[发明专利]利用气态流体产生机械能的方法及其装置

说明书

本发明涉及一借助气态流体产生机械能的装置，包括一由燃气轮机和至少由一台单列的压缩涡轮机驱动的一压缩机单元组成的机组，其中这（这些）涡轮机与压缩单元由一连接导管串联起来。人们知道这种装置有各种类型，但至今还没人成功地设计出一个装置，它和已有的动力源如内燃机、汽轮机等相比能有一个令人满意的效率（35%）。

在这些已有的装置中往往忘记了充分注意燃气轮机的有害的废气。例如建议为了提高气态流体的温度而把燃烧室加到压缩涡轮机上。这后一种措施加剧了有害燃烧物的散发。

本发明的目的是填补这一空白，提供一种装置，它有约40%的效率，能在50到3000千瓦范围之间工作，由此限制有害物的散发。

本发明的一种利用气态流体产生机械通能的方法，所述气态流体流动通过由至少一个单个的压缩涡轮机（T）驱动的一动力涡轮机（1）和压缩机单元（C），该压缩涡轮机（T）的输入通过连接于一主热交换器（3）的一热交换侧的连接管道（6、8、9）以串联流体流动方式连到所述压缩机单元（C），所述主热交换器的另一热交换侧连到所述动力涡轮机的排气侧以便在上述各部件工作期间从所述动力涡轮机的排放气体至被压缩的空气之间进行热交换。

其特征在于，从所述压缩机单元（C）流向压缩涡轮机（T，T₁或T₂）的被压缩空气的加热是在所述主热交换器（3）中进行的，由此，在所述压缩涡轮机（T，T₁或T₂）中膨帐的被压缩和加热的空气保持不受污染，只有所述动力涡轮机（1）具有所述被压缩空气中燃烧然料的燃烧室（4），且所述被压缩机未污染的空气从所述的（最后的）压缩涡轮机（T或T₂）排放到与之相连的所述燃烧室（4）。

本发明的实现上述方法的装置，它包含由至少一个单个的压缩涡轮机（T）驱动的压缩机单元（C）构成的机组，该机组进一步包含一个动力涡轮机（燃气轮机）（1），这些涡轮机利用连接导管（6-10）依次连接到压缩机单元，且从压缩机单元到压缩涡轮机的连接管道6安装在燃气轮机（动力涡轮机）（1）的排出管（2）中的主热交换器（3）中，其特征在于只有动力涡轮机（1）设有燃烧室（4），来自压缩涡轮机的膨帐气体的排气管（10）连接到该燃烧室（4）。

设想中装置的可以预料的用途是如用一种能供给约为700千瓦能量的装置驱动火车或船。按本发明的装置特征在于燃气轮机（动力涡轮机）单独有一燃烧室，来自最后一压缩涡轮机的膨胀气体的排气管与这燃烧室相连，特征还在于将压缩机单元与压缩涡轮机的连接导管和燃气轮机的排气管组合成主热交换器。

上述本发明的关键在于压缩机的驱动涡轮机不是由燃气轮机的废气馈给的，而是压缩空气本身在被引到动力涡轮机前就被用了。因此本发明使得有可能实现比迄今为止已实现的更接近于理论的CARNOT循环的操作。这为整个装置的热效率的根本增长打下基础。况且根据本发明整个装置的重要部件可以购买现成的如有的和已成熟的部件，这对整个装置的成本是非常重要的。

从美国专利3，054，257SCHELP已经知道，在机械能产生装置中，为了提高在这些涡轮机中流体的温度，为每个涡轮机配置一个辅助燃烧室。和已有的这种技术相反，本发明把燃烧室的运用限制在动力涡轮机，因此用在动力涡轮机排气管处回收的热量在流体通过压缩涡轮机前去加热该流体。

本发明还有两个优点。除接近CARNOT循环和结构可用在市场竞争中能购得的元件组成外，申请的新的装置使一种无论在内部或在外部完全“清洁”的操作变为可能。完全没有被污染的空气（因而很少或没有内部污染）通过其压缩机和涡轮机。供给动力涡轮机的燃烧室的气体只需要有一个非常低的压力（约为200kpa）并与其有关系的在动力涡轮机中将有一相对较低的入口温度（约为900℃）。在这种情况下，NO_x的散发量是很低的，使得环保负荷减经了。

按照本发明，如果该装置的压缩机单元包括至少两部分，则通过在压缩机单元两部分之间的导管内至少加一个热交换器而得到效率方面的另一改进。要指出的是，当提到热交换器时，它们可能是复热型或蓄热型的。

本发明的另一特征是该装置的动力涡轮机设计成一直流内流式涡轮机。这种涡轮机在涡轮机壳体的入口和轮叶顶部入口之间允许大约摄氏100℃的温度降低。在燃烧室中相对较高的温度不是绝对需要叶轮的冷却就能迅速地降温。如需要的话，这种冷却可用少量的冷却空气的简单方法能实现的，在此情况下，形成NO_x的可能很小。