本發(fā)明涉及一種燃?xì)廨啓C(jī)，包括壓縮機(jī)，中間殼體，至少一個(gè)燃燒室和膨脹輪機(jī)，其中所述或每個(gè)燃燒室經(jīng)由內(nèi)殼流體地連接至膨脹輪機(jī)，內(nèi)殼被引導(dǎo)穿過中間殼體的內(nèi)部空間。

背景技術(shù)：

在燃?xì)廨啓C(jī)中，燃料的燃燒熱轉(zhuǎn)化為機(jī)械功。描述該轉(zhuǎn)換的熱力循環(huán)近似地符合焦耳循環(huán)。

在那種情況下，首先，壓縮機(jī)室壓縮含氧工作氣體，該工作氣體實(shí)際一般為空氣，在此過程中，氣體溫度從起始溫度T₁加熱至T₂，且壓力增加。在第二步中，由于溫度進(jìn)一步上升至T₃，通過點(diǎn)燃混合燃料以恒定壓力將熱量供給燃燒室中的工作氣體。然后，被壓縮和被加熱的工作氣體通過膨脹做機(jī)械功，并且在此程中經(jīng)由葉片驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。這樣，溫度下降至T₄。壓力也下降。在渦輪機(jī)處獲得的一些機(jī)械功可用于第一步中的壓縮。最后，通過冷卻以恒定的壓力從工作氣體提取余熱，由此，溫度降回至T₁。對(duì)于近似理想氣體，該過程的效率由下式給出：η＝1-(T₄-t₁)/(T₃-T₂)。

由于越來越多工業(yè)化國(guó)家廣泛采用可再生能源發(fā)電，使用燃?xì)廨啓C(jī)的熱電廠的重要性顯著增加。與使用太陽能或風(fēng)能發(fā)電天然地相關(guān)聯(lián)的規(guī)劃可靠性的缺失必須由發(fā)電過程中足夠的儲(chǔ)備能力來平衡，這種儲(chǔ)備能力也能夠盡快地提供所需電力。在這種情況下，由于所使用的燃料的價(jià)格波動(dòng)性，使用燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的電廠相比在熱力學(xué)上更低效的燃煤發(fā)電廠或甚至核反應(yīng)堆具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。

燃?xì)廨啓C(jī)的效率作為所產(chǎn)生的能量與所使用的燃料總能量含量的比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于50％，即使是在現(xiàn)代設(shè)施中，由于由燃燒提供的熱量被作為余熱丟棄，并且從而工作氣體膨脹后的余熱能量含量不再被使用。

然而，通過使用該余熱可增加效率，例如，通過在第二回路中使用余熱來運(yùn)行第二熱電廠的汽輪機(jī)(稱為“聯(lián)合循環(huán)”技術(shù))。這允許根據(jù)可以供給汽輪機(jī)的余熱的程度來提高效率。然而，在效率上的這種改進(jìn)意味著增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，因?yàn)楝F(xiàn)在必須連接整個(gè)蒸汽回路和燃?xì)廨啓C(jī)，并與燃?xì)廨啓C(jī)在控制方面進(jìn)行協(xié)調(diào)，所有這些都增加了電廠的投資成本。此外，由于燃?xì)廨啓C(jī)部件的尺寸，許多現(xiàn)有使用燃?xì)廨啓C(jī)的熱電廠不易于改裝為帶有蒸汽回路。

在這種情況下，一種可能的進(jìn)一步解決方案可以使用燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣余熱，通過集成于回?zé)崞鬟^程以在供應(yīng)燃料的燃燒熱之前進(jìn)一步加熱第一步中預(yù)壓縮的工作氣體。由于在許多燃?xì)廨啓C(jī)中，預(yù)壓縮的工作氣體的溫度T₂低于余熱溫度T₄，在理想模式中，對(duì)應(yīng)于該差T₄-T₂的熱量不需要通過燃料包含的能量提供給工作氣體，而可以節(jié)省，這導(dǎo)致效率相應(yīng)地增加。

在這種情況下，該集成特別是現(xiàn)有的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)集成于回?zé)崞鬟^程的技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生了一個(gè)問題，其中，在這種情況下由于燃?xì)廨啓C(jī)中的空間限制，特別是壓縮機(jī)區(qū)域中的空間限制，移除預(yù)壓縮的工作氣體并將其傳送到熱交換器中特別重要。

US3367403A和GB2232720A的教導(dǎo)解決了該問題，其可以描述從燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣中的熱返回到預(yù)壓縮的工作氣體。

然而，在現(xiàn)有技術(shù)中已知的這些解決方案的情況下，由于在燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室中出現(xiàn)的高溫(高達(dá)1400℃)，界定燃燒室的內(nèi)壁的材料經(jīng)受高熱負(fù)荷。特別地，由于接觸內(nèi)壁的兩側(cè)的介質(zhì)間的溫差變化達(dá)數(shù)百度，該高溫增加了材料中的熱應(yīng)力。因此，由于大溫差這些熱應(yīng)力愈發(fā)導(dǎo)致微觀裂紋，該內(nèi)壁的累積材料疲勞是可以預(yù)料的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是避免現(xiàn)有技術(shù)中燃?xì)廨啓C(jī)存在的這些缺點(diǎn)。特別地，需要避免的是，界定燃燒室的內(nèi)壁材料被應(yīng)力熱加載到該內(nèi)壁的壽命產(chǎn)生不期望減少的點(diǎn)。

根據(jù)本發(fā)明，通過一種燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)現(xiàn)此目的，該燃?xì)廨啓C(jī)包括壓縮機(jī)，中間殼體，至少一個(gè)燃燒室，膨脹輪機(jī)和熱交換器，其中所述或每個(gè)燃燒室經(jīng)由內(nèi)殼流體地連接到膨脹輪機(jī)，該內(nèi)殼被引導(dǎo)穿過中間殼體的內(nèi)部空間，其中壓縮機(jī)與中間殼體的內(nèi)部空間被環(huán)形充氣室流體地分離，該環(huán)形充氣室連接至壓縮機(jī)的出口并且具有多個(gè)排放管線，在運(yùn)行中，該排放管線連接至熱交換器的冷側(cè)。

根據(jù)本發(fā)明，還提供了，所述或每個(gè)燃燒室被設(shè)計(jì)為筒倉燃燒室。在此方面，充氣室可設(shè)置在內(nèi)殼和壓縮機(jī)之間，該內(nèi)殼從所述或每個(gè)燃燒室延伸至膨脹輪機(jī)，由于只有充氣室自身需要相對(duì)于現(xiàn)有概念進(jìn)行配置，所以其在結(jié)構(gòu)上特別有利。

此外，根據(jù)本發(fā)明，所述或每個(gè)筒倉燃燒室具有界定燃燒空間的內(nèi)壁和外壁，其中外壁圍繞內(nèi)壁從而形成腔，其中內(nèi)壁過渡至內(nèi)殼中并且其中該腔過渡至中間殼體的內(nèi)部空間中。由于燃燒室的雙壁結(jié)構(gòu)，氣體可充滿該腔以更好地冷卻內(nèi)壁，因此降低所述負(fù)載能力要求并從而降低費(fèi)用。

因此，本發(fā)明有別于現(xiàn)有技術(shù)的其他方法，如US3228190A中教導(dǎo)的。雖然該文獻(xiàn)確實(shí)還提供了在筒倉燃燒室的內(nèi)壁和外壁間形成腔，但其不能特別地教導(dǎo)該腔過渡至中間殼體的內(nèi)部空間中，并且壓縮室與中間殼體的內(nèi)部空間被環(huán)形充氣室流體地分隔。此外，US3228190A描述了一個(gè)實(shí)施例，必須要求中間殼體的內(nèi)部空間與充氣室經(jīng)由過渡直接流體地連接。因此熱解耦是不可能的，并且因?yàn)樵谒鯱S3228190A中冷卻作用是優(yōu)先的，所以是不可取的。然而，這是以內(nèi)壁的材料疲勞為代價(jià)的，其將由本發(fā)明的技術(shù)特征來避免。

在這種情況下，熱交換器的冷側(cè)應(yīng)理解為向一個(gè)區(qū)域的所有流入管線，在這個(gè)區(qū)域中，在熱交換器中，流經(jīng)熱交換器的工作氣體和熱供應(yīng)之間發(fā)生熱轉(zhuǎn)移。特別地，在這種情況下，熱交換器可以由燃?xì)廨啓C(jī)的余熱供應(yīng)熱，并且特別地，這種情況下可輸送熱交換器中加熱的工作氣體到燃燒室的所述或每個(gè)燃燒器以供應(yīng)氧氣。在這種情況下，壓縮機(jī)應(yīng)理解為燃?xì)廨啓C(jī)中所有的獨(dú)立和分立單元，用于壓縮工作氣體的技術(shù)目的并被設(shè)置在所述或每個(gè)燃燒器的上游。

除上述提及的優(yōu)勢(shì)外，本發(fā)明還基于以下考慮：

燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)要求在流體動(dòng)力學(xué)、材料與熱力學(xué)和數(shù)學(xué)計(jì)算方面的復(fù)雜建模，這很大程度上需通過對(duì)原型進(jìn)行實(shí)際測(cè)試來驗(yàn)證。因此，對(duì)現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的任何修改也需要對(duì)所述模型和計(jì)算進(jìn)行調(diào)整。因此具有相當(dāng)大優(yōu)勢(shì)的是，配置一個(gè)機(jī)制用于移除預(yù)壓縮的工作氣體和用于先驗(yàn)地傳送其至熱交換器，使得其可以以最小的結(jié)構(gòu)修改被集成到現(xiàn)有的燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)中。此外，這還打開了以相對(duì)較少的支出改造已服役的在其中沒有熱交換器的燃?xì)廨啓C(jī)的可能性。

在小范圍修改的條件下，首先似乎明顯的是，將用于移除該工作氣體的所述或每個(gè)流出管線直接設(shè)置于壓縮機(jī)的出口處。但是，本發(fā)明的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是，此方法在流動(dòng)方面存在缺點(diǎn)，因?yàn)槠淇赡茉趬嚎s機(jī)的出口處在其橫截面區(qū)域上在各自的流出管方向上產(chǎn)生壓力梯度。這可能導(dǎo)致湍流及壓縮機(jī)內(nèi)壓力分布非常不均勻，這將大大降低壓縮過程的效率，即每單位所使用的能量的壓縮功。

相反，以及盡管壓縮機(jī)和內(nèi)殼之間的空間有限，本發(fā)明提出在中間殼體內(nèi)在壓縮機(jī)出口處提供充氣室，所述或每個(gè)流出管線從該充氣室被路由至熱交換器。在該充氣室內(nèi)有利的壓力分布是可能的，而不需要對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)質(zhì)性結(jié)構(gòu)變化。關(guān)于該設(shè)計(jì)的新產(chǎn)生的支出限于引導(dǎo)工作氣體在壓縮室的出口、在充氣室自身和在各自的流出管線中流動(dòng)。

優(yōu)選地，充氣室與中間殼體的內(nèi)部空間通過一個(gè)壁分隔，該壁從壓縮機(jī)的出口延伸直至該中間殼體。特別地，在這種情況下，所述或每個(gè)排放管線被引導(dǎo)穿過燃?xì)廨啓C(jī)圍繞壓縮機(jī)的那部分殼體，并在壁連接處連接至中間殼體。在基于燃?xì)廨啓C(jī)被構(gòu)造或改造的現(xiàn)有設(shè)計(jì)中，中間殼體中的安裝空間有限，例如由于壓縮機(jī)出口靠近內(nèi)殼，這種方法是特別有利的。在某種情況下，壓縮機(jī)出口在這種情況下可以適應(yīng)于可用的安裝空間，例得導(dǎo)流裝置當(dāng)在軸向方向上看時(shí)被歧管路由離開中間殼體。特別地，歧管在這種情況下可做成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，使得分隔充氣室和中間殼體內(nèi)部空間的壁由從岐管邊緣延伸到中間殼體的多個(gè)分隔板形成。特別地，中間殼體在這種情況下可以在壁連接處具有周向槽，以提高壁的流體分隔效果。

方便地，壓縮室出口被設(shè)計(jì)為環(huán)形出口擴(kuò)壓器。這是在燃?xì)廨啓C(jī)中特別經(jīng)常選擇的設(shè)計(jì)變量，由于通過擴(kuò)壓器，在此降低工作氣體的流速，有可能為工作氣體實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的壓力增加。此外，環(huán)形擴(kuò)壓器提供了盡可能均勻的壓力分布和從壓縮機(jī)流入充氣室的工作氣體的均勻質(zhì)量流。特別地，出口擴(kuò)壓器在這種情況下可以在軸向方向上具有遠(yuǎn)離中間殼體的岐管，岐管減少了充氣室要求的安裝空間，因?yàn)槌錃馐覐亩梢员辉O(shè)置于壓縮機(jī)附近。

由于充氣室中特別均勻的壓力分布和從充氣室流入所述或每個(gè)排放管線的工作氣體的特別均勻的質(zhì)量流，對(duì)于多個(gè)排放管線特別可能導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)對(duì)稱地遠(yuǎn)離充氣室，或?qū)τ诙鄠€(gè)組的排放管線每個(gè)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)對(duì)稱地遠(yuǎn)離充氣室。

已進(jìn)一步證明是有利的，如果可以經(jīng)由旁路建立所述或每個(gè)排放管線和中間殼體的內(nèi)部空間之間的直接流體連接。這使得有可能將部分預(yù)壓縮的工作氣體經(jīng)由旁路被引導(dǎo)至中間殼體的內(nèi)部空間中，其中工作氣體可圍繞內(nèi)殼流動(dòng)。因?yàn)樵谶\(yùn)行中在燃燒室中燃燒的燃料和工作氣體的混合物經(jīng)由內(nèi)殼被輸送到膨脹輪機(jī)，內(nèi)殼可以暴露于高溫下，這可能導(dǎo)致對(duì)內(nèi)殼材料的特定負(fù)載能力要求。通過使部分預(yù)壓縮的工作氣體圍繞內(nèi)殼流動(dòng)，可能實(shí)現(xiàn)降低所述要求的冷卻效果。

此外，從排放管線到中間殼體的內(nèi)部空間的旁路使得有可能使中間殼體內(nèi)部空間與燃燒室的燃燒空間和過渡至其中的內(nèi)殼內(nèi)部空間保持處于近似的壓力。這些空間之間微小的壓差簡(jiǎn)化了內(nèi)殼的結(jié)構(gòu)配置。

便利地，在這種情況下，旁路具有多個(gè)閥和多個(gè)管道，每個(gè)管道連接閥，其中所述或每個(gè)排放管線和中間殼體的內(nèi)部空間之間的連接在各種情況下經(jīng)由閥和管道通過。一個(gè)或多個(gè)閥的存在使得特別簡(jiǎn)單地控制從壓縮室流入中間殼體的內(nèi)部空間的預(yù)壓縮工作氣體的質(zhì)量流，因此冷卻效果特別是在內(nèi)殼處。

便利地，所述或每個(gè)閥在這種情況下被設(shè)置在中間殼體內(nèi)部各自的排放管線上。因此，相應(yīng)的管道不需要通過中間殼體被引出燃?xì)廨啓C(jī)，這相對(duì)于現(xiàn)有設(shè)計(jì)最小化了必要的結(jié)構(gòu)變化。

備選地，所述或每個(gè)閥可以被設(shè)置在燃?xì)廨啓C(jī)外部各自的排放管線上。這對(duì)于以下情況是有利的，如果在運(yùn)行期間對(duì)所述或每個(gè)閥需要特別簡(jiǎn)單的可訪問性，例如如果不打算在長(zhǎng)期使用中運(yùn)行燃?xì)廨啓C(jī)，而期望頻煩地啟動(dòng)并在某個(gè)運(yùn)行時(shí)間后關(guān)閉，由此可能導(dǎo)致特定的流體控制要求。

便利地，所述或每個(gè)筒倉燃燒室的內(nèi)壁具有多個(gè)孔。此類型孔由于壓差而允許預(yù)壓縮的工作氣體少量地從腔流入燃燒室，在此其有助于冷卻內(nèi)壁材料。這進(jìn)一步降低了用于內(nèi)壁的材料需要設(shè)計(jì)的溫度。

有利地，內(nèi)殼具有多個(gè)孔。此類型孔由于壓差而允許預(yù)壓縮的工作氣體少量地從中間殼體的內(nèi)部空間流入內(nèi)殼的內(nèi)部空間，在此其有助于冷卻內(nèi)壁材料。這進(jìn)一步降低了用于內(nèi)殼的材料所需要設(shè)計(jì)的溫度。

本發(fā)明進(jìn)一步說明了一種具有以上描述的燃?xì)廨啓C(jī)的熱電廠。燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)點(diǎn)及其改良可以在這種情況下以相應(yīng)的形式轉(zhuǎn)移至該熱電廠。

附圖說明

下面參考附圖對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例進(jìn)行更詳細(xì)地解釋，，其中示意地：

圖1示出了在壓縮機(jī)出口處具有充氣室的燃?xì)廨啓C(jī)的細(xì)節(jié)的軸向截面示意圖，

圖2示出了具有筒倉燃燒室的燃?xì)廨啓C(jī)的截面示意圖，以及

圖3示出了使用具有熱交換器的燃?xì)廨啓C(jī)的熱電廠。

在所有圖中相互對(duì)應(yīng)的零件和變量在每種情況下被提供為相同的附圖標(biāo)記。

具體實(shí)施方式

圖1示出了燃?xì)廨啓C(jī)1的細(xì)節(jié)的局部示意圖。該燃?xì)廨啓C(jī)1包括壓縮機(jī)2，壓縮機(jī)2具有壓縮室4，其通向被設(shè)計(jì)為出口擴(kuò)壓器6的出口8。在這種情況下，出口擴(kuò)壓器6具有繼續(xù)遠(yuǎn)離中間殼體12的內(nèi)部空間10的呈U型橫截面的岐管14。充氣室16經(jīng)由該出口擴(kuò)壓器6與壓縮機(jī)2連接并且通過壁17與中間殼體12的內(nèi)部空間10分隔。在這種情況下，周壁17由周向隔板18組成，其從岐管14的外邊緣19徑向延伸至中間殼體12。從該充氣室16，排放管線20被引導(dǎo)穿過連接到中間殼體12并圍繞壓縮機(jī)2的前殼體22，并被連接至熱交換器(以圖中未更具體示出的方式)。

內(nèi)殼24將筒倉燃燒室(未示出)的燃燒空間連接至膨脹輪機(jī)26，內(nèi)殼24被引導(dǎo)穿過該中間殼體12。在燃?xì)廨啓C(jī)1運(yùn)行期間，空氣作為工作氣體在壓縮機(jī)2中被壓縮。該氣體流經(jīng)出口擴(kuò)壓器6進(jìn)入充氣室16，并經(jīng)排放管線20和管線系統(tǒng)(圖中未示出)被引導(dǎo)至熱交換器，部分空氣返回到中間殼體12的內(nèi)部空間10。此處，預(yù)壓縮的空氣可幫助冷卻內(nèi)殼24，其中燃燒的燃料-空氣混合物通過內(nèi)殼24從燃燒空間流至膨脹輪機(jī)26從而升高的溫度在該內(nèi)殼處升高。通過部分返回至內(nèi)殼內(nèi)的部空間的空氣的冷卻作用，內(nèi)殼材料可被設(shè)計(jì)為較低的最高溫度。

圖2示出了具有筒倉燃燒室28的燃?xì)廨啓C(jī)1的截面示意圖。在這種情況下，其是在膨脹輪機(jī)的方向上充氣室的后面的角度。筒倉燃燒室28包括內(nèi)壁30，內(nèi)壁與燃燒管座32一起界定燃燒管36的燃燒空間34。內(nèi)壁30和燃燒管座32被外壁40圍繞，從而形成腔38。燃燒器44經(jīng)由燃燒管座32中的開口42通向燃燒空間34。

內(nèi)壁30在其徑向內(nèi)端過渡至內(nèi)殼24中，使燃燒空間34流體地連接至內(nèi)殼24的內(nèi)部空間。外壁40過渡至中間殼體12中，使腔38直接連接至中間殼體12的內(nèi)部空間10。在相反端46，內(nèi)殼24過渡至另一筒倉燃燒室(圖中未更詳細(xì)示出)的內(nèi)壁，該另一筒倉燃燒室與筒倉燃燒器28基本上結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱。

充氣室(此處未示出)被設(shè)置在內(nèi)殼24的前面，并通過岐管連接到壓縮機(jī)的出口擴(kuò)壓器。此處以橫截面示出的兩條排放管線20從充氣室通過中間殼體12引開。排放管線20引向熱交換器(此處未更詳細(xì)示出)的冷側(cè)。管道56，58在每種情況下經(jīng)由閥52，54從排放管線20通過中間殼體12引回中間殼體12的內(nèi)部空間10。與內(nèi)壁30一樣，內(nèi)殼24也有多個(gè)孔60。

在燃?xì)廨啓C(jī)1運(yùn)行期間，被壓縮機(jī)預(yù)壓縮的氣體經(jīng)由充氣室被移除并在熱交換器的冷側(cè)方向上經(jīng)由排放管線20被引導(dǎo)。在這種情況下，閥52，54和管道56，58分別形成旁路62，64，通過控制所述質(zhì)量流部分空氣可經(jīng)由該旁路流回至中間殼體12的內(nèi)部空間10中并且因此也流入內(nèi)壁30和外壁40之間的腔38中。因此，預(yù)壓縮的空氣能夠幫助冷卻內(nèi)殼42和內(nèi)壁30，在燃燒室34中燃燒的燃料-空氣混合物在其上流過。在這種情況下，孔60的結(jié)果是，經(jīng)由旁路62，64返回的壓縮空氣可以流入燃燒管36或內(nèi)殼24的內(nèi)部，這進(jìn)一步提高了冷卻效果。借助于用于冷卻的空氣的質(zhì)量流(這可以使用閥52，54來控制)，在這種情況下能夠設(shè)定一個(gè)最大熱動(dòng)力學(xué)效率的運(yùn)行點(diǎn)。

空氣必須從熱交換器的熱側(cè)以不是本發(fā)明的主題的一部分的方式返回，用于向燃燒器44提供氧氣的目的。

圖3示出了使用具有熱交換器68的燃?xì)廨啓C(jī)1的熱電廠66的示意圖。排放管線20從靠近壓縮機(jī)2的充氣室(圖中未示出)引入中間殼體12至管線系統(tǒng)70，管線系統(tǒng)70具有通過該中間殼體12引回的旁路62。管線系統(tǒng)70連接至熱交換器68的冷側(cè)72。管線76從熱交換器68的熱側(cè)在兩個(gè)筒倉燃燒器28的方向上引導(dǎo)。

從充氣室獲得的空氣通過排放管線20被引導(dǎo)至管線系統(tǒng)70。部分該空氣然后經(jīng)由旁路62被引導(dǎo)返回至中間殼體12的內(nèi)部空間用于冷卻的目的。剩余空氣通過管線系統(tǒng)70被引導(dǎo)至熱交換器68，空氣在被來自筒倉燃燒室28的余熱流圍繞的薄壁管78中被加熱。以此種方式被加熱的空氣現(xiàn)在經(jīng)由管線76被引導(dǎo)至筒倉燃燒器28，在此其以不形成本發(fā)明的主題的一部分的方式被添加至各自的燃燒器的氧氣供應(yīng)。

雖然本發(fā)明已經(jīng)通過優(yōu)選實(shí)施例的方式詳細(xì)地描述和說明了本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于該示例性實(shí)施例。在不脫離本發(fā)明保護(hù)范圍的前提下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以得到其他變體。