專利名稱：多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是一種采用多種工質(zhì)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
美國專利第4248039號公開了一種雙工質(zhì)平行復(fù)合循環(huán)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。隨后的幾十年間，人們也對這種雙工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)提出不少改進(jìn)。在這種雙工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃?xì)馀c蒸汽一起進(jìn)入渦輪做工，顯著提高燃?xì)庑?。但是，由于蒸汽的回注，也?dǎo)致了燃?xì)鉁囟鹊慕档?。而燃?xì)鉁囟鹊慕档鸵苍斐闪巳細(xì)庾陨碜龉つ芰Φ慕档?。另外，這種雙工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣同時(shí)含有燃?xì)夂驼羝?。燃?xì)庵泻卸喾N雜質(zhì)， 在回收蒸汽的過程中，需要除掉各種雜質(zhì)，因此工藝較復(fù)雜。而且，燃?xì)馀c蒸汽混合在一起， 排氣量非常大，需要非常龐大的回收/冷凝設(shè)備，使得蒸汽的回收變得異常困難。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提出一種多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，以期可以解決至少一種前述問題。本發(fā)明提出一種多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，所述多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)有第一工質(zhì)進(jìn)氣通道和第二工質(zhì)進(jìn)氣通道，所述第一工質(zhì)進(jìn)氣通道和第二工質(zhì)進(jìn)氣通道構(gòu)造成用以將第一工質(zhì)和第二工質(zhì)分別引入所述渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪的不同渦輪部做工。在一實(shí)施例中，所述多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在所述渦輪的排氣側(cè)設(shè)有第一工質(zhì)排氣通道和第二工質(zhì)排氣通道，所述第一工質(zhì)排氣通道設(shè)置成實(shí)質(zhì)上僅接收做工后的第一工質(zhì)， 所述第二工質(zhì)排氣通道設(shè)置成實(shí)質(zhì)上僅接收做工后的第二工質(zhì)。在一實(shí)施例中，所述渦輪的不同渦輪部形成進(jìn)氣分界線，所述第一工質(zhì)排氣通道和第二工質(zhì)排氣通道在所述渦輪排氣側(cè)形成工質(zhì)接收分界線，所述工質(zhì)接收分界線在所述渦輪的旋轉(zhuǎn)方向上相對于所述進(jìn)氣分界線偏轉(zhuǎn)一角度，使得所述做工后的第一工質(zhì)實(shí)質(zhì)上全部進(jìn)入所述第一工質(zhì)排氣通道以及所述做工后的第二工質(zhì)實(shí)質(zhì)上全部進(jìn)入所述第二工質(zhì)排氣通道。其中，所述角度可根據(jù)渦輪前壓力與溫度、進(jìn)氣/排氣流道設(shè)計(jì)參數(shù)、渦輪轉(zhuǎn)速、排氣背壓綜合確定。在一實(shí)施例中，所述第二工質(zhì)包括蒸汽，所述多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括水回收系統(tǒng)， 用以將經(jīng)所述第二工質(zhì)排氣通道排出的蒸汽回收至所述第二工質(zhì)進(jìn)氣通道作為第二工質(zhì)繼續(xù)使用。在一實(shí)施例中，所述水回收系統(tǒng)包括冷凝裝置，其設(shè)置成用以將所述第二工質(zhì)排氣通道內(nèi)的蒸汽冷凝為液態(tài)水以降低渦輪排氣背壓。在一實(shí)施例中，所述水回收系統(tǒng)包括換熱器，所述換熱器利用所述第一工質(zhì)排氣通道內(nèi)的第一工質(zhì)和所述第二工質(zhì)排氣通道內(nèi)的第二工質(zhì)至少其中之一的熱量來加熱被所述冷凝裝置冷凝之后的第二工質(zhì)。在一實(shí)施例中，在發(fā)動(dòng)機(jī)未工作時(shí)，水存儲(chǔ)于回收系統(tǒng)中，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，所述水被所述第二工質(zhì)排氣通道內(nèi)的第二工質(zhì)加熱成蒸汽。
在一實(shí)施例中，所述渦輪包括多級渦輪。在另一實(shí)施例中，所述第一工質(zhì)包括燃?xì)?，所述第二工質(zhì)包括蒸汽，所述多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括用于提供所述燃?xì)獾娜紵乙约坝糜谔峁┧稣羝恼羝仩t。在上述實(shí)施例中，不同工質(zhì)在渦輪的不同渦輪部上做工，因此可以綜合不同工質(zhì)的優(yōu)勢。而且，也由于不同工質(zhì)在不同的渦輪部上做工，這使得不同工質(zhì)的單獨(dú)回收成為可能。


圖1是顯示不同工質(zhì)在渦輪的不同渦輪部做工的概念示意圖。圖2是渦輪的軸向平面示意圖，例示出一種渦輪部的劃分。圖3是渦輪的簡化示意圖，說明工質(zhì)排氣相對工質(zhì)進(jìn)氣的偏轉(zhuǎn)角度。圖4是渦輪進(jìn)氣和排氣構(gòu)造的側(cè)視組合圖。圖5是圖4的渦輪進(jìn)氣和排氣構(gòu)造的分解圖。圖6是圖4的渦輪進(jìn)氣和排氣構(gòu)造另一角度的分解圖。圖7是徑向流渦輪的進(jìn)氣和排氣構(gòu)造的示意圖。圖8是圖7的徑向流渦輪的進(jìn)氣和排氣構(gòu)造的另一角度示意圖。圖9是二級渦輪的簡化示意圖，說明工質(zhì)排氣相對于工質(zhì)進(jìn)氣的偏轉(zhuǎn)角度。圖10是渦輪的軸向示意圖，例示出渦輪部的另一種劃分。圖11是應(yīng)用本申請創(chuàng)新概念的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)施例的系統(tǒng)示意圖。圖12是應(yīng)用本申請創(chuàng)新概念的另一種渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)施例的系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施例方式在詳細(xì)描述實(shí)施例之前，應(yīng)該理解的是，本發(fā)明不限于本申請中下文或附圖中所描述的詳細(xì)結(jié)構(gòu)或元件排布。本發(fā)明可為其它方式實(shí)現(xiàn)的實(shí)施例。而且，應(yīng)當(dāng)理解，本文所使用的措辭及術(shù)語僅僅用作描述用途，不應(yīng)作限定性解釋。本文所使用的“包括”、“包含”、 “具有”等類似措辭意為包含其后所列出之事項(xiàng)、其等同物及其它附加事項(xiàng)。例如，當(dāng)描述裝置A包括第一 B元件和第二 B元件時(shí)，除特別聲明外，這種描述并不排除該裝置可包含第三 B元件或更多的B元件的可能性。除特別聲明外，“安裝”、“連接”和“支撐”等類似措辭應(yīng)作廣義解釋，包含直接及間接的安裝、連接、支撐。此外，“連接”不限于物理的或機(jī)械的連接。圖1是多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪部分的概念示意圖。多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪20 接收工質(zhì)以將工質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。如圖所示，第一工質(zhì)和第二工質(zhì)分別被引入渦輪 20的不同做工部位或渦輪部以分別在不同的渦輪部膨脹做工。同時(shí)參考圖2，其為渦輪的軸向平面示意圖。渦輪20包括第一渦輪部20A和第二渦輪部20B，第一渦輪部20A和第二渦輪部20B的分界線為C1-0-C2 (0為渦輪20圓心)，其中第一渦輪部20A和第二渦輪部20B 用于分別接收第一工質(zhì)和第二工質(zhì)，使得第一渦輪部20A實(shí)質(zhì)上僅將第一工質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，第二渦輪部20B實(shí)質(zhì)上僅將第二工質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。第一工質(zhì)和第二工質(zhì)在渦輪20中做工后，可以根據(jù)需要進(jìn)行處理，例如被排放或者是回收等。需要指出的是，在此將渦輪20分為第一渦輪部20A和第二渦輪部20B是為了更好地展示第一工質(zhì)和第二工質(zhì)被引入渦輪的不同部位做工的這個(gè)概念。為此，在此定義的第一渦輪部20A和第二渦輪部20B并不是渦輪20上的特定的固定部位，而是指在給定時(shí)刻被分界線C1-0-C2劃分的不同部位。例如，在圖2的例子中，分界線C1-0-C2是水平的，因此在給定時(shí)刻，旋轉(zhuǎn)至水平分界線C1-0-C2上方的渦輪部位被定義為第一渦輪部20A，而旋轉(zhuǎn)至水平分界線C1-0-C2下方的渦輪部位被定義為第二渦輪部20B。作為一種實(shí)施例，第一工質(zhì)可以包括燃?xì)?，第二工質(zhì)可以包括水或者蒸汽(水在系統(tǒng)的不同階段可能呈液態(tài)或氣態(tài)形式)。燃?xì)夂驼羝悄壳皽u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用最普遍的兩種工質(zhì)。其中，燃?xì)馐侨剂先紵蟮娜紵a(chǎn)物，而燃料可以是例如汽油、天然氣、丙烷、柴油、煤油，也可以是可再生燃料，例如E85酒精汽油、生物柴油及生物氣體等等。但是，本發(fā)明的不同工質(zhì)在渦輪的不同部分做工的概念并不排斥其它不同工質(zhì)的組合。當(dāng)?shù)谝还べ|(zhì)包括燃燒產(chǎn)物，第二工質(zhì)包括蒸汽時(shí)，該多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上是將根據(jù)布雷頓循環(huán)的做工與根據(jù)朗肯循環(huán)的做工整合在同一個(gè)動(dòng)力渦輪上進(jìn)行做工。相對于現(xiàn)有的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)而言，這樣可以使渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)組的結(jié)構(gòu)更加緊湊。通常而言， 燃?xì)膺M(jìn)渦輪前的溫度越高，其做工能力就越高，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率也就越高。但隨著燃?xì)鉁囟鹊奶岣?，對渦輪部件如葉片的耐熱能力也提出更大挑戰(zhàn)。一般布雷頓循環(huán)的工質(zhì)溫度高達(dá)1000多攝氏度，有的甚至超過2000攝氏度，而朗肯循環(huán)的工質(zhì)溫度相對要低很多，通常低于700攝氏度。在該多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃?xì)夂驼羝跍u輪的不同渦輪部各自做工，因此在任一時(shí)刻，渦輪只有一部分接收高溫燃?xì)獾母邷兀硪徊糠纸邮照羝南鄬Φ蜏?，而隨著渦輪不停地旋轉(zhuǎn)，之前接收高溫的那一部分渦輪部會(huì)不斷地旋轉(zhuǎn)至接收蒸汽的部位而被蒸汽冷卻。由于燃?xì)夂驼羝诓煌臏u輪部單獨(dú)做工，因此，雖然蒸汽不斷地冷卻之前接收燃?xì)飧邷氐哪切u輪部，但不會(huì)降低燃?xì)獾母邷?，即燃?xì)膺M(jìn)渦輪前的溫度。換句話說，高溫燃?xì)獾淖龉つ芰]有因蒸汽的加入而被削弱。如圖3，為渦輪20的一個(gè)簡化示意圖，其以單級軸向流渦輪為例進(jìn)行說明。在這個(gè)簡化示意圖中，渦輪20以圓柱表示，并未畫出渦輪的葉片等具體結(jié)構(gòu)，其例如沿箭頭所示的順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。圓柱20的兩個(gè)相對面22和M分別表示渦輪的進(jìn)氣側(cè)22和排氣面對。假定第一渦輪部20A和20B各占一半，即兩個(gè)渦輪部的分界線C1-0-C2 (其中0為渦輪圓心)將渦輪等分成兩半，則分界線C1-0-C2的一側(cè)，例如分界線上方進(jìn)第一工質(zhì)(例如， 燃?xì)?，另一側(cè)，例如分界線下方進(jìn)第二工質(zhì)(例如，蒸汽)。換句話說，第一工質(zhì)和第二工質(zhì)在渦輪20進(jìn)氣側(cè)22上的進(jìn)氣分界線為C1-0-C2。由于渦輪20不斷旋轉(zhuǎn)，穿過渦輪20的工質(zhì)也會(huì)被帶動(dòng)沿該順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，當(dāng)做工后的工質(zhì)離開渦輪20時(shí)，其會(huì)相對于進(jìn)渦輪前的狀態(tài)在渦輪20的旋轉(zhuǎn)方向上整體偏移一定角度a。即，做工后的第一工質(zhì)和第二工質(zhì)在渦輪20排氣側(cè)M上的排氣分界線Cl’-0-C2’相對于進(jìn)氣分界線C1-0-C2在渦輪 20的旋轉(zhuǎn)方向上偏移角度a。如果需要分別處理從渦輪20排出的第一工質(zhì)和第二工質(zhì)，則需要考慮這一偏轉(zhuǎn)角度a。應(yīng)當(dāng)理解的是，圖3僅示出渦輪的轉(zhuǎn)子部分，以說明工質(zhì)在離開渦輪時(shí)相對于渦輪前時(shí)的這種整體偏轉(zhuǎn)。該偏轉(zhuǎn)角度a與渦輪前壓力與溫度、進(jìn)氣/排氣流道設(shè)計(jì)參數(shù)、渦輪轉(zhuǎn)速、排氣背壓等參數(shù)有關(guān)。例如，渦輪前壓力和溫度越高，渦輪轉(zhuǎn)速越低，排氣背壓越低，該偏轉(zhuǎn)角度a 就越小。反之，則偏轉(zhuǎn)角度a越高。該偏轉(zhuǎn)角度a可以經(jīng)由計(jì)算得到，也可以通過計(jì)算機(jī)模擬或?qū)嶒?yàn)的方法得到。
圖4-6為渦輪的工質(zhì)進(jìn)氣和排氣通道的一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其以單級渦輪120 為例來說明，且在圖6的立體圖中，為圖示清楚，未畫出與渦輪結(jié)合的轉(zhuǎn)軸。渦輪120包括渦輪靜子(也叫噴嘴環(huán))122和渦輪轉(zhuǎn)子124。靜子122具有第一導(dǎo)向部122A和第二導(dǎo)向部122B。渦輪轉(zhuǎn)子IM具有被進(jìn)氣分界線Dl-0-D2(其中0為渦輪120圓心)劃分的第一渦輪部124A和第二渦輪部124B。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在渦輪120進(jìn)氣側(cè)設(shè)有相互獨(dú)立的第一工質(zhì)進(jìn)氣管1 和第二工質(zhì)進(jìn)氣管128。第一工質(zhì)進(jìn)氣管126與渦輪靜子122的第一導(dǎo)向部 122A流體相通，以將第一工質(zhì)引至靜子122的第一導(dǎo)向部122A，然后經(jīng)由第一導(dǎo)向部122A 而被導(dǎo)向至渦輪轉(zhuǎn)子124的第一渦輪部124A做工。因此，第一工質(zhì)進(jìn)氣管1 和渦輪靜子 122的第一導(dǎo)向部122A(具體而言，是第一導(dǎo)向部122A的葉片之間的通道)形成了第一工質(zhì)進(jìn)氣通道，將第一工質(zhì)引至渦輪的第一渦輪部124A做工。第二工質(zhì)進(jìn)氣管1 與渦輪靜子122的第二導(dǎo)向部122B流體相通，已將第二工質(zhì)引至靜子122的第二導(dǎo)向部122B，然后經(jīng)由第二導(dǎo)向部122B而被導(dǎo)向至渦輪轉(zhuǎn)子124的第二渦輪部124B做工。因此，第二工質(zhì)進(jìn)氣管1 和渦輪靜子122的第二導(dǎo)向部122B (具體而言，是第二導(dǎo)向部122B的葉片之間的通道)形成了第二工質(zhì)進(jìn)氣通道，將二工質(zhì)引至渦輪的第二渦輪部124B。第一工質(zhì)和第二工質(zhì)做完工后離開渦輪轉(zhuǎn)子124的第一和第二渦輪部124A、 124B。如果想要分別處理離開的第一工質(zhì)和第二工質(zhì)，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)可在渦輪120排放側(cè)設(shè)置相互獨(dú)立的第一工質(zhì)排氣管或通道130和第二工質(zhì)排氣管或通道132。第一工質(zhì)排氣通道130與第一渦輪部124A流體相通以實(shí)質(zhì)上僅接收在第一渦輪部124A上做工的第一工質(zhì)，第二工質(zhì)排氣通道132與第二渦輪部124B流體相通以實(shí)質(zhì)上僅接收在第二渦輪部124B 上做工的第二工質(zhì)。如前所述，當(dāng)做工后的工質(zhì)離開渦輪時(shí)，其會(huì)相對于進(jìn)渦輪前的狀態(tài)在渦輪的旋轉(zhuǎn)方向上整體一定偏轉(zhuǎn)角度。即，第一工質(zhì)和第二工質(zhì)的排氣分界線Dl’ -0-D2’相對于進(jìn)氣分界線D1-0-D2在渦輪轉(zhuǎn)子IM的旋轉(zhuǎn)方向上偏轉(zhuǎn)一定角度。因此，接收第一工質(zhì)的第一工質(zhì)排氣通道130和接收第二工質(zhì)的第二工質(zhì)排氣通道132形成的工質(zhì)接收分界線也應(yīng)當(dāng)在渦輪轉(zhuǎn)子124的旋轉(zhuǎn)方向上相對于進(jìn)氣分界線D1-0-D2偏轉(zhuǎn)一定角度，使得在第一渦輪部124A上做工的第一工質(zhì)實(shí)質(zhì)上全部進(jìn)入第一工質(zhì)排氣通道130，以及在第二渦輪部124B 上做工的第二工質(zhì)實(shí)質(zhì)上全部進(jìn)入第二工質(zhì)排氣通道132。該偏轉(zhuǎn)角度根據(jù)渦輪前壓力與溫度、進(jìn)氣/排氣流道設(shè)計(jì)參數(shù)、渦輪轉(zhuǎn)速、排氣背壓等參數(shù)綜合確定。圖7和圖8是應(yīng)用第一工質(zhì)和第二工質(zhì)在不同渦輪部做工的這個(gè)概念的徑向流渦輪220的示意圖。與軸向流渦輪不一樣，徑向流渦輪220是從渦輪圓周上進(jìn)氣，工質(zhì)做工后沿軸向排氣。雖然如上所述進(jìn)氣分界線可有多種安排，在此實(shí)施例中仍然以二等分為例進(jìn)行說明。渦輪220包括渦輪靜子222和渦輪轉(zhuǎn)子224。靜子222具有第一導(dǎo)向部222A和第二導(dǎo)向部222B。渦輪轉(zhuǎn)子2M具有以分界線El-0-E2(其中0為渦輪220圓心)為界的第一渦輪部224A和第二渦輪部224B。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在渦輪220進(jìn)氣側(cè)(實(shí)際上是沿其圓周) 設(shè)有相互獨(dú)立的第一工質(zhì)進(jìn)氣管2 和第二工質(zhì)進(jìn)氣管228。第一工質(zhì)進(jìn)氣管2 與渦輪靜子222的第一導(dǎo)向部222A流體相通，以將第一工質(zhì)引至靜子222的第一導(dǎo)向部222A，然后經(jīng)由第一導(dǎo)向部222A而被導(dǎo)向至渦輪轉(zhuǎn)子224的第一渦輪部224A做工。因此，第一工質(zhì)進(jìn)氣管2 和渦輪靜子222的第一導(dǎo)向部222A (具體而言，是第一導(dǎo)向部122A的葉片之間的通道)形成了第一工質(zhì)進(jìn)氣通道，將第一工質(zhì)引至渦輪的第一渦輪部224A做工。類似地，第二工質(zhì)進(jìn)氣管228與渦輪靜子222的第二導(dǎo)向部222B流體相通，以將第二工質(zhì)引至靜子222的第二導(dǎo)向部222B，然后經(jīng)由第二導(dǎo)向部222B而被導(dǎo)向至渦輪轉(zhuǎn)子224的第二渦輪部224B做工。因此，第一工質(zhì)進(jìn)氣管2 和渦輪靜子222的第二導(dǎo)向部222B(具體而言，是第二導(dǎo)向部122B的葉片之間的通道)形成了第二工質(zhì)進(jìn)氣通道，將第二工質(zhì)引至渦輪的第二渦輪部224B做工。第一工質(zhì)和第二工質(zhì)做完工后離開渦輪220的第一和第二渦輪部224A、2MB。如果想要分別處理離開的第一工質(zhì)和第二工質(zhì)，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)可在渦輪220排放側(cè)設(shè)置相互獨(dú)立的第一工質(zhì)排氣管或通道230和第二工質(zhì)排氣管或通道232。第一工質(zhì)排氣通道230與第一渦輪部224A流體相通以實(shí)質(zhì)上僅接收在第一渦輪部224A上做工的第一工質(zhì)，第二工質(zhì)排氣通道232與第二渦輪部224B流體相通以實(shí)質(zhì)上僅接收在第二渦輪部224B上做工的第二工質(zhì)。如前所述，當(dāng)做工后的工質(zhì)離開渦輪時(shí)，其會(huì)相對于進(jìn)渦輪前的狀態(tài)在渦輪的旋轉(zhuǎn)方向上整體一定偏轉(zhuǎn)角度。即，第一工質(zhì)和第二工質(zhì)的排氣分界線El’ -0-E2’相對于進(jìn)氣分界線E1-0-E2在渦輪220的旋轉(zhuǎn)方向上偏轉(zhuǎn)一定角度。因此，接收第一工質(zhì)的第一工質(zhì)排氣通道230和接收第二工質(zhì)的第二工質(zhì)排氣通道232也應(yīng)當(dāng)在渦輪220的旋轉(zhuǎn)方向上偏轉(zhuǎn)一定角度，使得在第一渦輪部224A上做工的第一工質(zhì)實(shí)質(zhì)上全部進(jìn)入第一工質(zhì)排氣通道230，以及在第二渦輪部224B上做工的第二工質(zhì)實(shí)質(zhì)上全部進(jìn)入第二工質(zhì)排氣通道232。 該偏轉(zhuǎn)角度根據(jù)渦輪前壓力與溫度、進(jìn)氣/排氣流道設(shè)計(jì)參數(shù)、渦輪轉(zhuǎn)速、排氣背壓等參數(shù)綜合確定。雖然在以上的描述中是以單級渦輪來舉例說明，但實(shí)際上不同工質(zhì)在渦輪的不同部位做工的這個(gè)創(chuàng)新概念同樣可以應(yīng)用于多級渦輪。在目前的多級渦輪應(yīng)用中大多是使用多級軸流式渦輪(或者，至少第二級渦輪為軸流式渦輪)，因此下面以軸流式渦輪來舉例說明。但應(yīng)當(dāng)理解的是，對于多級徑向流渦輪同樣可以應(yīng)用本申請的創(chuàng)新概念。圖9是一種應(yīng)用本創(chuàng)新概念的二級軸流式渦輪的示意圖。在該示例中，渦輪320 包括一級渦輪3202和二級渦輪3204。但通過閱讀本說明書，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)可以理解在此描述的創(chuàng)新概念也可應(yīng)用于多于二級的渦輪級中。為圖式清楚和描述方便，圖9中的每一級渦輪以圓盤代替，并未畫出渦輪的具體結(jié)構(gòu)，一級渦輪3202具有分界線為Fl-0-F2(其中0為渦輪圓心)的第一渦輪部3202A和第二渦輪部3202B，且二級渦輪3204具有分界線為G1-0-G2 (其中0為渦輪圓心)的第一渦輪部3204A和第二渦輪部3204B，第一工質(zhì)和第二工質(zhì)在通過一級和二級渦輪3202、3204 時(shí)，會(huì)在對應(yīng)的第一和第二渦輪部上做工。一級渦輪3202的第一渦輪部3202A和第二渦輪部3202B的分界線是F1-0-F2，則表示第一和第二工質(zhì)的一級進(jìn)氣分界線為F1-0-F2。如前所述，當(dāng)?shù)谝还べ|(zhì)在第一渦輪部 3202A上做工完成，且第二工質(zhì)在第二渦輪部3202B上做工完成后離開一級渦輪3202時(shí)， 第一工質(zhì)和第二工質(zhì)會(huì)整體上相對于其進(jìn)氣分界線Fl-O-Fl在渦輪旋轉(zhuǎn)方向上偏移一角度al，即第一工質(zhì)和第二工質(zhì)的一級排氣分界線Fl’ -0-F2’ (以虛線表示)相對于一級進(jìn)氣分界線F1-0-F2具有偏轉(zhuǎn)角al。第一和第二工質(zhì)進(jìn)入二級渦輪3204時(shí)，其二級進(jìn)氣分界線G1-0-G2與離開一級渦輪3202時(shí)的一級排氣分界線Fl，-0-F2，近似平行，即二級進(jìn)氣分界線G1-0-G2相對于一級進(jìn)氣分界線Fl-O-Fl也近似具有偏轉(zhuǎn)角al。同樣，當(dāng)?shù)谝还べ|(zhì)和第二工質(zhì)在二級渦輪3204的第一和第二渦輪部3204A和3204B上做完工離開二級渦輪3204時(shí)，第一和第二工質(zhì)的二級排氣分界線Gl’ -0-G2’ (以虛線表示)相對于二級進(jìn)氣分界線G1-0-G2具有偏轉(zhuǎn)角a2，但相對于一級進(jìn)氣分界線F1-0-F2而言，二級排氣分界線 Gl’ -0-G2’則近似具有偏轉(zhuǎn)角al+a2。因此，工質(zhì)經(jīng)在整個(gè)渦輪做工完成后，其偏轉(zhuǎn)角可以近似看作各級渦輪產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角的疊加。如果想要分別回收最終從渦輪排出的第一和第二工質(zhì)，總偏轉(zhuǎn)角應(yīng)該被考慮。在一個(gè)實(shí)施例中，一級渦輪可以是直接接受蒸汽和燃?xì)獾娜細(xì)鉁u輪，其將一部分動(dòng)力通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸傳遞至渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)。二級渦輪與一級渦輪之間不具有機(jī)械連接。 離開一級渦輪的工質(zhì)在二級渦輪上繼續(xù)做工，使得二級渦輪可帶動(dòng)負(fù)載，例如發(fā)電機(jī)。在以上的描述中，渦輪是沿直徑分成兩個(gè)等分的渦輪部。但渦輪部的劃分可以根據(jù)第一工質(zhì)和第二工質(zhì)的具體參數(shù)而定。比如，圖10是渦輪部另一種劃分的例子?？梢愿鶕?jù)第一工質(zhì)和第二工質(zhì)的比例來確定渦輪部劃分。例如，如果第一工質(zhì)(例如燃?xì)?占 75%，第二工質(zhì)(例如蒸汽)占25%，則渦輪被分界線H1-0-H2劃分成第一渦輪部占整個(gè)渦輪的四分之三，第二渦輪部占四分之一。圖11例示了一種多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)示意圖。多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)400包括渦輪420、向渦輪420提供燃?xì)?第一工質(zhì))的燃?xì)膺M(jìn)氣通道430、向渦輪420提供蒸汽(第二工質(zhì))的蒸汽進(jìn)氣通道432、從渦輪420接收做工后的燃?xì)獾娜細(xì)馀艢馔ǖ?34、從渦輪 420接收做工后的蒸汽的蒸汽排氣通道436。燃?xì)夂驼羝謩e被引入動(dòng)力渦輪420的不同渦輪部以分別在不同的渦輪部做工。 圖11中的渦輪420及其進(jìn)氣和排氣構(gòu)造430、432、434、436可采用上述實(shí)施例中描述的任何一種構(gòu)造或其它合適的構(gòu)造。作為第一工質(zhì)的燃?xì)饪捎扇紵?40提供。燃燒室440可接收來自壓氣機(jī)442的壓縮空氣和來自燃料源(圖未示)的燃料，接收的燃料和空氣在燃燒室440中燃燒產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物，即作為第一工質(zhì)的燃?xì)?。作為第二工質(zhì)的蒸汽在做工后可利用水回收系統(tǒng)444將其從蒸汽排氣通到436全部或部分地回收并處理后返回至蒸汽進(jìn)氣通道432繼續(xù)作為第二工質(zhì)使用。在所示的實(shí)施例中，水回收系統(tǒng)444包括冷凝裝置446和換熱裝置。冷凝裝置444設(shè)置成將蒸汽排氣通道436內(nèi)的蒸汽冷凝為液態(tài)水。冷凝裝置444 的工作方式可以是自然冷卻，水冷，風(fēng)冷等方式，只要能將蒸汽冷凝成液態(tài)水即可。換熱裝置利用燃?xì)馀艢馔ǖ?34內(nèi)的燃?xì)夂驼羝艢馔ǖ?36內(nèi)的蒸汽至少其中之一的熱量來加熱被冷凝裝置冷凝之后的第二工質(zhì)。在所示的實(shí)施例中，換熱裝置包括第一換熱器448和第二換熱器450。在第一換熱器448里面，利用蒸汽排氣管436內(nèi)的蒸汽的熱能來加熱被冷凝裝置 444冷凝之后的液態(tài)水，使之溫度升高或變成蒸汽。第二換熱器450位于第一換熱器448與蒸汽進(jìn)氣通道432之間。來自第一換熱器448的蒸汽在第二換熱器450中被繼續(xù)加熱。在第二換熱器450中，蒸汽是被燃?xì)馀艢馔ǖ?34內(nèi)的高溫燃?xì)饧訜岬?。然后，離開第二換熱器450的蒸汽經(jīng)蒸汽進(jìn)氣通道432進(jìn)入渦輪420做工。加熱作為第二工質(zhì)的蒸汽之后，一般而言燃?xì)獾臏囟冗€很高，其攜帶的熱量可以進(jìn)一步被回收利用，例如通入另一個(gè)換熱器加熱其它流體等。在圖11的系統(tǒng)中，由于燃?xì)夂驼羝窃跍u輪的不同渦輪部做工，燃?xì)夂驼羝幕厥仗幚砜梢詥为?dú)進(jìn)行，大大簡化水或蒸汽的回收工藝和降低回收成本。如果燃?xì)夂驼羝旌显谝黄?，要想回收其中的蒸汽，冷凝器必須要做得非常大而使得這種回收變得實(shí)際上不可能。而且，燃?xì)庵袝?huì)混合一些酸性物質(zhì)(補(bǔ)充其他物質(zhì))，也為回收帶來了困難和復(fù)雜性。 另外，由于這種冷凝裝置的使用，有效降低了渦輪排氣背壓，因此可顯著提高渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)效率。在圖11的系統(tǒng)中，在發(fā)動(dòng)機(jī)未工作時(shí)，水存儲(chǔ)于回收系統(tǒng)中。因此，系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)，蒸汽并不參加做工，而是僅利用燃?xì)鈦韱?dòng)系統(tǒng)。之后，存儲(chǔ)在這些換熱器中的水被排出的燃?xì)饧訜岢烧羝笤賲⒓幼龉ぁD12例示了另一種實(shí)施方式，作為第二工質(zhì)的蒸汽也可以是由獨(dú)立的蒸汽鍋爐提供。圖12例示了另一種多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)示意圖。多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)500包括渦輪520、向渦輪520提供燃?xì)?第一工質(zhì))的燃?xì)膺M(jìn)氣通管530、向渦輪520提供蒸汽(第二工質(zhì))的蒸汽進(jìn)氣管532、從渦輪520接收做工后的燃?xì)獾娜細(xì)馀艢夤?34、從渦輪520 接收做工后的蒸汽的蒸汽排氣通道536。燃?xì)夂驼羝謩e被引入渦輪520的不同渦輪部以分別在不同的渦輪部做工。圖12 中的渦輪520及其進(jìn)氣和排氣構(gòu)造530、532、534、536可采用之前描述的任何一種構(gòu)造或其它合適的構(gòu)造。在圖12的例示性系統(tǒng)中，作為第一工質(zhì)的燃?xì)饪捎扇紵?40提供，而作為第二工質(zhì)的蒸汽可由蒸汽鍋爐提供。同樣，經(jīng)排氣通道534和536排出的燃?xì)夂驼羝梢员贿M(jìn)一步回收利用。由于也是采用不同工質(zhì)在不同渦輪部做工的做法，圖12的系統(tǒng)同樣具有前述實(shí)施例中的一種或多種優(yōu)點(diǎn)。在以上的實(shí)施例中，都是以兩種不同的工質(zhì)(即燃?xì)夂驼羝?來加以討論。但應(yīng)當(dāng)指出的是，在此揭示的不同工質(zhì)在不同渦輪部上做工的概念也可以應(yīng)用于兩種以上的不同工質(zhì)的情形，只要兩種以上的工質(zhì)在不同渦輪部上做工能夠達(dá)到想要的效果即可。應(yīng)當(dāng)理解的是，如果使用兩種以上的工質(zhì)，則渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪包括相應(yīng)數(shù)目的渦輪部，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)設(shè)置相應(yīng)數(shù)目的工質(zhì)進(jìn)氣通道和排氣通道。另外，在本文的背景下，具有不同工作參數(shù)(例如溫度)的同一種類的工質(zhì)也可視為兩種不同的工質(zhì)。例如，對于燃?xì)舛?，如果多種燃?xì)饩哂胁煌臏囟龋瑒t這些具有不同溫度的燃?xì)?雖然屬于同一類型，即都是燃?xì)?也可視為本發(fā)明意義上的不同的工質(zhì)。因此，具有不同溫度的燃?xì)?或者蒸汽，或其它工質(zhì))在渦輪的不同渦輪部上做工也應(yīng)屬于本發(fā)明的范圍。綜上所述，本文介紹了多種工質(zhì)在渦輪的不同渦輪部做工的創(chuàng)新概念以及該概念在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用。作為諸多優(yōu)點(diǎn)之一，由于不同的工質(zhì)在不同的渦輪部做工，不同工質(zhì)的優(yōu)勢可以綜合在一起從而提高熱效率。對于溫度不同的工質(zhì)而言，相對高溫的工質(zhì)只是作用在部分渦輪部位上，隨著渦輪的不斷旋轉(zhuǎn)，相對低溫的工質(zhì)可以對接收高溫工質(zhì)的渦輪部進(jìn)行冷卻，因而可以提高渦輪部件壽命和可靠性。也由于不同的工質(zhì)是在不同的渦輪部做工，這使得當(dāng)不同工質(zhì)排出渦輪時(shí)，不同工質(zhì)的單獨(dú)回收成為可能。特別是在水或蒸汽作為其中一種工質(zhì)的情況下，這使得水回收的成本可以更加低廉，工藝復(fù)雜度更低。本文所描述的概念在不偏離其精神和特性的情況下可以實(shí)施成其它形式。所公開
9的具體實(shí)施例應(yīng)被視為例示性而不是限制性的。因此，本發(fā)明的范圍是由所附的權(quán)利要求， 而不是根據(jù)之前的這些描述進(jìn)行確定。在權(quán)利要求的字面意義及等同范圍內(nèi)的任何改變都應(yīng)屬于這些權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，包括用于將工質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的渦輪，其特征在于， 所述多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括第一工質(zhì)進(jìn)氣通道和第二工質(zhì)進(jìn)氣通道，所述第一工質(zhì)進(jìn)氣通道和第二工質(zhì)進(jìn)氣通道構(gòu)造成用以將第一工質(zhì)和第二工質(zhì)分別引入所述渦輪的不同渦輪部做工。
2.如權(quán)利要求1所述的多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在渦輪排氣側(cè)設(shè)有第一工質(zhì)排氣通道和第二工質(zhì)排氣通道，所述第一工質(zhì)排氣通道設(shè)置成實(shí)質(zhì)上僅接收做工后的第一工質(zhì)，所述第二工質(zhì)排氣通道設(shè)置成實(shí)質(zhì)上僅接收做工后的第二工質(zhì)。
3.如權(quán)利要求2所述的多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述渦輪的不同渦輪部形成進(jìn)氣分界線，所述第一工質(zhì)排氣通道和第二工質(zhì)排氣通道在所述渦輪排氣側(cè)形成工質(zhì)接收分界線，所述工質(zhì)接收分界線在所述渦輪的旋轉(zhuǎn)方向上相對于所述進(jìn)氣分界線偏轉(zhuǎn)一角度，使得所述做工后的第一工質(zhì)實(shí)質(zhì)上全部進(jìn)入所述第一工質(zhì)排氣通道以及所述做工后的第二工質(zhì)實(shí)質(zhì)上全部進(jìn)入所述第二工質(zhì)排氣通道。
4.如權(quán)利要求3所述的多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述角度根據(jù)渦輪前壓力與溫度、進(jìn)氣/排氣流道設(shè)計(jì)參數(shù)、渦輪轉(zhuǎn)速、排氣背壓綜合確定。
5.如權(quán)利要求2所述的多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述第二工質(zhì)包括蒸汽，所述多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括水回收系統(tǒng)，用以將經(jīng)所述第二工質(zhì)排氣通道排出的蒸汽回收至所述第二工質(zhì)進(jìn)氣通道作為第二工質(zhì)繼續(xù)使用。
6.如權(quán)利要求5所述的多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述水回收系統(tǒng)包括冷凝裝置，其設(shè)置成用以將所述第二工質(zhì)排氣通道內(nèi)的蒸汽冷凝為液態(tài)水以降低渦輪排氣背壓。
7.如權(quán)利要求6所述的多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述水回收系統(tǒng)包括換熱裝置，所述換熱裝置利用所述第一工質(zhì)排氣通道內(nèi)的第一工質(zhì)和所述第二工質(zhì)排氣通道內(nèi)的第二工質(zhì)至少其中之一的熱量來加熱被所述冷凝裝置冷凝之后的第二工質(zhì)。
8.如權(quán)利要求5所述的多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，在發(fā)動(dòng)機(jī)未工作時(shí)，水存儲(chǔ)于回收系統(tǒng)中，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，所述水被所述第二工質(zhì)排氣通道內(nèi)的第二工質(zhì)加熱成蒸汽。
9.如權(quán)利要求1所述的多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述渦輪包括多級渦輪。
10.如權(quán)利要求1所述的多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述第一工質(zhì)包括燃?xì)?，所述第二工質(zhì)包括蒸汽，所述多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括用于提供所述燃?xì)獾娜紵乙约坝糜谔峁┧稣羝恼羝仩t。
全文摘要
一種多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，包括用于將工質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的渦輪。多工質(zhì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)有第一工質(zhì)進(jìn)氣通道和第二工質(zhì)進(jìn)氣通道。第一工質(zhì)進(jìn)氣通道和第二工質(zhì)進(jìn)氣通道構(gòu)造成用以將第一工質(zhì)和第二工質(zhì)分別引入渦輪的不同渦輪部做工。由于不同工質(zhì)在渦輪的不同渦輪部上做工，因此可以綜合不同工質(zhì)的優(yōu)勢，而且使得不同工質(zhì)的單獨(dú)回收成為可能。
文檔編號F02C7/22GK102383939SQ201110318160
公開日2012年3月21日 申請日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
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