将分离出的水从该室中排出。在该室内等温压缩的空气经第二排出通道5和一个在图中未示出的进气***到达同样的图中未示出的涡轮机，以驱动该涡轮机。

上述的等温压缩技术尤其涉及水/空气体积比为0.05至0.1之间的水-空气混合物的产生。例如可在利用高差大于500米的坡度段的情况下产生这种混合物。出于费用和效益的考虑，待加速的水通过普通水管引到下游，并用合适的喷雾装置按要求的方式进行喷雾。

Claims (16)

1.用一种涡轮机获得能量的装置，对它的驱动设置了一个等温压缩一种可压缩的介质的压缩装置，该介质经涡轮机的一个进气***直接地或通过中间连结供入一个燃烧室中，该压缩的介质在添加燃料的情况下可在该燃烧室中进行燃烧，其特征为，该压缩装置配有一个喷雾装置(2)，该喷雾装置把受压力作用的一种液体喷入喷嘴装置(D)的入口区(E)，该喷嘴装置这样布置在该喷雾装置(2)后面，使在入口区(E)内形成一个对准喷嘴装置(D)的水-空气混合流，在流动方向内，在喷嘴装置(D)后面设置了一个至少具有两个出口即一个上出口(5)和一个下出口(4)的高压室(3)，压缩空气可通过上出口(5)经该进气***流入涡轮机中。

2.按权利要求1的装置，其特征为，喷嘴装置(D)是一个拉瓦尔喷嘴。

3.按权利要求2的装置，其特征为，该拉瓦尔喷嘴是一个二相拉瓦尔喷嘴。

4.按权利要求1的装置，其特征为，该液体在进入喷雾装置(2)之前流经一个下坡段。

5.按权利要求4的装置，其特征为，该下坡段克服大约500米或更大的高差。

6.按权利要求1的装置，其特征为，该可压缩的介质是空气。

7.按权利要求1的装置，其特征为，该液体最水。

8.按权利要求7的装置，其特征为，喷雾装置(2)把水喷成具有100微米或更小直径的水滴。

9.按权利要求4的装置，其特征为，该液体在进入喷雾装置(2)之前具有大约100米/秒的流速。

10.按权利要求1的装置，其特征为，喷嘴装置(D)的入口区(E)具有至少一个空气入口。

11.按权利要求7的装置，其特征为，水-空气混合物以高的速度流入高压室(3)中，并在该处从空气中分离出水，分离出的水通过下出口(4)从高压室(3)中流出。

12.按权利要求11的装置，其特征为，定向的水-空气混合物液体在进入喷嘴装置(D)之前具有一个介于0.05和0.1之间的水/空气体积比。

13.按权利要求1的装置，其特征为，该涡轮机是一台燃气轮机。

14.按权利要求13的装置，其特征为，在高压室(3)中等温压缩的空气可输入一个高密度压缩的预压缩机中，该预压缩机与一个燃烧室连接，在该燃烧室中产生的热气可从该处供入燃气轮机。

15.按权利要求13的装置，其特征为，等温压缩的空气可直接输入该燃烧室中。

16.按权利要求15的装置，其特征为，等温压缩的空气在进入燃烧室之前连接在一个由燃气轮机的废气供给废热的热交换器上。