專利名稱：產生機械能的裝置及這一裝置的工作過程的制作方法
技術領域：
本發明涉及一借助氣態流體產生機械能的裝置，包括一由燃氣輪機和至少由一臺單列的壓縮渦輪機驅動的一壓縮機單元組成的機組，其中這(這些)渦輪機與壓縮單元由一連接導管串聯起來。人們知道這種裝置有各種類型，但至今還沒人成功地設計出一個裝置，它和已有的動力源如內燃機、汽輪機等相比能有一個令人滿意的效率(35%)。
在這些已有的裝置中往往忘記了充分注意燃氣輪機的有害的廢氣。例如建議為了提高氣態流體的溫度而把燃燒室加到壓縮渦輪機上。這后一種措施加劇了有害燃燒物的散發。
本發明的目的是填補這一空白，提供一種裝置，它有約40%的效率，能在50到3000千瓦范圍之間工作，由此限制有害物的散發。設想中裝置的可以預料的用途是如用一種能供給約為700千瓦能量的裝置驅動火車或船。按本發明的裝置特征在于燃氣輪機(動力渦輪機)單獨有一燃燒室，來自最后一壓縮渦輪機的膨脹氣體的排氣管與這燃燒室相連，特征還在于將壓縮機單元與壓縮渦輪機的連接導管和燃氣輪機的排氣管組合成主熱交換器。
上述本發明的關鍵在于壓縮機的驅動渦輪機不是由燃氣輪機的廢氣饋給的，而是壓縮空氣本身在被引到動力渦輪機前就被用了。因此本發明使得有可能實現比迄今為止已實現的更接近于理論的CARNOT循環的操作。這為整個裝置的熱效率的根本增長打下基礎。況且根據本發明整個裝置的重要部件可以購買現成的如有的和已成熟的部件，這對整個裝置的成本是非常重要的。
從美國專利3，054，257SCHELP已經知道，在機械能產生裝置中，為了提高在這些渦輪機中流體的溫度，為每個渦輪機配置一個輔助燃燒室。和已有的這種技術相反，本發明把燃燒室的運用限制在動力渦輪機，因此用在動力渦輪機排氣管處回收的熱量在流體通過壓縮渦輪機前去加熱該流體。
本發明還有兩個優點。除接近CARNOT循環和結構可用在市場競爭中能購得的元件組成外，申請的新的裝置使一種無論在內部或在外部完全“清潔”的操作變為可能。完全沒有被污染的空氣(因而很少或沒有內部污染)通過其壓縮機和渦輪機。供給動力渦輪機的燃燒室的氣體只需要有一個非常低的壓力(約為200kpa)并與其有關系的在動力渦輪機中將有一相對較低的入口溫度(約為900℃)。在這種情況下，NOx的散發量是很低的，使得環保負荷減經了。
按照本發明，如果該裝置的壓縮機單元包括至少兩部分，則通過在壓縮機單元兩部分之間的導管內至少加一個熱交換器而得到效率方面的另一改進。要指出的是，當提到熱交換器時，它們可能是復熱型或蓄熱型的。
本發明的另一特征是該裝置的動力渦輪機設計成一直流內流式渦輪機。這種渦輪機在渦輪機殼體的入口和輪葉頂部入口之間允許大約攝氏200℃的溫度降低。在燃燒室中相對較高的溫度不是絕對需要葉輪的冷卻就能迅速地降溫。如需要的話，這種冷卻可用少量的冷卻空氣的簡單方法能實現的，在此情況下，形成NOx的可能很小。
該裝置的一個主要實施例特征在于除在壓縮機單元之中作為中間冷卻器的熱交換器以外，在燃氣輪機的出口處現有的主熱交換器后的以及在動力渦輪機的燃燒室前的壓縮渦輪機的輸出導管處至少有一個附屬熱交換器，這一實施例使得這裝置完全適用于所謂全能量系統能使該裝置的總效率進一步提高。
用在燃燒室中提供一注射器的方法能進一步促使在動力渦輪機的排氣中取得一較低的NOx的含量。通過一帶有泵的導管將該注射器連到貯存水的容器上，該電容器連到在熱交換器中冷卻的連接導管的部分。在原理上將水或蒸汽噴射到燃氣輪機燃燒室的火舌是已知的，按照本發明水是由壓縮燃燒用空氣的凝結水來的。這凝結水由節流閥收集，經過濾網注入到存儲容器中。由此，泵能輸送適量的凝結水到注射器，這凝結水例如在注射器前的排氣管的熱交換器中，變成或者不變成蒸氣。
本發明還體現在上述裝置的操作過程中，這過程的特征在于在花卉和蔬菜的暖房中應用的全能量原理上，清潔的燃料(如來自Groningen)的天然氣供給燃燒室，特征還在于使用一外部熱交換器。以達到在釋放出的熱能和機械能之間的預定比例(H/P)。動力渦輪機的廢氣冷卻向暖房排放。通過這些措施，CO2氣體有助于植物進行二氧化碳的同化作用，能得到的另一點是能在所需的機械能之外單獨測定發熱量。反之亦然。因此本裝置能很好地適應于各種需要有機械能和/或者熱能的場合。
本發明將參照本裝置的幾種實施圖及附帶的曲線圖作詳細的描述。
圖1表示該裝置的流程圖;
圖2表示圖1的T-S曲線圖;
圖3表示第一個變化例在所用的兩壓縮渦輪機之間的一個附加加熱級;
圖4表示圖3的T-S曲線圖;
圖5示意地表示了該裝置的全能量應用;
圖6是一個大致上表示內流式動力渦輪機的軸剖面圖。
圖1所示的裝置包括一由壓縮機單元C組成的機組，這里它由單獨一臺壓縮機組成。該機組也包括一臺提供有效能量的燃氣輪機，稱為動力渦輪機。這動力渦輪機有一排氣管2。它伸到主熱交換器3中。壓縮機單元C由另外一個壓縮渦輪機T驅動。動力渦輪機1有一燃燒室4，它在圖1中單獨表示出。壓縮機C有一個吸氣管5和一排氣管6，排氣管6通過主熱交換器3和導管9通到壓縮渦輪機T，壓縮渦輪機T的排氣管由導管10連到燃燒室4。
壓縮機單元C通過連接導管6、8和9串聯地連到壓縮渦輪機T是很清楚的。通過主熱交換器3，來自壓縮機單元C的壓縮空氣的溫度進一步升高。結果是渦輪機T能供給壓縮機C足夠的動力。因此已用過但仍是壓縮的空氣通過導管10流到燃燒室4，同時燃料通過導管11通入室4并用于燃燒。由此得到的低壓混合氣體通過導管12流入動力渦輪機1，將機械能由轉軸釋放。動力渦輪機1的排氣管2在經過主熱交換器3后通過導管14排氣。
在按圖1裝置中的工作過程大略地表示在由圖2所示的T-S曲線圖中，它清楚地表明了圖1的裝置的本質性的方法所具有的特殊優點，也就是說壓縮渦輪機T不是如通常建議的由動力渦輪機廢氣驅動，而是由來自壓縮機單元C的壓縮空氣通過熱交換器用動力渦輪機排出的氣體去進一步加熱后去驅動。這意味著圖2中所示的曲線非常接近(理想的)CARNOT循環。這循環的膨脹過程落在有最高溫度的區域附近，這對裝置的效率具有很好的影響。
按圖3的實施例表示有分別由渦輪機T2和T1驅動的一低壓壓縮機C2和一高壓壓縮機C1的壓縮機單元。另外在壓縮機C2和C1之間的連接管6中有一熱交換器7或冷卻器。圖4表示它的T-S曲線圖。
為了得到一個概念，按圖3所示的一個700千瓦有效功率的假設裝置的一些參數表示如下C2的輸入溫度 15℃C2的輸出溫度 114℃C1的輸出壓力 2.51kpa
C1輸入溫度 30℃C1的輸出溫度 139℃C1的輸出壓力 6.11kpa熱交換器3后的空氣溫度561℃熱交換器3后的廢氣溫度544℃經過T1的壓力比 1.6在導管9中的溫度605℃經過T2的壓力比 1.82在導管10中的溫度510℃在導管12中的溫度890℃在導管12中的壓力2kpa軸13功率約700KW在導管2中的溫度730℃在圖3中有一附加的裝置用虛線表示，它包括在燃燒室4中的注射器21。帶有泵23的供給管22將注射器21和過濾后凝結水的貯存容器24相連。這凝結水來自在熱交換器7之內或之外的連接導管6部分。輸出導管25通過調節閥26將凝結水送到貯存器24。注射進燃燒室4的水或蒸汽使NOx的散發進一步減少。為了把凝結水加熱成蒸汽，供給管22可以通過熱交換器3。在它用于園藝事業(商品園藝)時，所得的凝結水用作噴霧水是很有益的。
圖5為一特別適合于全能量運行的裝置示意圖，這運行的目的是除有作為壓縮機單元C的中間冷卻器的熱交換器7外還通過使用一些外部熱交換器來進一步提高裝置的效率。第一個附加的外部熱交換器17在燃氣輪機1的排氣側，在熱交換器3之后，第二外部熱交換器18在最后一個壓縮渦輪機T2的輸出導管10處，在動力渦輪機1的燃燒室4之前。
在導管10中還有一個三通閥19。直接輸送給動力渦輪機的壓縮空氣量可用這閥調節，而剩余的空氣流過熱交換器18，在閥19的一個終端位置所有壓縮空氣通過導管10直接流到燃燒室4，而在另一終端位置所有空氣通過熱交換器18，然后到達燃燒室4。通過閥19和由導管11中供給燃料量的正確調節以及外部熱交換器17、18的作用，在熱交換7、17和18中釋放的熱能和通過轉軸13傳遞的機械能之間預定比值h/p是能實現的。
圖5也表示了設在導管8和9中對渦輪機T1和T2的溫度產生影響的附加裝置28和29，當該裝置用于發電，例如在一醫院中，在動力渦輪機1的轉軸13上負載的突然變化是常常出現的。當負載增加時，通過導管11供應的燃料增加了，在排氣口2中的溫度也將升高。由于它較高的GD值，主交換器3將溫升傳遞給已經由壓縮機C1和C2壓縮的流體時有一滯后。因此渦輪機T1和T2的旋轉速度將不會立即變化，壓縮機C1和C2的轉速也不會立即變化。壓縮機的這一延遲作用可能引起整個裝置工作中的不穩定。為避免這一現象，裝置28、29起到了將附加的熱量(如通過電熱元件，圖中未示)在進入渦輪機T1和T2以前供給流體的作用。由于壓縮機有一較小的GD值，它將立即有反應而避免上述的不穩定。附加裝置28、29同樣在動力渦輪機1的轉軸負載減少時也能阻止這種不穩定。
圖6表示一單流內流式渦輪機，它能在如1、3和5所示的裝置中用作動力渦輪機。這一類型的渦輪機的優點是，除了別的以外，能在很高溫度下向它供氣，因為在到達移動葉片20以前在固定導向葉片20′的環內溫度下降約攝氏200℃。
該渦輪機也可能作為一臺輸出機械能的裝置，所輸出的機械能與該裝置設計容量相差最多達40%，而仍保持熱效率不變。為此，導向葉片20′的角度可在廠里變更。在上述所給的700KW裝置的例子中，意味著用相同的組件能組合成為大約從400KW至1000KW的裝置而具有相同的熱效率。
本裝置的一個重要用途在于商品園藝領域，它需要如下的組合-發電或供給泵的能量等的機械能;
-加熱暖房內壁的熱量;
-關系到植物生長的附帶的CO2供應。
所有這些都能從上述裝置中得到，此裝置中排出的廢氣的有利特征是它們NOx、一氧化碳和未燃燒的碳氫化合物的含量非常低。
權利要求
1.用氣態流體產生機械能的裝置，包括由燃氣輪機和由至少一臺單列的壓縮渦輪機驅動的壓縮機單元C組成的機組，該渦輪機通過連接導管串聯地連到壓縮機單元，其特征在于燃氣輪機(動力渦輪機)單獨有一個燃燒室4，和這燃燒室4相連的是自(最后的)壓縮渦輪機排出的膨脹氣體的排氣管10，以及從壓縮機單元到壓縮渦輪機的連接管在燃氣輪機1的排出管2處伸進一個主熱交換器3里。
2.按權利要求1的裝置，其中壓縮機單元至少包括兩個部分，其特征在于在壓縮機單元的兩個部分(C1、C2)之間的連接管6中至少有一個附加熱交換器7。
3.按權利要求1或2的裝置，其特征在于動力渦輪機1設計成單流內流式渦輪機。
4.按上述的權利要求中的一個裝置，其特征在于除在壓縮機單元c中作為中間冷卻器的熱交換器7之外，在現有的主熱交換器3之后的燃氣輪機1的排氣管14中和在動力渦輪機1的燃燒室4之前的最后的壓縮渦輪機T的輸出導管10中至少備有另一個外部熱交換器17、18。
5.按權利要求2到4的任意一個權利要求的裝置，其特征在于，在燃燒室4中有一個注射器21，上述注射器通過一導管22和泵23連到存貯水的存貯器24，該存貯器與在熱交換器7中被冷卻的連接導管6的部分進行連接。
6.按權利要求2至5的任意一個權利要求的裝置，其特征在于，在主熱交換器3之后的連接導管8、9中有附加裝置28、29，它對通過這導管流向壓縮渦輪機(T或T1、T2)的氣態流體的溫度產生影響。
7.按上述權利要求中任意一個權利要求的裝置的工作過程，其特征在于，在運用于在暖房中的能量的運行時，在燃燒室中的壓力和溫度通過供應清潔燃料給燃燒室而保持在非常低的水平，同時包括必需的外部熱交換器而達到在釋放的熱能和機械能之間的預定比例(H/P)，來自動力渦輪機的已被冷卻了的燃燒氣被送到暖房。
8.按權利要求7的過程，其特征在于對該裝置的壓縮機單元進行控制使得在動力渦輪機的燃燒室中的壓力處在約為200kpa，在這燃燒室中的溫度保持在約為900℃。
全文摘要
一種通過氣態流體產生機械能的裝置包括由帶有一燃燒室4的燃氣輪機1和一由渦輪機T驅動的壓縮機單元C。這后一個渦輪機T由經過布置在燃氣輪機T的排氣管處的主熱交換器3的來自上述單元C的壓縮空氣供應。壓縮渦輪機T的輸出管10與燃燒室4相連。
文檔編號F02C6/00GK1042968SQ8810814
公開日1990年6月13日 申請日期1988年11月25日 優先權日1987年11月26日
發明者伊拉·魯道夫·亨德里克斯 申請人:渦輪機咨詢B.V.