專利名稱：有雙螺桿式壓氣機及透平的燃氣輪機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃氣輪機技術(shù)領(lǐng)域。
在現(xiàn)有技術(shù)當中，燃氣輪機主要由壓氣機、燃燒室、透平三大部分組成，其壓氣機、透平均由葉輪組成，該機在工作時空氣被壓氣機吸入經(jīng)增壓后，送入燃燒室并與噴入燃燒室內(nèi)的燃料混合燃燒，將燃燒所生成的具有一定壓力的高溫燃氣引入透平，燃氣在透平中膨脹做功后排入大氣，透平所發(fā)出的功率一部份用于驅(qū)動壓氣機，剩余的向外輸出，這種燃氣輪機具有體積小、重量輕、功率大、起動迅速、振動小、排氣污染小、潤滑油耗量低、多種燃料適應性強，可用較便宜的石油燃料，如低質(zhì)柴油、重油，其低溫起動性能好，易維護保養(yǎng)等優(yōu)點。在航空、發(fā)電、機車輪船以及交通運輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛應用。但目前燃氣輪機還有一些易克服的弱點，首先是經(jīng)濟性差，特別是小型燃氣輪機熱效率一般僅百分之十幾，其次需采用昂貴的耐高溫材料制造各種受熱部件，特別是渦輪葉片，致使小型燃氣輪機的推廣應用受到極大限制。
在整個燃氣輪機的發(fā)展過程中人們一直在研究提高燃氣輪機熱效率和比功的問題，推動燃氣輪機技術(shù)的發(fā)展及應用。燃氣初溫、循環(huán)增壓比、壓縮機及透平的內(nèi)部效率是表征燃氣輪機工作特性的重要參數(shù)，提高燃氣初溫、循環(huán)增壓比、壓縮機及透平的內(nèi)部效率是提高燃氣輪機熱效率及比功的重要手段。
限制燃氣初溫提高的主要因素是渦輪機葉片在高溫下的強度。目前，普遍使用的燃氣輪機的燃氣初溫在800℃-1200℃，對于小功率燃氣輪機，由于葉片冷更加困難故其燃氣初較低，只有700℃-900℃。
循環(huán)增壓比越高燃氣輪機定壓加熱循環(huán)的熱效率越高。目前多數(shù)燃氣輪機的增壓比在5-18的范圍內(nèi)，唯獨航空燃氣輪機可以達到25左右。當增溫比和壓縮機及透平的內(nèi)部效率一定時，有相應于最高有效效率的最佳增壓比。
本發(fā)明的目的在于，提供一種具有較高燃氣初溫、壓力比隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化波動較小的中小功率燃氣輪機。
實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是在燃氣輪機中的壓氣機(1)和透平(3)均由雙螺桿式機構(gòu)組成，該螺桿式機構(gòu)的氣缸(4)兩端分別設置有進氣口(5)及排氣口(6)，氣缸中平行配置有兩個按一定傳動比反向旋轉(zhuǎn)又相互嚙合的螺旋形陰陽轉(zhuǎn)子(7)、(8)，其中陽轉(zhuǎn)子上的陽螺桿部分具有螺旋形凸齒，陰轉(zhuǎn)子上的陰螺桿部分具有螺旋形凹齒，轉(zhuǎn)子一端在伸出氣缸體外的部分設置有同步齒輪(9)，陰陽螺桿的嚙合線及陰陽螺桿的齒頂與氣缸內(nèi)壁的接觸線或面成間隙密封狀態(tài)，作為透平使用的雙螺桿式機構(gòu)與作為壓縮機使用的雙螺桿式機構(gòu)其組成相同，但工作過程剛好相反。壓氣機1不少于一級，透平3不少于一級。作為壓氣機1和透平3的雙螺桿機構(gòu)，其冷卻方式可有以下三種(1)、循環(huán)液冷式缸體上設置有冷卻水套，陰陽轉(zhuǎn)子內(nèi)部開有多個冷卻孔，內(nèi)通循環(huán)液體進行冷卻；(2)、內(nèi)噴水冷式在陰陽螺桿轉(zhuǎn)子上設置有多個徑向小孔，冷卻水以一定壓力由轉(zhuǎn)子中心通過小孔噴出對轉(zhuǎn)子及缸體進行冷卻；(3)、混合冷卻式即冷卻方案(1)、(2)的混合使用。
由于該機采用雙螺桿式機構(gòu)，因而具有以下特點(1)作為壓氣機的雙螺桿式機構(gòu)，其級壓力比與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無關(guān)，即增壓比不隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化而變化。如果只用作終級壓縮機則最小總增壓比為雙螺桿式機構(gòu)的級增壓比。
(2)雙螺桿式壓縮機穩(wěn)定工況范圍較寬，無喘振現(xiàn)象，在最高效率值附近存在一個相當寬廣的轉(zhuǎn)速范圍。
(3)由于該機對轉(zhuǎn)子及缸體進行水冷，故其冷卻效果遠大于氣膜等冷卻方式。可保證氣缸及轉(zhuǎn)子與燃氣接觸的部位的溫度低于350℃，轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度不高于80℃-100℃，所以可采用較高的燃氣初溫。
(4)由于采用雙螺桿式機構(gòu)作為透平，其較強的冷卻效果使透平對燃燒室出口處的燃氣溫度場的均勻程度要求較低，可縮小燃燒室的長度，簡化結(jié)構(gòu)。
(5)壓氣機及透平均有較高的絕熱效率，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的20％-100％的范圍內(nèi)，其絕熱效率在0.78-0.85以上，壓力比隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化較小，其燃氣初溫較高，因而本發(fā)明在全負荷、部份負荷及怠速時均保持較高的熱效率。
(6)由于雙螺桿式機構(gòu)陰陽轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，所以其扭振較小。
(7)發(fā)動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)較小，最高轉(zhuǎn)速在30000轉(zhuǎn)以下，加速性能較現(xiàn)有燃氣輪機大有提高。
(8)雙螺桿式機構(gòu)各部件對材料的要求不高，熱承受能力強，可使用價格較低的普通金屬材料，其制造成本低。
(9)該機同時還具有體積小、重量輕、單位功率的比重量在2kg/kw以下，其結(jié)構(gòu)較為緊湊，無易損件，使用維護方便。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步說明；
圖1為本發(fā)明的示意2為雙螺桿式機構(gòu)的主視、俯視、側(cè)視剖面3為雙螺桿式機構(gòu)循環(huán)液冷示意4為雙螺桿式機構(gòu)內(nèi)噴液冷示意5為雙螺桿式機構(gòu)作為透平時的工作過程6為雙螺桿式壓氣機的綜合特性曲線1為本發(fā)明的示意圖，(1)為雙螺桿式壓縮機；(2)為燃氣輪機中常用燃燒室；(3)雙螺桿式透平；壓縮機(1)向燃燒室(2)提供連續(xù)的壓縮空氣，并與噴入燃燒室(2)中的燃料混合燃燒。產(chǎn)生的高溫燃氣，在雙螺桿式透平(3)中連續(xù)膨脹做功，所作的功一部份用以驅(qū)動壓氣機(1)，剩余的用于驅(qū)動負荷及其它輔助機構(gòu)。
圖2為雙螺桿式機構(gòu)的主視、俯視、側(cè)視的剖面圖，作為壓縮機(1)和透平(2)使用的雙螺桿式機構(gòu)的氣缸(4)兩端分別有進氣口(5)及排氣口(6)，氣缸中平行配置有兩個按一定傳動比反向旋轉(zhuǎn)又相互嚙合的螺旋形陰轉(zhuǎn)子(7)、陽轉(zhuǎn)子(8)，其中陽轉(zhuǎn)子(8)上的陽螺桿部分具有螺旋形凸齒，陰轉(zhuǎn)子(7)上的陰螺桿部分具有螺旋形凹齒，轉(zhuǎn)子一端在伸出氣缸體外的部分設置有同步齒輪(9)，陰陽螺桿的嚙合線及陰陽螺桿的齒頂與氣缸內(nèi)壁的接觸線或面成間隙密封狀態(tài)。將其用作透平時，壓縮機的進氣口成了透平的排氣口，排氣口則成為透平的進氣口，作為透平時轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與作為壓縮機時的旋轉(zhuǎn)方向相反。
圖3為雙螺桿式機構(gòu)循環(huán)液冷示意圖，圖中雙螺桿式機構(gòu)的氣缸(4)上設有冷卻套(10)，內(nèi)通冷卻液進行循環(huán)液冷，使氣缸壁的溫度保持在正常工作范圍以內(nèi)，在陰陽轉(zhuǎn)子(7)、(8)內(nèi)部，沿齒向開有多個冷卻孔(11)，內(nèi)通冷卻液進行循環(huán)冷卻，使陰陽轉(zhuǎn)子的溫度保持在正常工作范圍。
圖4為雙螺桿式機構(gòu)內(nèi)噴水冷示意圖，圖中在陰陽轉(zhuǎn)子的每個齒上，由齒頂依次設置有多個徑向噴水孔(12)連通轉(zhuǎn)子的中心水道(13)，冷卻水在一定的壓力作用下經(jīng)中心水道(13)、噴水孔(12)噴入氣缸中對轉(zhuǎn)于及氣缸進行冷卻，噴出的水在氣缸內(nèi)受熱蒸發(fā)并隨燃氣排出。在氣缸外部輔于風冷。
圖5為雙螺桿式機構(gòu)作為透平時的工作過程圖，圖中(7)為陰轉(zhuǎn)子，(8)為陽轉(zhuǎn)子，(4)為∞形氣缸，(14)為齒間容積，作為透平時的雙螺桿機構(gòu)，與作為壓縮機時的結(jié)構(gòu)相同，其工作過程相反，圖5a是進氣過程，當相互嚙合的一對齒越入進氣口時，其在高壓區(qū)的齒間容積由零逐漸擴大，高溫燃氣填充進齒間容積；圖5b是進氣結(jié)束膨脹過程開始，在這對嚙合齒越過進氣口之后，進氣過程結(jié)束，此時齒間容積(14)與進排氣口(5)(6)均不連通，為一封閉容積；轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，齒間封閉容積不斷擴大。圖5c為膨脹過程結(jié)束排氣過程開始，當這一對齒間容積(14)與排氣口(6)連通后膨脹過程結(jié)束，排氣過程開始。圖5d為排氣過程，當這一對齒間容積(14)與排氣口(6)連通后，隨著轉(zhuǎn)子的繼續(xù)回轉(zhuǎn)這一對齒間容積逐漸減小，膨脹后的燃氣由排氣口排出，同時緊跟其后過來的下一對齒間容積亦繼續(xù)重復這一過程形成燃氣的連續(xù)膨脹。
圖6為雙螺桿式壓氣機的綜合特性曲線圖，橫坐標表示螺桿式壓氣機的壓力比，縱坐標表示螺桿式壓氣機的排氣量，ηad表示絕熱效率，n表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。該圖表示不同轉(zhuǎn)速時排氣V和壓力比τ的關(guān)系；同時也表示出不同工況下的絕熱效率曲線。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的20％-100％的范圍內(nèi)，其絕熱效率在0.75-0.85以上，壓力比隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化較小。在最高效率值附近存在一個相當寬廣的轉(zhuǎn)速和壓力比范圍，此范圍內(nèi)壓縮機效率的降低并不顯著。
權(quán)利要求
1.一種有雙螺桿式壓氣機及透平的燃氣輪機主要由壓氣機1、燃燒室2、透平3三部分組成，其特征在于壓氣機1和透平3均為雙螺桿式機構(gòu)組成，該雙螺桿式機構(gòu)的氣缸4兩端分別設置有進氣口5及排氣口6，氣缸4中平行配置有兩個按一定傳動比反向旋轉(zhuǎn)又相互嚙合的螺旋形陰陽轉(zhuǎn)子7、8，其中陽轉(zhuǎn)子8上的陽螺桿部分具有螺旋形氣齒，陰轉(zhuǎn)子7上的陰螺桿部分具有螺旋形凹齒，轉(zhuǎn)子一端在伸出氣缸體外的部分設置有同步齒輪9，陰陽螺桿的嚙合線及陰陽螺桿的齒頂與氣缸內(nèi)壁的接觸線或面成間隙密封狀態(tài)，作為透平使用的雙螺桿式機構(gòu)與作為壓縮機使用的雙螺桿式機構(gòu)其組成相同，但工作過程剛好相反。
2.如權(quán)利要求1所述的有雙螺桿式壓氣機及透平的燃氣輪機，其特征在于壓氣機1不少于一級，透平3不少于一級。
3.如權(quán)利要求1或2所述的有雙螺桿式壓氣機及透平的燃氣輪機，其特征在于；作為壓氣機1和透平3的雙螺桿機構(gòu)，其冷卻方式有三種(1)、循環(huán)液冷式缸體上設置有冷卻套，陰陽轉(zhuǎn)子內(nèi)部開有多個冷卻孔，孔的位置靠近累桿表面，沿齒旋方向開設，內(nèi)通循環(huán)冷卻液；(2)、內(nèi)噴水冷式在陰陽螺桿轉(zhuǎn)子上設置有多個徑向小孔，冷卻水以一定壓力由轉(zhuǎn)子中心通過小孔噴出對轉(zhuǎn)子及缸體進行冷卻；(3)、混合冷卻式即冷卻方案(1)、(2)的混合使用。
全文摘要
一種有雙螺桿式壓氣機及透平的燃氣輪機,該機由壓氣機、燃燒室和透平三部分組成,其壓氣機和透平均采用雙螺桿式機構(gòu),該機構(gòu)具有一個∞形氣缸,氣缸中平行配置有兩個按一定傳動比反向旋轉(zhuǎn)又相互嚙合的螺旋形陰陽轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子上陰陽螺桿的嚙合線及陰陽螺桿與氣缸內(nèi)壁的接觸面均成間隙密封狀態(tài),作為透平使用的雙螺桿式機構(gòu)與作為壓氣機使用的雙螺桿式機構(gòu),結(jié)構(gòu)相同,工作過程剛好相反。其可承受較高的燃氣初溫,無喘振現(xiàn)象,在最高效率值附近具有相當寬廣的轉(zhuǎn)速范圍。
文檔編號F02C3/00GK1176340SQ9611302
公開日1998年3月18日 申請日期1996年9月12日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月12日
發(fā)明者張紫凍 申請人:張紫凍