尧式三型低品位燃气外热式涡轮发动机.pdf

用尧式三型涡轮发动机和特种燃烧系统组成一台尧式三型低品位燃气外热式涡轮发动机。涡轮发动机由两级涡轮、涡轮轴、增压泵轮和胀室壳体组成。膨胀室壳体的下方有一个进风架；在进风口上方有一个固定安装于第一涡轮轴上的增压泵轮。特种燃烧系统由储气罐、防回火器、空燃比调节器、气体增压器和电热丝网燃烧室组成，其出口与螺壳涡轮发动机膨胀室壳体下端相连通或与和换热涡轮发动机膨胀室壳体低热阻连接的壳体换热器相连通，从特种燃烧系统产生的热气使膨胀室壳体内的气体升温膨胀并转换成高品位机械能输出。本发明可将煤矿、油田等企业在开采提炼过程中产生的有害气体用低廉的成本方式转化为输出动力或电能，既能解除污染，又节约了宝贵的能源。

1.  尧式三型低品位燃气外热式涡轮发动机，由尧式三型涡轮发动机和特种燃烧系统组成；低品位燃气包括煤矿油田开采提炼过程中产生的稀薄可燃气体及其混合物；尧式三型涡轮发动机由两级涡轮、两个涡轮轴、增压泵轮和膨胀室壳体组成；第一级涡轮与增压泵轮和内齿圈连接；第二级涡轮与行星架连接；行星架上均布有三个行星轮；内齿圈、行星架、三个行星轮和太阳轮一起构成一个行星动力汇流升速器，太阳轮作为行星动力汇流升速器的输出端连接发电机，采用特种燃烧系统的出口与膨胀室壳体下端相连通，膨胀室壳体上制有螺旋上升并且截面逐渐缩小的半圆形螺壳热气流道，从特种燃烧系统喷出的热气通过此螺壳热气流道进入膨胀室壳体并转换成高品位机械能输出；或者采用特种燃烧系统的出口与和膨胀室壳体低热阻连接的换热器相连通，从特种燃烧系统喷出的热气通过换热器使膨胀室壳体内的气体升温膨胀并转换成高品位机械能输出，其特征在于含有一个由储气罐、防回火器、空燃比调节器、气体增压器和电热丝网燃烧室组成的特种燃烧系统。

2.  根据权利要求1所述的发动机，其特征在于特种燃烧系统的出口与和膨胀室壳体一体制造的壳体换热器相连通。

3.  根据权利要求1或2所述的发动机，其特征在于在增压泵轮的上方含有一个钟型整流罩和/或在第一级涡轮的下方含有一个钟型整流罩。

4.  根据权利要求1或2所述的发动机，其特征在于两级涡轮通过一个具有两个同心安装旋转方向相反的输入端和一个输出端的行星动力汇流升速器形成动力汇流。

5.  根据权利要求1或2所述的发动机，其特征在于膨胀室壳体含有绝热层。

尧式三型低品位燃气外热式涡轮发动机
所属技术领域
本发明涉及尧式三型低品位燃气外热式涡轮发动机。
背景技术
低品位燃料，本发明只是指某种可燃气体或多种可燃气体，与其它气体混合在一起，并且所占的比例很小，小到已经失去了商业应用价值，所以低品位燃料是稀薄的、分散的、不稳定的。低品位燃料一般很难点燃，即使点燃，也会自动熄火：即使持续燃烧，温度也很低。在煤矿、油田等企业在开采和提炼过程中，如果将这些低品位燃料直接排放到大气中，会产生空气污染，加以净化处理又要消耗成本。
发明内容
本发明的目的是要提供尧式三型低品位燃气外热式涡轮发动机。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：用尧式三型涡轮发动机和特种燃烧系统组成一台尧式三型低品位燃气外热式涡轮发动机。低品位燃气包括煤矿油田开采提炼过程中产生的稀薄可燃气体及其混合物。尧式三型涡轮发动机由两级涡轮、两个涡轮轴、增压泵轮和膨胀室壳体组成。第一级涡轮与增压泵轮和内齿圈连接：第二级涡轮与行星架连接：行星架上均布有三个行星轮：内齿圈、行星架、三个行星轮和太阳轮一起构成一个行星动力汇流升速器，太阳轮作为行星动力汇流升速器的输出端连接涡轮发电机。特种燃烧系统由储气罐、防回火器、空燃比调节器、气体增压器和电热丝网燃烧室组成。采用特种燃烧系统的出口与膨胀室壳体下端相连通，膨胀室壳体上制有螺旋上升并且截面逐渐缩小的半圆形螺壳热气流道，从特种燃烧系统喷出的热气通过此螺壳热气流道进入膨胀室壳体并转换成高品位机械能输出：或者采用特种燃烧系统的出口与和膨胀室壳体低热阻连接的换热器相连通，从特种燃烧系统喷出的热气通过换热器使膨胀室内的气体升温膨胀并转换成高品位机械能输出。
作为对上述技术方案的改进：采用和尧式三型涡轮发动机膨胀室壳体一体制造的壳体换热器：采用两级涡轮通过一个具有两个同心安装旋转方向相反的输入端和一个输出端的行星动力汇流升速器形成动力汇流：在增压泵轮上方设置钟型整流罩和/或第一级涡轮的下方设置钟型整流罩：以及对膨胀室壳体采用绝热层。
本发明的有益效果包括：可将煤矿、油田等企业在开采和提炼过程中产生的这些有害气体用低廉的成本方式转化为输出动力或电能，既能解除污染，又节约了宝贵的能源，拥有极高的经济价值。利用壳体换热器制式的工作方式，由于不再使用强制气体增压技术，将热气直接灌入到有一定低压的膨胀室内，仅需使用普通排风扇就能完成，所以可以大大降低发动机自身的巨大能耗。此种工作制式也非常适合热电厂、水泥厂、钢铁厂、各种炉窑的废热和地热与涡轮发动机内的气体换热，并将其转化成高品位机械能输出。
特种燃烧系统与低品位螺壳或换热式涡轮发动机相结合，共有五种不同结构和十种组合方式，本发明尧式三型低品位燃气外热式涡轮发动机采用增压泵轮可使膨胀室内的气体获得一定的压力，从而使得涡轮发动机的效率得到提升。采用两级涡轮可进一步提高发动机的效率。膨胀室内采用螺旋上升并且截面逐渐缩小的半圆形热气流道可以充分利用热气流的动能，并使热气流对空气的加热处于最佳状态，也有利于动力涡轮的利用。
本发明采用无外壳的行星动力汇流升速器还使得两级涡轮具有自适应能力从而使涡轮发电机组系统始终处于最佳匹配和最高效率状态。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1和图2是尧式三型低品位燃气外热式涡轮发动机两个实施例的结构剖示图。
图中1.特种燃烧系统，2.尧式三型螺壳涡轮发动机，3.储气罐，4.防回火器，5.空燃比调节器，6.气体增压器，7.电热丝网燃烧室，8.第一级涡轮，9.第二级涡轮，10.第一涡轮轴，11.第二涡轮轴，12.增压泵轮，13.膨胀室壳体，14.内齿圈，15.行星架，16.行星轮，17.太阳轮，18.发电机，19.钟型整流罩，20.进风架，21.螺壳热气流道，22.尧式三型换热涡轮发动机，23.壳体换热器，24.换热器出口。
具体实施方式
在图1中，特种燃烧系统1和尧式三型螺壳涡轮发动机2组成一台尧式三型低品位燃气螺壳涡轮发动机。特种燃烧系统1由储气罐3、防回火器4、空燃比调节器5、气体增压器6和电热丝网燃烧室7组成。尧式三型螺壳涡轮发动机2由第一级涡轮8和第二级涡轮9、第一涡轮轴10、第二涡轮轴11、增压泵轮12和膨胀室壳体13组成。第一级涡轮8与增压泵轮12和内齿圈14连接：第二级涡轮9与行星架15连接：第一级涡轮8的旋转方向与第二级涡轮9的相反。行星架15上均布有三个行星轮16：内齿圈14、行星架15、三个行星轮16和太阳轮17一起构成一个具有两个同心安装旋转方向相反的输入端和一个输出端的行星动力汇流升速器，太阳轮17作为行星动力汇流升速器的输出端连接发电机18。在增压泵轮12上方和第一级涡轮8的下方各设置一个钟型整流罩19。在膨胀室壳体13的下方含有一个进风架20。膨胀室壳体13上制有螺旋上升并且截面逐渐缩小的半圆形螺壳热气流道21。特种燃烧系统1的电热丝网燃烧室7的出口与膨胀室壳体下端13相连通。从电热丝网燃烧室7的出口喷出的热气通过螺壳热气流道21进入膨胀室壳体13并转换成高品位机械能输出。膨胀室壳体13带有绝热层以减少热损。
图1所示实施例的工作原理为：储气罐3中的低品位燃气经过防回火器4，被气体增压器6泵送进电热丝网燃烧室7。空燃比调节器5通过控制空气的流入量来调节进入电热丝网燃烧室7的低品位燃气的浓度，确保涡轮发动机系统工作稳定高效。进入电热丝网燃烧室7的混合气体被电热丝网点燃并充分彻底燃烧。燃烧产生的热气进入螺壳热气流道21。由于这些热气具有热能和动能，而螺壳热气流道21为充分利用热气气流的动能提供了条件。在螺壳热气流道21附近，热气与从进风架20进入膨胀室壳体13的增压空气充分换热并使空气膨胀产生势能。这些势能和动能共同推动第一级涡轮8转动，并通过第一涡轮轴10带动增压泵轮12使得从进风架20进入膨胀室壳体13的空气增压。增压的空气经热气加热产生更大的压力，推动第一级涡轮8加速转动。这又使得增压泵轮12的增压作用进一步增强，由此形成雪崩反应，使涡轮发动机迅速达到满功率输出。这些输出功率通过发电机18转化为电能输出。
在图2中，特种燃烧系统1和尧式三型换热涡轮发动机22组成一台尧式三型低品位燃气换热涡轮发动机。特种燃烧系统1由储气罐3、防回火器4、空燃比调节器5、气体增压器6和电热丝网燃烧室7组成。尧式三型换热涡轮发动机22由第一级涡轮8和第二级涡轮9、第一涡轮轴10、第二涡轮轴11、增压泵轮12和膨胀室壳体13组成。第一级涡轮8与增压泵轮12和内齿圈14连接：第二级涡轮9与行星架15连接：第一级涡轮8的旋转方向与第二级涡轮9的相反。行星架15上均布有三个行星轮16：内齿圈14、行星架15、三个行星轮16和太阳轮17一起构成一个具有两个同心安装旋转方向相反的输入端和一个输出端的行星动力汇流升速器，太阳轮17作为行星动力汇流升速器的输出端连接发电机18。在增压泵轮12上方和第一级涡轮8的下方各设置一个钟型整流罩19。在膨胀室壳体13的下方含有一个进风架20。壳体换热器23与膨胀室壳体13一体制造。特种燃烧系统1的电热丝网燃烧室7的出口与壳体换热器23相连通。从电热丝网燃烧室7的出口喷出的热气通过壳体换热器23将膨胀室壳体13内的空气加热，自身冷却后从换热器出口24进入大气。转移到膨胀室壳体13内空气中的热能由尧式三型换热涡轮发动机22转换成高品位机械能输出。壳体换热器23带有绝热层以减少热损。
图2所示实施例的工作原理为：储气罐3中的低品位燃气经过防回火器4，被气体增压器6泵送进电热丝网燃烧室7。空燃比调节器5通过控制空气的流入量来调节进入电热丝网燃烧室7的低品位燃气的浓度，使系统工作更稳定有效。进入电热丝网燃烧室7的混合气体被电热丝网点燃并充分彻底燃烧。燃烧产生的热气进入壳体换热器23，与从进风架20进入膨胀室壳体13的增压空气充分换热并使空气膨胀产生势能。这些势能推动第一级涡轮8转动，并通过第一涡轮轴10带动增压泵轮12使得从进风架20进入膨胀室壳体13的空气增压。增压的空气经热气加热产生更大的压力，推动第一级涡轮8加速转动。这又使得增压泵轮12的增压作用进一步增强，由此形成雪崩反应，使涡轮发动机迅速达到满功率输出。这些输出功率通过发电机18转化为电能输出。
这里要强调：图1实施例中由于增压泵轮12的转动使膨胀室壳体13内的气体按照螺旋曲线旋转。螺壳热气流道21的角度与增压泵轮12产生的旋转气流的运动方向相同，从而增强了气流运动能量，更有利于两级涡轮的动能利用。
还需要指出：图1和图2实施例中，第一级涡轮8只吸收了一部分膨胀的能量做功，将剩余的能量留给第二级涡轮9继续吸收做功。第一级涡轮8所做的功一部分通过第一涡轮轴10传递给增压泵轮12，另一部分功率传递给内齿圈14。第二级涡轮9通过第二级涡轮轴11将功率传递给行星架15。这两个涡轮在行星动力汇流升速器中完成动力汇流并通过太阳轮20传递给发电机21转化为电能输出。行星动力汇流升速器还使涡轮发动机系统始终处在效率曲线的高位运行。
现有的燃气外热式涡轮发动机都设有多级导轮机构，在许多场合它们都具有有益效果。但经我们研究发现：导轮机构的存在同时也使发动机的结构复杂化，而且还影响发动机的工作效率。如果能够采用可逆性的涡轮和泵轮来取代导轮，既可以简化结构，又能大大提高工作效率。所以这里不采用导轮。
本发明的技术要求为：当两只旋转方向相反的涡轮均为125转/分时，行星动力汇流升速器升速比为6∶1，带动750转/分的50赫兹交流发电机并网发电。
顺便指出，图1实施例由于气体增压器6耗用的功率很大，将燃气直接灌入到膨胀室壳体13内的方式，价值不一定很大。因此也可采用图2实施例的方法：采用壳体换热器23为低品位发动机提供热能，并将其转化成高品位机械能输出。这两种方式哪种更好，须由实验决定。