一种航空涡轮发动机地面动力装置

摘要

一种航空涡轮发动机地面动力装置，它适用于石油、化工及冶金等行业。它由普遍航空涡扇发动机堵住风扇静叶的外函道部分，并把风扇转叶对应外函部分的叶尖截掉，在其轴前端接一稀土永磁发电机，吸收由于去掉外函后风扇轴的多余功率以保持发动机运行参数不变。发电机通过整流及逆变装置输出，不受同步转速限制，直接偶合而省去减速机构，发动机后部输出的高气流可用于蒸汽锅炉，加热炉等，整个装置用机电一体化控制技术控制。

说明书

一种航空涡轮发动机地面动力装置，它适用于油田开发、石油化工以及冶金、发电、纺织、造船等部门。它不仅可以提供部分电能，还可以综合提供其它形式的能量，例如可作为燃气发生器提供气体动能，作为热风源提供热能以及带动蒸气发生器等。

在石油的开采以及石油加工过程中，需要大量的能量，不仅需要电能，还需要诸如热能等其它形式的能量，用以在石油输送过程中为防止石油的凝固而对其加热。一般油田都处于远离城市或是发电厂周围电网所能覆盖的能源集中区域，需要自己配备动力装置。由于燃气化机功率大，结构轻便紧凑，很适于油田等野外环境使用，因此它已作为石油行业的动力源被普遍采用。

燃气轮机是一种高技术产品，特别是航空用的涡轮风扇发动机，在经过长时间的研究试验和消耗了大量的研制经费之后，才得到今天这样的高水下。它不仅结构紧凑，而且效率、寿命都有很大提高，有的已高于其它动力装置。但如果要求航空涡轮发动机在地面直接输出机械能去驱动发电机等驱动对象，需要增加自由涡轮部分。为了得到较高的效率和寿命，要做大量的工作。自由涡轮的设计和其与原发动机的匹配都是相当困难的，在国外，一个成功的发动机改型，通常要花费十年的时间和数亿美元的资金。

现在各国航空公司为了改善自身的竟争地位，不断对使用的民航客机进行更新，这往往造成所用的涡轮发动机还有相当长的使用寿命时就被提前退役，这些发动机的利用，特别是地面或船舶利用，就成了人们关心的问题。

本发明的目的就是利用现在的航空涡扇发动机进行二次开发，改装成可在地面使用的一种新型动力源。

本发明的结构如附图1所示，它由燃气轮机（1）、发电机（2）和控制设备组成，其特征在于：燃气轮机（1）为涡轮风扇发动机，其外函道（3）口处有一环形堵板（4）把外函道（3）堵住，风扇转子叶片（5）被切除其顶部，使风扇直径减为只与内函道口部尺寸相应，风扇轴前端延长以便带动发电机（2），在发动机组近旁有标准工业控制介面（7），在标准工业控制介面（7）中插有控制适配模块（8）和测量适配模块（9），在涡轮风扇发动机（1）和发电机（2）上装有分别与控制适配模块（8）和测量适配模块（9）相连的控制执行元件（10）和测量传感元件（11），有可以为整个系统共用的中央控制计算机（12），中央控制计算机（12）通过串行通讯接口与标准工业控制介面相连。

本发明是利用原有的涡轮风扇发动机（1）为核心，通过对风扇转子叶片（5）的外函部分切顶，而且把风扇静子叶片的外函道口处堵住，变为一台只有内函道部分工作的涡轮发动机。由于风扇的外函部分不再做功，因而通过在风扇转子前端加接一台发电机（2），吸收相应部分的功率，使发动机（1）的工作参数基本没有变化，达到对发动机（1）做最小的改动，保持原发动机的高性能的目的。

本发明中的发电机（2）可以是稀土永磁发电机，在稀土永磁发电机输出端接有整流逆变装置（6）。使用稀土永磁发电机是为了可直接与风扇轴的转速相匹配。由于采用整流及逆变装置（6）进行变换，发电机没有同步转速问题，可以随发动机（2）的调整而变化。此外使用稀土永磁材料做发电机转子，可不用开镶嵌转子线圈的槽，也没有转子线圈，这样，既不需要励磁系统和电刷，减化了结构，又由于转子的强度增加而使其极限转速可以提高，可不用减速机构而直接与网扇轴连接。

本发明中，采用机电一体化的控制手段，发动机（1）、发电机（2）以及其它设备的控制和各种参数的检测都通过中央控制计算机（12）来进行，中央控制计算机（12）可通过检测整个系统的参数，使用专家系统软件进行决策，使本发明始终工作在最佳工作状态。本发明中的控制执行元件（10）都是一些完成单一功能的执行元件，如燃气油流量控制阀，静子叶片调节机构等，它以各自与插入标准工业控制介面（简称RTU）（7）的控制适配模块（8）相连，RTU（7）通过串行通讯接口与中央控制计算机（12）相连，中央控制计算机（12）要对某个控制执行元件（10）进行操作时，选发出地址选通指令，RTU（7）选通相应的控制适配模块（8），然后中央控制计算机（12）发出操作指令，控制适配模块（8）把它变为控制执行元件（10）所需的电信号，控制其控制执行元件（10）的执行。同样，在对系统参数进行测量时，中央控制计算机（12）也是发出地址选通指令，RTU（7）选通相应的测量适配模块（9），测量适配模块（9）把测量传感元件（11）得到的物理量经模/数变化后送回计算机（12）。计算机通过扫描不断采集系统各种参数，形成实时数据流，并对其进行处理。由于RTU（7）就近放置于被控设备旁边，各种控制执行元件（10）和各种测量传感元件（11）与相应的适配模块的连线不用引入控制室中，使连线大大减少和缩短。此外，采用RTU（7）进行控制便于维修和扩充。扩充时，只须在空闲的RTU（7）插槽中插入相应的适配模块，并接上相应的执行/测量元件即可。RTU（7）与中央控制计算机之间是用串行通讯的方式连接，因为当RTU中的插槽不够时，可以通过串入更多的RTU来解决。由于中央控制计算机（12）是为整个系统共有的，可以几台机组、甚至整个电站共用一台控制计算机进行群控和总体控制，解决了各个部分的协调问题。

本发明作为一种动力源，除在风扇轴前端接有的发电机（2）可以输出一部分电力外，其涡扇发动机（1）后部尾喷管处还可以输出有较高温度的大流量燃气，可以作为一个燃气发生器使用。为提高整体的能量利用率，在本发明中，可以在涡扇发动机（1）的尾部接有一蒸气锅炉，在本发明提供电能的同时提供过热蒸汽，以供其它装备使用。

本发明以国内将在1991年退役的MK512涡扇发动机为例，经改装后，在发动机前端可接一台发电机，其容量为3500千瓦，而且发动机尾喷管处还有绝对温度为900度、流量为每秒50公斤的燃气输出，大约相当于6000-7000千瓦的气体动势能，可以用于做炼油厂、化工厂、冶炼厂的加热炉热源或是燃烧炉的热风源。而在发动机尾部带蒸汽锅炉时，可输出压力为3.9兆帕、温度为440℃的过热蒸汽。