[发明专利]一种燃气涡轮发动机循环系统及循环方法

说明书

本发明公开了一种带间冷和/或回热的燃气涡轮发动机循环系统及循环方法。系统包括解耦的燃气涡轮主循环子系统和超临界二氧化碳外循环子系统。超临界二氧化碳外循环子系统包括形成循环回路的二氧化碳压缩机和二氧化碳透平以及至少一个换热器。燃气涡轮主循环子系统设有工质通道与换热器连通，工质通道设置在低压压气机、高压压气机之间和/或连接在涡轮之后，使主循环子系统与外循环子系统能够通过换热器进行热交换。本发明外循环系统利用超临界二氧化碳跟主循环进行换热发电，能够充分利用主循环的热量，同时又避免了系统的庞大臃肿；采用相互独立的两个子循环系统，使得外循环跟主循环解耦，具有热效率高且运行更灵活等优点。

技术领域

本发明涉及一种燃气涡轮发动机循环系统及循环方法，特别是一种带间冷和/或回热的燃气涡轮发动机循环系统及循环方法，属于燃气涡轮发动机技术领域。

背景技术

燃气涡轮发动机是广泛应用于飞机、舰船、发电等领域的高效动力装置。为进一步提高效率、降低油耗，国际上正在发展间冷和回热循环。所谓间冷(亦称中冷)，是指将压气机低压段(或中压段)与高压段中间的空气冷却后再送入高压段进行压缩，以减少压气机高压段功耗，提高效率。所谓回热，是指将低压涡轮出口的排气余热回收并加以利用。此外，应用间冷后，压气机高压段空气温度降低，降低了对压气机叶片材料耐高温性能的要求，也避免了因燃烧室来流温度过高而引起的燃烧室预混段回火、烧蚀，以及燃油喷嘴结焦问题。

在舰船领域，英国的罗罗公司和日本的川崎重工联合研制成功了WR21型舰用间冷回热循环燃气涡轮发动机。该机型使用海水冷却低压压气机出口的空气，冷却后的空气经高压压气机进一步压缩后，与低压涡轮排出的燃气换热，温度升高后进入燃烧室燃烧。但是，在间冷换热中，海水得到的热量无法有效利用，导致了效率的损失。

在航空领域，国内外也提出了一些间冷回热涡扇发动机循环。这些循环普遍使用外涵道的低温空气作为冷源，实现间冷。这种间冷方式能够利用间冷换热过程的热量，增加外涵道喷气速度，增大发动机推力。但是，喷气速度的增加，降低了推进效率，会导致油耗增加。而且需要在外涵道布置换热器，导致结构复杂，增加了压损。高压压气机出口空气经过回热过程后，温度较高，在燃烧室预混段中与燃料混合时容易发生回火、烧蚀，以及燃油喷嘴结焦问题。此外，回热过程与燃烧过程耦合，导致系统控制复杂，影响了发动机运行的稳定性。因此，目前还没有间冷回热循环在飞机发动机上实现应用。

上述问题限制了间冷回热循环在舰船与飞机上的进一步应用。因此，在发展间冷回热循环时，需要解决两方面的关键技术问题：1)有效回收利用间冷过程交换的热量；2)发展新的回热方法，避免与燃烧室耦合导致燃烧室入口温度过高而引发的一系列问题。

专利文献CN104110309A公开了一种航空发动机的间冷或间冷回热循环布局，在间冷或间冷回热循环中引入了超临界状态流体循环，使得布莱顿循环和超临界状态流体循环相互独立，通过4个微小尺度换热器实现两个循环之间的换热。

发明内容

本发明旨在提供一种带间冷和/或回热的燃气涡轮发动机循环系统及循环方法，有效回收压气机内间冷过程中损失的热量，并将回收的热量通过超临界二氧化碳透平发电，以达到提高效率、降低油耗的目的。

本发明通过以下技术方案实现：一种燃气涡轮发动机循环系统，包括以空气为循环工质的燃气涡轮主循环子系统和以二氧化碳为工质的超临界二氧化碳外循环子系统；所述燃气涡轮主循环子系统包括通过传动轴依次相连的低压压气机、高压压气机、燃烧室和涡轮；所述超临界二氧化碳外循环子系统包括二氧化碳压缩机和二氧化碳透平以及至少一个换热器，所述换热器设置在二氧化碳压缩机和二氧化碳透平之间且形成循环回路；所述燃气涡轮主循环子系统设有工质通道与所述换热器连通，所述工质通道设置在所述低压压气机、高压压气机之间和/或连接在所述涡轮之后，使得所述燃气涡轮主循环子系统与所述超临界二氧化碳外循环子系统能够通过所述换热器进行热交换；所述超临界二氧化碳外循环子系统还包括发电机，发电机与二氧化碳透平之间设有传动轴。