[发明专利]压气机独立驱动的燃气轮机

说明书

(一)技术领域：

本发明涉及一种内燃式热力机械，尤其是一种燃气轮机装置。

(二)背景技术：

燃气轮机是一种内燃式热力机械，具有重量轻、尺寸小、功率大等特点，在工业和交通运输等方面有广泛的应用。现有技术的燃气轮机装置主要由压气机(1)、燃烧室(2)、透平(3)等主要部件所组成。压气机(1)通过连接轴(9)与透平(3)联接在一起，压气机(1)由透平(3)来驱动并同速旋转。空气流入压气机(1)后，气体的压力增加，进入燃烧室(2)加热，流出的高温、高压燃气流过透平(3)进行膨胀做功。燃气轮机不能自启动，需配备有启动装置。当燃气轮机启动时，首先由启动装置将压气机(1)和透平(3)一起带动到某个自持转速，这时燃烧室(2)点火，压气机(1)在透平(3)的带动下转速继续增加，燃气轮机才可以运转起来。

由于压气机与透平同轴安装，两部件之间必须满足功率平衡和转速相等以及气动等方面的约束条件，当燃气轮机在低负荷状态工作时，则压气机常常需要在低转速的非设计状态下工作，使流入压气机的空气流量偏小，容易导致压气机发生旋转失速和喘振，这种非稳定的工作状态也会在燃气轮机的启动加速过程和停车减速过程中出现，为了防止压气机发生旋转失速和喘振，常常需要在燃气轮机启动与停车过程中对多级压气机采取中间级放气以及转动导叶和静叶等措施，增加了控制的难度，且放掉的空气量有时将超过流入压气机的空气流量的20％～30％，燃气轮机的热力循环工作效率降低较多。因此，现有技术的燃气轮机并不适合在低转速、低负荷状态下工作。

此外，燃气轮机中的透平必须先满足压气机的功率要求，剩余的功率才能作为输出功率，而这个输出功率往往占透平总功率的一半不到，导致其热效率较低。为了提高燃气轮机的热效率，就必须提高透平进口的燃气温度，并相应提高压气机的总增压比。高透平进口燃气温度对透平叶片等的材料耐热性能以及冷却等提出了更苛刻的要求，增加了透平的设计技术难度和制造成本；而要实现更高的增压比，常常需要更多的压气机级数，级数多和总增压比高都使得压气机在非设计状态下工作时更容易出现前、后级工作的不协调，也更容易发生旋转失速和喘振，使燃气轮机的设计、制造和工作过程的控制与调节更加困难。从结构上来看，压气机和透平级数增加，使其联接轴加长，结构设计困难，加工成本也将上升。

1905年，瑞士的A.比希曾提出了柴油机-压气机-透平复合装置的方案，并在1911～1914年间进行了样机试验。在这种复合式动力装置中，主体为柴油机，而压气机和透平只作为辅助装置，且压气机与透平之间没有独立的燃烧室，压气机流出的高压气体也与透平工作无关，透平则是利用柴油机的高温、高压排气来驱动，压气机增压后的气体作为柴油机的进气。经过几十年的研究，除废气透平增压装置已获得广泛应用外，其他各类复合式装置由于过于复杂仅在特定的使用场合得到有限的发展。

(三)发明内容：

为克服现有技术存在的一些不足，本发明提出了一种压气机独立驱动的燃气轮机装置。

本发明与现有技术的主要区别在于：燃气轮机装置由压气机(1)、燃烧室(2)、透平(3)及独立动力装置(5)组成；压气机轴(6)与透平轴(8)分离；透平(3)发出的功率全部输出带动外部负载；独立动力装置(5)的工作可不受压气机(1)和透平(3)工作状态的影响，可以独立改变输出功率，其动力输出轴(7)与压气机转轴(6)相连，驱动压气机(1)旋转工作；独立动力装置(5)采用诸如往复活塞式内燃机(汽油机或柴油机)、三角转子发动机、电动机、蒸汽轮机、废气能量回收透平或者燃气轮机等；独立动力装置(5)位于压气机(1)的气流进口一侧，也可以布置在压气机(1)的气流出口一侧。压气机轴(6)与透平轴(8)无直接机械联系，则两轴中心线之间的夹角(10)可以为0°～180°之间的任意值。

在该燃气轮机装置中，其基本工作原理为空气经压气机(1)压缩后，流入燃烧室(2)加热，流出的高温、高压燃气在透平(3)中膨胀做功。独立动力装置(5)不但是压气机工作的动力来源，还兼具有燃气轮机启动装置的功能，它不受燃烧室(2)、透平(3)等部件中气体流动参数变化的影响，可以独立改变工作状态，使压气机的工作状态改变更方便、灵活。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：