有双螺杆式压气机及透平的燃气轮机 本发明属于燃气轮机技术领域。
在现有技术当中，燃气轮机主要由压气机、燃烧室、透平三大部分组成，其压气机、透平均由叶轮组成，该机在工作时空气被压气机吸入经增压后，送入燃烧室并与喷入燃烧室内的燃料混合燃烧，将燃烧所生成的具有一定压力的高温燃气引入透平，燃气在透平中膨胀做功后排入大气，透平所发出的功率一部份用于驱动压气机，剩余的向外输出，这种燃气轮机具有体积小、重量轻、功率大、起动迅速、振动小、排气污染小、润滑油耗量低、多种燃料适应性强，可用较便宜的石油燃料，如低质柴油、重油，其低温起动性能好，易维护保养等优点。在航空、发电、机车轮船以及交通运输等领域得到广泛应用。但目前燃气轮机还有一些易克服的弱点，首先是经济性差，特别是小型燃气轮机热效率一般仅百分之十几，其次需采用昂贵的耐高温材料制造各种受热部件，特别是涡轮叶片，致使小型燃气轮机的推广应用受到极大限制。
在整个燃气轮机的发展过程中人们一直在研究提高燃气轮机热效率和比功的问题，推动燃气轮机技术的发展及应用。燃气初温、循环增压比、压缩机及透平的内部效率是表征燃气轮机工作特性地重要参数，提高燃气初温、循环增压比、压缩机及透平的内部效率是提高燃气轮机热效率及比功的重要手段。
限制燃气初温提高的主要因素是涡轮机叶片在高温下的强度。目前，普遍使用的燃气轮机的燃气初温在800℃-1200℃，对于小功率燃气轮机，由于叶片冷更加困难故其燃气初较低，只有700℃-900℃。
循环增压比越高燃气轮机定压加热循环的热效率越高。目前多数燃气轮机的增压比在5-18的范围内，唯独航空燃气轮机可以达到25左右。当增温比和压缩机及透平的内部效率一定时，有相应于最高有效效率的最佳增压比。
本发明的目的在于，提供一种具有较高燃气初温、压力比随转子转速的变化波动较小的中小功率燃气轮机。
实现本发明的技术方案是：在燃气轮机中的压气机(1)和透平(3)均由双螺杆式机构组成，该螺杆式机构的气缸(4)两端分别设置有进气口(5)及排气口(6)，气缸中平行配置有两个按一定传动比反向旋转又相互啮合的螺旋形阴阳转子(7)、(8)，其中阳转子上的阳螺杆部分具有螺旋形凸齿，阴转子上的阴螺杆部分具有螺旋形凹齿，转子一端在伸出气缸体外的部分设置有同步齿轮(9)，阴阳螺杆的啮合线及阴阳螺杆的齿顶与气缸内壁的接触线或面成间隙密封状态，作为透平使用的双螺杆式机构与作为压缩机使用的双螺杆式机构其组成相同，但工作过程刚好相反。压气机1不少于一级，透平3不少于一级。作为压气机1和透平3的双螺杆机构，其冷却方式可有以下三种：
(1)、循环液冷式：缸体上设置有冷却水套，阴阳转子内部开有多个冷却孔，内通循环液体进行冷却；
(2)、内喷水冷式：在阴阳螺杆转子上设置有多个径向小孔，冷却水以一定压力由转子中心通过小孔喷出对转子及缸体进行冷却；
(3)、混合冷却式：即冷却方案(1)、(2)的混合使用。
由于该机采用双螺杆式机构，因而具有以下特点：
(1)作为压气机的双螺杆式机构，其级压力比与转子转速无关，即增压比不随发动机转速的变化而变化。如果只用作终级压缩机则最小总增压比为双螺杆式机构的级增压比。
(2)双螺杆式压缩机稳定工况范围较宽，无喘振现象，在最高效率值附近存在一个相当宽广的转速范围。
(3)由于该机对转子及缸体进行水冷，故其冷却效果远大于气膜等冷却方式。可保证气缸及转子与燃气接触的部位的温度低于350℃，转子内部温度不高于80℃-100℃，所以可采用较高的燃气初温。
(4)由于采用双螺杆式机构作为透平，其较强的冷却效果使透平对燃烧室出口处的燃气温度场的均匀程度要求较低，可缩小燃烧室的长度，简化结构。
(5)压气机及透平均有较高的绝热效率，当转子转速在额定转速的20％-100％的范围内，其绝热效率在0.78-0.85以上，压力比随转子转速的变化较小，其燃气初温较高，因而本发明在全负荷、部份负荷及怠速时均保持较高的热效率。
(6)由于双螺杆式机构阴阳转子的旋转方向相反，所以其扭振较小。
(7)发动机转子转速转较小，最高转速在30000转以下，加速性能较现有燃气轮机大有提高。
(8)双螺杆式机构各部件对材料的要求不高，热承受能力强，可使用价格较低的普通金属材料，其制造成本低。
(9)该机同时还具有体积小、重量轻、单位功率的比重量在2kg/kw以下，其结构较为紧凑，无易损件，使用维护方便。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明；
图1为本发明的示意图
图2为双螺杆式机构的主视、俯视、侧视剖面图
图3为双螺杆式机构循环液冷示意图
图4为双螺杆式机构内喷液冷示意图
图5为双螺杆式机构作为透平时的工作过程图
图6为双螺杆式压气机的综合特性曲线图
图1为本发明的示意图，(1)为双螺杆式压缩机；(2)为燃气轮机中常用燃烧室；(3)双螺杆式透平；压缩机(1)向燃烧室(2)提供连续的压缩空气，并与喷入燃烧室(2)中的燃料混合燃烧。产生的高温燃气，在双螺杆式透平(3)中连续膨胀做功，所作的功一部份用以驱动压气机(1)，剩余的用于驱动负荷及其它辅助机构。
图2为双螺杆式机构的主视、俯视、侧视的剖面图，作为压缩机(1)和透平(2)使用的双螺杆式机构的气缸(4)两端分别有进气口(5)及排气口(6)，气缸中平行配置有两个按一定传动比反向旋转又相互啮合的螺旋形阴转子(7)、阳转子(8)，其中阳转子(8)上的阳螺杆部分具有螺旋形凸齿，阴转子(7)上的阴螺杆部分具有螺旋形凹齿，转子一端在伸出气缸体外的部分设置有同步齿轮(9)，阴阳螺杆的啮合线及阴阳螺杆的齿顶与气缸内壁的接触线或面成间隙密封状态。将其用作透平时，压缩机的进气口成了透平的排气口，排气口则成为透平的进气口，作为透平时转子的旋转方向与作为压缩机时的旋转方向相反。
图3为双螺杆式机构循环液冷示意图，图中双螺杆式机构的气缸(4)上设有冷却套(10)，内通冷却液进行循环液冷，使气缸壁的温度保持在正常工作范围以内，在阴阳转子(7)、(8)内部，沿齿向开有多个冷却孔(11)，内通冷却液进行循环冷却，使阴阳转子的温度保持在正常工作范围。
图4为双螺杆式机构内喷水冷示意图，图中在阴阳转子的每个齿上，由齿顶依次设置有多个径向喷水孔(12)连通转子的中心水道(13)，冷却水在一定的压力作用下经中心水道(13)、喷水孔(12)喷入气缸中对转于及气缸进行冷却，喷出的水在气缸内受热蒸发并随燃气排出。在气缸外部辅于风冷。
图5为双螺杆式机构作为透平时的工作过程图，图中(7)为阴转子，(8)为阳转子，(4)为∞形气缸，(14)为齿间容积，作为透平时的双螺杆机构，与作为压缩机时的结构相同，其工作过程相反，图5a是进气过程，当相互啮合的一对齿越入进气口时，其在高压区的齿间容积由零逐渐扩大，高温燃气填充进齿间容积；图5b是进气结束膨胀过程开始，在这对啮合齿越过进气口之后，进气过程结束，此时齿间容积(14)与进排气口(5)(6)均不连通，为一封闭容积；转子继续旋转，齿间封闭容积不断扩大。图5c为膨胀过程结束排气过程开始，当这一对齿间容积(14)与排气口(6)连通后膨胀过程结束，排气过程开始。图5d为排气过程，当这一对齿间容积(14)与排气口(6)连通后，随着转子的继续回转这一对齿间容积逐渐减小，膨胀后的燃气由排气口排出，同时紧跟其后过来的下一对齿间容积亦继续重复这一过程形成燃气的连续膨胀。
图6为双螺杆式压气机的综合特性曲线图，横坐标表示螺杆式压气机的压力比，纵坐标表示螺杆式压气机的排气量，ηad表示绝热效率，n表示转子转速。该图表示不同转速时排气V和压力比τ的关系；同时也表示出不同工况下的绝热效率曲线。当转子转速在额定转速的20％-100％的范围内，其绝热效率在0.75-0.85以上，压力比随转子转速的变化较小。在最高效率值附近存在一个相当宽广的转速和压力比范围，此范围内压缩机效率的降低并不显著。