[发明专利]一种气道式燃气轮机

说明书

技术领域

本发明属于燃气轮机领域，涉及一种开式循环的燃气轮机，尤其是一种采用气道式燃气透平的气道式燃气轮机。

背景技术

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。

中国在公元十二世纪的南宋高宗年间就已有走马灯的记载，它是涡轮机(透平)的雏形。15世纪末，意大利人列奥纳多·达芬奇设计出烟气转动装置，其原理与走马灯相同。至17世纪中叶，透平原理在欧洲得到了较多应用。1905年，法国人勒梅尔和阿芒戈制成第一台能输出功的燃气轮机，但效率太低，因而未获得实用。

随着空气动力学的发展，人们掌握了压气机叶片中气体扩压流动的特点，解决了设计高效率轴流式压气机的问题，因而在30年代中期出现了效率达85％的轴流式压气机。与此同时，透平效率也有了提高。在高温材料方面，出现了能承受600℃以上高温的铬镍合金钢等耐热钢，因而能采用较高的燃气初温，于是等压加热循环的燃气轮机终于得到成功的应用。

随着高温材料的不断进展，以及透平采用冷却叶片并不断提高冷却效果，燃气初温逐步提高，使燃气轮机效率不断提高。单机功率也不断增大，在70年代中期出现了数种100兆瓦级的燃气轮机，最高能达到130兆瓦。

燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平等组成。压气机有轴流式和离心式两种，轴流式压气机效率较高，适用于大流量的场合。在小流量时，轴流式压气机因后面几级叶片很短，效率低于离心式。功率为数兆瓦的燃气轮机中，有些压气机采用轴流式加一个离心式作末级，因而在达到较高效率的同时又缩短了轴向长度。燃烧室和透平不仅工作温度高，而且还承受燃气轮机在起动和停机时，因温度剧烈变化引起的热冲击，工作条件恶劣，故它们是决定燃气轮机寿命的关键部件。为确保有足够的寿命，这两大部件中工作条件最差的零件如火焰筒和叶片等，须用镍基和钴基合金等高温材料制造，同时还须用空气冷却来降低工作温度。

这种采用叶片式的透平由于其恶劣的工作环境和苛刻的制造要求，使得透平的制造成本大大增大，并且其制造难度非常高，其中一些高难度的制造工艺只有少数技术成熟的国家掌握，且这些国家都对此进行技术封锁。

燃气轮机的未来发展趋势是提高效率、采用高温陶瓷材料或利用核能和发展燃煤技术。提高效率的关键是提高燃气初温，即改进透平，改进透平包括两种方案：一是通过改进其内部叶片的材料或者对叶片的冷却技术，使其更耐高温，更适合在恶劣的环境下运行；二是改变透平的整体结构，寻找一种比叶片更适合的结构方式来使高温燃气在其中进行膨胀做功。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种气道式燃气轮机，这种燃气轮机取消了现有技术中的叶片式透平，采用全新的透平结构，其是利用高温高压燃气在曲折气道快速通过而输出功率，具有体积小、结构强度高、所需压缩空气量少和节省燃料的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种气道式燃气轮机，包括压气机、燃烧室和燃气透平，其特征在于：所述燃气透平为轴向式，包含有一圆柱状气道转子，所述气道转子的轴心处固定安装有贯通轴，所述气道转子的体内靠近外周壁处轴向开设有多于一条的气道，所述气道由气道转子的上端面开始，在气道转子体内成曲折状穿绕一周后贯通至气道转子下端面并与设于气道转子下端面上的排气口连通，所述气道转子的上端面靠近外圈处开设有一圈进气槽，进气槽的底部设有进气口，进气口与气道连通，所述进气口上方设有燃气喷头，来自燃烧室的高温燃气由燃气喷头喷出，经进气槽和进气口进入气道中推动气道转子转动，最后气体通过排气口排出。

根据上述的圆柱状气道转子，所述燃气透平为径向式，即以半轴替代所述气道转子轴心处的贯通轴，所述气道转子轴心的一端为空心通道；所述气道转子的体内径向开设有多于一条的气道，所述气道由气道转子的周壁面开始，在气道转子体内穿绕后至气道转子的轴心并与空心通道贯通；所述气道转子的周壁上斜向开设有多于一个的侧向进气口，所述气道的一端与所述侧向进气口连通，所述气道转子的周壁上设有环形进气槽，所述侧向进气口处于环形进气槽内，所述环形进气槽以侧向进气口为界成渐进深度开设，所述环形进气槽的侧边设有燃气喷头，来自燃烧室的高温燃气由燃气喷头喷出，经环形进气槽和侧向进气口进入气道中推动气道转子转动，最后通过空心通道排出。

上述气道转子和贯通轴经轴承安装于轴向式壳体内，所述进气槽的两侧气道转子端面与轴向式壳体的内壁面采取非接触式径向曲路迷宫式密封。