专利名称：燃汽轮机的动力设备及其工作方法
技术领域：
本发明涉及燃汽轮机领域，更加具体地说，本发明涉及使用可调整的负载反馈机构来控制发动机工作参数的燃气涡轮。
本发明的背景技术本发明涉及变速燃汽轮机，这种燃汽轮机特别有利于驱动发电机或者汽车和其它最好具有适中的功率输出、较小尺寸和较高响应速度的应用中。变速涡轮的效率根据包括发动机速度在内的许多变量来改变。在现有技术的燃气涡轮中，当涡轮速度减少并且功率输出保持不变时，如在汽车爬坡的情况下，压缩机速度升高，它的功率增加，并且将比需要多得多的水供给到涡轮中。因此发动机变成“过冷”了，循环温度下降，并且金属零件产生收缩。其结果是，涡轮的功率输出减少了，并且效率减小了。
当涡轮速度保持不变并且功率输出减少时，如在汽车下坡的情况下，压缩机速度大量减少，并且涡轮缺少流体。因此，发动机变成“过热”，这造成由于金属的过度膨胀而使涡轮发动机的零件遭受危险。
在过冷期间，压缩机涡轮具有过大的功率，这使得涡轮涌进了大量流体。在过热期间，压缩机涡轮处缺少功率，并且涡轮接受小于它所需要的流体，这将导致过热。因此，在这种发动机中，温度是进行控制的重要参数。通过控制进入压缩机涡轮中的液流或者通过控制进入涡轮中的液流使这两种现象相互抵消。在这两种情况下，这种控制伴随有损失。
在1998年9月25日提交的、我们的待审专利申请No.09/161170中，公开了一种燃汽轮机，该燃汽轮机具有涡轮，它安装在压缩机的下游处；及压缩机涡轮，它安装在涡轮的下游处，从而驱动压缩机。压缩机涡轮具有转子盘，该转子盘机械地连接到压缩机中，并且沿着与涡轮转子盘的旋转方向相对的方向进行旋转。热交换器具有第一环路，它连接到压缩机涡轮中；及第二环路，它连接在压缩机和涡轮之间。用来消耗压缩机涡轮所产生的部分功率的电负载包括发电机，该发电机机械地连接到压缩机涡轮中。根据从发动机中读出的温度，电负载控制器改变所消耗的电负载，因此改变了压缩机涡轮所产生的功率大小。该负载响应温度变化和其它工作特性进行改变，从而使这种特性保持在理想范围内。上述系统使压缩机涡轮的排气温度保持稳定。该排气处的稳定温度确保了燃汽轮机的流动导管内工作参数和温度条件稳定。这就提高了燃汽轮机的效率和可靠性并且延长了使用寿命。但是，燃烧器内的温度大约为1900K。应该注意到，在燃料燃烧期间，从1800K开始形成了氮的氧化物。排放氮的氧化物是非常有害的，并且在许多管辖区域内要进行严格的控制。此外，为了控制CO值(该CO的排放物也涉及到环境问题)，理想的是使最大的燃烧器温度为1500K。为了实现这个，非常稀少的燃料和空气的混合物一定要使用大约为2.2的过量空气系数。这是非常难实现的。
在一种燃汽轮机(Electric Vehicles PT58，1997，Ed.By Ron Sims andBradford Bate，Society of Automotive Engineers，Inc.，Warrendale.PA，p，143-145)中解决了这个排放问题，该燃汽轮机具有压缩机；涡轮；热交换器，在把空气供给到燃烧器之前，它加热具有涡轮的废气的、来自压缩机出口的空气；及催化燃烧器。催化燃烧器确保燃烧具有6到8的过量空气系数的、非常稀少的燃料和空气的混合物。具有这种过量空气系数的燃烧产生于1050到1100K中，因此消除了氮的氧化物的形成。催化燃烧器形成为催化热化学反应器，该反应器在特殊的网状壳体内装有催化剂床并且具有特殊的加热器，该加热器在起动燃汽轮机之前预热催化剂。该反应器需要更大的空间，并且具有复杂的设计。此外，在起动燃汽轮机之前，需要一定的时间来加热催化剂。这种燃汽轮机的另一缺点是催化剂中毒，当使用含有硫和其它杂质的正常燃料时催化剂中毒更加严重。当催化剂中毒时，它的催化效率降低，燃料温度升高，并且排放物中的NOx值也增加了。还应该补充说明的是，催化剂是消耗材料，因此增加了燃汽轮机的工作费用。
使用热化学反应器来提高燃汽轮机效率的另一种方法(NosachN.G..Energiya topliva俄国AN Ukr.SSR，Institut tekhnicheskoyteplofiziki..Naukova Dumka.1989 p.78)包括在通过热交换器之后使燃料与来自涡轮排气中的燃烧产物进行混合。燃料与燃烧产物的混合物(含有CO和水)在特殊的压缩机中进行压缩，然后供给到热化学反应器中，而在正常工作条件(全速)下，该反应器通过来自涡轮的废气加热到大约900K。燃料和废气在热化学反应器内进行反应，并且分解成CO和氢。可燃材料量增加了，并且在燃料内可以得到的总能量增加了40到44％。来自热化学反应器中的最后燃料供给到燃烧器中，该燃烧器还接受来自燃汽轮机的压缩机的空气，该空气通过涡轮的废气进行加热。燃汽轮机的循环可以导致燃汽轮机的效率提高。当热化学反应器内的燃料转化的反应只开始于大约800K的温度时，当废气温度为500K这么低时，这种反应在燃汽轮机的低功率工作条件下不会发生。还应该注意到，完全反应至少需要1000K的温度。此外，在混合物中没有氧，在热化学反应器内进行转化之前，该混合物在特殊的压缩机中进行压缩。公知的是，在燃烧产物中总是可以得到氧(最多达10％)。该氧在压缩机内立即氧化燃料，直到自燃。其结果是，在到达热化学反应器之前，燃烧燃料的一部分可燃成分。应该知道，在燃汽轮机中(它不得不用在这样的汽车或者发电机设备中该汽车或者发电机设备工作在可变负载下)，这种方法不能发挥所有的优点，并且不能确保总体效率得到理想增加。还应该注意到，在热化学反应器内进行转化所得到的燃料在燃烧温度大约为2200K的传统燃烧器内进行燃烧，从而形成NOx。
在下述的本发明燃汽轮机中可以消除这些缺点。
本发明的概述本发明的目的是提供一种上述燃汽轮机及其工作方法，在该燃汽轮机中，NOx和CO排放物达到最小。
本发明的另一目的是提供一种具有更大的总体效率的燃汽轮机。
上述这些目的通过设计一种燃汽轮机来实现，该燃汽轮机具有涡轮，它安装在燃烧器的下游处；压缩机涡轮，它安装在涡轮的下游处，从而产生驱动压缩机的动力；热交换器，它具有第一环路和第二环路，第一环路连接到压缩机涡轮上，第二环路连接在压缩机涡轮和流体排出装置之间，该流体排出装置位于压缩机和燃烧器之间。燃汽轮机具有反应器，该反应器具有加热装置；入口，它连接到燃料和水的源中；及出口，它连接到燃烧器中。加热装置连接到压缩机涡轮的出口中。发动机还具有一系统，该系统使压缩机涡轮出口处的温度保持不变。
优选实施例的下面详细描述和附图使本发明的其它目的和优点变得显而易见。
附图的简短描述
图1是本发明的燃汽轮机的示意图。
图2是本发明的燃汽轮机的第二实施例的示意图。
附图的详细描述如图1所示，燃气轮机具有涡轮1；压缩机涡轮2，它安装在涡轮1的下游处，从而沿着与涡轮1的旋转方向相对的方向进行旋转；压缩器3，它安装成与压缩机涡轮2一起旋转。涡轮1具有负载4，该负载4由涡轮1来驱动。设置在涡轮1的上游处的燃烧器5被设计成借助于与空气燃烧来制备涡轮1的热流体，该空气可以如箭头A所示一样供给到燃烧器中。燃汽轮机具有通常用6来表示的热交换器。热交换器具有第一环路61，它设置在压缩机涡轮2的出口和压缩机3的入口之间；及第二环路62，它设置在涡轮1和压缩机3的出口之间。热交换器的作用是冷却从压缩机涡轮2到压缩机3(在环路61中)的流体，并且使用该热量来加热从压缩机3到达涡轮1的流体(在环路62中)。应该知道，根据具体的工作条件和燃汽轮机的各种零件的要求，热交换器6可以具有辅助热交换作用的其它环路和装置。装置7设置用来从压缩机3和涡轮1之间的燃汽轮机的流动导管中排出部分流体。优选的是，装置7设置在第二环路62和燃烧器5之间。尽管装置7对本发明影响不大，但是应当注意到，该装置被用来控制流动导管内的流体密度，从而控制涡轮1的功率。该装置可以通过人工来控制或者借助于特殊的自动控制系统来控制，该控制系统没有形成部分本发明。这种系统的一个例子公开在1998年9月25日提交的、我们的待审专利申请No.09/161114中。
本发明的燃汽轮机具有反应器8，该反应器具有入口，如图1中的箭头F和W所示一样把燃料和水供给到该入口中；及出口，该出口连接到燃烧器5中。反应器8具有加热装置9(如线盘)，该加热装置连接到压缩机涡轮2的出口中，从而加热加入到反应器中的燃料和水。其结果是，在反应器内被加热过的燃料转化成了一氧化碳和氢，并且供给到燃烧器5，从而与箭头A所示的供给空气进行燃烧，从而形成了供给到涡轮1中的加热流体，该加热流体在涡轮1内进行膨胀从而驱动负载4，并且在压缩机涡轮2内进一步膨胀从而驱动压缩机3。压缩机3把在热交换器6的环路62内加热过的压缩流体供给到燃烧器5和涡轮1中。来自压缩机涡轮2的流体在通过反应器8之后在热交换器6的第二环路61内与通过第一环路62来自压缩机3的压缩流体一起进行冷却，并且加入到压缩机3中进行压缩。这就完成了燃汽轮机的循环。
压缩机涡轮2的出口处的温度保持不变。为此，在热交换器6的上游处设置了温度传感器10。该温度传感器10连接到通常用12来表示的温度控制器中。温度控制器12具有可变负载14，它连接到压缩机涡轮2上，从而改变压缩机3的输出；及控制器16，它用来控制可变负载14。控制器16连接到温度传感器10中。当压缩机涡轮2的出口处的温度依赖于压缩机3的出口时，这个温度可以通过压缩机涡轮2上的可变负载14来进行有效控制。实现这个的最有效方法是使用发电机作为可变负载，该发电机可以连接到任何电负载(如蓄电池、电附件等)中，而该电负载是控制器16的一部分。可变负载的具体布置和工作及它的控制对本发明影响不大，并且这些公开在我们的待审专利申请No.09/161170中。本领域普通技术人员应该明白，压缩机涡轮2出口处的温度借助于任何其它合适的公知装置(如借助于辅助的热交换器)来控制。
显而易见的是，使用反应器8来转化燃料是可能的，因为在压缩机涡轮2的出口处温度稳定在大约1200K。这意味着，供给到反应器中的燃料基本上完全转化成一氧化碳和氢。当通过水来进行燃料转化时，将不会使燃料的可燃成分氧化。稳定的反应温度确保供给到燃烧器5中的燃料成分保持不变，这提高了燃汽轮机的效率。当供给到燃烧器5中的转化燃料的温度大约为1000K时，燃烧器5中的温度保持大约1600K。这个温度可以处于这样的较小值上，因为转化燃料可以以大约为4的更大过量空气比来进行燃烧(与传统燃料的最大值为2的空气比相比)。同时，燃烧器内的这种温度使排放物中不会形成有NOx和CO。
图2所示的本发明燃汽轮机的实施例构造成与图1所示的实施例相同，并且作用也相同，在该实施例中，相同的零件用与图1相同的标号来表示。其区别在于，压缩机3压缩空气(以A表示)从而通过热交换器6的环路62把它供给到燃烧器5和涡轮1中，并且来自压缩机涡轮2的流体在用来加热来自压缩机3的空气之后从热交换器6的环路61来排出到大气中。
应该注意到，用来转化燃料的反应器8可以制成为热交换器，该热交换器安装在压缩机涡轮2的排气导管上或者安装到排气导管中。在这种情况下，不需要独立的加热装置9，并且通过压缩机涡轮2的排气导管的壁来进行热交换。
参照优选实施例来描述了本发明。但是，在没有脱离附上的所限定的本发明的精神实质和范围内可以进行各种变型和改进。
权利要求
1.一种燃汽轮机的工作方法，所述方法包括在具有入口和出口的压缩机内压缩流体，从而得到压缩流体；把所述压缩流体供给到燃烧器中，从而通过与供给到所述燃烧器中的空气进行燃烧来制备加热流体；在涡轮和安装在所述涡轮下游处的压缩机涡轮内使所述加热流体进行膨胀，从而使压缩机涡轮沿着与所述涡轮的旋转方向相反的方向进行旋转，所述压缩机涡轮具有出口，该出口具有一温度；冷却来自所述压缩机涡轮的所述出口的所述加热流体，从而得到冷却流体，并且把所述冷却流体供给到所述压缩机中；使用供给到所述燃烧器中的所述压缩流体，从而冷却来自所述压缩机涡轮的所述出口的所述加热流体，并且排出供给到所述燃烧器中的部分所述压缩流体；保持所述温度不变；通过所述压缩机涡轮的所述出口处所得到的所述加热流体来加热燃料和水，因此所述燃料被转化成一氧化碳和氢的混合物；及把所述一氧化碳和氢的混合物供给到所述燃烧器中。
2.一种燃汽轮机的工作方法，所述方法包括在压缩机内压缩空气，从而得到压缩空气；把所述压缩空气供给到燃烧器中，从而通过燃烧来制备加热流体；在涡轮和安装在所述涡轮下游处的压缩机涡轮内使所述加热流体进行膨胀，从而使压缩机涡轮沿着与所述涡轮的旋转方向相反的方向进行旋转，所述压缩机涡轮具有出口，该出口具有一温度；在把所述压缩空气供给到所述燃烧器中之前，通过来自所述压缩机涡轮的所述出口的所述加热流体来加热所述压缩空气；在加热所述压缩空气之后，从所述压缩机涡轮的所述出口处排出所述加热流体；保持所述温度不变；通过在所述压缩机涡轮的所述出口处所得到的所述加热流体来加热燃料和水，因此所述燃料被转化成一氧化碳和氢的混合物；及把所述一氧化碳和氢的混合物供给到所述燃烧器中。
3.一种燃汽轮机，所述燃汽轮机具有压缩机；燃烧器，它通过与空气进行燃烧来制备加热流体；涡轮，所述涡轮安装在所述燃烧器的下游处；压缩机涡轮，它安装在所述涡轮的下游处，从而产生驱动所述压缩机的动力，所述压缩机涡轮具有出口，该出口具有一温度，所述压缩机涡轮机械地连接到所述压缩机中，从而把所述动力传递到所述压缩机中，所述压缩机涡轮沿着与所述涡轮的旋转方向相反的方向进行旋转；热交换器，它具有第一环路和第二环路，第一环路连接到所述压缩机涡轮上，第二环路连接在所述压缩机和所述涡轮之间；流体排出装置，所述流体排出装置设置在所述压缩机和所述燃烧器之间；反应器，所述反应器具有加热装置、入口和出口，所述入口连接到燃料和水的源中，所述出口连接到所述燃烧器；所述加热装置连接到所述压缩机涡轮的所述出口中；及装置，它使所述温度保持不变。
4.如权利要求3所述的燃汽轮机，其特征在于，用来使所述温度保持不变的所述装置包括温度传感器和温度控制器，该温度控制器连接到所述温度传感器中，所述温度传感器设置在所述热交换器的上游。
5.如权利要求3所述的燃汽轮机，其特征在于，用来使所述温度保持不变的所述装置包括所述压缩机涡轮的可变负载；控制器，它控制所述可变负载；及温度传感器，所述温度传感器设置在所述热交换器的上游并且连接到所述控制器上。
6.一种燃汽轮机，所述燃汽轮机具有压缩机；燃烧器，它通过与空气进行燃烧来制备加热流体；涡轮，所述涡轮安装在所述燃烧器的下游处；压缩机涡轮，它安装在所述涡轮的下游处，从而产生驱动所述压缩机的动力，所述压缩机涡轮具有出口，该出口具有一温度，所述压缩机涡轮机械地连接到所述压缩机中，从而把所述动力传递到所述压缩机中，所述压缩机涡轮沿着与所述涡轮的旋转方向相反的方向进行旋转；热交换器，它具有第一环路和第二环路，第一环路连接到所述压缩机涡轮和大气，第二环路连接在所述压缩机和所述涡轮之间；反应器，所述反应器具有加热装置、入口和出口，所述入口连接到燃料和水的源中，所述出口连接到所述燃烧器中；所述加热装置连接到所述压缩机涡轮的所述出口中；及装置，它使所述温度保持不变。
7.如权利要求6所述的燃汽轮机，其特征在于，用来使所述温度保持不变的所述装置包括温度传感器和温度控制器，该温度控制器连接到所述温度传感器中，所述温度传感器设置在所述热交换器的上游。
8.如权利要求6所述的燃汽轮机，其特征在于，用来使所述温度保持不变的所述装置包括所述压缩机涡轮的可变负载；控制器，它控制所述可变负载；及温度传感器，所述温度传感器设置在所述热交换器的上游并且连接到所述控制器上。
全文摘要
一种燃汽轮机具有:涡轮(1),它安装在燃烧器(5)的下游处;压缩机涡轮(2),它安装在涡轮(1)的下游处,从而产生驱动压缩机(3)的动力;热交换器(6),它具有第一环路(文档编号F01D15/10GK1348528SQ00806746
公开日2002年5月8日 申请日期2000年3月10日 优先权日1999年3月11日
发明者阿纳托利·拉赫迈洛夫 申请人:Alm开发公司