专利名称：燃气蒸气并效涡轮引擎及其热交换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及热机技术，具体地说是热机技术中一种燃气轮机、蒸汽轮机的改进。
在科学发达进步的今天，在日常生活与工作中，一切的行为大都是以机械来代替，但便利的当中，不无缺陷存在。今就机械动力来说，我们所使用的原动机，不论是燃气或蒸汽活塞引擎，或燃气或蒸汽的涡轮引擎，均有大量的余热(能)被弃失，而破坏环保，且机具构造的繁复形成了成本的提高及维修的麻烦，根据发明人多年在于机具装修与热交换处理的经验获悉，假如能将余热作合理有系统的配置、交换、利用，必可获得更强速有高效率的热功率。
本发明的目的是在有效利用燃气、蒸汽被弃失的热能而达到再利用，并兼顾清洁燃料而达到作好环保为目的，欲解决此一问题，即热机型单位马力，若将来制造或运用上能普遍化，必获得良好的效果，本发明的特性，是选于融合燃气轮机与蒸汽轮机结合在一起，以纯水为介质，可使其发挥两机间互补的效应，使在热能分布区内发挥热能，供需在两机之间得以平衡，且各自在极限范围内作功，而使热能发挥至最佳状态为本发明的特征。
本发明的特征是把燃气轮机在其原来的机体内，另外装入一蒸汽轮机，使其为共同输出功率的原动机，其中包含着可快速装卸，并能差速同向运转联结输出的结构体；蒸汽轮机是装置在燃气轮机内部的略微提高的燃烧筒下方，而且在头部机壳造成一有中空幅射环状的支架，外部导引高压气流进入燃烧室，中间则引出蒸汽排气至机前冷凝，此支架并与外罩结构固定着，尾部与热气导气片联结形成可胀缩的结构体；蒸汽轮机的机首，利用一旋臂内接式齿轮差速法，与主轴上的齿轮互相带动着，以其互动差值的速比与主轴形成同向，同时运转。热交换装置是包含一纯水框及冷凝脱气槽，至少有一过热区温控仪，和冷凝温控仪，三个释压阀，并于出水泵后有一歧管并安装两个阀与出水泵入口联接，以调控水量并作快速增温；热交换的进气导片为冷凝区，进气导片以中空曲折外部多面的散热鳍为之；主水管分成前后两路前进至过热区，由前路进入过热区的热交换管，是各别绕行于燃烧室的外部高热区进行热交换；由后路进行的中段加温区，是进行热气涡轮定翼的翼片冷却交换方式加温，在其定翼中空植入小蒸汽管产生回流，采用串联及并联而成；其前、后混合的蒸汽最后必穿过有中空的热气导气片，是以小汽管先串联后并联而达成过热蒸汽再导进蒸汽喷嘴者，最后混合成过热蒸汽而转动蒸汽轮机。
图1为本发明的外观，以及主要系统线路与装备图。
图2为本发明的剖面图。
图3为蒸汽轮机的连结示意图。
图4、5为导气片中空通蒸汽模组化示意图。
图6为热气导气片座正面图。
图7为34至63图号区的上视图。
图8为水系循环图。
图9为吸气散热导片示意图。
图10为吸气散热导片前视图。
图11为本发明的热态交换分布图。
参照号数说明5.主轴传动齿轮；6.附件轴及传动齿轮；7.离合器及变速箱；8.起动马达；9.进气导片；10.压缩器的机壳，外罩；11.冷凝温度仪；12.发电机及齿轮箱；13.电池；14.冷凝脱气框总成；15.压力泵组；16.机油冷却器；17.仪表板，控制板；18.汽水分离回水阀；19.机油箱；20.水管，蒸汽管，热交换管；201.过热水管；21.定翼部位；22.动翼部位；23.燃料管及滤器；24.保温材；25.纯水框；26.温度及油门压力比例阀；27.空气流线；28.后支架，管路孔道(压缩段)；29.高压水泵150kg/cm2；290.释压阀；291.多口歧路的分水盘；292.分水歧管，等长等径共10支；293.低压热交换鳍；294.中压热交换鳍；295.高压过热区；296.低温水汽释放阀，通至水泵的进水口处；297.控制阀；30.压缩器；31.压缩器的动翼轮盘组合，套固于主轴上；311.前段进气定翼部位；312.前段进气动翼部位；34.压缩空气出口导管，由蒸汽轮机外壳支架形成的；40.燃烧筒；41.燃烧筒外罩；42.多孔雾化喷油嘴；43.火焰保持块；44.高压电气点火杆；45.燃烧筒支架；46.供蒸汽轮机装卸孔区，及高压热气流孔道(热气涡轮段)；60.热气涡轮外罩；61.热气涡轮动翼轮盘组合，套固于主轴上；63.热气导气片模组；631.固定螺内六角型；632.导气片模组上盖的通汽室；633.固定螺；634.热气导气片外壳；636.导片模组下盖；637.模组锁板；638.导气片；80.蒸汽轮机套轴；81.蒸汽轮机外壳；810.排汽管固定耳座；812.蒸汽排汽内壁；82.蒸汽喷嘴；821.喷嘴的通汽锁螺(不锈钢)；83.蒸汽轮机外壳固定栓；84.蒸汽排汽管道；848.各歧管集汽区；85.差速器内主轴上的齿轮；86.差速器内的中间旋臂齿轮，固定于蒸汽轮机的套轴上；87.内接齿轮固于汽轮机壳；871.螺孔；89.蒸汽温度仪；891.压力仪；90.温度，蒸汽压力，水压等回路自动控制单元；91.冷凝区；94.冷凝热交换鳍片(铝)；99.燃烧排气状况，最大蒸汽冷凝值等修正油量控制回路，及紧急空气冷却切换控制单元；991.润滑，纯水量，超温，振幅等急停控制单元；100.主轴。
参阅第1图、第2图，本装置的外观，以及主要系统线路与装备。本发明就外观形状论，大致与一般的燃气轮机外貌相同，仅另外增加设些水管20、水框25及全身覆盖的保温材料的美化外罩，其构造是在主要的燃气轮机里，改变一些结构，另再加装一容量尺寸与其相配的蒸汽轮机，位置是在把燃烧筒40略为提高，于其内缘至中心轴边的空间里。在第1图中冷凝温度仪11，发电机及齿轮箱12，电池13，冷凝脱气框总成14，压力泵组15，机油冷却器16，仪表板、控制板17，汽水分离回水阀18，机油箱19，附件轴及传动齿轮6，离合器及变速箱7，起动马达8，进气导片9，燃料管及滤器23，保温材24，纯水框25，温度及油门压力比例阀26，脱气出口室33，蒸汽排汽管道84，蒸汽温度仪、压力仪89，温度、蒸汽压力、水压等回路自动控制单元90，本发明是采用四大结构的结合方法，分为压缩器、燃烧筒、热气涡轮、蒸汽轮机四大部分，可快速卸合为特点；在蒸汽轮机头端，先用螺孔锁片把轴与壳内外锁定而后再整体装卸，而中心轴承的润滑方法，是采用部分中心轴内外由对称导管作轮油润滑并局部冷却。而空气压缩器与气涡轮的动翼轮盘支座结构方式，乃是拟在机体上，能施以各级分件整件一体成型方法，加工平衡后，可快速套装组合为设计方式。至于蒸汽轮机外壳，在34的上方固定，另与热气导片63相联结而定位，并形成容许胀缩作用。63处的热气导片因受高热，故而以钛钢材中间成孔或植入小蒸汽管，施以串联再并联，后分区供给多个蒸汽喷嘴使用，并也作为63的冷却。以上同样在热气涡轮的定翼第一级、第二级里，均可以此方法使水汽进入回流而冷却，而动翼则以高压空气流入后顺气流而出予以冷却，最后与排气余热一并由尾部热交换管捕捉回收。另有关运转的程序、控制模式，在起动后，供水量是泵先由冷凝脱气框14在一定水位供水。若水位不足则由纯水框25补充水量后再由歧管的低温水汽释放阀(第8图296)调控水量。并于出水泵后有一歧管并安装两个阀与出水泵入口联接，以调控水量，并作快速增温；该低温水汽释放阀在过热区里，温度在0℃至180℃以内会全部释出不进入喷嘴，180℃以上渐渐闭合至全量供汽，另两个在纯水框的释压阀，在前者由冷凝温度仪11，冷凝设定供水，在后者由油门深浅比例释压供水，而成各种状况的操作。如果，超过各种设定的负荷值时，则由控制单位99作减速或停车准备。一切就绪后，当水路(水管、蒸汽管、热交换管20)由前、后分二路(止回阀290位置处)各自进入热交换单元，让燃气轮机作功时所产生的高热能够冷却，同时水吸收高热后，产生蒸汽，最后进入过热区(第8图295)，而直接进入蒸汽轮机喷嘴作功运转，因是整机同时运转，故汽锤现象不易。最后排汽由中区支架(第7图84、810)排至机前吸气导片9作冷凝交换成一循环。
第2图是本装置的剖面图，蒸汽轮机81，位置是在把燃烧筒40略为提高，于其内缘至中心轴边的空间里，下方并加装多个对角的旋臂齿轮86，使嵌合于蒸汽轮机的套轴头部80，并与主轴上的齿轮85相齿合；在蒸汽轮机外壳内的一内接齿轮7相互旋转接着，并以互动差质的比速同向带动运转。
第3图是蒸汽轮机的连结示意图，蒸汽轮机的外壳81，810排汽管固定耳座，蒸汽排汽管道84，差速器内主轴上的齿轮85，差速器内的中间旋臂齿轮86，固定于蒸汽轮机的套轴上，内接齿轮固于汽轮机壳87，螺孔871，热气导气片(蒸汽涡轮段)63燃烧筒固定架45，固定螺内六角型631，固定螺633，导气片与蒸汽轮的连结锁环635，635的锁螺636，蒸汽管的固定簧片637，喷嘴的通汽锁螺(不锈钢)821。
第4、5图为导气片中空通蒸汽模组化的示意图，导气片模组上盖的通汽室632，热气导气片外壳634，导片模组下盖636，模组锁板637，导气片638，过热水管201。
第6图热气导气片座正面图，燃烧筒固定架45，及过热水管201，固定螺丝633，导气片模组的固定框634。
第7图是34至63图号区的上视图，压缩空气出口导管34(由蒸汽轮机外壳支架形成的)，蒸汽轮机外壳支架及蒸汽排出孔(燃烧段)810，多孔雾化的喷油嘴42，高压电气点火杆44，供蒸汽轮机装卸孔区、及高压热气流孔道(热气涡轮段)46，蒸汽轮机的外壳81，蒸汽喷嘴82，蒸汽轮机外壳固定栓83。
第8图水系循环图，因水汽温度未达到设定值时，会释放作为回授循环，且快速增温，达到可正常动作。通常在起动后，供水量系泵先由冷凝脱气框14在一定水位供水。若水位不足则由纯水框25补充水量后再由歧管的低温水汽释放阀296调控水量。该低温水汽释放阀在过热区里，温度在0℃至180℃以内会全部释出不进入喷嘴，180℃以上渐渐闭合至全量供汽。如果，超过各种设定的负荷值时，则由控制单位99作减速或停车准备。当水路(水管、蒸汽管、热交换管20)由前、后分成二路(止回阀290位置处)各自进入热交换单元，让燃气轮机作功时所产生的高热能够冷却，同时水吸收高热后，产生蒸汽，最后进入过热区295，而直接进入蒸汽轮机喷嘴作功运转。使主轴100作功输出，主轴成为燃气轮机与蒸汽轮机的共轭输出。高压水泵(150kg/cm2)29，止回阀290，歧路的分水盘291，分水歧管292，等长等径共10支，低压热交换鳍293，中压热交换鳍294，高压过热区295，低温水汽释放阀296，通至水泵的进水口处，冷凝温度及至油门控制阀297；而由前路的汽水管的流通量比后路的少，以达到前部压缩器的中间冷却和后部的余热尽数回收效果，特色是把热完全围堵在作功的场合内，而减少散热之下而尽量作功，但能增加蒸汽轮机；包括管路等，会增加重量必多处消耗功率，故拟采用低压强力冷凝冲动及反动混合式的蒸汽轮机为设计要点，因而控制在容许的蒸汽排放的最低压及温度，使蒸汽轮机及管壁等可减轻其厚度重量和增加系统的安全性。
第9图吸气散热导片示意图，蒸汽排汽管道84，各歧管集汽区848，汽水分离回水阀18，保温材24，排汽管固定耳座810，冷凝区91。
第10图吸气散热导片前视图，冷凝热交换鳍片(铝)94。
第11图本装置的热态交换分布图，前段空气温度约为30℃，燃烧筒40温度约为1500℃，热气涡轮外罩60的温度约为300℃，经水管20散热后温度约为140℃。
追求基本结构形式的再演进，并求各部位技术分工的标准化。以其互相牵涉的数据，再予修正翼角度、管口各方压力、流量、尺寸大小及减速比。并发展加工机具的制作，达到减重量，和简化制造工时。高温导气翼片制造成中空通水汽的方法以钛合金等不锈钢材，以无缝管在其周围与翼周围略等长之下，加热挤压成型。挤压成型后刊嵌入有成型的板孔上下两面，并加以焊固后再次加工、抛平，最后与上下已冲压成型的上下头盖套压并锁固。上下各只留一汽管接嘴，再放进各十分之一区的导气片框内，以达通汽效果。蒸汽轮机头部的旋臂齿条，因蒸汽轮机套轴头部加大，故在其与机壳接缘运转处嵌入减阻合金，给油润滑，并以多道槽与阻带共同防漏蒸汽与机油，并在于中间槽以一通孔给予一正气压使油汽各自离。
众所周知，当今各种燃气涡轮引擎，特点在空气燃烧室内与燃油混合、燃烧、膨胀的气体以高的速度喷出机外，形成推力；一部分的膨胀气体则驱动涡轮旋转并传动压缩器，压缩器的作用是增加进入发动机内空气的压力及温度，以有利于燃烧过程，但是所产生的高温却没有利用，且任由压缩空气进行冷却，以防因高温而使得机组发生损害(融化)，至为浪费，可惜！而蒸汽轮机的四个基本过程，由锅炉、轮机、凝结器等各种组件来承担，蒸汽轮机的作业流体为水，所以必须采用外烧方式。所以本案重点即为将燃气轮机以及蒸汽轮机的特点相加结合，为本案燃气蒸汽并效涡轮引擎，在不影响燃气涡轮引擎原本的功能下，做结构的小调整，于燃气涡轮引擎的核心埋入一蒸汽轮机，由低压、中压、高压的热交换，以纯水作为蒸汽轮机的作业流体，利用燃气涡轮引擎中燃烧室、燃气喷嘴作功时所散发的能量，使纯水沸腾蒸发为蒸汽，导入蒸汽轮机中来推动蒸汽轮机，其利用使用过后的蒸汽的废气，再导往吸气散热导片，冷凝为液态，使其达到燃气涡轮引擎所产生的余热能得到完全的利用，在相同的成本的状态下，得到更加的热机效率。并且亦符合热机最重要的要求可靠性、经济性、无公害性。可靠性就是不容易故障，是热机最重要的要求。因本案燃气蒸汽并效涡轮引擎，并不影响原燃气涡轮引擎原有功能为前提，加装一蒸汽轮机，利用燃气引擎所产生的余热，使纯水在各热交换鳍中加温，藉由水三态变化的特性来推动蒸汽轮机，在原先结构上并无重大改变，所以本案的可靠性无虞。在经济性上热机为生态体系中的一环，与其他生产技术一样重视经济性，在本案更提出利用燃气涡轮引擎原本即会产生的余热，来将纯水转化为蒸汽推动蒸汽轮机，意即利用相同的成本(燃气涡轮引擎及燃料)，却获得更大、更佳的热机效率以及能量输出，故本案在经济性上不可谓改善不大。在无公害性上由于本案是利用原燃气涡轮引擎所产生的余热，将作业流体的纯水回温，在整体组件中作三态变化，以推动蒸汽轮机做能量输出，故本案并未使用其他额外燃料来推动本燃气蒸汽并效涡轮引擎，更可说本案利用原有相同燃料，却获得更好更佳的热机效率及能量输出，等于降低成本，并且等于更降低了原先燃气涡轮引擎所产生的废气公害，可说是不但无公害性，更达到了降低污染的环境目标，所以，本案可谓为热机技术中崭新的创作，亦为热机创造了新纪元。
本装置是在已常用的燃气轮机与蒸汽轮机(两者乃是现有技术，在发明与应用上均已超过40年以上)使其两者相结合的第三者原动机，也就是必须有燃气轮机与蒸汽轮机，但不用锅炉，而本发明的结构就是使其两机能精密结合，将热能尽量吸收并转换成动能为其特征；本装置因不增加轴长(共同轴)，又不需加装锅炉，因而减少管路损耗及许多装备与重量，故本发明所带来的优点和效果如下(1)将在工业利用上，可以燃烧酒精或多氢的燃料来兼顾环保。
(2)减少排放热能，可改善地球的积热效应。
(3)本装置的单位马力更佳，故可应用于航空器、船舶、铁路、机车及发电厂，小至机动车辆，故可切换为继续供水来当汽电共生机使用。
权利要求
1.一种燃气蒸气并效涡轮引擎及其热交换装置，其特征是把燃气轮机在其原来的机体内，另外装入一蒸汽轮机(81)，使其为共同输出功率的原动机，其中包含着可快速装卸，并能差速同向运转联结输出的结构体；蒸汽轮机(81)是装置在燃气轮机内部的略微提高的燃烧筒(40)下方，而且在头部机壳造成一有中空幅射环状的支架(45)，外部导引高压气流进入燃烧室，中间则引出蒸汽排气至机前冷凝，此支架并与外罩结构固定着，尾部与热气导气片(634)联结形成可胀缩的结构体；蒸汽轮机(81)的机首，利用一旋臂内接式齿轮差速法，与主轴(100)上的齿轮互相带动着，以其互动差值的速比与主轴形成同向，同时运转。
2.一种如权利要求1所述燃气蒸气并效涡轮引擎所使用热交换装置，其特征是热交换装置是包含一纯水框(25)及冷凝脱气槽(14)，至少有一过热区温控仪，和冷凝温控仪(11)，三个释压阀(290)，并于出水泵后有一歧管并安装两个阀与出水泵入口联接，以调控水量并作快速增温；热交换的进气导片为冷凝区(91)，进气导片(9)以中空曲折外部多面的散热鳍为之；主水管分成前后两路前进至过热区，由前路进入过热区的热交换管(20)，是各别绕行于燃烧室的外部高热区进行热交换；由后路进行的中段加温区，是进行热气涡轮定翼的翼片冷却交换方式加温，在其定翼中空植入小蒸汽管产生回流，采用串联及并联而成；其前、后混合的蒸汽最后必穿过有中空的热气导气片(63)，是以小汽管先串联后并联而达成过热蒸汽再导进蒸汽喷嘴者，最后混合成过热蒸汽而转动蒸汽轮机(81)。
全文摘要
本发明是一种燃气轮机与蒸汽轮机结合为一体的原动机,以燃气轮机为主体,利用蒸汽轮机的动作介质一水,转换成为燃气轮机前压缩器中间冷却,将排气余热吸收收回,并作燃烧室局部过热区冷却及后段热气涡轮定翼高温冷却,以其产生的高压蒸汽来增加运转,形成并相结合输出动力的原动机。其运转程序的控制模式,在于使两机能精确的结合在一起,于其速度相异情况下,以其差速达到同向运转输出,同时考虑整机装卸简便的构造。
文档编号F01K23/10GK1258808SQ9812113
公开日2000年7月5日 申请日期1998年12月28日 优先权日1998年12月28日
发明者陈伯禄 申请人:陈伯禄