一种中小型涡轮机湿压缩方法

摘要

本发明公开了一种中小型涡轮机湿压缩方法，属于飞行器动力机械、功率输出机械、发电机械技术领域。本发明在涡轮机的进气口、压气机的上游处，垂直于空气流动方向采用喷射装置向进入中小型涡轮机的流动空气中喷射雾化有机物液滴；有机物液滴的直径根据下述公式计算：

说明书

技术领域

本发明属于飞行器动力机械、功率输出机械、发电机械技术领域，特 别涉及一种中小型涡轮机湿压缩方法。

背景技术

众所周知，向大型燃气轮机的工作介质中喷水可以增加燃气轮机输出 功率，这种方法被应用于燃气轮机发电领域，一般称之为湿压缩技术 。增加输出功率的原因，一般归纳为：一是由于增加的水蒸发，冷却 效果减少了压气机耗功，二是蒸汽有助于燃气燃烧；三是通过涡轮叶 片的质量流量增加，提高了输出功率。

工业上发电用大型燃气轮机一般采用喷水雾化、形成小液滴的形式参 与压缩过程。由于大型燃气轮机轴向尺寸长，压气机内流速相对较低 ，雾化水滴有足够长的时间蒸发。因此，大型燃气轮机采用喷水湿压 缩是可行的。

然而，对中小型涡轮机，包括航空涡轮风扇、涡轮喷气、涡轮轴、涡 轮螺旋桨发动机、燃气启动机，尤其是中小微型航空发动机，压气机 流向长度远远小于发电用大型燃气轮机，并且压气机中的空气流动速 度比发电用大型燃气轮机内流动速度更高。若向中小型的涡轮机前喷 水，水滴在压气机内来不及蒸发就被吸入燃烧室，不但起不到湿压缩 过程降温的目的，反而会造成压气机后水滴凝结在金属壁面上腐蚀零 件，进入燃烧室损害燃烧效率等问题。这就失去了湿压缩技术的使用 价值。专利CN1612977A就是介绍这种大型燃气轮机的湿压缩技术，并 且特别指出其压气机的工作压力比必须大于15巴，这也是大型燃气轮 机喷水湿压缩技术的局限性。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种中小型涡轮机湿压缩方法，该方 法采 用易挥发的有机物雾化液滴喷射，由于其蒸发速度很快，通过精确计 算控制喷雾量、不会存在水滴蒸发速度的问题。因此可以解决中小型 涡轮机使用湿压缩技术的困难。

一种中小型涡轮机湿压缩方法，如下所述：

在涡轮机的进气口、压气机1的上游处，垂直于空气流动方向采用喷射 装置5向进入中小型涡轮机的流动空气中喷射雾化有机物液滴；所述的 有机物液滴的直径根据下述公式计算：

$d=\sqrt{\frac{S}{V}\frac{k}{\pi }}$

其中，d为雾化有机物液滴的平均液滴直径，S为压气机1的轴向长度， V为压气机1进口处空气的流动速度，k为有机物液滴的蒸发系数，π为 圆周率常数；

所述的有机物为甲醇、乙醇、乙醚或苯；

所述的有机物液体采用喷射装置形成颗粒直径小于1毫米的雾状液滴， 根据本发明的计算公式优选最佳液滴直径；

对中小型涡轮机整个热循环，增加少量的有机物液滴参与循环，一般 不大于进入中小型涡轮机的流动空气质量的1%，能够明显提高中小型 涡轮机热循环效率，增大输出功率、或者做功能力；同时考虑到安全 问题，控制有机物液滴喷射量一般不大于进入中小型涡轮机的流动空 气质量的1%，使蒸发后的有机物低于其爆炸下限；

所述的中小型涡轮机是指用于飞行器启动机、飞行器推进、输出机械 功率、输出电能等各种领域的中小型涡轮机；

所述的压气机1是指中小型涡轮机的部件之一，或者是单独用于压缩空 气、工业送风、鼓风机、压缩机等各种领域的压气机，包括轴流式、 离心式、容积式等各种形式的压气机。

本发明的有益效果为：

本发明提供的中小型涡轮机湿压缩方法，总喷射流量一般不大于空气 质量的1%；根据试验测定，输出功率提高幅度在5%~32%之间；

降低了对压气机的压比、长度的限制：由于有机物液滴蒸发速度比水 滴快得多，因此相同压缩条件下，有机物液滴颗粒直径可以比喷水液 滴直径大，这样就降低了对喷射粒径和喷嘴技术的苛刻限制；

拓宽了湿压缩技术的应用范围，可以广泛应用于中小型各种形式的涡 轮机，突破过去湿压缩技术对压力、燃气轮机尺寸、液滴直径的先知 要求。更有利的是，压缩蒸发后的气态有机物还可以参与燃烧，比喷 水湿压缩提供更多的燃烧能量，提高涡轮机的输出功率。

简而言之，本发明的有益效果为：

1、提高了涡轮机热循环效率，增大了输出功率； 

2、拓宽了湿压缩技术的使用范围，尤其是对中小型涡轮机；

3、降低对喷射技术的要求，液滴颗粒直径可以比喷水液滴大。

附图说明

图1是喷射装置和中小型涡轮机的位置关系示意图；

其中，1表示压气机，2表示燃烧室，3表示驱动压气机的高压涡轮，4 表示输出功率的自由涡轮；5表示喷射装置；

图2是有机物液滴喷嘴在喷射装置5上的两种栅格排列方式示意图；

其中，5表示喷射装置，6表示喷嘴安放位置；

a图为小型栅格排列形式，b图为中型栅格的排列形式。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细的说明：

实施例1：

有机物液滴喷嘴在喷射装置5上采用阵列式栅格结构，在喷射装置5上 放置多个喷嘴6，根据下述公式计算有机物液滴直径，再根据计算出来 的有机物液滴直径选择喷嘴型号。

$d=\sqrt{\frac{S}{V}\frac{k}{\pi }}$

其中，d为雾化有机物液滴的平均液滴直径，S为压气机1的轴向长度， V为压气机1进口处空气的流动速度，k为有机物液滴的蒸发系数，π为 圆周率常数。

在涡轮机工作时，空气首先经过进气室被压气机1吸入涡轮机内部循环 系统。在涡轮机的进气口、压气机1的上游处，垂直于空气流动方向设 置一个喷射装置5，有机物液滴喷嘴在喷射装置5上采用图2a所示的阵 列形式，所有喷嘴6都连接到同一有机物液态工质的高压容器上，压力 容器内的压力一般为8~10个大气压；若该涡轮机进口吸入空气质量流 量为1kg/s，则控制喷射装置总的液滴喷射质量流量为0.01kg/s以下。 通过喷射装置5高压喷射有机物工质，在涡轮机进口形成雾状有机物液 滴，与空气混合，被压气机吸入，经过进气室被吸入压气机1。在压缩 过程中，由于有机物液滴挥发，降低了压气机的出口温度，从而提高 了压气机效率。

挥发后的有机物工质随空气进入燃烧室2，参与燃烧室2内的燃油燃烧 ，生成CO₂和H₂O，随燃烧后的烟气进入高压涡轮3和自由涡轮4，参与 涡轮做功。高压涡轮3驱动压气机、自由涡轮4输出功率，都由于增加 了1%的流动工质，同时提高了涡轮前温度，而明显地增加涡轮的输出 功率。